СИСТЕМЫ СИЛОВОГО ПИТАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СЕРВОПРИВОДОВ Тяпкин М.Г. к.т.н., инженер НИУ «МЭИ». Кафедра АЭП НИЛ Центр Прецизионной Мехатроники

2 Содержание доклада 1. Основные требования к система силового питания современного сервопривода 2. Особенности построения систем силового питания сервоприводов малой (1-30 к Вт) и средней мощности (30 – 500 к Вт) 3. Особенности организации системы силового питания многоосевого сервопривода 4. Макет двухосевого сервопривода с системой силового питания на базе активного выпрямителя напряжения, разработанный в НИЛ Центр Прецизионной Мехатроники для проекта с тайванской компанией «Хайвин» (HIWIN)

3 Основные элементы современного сервопривода: 1. синхронная машина (М) – работающая в режиме само коммутации за счет положительной обратной связи по положению 2. датчик положения (ДП) – обеспечивающий измерение положения с высоким разрешением и точностью 3. сервоусилитель – реализующий функции управления, регулирования и измерения 4. система силового питания (ССП) – обеспечивающая силовое питание сервоусилителя 5. устройства для подключения сервопривода к сети (предохранители, контактор, автоматический выключатель) Структура одноосевого сервопривода Основные требования к системам силового питания сервопривода: 1. создание и поддержание требуемого напряжения на звене постоянного тока 2. обеспечение требуемой пиковой и средней мощности (3:1) 3. ограничение тока в процессе заряда звена постоянного тока 4. «поглощение» или рекуперация энергии торможения двигателя и механической нагрузки 5. обеспечение низкого гармонического состава входных токов ( IEC International Standard, 2000 ) 6. ограничение выбросов напряжения и ЭМИ защиту 7. минимизация цены устройства

4 ССП мощностью до 1 к Вт ССП мощностью 1-30 к Вт с дополнительной защитой ССП мощностью 1-30 к Вт Особенности систем силового питания сервоприводов мощностью 1-30 к Вт: 1. диодный выпрямителя – создание напряжения на звене постоянного тока 2. тормозной резистор – «поглощение» энергии торможения двигателя и нагрузки 3. ограничения зарядового тока конденсаторов звена постоянного тока с помощью: 3.1. < 1 к Вт – терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления 3.2. > 1 к Вт – зарядный резистор, шунтируемый после заряда с помощью силового реле 3.3. для дополнительной защиты – мощные терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления ССП сервоприводов мощностью 1-30 к Вт

5 ССП с полууправлемым тиристорным выпрямителем ССП с трехуровневым АВН ССП с двухуровневым АВН ССП сервоприводов мощностью к Вт Особенности систем силового питания сервоприводов мощностью к Вт: 1. создание напряжения на звене постоянного тока и «поглощение» энергии торможения двигателя 1.1. использование полууправляемого выпрямителя и тормозного резистора 1.2. использование управляемого активного выпрямителя (АВН) для двунаправленного обмена энергией 2. использование предзарядового контура для ограничения зарядового тока конденсаторов звена постоянного тока 3. использование многоуровнего инвертора, что позволяет увеличить эффективность АВН за счет: 3.1. увеличения качества выходного напряжения 3.2. уменьшения ЭМИ фильтра и входного дросселя 3.3. уменьшения потерь за счет применения низковольтных полупроводниковых ключей и уменьшения частоты коммутации 3.4. эффективного использования звена постоянного тока и конденсаторов с более низким напряжением

66 Структура с общим подключением к сети Структура многоосевого сервопривода Структура с общим звеном постоянного тока Особенности многоосевых сервоприводов с общим звеном постоянного тока : 1. увеличение эффективности за счет увеличения средней нагрузки системы силового питания 2. уменьшение количества устройств для подключения сервопривода к сети 3. увеличение общей емкости звена постоянного тока 4. уменьшение мощности, рассеиваемой в тормозном резисторе, за счет перераспределения энергиями между сервоусилителями 5. уменьшение стоимости и размеров сервопривода (при 2 осях и более)

7 Количество осей 2 Тип ССПДвухуровневый АВН Номинальная мощность ССП10 к Вт Напряжения звена постоянного тока 350/650 В Входное напряжение 230/400 В, 3 ф, 50 Гц Номинальный входной ток ССП 25 А (действующее) Серво- усилитель 1 ССП Серво- усилитель 2 Тормозной резистор Дроссель Устройства для подключения к сети, ЭМИ фильтр Опытный макет двухосевого сервопривода с АВН мощностью 10 к Вт Нагрузка – LMF64 (HIWIN) Продолжительная мощность –17 к Вт

8 Система управления АВН

9 Тестирование работы АВН Тестирование ФАПЧ Тестирование работы АВН с активной нагрузкой 5 к Вт Результаты: 1. Время синхронизации ФАПЧ - 20 мс 2. Время установления переходного процесса при сбросе-набросе нагрузки – 10 мс, просадка напряжения звена постоянного тока – 20 В 3. Суммарное значение коэффициента нелинейных искажений токов (THD) – 8% 4. Чувствительность СУ к измеряемому напряжению сети Гармонический состав токов

10 Заключение 1. Требование соответствия международным стандартам (International Standard: IEC Limits for Harmonic Current Emissions for class D equipment. IEC Limits for Harmonic Current Emissions for three-phase equipment) 2. Интегрирование элементов защиты (ЭМИ защита) в ССП сервопривода. 3. Повышение эффективности ССП: - организация ССП с общим звеном постоянного тока - внедрение двунаправленных ССП для сервоприводов мощностью >10 к Вт - внедрение ССП на базе многоуровневых активных выпрямителей 4. Перспективы развития систем силового питания: - совершенствование силового модуля за счет использования новых полупроводниковых приборов на основе карбида кремния (SiC)

11 Спасибо за внимание Докладчик : Тяпкин Михаил Геннадьевич Национальный исследовательский университет «МЭИ» Кафедра АЭП НИЛ Центр Прецизионной Мехатроники Телефон: (495) Е-mail: 11