Опубликовано

Электропривод и автоматика кем работать

Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок

Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок ВятГУ, единственная подобного профиля на Северо-Востоке Европейской части России, образована в 1972 году.

Кафедра располагает уникальным оборудованием для качественной учебной, методической и научной работы; более 90% преподавателей имеют ученые степени и звания.

Кафедра готовит инженеров по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и бакалавров по профилям: «Приводы робототехнических и мехатронных систем», «Электропривод и автоматика»

Традиционная специальность «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» для ведущих технических вузов России, устойчивый спрос на которую является неизменным.

Уже в названии специальности видна ее системность и универсальность. Электропривод — это силовая часть любой управляемой системы, состоящая из преобразователя электрической энергии, электродвигателя и рабочего механизма. Поэтому студент должен знать энергетику, электромеханику и силовую электронику.

Автоматизация позволяет «умному» механизму принять решение вместо человека. Автоматизированная система управления включает управляющую и информационную части. Управляющая часть вырабатывает сигналы на электропривод на основе информации о требованиях к процессу и его текущем состоянии. Она реализуется либо программно, либо аппаратно. Информационная часть состоит из датчиков и преобразователей информации и контролирует течение процесса и состояние окружающей среды. Поэтому студент должен знать современную элементную базу, вычислительную технику и программирование, теорию и практику управления. Что касается востребованности и перспективности специальности, то сегодня в мире уже эксплуатируется более 14 миллиардов систем управления с электроприводом, что почти в 3 раза больше, чем население Земли. Еще одно сравнение — на один используемый телефон приходится 30 электроприводов. Поэтому с трудоустройством инженеров по электроприводу и автоматизации нет проблем.

Уникальное сочетание классических электротехнических дисциплин с самыми современными курсами по электромеханическим и управляемым системам, программированию, робототехнике, вычислительной и преобразовательной технике обеспечивает высокий уровень подготовки студентов как в области электропривода и автоматизации, так и в применении вычислительной техники. Условиями рыночной экономики продиктовано включение в учебный план таких дисциплин, как экономика малого предпринимательства, квалиметрия, маркетинг и менеджмент в электротехнике, деловое общение на иностранном языке и других.

Выпускники кафедры успешно работают в качестве:

• главных специалистов на предприятиях различных форм собственности в промышленности, транспорте, связи

• разработчиков автоматизированных систем управления технологическими процессами и робототехническими комплексами и гибкими автоматизированными системами

• лицензированных специалистов по наладке и эксплуатации электротехнического оборудования и вычислительной техники

• преподавателей в вузах и колледжах

Кафедра готовит инженеров по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» со специализациями «Электропривод и автоматизация общепромышленных установок и технологических комплексов» и «Электропривод и автоматизация робототехнических и гибких производственных комплексов» и бакалавров по профилям: «Приводы робототехнических и мехатронных систем», «Электропривод и автоматика»

При кафедре открыт и успешно функционирует «Центр робототехники и мехатроники ВятГУ».

Электрический привод

Электрический привод (сокращённо — электропривод, ЭП) — управляемая электромеханическая система, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую и обратно и управления этим процессом.

Современный электропривод — совокупность множества электромашин, аппаратов и систем управления ими. Он является основным потребителем электрической энергии (до 60 %) и главным источником механической энергии в промышленности.

В ГОСТ Р 50369-92 электропривод определён как электромеханическая система, состоящая из преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.

Как видно из определения, исполнительный орган в состав привода не входит. Однако авторы авторитетных учебников включают исполнительный орган в состав электропривода. Это противоречие объясняется тем, что при проектировании электропривода необходимо учитывать величину и характер изменения механической нагрузки на валу электродвигателя, которые определяются параметрами исполнительного органа. При невозможности реализации прямого привода электродвигатель приводит исполнительный орган в движение через кинематическую передачу. КПД, передаточное число и пульсации, вносимые кинематической передачей, также учитываются при проектировании электропривода.

Электропривод

Классификация электроприводов

По количеству и связи исполнительных, рабочих органов:

  • Индивидуальный, в котором рабочий исполнительный орган приводится в движение одним самостоятельным двигателем, приводом.
  • Групповой, в котором один двигатель приводит в действие исполнительные органы РМ или несколько органов одной РМ.
  • Взаимосвязанный, в котором два или несколько ЭМП или ЭП электрически или механически связаны между собой с целью поддержания заданного соотношения или равенства скоростей, или нагрузок, или положения исполнительных органов РМ.
  • Многодвигательный, в котором взаимосвязанные ЭП, ЭМП обеспечивают работу сложного механизма или работу на общий вал.
  • Электрический вал, взаимосвязанный ЭП, в котором для постоянства скоростей РМ, не имеющих механических связей, используется электрическая связь двух или нескольких ЭМП.

По типу управления и задаче управления:

  • Автоматизированный ЭП, управляемый путём автоматического регулирования параметров и величин.
  • Программно-управляемый ЭП, функционирующий через посредство специализированной управляющей вычислительной машины в соответствии с заданной программой.
  • Следящий ЭП, автоматически отрабатывающий перемещение исполнительного органа РМ с заданной точностью в соответствии с произвольно меняющимся сигналом управления.
  • Позиционный ЭП, автоматически регулирующий положение исполнительного органа РМ.
  • Адаптивный ЭП, автоматически избирающий структуру или параметры устройства управления с целью установления оптимального режима работы.

По характеру движения:

  • ЭП с вращательным движением.
  • Линейный ЭП с линейными двигателями.
  • Дискретный ЭП с ЭМП, подвижные части которого в установившемся режиме находятся в состоянии дискретного движения.

