Конспект лекций по дисциплине «Автоматизированный электропривод. Автоматизированный и автоматический электропривод в чем разница? Классификация электронных устройств СЭП

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 R 1 =0 механическая характеристика описывается формулой

, где - критический момент; - скольжение.

1 – естественная ();

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

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; Р 1 – 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

В двигателях общего назначения применяется изоляция классов B и F.

5) Климатическое исполнение электрических машин

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 15 0 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 60 0 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.

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.

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

Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 60% всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями. Следовательно, эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники. Последнее десятилетие уходящего века ознаменовалось значительными успехами силовой электроники – было освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) с встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления. Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления. Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя, если он есть), но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами. В пределе встроенная система управления проектируется как однокристальная и вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно интегрируется в одно целое – мехатронный модуль движения.

Рассмотрим обобщенную структуру электропривода (рис. 6.25). В ней можно выделить два взаимодействующих канала – силового, выполняющего передачу и преобразование энергии из электрической в механическую, и информационного.

В зависимости от требований к электроприводу в качестве электромеханического преобразователя используются различные электрические машины: асинхронные и синхронные переменного тока, коллекторные и бесколлекторные постоянного тока, шаговые, вентильно-реактивные, вентильно-индукторные и т. д.

Информационный канал предназначен для управления потоком энергии, а также сбора и обработки сведений о состоянии и функционировании системы, диагностики ее неисправностей. Информационный канал может взаимодействовать со всеми элементами силового канала, а также с оператором, другими системами электропривода и системой верхнего уровня управления.

Рис. 6.25. Обобщенная структура электропривода

Долгое время массовое применение регулируемых приводов сдерживалось двумя факторами:

относительно малыми допустимыми значениями токов, напряжений и частоты переключений силовых полупроводниковых приборов;

ограничением сложности алгоритмов управления, реализуемых в аналоговой форме или на цифровых микросхемах малой и средней степени интеграции.

Появление тиристоров на большие токи и напряжения решило проблему статического преобразователя для электропривода постоянного тока. Однако необходимость принудительного закрывания тиристоров по силовой цепи существенно усложняла создание автономных инверторов для частотноуправляемого электропривода переменного тока. Появление мощных полностью управляемых полевых транзисторов, обозначаемых в зарубежной литературе MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor), и биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) привело к бурному развитию преобразовательной техники и постоянному расширению сферы применения асинхронных электроприводов с преобразователями частоты. Другим фактором, обусловившим возможность массового внедрения частотноуправляемого электропривода, было создание однокристальных микроконтроллеров достаточной вычислительной мощности.

Анализ продукции ведущих мировых производителей систем привода и материалов опубликованных научных исследований в этой области позволяет отметить следующие ярко выраженные тенденции развития электропривода:

Неуклонно снижается доля систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается доля систем привода с двигателями переменного тока . Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока. По прогнозам специалистов в начале следующего века доля приводов постоянного тока сократится до 10 % от общего числа приводов.

Преимущественное применение в настоящее время имеют привода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями . Большинство таких приводов (около 80 %) – нерегулируемые. В связи с резким удешевлением статических преобразователей частоты доля частотно-регулируемых асинхронных электроприводов быстро увеличивается.

Естественной альтернативой коллекторным приводам постоянного тока являются привода с вентильными , т. е. электронно-коммутируемыми двигателями . В качестве исполнительных бесколлекторных машин постоянного тока (БМПТ) преимущественное применение получили синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением (для больших мощностей). Этот тип привода наиболее перспективен для станкостроения и робототехники, однако, является самым дорогостоящим. Некоторого снижения стоимости можно добиться при использовании синхронного реактивного двигателя в качестве исполнительного.

Приводом следующего века по прогнозам большинства специалистов станет привод на основе вентильно-индукторного двигателя (ВИД). Двигатели этого типа просты в изготовлении, технологичны и дешевы. Они имеют пассивный ферромагнитный ротор без каких-либо обмоток или магнитов. Вместе с тем, высокие потребительские свойства привода могут быть обеспечены только при применении мощной микропроцессорной системы управления в сочетании с современной силовой электроникой. Усилия многих разработчиков в мире сконцентрированы в этой области. Для типовых применений перспективны индукторные двигатели с самовозбуждением, а для тяговых приводов – индукторные двигатели с независимым возбуждением со стороны статора. В последнем случае появляется возможность двухзонного регулирования скорости по аналогии с обычными приводами постоянного тока.

6.2.1. Асинхронные электроприводы
со скалярным управлением

Скалярные способы управления обеспечивали достижение тре­буемых статических характеристик и использовались в электропри­водах со «спокойной» нагрузкой . На входе этих систем, как прави­ло, включались задатчики интенсивности, которые ограничивали скорость нарастания (убывания) входного сигнала до такой величи­ны, при которой процессы в системе можно считать установившимися, то есть в уравнении можно было бы пренебречь слагаемым , так как .

На рис. 6.26 приведены механические характеристики асинхрон­ного короткозамкнутого двигателя для всех четырех законов управ­ления для линейной модели, не учитывающей насыщение магнитопровода. Следует повторить, что перечисленные законы управления широко использовались и хорошо себя зарекомендовали в электро­приводах, где не требуется быстродействия по управлению и нет резких изменений момента нагрузки.

Рис. 6.26. Механические характеристики АКЗ
при различных законах управления

Простейшим из перечисленных законов является первый: .Этот закон при использовании инвертора с синусоидальной ШИМ реализован практически во всех полупроводнико­вых преобразователях, которые выпускаются многочисленными фирмами и предлагаются на рынке. Удобство этого закона заключа­ется в том, что электропривод может работать без отрицательной обратной связи по скорости и обладать естественной жесткостью механических характеристик в ограниченном диапазоне регулиро­вания скорости.

В электроприводах со скалярным управлением для регулирова­ния или стабилизации скорости используются и иные соотношения между частотой и напряжением. Выбор этого соотношения зависит от момента нагрузки и определяется из условий сохранения пере­грузочной способности:

где М max – максимальный момент АКЗ, Μ Н – момент нагрузки на валу машины.

Закон изменения напряжения и частоты, удовлетворяющий тре­бованию (6.15) при допущении r s = 0, установлен
М.П. Костенко. Этот закон имеет вид

где U НОМ , f НОМ , Μ НОМ – номинальные значения, приводимые в паспортных данных машины.

Если закон изменения момента заранее известен, то можно оп­ределить требуемое соотношения напряжения и частоты на выхо­де инвертора. Рассмотрим три классических вида нагрузок на валу машины:

M H = const, ; P H = M H wm = const, ; . (6.16)

В имеющихся на рынке преобразователях часто предусматри­вается возможность перестройки с целью обеспечения всех трех законов. Схема электропривода, реализующая рассмотренные за­коны, показана на рис. 6.27. Функциональный преобразователь (ФП) реализует одну из зависимостей (6.16), определяемую харак­тером нагрузки. Полупроводниковый преобразователь (ПП) вклю­чает в себя автономный инвертор и его систему управления, задатчик интенсивности (ЗИ), как уже было отмечено, формирует медленно нарастающий входной сигнал. В этом случае в электроприводе нарастание скорости не будет сопровождаться интенсивными колебаниями момента и тока, которые наблюдаются при прямом пуске.

Рис. 6.27. Функциональная схема разомкнутого асинхронного

При более сложных нагрузках используются иные законы скалярного регулирования, которые реализуются с использованием обратных связей. Эти законы рассмотрены выше на основании анализа работы асинхронной машины в установившемся режиме.

Рассмотрим ещё один скалярный закон управления, который используется при построении электроприводов с автономными инверторами тока – это закон ψ R = const.

Реализация этой зависимости в электроприводе показана на функциональной схеме (рис. 6.28). Такие системы получили назва­ние частотно-токовых.

Блок ПП в системе может быть реализован двояким способом. В первом случае (рис. 6.28) он содержит управляемый выпрямитель, последовательный индуктивный фильтр и автономный инвертор. Следует подчеркнуть, что индуктивный фильтр придаёт инвертору характеристику источника тока. Такой источник тока называется параметрическим.

Рис. 6.28. Функциональная схема асинхронного
электропривода со скалярным управлением

6.2.2. Асинхронные электроприводы
с векторным управлением

На рис. 6.29 показана структура привода переменного тока с векторным управлением. В качестве исполнительного двигателя может применяться либо синхронный двигатель с активным магнитоэлектрическим ротором, либо синхронный реактивный двигатель. Возможно использование этой структуры и для управления трехфазными вентильно-индукторными двигателями с разнополярным питанием, а также шаговыми двигателями в режиме бесколлекторных двигателей постоянного тока.

В качестве силового преобразователя используется инвертор на IGBT-ключах или интеллектуальных силовых модулях. Драйверы ключей инвертора подключены непосредственно к выходам ШИМ-генератора микроконтроллера, работающего в режиме широтно-импульсной модуляции базовых векторов (векторной ШИМ-модуляции), что обеспечивает максимально высокую степень использования напряжения звена постоянного тока и минимизацию динамических потерь в инверторе (ниже более подробно).

Рис. 6.29. Структурная схема привода
переменного тока с векторным управлением

Структура на рис. 6.29 предполагает использование импульсного датчика положения ротора двигателя. Сигналы с датчика вводятся непосредственно в контроллер и обрабатываются в блоке оценки положения, который может быть реализован на основе специального периферийного устройства – таймера с «квадратурным» режимом работы . Код механического положения ротора программно преобразуется в код электрического положения ротора внутри полюсного деления машины q. Для реализации блока оценки скорости могут применяться либо специальные периферийные устройства микроконтроллера, принцип действия которых основан на измерении временного интервала отработки двигателем заданного отрезка пути (эстиматоры скорости) , либо периферийные устройства общего назначения, такие как процессоры событий или менеджеры событий . В последнем случае таймер, работающий в «квадратурном» режиме является базовым для одного из каналов сравнения. Как только двигатель отработает заданный отрезок пути, возникнет прерывание по сравнению. В процедуре обслуживания этого прерывания центральный процессор определит временной интервал с момента предыдущего прерывания и выполнит расчет текущей скорости привода w. Желательно, чтобы таймер, работающий в «квадратурном» режиме допускал начальную инициализацию в соответствии с числом меток на оборот импульсного датчика положения, а также имел режим автоматической коррекции своего состояния по реперному датчику. Эстиматор скорости должен работать с регулируемым разрешением как по числу импульсов на периоде измерения скорости (от 1 до 255), так и с регулируемым разрешением по времени (максимальное разрешение 50 – 100 нс при диапазоне регулирования разрешения 1:128). Если перечисленные выше требования к периферийным устройствам микроконтроллера будут выполнены, то окажется возможным измерение скорости в диапазоне, как минимум, 1:20000 с точностью, не хуже 0,1%. Для измерения электрических переменных микроконтроллер должен иметь встроенный АЦП с разрешением не ниже 10 – 12 двоичных разрядов и временем преобразования не хуже 5 – 10 мкс. Как правило, восьми каналов АЦП достаточно для приема не только сигналов обратных связей по токам фаз, но и сигналов обратных связей по напряжению и току в звене постоянного тока, а также внешних задающих сигналов. Дополнительные аналоговые сигналы используются для реализации защит инвертора и двигателя. Работа АЦП будет более производительной, если микроконтроллер допускает режим автоматического сканирования и запуска процесса преобразования. Обычно это делается либо с помощью отдельного периферийного устройства – процессора периферийных транзакций , либо с помощью режима автозапуска АЦП от процессора событий или генератора ШИМ-сигналов. Желательно, чтобы выборка как минимум двух аналоговых сигналов была одновременной.

В блоке векторной ШИМ-модуляции выполняется сначала преобразование компонент вектора напряжения к полярной системе координат (g, r), связанной с продольной осью ротора, а затем, с учетом текущего положения ротора q, определяется рабочий сектор, внутрисекторный угол и рассчитываются компоненты базовых векторов в абсолютной системе координат, связанной со статором. Формируются напряжения, прикладываемые к обмоткам двигателя U a , U b , U c . Все перечисленные выше преобразования координат (прямые и обратные преобразования Парка и Кларка) должны выполняться в реальном времени. Желательно, чтобы используемый для реализации системы векторного управления микроконтроллер имел встроенную библиотеку функций , адаптированных для эффективного управления двигателями, в том числе функций преобразования координат. Время реализации каждой из этих функций не должно превышать нескольких микросекунд.

Отличительной особенностью системы векторного управления асинхронными двигателями является необходимость использования дополнительного вычислительного блока, в котором производится оценка текущего углового положения вектора потокосцепления ротора. Это делается на основе решения в реальном времени системы дифференциальных уравнений, составленных в соответствии с математической моделью двигателя. Естественно, что подобная операция требует дополнительных вычислительных ресурсов центрального процессора.

6.2.3. Вентильные и бесконтактные
машины постоянного тока

Бесконтактные машины постоянного тока (БМПТ) и вен­тильные машины (ВМ) – это синхронный двигатель в замкнутой системе (рис. 6.30), реализованной с использова­нием датчика положения ротора (ДПР), преобразователя координат (ПК) и силового полупроводникового преобра­зователя (СПП).

Разница между БМПТ и ВМ заключается только в способе фор­мирования напряжения на выходе силового полупроводникового преобразователя. В первом случае формируется импульсное напряжение (ток) на обмотках машины. Во втором случае на выходе СПП форми­руется синусоидальное или квазисинусоидальное напряжение (ток).

Следует заметить, что БМПТ отличаются от шаговых машин тем, что включены в замкнутую систему формирования напряже­ния. В них напряжение формируется в зависимости от положения ротора, и это является их принципиальным отличием от шаговых, в которых положение ротора зависит от числа управляющих им­пульсов.

Рис. 6.30. Функциональная схема БМПТ и ВМ

Особняком в ряду синхронных машин стоят гистерезисные и реактивные двигатели. Эти машины редко используются в электро­приводе.

Из всех рассмотренных типов синхронных машин в управляе­мых системах наиболее перспективными считаются вентильные машины.

В ряде применений, например, для приводов с вентильно-индукторными и бесколлекторными двигателями постоянного тока, вполне достаточно на интервале коммутации поддерживать в обмотке двигателя заданный фиксированный уровень тока. Структура системы управления при этом заметно упрощается. Особенность схемы (рис. 6.31) состоит в том, что ШИМ‑генератор обеспечивает сразу две функции: автокоммутацию фаз двигателя по сигналам датчика положения и поддержание тока на заданном уровне путем регулирования приложенного к обмоткам двигателя напряжения.