По наличию и характеру передаточного устройства:

  • Редукторный ЭП с редуктором или мультипликатором.
  • Электрогидравлический с передаточным гидравлическим устройством.
  • Магнитогидродинамический ЭП с преобразованием электрической энергии в энергию движения токопроводящей жидкости.

По роду тока:

  • Переменного тока.
  • Постоянного тока.

По степени важности выполняемых операций:

  • Главный ЭП, обеспечивающий главное движение или главную операцию (в многодвигательных ЭП).
  • Вспомогательный ЭП.
  • Привод передач.

Подбор электродвигателя

Качество работы современного электропривода во многом определяется правильным выбором используемого электрического двигателя, что в свою очередь обеспечивает продолжительную надёжную работу электропривода и высокую эффективность технологических и производственных процессов в промышленности, на транспорте, в строительстве и других областях.

При выборе электрического двигателя для привода производственного механизма руководствуются следующими рекомендациями:

  • Исходя из технологических требований, производят выбор электрического двигателя по его техническим характеристикам (по роду тока, номинальным напряжению и мощности, частоте вращения, виду механической характеристики, продолжительности включения, перегрузочной способности, пусковым, регулировочным и тормозным свойствами др.), а также конструктивное исполнение двигателя по способу монтажа и крепления.
  • Исходя из экономических соображений, выбирают наиболее простой, экономичный и надёжный в эксплуатации двигатель, не требующий высоких эксплуатационных расходов и имеющий наименьшие габариты, массу и стоимость.
  • Исходя из условий окружающей среды, в которых будет работать двигатель, а также из требований безопасности работы во взрывоопасной среде, выбирают конструктивное исполнение двигателя по способу защиты.

Правильный выбор типа, исполнения и мощности электрического двигателя определяет не только безопасность, надёжность и экономичность работы и длительность срока службы двигателя, но и технико-экономические показатели всего электропривода в целом.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Предыдущая1234567891011

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Курс лекций для студентов специальности

«Металлообрабатывающие станки и инструменты»

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АЭП. МЕХАНИКА АЭП

1.1. Основные понятия и определения

1.1. Механические характеристики рабочих машин и ЭД

1.2. Механические характеристики ДПТ

1.3. Механические характеристики АД

1.4. Механические характеристики СД

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ РАСЧЕТА МОЩНОСТИ И ВЫБОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

2.1. Силы и моменты, действующие в ЭП

2.2. Приведение моментов сопротивления и инерции к валу двигателя

2.3. Общие замечания. Нагрев и охлаждение двигателей

2.4. Метод средних потерь. Эквивалентные методы.

2.5. Серии электродвигателей, применяемых в станках

ГЛАВА 3 ЭЛЕМЕНТЫ СИЛОВОЙ И РЕГУЛИРУЮЩЕЙ ЧАСТЕЙ СЭП

Классификация электронных устройств СЭП

3.1. Тиристорные преобразователи

3.2. Транзисторные преобразователи

3.3. Типовые датчики

3.4. Типовые узлы защиты ЭП

3.5. Типовые регуляторы

ГЛАВА 4 ТИПОВЫЕ СЭП МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

4.1. Принципы построения типовых СЭП

4.2. Одноконтурная СЭП постоянного тока

4.3. СПР ЭП постоянного тока с однозонным управлением

4.4. СПР ЭП постоянного тока с двухзонным управлением

4.5. СЭП переменного тока с АИН и АИТ (схемы с ОС по скорости и току)

4.6. Системы стабилизации технологических параметров при резании металлов

ГЛАВА 5 СЛЕДЯЩИЕ СЭП МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

5.1. Типовые структуры следящих ЭП и их элементы

5.2. Следящий ЭП с подчиненным регулированием параметров

5.3. Следящий ЭП подачи копировально-фрезерных станков

ЛИТЕРАТУРА

1. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 576 с.

2. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / М.П. Белов, О.И. Зементов, А.Е. Козярук и др.; под. ред. В.А. Новикова, Л.М. Чернигова. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 368 с.

3. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. – СПб.: Энергоатомиздат, 2000. – 496 с.

4. Шестаков В.М., Дмитриев Б.Ф., Репкин В.И. Электронные устройства систем автоматического управления: Учебное пособие. – СПб: Изд. ЛГТУ, 1991.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АЭП. МЕХАНИКА АЭП.

1.1. Основные понятия и определения

Существуют различные виды приводов, но благодаря эффективному аккумулированию, простоте передачи, свойствам суммирования и делимости электроэнергия более широко используется по сравнению с другими видами энергии. В настоящее время наиболее часто используется автоматизированный электропривод (ГОСТ Р 50369-92).

Электрическим приводом (ЭП) называется электромеханическая система, предназначенная для приведения в движение рабочих органов машин, целенаправленного управления этими процессами и состоящая из передаточного, электродвигательного, преобразовательного, управляющего и информационного устройств.

Передаточное устройство предназначено для преобразования форм движения и передачи механической энергии от двигательного устройства к рабочим органам машины.

Двигательное устройство преобразует электрическую энергию в механическую и формирует совместно с передаточным устройством заданные формы движения рабочих органов.

Преобразовательное устройство служит для связи СЭП с источником электроэнергии (промышленная сеть или автономный), для преобразования одной формы электроэнергии в другую (например, выпрямление переменного тока).

Управляющее и информационное устройства предназначены для формирования заданных законов управления потоком энергии и движения рабочих органов машин.

Классификация ЭП

1. По назначению: а) главные (например, главного движения);

б) вспомогательные (например, подачи).

2. По роду потребляемого тока двигателя: а) постоянного тока;

б) переменного тока.