Первая функция может быть реализована автоматически, если генератор имеет встроенный блок управления выходами , допускающий прием команд от процессора событий. Вторая функция традиционна и реализуется путем изменения скважности выходных ШИМ-сигналов. Для оценки положения ротора двигателя можно использовать либо датчик положения на элементах Холла, либо более дорогой импульсный датчик положения. В первом случае сигналы с датчика положения вводятся в микроконтроллер на входы модулей захвата процессора событий .

Отработка двигателем каждого целого шага идентифицируется процессором событий и вызывает автокоммутацию ключей инвертора. Прерывание, возникающее при каждом захвате фронта сигнала с датчика, используется для оценки времени между двумя соседними переключениями и, далее, – скорости привода. Во втором случае можно получить более точную информацию о текущем положении ротора двигателя и о его скорости, что может потребоваться в приводах с интеллигентным управлением углом коммутации в функции скорости. Таким образом, полноценные системы векторного управления приводами переменного тока требуют для своей реализации высокопроизводительных микроконтроллеров с широким набором перечисленных выше встроенных периферийных устройств, допускающих совместную работу и требующих от центрального процессора минимальных ресурсов на свое обслуживание.

Рис. 6.31. Блок-схема системы управления
бесколлекторным двигателем постоянного тока

6.3. Силовые полупроводниковые
преобразователи в системе
автоматизированного электропривода

Силовые полупроводниковые преобразователи в системах автоматики выполняют функцию регулирования скорости и момента электрического двигателя. Они включены между потребителем мощности (как правило, электрическим двигателем) и основным источником питания (рис. 6.32). По принципу действия силовые преобразователи разделяются на следующие базовые типы :

управляемые выпрямители (УВ) , которые преобразуют переменное, обычно синусоидальное напряжение источника питания постоянной частоты (как правило, промышленной
f и = 50 Гц или f и = 400 Гц) и с постоянным действующим значением (обычно U и = 220 В или U и = 360 В), в регулируемое выходное напряжение постоянного тока (U п = var, f п = 0).

широтно-импульсные преобразователи (ШИП) , которые преобразуют постоянное напряжение источника питания
(U и = const, f и = 0) в постоянное регулируемое напряжение постоянного тока на выходе (U п = var, f п = 0).

автономные инверторы (АИ) , которые преобразуют постоянное напряжение питания (U и = const, f и = 0) в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой (U п = var, f п = var).

непосредственные преобразователи частоты (НПЧ ) преобразуют переменное, обычно синусоидальное, напряжение постоянной частоты (f и = 400 Гц или f и = 50 Гц) постоянного действующего значения (обычно 220 В) в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой (U п = var, f п = var).

Рис. 6.32. Базовые способы использования силовых преобразователей

Следует заметить, что здесь постоянные напряжения (f = 0) характеризуются средними значениями U и.ср, U п.ср, а переменные (f ¹ 0) – действующими значениями (U и, U п).

Таким образом, силовые преобразователи УВ, ШИП могут использоваться для управления (напряжением, током, мощностью) потребителями постоянного тока. Причем, последние могут быть не только электрическими двигателями, но и являться потребителями с активной (резистивной) нагрузкой (такие силовые преобразователями применяются в регулируемых источниках питания). Если источником питания является сеть переменного тока, то может быть применен либо УВ, либо сочетание выпрямителя и ШИП.

Для потребителей переменного тока (которым чаще всего является машина переменного тока) применяется АИ, а при питании от источника переменного тока НПЧ, либо сочетания УВ и АИ, либо выпрямителя и АИ.

6.3.1. Управляемые выпрямители

Источником энергии для управляемых выпрямителей является сеть переменного тока. Принцип управления состоит в том, что в положительный полупериод питающего напряжения электронный ключ (как правило, тиристор) открывается и подает напряжение к потребителю лишь часть этого полупериода. Напряжение и ток на выходе управляемого выпрямителя содержат постоянные и переменные составляющие. Изменяя момент (фазу) открытия электронного ключа, меняют среднее значение напряжения на входе потребителя мощности. Управляемые выпрямители чаще всего используются для управления двигателем постоянного тока по цепи якоря.

Существует большое число различных схем управляемых выпрямителей. По принципу действия и построения они могут быть разделены на две группы: однополупериодные (схемы с нулевым проводом), в которых используют только одну полуволну напряжения сети, и двухполупериодные (мостовые схемы), где использованы обе полуволны переменного напряжения сети.

Рассмотрим работу простейшей двухполупериодной тиристорной схемы с чисто активной нагрузкой R н (рис. 6.33).

К источнику синусоидального напряжения сети U и с амплитудой н через тиристорный мост
VS1 – VS4 . Диагональные тиристоры VS1 , VS4 и VS2 , VS3 открываются попарно, поочередно в момент времени, определяемый углом отпирания a.

В интервал α < wt < 180° к нагрузке подводится напряжение U п = U m sin wt .На рис. 6.35 кривая напряжения на нагрузке закрашена темным цветом.

Так как нагрузка активная (резистивная), кривая тока повторяет кривую напряжения. В момент времени wt = 180° ток уменьшается до нуля и соответствующая пара диагональных тиристоров закрывается. Этот процесс повторяется каждый полупериод. Управление тиристорами осуществляют импульсами малой длительности с достаточно крутым передним фронтом, что уменьшает потери мощности в тиристоре при включении, а следовательно, его нагрев.

Рассмотренный фазовый метод управления может быть реализован с помощью фазосдвигающих способов, одним из которых является вертикальный способ управления, основанный на сравнении опорного напряжения (обычно пилообразной формы) и постоянного напряжения сигнала управления. Равенство мгновенных значений этих напряжений определяет фазу a,при которой схема вырабатывает импульс, затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы aуправляющего импульса достигается изменением уровня напряжения сигнала управления U упр. Функциональная схема управления приведена на рис. 6.34. Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного напряжения ГПН и синхронизированное с напряжением сети с помощью синхронизирующего устройства СУ, подается на схему сравнения СС, на которую одновременно поступает и входное напряжение (сигнал управления). Сигнал со схемы сравнения поступает на формирователь импульсов (ФИ), затем на распределитель импульсов (РИ), на усилители мощности (У), откуда в виде мощного, обладающего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса подается на управляющий электрод.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИАНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.И.БАБАКИН

Курс лекций по дисциплине:

«Автоматизированный электропривод типовых

производственных механизмов и технологических

комплексов».
Часть 2.

Уфа 2007

1.АЭП с асинхронным двигателем 4

1.1АЭП с АД с реостатным регулированием 4

1.2АЭП с АКЗД с регулируемым напряжением,подводимым к статору АД 5

2.Современное состояние АЭП с двигателями переменного тока 7

2.1Проблемы синтеза и управления АЭП 7

3.Автоматизированный асинхронный электропривод с использованием синхронных

Электромашинных преобразователей частоты 9

4. Автоматизированный асинхронный электропривод с использованием асинхронных

Электромашинных преобразователей частоты 11

5.Автоматизированный электропривод с двигателем переменного тока со статическими преобразователями частоты (СПЧ) 11

5.1Преобразователь частоты с звеном постоянного тока 12

6.Автономные инверторы (АИ)……………………………………………………………… 13

7.АЭПТ с ЧП имеющий в структуре управляемый выпрямитель………………………… .14

8.Регулирование скорости в АЭП с ПЧ с УВ……………………………………………… ...17

9.Пуск в АЭП с ПЧ с УВ…………………………………………………………………… …18

10.Торможение в АЭП с УВ………………………………………………………………… ..19

10.1.Торможение противовключением (ТП)……………………………………………… ..19

10.2.Динамическое торможение……………………………………………………………… 19

10.3.Реверс……………………………………………………………………………………. ..20

11.Преимущества и недостатки АЭП с ПЧ с УВ…………………………………………… .20

12. Автоматизированный электропривод с использованием ПЧ с ШИР……………… ….20

13.Регулирование скорости, пуск торможение в АЭП с ШИР…………………………… ...21

13.1 Регулирование скорости в АЭП с ШИР……………………………………………… …21

13.2 Пуск в АЭП с ШИР…………………………………………………………………… ….22

13.3 Торможение в АЭП с ШИР……………………………………………………………… 22

14 Автоматизированный электропривод с использованием ПЧ с ШИМ…………………...22

15 Принцип действия ПЧ с ШИМ……………………………………………………………..23

16 Принципиальные схемы ПЧ с ШИМ………………………………………………………24

17 ПЧ с ШИМ на базе незапираемых тиристоров…………………………………………....25

18 Элементная база современных частотных преобразователей…………………………....26

18.1 Силовые фильтры…………………………………………………………………………27

18.2Характеристики современных мощных силовых ключей с двухсторонним теплоотводом

19 Припинциальные схемы ПЧ на базе IGBT транзисторов………………………………...29

20 Регулирование скорости в АЭП с ПЧ с ШИМ…………………………………………….29

21 Пуск в АЭП с ПЧ с ШИМ…………………………………………………………………..29

22 Торможение в АЭП с ПЧ с ШИМ……………………………………………………… .29

23 Аварийные режимы в АЭП с ПЧ с ШИМ…………………………………………………29

24 Влияние длины монтажного кабеля на перенапряжения на зажимах двигателя……….30

25 Принципы и основы векторного управления……………………………………………...34

26 Реализация векторного управления………………………………………………………..36

27 Автоматизированный электропривод переменного тока с непосредственным преобразо-

Ванием частоты (НПЧ)…………………………………………………………………… ..38

28 Автоматизированный электропривод переменного тока в каскадных схемах………….40

29 Автоматизированные электроприводы с электрическими электромашинными каскадами……………………………………………………………………………………… 42

30 Автоматизированные электроприводы с электромеханическими электромашинными каскадами………………………………………………………………………………………..43

31 Автоматизированные электроприводы с асинхронно-вентильными каскадами (АВК).44

32 Автоматизированные электроприводы переменного тока с машинами двойного пита-

Ния……………………………………………………………………………………………. .45

33 Автоматизированные электроприводы переменного тока с машинами двойного питания в синхронном режиме………………………………………………………………… 46

34 Автоматизированные электроприводы переменного тока с машинами двойного пита-

Ния в асинхронном режиме…………………………………………………………………..48

35 Автоматизированные электроприводы переменного тока с вентильным двигателем …50

36 Автоматизированные электроприводы переменного тока следящего типа……… …….52
1. АЭП с асинхронным двигателем
1.1 АЭП с АД с реостатным регулированием.

Эти схемы применяются для АД с фазным ротором.

Принцип действия: Изменяя активное сопротивление цепи ротора, мы тем самым воздействуем на скольжение, при этом изменяется угловая скорость.

Один из важнейших показателей качества регулирования – плавность. В данном случае зависит от числа ступеней добавочного сопротивления вводимого в цепь ротора, которое в свою очередь ограничивается стандартной аппаратурой управления с помощью релейно-контакторных схем. Увеличение числа ступеней повлечет за собой увеличение числа реле и контактов, что в свою очередь приведет к уменьшению быстродействия и надежности системы в целом. Кроме того, такие электроприводы обладают низкими энергетическими показателями, невысоким КПД в области глубокого регулирования, при значительном увеличении добавочного сопротивления резко уменьшается жесткость характеристики что скажется на устойчивости работы электропривода.

С целью увеличения плавности регулирования применяют импульсное параметрическое регулирование. Сущность этого метода заключается в попеременном введении и выведении добавочного сопротивления в цепи ротора, при этом среднее значение равно:

где t 1 - длительность замкнутого состояния ключа;

T 2 - длительность разомкнутого состояния ключа.

рис.2

ω будет изменятся плавно в приделе между двумя граничными характеристиками ε=1 и ε=0

Диапазон регулирования скорости в ЭП с реостатным регулированием ограничивается:

1. 
   Большими потерями мощности (низкий КПД)
2. 
   Низкой стабильностью(Д=1,5÷1).

^ 1.2 АЭП с АКЗД с регулируемым напряжением, подводимым к статору АД.
Принцип действия таких электроприводов заключается в том, что при уменьшения напряжения, подводимого к статору пропорционально квадрату напряжения снижается электромагнитный момент и уменьшается скорость вращения ω.
Регулирование осуществляется с помощью регуляторов напряжения, включаемых в цепь статора. При этом различают два способа регулирования:

• 
  импульсное;
• 
  непрерывное.

До недавнего времени в основном использовались импульсные способы регулирования.

Простейшая принципиальная схема импульсного регулирования:
рис.3
При этом частота замыканий размыканий соизмерима с частотой сети f ≤ 200 Гц. При изменении скважности управляющих импульсов изменяется действующее значение напряжения:
При ε=1 двигатель работает на естественной механической характеристике, при этом ключи К постоянно замкнуты. По мере уменьшения ε угловая скорость уменьшается. При этом уменьшается критический момент М КР, как следствие уменьшение перегрузочной способности (жесткости) рабочей части механической характеристики. При малых значениях скважности, т.е. на малых скоростях привод работает неустойчиво.

Недостатки:

• 
  Низкие энергетические показатели, что связано с увеличением напряжения и скорости, а также с переходными электромагнитными процессами, вызванными включением выключением обмоток статора двигателя.
• 
  Такие электропривода могут работать только в продолжительном режиме, т.к. не обеспечивают кратковременного запуска и остановки двигателя.

Несколько лучшими, в этом плане, показателями обладают электропривода с импульсным регулирование напряжения и импульсным чередованием фаз.

КН включается на интервалах выключенного состояния ключей КВ, при ε=0 импульсов управляющих ключами КВ. ЭП будет работать в режиме торможения противовключением. Семейство механических характеристик в таких ЭП будут боле жесткими в рабочей части (перегрузочная способность ниже).

Отличие механической характеристики при импульсном регулировании напряжения и импульсным чередованием фаз (в рабочей части электропривод работает более устойчиво). При очень малых значениях ε характеристики переходят в область торможения противовключением, что позволяет быстро остановить двигатель. Такие электроприводы для повторно-кратковременных режимов, но эти электроприводы имеют еще более низкие энергетические показатели, т.к. наложение двигательного и тормозного режимов вызывает практически непрерывные электромагнитные переходные процессы, сопровождающиеся большими потерями мощности.

Недостатки:

Уменьшение напряжения питания при постоянной мощности на валу двигателя приведет к уменьшению напряжения на зажимах ротора, увеличению тока ротора, уменьшению коэффициента мощности двигателя и уменьшения КПД.

Показатели качества:

1. 
   Низкие энергетические показатели;
2. 
   Низкая стабильность регулирования:
3. 
   Диапазон регулирования Д=1,5÷1;
4. 
   Плавность высокая;
5. 
   Направление однозвенное “вниз”;

Целесообразно регулировать при М= const т.к. это частично позволяет освободиться от первого недостатка.

В настоящее время широкое распространение получили ЭП с непрерывным регулированием напряжения:

• 
  РН-АД;
• 
  ТРН-АД.