3. По виду силовых ключей: а) тиристорные;

б) транзисторные;

в) микропроцессорные

4. По виду системы автоматического управления (САУ):

а) аналоговые (непрерывные) системы ЭП (СЭП);

б) цифровые (дискретные) СЭП;

в) цифроаналоговые СЭП;

г) линейные или нелинейные СЭП;

д) статические или астатические СЭП;

5. По выполняемым функциям:

а) грубое регулирование скорости (разомкнутые СЭП);

б) точное регулирование скорости (замкнутые СЭП);

в) слежение за произвольно изменяющимися входными сигналами (следящие системы);

г) программная отработка заданий (СЭП с программным управлением);

д) взаимосвязанное регулирование параметров (многодвигательные и взаимосвязанные СЭП);

Функции а)-д) считаются основными. К дополнительным функциям относятся: сигнализация (диагностика) и защита ЭП.

Механические характеристики асинхронных двигателей (АД)

1) Механические характеристики 3-фазных АД

Асинхронный электродвигатель имеет трехфазную обмотку статора. При подаче на неё трехфазного напряжения частотой , образуется магнитное поле, вращающееся с угловой скоростью , где — число10

пар полюсов статора (определяется укладкой обмотки).

Ротор АД чаще всего выполняется короткозамкнутым («беличья клетка»). В подъёмных и транспортных машинах применяют фазный ротор, где обмотка ротора через контакные кольца выводится на неподвижное основание и соединяется с добавочными сопротивлениями.

В настоящее время АД по умолчанию применяют для привода большинства объектов.

При описании АД электрические параметры двигателя имеют индексы: 1 – статор; 2 – ротор.

При R1=0 механическая характеристика описывается формулой

, где — критический момент; — скольжение.

1 – естественная ( );

1′ – реверс (меняются местами две из трех фаз);

2 — , ;

3 — или ;

4 – АД с фазным ротором , .

тормозные режимы

5 – динамическое торможение: на обмотку статора подается постоянный ток, тогда раскручиваемый ротор будет тормозиться;

6 – противоток (реверс): (меняются местами две фазы);

7 – рекуперация , реверс момента. Для торможения до нуля требуется ПЧ, который непрерывно снижает .

Пуск АД: Для ограничения пусковых токов АД большой мощности или получения плавного пуска асинхронного привода применяют:

1) включение активных или индуктивных сопротивлений в цепи статора, которые выводятся в конце пуска;

2) «частотный» пуск через преобразователь, плавно изменяющий частоту питания двигателя ;

3) пуск с фазным ротором;

4) реакторный пуск – включение индуктивных сопротивлений в цепь ротора. Вначале пуска частота тока в роторе близка к частоте сети, индуктивное сопротивление велико и ограничивает пусковой ток.

2) Механические характеристики двухфазных АД

Выпускаются на мощность до 1 кВт. Могут выполняться со сплошным или полым ротором. ОВ, ОУ – соответственно обмотки возбуждения и управления; Для сдвига фаз в цепь ОВ последовательно включают конденсатор емкостью 1-2 мкФ на каждые 100 Вт.

, при однофазном включении .

Примечание: при частотном управлении характеристики станут линейными и параллельными друг другу, при фазовом – только линейными.

Общие замечания

1) Задачей является грамотный выбор электродвигателя для заданного механизма (агрегата) с учетом допустимого нагрева и перегрузки по току и моменту.

Потери делятся на:

— постоянные – механические и в стали – не зависят от тока двигателя;

— переменные – в меди – являются функцией квадрата тока двигателя.

;

Связь между потерями и КПД:

, где Р – мощность на валу; Р1 – потребляемая мощность.

2) Нагрев и охлаждение ЭД при длительном режиме работы.

— количество тепла, выделяемое (генерируемое) электродвигателем;

— теплоемкость двигателя;

— теплоотдача.

При неизменной температуре окружающей среды температура двигателя будет возрастать по закону , где — постоянная времени нагрева, с; , град.

3) Режимы работы двигателей

а) длительный (S1)

б) кратковременный (S2)

в) повторно-кратковременный (S3, S4)

продолжительность включения , где — скважность;

стандартизированы ПВ% = 15, 25, 40, 60 %

4) Классы изоляции и допустимые рабочие температуры двигателей.

В соответствии с международными стандартами различают следующие классы изоляции

Класс Состав
А х/б ткани
Е синтетические ткани
В слюда, асбест
F то же, с пропиткой компаундными лаками, полиамидная
H то же, с кремнеорганикой
C кварц, керамика свыше 180

В двигателях общего назначения применяется изоляция классов B и F.

5) Климатическое исполнение электрических машин

Обозначение Климат
У(N) умеренный
ХЛ(F) холодный
Т(Т), ТВ(ТН), ТС(ТА) тропический, тропический влажный, тропический сухой
О(V) все районы суши
М(М) холодный морской
ТМ(МТ) каботажного плавания и плавания в тропическом климате
ОМ(МV) плавания во всех районах
В(W) для всех районов суши и моря

6) Степени защиты электрических машин (ГОСТ 14254-80 и ГОСТ 17494-72)

Общее обозначение типа защиты (International Protection) – IP, где

1-я цифра: степень защиты персонала от соприкосновения с движущимися частями оборудования и от попадания внутрь оболочки твердых посторонних тел;

2-я цифра: степень защиты от попадания внутрь оборудования воды.

IP Цифра 1 Цифра 2
Защита от прикосновения Защита от попадания посторонних предметов Защита от попадания воды
Не защищено Не защищено Не защищено
От прикосновения большой площади (рукой) От предметов размером более 50 мм От водяных капель, падающих вертикально
От прикосновения пальцами От предметов размеров более 12 мм От вертикально падающих капель и брызг под наклоном до 150 к перпендикуляру
От прикосновения предметами или проволокой диаметром более 2,5 мм *) От предметов размером более 2,5 мм От вертикально падающих капель и брызг под наклоном до 600 к перпендикуляру
От прикосновения предметами или проволокой диаметром более 1 мм *) От малых твердых предметов (более 1 мм) От капель воды со всех сторон
От прикосновения вспомогательными средствами любого типа *) От осаждения пыли внутри От струй воды со всех сторон
От прикосновения вспомогательными средствами любого типа От попадания любой пыли От волн воды
Защиты при погружении в воду
Защита при длительном погружении в воду

*) Не относится к вентиляторам электрических машин

Стандартное исполнение защиты двигателей IP 54. По заказу обеспечиваются повышенные степени защиты IP 55 и IP 65.

Вентилятор принудительного охлаждения рекомендуется использовать в следующих случаях:

— Приводы, работающие с большим количеством включений

— Приводы с дополнительной инерционной массой (инерционной крыльчаткой)

— Приводы с управлением от преобразователя с диапазоном регулирования свыше 1:20

— Приводы с управлением от преобразователя, сохраняющие номинальный вращающий момент при низкой частоте вращения или в положении останова

Методы расчета мощности

Выбор мощности двигателя при стационарной нагрузке осуществляется по условию (ближайший больший по каталогу). В этом случае двигатель подошел по нагреву.

Рассмотрим выбор мощности двигателей при переменной нагрузке:

1. Метод средних потерь (прямой метод).

В основе метода лежит нагрузочная диаграмма. Рассмотрим прямой метод учета потерь в двигателе

1) Рассчитывается средняя мощность на валу двигателя по формуле

, Закон Джоуля-Ленца

Потери в двигателе пропорциональны активной мощности. Таким образом, нагрев двигателя определяется не , а . Отсюда возникает задача расчета потерь.

2) выбор мощности двигателя ,

где k=1,2…1,3 – коэффициент запаса, учитывающий пропорциональность потерь квадрату тока;

3) Расчет потерь при различных нагрузках с использованием каталожных кривых по формуле

4) определяются средние потери за цикл ;

5) выбор мощности двигателя по условию , где — двигатель подошел по нагреву;

6) выбранный двигатель должен быть проверен на перегрузку и пусковые условия

ДПТ: , ;

АД: ,

Эквивалентные методы

Данные методы относятся к косвенным, поскольку косвенно учитывают потери в электрической машине.

1) Метод эквивалентного тока.

Рассчитывается некоторый эквивалентный ток, потери от которого равнозначны фактическим при переменной нагрузке т.к.

; — двигатель подошел по нагреву.

2) Метод эквивалентного момента при Ф-const

; — двигатель подошел по нагреву.

3) Метод эквивалентной мощности при Ф-const, -const

; — двигатель подошел по нагреву.

Затем выбранный двигатель должен быть проверен на перегрузку и пусковые условия.

Наиболее широкое применение у метода эквивалентного тока, наиболее узкое у метода эквивалентной мощности. Методы эквивалентного тока и мощности не применимы при двухзонном управлении так как содержат блоки произведений в формулах , . Более точным является метод средних потерь (прямой метод).

Замечание: При повторно-кратковременный режиме двигатель выбирается из условия .

;

Здесь методы эквивалентного момента и тока практически не используются. В случае, если нагрузка в разных циклах неодинакова, рассчитывают среднюю ПВ с учетом n циклов.

Тиристорные преобразователи

Достоинства: а) надежность; б) малая масса; в) малая мощность управления; г) высокое быстродействие; д) высокий КПД (0,95-0,97)

Недостатки: а) не выдерживает перегрузок; б) снижение сos при малых нагрузках; в) генерация высших гармонических колебаний в сеть при коммутации вентилей (для борьбы с ними включают ТОР)

1. Схемы ТП и способы управления:

1) Нулевая схема реверсивного привода

m=3 – фазность преобразователя. Достоинства: меньшее количество тиристоров. Применяется в маломощных приводах.

2) Мостовая схема выпрямления реверсивного привода (схема Ларионова)

m=6; Достоинства: а) меньшее количество сглаживающих дросселей; б) меньший класс тиристоров; Применяется в приводах средней и большой мощности.

2. Способы управления реверсивными ТП:

а) раздельное, когда группы тиристоров управляются поочередно.

Достоинства: 1) отсутствие уравнительного тока и, следовательно необходимости включения уравнительных реакторов (УР);

Недостатки: 1) широкая зона прерывистых токов; 2) нелинейность механических характеристик в начале координат; 3) замедленный реверс напряжения преобразователя.

Вместе с тем раздельное управление ТП применяется чаще.

б) согласованное, когда обе группы тиристоров управляются совместно, по условию , причем , ;

Достоинства: 1) линейная характеристика; 2) узкая зона прерывистых токов; 3) быстрый реверс.

Недостатки: 1) наличие статических и динамических уравнительных токов. Для борьбы с ними включают уравнительные реакторы (УР).

3. Математическое описание ТП

1) Система управления тиристорным преобразователем (СУТП) или система импульсно-фазового управления (СИФУ)

а) со стабилизированным пилообразным опорным напряжением . Не содержит высших гармоник в опорном напряжении, обеспечивает четкое открытие тиристоров и применяется в ТП средней и большой мощности.

б) с нестабилизированным синусоидальным опорным напряжением . Применяется в маломощных ТП при широком диапазоне регулирования скорости ТП.

в) если СУТП является цифровой, то угол открытия тиристоров , где — код числа.

2) Силовая часть ТП .

Описывается выражением , где — максимальная выпрямленная ЭДС ТП. Кроме того, ТП имеет запаздывание , среднестатистическое . При m=6 .

а) СУТП со стабилизированным пилообразным опорным напряжением.

— нелинейная зависимость .

б) СУТП с нестабилизированным синусоидальным опорным напряжением.

; — линейная зависимость !