Такие электроприводы обладают значительно лучшими энергетическими показателями, чем ЭП с ИРН, но все остальные показатели такие же.
В последнее время такие электроприводы получили неоправданно широкую рекламу. Предлагается использовать их для механизмов, работающих в повторно кратковременном режиме. Регулирование ω в системе ТРН-АД осуществляется с помощью изменения напряжения на зажиме статора путем изменения угла отпирания тиристоров. Рис.5

^ Преимущества ЭП по системе ТРН-АД: По первоначальным затратам на 30-40% дешевле, чем ЭП с частотным преобразователем; на 20-50% снижены затраты на тех обслуживание.

^ Недостатки ЭП по системе ТРН-АД: Низкий диапазон регулирования Д=2÷1.

Этот недостаток, в какой то степени может быть устранен при использовании АЭП с регулируемой ЭДС в обмотке статора, т.е. регулированием не напряжения, а ЭДС.

^ 2. Современное состояние АЭП с двигателями переменного тока.

2.1 Проблемы синтеза и управления АЭП.
Объект управления –

1. 
   ЭД (электромеханический преобразователь);
2. 
   СП (силовой электрический преобразователь);
3. 
   ИП (измерительный преобразователь).

1) ЭД (электромеханический преобразователь).

Наиболее широкий класс ЭД, используемых в современном электроприводе АКЗД общепромышленного назначения. Эти двигатели предназначены для использования в регулируемых электроприводах, для прямого включения в промышленную сеть. В основном изменения в этой области носят характер некоторых конструктивных усовершенствований электродвигателя. Разрабатываются и серийно производятся специальные модификации АКЗД, предназначенные для использования в частотно регулируемом электроприводе (фирмой Siemens разрабатываются и серийно выпускаются в течении пяти лет АКЗД для использования при пониженных и при повышенных частотах питания 500-1000 Гц) . Кроме того наблюдается увеличение производства СД с возбуждением от постоянных магнитов (бесконтактные). Эти ЭД обладают улучшенными массогабаритными и ценовыми показателями, и не уступают по технико-энергетическим показателям. Среди перспективных ЭД – индукторный двигатель, который по утверждению разработчиков имеет значительно лучшие технические и энергетически характеристики и требует очень простого силового преобразователя (себестоимость электропривода значительно ниже). Синхронно-реактивный электродвигатель имеет массогабаритные показатели находящиеся в промежутке между АД и СД и при этом значительно более высокую энергетическую эффективность при значительно меньшей стоимости.
2) СП (силовой электрический преобразователь);

В области СП в электроприводе с двигателями постоянного тока в настоящее время в основном используются преобразователи имеющие структуру выпрямитель - АИН. Причем если до 2000 г. Требования к качеству выпрямления не регламентировалось, то в настоящее время появился ряд нормативной документации, которая строго регламентирует наличие в структуре СП выпрямительных устройств. Это стандарты IEEE-519, МЭК555 – интеграционные стандарты; ГОСТ 13109. Для улучшения качественных показателей современных СП, в частности для улучшения качества электропотребления, а именно повышение коэффициента мощности в настоящее время применяют выпрямители на полностью управляемых силовых ключах со стабилизацией выходного напряжения. Схемы с дополнительной индуктивностью, схемы с коммутирующим входным ключом реализуются по смарт технологии. Однако более эффективными и дешевыми представляются СП с неуправляемыми выпрямителями. В СП в настоящее время используется современная база, в которой используются современные электронные приборы, такие как тиристоры MGT или IGST, а также полностью управляемые транзисторы IGBT. Кроме того в настоящее время ведутся разработка транзисторов с разрешающей способностью по напряжению 6-10 кВ.

В настоящее время наиболее перспективным режимом работы СП является режим высокочастотной ШИМ с частотой модуляции 20 кГц и векторным управлением (воздействие через моментообразующую и потокообразующую составляющую тока статора). Этот режим является наиболее благоприятным для двигателей с номинальной частотой 500-1000 Гц т.к. в этом случае проблема согласования частоты модуляции с частотой питающего двигатель напряжения решается значительно проще. В настоящее время перспективным видом СП является также НПЧ, имеющий матричную структуру с матричной системой управления. Преимуществом таких преобразователей является отсутствие реактивных элементов, т.е. емкостей и индуктивностей в силовой схеме, практически синусоидальность формы выходного напряжения и тока, а также возможность работы в режиме опережающего cosφ.
3) ИП (измерительный преобразователь).

В качестве первичных измерителей в настоящее время используют традиционно известные средства, к которым можно отнести серийно выпускаемые датчики тока и напряжения, датчики Холла, тахогенераторы, фотоимпульсные и кодовые датчики перемещения и положения, электромагнитные револьверы, сельсины и т.д. Объем использования таких современных датчиков как емкостные, лазерные практически равен нулю. Наиболее перспективным видом ИП являются косвенные измерители, в которых на базе легко измеряемых параметров, таких как активное и индуктивное сопротивление двигателя, скорость и положение ротора и т.д. При использовании таких измерительных систем отпадает необходимость в использования большого количества датчиков и в частности датчика скорости вращения. Такие системы измерения называются безсенсорными.
^ Задачи управления электроприводом:

Наиболее часто встречающимся видом задач управления является задача непосредственного регулирования скорости вращения ЭП. Кроме того, имеются специально регулируемые приводы, которые выполняют задачи регулирования электромагнитного момента, мощности, ускорения, регулирование положения ротора, регулирование какого-либо технологического параметра. Кроме того имеются задачи стабилизации, слежения, позиционирования, обеспечение инвариантности (заключается в обеспечении независимости или слабой зависимости от неконтролируемых возмущений), обеспечении автономности (обеспечение независимости какого-либо параметра объекта от остальных параметров.

Синтез управления ЭП сводится к нахождению достаточно обусловленной модели ЭП, которая в настоящее время представляет собой в большинстве случаев систему уравнений Кирхгофа по второму закону эля электромагнитных цепей ЭД и СП. Обычно эти уравнения записываются для эквивалентной двухфазной машины, а также системы уравнений Ньютона для механических цепей ЭП.

Основная проблема при создании модели ЭП:

• 
  Учет насыщения магнитной цепи двигателя;
• 
  Учет упругих механических связей;
• 
  Учет нелинейных связей.

^ 3. Автоматизированный асинхронный электропривод с использованием синхронных электромашинных преобразователей частоты.
АЭП с электромашинными ПЧ обладают важным преимуществом: совместимость с энергосистемой, т.е. не загрязняют сеть.

Различают два вида электромашинных ПЧ:

1. 
   Электромашинный синхронный ПЧ (ЭМСПЧ);
2. 
   Электромашинный асинхронный ПЧ (ЭМАСПЧ).

АЭП с электромашинной СПЧ.

Основным элементом такой системы является трехфазный синхронный генератор согласованный по мощности с приводным АД. При этом выходное напряжение и частота определяется угловой скоростью вала генератора и величиной магнитного потока возбуждения. При изменении скорости будет изменятся выходное напряжение. Если принять напряжение на зажимах фазы статорной обмотки очевидно, что при Ф= const с увеличением скорости вращения вала одновременно с увеличением частоты будет увеличиваться также действующие значение выходного напряжения. В данном случае можно реализовывать только пропорциональный закон регулирования.