Из рисунков видно, что колебания напряжения сети переменного тока (пунктирная линия) влияют на выходную ЭДС в случае а) и не влияют в случае б).

3) Нагрузка ТП (двигатель). Формирует характер тока преобразователя, который может быть непрерывным, гранично-непрерывным и прерывистым.

Характер тока влияет на характеристики привода. В зоне непрерывного тока характеристики жесткие, поскольку внутреннее сопротивление преобразователя невелико. При прерывистом токе внутреннее сопротивление ТП существенно возрастает, что снижает жесткость характеристик. , где — коммутационное сопротивление. образуется в режиме непрерывного тока при перекрытии фаз. — динамическое сопротивление тиристоров.

Зона прерывистого тока крайне неблагоприятна для регулирования, так как падает жесткость характеристик привода, и появляется нелинейная зависимость (см. рис.).

Типовые датчики

Рассмотрим датчики отечественной универсальной системы блочных регуляторов аналогового исполнения (УБСР-АИ).

1) Датчик тока ДТ1-АИ Применение операционного усилителя (ОУ) позволяет развязать силовую и управляющую цепи привода, что также необходимо по технике безопасности. Коэффициент усиления подбирается так, чтобы максимальному измеряемому току соответствовало .

2) Датчик напряжения ДН1-АИ. Коэффициент усиления подбирается так, чтобы максимальному измеряемому напряжению соответствовало .

3) Датчик ЭДС

3) Датчики скорости. В качестве датчиков скорости используются прецизионные тахогенераторы постоянного и переменного тока .

4) Датчики положения

а) Резольвер (англ. resolver). Работает по принципу синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ). У вращающегося трансформатора ротор состоит из катушки (обмотки), которая вместе с обмоткой статора образует трансформатор. Принципиально резольвер устроен точно так же с той лишь разницей, что статор выполнен не из одной, а из двух расположенных под углом 90° друг к другу обмоток. Резольвер служит для определения абсолютного положения вала двигателя внутри одного оборота. Кроме того, по сигналу резольвера определяется значение скорости и моделируется инкрементный датчик для регулирования положения. Ротор резольвера закреплен на валу двигателя. Для того чтобы можно было передавать переменное несущее напряжение на ротор без щеток, на статоре и роторе размещены дополнительные обмотки. По двум выходным синусоидальным напряжениям и , сдвинутым на 90° (рис. 7), можно определить угол поворота ротора, скорость и инкрементный сигнал по положению (моделирование инкрементного датчика).

б) Фотоэлектрические датчики серии ПДФ. Отсутствие температурного и временного дрейфа. 500-5000 имп/об.

5) Датчики рассогласования. Применяются в следящих системах.

а) Потенциометрические датчики рассогласования

б) Сельсины в трансформаторном режиме. Сельсин имеет 2-фазную обмотку статора и 3-фазную обмотку ротора. Ось сельсина-датчика приводится в движение от задающего устройства, а ось сельсина-приемника – от исполнительного. При разности углов (т.е. ошибке слежения) на статорной обмотке генерируется напряжение . Сельсины работают с углами ошибки до 90 градусов, дальше происходит «опрокидывание» сигнала (см.рис.). Существуют также индуктосины – линейные аналоги сельсинов.

Типовые регуляторы

1) Статика описывается алгебраическими уравнениями (АУ), а динамика – дифференциальными ДУ. Для облегчения исследования динамики сложных электромеханических систем с помощью преобразования Лапласа переходят из временной t-области в р-область изображений, где р (s) – оператор дифференцирования (Лапласа), . При этом ДУ заменяются АУ.

Передаточной функцией (ПФ) W(p) называется отношений изображений по Лапласу выходной переменной к входной (см. курс ТАУ).

2) Показатели качества переходного процесса. Рассмотрим переходный процесс в замкнутой системе:

а) Статическая ошибка ;

б) Время переходного процесса – время последнего вхождения регулируемой величины в 5% зону;

в) Перерегулирование ;

3) Типовые регуляторы. Используются в замкнутых системах для получения требуемых показателей качества. Наиболее часто применяются пропорциональные (П), пропорционально-интергальные (ПИ) и пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы. Выбор типа регулятора определяется передаточной функции объекта управления. Передаточные функции регуляторов

; ;

Реализация аналоговой схемы Коэффициент усиления
;
; ;

Одноконтурные СЭП

1. Функциональная схема СЭП и статические характеристики системы

На выходе тахогенератора ТГ включен фильтр для сглаживания пульсаций и помех на коллекторе ТГ. Стабилитрон СТ выполняет роль токовой отсечки . При моментах двигателя стабилитрон закрыт, при стабилитрон открыт и токовая отсечка вступает в действие, приводя к снижению напряжения регулятора скорости вплоть до остановки привода. Механические характеристики при этом называются экскаваторными.

2. Оптимизация динамики СЭП

Структурно-динамическая схема СЭП может быть представлена в виде

На схеме введены обозначения: РС –регулятор скорости, П – силовой преобразователь, Д – датчик скорости; ДС – датчик скорости; , , — коэффициенты передачи; , — «малые» постоянные преобразователя и датчика скорости; — электромагнитная (якорная) постоянная времени; — электромеханическая постоянная времени.

При структурная схема примет вид,

где — «большие» постоянные времени, определяются

Должны быть скомпенсированы регулятором скорости для получения быстропротекающих малоколебательных переходных процессов; — «малые» постоянные времени не компенсируются, так как являются постоянными времени фильтров.

Компенсация больших постоянных времени физически происходит за счет форсировок выходных напряжений регуляторов.

ПФ разомкнутой системы будет:

;

— суммарная малая постоянная времени.

С учетом малых постоянных времени можно определить настройку ПИД-регулятора.