рис.6

В состав ПЧ входят:

• 
  Основное звено – трехфазный синхронный генератор (Г2);
• 
  ДПТ НВ (Д2) выход системы Г-Д соединен при помощи вала с СГ;
• 
  Вспомогательный приводной двигатель АКЗ (Д1) с нерегулируемой скоростью.

Коэффициент пропорциональности С выходного генератора (Г2) можно изменять при изменении I В3 при помощи резистора R 3 . Скорость вращения вала генератора Г 2 , регулируется I В1 генератора (Г1) реостатом R 1 , а также I В2 двигателя (Д2) реостатом R 2. В данной системе возможно регулирование скорости в обе стороны от номинальной. Однако верхний диапазон регулирования скорости используется редко, т.к. двигатель работает при напряжении больше номинального. При полностью выведенных реостатах R 1 и R 2 при этом напряжение и скорость вращения равны номинальному.
Показатели качества:

• 
  
• 
  Низкий КПД, высокий cosφ;
• 
  P уст min = 400 %

Преимущества АЭП с ЭСПЧ:

• 
  
• 
  Простота управления.

• 
  Недостатки АЭП с ЭСПЧ:
• 
  Низкий КПД;
• 
  
• 
  
• 
  Возможность регулировать только по пропорциональному закону.

^ 4. Автоматизированный асинхронный электропривод с использованием асинхронных электромашинных преобразователей частоты.
Основным элементом такой системы является трехфазный асинхронный генератор согласованный по мощности с приводным АД.

рис.7

Показатели качества:

• 
  Регулирование двузонное, плавное, стабильное;
• 
  Низкий КПД, высокий cosφ;
• 
  P уст min = 200-400 %

Преимущества АЭП с ЭСПЧ:

• 
  Нет отрицательного влияния на сеть;
• 
  Простота управления.

Недостатки АЭП с ЭСПЧ:

• 
  Низкий КПД;
• 
  Наличие большого количества вращающихся частей;
• 
  Неудовлетворительные массогабаритные показатели;
• 
  Возможность регулировать любому закону.
• 
  Необходимость применения автотрансформаторов.

^ 5. Автоматизированный электропривод с двигателем переменного тока со статическими преобразователями частоты (СПЧ).
В настоящее время СПЧ является наиболее широко применяемым и перспективным видом ПЧ в составе автоматизированного электропривода с двигателем переменного тока.

СПЧ классифицируется по следующим признакам:

1. 
   По структуре преобразования энергии.

• 
  СПЧ с непосредственным преобразованием.
• 
  СПЧ с звеном постоянного тока.

1. 
   По виду инвертеров подразделяются на:

• 
  ПЧ с сетноведомыми инверторами.

Силовые ключи таких инверторов запираются при подаче на анод отрицательной полуволны питающего напряжения.

• 
  ПЧ с автономным инвертором

Силовые ключи таких инверторов запираются либо при разряде коммутирующих конденсаторов, либо с помощью управляющих импульсов.

• 
  ПЧ с АИН
• 
  ПЧ с АИТ
• 
  ПЧ с АИ с поочередной коммутацией (ПЧ с неполным управляющим напряжением)
• 
  ПЧ с АИ с индивидуальной коммутацией (ПЧ с полностью управляющим напряжением)

^ 5.1 Преобразователь частоты с звеном постоянного тока
В настоящее время этот вид частотных преобразователей является наиболее широко распространенным видом, и при этом в отличии от НП+Ч поставляется в виде самостоятельного элемента электропривода.

рис.8

Где U 1 – трехфазное переменное напряжение с постоянной амплитудой.

П 1 – управляемый или неуправляемый выпрямитель, который предназначен для преобразования входного синусоидального напряжения в выходное постоянное (пульсирующее) напряжение.

Ф – фильтр тока или напряжения предназначен для сглаживания пульсации с выхода выпрямителя.

П 2 – автономный инвертор тока или напряжения, предназначен для преобразования постоянного сглаженного тока или напряжения в переменное трехфазное.

М – трехфазный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором.
В предлагаемой структурной схеме блок П 1 может работать как в управляемом так и в неуправляемом режимах. При этом в первом случае АИ выполняет функции изменения только выходной частоты преобразователя, а функции воздействия на амплитуду выходного напряжения выполняет выпрямитель. Во втором случае АИ выполняет функции изменения выходной частоты и действующего значения выходного напряжения.

Вариант УВ имеет несомненное преимущество, заключающееся в существенном упрощении системы управления, несмотря на наличие БУВ. При этом вся система значительно удешевляется.

В случае варианта с НВ значительно улучшается совместимость всей системы с электрической сетью. Однако при этом схема управления существенно усложняется и соответственно вся система становится значительно дороже.
^ 6. Автономные инверторы (АИ).
По степени управляемости АИ делятся на:

• 
  АИ с поочередной коммутацией.
• 
  АИ с индивидуальной коммутацией.

Схемное отличие этих двух инверторов заключается в том, что в АИ с поочередной коммутацией все силовые ключи являются рабочими. В АИ с индивидуальной коммутацией на каждый рабочий силовой ключ приходится как минимум по одному вспомогательному силовому ключу. Второй вариант как правело более функционален, но при этом значительно более дорогой и менее надежный. В настоящее время практически все АИ относятся к АИ с поочередной коммутацией.

Рассмотрим принцип действия АИ с поочередной коммутацией на примере однофазного АИ у которого запирание силовых ключей осуществляется с помощью коммутирующего конденсатора.

Т1,Т2 – рабочие тиристоры

Пусть в момент времени t = 0 открыт Т2, Т1 закрыт; входное напряжение приложено к Rн2, через промежуток времени равный периоду коммутации Т2 подается отпирающий импульс на Т1. При этом входное напряжение прикладывается к Rн1, а через открытую цепь Т1, Rн1, Rн2 к Т2 прикладывается обратное напряжение с Ск в результате чего Т2 запирается и т.д. Период коммутации –длительность открытия ключа.

По форме выходного напряжения и тока Аи делится на: У АИТ форма выходного напряжения зависит, как от последовательности и длительности коммутации силовых ключей так и от характера нагрузки, а форма выходного тока зависит, только от последовательности и длительности коммутации силовых ключей.

У АИН форма выходного тока зависит, как от последовательности и длительности коммутации силовых ключей так и от характера нагрузки, а форма выходного напряжения зависит, только от последовательности и длительности коммутации силовых ключей.

Внешнее отличие АИТ от АИН: АИТ имеет входной L – фильтр, а входной L или LC фильтр. Кроме того, если в схеме инвертора используются не полностью управляемые силовые ключи, то на каждую фазу АИТ имеется один конденсатор, а у АИН по одному коммутирующему конденсатору на каждый силовой ключ.

Рассмотрим работу однофазного АИТ.

Т1,Т3 – силовые ключи анодной группы

Т2,Т4 – силовые ключи катодной группы

С К – коммутирующий конденсатор

L – входной фильтр.
В первый момент времени в открытом состоянии находятся два накрест лежащих силовых ключа – первый из анодной, второй из катодной группы. В момент отпирания двух других силовых ключей первые два запираются и т.д. При этом если открыты ключи Т3 и Т2 происходит заряд конденсатора в прямом направлении, при открытых ключах Т1 и Т4 происходит перезаряд конденсатора в противоположном направлении.