1) Настройка на оптимум по модулю (ОМ):

; где

ПФ разомкнутого контура скорости

;

Переходные процессы в системе определяются малыми постоянными времени. Большие постоянные времени скомпенсированы регулятором скорости.

ПФ замкнутого контура скорости ;

Настройка на ОМ соответствует коэффициенту демпфирования колебательного контура и перерегулированию ;

2) Настройка на симметричный оптимум (СО):

; где

ПФ разомкнутого контура скорости

;

ПФ замкнутого контура скорости ;

Настройка на СО соответствует коэффициенту демпфирования колебательного контура и перерегулированию .

СЭП переменного тока

1) Классификация регулируемых электропрводов переменного тока:

В настоящее время в большинстве случаев применяются АИН.

Автономный – выходная частота не зависит от входной.

Источник напряжения – не меняет напряжение от нагрузки. АКБ по своим свойствам приближена к источнику напряжения.

Реже применяют АИТ. Источник тока имеет большое внутреннее сопротивление.

2) Основные принципы управления скоростью двигателя.

Введем следующие обозначения

(ипсилон) – относительное напряжение;

(ню) – относительная частота статора; где .

Чаще всего реализуются три закона управления:

а) — применяется в станках. Характеризуется постоянством максимального момента.

б) — применяется для привода агрегатов с вентиляторной механической характеристикой: насосы, компрессоры.

в) — применяется на подъемных механизмах, намоточно-размоточных устройствах.

3) Схема силовой части электропривода с АИН. Рассмотрим наиболее часто применяемую схему с неуправляемым выпрямителем на диодах и инвертором на транзисторах.

VD1-6– тиристоры выпрямителя; VT1-6 – транзисторы инвертора; — фильтр; VD7-12 — возвратный диодный мост для пропуска реактивной энергии со стороны статора АД; БУИ – блок управления инвертором;

— управление напряжением и частотой статора по закону а), б) или в)

Достоинства схемы:

— пригодна для многодвигательного привода;

— относительно простая схема управления инвертором;

Недостатки:

— для реверсивного ЭП требуется реверсивный выпрямитель;

4) Схема силовой части ЭП с АИТ. Рассмотрим схему с управляемым выпрямителем и инвертором на тиристорах.

Схемы с АИТ называют схемами с частотно-токовым управлением. Контур тока обеспечивает стабилизацию выпрямленного тока , т.е. стабилизацию тока статора двигателя .

Достоинствами схем с АИТ являются:

— упрощенная схема силовой части;

— реверсивный привод может быть организован на нереверсивном выпрямителе.

Недостатком схемы является:

— невозможность использования АИТ при многодвигательном приводе;

Предыдущая1234567891011
>Раздел 1. Основы автоматизированного электропривода >Глава 1. Структура электромеханических комплексов и систем

    1. Основные понятия и определения

Современное промышленное производство характеризуется использованием высокопроизводительных технологических машин и механизмов, оснащенных электрическим приводом и системами автоматического управления. Практически все промышленные технологии, основанные на механическом движении, электрифицированы, т.е. используют электрическую энергию как энергетическую основу для выполнения технологических операций и процессов. Следует также отметить распространение электромеханического использования электроэнергии на сельскохозяйственное производство и другие сферы, определяющие жизнедеятельность человека: транспорт, медицину, быт и другие.

По данным экономически развитых стран на электромеханическое преобразование энергии, т.е. на электропривод, расходуется более 65% вырабатываемой электроэнергии.

Насыщенность технологических машин и агрегатов электрооборудованием и средствами автоматизации настолько велика, что по стоимости, сложности, квалификации обслуживания электрическая часть превалирует над механической. Совершенство электропривода машин и агрегатов, степень их автоматизации во многом определяют технический уровень рабочих машин в целом.

Исходя из этого, большинство современных рабочих машин следует рассматривать как электромеханические системы. Рассмотрим ряд примеров.

  1. Металлорежущий станок с числовым программным управлением.

Станок служит для автоматической обработки деталей по заданной программе с высокой точностью. Если на станке по заданной программе выполняется несколько операций, то такая машина называется обрабатывающий центр. Станок включает в себя блок главного движения, осуществляющий резание металла, и один или несколько механизмов подач, производящих позиционирование детали и точное движение режущего инструмента или обрабатываемого изделия по технологически необходимой программе. В обрабатывающих центрах предусматривается устройство автоматической смены инструмента. Таким образом, современный металлорежущий станок (обрабатывающий центр) представляет собой совокупность электромеханических устройств, основу которых составляют высокоточные автоматизированные электроприводы. Работа этих электроприводов объединена единой технологической задачей и управляется вычислительным устройством – системой числового программного управления (ЧПУ).

Следует иметь в виду, что скорость резания, скорость и точность позиционирования становятся настолько высокими, что ручное управление при выполнении требуемых операций просто не может обеспечить требуемого качества обработки. Исходя из этого, металлорежущий станок нужно рассматривать как автоматизированную электромеханическую систему.

Современными тенденциями развития станкостроения являются: переход к блочно-модульному выполнению конструкций, исключение механических передач, повышение скоростей резания и перемещения. Реализация этих тенденций возможна лишь на базе безредукторных электроприводов (высокомоментных, высокоскоростных и линейных) с питанием приводных электродвигателей от полупроводниковых преобразователей частоты. С повышением скоростей движения ужесточаются требования к системам автоматического регулирования электроприводов, связанные с повышением статической и динамической точности заданных параметров движения.

Отсюда следует, что совершенствование металлообрабатывающего оборудования является сегодня задачей, прежде всего электроприводческой. То же самое положение, можно отнести к сборочному оборудованию, робототехническим комплексом и другим технологическим машинам, используемым в машиностроении, электронике и других отраслях промышленности.

Вторым примером автоматизированной электромеханической системы могут являться пассажирские лифты – хорошо всем знакомые устройства вертикального транспорта.

Рабочим органом лифта является кабина, снабженная автоматически открывающимися и закрывающимися дверями. Кабина приводится в движение электродвигателем через механический редуктор и канатную передачу. Система управления двигателем обеспечивает в соответствии с полученным приказом (нажатие кнопки в кабине) или вызовом (нажатие кнопки вызова на этаже) выбор направления движения, плавный пуск, движение с установившейся скоростью, торможение и точную остановку на требуемом этаже, после чего автоматически открываются и закрываются двери кабины и лифтовой шахты.

Электродвигатель с устройствами регулирования скорости движения и положения кабины, редуктор, канатоведущий шкив, канатная передача, кабина и противовес составляют главную электромеханическую систему лифтовой установки. Второй электромеханической системой является устройство открытия и закрытия дверей, состоящее из электродвигателя, кинематических и механических звеньев и системы управления дверями.

Эти электромеханические системы в сочетании с общей системой автоматического управления лифтом, а при наличии нескольких лифтов также с системой оптимизации групповой работы образуют автоматизированный электромеханический комплекс лифта.

В качестве третьего примера рассмотрим электромеханическую систему бытового аппарата – автоматическую стиральную машину активаторного типа. Машина представляет собой электромеханическое устройство, содержащее многоскоростной электродвигатель вращения барабана, электронасос, электрические клапаны и аппаратуру программного управления. В соответствии с устанавливаемой программой стирки машина автоматически производит стирку и отжим белья, налив и слив воды. Работа различных электрических и механических элементов функционально объединена устройством программного управления. Работу отдельных элементов нельзя рассматривать порознь, так как совместно они образуют автоматическую электромеханическую систему, выполняющую единую технологическую операцию.

Приведенные примеры, а их число может быть многократно увеличено, показывают, что основным техническим содержанием современных автоматизированных рабочих машин являются электромеханические комплексы и системы. Это наиболее сложные и дорогие части рабочих машин. Их конструирование, изготовление и эксплуатация требуют высокой квалификации и разнообразных технических знаний.

Многие понятия и связанная с ними терминология меняются по мере развития техники. Ранее изготовлялась рабочая машина, которая комплектовалась электродвигателем, пускателем, аппаратами управления и защиты. По мере возрастания степени автоматизации рабочих машин, расширения их функциональных возможностей появилась необходимость в более сложных электрических системах, которые специально проектировались для отдельных видов промышленных установок. Появилось понятие «автоматизированный электропривод». Сформировалось научное направление по электроприводу, которое изучает общие проблемы электромеханического преобразования энергии, управление движением рабочих органов машин с электрическим приводом, оптимизацию электрических и электромеханических процессов по критериям производительности, точности, технологическим параметрам и экономичности.

Дальнейшее развитие техники связано с исключением механических передач, объединением электромеханических устройств с рабочими органами машины. Появились интегрированные конструкции: электрошпиндель, электронасос, мотор-колесо и другие. Введение электромеханических устройств, а затем и локальных систем управления непосредственно в конструкцию рабочих машин существенно упростило последние, повысило их функциональные возможности и технические характеристики. Были существенно повышены требования к электроприводу, как по номинальным параметрам (высокая скорость вращения для высокоскоростных механизмов, большой момент для безредукторных приводов и другие), так и по управляемости. Стало необходимым конструировать совместно как механическую, так и электрическую части рабочих машин. Появилось направление «мехатроника», под которым понимается создание интегрированных конструкций, функционально законченных модулей, сочетающих в себе механические устройства, электрический двигатель с системой его регулирования и микропроцессорное управляющее устройство.

В настоящем пособии рассматриваются электромеханические системы, служащие для приведения в действие рабочих машин и для их управления.

Электромеханическая система – это совокупность электрических двигателей, механических кинематических звеньев, передающих движение от электродвигателя рабочему органу машины, полупроводниковых преобразовательных устройств, контактных электрических аппаратов управления и защиты, бесконтактных устройств управления, микропроцессоров, — служащая для приведения в действие рабочих органов технологической машины и управления движением рабочих органов в соответствии с условиями технологического процесса.

Автоматизированная электромеханическая система – это электромеханическая система, снабженная устройствами автоматического управления, обеспечивающими оптимальное (в смысле производительности, качества производимой продукции, минимизации материальных и энергетических затрат) управление движением рабочих органов в соответствии с условиями технологического процесса. Структурная схема автоматизированной электромеханической системы дана на рис.1.1. Научно-техническое содержание автоматизированной электромеханической системы составляет автоматизированный электропривод.

Задающее или программное устройство

Датчики электрических и механических параметров

Механи-

ческая

часть

электро-

привода

Система управления технологическим процессом

Система управления электроприводом

Силовая электрическая часть электропривода

Рабочий орган машины

Технологический процесс

Технологический процесс

Датчики технологических параметров

Рис.1.1. Структура автоматизированной электромеханической системы

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, предназначенную для приведения в движение рабочего органа машины и управления ее технологическим процессом

. Приведем еще одно определение автоматизированного электропривода.

Автоматизированный электропривод – это техническая система, состоящая из электродвигателя, силового полупроводникового преобразователя, механического передаточного устройства, электрических и микроэлектронных устройств управления; служащая для преобразования электрической энергии в механическую, необходимую для осуществления данного технологического процесса, и выполняющая функции управления этим процессом. Подчеркнем в данном определении ряд положений:

первое – одной из основных функций автоматизированного электропривода является управление технологическим процессом посредством регулирования параметров движения рабочего органа машины;

второе — современный электропривод насыщен электронными устройствами: силовыми полупроводниковыми преобразователями электрической энергии, микроэлектронными средствами автоматики и микропроцессорами; в то же время для выполнения некоторых функций управления и защиты используются контактные электрические аппараты (автоматические выключатели, магнитные пускатели, реле и др.);

третье – речь идет не об абстрактном преобразовании электрической энергии в механическую, а о том преобразовании, которое необходимо для выполнения конкретного технологического процесса с наименьшими затратами материальных и энергетических ресурсов.