рис.11

В момент времени t = 0 подается отпирающий импульс на Т1 и Т4. конденсатор Ск в этот момент предварительно заряжен, и при отпирании Т1 и Т4 разряжается на Т3 и Т2 в направлении отрицательной полярности тем самым закрывая Т3 и Т2. в следующий промежуток времени равный периоду коммутации Т1 и Т4 ток через сопротивление нагрузки будет протекать в положительном направлении. По истечении промежутка времени происходит перезаряд конденсатора в противоположное направление. В этот момент подается отпирающий импульс на Т3 и Т2 конденсатор разряжается в направлении отрицательной полярности запирает Т1 и Т4 , ток протекает через Т4, Zн, и открытый Т2 и будет иметь отрицательное направление.

^ 7. АЭПТ с ЧП имеющий в структуре управляемый выпрямитель.
В настоящее время имеется тенденция расширения области применения управляемых выпрямителей в структуре ПЧ, в частности в тех электроприводах, которые по технологическим условиям нуждаются в частом торможении (т.е. для электропривода работающего в повторно-кратковременном режиме S5). Это связано с тем, что УВ обладает таким важным свойством, как двусторонняя проводимость. Это позволяет использовать такой энергетически эффективный вид торможения как рекуперативное. Но негативные свойства УВ полностью устранить невозможно. В настоящее время используются преобразователи, содержащие два входных блока: первый – неуправляемый выпрямитель, участвующий в работе привода в двигательном режиме; второй – УВ, участвующий в работе ПЧ в режиме торможения.

Рассмотрим схему и принцип работы ПЧ с тиристорным УВ и тиристорным АИТ, у которого коммутация силовых ключей осуществляется с помощью коммутирующих конденсаторов.

-рис.12

Входным блоком преобразователя является УВ, построенный по шести-тактной мостовой трехфазной схеме выпрямления. Основной функцией УВ кроме выпрямления является регулирование действующего значения выходного напряжения преобразователя. Для сглаживания пульсации выходного тока выпрямителя использован последовательный L - фильтр.

АИТ состоит из шести силовых ключей, три из которых Т1, Т3, Т5 имеют общий анод и образуют анодную группу; три других Т2, Т4, Т6 Имеют общий катод и образуют катодную группу. Принцип действия АИТ основан на том, что в первый момент времени в открытом состоянии находятся два накрест лежащих силовых ключа: один из анодной группы, второй из катодной группы. Отпирание силовых ключей осуществляется в момент подачи управляющих импульсов от БУИ (многоканальная система управления). При этом последовательность подачи импульсов на каждый вентиль соответствует их порядковому номеру. Запирание силовых ключей осуществляется при разряде какого-либо из трех конденсаторов в направлении отрицательной полярности и также соответствует порядку чередования номеров силовых ключей.

При выходной частоте f 2 = 50Гц преобразователь работает в следующем режиме: промежуток между двумя соседними управляющими импульсами составляет
, длительность открытия каждого ключа будет составлять 120 0 . При этом запирающие конденсаторы С1, С2, С3 должны обладать такой емкостью, чтобы время равное 60 0 удерживать заряд необходимый для запирания очередного ключа.
Работу преобразователя продемонстрируем с помощью диаграммы:

1. 
   Ток с выхода выпрямителя имеет идеальную выпрямленную форму.
2. 
   Направление токов в фазах монтажного кабеля преобразователь-двигатель
   • 
     от П к Д - положительным.
   • 
     от Д к П - отрицательным.

рис.13

1. t = 0 Открыт Т1, Т6. Ток цепи протекает через силовой ключ Т1 фазу А кабеля и через открытый Т6 возвращается в фазу С. . При этом предварительно заряжен С3, в промежуток времени 0-60 0 перезаряжается С1, а С3 удерживает свой заряд.

2. t = 60 0 Подается отпирающий импульс на Т2. При этом С3 разряжается на Т6 и запирает его. В промежуток времени 60 0 - 120 0 открыты Т1 и Т2. Ток течет через фазу А к двигателю, а через фазу Б от двигателя к преобразователю. . В этом промежутке времени перезаряжается С2, С1 сохраняет свой заряд.

3. t = 120 0 Подается отпирающий импульс на Т3. При этом С1 разряжается на Т1 и запирает его. В промежуток времени 120 0 - 180 0 открыты Т2 и Т3. Ток течет через фазу Б к двигателю, а через фазу С от двигателя к преобразователю. . В этом промежутке времени перезаряжается С3, С2 сохраняет свой заряд.

4. t = 180 0 Подается отпирающий импульс на Т4. При этом С2 разряжается на Т2 и запирает его. В промежуток времени 180 0 - 240 0 открыты Т3 и Т4. Ток течет через фазу Б к двигателю, а через фазу А от двигателя к преобразователю. . В этом промежутке времени перезаряжается С1, С3 сохраняет свой заряд.

5. t = 240 0 Подается отпирающий импульс на Т5. При этом С3 разряжается на Т3 и запирает его. В промежуток времени 240 0 - 300 открыты Т4 и Т5. Ток течет через фазу С к двигателю, а через фазу А от двигателя к преобразователю. . В этом промежутке времени перезаряжается С2 С1 охраняет свой заряд.

6. t = 300 0 Подается отпирающий импульс на Т6. При этом С1 разряжается на Т4 и запирает его. В промежуток времени 300 0 - 360 открыты Т5 и Т6. Ток течет через фазу С к двигателю, а через фазу Б от двигателя к преобразователю. . В этом промежутке времени перезаряжается С3 С2 охраняет свой заряд.

Чтобы увеличить выходную частоту необходимо уменьшить промежуток между управляющими импульсами для этого увеличиваем угол управления β. Соответственно с законом управления изменится действующее значение выходного напряжения, в частности при пропорциональном законе управления при увеличении частоты угол управления выпрямителем α уменьшится пропорционально увеличению угла β.

Существенным недостатком рассмотренной схемы является необходимость использования конденсаторов большой мощности, необходимой для поддерживания зарядов в промежутке между двумя коммутациями. Частично избавиться от этого недостатка позволяет использование АИ с отсекающими диодами.

рис.14

Здесь в катодной и анодной цепи силовых ключей последовательно включаются отсекающие диоды Д1, Д3, Д5 и Д2, Д4, Д6. Их число равно числу ключей. Эти диоды препятствуют разряду конденсаторов в период коммутации ключа и за счет этого существенно улучшают показания инвертера.

^ 8. Регулирование скорости в АЭП с ПЧ с УВ.
В АЭП с преобразователем частоты и имеющим в структуре управляемый выпрямитель регулирование скорости ω осуществляется в широком диапазоне, при этом обеспечиваются достаточно высокие показатели качества. Регулирование ω осуществляется воздействием на АИ с помощью БУИ при одновременном воздействии на УВ с помощью БУВ в соответствии с законом регулирования. При этом возможно двухзонное регулирование. Однако для механизмов с M C = const , и для механизмов с линейно возрастающей М С регулирование вверх ограниченно тем, что для этого необходимо одновременно с увеличением частоты относительно f НОМ, увеличивать напряжение. В результате чего может произойти пробой изоляции. Регулирование ω вверх применяется значительно реже, чем в диапазоне вниз и в незначительных приделах.

В общем случае семейство регулировочных характеристик будет иметь вид:

рис.15
Показатели качества регулирования:

1. 
   Стабильность при частотном регулировании высокая т.к. характеристики в рабочей части имеют одинаковую жесткость.
2. 
   Плавность практически не ограничена.
3. 
   Высокая экономичность, однако при глубоком регулировании вниз от основной частоты, при котором требуется существенное уменьшение угла управления α выпрямителя и при этом коэффициент мощности привода в целом может оказаться очень низким.
4. 
   Регулирование в основном осуществляется при M C = const на валу двигателя.
5. 
   Направление двухзонное, в основном применяется регулирование вниз.
6. 
   Диапазон регулирования Д=100÷1.

^ 9. Пуск в АЭП с ПЧ с УВ.
Пуск начинается при пониженном напряжении и при минимальной частоте, что соответственно обеспечивает отсутствие броска тока или минимизацию тока и одновременно большие пусковые моменты. При этом инвертор работает с большими периодами коммутации силовых ключей, а УВ с углом управления α = П/2. Энергетическая эффективность пуска в такой системе уменьшается за счет того, что в начале пуска привод потребляет большое количество реактивной составляющей.

рис.16

Лекции по дисциплине «Автоматизированный электропривод» Литература 1. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода (ЭП).-6-е изд. -М.: Энергоиздат, – 576 с. 2. Москаленко В.В. Электрический привод - М.: Мастерство; Высшая школа, –368 с. 3. Москаленко В.В. Электрический привод: Учебник для электротехн. спец. -М.: Высш. шк., – 430 с. 4. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шиянского.-М.: Энергоатомиздат,1983. – 616 с. 5. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов.- М.:Энергоатомиздат, с. 6. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.:Энергоатомиздат, с. 7. ГОСТ Р –92. Электроприводы. Термины и определения. Госстандарт России. 8. Справочник инженера – электрика с.-х. производства / Учебное пособие.-М.: Информагротех, с. 9. Методические указания к выполнению лабораторных работ по основам электропривода для студентов факультета электрификации с.х. / Ставрополь, СтГАУ, «АГРУС», – 45 с. 10. Савченко П.И. Практикум по электроприводу в с.х. – М.: Колос, с. Рекомендуемые сайты в Internet: Лекции по дисциплине «Автоматизированный электропривод» Литература 1. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода (ЭП).-6-е изд. -М.: Энергоиздат, – 576 с. 2. Москаленко В.В. Электрический привод - М.: Мастерство; Высшая школа, –368 с. 3. Москаленко В.В. Электрический привод: Учебник для электротехн. спец. -М.: Высш. шк., – 430 с. 4. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шиянского.-М.: Энергоатомиздат,1983. – 616 с. 5. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов.- М.:Энергоатомиздат, с. 6. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.:Энергоатомиздат, с. 7. ГОСТ Р –92. Электроприводы. Термины и определения. Госстандарт России. 8. Справочник инженера – электрика с.-х. производства / Учебное пособие.-М.: Информагротех, с. 9. Методические указания к выполнению лабораторных работ по основам электропривода для студентов факультета электрификации с.х. / Ставрополь, СтГАУ, «АГРУС», – 45 с. 10. Савченко П.И. Практикум по электроприводу в с.х. – М.: Колос, с. Рекомендуемые сайты в Internet:

Источник электрической энергии (ИЭЭ) Управляющее устройство (УУ) Преобразовательное устройство (ПРБ) Электродвигательное устройство (ЭД) М Передаточное устройство (ПРД) Потребитель механической энергии (ПМЭ) U,I,f М д, ω д U д,I д,f д F д, V д М м (F м), ω м (V м) задания Рисунок 3 – Структурная схема АЭП

3 Коэффициент полезного действия АЭП Как и для всякого электромеханического устройства, важным показателем является коэффициент полезного действия АЭП = ПРБ · ЭД · ПРД Так как коэффициент полезного действия ПРБ и ПРД1 и мало зависит от нагрузки, то АЭП определяется ЭД, которое также является достаточно высоким и при номинальной нагрузки составляет 60-95%.

4 Достоинства АЭП 1) низкий уровень шума при работе; 2) отсутствие загрязнения окружающей среды; 3) широкий диапазон мощностей и угловых скоростей вращения; 4)доступность регулирования угловой скорости вращения и соответственно производительности технологической установки; 5)относительная простота автоматизации, монтажа, эксплуатации по сравнению с тепловыми двигателями, например, внутреннего сгорания.

Многие ошибочно полагают что электропривод – это электродвигатель выполняющий какую-то работу. На самом деле это не совсем верно. В систему электропривода входит не только электродвигатель, но и редуктор, система управления к нему, датчики обратной связи, различные реле и пр. Это не электрическая система, а электромеханическая. Она может быть регулируемой (автоматизированной, автоматической или не автоматизированной) или не регулируемой (насосы бытовые и пр.). Мы рассмотрим виды регулируемых устройств.

Не автоматизированный электропривод

При работе данного устройства все действия по регулированию каких-либо координат выполняются в ручном режиме. То есть для работы данного типа устройств необходим оператор, человек который будет следить за правильностью выполнения процессов. Как пример можно привести крановый электропривод, где все действия выполняются оператором.

Автоматизированный электропривод

В отличии от не автоматизированных приводов, в автоматизированных присутствуют сигналы обратной связи по координатам или параметрам (ток двигателя, скорость, положение, момент). Ниже приведена структурная схема:

Структурная схема автоматизированного электропривода

ЗА – защитная аппаратура (автоматические выключатели, предохранители и пр.)

ПЭЭ – преобразователь электрической энергии (частотник, тиристорный преобразователь)

ДТ – токовый датчик

ДН – датчик напряжения

СУ ПЭЭ – система управления преобразователем

ПУ – пульт управления

ПМ – передаточный механизм (муфта, редуктор и пр.)

РО – рабочий орган

ЭД — электродвигатель

При такой структуре управления СУ ПЭЭ управляет не только преобразователем, но и всей системой сразу. При таком управлении датчики обратной связи обеспечивают контроль за параметрами и сигнализируют об этом оператору. Данная система в автоматическом режиме может проводить некоторые операции (пуск, останов и пр.), но все равно требуется присутствие человека, для контроля, за работой данного устройства. Например, пуск много конвейерной линии, где пускаются не все конвейеры сразу, а по очереди, где учитывается также время пуска каждой линии и условия пуска. Точно также они и останавливаются.

Как видим из структурной схемы сигналы обратной связи приходят на пульт оператора, который непосредственно соблюдает технологический процесс, и часть приходит в систему управления преобразующим устройством для осуществления основных защит и отработки некоторых изменений задающего сигнала, поступающего с пульта управления.

Автоматический электропривод

Для работы электропривода в автоматическом режиме не требуется присутствие человека. В данном случае все происходит автоматически. Ниже приведена структурная схема:

Структурная схема системы автоматического управления электроприводом

АСУ ТП – автоматическая система управления технологическим процессом

Как видим из структурной схемы что в АСУ ТП приходят все датчики обратной связи. В ней происходит обработка сигналов от датчиков, и выдаются управляющие сигналы для других подсистем. Данная структура управления очень удобна, так как не требует постоянного наблюдения оператора за технологическим процессом, и снижает влияние человеческого фактора. Например модернизированные шахтные подъемные машины, которые могут работать в автоматическом режиме ориентируясь по датчикам обратной связи

В современном мире активно внедряются АСУ ТП не только для электроприводов. Очень редко встречаются системы с ручным управлением технологическими процессами все они либо автоматизированные, либо на этих линиях полностью внедрены АСУ ТП.

Вам могут быть интересны следующие материалы

Бизнес

Вопросы

Интернет

Недвижимость

Страхование

Услуги

© 2024 Финансы. Бизнес. Недвижимость. Услуги. Страхование