Сопоставление определений автоматизированной электромеханической системы и автоматизированного электропривода указывает, что эти понятия взаимно проникающие и близкие. Поэтому в дальнейшем изложении будем часто использовать понятие «автоматизированный электропривод».

Если рабочая машина или технологический комплекс имеет в своем составе несколько автоматизированных электромеханических систем и (или) содержит в своем составе электрическую систему подвода, распределения и преобразования электрической энергии, то такая совокупность электромеханических и электрических систем называется электромеханический комплекс. Примером электромеханического комплекса может явиться оборудование горного экскаватора. Структурная схема электромеханического комплекса экскаватора представлена на рис.1.2.

Электрическое питание экскаватора, как подвижной машины, осуществляется при напряжении 6(10)кВ по гибкому кабелю. Кабель подключается к приключательному пункту. Для подвода напряжения на борт экскаватора служит кольцевой токоприемник. Для коммутации и защиты высоковольтных цепей служит высоковольтное распределительное устройство, от которого питается синхронный двигатель электромашинного преобразовательного агрегата и понижающий трансформатор для питания цепей управления, вспомогательных электроприводов и других устройств.

Электропривод основных движений экскаватора: подъема, напора ковша, поворота и передвижения, — осуществляется двигателями постоянного тока, которые получают питание от индивидуальных генераторов постоянного тока. Эти три генератора приводятся во вращение синхронным двигателем, который образует с генераторами многомашинный преобразовательный агрегат. Для управления электроприводами служат устройства (шкафы) управления и пульт-кресло машиниста. Механическая часть электроприводов экскаватора включает в себя редукторы, барабанно-канатную передачу, зубчатую рейку привода напора и другие элементы.

Приключательный пункт

Устройства управления

Рис.1.2. Структура электромеханического комплекса горного

экскаватора

Все разнообразные элементы электромеханического комплекса экскаватора рассматриваются и конструируются исходя из единых требований, определяемых нагрузками на ковш экскаватора и характером его движения. Общая схема управления, объединяющая электромеханические и электрические системы, строится из условий обеспечения наилучшего ведения технологического процесса работы экскаватора. Эти обстоятельства определяют возможность и необходимость рассматривать все разнообразное оборудование экскаватора как единый электромеханический комплекс.

Основные тенденции развития современного электропривода

Первой особенностью развития электропривода на современном этапе является расширение области применения регулируемого электропривода, главным образом, за счет количественного и качественного роста регулируемых электроприводов переменного тока. Успехи, достигнутые в совершенствовании тиристорных и транзисторных преобразователей частоты, дают основание предполагать, что в ближайшей перспективе развитие регулируемых электроприводов переменного тока, использующих двигатели более простой конструкции и с меньшей металлоемкостью, приведет к интенсивному вытеснению регулируемых электроприводов постоянного тока, которые на сегодняшний день имеют преимущественное применение.

Второй особенностью развития современного электропривода является повышение технологических требований к динамическим и точностным показателям электропривода, расширение и усложнение его функций, связанных с управлением технологическими процессами, и соответствующее возрастание сложности систем управления электроприводами. Их развитие идет по пути создания систем числового программного управления и расширения использования современной вычислительной техники, создаваемой непосредственно для целей управления на базе микропроцессоров.

В качестве третьей особенности современного этапа развития следует указать стремление к унификации элементной базы электропривода, созданию унифицированных комплектных электроприводов путем использования современной микроэлектроники и блочно-модульного принципа. На этой основе уже созданы серии комплектных тиристорных электроприводов постоянного тока и создаются системы частотного управления электроприводами переменного тока, обладающие техническими показателями, удовлетворяющими требованиям широкого круга исполнительных механизмов. Кроме того, в настоящее время отмечена общая тенденция к упрощению кинематических цепей машин и механизмов, обусловленная развитием регулируемого индивидуального электропривода. Одним из проявлений этой тенденции является стремление в машиностроении к использованию безредукторного электропривода. Несмотря на повышенные массу и габариты двигателя, применение безредукторных электроприводов оправдывается их большей надежностью и быстродействием.

Интересной реализацией рассмотренной тенденции является развитие электроприводов с линейными двигателями, которые позволяют исключить не только редуктор, но и устройства, преобразующие вращательное движение роторов двигателей в поступательное движение рабочих органов машин. Электропривод с линейным двигателем является органической частью общей конструкции машины, значительно упрощает кинематику и создает максимальные удобства для оптимального конструирования машин с поступательным движением рабочих органов.

С энергетической точки зрения электропривод – главный потребитель электрической энергии: сегодня в развитых странах он потребляет более 60 % всей производимой электроэнергии. В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе.

Специалисты считают, что сегодня сэкономить единицу энергетических ресурсов, например одну тонну условного топлива, вдвое дешевле, чем ее добыть. Нетрудно видеть, что в перспективе это соотношение будет изменяться: добывать топливо становится все труднее, а запасы его все убывают.

В связи с этим энергетические показатели как уникальных, так и массовых электроприводов малой и средней мощности имеют важнейшее народнохозяйственное значение и в решении экономических проблем вопрос рационального, экономичного расходования электроэнергии требует большого внимания. Соответственно, в развитии электропривода особенно острой является проблема рационального проектирования электроприводов с точки зрения энергопотребления.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *