Конспект лекцій з дисципліни «Автоматизований електропривод. Частотно-регульований асинхронний електропривод – курс лекцій Автоматизований електропривод курс лекцій

S=UI
P=Mω
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Вступ

1.1.Визначення поняття «Електричний
привід»
Електропривод
це керована електромеханічна
система. Її призначення перетворюватиме електричну енергію
в механічну та назад і керувати цим процесом.
Електропривод має два канали силовий та інформаційний
(малюнок
1.1).
за
першому
каналу
транспортується
перетворювана
енергія, по другому каналу здійснюється
управління потоком енергії, а також збирання та обробка відомостей про
стан та функціонування системи, діагностика її
несправностей.
Силовий канал складається із двох частин
електричної та
механічною та обов'язково містить
зв'язуюча ланка
електромеханічний перетворювач.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Малюнок 1.1. Загальна структура електроприводу

АСУ верхнього рівня
Канали зв'язку
ІП
Мережа
ЕП
канал
електроприводу
ЕМП
МП
Робочий
орган
Електрична частина
Механічна частина
Силовий канал електроприводу
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
Технологічна установка
Система
електропостачання
Інформаційний

В електричну частину силового каналу електроприводу
входять електричні перетворювачі ЕП, що передають
електричну енергію від джерела живлення ІП до
електромеханічного перетворювача ЕМП і назад
здійснюють перетворення параметрів електричної
енергії.
Механічна
частина
електроприводу
складається
з
рухомого органу електромеханічного перетворювача,
механічних передач МП та робочого органу установки,
якому корисно реалізується механічна енергія
Електропривод
взаємодіє
з
системою
електропостачання (або джерелом електричної енергії),
технологічною установкою та через інформаційний
перетворювач ІП з інформаційною системою більше
найвищого рівня.
Електричний
привід
використовується
в

господарстві.
Широке
поширення
електроприводу
Н.І. Усенков. Електричне
обумовлено
особливостями
електричної
енергії:
ський привід

Електричний привід один з найенергоємніших
споживачів та перетворювачів енергії. Він споживає
більше 60% усієї виробленої електроенергії.
Електричний
привід
широко
використовується
в
промисловості, на транспорті та в комунальному
господарстві.
Електричний
привід
один
з
самих
енергоємних споживачів та перетворювачів енергії.
Теорія
регульованого
електроприводу
отримала
інтенсивний розвиток завдяки
удосконалення
традиційних та створення нових силових керованих
напівпровідникових приладів (діодів, транзисторів та
тиристорів), інтегральних схем, розвитку цифрових
інформаційних технологій та розробки різноманітних
систем мікропроцесорного керування.
Володіння
теорією
в
області
регульованого
електроприводу
є
однієї
з
найважливіших
складової професійної підготовки фахівців
Н.І. Усенков. Електричне
напрямки «Електротехніка,
енергетика та технологія
ський привід

1.2. Склад та функції електроприводу

Функція
електричного
перетворювача
ЕП
складається
в
перетворення електричної енергії, що поставляється мережею С і
характеризується напругою Uс і струмом Iс мережі, електричну
ж енергію, потрібну двигуном і характеризується величинами
U, I.
Перетворювачі бувають некерованими та керованими. Вони
можуть мати односторонню (випрямлячі) або двосторонню (при
наявності
двох
комплектів
вентилів)
провідність,
При
односторонній провідності перетворювача та зворотному (від
навантаження) потоці енергії використовується додатковий ключовий
елемент на транзисторі для «зливу» енергії у гальмівному режимі
електроприводи.
Електромеханічний перетворювач ЕМП (двигун), завжди
присутній в електроприводі, перетворює електричну
енергію (U, I) - механічну (M,ω).
Механічний перетворювач МП (передача): редуктор, пара
гвинтгайка, система Н.І.
блоків,
Усенков.кривошипно
Електричний шатунний механізм
здійснюють узгодження
моменту М та швидкості ω двигуна з
ський привід

Малюнок 1.2. Енергетичний канал електроприводу
P2
P1
Мережа
ΔPс
ΔPе
Uс, I с
ΔPr
ΔPм
ΔPем
U, I
Mм, ω м
M, ω
ЕМП
ЕП
Δ Pро
МП
ΔPr
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
РО

Величини,
характеризуючі
перетворювану
енергію:
напруги, струми моменти (сили) швидкості положення валу
просторі називають координатами електроприводу.
Основна функція електроприводу полягає в управлінні
координатами, тобто в їхньому примусовому спрямованому
зміні відповідно до вимог технологічного
процесу.
Управління координатами має здійснюватися в межах,
дозволених
конструкцій
елементів
електроприводу,
чим
забезпечується надійність роботи системи. Ці допустимі
межі зазвичай пов'язані з номінальними значеннями координат,
що забезпечують оптимальне використання обладнання.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Автоматизований
електропривод
(АЕП)
це
електромеханічна система, що складається з електричної
машини ЕМ, пов'язаної за допомогою механічної передачі
ПУ з робочим механізмом РМ, силового перетворювача СП,
системи управління СУ, блоку сенсорних пристроїв БСУ,
які виконують роль датчиків зворотного зв'язку
основним
змінним
стану
ЕП
(Параметри:
положення валу робочої машини, кутова швидкість, момент,
струм двигуна) та джерел живлення, що забезпечують
живлення зазначених електротехнічних пристроїв.
Напівпровідникові
СП
служать
для
погодження
електричних
параметрів
джерела
електричної
енергії
(напруга,
частота)
з
електричними
параметрами машини ЕМ та регулювання її параметрів
(швидкість, напруга та зміна напрямку обертання
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Малюнок 1.3. Блок схема автоматизованого
електроприводу
Джерело живлення
Сигнал
завдання
ЕМ
СУ
СП
БСУ
ПУ
РМ
Інформаційний канал ЕП
Електрична частина ЕП
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
Механічна частина ЕП

Система управління призначена для управління
силовим перетворювачем і будується, як правило, на
мікросхеми, або мікропроцесори. На вхід системи
управління
подається
сигнал
завдання
і
сигнали
негативних зворотних зв'язків від блоку сенсорних
пристроїв.
Система
управління,
в
відповідно
з
закладеними у ній алгоритмом, виробляє сигнали
управління силовим перетворювачем, керуючого
електричної машини.
Найбільш
досконалим
електроприводом
є
автоматизований
електропривод
регульований
електропривод
з
автоматичним
регулюванням
змінних станів.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Автоматизований електропривод поділяється на:
Стабілізований за швидкістю або моментом ЕП;
Програмно керований ЕП, що здійснює переміщення
робочого механізму відповідно до програми, закладеної в сигнал
завдання;
Слідкуючий ЕП, що здійснює переміщення робочого механізму
відповідно до вхідного сигналу, що довільно змінюється.
Позиційний
ЕП,
призначений
регулювання положення робочого механізму
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
для

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Електропривод на основі двигунів постійного
струму
використовується
в
різних
галузях
промисловості:
металургії,
машинобудування,
хімічної, вугільної, деревообробної та ін.
Регулювання
кутовий
швидкості
двигунів
постійного
струму
займає
важливе
місце
в
автоматизованому електроприводі. Застосування з
цією метою тиристорних перетворювачів є
одним із сучасних шляхів створення регульованого
електропривод постійного струму.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Управління швидкістю ДПТ з НВ здійснюється трьома
способами:
1.Зміною напруги на якорі двигуна при постійному струмі в обмотці
збудження;
2.Зміною струму в обмотці збудження двигуна при постійному
напрузі на якорі;
3. Комбінованою зміною напруги на якорі двигуна
обмотці збудження.
і струму в
Напруження на якорі двигуна або струм в обмотці збудження змінюють з
допомогою керованих випрямлячів, у тому числі найбільше застосування
отримали однофазні та трифазні мостові випрямлячі.
При керуванні двигуном ланцюга обмотки збудження керований
випрямляч виконується на меншу потужність і має кращі масогабаритні та вартісні показники.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Проте внаслідок великої постійної пори
обмотки збудження електропривод має гірші
динамічними
властивостями
(є
менше
швидкодіючим), ніж по ланцюгу якоря двигуна. Таким
чином,
вибір
ланцюги
управління
визначається
конкретні вимоги до приводу.
При роботі з виробничими механізмами
(наприклад, механізми головної та допоміжної
передач в обробних верстатах, кранові механізми,
ліфти) необхідно змінювати напрямок обертання
двигуна
(здійснювати
реверс).
Зміни
напрямки обертання зазвичай супроводжують такі
вимоги, як швидке (і водночас плавне)
гальмування та плавний набір швидкості.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Реверс напряму обертання приводного двигуна може досягатися
зміною полярності напруги, що підводиться до якоря, або зміною
напрями струму в обмотці збудження. З цією метою в ланцюг якоря або
обмотки збудження вводять контактний перемикач (реверсор) або
використовують два керовані тиристорні перетворювачі.
Структурна схема реверсивного тиристорного перетворювача
контактним перемикачем у ланцюзі обмотки якоря показано малюнку. В
цій схемі, як і в більшості перетворювачів, призначених для
електропривод, режим випрямлення чергується з режимом інвертування.
Так, наприклад, при наборі швидкості в режимі пуску та її стабілізації в
умовах
підвищення
навантаження
на
валу
двигуна
тиристорний
перетворювач працює в режимі випрямлення, повідомляючи енергію
двигуна. При необхідності гальмування та подальшого зупинки
двигуна надходження енергії до нього від мережі через перетворювач
припиняють,
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Перекладаючи
двигун у режим інвертування.
Машина постійного струму під дією інерційної
маси на її валу переходить у режим генератора,
повертаючи накопичену енергію через перетворювач
у мережу змінного струму (рекуперативне гальмування).
Блок-схема реверсивного перетворювача
Мережа
380 B, 50 Гц
Uсинхр
VS1
UZ1
VS6
СІФУ
Uо.с
1
Id1
2
QS1
Udα
1
2
Id2
M1
LM1
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
Uз.с

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Система «Тиристорний перетворювач-двигун»

Основним типом перетворювачів, що застосовуються в регульованих
ЕП постійного струму, є напівпровідникові статичні
перетворювачі (транзисторні та тиристорні). Вони представляють
керовані реверсивні або нереверсивні випрямлячі,
зібрані за нульовою або бруківкою однофазною або трифазною
схем. Силові транзистори, що застосовуються в основному для
імпульсного регулювання напруги в ЕП невеликої потужності.
Принцип дії, властивості та характеристики системи ТП – Д
розглянемо з прикладу схеми, наведеної на рис. 2.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

à)
á)
~ U1
i1
T1
e2.1
VS1
Ud
+
M2
+
Ia1
Id
UÓ1
UÓ
2
e2.2
LM
3
VS2
I
0
L
1
Ia2
4
5
6
UÓ2
Ñ È Ô Ó
UÑ
Малюнок
2
Н.І. Усенков.
Електричне
ський привід
7
M

Керований випрямляч (перетворювач) включає
узгоджуючий трансформатор Т, що має дві вторинні обмотки,
два тиристори VS1 і VS2, що згладжує реактор з
індуктивністю L та систему імпульсно-фазового управління
СІФ. Обмотка збудження двигуна ОВМ живиться від свого
джерела.
Випрямляч забезпечує регулювання напруги на
двигун за рахунок зміни середнього значення своєї ЕРС ЕП. Це
досягається за допомогою СІФУ, яка за сигналом UУ змінює
кут керування тиристорами α (кут затримки відкриття
тиристорів VS1 і VS2 щодо моменту, коли потенціал на
їх анодах стає позитивним у порівнянні з
потенціалом на катоді). Коли = 0, тобто. тиристори VS1 та VS2
отримують імпульси управління Uα від СІФУ у вказаний момент,
перетворювач здійснює двонапівперіодне випрямлення
і на якір двигуна подається повна напруга. Якщо з
за допомогою СІФУ подача імпульсів управління на тиристори VS1 та
VS2 відбувається зі зсувом (затримкою) на кут α ≠ 0, то ЕРС
перетворювача знижується, а отже, зменшується
середня напруга, що підводиться до двигуна.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Залежність середнього значення ЕРС багатофазного перетворювача
від кута управління тиристорами а має вигляд:
(1)
ECP Emax m sin m cos ECP 0 cos
де m – число фаз;
Е - амплітудне значення ЕРС перетворювача;
ЕСР0 – ЕРС перетворювача при α = 0.
Для зменшення шкідливого впливу пульсації струму в ціль якоря
зазвичай включається згладжуючий реактор, індуктивність L якого
вибирається залежно від допустимого рівня пульсації струму.
Рівняння для електромеханічної та механічної характеристик
двигуна:
(2)
(3)
ECP 0 cos k I RЯ RП k
ECP 0 cos
k M RЯ
RП
k 2
де
- еквівалентний опір
RП xT m 2 RT RL
перетворювача;
xT, RT - відповідно наведені до вторинної обмотки
індуктивний опір розсіювання та активний опір
обмоток трансформатора;
RL - активний опір реактора, що згладжує.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

У заштрихованій області двигун працює у режимі
переривчастого струму, що визначає помітну зміну (зменшення)
жорсткості параметрів. Внаслідок односторонньої провідності
перетворювача характеристики розташовуються лише у першому
(1 ...3 при α = 0; 30, 60 °) і четвертому (4 ... 7 при α = 90, 120, 150, 180 °)
квадрантів. Найменшим кутам управління відповідає велика ЄП та,
отже, більш висока швидкість двигуна; при α = π/2 ЕРС
УВ ЕП = 0 і двигун працює у режимі динамічного гальмування.
На рис. 3 наведена схема ЕП із трифазним мостовим
нереверсивним УВ.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

~ 380 Â; 50 Ãö
T1
UÑ
UÓ
Ñ
È
Ô
Ó
U
VS1
+
VS6
VS1
VS4
VS3
VS6
VS5
VS2
Ud
L
Id
M1
+
LM
-
UB
Н.І. Усенков.
Електричне
Малюнок
3
ський привід
-

Для отримання характеристик двигуна у всіх чотирьох
квадрантах використовуються реверсивні керовані випрямлячі,
які складаються з двох нереверсивних випрямлячів, наприклад,
нульовим виведенням рис. 4.
а)
~ 380; 50 Гц
б)
T1
2
UС
U
UУ
З
І
Ф
У
VS1
+
VS6
VS1
VS4
VS3
VS6
VS5
VS2
L1
-
2
L
1 хв
0
min
M
1 2
1 max
M1
UB
2 2
L2
+
max
-
Н.І. Усенков.
Електричне
Малюнок
4
ський привід

Реверсивними
називаються
перетворювачі,
що дозволяють
змінювати полярність постійної напруги та струму у навантаженні.
У реверсивних УВ використовуються два основних принципи
управління комплектами вентилів: спільне та роздільне.
Спільне управління передбачає подання від системи
імпульсно-фазового керування тиристорами імпульсів керування
Uα одночасно на тиристори обох комплектів – VS1, VS3, VS5
(катодна група) та VS2, VS4, VS6 (анодна група). При цьому за рахунок
наявності кута зсуву між імпульсами керування двох комплектів
тиристорів, близьких до π, один з них працює у випрямлячому
режимі та проводить струм, а інший, працюючи в інверторному режимі, струм
не проводить. Для забезпечення такого управління між середніми
значеннями ЕРС випрямляча та інвертора має існувати
співвідношення
, проте за рахунок різниці миттєвих значень
ЕРС між комплектами тиристорів протікає так званий
зрівняльний струм. Для його обмеження у схемі, наведеній на рис.
4 а передбачені зрівняльні реактори L1 і L2.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Схеми вентильних перетворювачів
що забезпечують зміну напряму
потоку енергії
В автоматизованих електроприводах
регулювати швидкість приводного двигуна.
потрібно
При використанні машин постійного струму виникає
завдання не тільки регулювання швидкості обертання, (за
рахунок зміни величини напруги живлення), але і
зміни напряму обертання (реверс). Для цього
необхідна зміна як полярності напруги на
навантаженні, так і напрямки струму в навантаженні.
Це завдання вирішується за допомогою спеціального
перетворювача постійного струму без застосування
контактної апаратури,
так званого реверсивного
Н.І. Усенков. Електричне
перетворювача постійного
струму, що складається
ський привід

що складається з двох комплектів вентилів, кожен з яких
забезпечує протікання струму через навантаження лише в одному
напрямку.
Усі існуючі схеми реверсивних вентильних перетворювачів
можна розділити на два класи:
перехресні («вісімкові») схеми та
зустрічно-паралельні схеми.
У перехресних схемах (малюнок а – нульова та б – бруківка)
трансформатор має дві групи ізольованих вентильних обмоток,
від яких живляться два комплекти вентилів.
У зустрічно-паралельних схемах (малюнок в) потрібна лише одна
Група вентильних обмоток трансформатора.
У реверсивних
є:
перетворювачах
найбільш
трифазна нульова;
двічі трифазна з зрівняльним
реактором та
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
поширеними

Трифазний реверсивний перетворювач
з нульовим висновком
A
T1
C
Uсинхр
N
a
UZ1
B
b1
1
c1
a2
b
c2
2
Iур2
Lур1
Id1
Udα
Iур2
VS1…
VS3
UZ2
Lур2
Id2
M1
Н.І. Усенков. Електричне
LM1
ський привід
VS4…
VS6
СІФУ 1
СІФУ 2
Uсинхр
Uзс

Трифазні схеми випрямлячів застосовуються при індуктивній
навантаження для живлення обмоток збудження електричних машин,
шестифазні
для живлення якірних ланцюгів двигуна
дванадцятифазні особливо потужні електроприводи.
Робота реверсивного перетворювача
Припустимо, що в початковий час машина
оберталася за годинниковою стрілкою зі швидкістю n про/хв. При цьому вона
розвивала проти-ЕРС Eяк і через якірний ланцюг протікав струм I
(малюнок
). Харчування машини здійснювалося від першого
вентильного комплекту перетворювача UZ1, що працює в
випрямлячому режимі. Для зниження швидкості обертання
машини треба зменшити напругу живлення, що підводиться до неї, то
є необхідно збільшити кут управління тиристорами
VS1,VS2,VS3 випрямляча UZ1.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

При цьому через інерцію двигуна його проти-ЕРС Eяк не може
різко зміниться і виявляється більше, ніж напруга Ud1 на
виході
перетворювача
(на
якорі
двигуна).
Вентилі
перетворювача UZ1 швидко замикаються, і струм навантаження знижується
до нуля. Але на затисканнях якірного ланцюга електричної машини,
обертається за інерцією, зберігається проти-ЕРС Eяк, що
дозволяє корисно використовувати кінетичну енергію обертаючого
приводу, перетворивши її на електричну, і одночасно швидко
загальмувати електричну машину.
Для цього потрібно перевести перший вентильний комплект у
інверторний режим, тобто збільшити кут 1 > 90°. Але перший
комплект UZ1 перетворювача не можна використовувати в інверторному
режимі, тому що необхідно мати на машині зворотну полярність
напруги Ud1. Тому в інверторний режим переводиться другий
вентильний комплект UZ2 (α2 > 90°), вихід якого підключений до
навантаження паралельно виходу першого комплекту UZ1. Авто
працює в генераторному режимі, тому швидкість її обертання
падає. Отже, знижується і проти ЕРС Eяк, що є
напругою Н.І.
для Усенков.
другогоЕлектрич
комплекту UZ2, що працює в
інверторний режим. ський привід

n
Гальмування
Двигун. е
Розгін
режим
Двигун.
режим
0
t
Реверс
I
E
0
t
<90
UZ2
В
І
>90
І
>90
<90
UZ1
В
UZ1
<90
В
Рис. 1.2. Діаграма режимів роботи
електричної машини постійного струму
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

При зупинці електричної машини (Eяк = 0; n = 0) можна
перевести другий комплект вентилів UZ2 у випрямний
режим (α2<90°). При этом электрическая машина опять переходит
режим двигуна і живиться від другого комплекту вентилів
UZ2.
Напрямок
обертання
машини
змінюється
на
протилежне (реверс двигуна), і вона знову починає
розганятися (від n=0 до заданої частоти обертання, наприклад, до
n=n в третьому квадранті координат електроприводу: n і I або n
та M).
Якщо знову потрібно здійснити реверс, то збільшується
кут α2 другого комплекту вентилів UZ2, його вентилі замикаються.
Перший комплект вентилів UZ1 переводиться в інверторний
режим (α 1>90°), напрям струму якоря Id змінюється на зворотний,
електрична машина працює в генераторному режимі до
повної зупинки двигуна.
Надалі зі зменшенням кута α1>90° перший комплект
вентилів UZ1 переводиться у випрямний режим та
здійснюється розгін двигуна до заданої частоти обертання.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Регулювальна характеристика реверсивного
перетворювача
Udα
Ud0
Udα1
α1
Режим
випрямляча
0
Udβ1
π
π/2
Режим
інвертора
α2
β1
-Ud0
Udβ
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
α
β

При рівності середніх значень напруг на
виході UZ1 та UZ2 отримуємо вираз
Udocosα1= Udocosβ2.
Отже, необхідно, щоб α1 = β2. Бо при
інверторному режимі β =180°- α, то умова рівності
середніх значень напруг у зрівняльному контурі
можна уявити як α1+ α2 =180°, де α1 і α2 – кути
управління тиристорами першого та другого комплектів
вентилів, що відраховуються від точки природної
відмикання тиристорів.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Зовнішні характеристики реверсивного
перетворювача
Зовнішні характеристики випрямного та інверторного
комплектів у цьому випадку є продовженням одна
інший і дають лінійну результуючу зовнішню
характеристику реверсивного перетворювача
Udα
β1
α1
β1 > β
2
α2 > α
β3 > β
2
1
α3 > α
2
Режим
інвертора
Режим
випрямляча
0
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
Id

Спільне керування вентильними
комплектами
Якщо імпульси керування подаються одночасно на
вентилі обох комплектів UZ1 та UZ2, а кути управління
тиристорами відповідають умові
α1 + α2 = π,
управління
вентильними
узгодженим.
групами
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
називають

роздільне управління вентильними
комплектами
Для того, щоб отримати електропривод, що працює у всіх чотирьох
квадрантах поля: ω – I або ω - М, необхідно використання реверсивного
тиристорного перетворювача, що забезпечує протікання струму якоря
двигуна в обох напрямках.
Реверсивні перетворювачі містять дві групи тиристорів,
включених зустрічно-паралельно один до одного.
У цій схемі два вентильні комплекти UZ1 і UZ2, зібрані кожен по
трифазної бруківки, включені паралельно один одному з
протилежною полярністю за випрямленого струму.
Подавати відпираючі імпульси одночасно на обидві групи тиристорів
не можна, оскільки відбудеться коротке замикання. Тому в цій схемі
може працювати тільки
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

одна група тиристорів UZ1 або UZ2; інша група
тиристорів повинна бути закрита (відпирають імпульси
зняті).
Таким чином, реверсивні перетворювачі з
роздільним управлінням - це такі перетворювачі,
яких управляючі імпульси приходять тільки на один
з комплектів вентилів, що ведуть струм. Імпульси
управління на другий комплект вентилів в цей час не
подаються, та його вентилі замкнені. Реактор Lур у схемі
може бути відсутнім. Див Горбі243с
При роздільному керуванні вентилями включається
тільки та група тиристорів, яка на даний момент
повинна проводити струм у навантаженні. Вибір цієї групи
залежить від напрямку руху приводу («Вперед» або
"Назад") і від режиму роботи приводу: руховий
режим або рекуперативне гальмування.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Таблиця 1 - Вибір вентильного комплекту
Режим роботи ЕП
Двигун
Гальмівний
Напрямок
руху
"Вперед"
UZ1
UZ2
"Назад"
UZ2
UZ1
У системах управління ЕП вибір та включення потрібної групи
тиристорів проводиться автоматично за допомогою логічного
перемикаючого пристрою ЛПЗ, принцип побудови якого
показаний малюнку.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Приймемо напрям струму якоря під час роботи «Вперед» у
руховому режимі за позитивне. При позитивному сигналі
завдання швидкості ωзад, що відповідає руху
«Вперед», та
сигналі помилки по швидкості, яка в руховому режимі також
буде (ωзад- ω)≥0, сигнал, що надходить на ЛПУ від регулятора струму,
матиме знак (+). Відповідно до цього ЛПУ включить електронний
ключ QS1, який подає відпираючі імпульси на тиристорну
групу UZ1. Кут керування α1 встановлюється системою
автоматичного регулювання відповідно до сигналу виходу
регулятора струму РТ. Обидві СІФУ (1) та (2) працюють узгоджено так,
що сума кутів сума
α1 + α2 = π.
(1)
Таким чином, на тиристорну групу, що працює в
випрямлячому режимі, що подаються відпираючі імпульси з кутом α1 =
0… π/2. При цьому СІФУ2 виробляє імпульси
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

управління з кутом α2 = π - α1, тобто з кутом управління,
відповідному
інверторному
режиму
роботи
перетворювача UZ2. Однак, оскільки електронний ключ
QS2 розімкнуто, імпульси управління на тиристори групи
UZ2 не надходять.
Перетворювач UZ2 закритий, але
підготовлений для роботи в інверторному режимі.
Такий
принцип
узгодженого
управління
вентильними комплектами, що визначається (1), дозволяє
узгодити механічні характеристики приводу в
руховому та гальмівному режимах, що показано на
малюнку.
При
необхідності
гальмування
приводу
зменшується сигнал завдання швидкості ωзад. Помилка по
швидкості змінює знак (ω зад - ω)<0, и на входе ЛПУ знак
сигналу змінюється з (+) на (-), відповідно до чого
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Вимикається контакт QS1 та включається контакт QS2. Проте
включення контакту QS2 відбувається не відразу, а з деякою
витримкою часу, яка необхідна, щоб струм якоря
зменшився до нуля і тиристори UZ1 відновили замикаючі
властивості. Спадання струму до нуля контролюється датчиком струму ДП та
нуль-органом ПЗ (в інших схемах для цієї мети використовуються
датчики провідності вентилів).
Коли струм спаде до нуля, після деякої витримки
часу, включається ключ QS2 і входить у роботу перетворювач
UZ2 вже підготовлений до роботи в інверторному режимі. Привід
переходить у режим рекуперативного гальмування, Загальний час
перемикання тиристорних груп становить 5 – 10 мс, що є
допустимим для забезпечення високої якості керування ЕП.
При роботі у руховому режимі у напрямку «Назад» знак
завдання швидкості негативний, а абсолютне значення
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

помилки за швидкістю |ωзад - ω | позитивно, тому на
вхід ЛПЗ надходить негативний сигнал, і включається
ключ
QS2.
Працює
перетворювач
UZ2
в
випрямлячому режимі. Логічні правила роботи
ЛПЗ ілюструються таблицею 2.
Знаходять застосування також інші схеми ЛПУ.
Механічні характеристики реверсивного приводу ТП-Д
з роздільним управлінням показано малюнку.
При безперервному струмі
описуються рівнянням (1).
якоря
двигуна
вони
У режимі переривчастих струмів в області малих
значень моменту лінійність показників порушується.
У сучасних замкнутих по струму та швидкості системах
регулювання, завдяки застосуванню адаптивних
регуляторів, вдається лінеаризувати механічні
Показники ЕП иН.И.
приУсенков.
малихЕлектрич
значення моменту.
ський привід

Таблиця 2 – Логіка роботи ЛПЗ
Знак
Знак
Знак
Увімкнено
Працює
Режим
ωзад
|ωзад- ω|
на вході
ключ
роботи
ЛПЗ
QS
перетворюєте
ль
+
+
+
QS1
UZ1
+
-
QS2
UZ2
-
+
-
QS2
UZ2
-
-
+
QS1
UZ1
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
електропривод
а
Двигуни
й
Гальмівний
Двигуни
й
Гальмівний

Зовнішня характеристика випрямляча
Udα
Ud0
Ud1
0
Id
I d1
I к.з
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

7.Електропривід та автоматика промислових установок та технологічних комплексів

Технічна реалізація
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Завдання 1. Визначити значення наведених моментів J та Мс при
підйомі вантажу (рисунок 1), якщо відомо: Jд = 3,2 кг м2; Jр.о.=3,6 кг м2;
передавальне число редуктора р = 0,96; ККД виконавчого органу
(Барабану) Б = 0,94; кутова швидкість двигуна ω=112 рад/с; швидкість
підйому вантажу v=0,2 м/с; маса вантажу m = 1000 кг.
Пояснення.
Наведений статичний момент:
Mc
Fp. o . p. o .
p Б Д
m g p.o.
p Б Д
1000 9,81 0,2
19,41H m
0,96 0,94 112
Наведений момент інерції J:
J
J Д J ро
i p2
m(
2 3,2 3,6
0,2 2
1000
) 3,3 кг м2.
2
Д
112
6,14
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Jд, nп, iп, п
М, д, Jд
Д
ПУ
Мpo, po, Jpo
РВ (б), і схема 3.Ознайомитися з
MatLab7/Simulink3.
бібліотекою
основних
блоків
в
програмі
4.Скласти блок-модель лабораторної установки для проведення
дослідження відповідно до заданої теми і дати короткий опис
використовуваних функціональних пристроїв та віртуальних вимірювальних
приладів.
5.Вивчити віртуальну лабораторну установку та ввести вихідні
дані у діалогові вікна програми. Сформулювати план проведення
експерименту.
6.Після виконання роботи скласти звіт за структурою:
Назва роботи та мета роботи;
Опис лабораторного стенду;
Аналіз осцилограм експериментальних залежностей;
Висновки.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Робота № N. Дослідження електроприводу з
структурі «Випрямляч-перетворювач синхронний двигун»
Блок-модель електроприводу з асинхронним двигуном
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Результати моделювання
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Багато хто помилково вважає, що електропривод – це електродвигун, який виконує якусь роботу. Насправді це не зовсім правильно. У систему електроприводу входить не тільки електродвигун, а й редуктор, система управління до нього, датчики зворотного зв'язку, різні реле та ін. Це не електрична система, а електромеханічна. Вона може бути регульованою (автоматизованою, автоматичною або не автоматизованою) або не регульованою (насоси побутові та ін.). Ми розглянемо види регульованих пристроїв.

Не автоматизований електропривод

Під час роботи пристрою всі дії з регулювання будь-яких координат виконуються в ручному режимі. Тобто для роботи даного типу пристроїв необхідний оператор, який стежитиме за правильністю виконання процесів. Як приклад можна навести крановий електропривод, де всі дії виконуються оператором.

Автоматизований електропривід

На відміну від не автоматизованих приводів, в автоматизованих присутні сигнали зворотного зв'язку за координатами або параметрами (струм двигуна, швидкість, положення, момент). Нижче наведено структурну схему:

Структурна схема автоматизованого електроприводу

ЗА – захисна апаратура (автоматичні вимикачі, запобіжники та ін.)

ПЕЕ – перетворювач електричної енергії (частотник, тиристорний перетворювач)

ДТ – струмовий датчик

ДН – датчик напруги

СУ ПЕЕ – система управління перетворювачем

ПУ – пульт керування

ПМ – передавальний механізм (муфта, редуктор та ін.)

РО – робочий орган

ЕД - електродвигун

За такої структури управління СУ ПЕЕ управляє як перетворювачем, а й системою одночасно. При такому управлінні датчики зворотного зв'язку забезпечують контроль параметрів і сигналізують про це оператору. Дана система в автоматичному режимі може проводити деякі операції (пуск, зупинка та ін), але все одно потрібна присутність людини, для контролю, за роботою даного пристрою. Наприклад, пуск багато конвеєрної лінії, де пускаються не всі конвеєри відразу, а по черзі, де враховується також час пуску кожної лінії та умови пуску. Так само вони і зупиняються.

Як бачимо зі структурної схеми сигнали зворотного зв'язку приходять на пульт оператора, який безпосередньо дотримується технологічного процесу, і частина приходить в систему управління перетворюючим пристроєм для здійснення основних захистів і відпрацювання деяких змін сигналу, що надходить, що надходить з пульта управління.

Автоматичний електропривід

Для роботи електроприводу в автоматичному режимі не потрібна наявність людини. У цьому випадку все відбувається автоматично. Нижче наведено структурну схему:

Структурна схема системи автоматичного керування електроприводом

АСУ ТП – автоматична система керування технологічним процесом

Як бачимо зі структурної схеми, що в АСУ ТП приходять всі датчики зворотного зв'язку. У ньому відбувається обробка сигналів від датчиків, і видаються керуючі сигнали інших підсистем. Дана структура управління дуже зручна, тому що не вимагає постійного спостереження оператора за технологічним процесом і знижує вплив людського фактора. Наприклад, модернізовані шахтні підйомні машини, які можуть працювати в автоматичному режимі, орієнтуючись на датчики зворотного зв'язку.

У світі активно впроваджуються АСУ ТП як для електроприводів. Дуже рідко зустрічаються системи з ручним управлінням технологічними процесами, всі вони або автоматизовані, або на цих лініях повністю впроваджені АСУ ТП.

Лекції з дисципліни "Автоматизований електропривод" Література 1. Чилікін М.Г., Сандлер А.С. Загальний курс електроприводу (ЕП).-6-е вид. -М: Енерговидав, - 576 с. 2. Москаленко В.В. Електричний привід – М.: Майстерність; Вища школа -368 с. 3. Москаленко В.В. Електричний привід: Підручник для електротехн. спец. -М: Вища. шк., - 430 с. 4. Довідник з автоматизованого електроприводу / За ред. В.А. Єлісєєва, А.В. Шиянського.-М: Енергоатоміздат,1983. - 616 с. 5. Москаленко В.В. Автоматизований електропривод: Підручник для вузів. - М: Енергоатоміздат, с. 6. Ключєв В.І. Теорія електроприводу. - М: Енергоатоміздат, с. 7. ГОСТ Р -92. Електроприводи. Терміни та визначення. Держстандарт Росії. 8. Довідник інженера - електрика с.-г. виробництва/Навчальний посібник.-М.: Інформагротех, с. 9. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з основ електроприводу для студентів факультету електрифікації с.г. / Ставрополь, СтДАУ, «АГРУС», – 45 с. 10. Савченко П.І. Практикум з електроприводу у с.г. - М.: Колос, с. Рекомендовані сайти в Інтернеті: Лекції з дисципліни «Автоматизований електропривод» Література 1. Чилікін М.Г., Сандлер А.С. Загальний курс електроприводу (ЕП).-6-е вид. -М: Енерговидав, - 576 с. 2. Москаленко В.В. Електричний привід – М.: Майстерність; Вища школа -368 с. 3. Москаленко В.В. Електричний привід: Підручник для електротехн. спец. -М: Вища. шк., - 430 с. 4. Довідник з автоматизованого електроприводу / За ред. В.А. Єлісєєва, А.В. Шиянського.-М: Енергоатоміздат,1983. - 616 с. 5. Москаленко В.В. Автоматизований електропривод: Підручник для вузів. - М: Енергоатоміздат, с. 6. Ключєв В.І. Теорія електроприводу. - М: Енергоатоміздат, с. 7. ГОСТ Р -92. Електроприводи. Терміни та визначення. Держстандарт Росії. 8. Довідник інженера - електрика с.-г. виробництва/Навчальний посібник.-М.: Інформагротех, с. 9. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з основ електроприводу для студентів факультету електрифікації с.г. / Ставрополь, СтДАУ, «АГРУС», – 45 с. 10. Савченко П.І. Практикум з електроприводу у с.г. - М.: Колос, с. Рекомендовані сайти в Інтернеті:

Джерело електричної енергії (ІЕЕ) Керуючий пристрій (УУ) Перетворювальний пристрій (ПРБ) Електроруховий пристрій (ЕД) М Передавальний пристрій (ПРД) Споживач механічної енергії (ПМЕ) 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) завдання Рисунок 3 – Структурна схема АЕП

3 Коефіцієнт корисної дії АЭП Як і для будь-якого електромеханічного пристрою, важливим показником є ​​коефіцієнт корисної дії АЕП = ПРБ · ЕД · ПРД Оскільки коефіцієнт корисної дії ПРБ і ПРД1 і мало залежить від навантаження, то АЕП визначається ЕД, яке також є досить високим і при номінальному навантаженні становить 60-95%.

4 Переваги АЭП 1) низький рівень шуму під час роботи; 2) відсутність забруднення довкілля; 3) широкий діапазон потужностей та кутових швидкостей обертання; 4) доступність регулювання кутової швидкості обертання та відповідно продуктивності технологічної установки; 5) відносна простота автоматизації, монтажу, експлуатації в порівнянні з тепловими двигунами, наприклад, внутрішнього згоряння.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Харківська національна академія міського господарства

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

з дисципліни

«Автоматизований електропривод»

(для студентів 4 курси денної та заочної форм навчання за спеціальністю 6.090603 – «Електротехнічні системи електропостачання»)

Харків – ХНАГГ – 2007

Конспект лекцій з дисципліни «Автоматизований електропривод» (для студентів 4 курси всіх форм навчання спеціальності 6.090603 – «Електротехнічні системи електропостачання»). Авт. Гаряжа В.М., Фатєєв В.М. - Харків: ХНАГГ, 2007. - 104 стор.

ЗМІСТ

Загальна характеристика конспекту лекцій
Змістовий модуль 1. Автоматизований електропривод – основа розвитку продуктивних сил України. . . . . . . . . . . .
лекція 1.
1.1.	Розвиток електроприводу як галузі науки та техніки. . . . . .	6
1.2.	Принципи побудови систем керування Автоматизований електропривод. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
лекція 2.
1.3.	Класифікація систем керування АЕП. . . . . . . . . . . . . . . . . .	13
Змістовий модуль 2. Механіка електроприводу . . . . . . . . . .		18
лекція 3.
2.1.	Приведення моментів та сил опору, моментів інерції. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
лекція 4.
2.2.	Рівняння руху електроприводу. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	21
лекція 5.
2.3.	Механічні характеристики двигуна постійного струму незалежного збудження. Двигун. . . . . . . . . . .
лекція 6.
2.4.	Механічні характеристики двигуна постійного струму незалежного збудження. Режим електричного гальмування. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
лекція 7.
2.5.	Механічні характеристики двигуна постійного струму послідовного збудження. Двигун. . . . . .
лекція 8.
2.6.	Механічні характеристики двигуна постійного струму послідовного збудження. Режим електричного гальмування. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
лекція 9.
2.7.	Механічні характеристики асинхронних двигунів Двигун. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
лекція 10.
2.8.	Механічні характеристики асинхронних двигунів Режим електричного гальмування. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .
лекція 11.
2.9.	Механічні та електричні характеристики синхронних двигунів. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Змістовий модуль 3. типові вузли схем автоматичного керування двигунами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
лекція 12.
3.1.	Принципи автоматичного керування пуском та гальмуванням двигунів. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
лекція 13.
3.2.	Типові вузли схем автоматичного керування пуском ДПТ.	77
лекція 14.
3.3.	Типові вузли схем автоматичного керування гальмуванням ДПТ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
лекція 15.
3.4.	Типові вузли схем автоматичного керування запуском двигунів змінного струму. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
лекція 16.
3.5.	Типові вузли схем автоматичного керування гальмуванням двигунів змінного струму. . . . . . . . . . . . . . . .
лекція 17.
3.6.	Вузли електричного захисту двигунів та схем управління. . .	98

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА КОНСПЕКТУ ЛЕКЦІЙ

Автоматизований електропривод – головний споживач електроенергії. У промислово – розвинених країн понад 65% вироблюваної електроенергії перетворюється електроприводом на механічну енергію. Тому розвиток та вдосконалення електроприводу, що є основою енергоозброєності праці, сприяє зростанню продуктивності та підвищення ефективності виробництва. Знання властивостей та можливостей електроприводу дозволяє інженеру – електрику забезпечити раціональне використання електроприводу з урахуванням вимог як технологічних машин, так і систем електропостачання. Предмет «Автоматизований електропривод» вивчається у сьомому семестрі четвертого року навчання. Навчальним планом спеціальності «Електротехнічні системи електроспоживання» на нього виділено чотири кредити. Вони заповнені шістьма змістовними модулями, що вивчаються під час лекційних та практичних занять, при виконанні лабораторних робіт та розрахунково-графічного завдання.

У цьому конспекті лекцій викладено матеріал для вивчення перших трьох змістовних модулів предмета «Автоматизований електропривод». У першому змістовному модулі автоматизований електропривод розглядається як основа розвитку продуктивних сил України. У другому вивчаються механічні характеристики двигунів, що показують можливості двигуна під час роботи, як і руховому режимі, і у режимі електричного гальмування. У третьому модулі вивчаються типові вузли схем автоматичного керування двигуном. На підставі вивчених у другому модулі властивостей двигунів, типові вузли забезпечують автоматичний пуск, гальмування та реверс двигунів у функціях часу, швидкості та струму при прямому чи непрямому контролі названих величин. Конструктивно типові вузли об'єднуються як станцій управління. Пайова участь станцій управління у загальній кількості електроприводів, що використовуються в Україні, перевищує 80%.

лекція 1.

1.1. Розвиток електроприводу як галузі науки та техніки

З давніх-давен людина прагнула замінити важку фізичну працю, яка була джерелом механічної енергії (МЕ), на роботу механізмів і машин. Для цього на транспорті та на сільськогосподарських роботах, на млинах та зрошувальних системах він використав м'язову силу тварин, енергію вітру та води, а пізніше – хімічну енергію палива. Так з'явився привід - пристрій, що складається з трьох істотно різних елементів: двигуна (Д), механічного передавального пристрою (МПУ) та технологічної машини (ТМ).

Призначення двигуна: перетворення енергії різних видів на механічну енергію. МПУ призначено передачі МЭ від двигуна до ТМ. Воно впливає кількість переданої МЕ (без урахування втрат), але може змінювати її параметри й узгодження видів руху виконується як ремінної, ланцюгової, зубчастої чи інших механічних передач.

У технологічній машині МЕ використовується для зміни властивостей, стану, форми або положення матеріалу або виробу, що обробляється.

У сучасних приводах як джерело МЕ використовуються різні електричні двигуни (ЕД). Вони перетворюють електричну енергію (ЕЕ) на механічну і тому привід отримав назву електроприводу (ЕП). Його функціональна схема наведена на рис. 1.1. До її складу, крім названих елементів, входить керований перетворювач (П), за допомогою якого ЕЕ від мережі подається до ЕД.

Змінюючи сигнал керування перетворювачем U уможна змінювати кількість ЕЕ, що надходить від мережі до ЕД. В результаті цього буде змінюватися кількість МЕ, що виробляється двигуном та одержується ТМ. Це, своєю чергою, призведе до зміни технологічного процесу, ефективність якого характеризується регульованою величиною y(t).

Пріоритет у створенні електроприводу належить російським вченим

Б.С. Якобі та Е.Х. Ленцу, які в 1834 винайшли двигун постійного струму, а в 1838 застосували його для приведення в рух катера. Однак недосконалість двигуна та неекономічність джерела електричної енергії (гальванічної батареї) не дозволили цьому електроприводу знайти практичне застосування.

У середині ХІХ століття спроби застосування ЕП із двигуном постійного струму для друкарських та ткацьких машин робилися вченими Франції та Італії. Проте система постійного струму не давала задовільного рішення. До 1890 лише 5 % загальної потужності двигунів приводів становили електричні двигуни.

Широке застосування електроприводу пов'язане з винаходом у 1889-1891 роках російським інженером Доливо-Добровольським системи трифазного змінного струму та трифазного асинхронного двигуна. Простота трифазної системи, можливість централізованого виробництва електроенергії, зручність її розподілу призвели до того, що до 1927 вже 75% загальної потужності двигунів приводів становили електричні двигуни.

В даний час у провідних галузях промисловості відношення встановленої потужності електроприводів до загальної встановленої потужності приводів із двигунами всіх видів (теплових, гідравлічних, пневматичних) наближається до 100%. Це визначається тим, що ЕД виготовляються на різноманітні потужності (від сотих часток вата до десятків тисяч кіловат) і швидкості обертання (від часток обороту валу за хвилину до кількох сотень тисяч оборотів за хвилину); ЕП працює у середовищі агресивних рідин та газів при низьких та високих температурах; завдяки керованості перетворювача, ЕП легко регулює перебіг технологічного процесу, забезпечуючи різні параметри руху робочих органів ТМ; він має високий к.п.д., надійний в експлуатації і не забруднює навколишнє середовище.

Наразі сумарна встановлена ​​потужність електричних генераторів України перевищує 50 млн. кВт. Для розподілу такої потужності на всіх рівнях напруги створено й електричні мережі.

Однак у зв'язку зі спадом насамперед промислового виробництва забезпечення реального споживання електроенергії в Україні здійснюється за рахунок половини зазначеної потужності. Такий суттєвий енергетичний запас є надійною основою для розвитку виробничих сил України, пов'язаного із запровадженням нових енергозберігаючих технологій, випуском сучасної високотехнологічної продукції, подальшим розвитком автоматизації та механізації виробництва. Вирішення всіх, без винятку, названих завдань забезпечується застосуванням різних систем електроприводу, збільшенням споживання електроприводом електричної енергії, що у існуючій структурі споживання вже наближається до 70%.

1.2. Принципи побудови систем керування автоматизованим електроприводом

Відмінною особливістю сучасного електроприводу є те, що в ньому сигнал керування перетворювачем U уформується спеціальним автоматичним пристроєм, що управляє (АУУ) без безпосередньої участі людини. Таке управління називають автоматичним, а електропривод – автоматизованим (АЕП).

Систему управління АЭП, як будь-яку іншу систему автоматичного управління, можна як систему, яка сприймає і переробну інформацію.

У першому каналі формується інформація про необхідне значення регульованої величини q(t)(що впливає).

У другому каналі за допомогою датчиків може бути отримана інформація про дійсне значення регульованої величини y(t)або інших величин, що характеризують ЕП.

Третій канал може подавати в систему управління інформацію про впливи, що обурюють f i (t)у вигляді сигналу x i (t).

Залежно від кількості використовуваних каналів інформації розрізняють три принципи побудови систем керування автоматизованим електроприводом:

1) принцип розімкнутого управління;

2) принцип замкнутого управління;

3) принцип комбінованого керування.

Розглянемо багатофункціональні схеми систем управління АЭП.

Систему управління АЭП, побудовану за принципом розімкнутого управління, називають розімкнутою системою. У ній використовується лише один канал інформації – про необхідне значення регульованої величини q(t). Функціональна схема такої системи керування наведена на рис.1.2.

У вузол підсумовування на вході АУУ, як і в попередньому випадку, від КЗ подається інформація про q(t). Стрілка, що позначає q(t), Спрямована в незатемнений сектор вузла підсумовування. Це означає, що сигнал, що задає, надходить у вузол підсумовування зі знаком «+».

Автоматичний керуючий пристрій формує сигнал керування перетворювачем U y, використовуючи тільки інформацію про величину впливу q(t), що на вхід АУУ подається від командного органу (КО) В результаті того, що на кожен елемент функціональної схеми впливають впливи, що обурюють f i (t), кількість механічної енергії, що надходить до технологічної машини, а значить і хід

Рис. 1.2 - Функціональна схема розімкнутої системи управління АЕП

технологічної операції змінюватимуться. Внаслідок цього дійсне значення регульованої величини y(t)може суттєво відрізнятися від необхідного значення q(t). Різниця між необхідним і дійсним значенням регульованої величини в режимі, що встановився (коли регульована величина y(t)не змінюється в часі) називають помилкою управління Δx(t)= q(t)– y(t).

Розімкнені системи АЕП застосовуються в тому випадку, якщо поява помилки управління не призводить до істотних втрат у технології (зменшення продуктивності ТМ, зниження якості продукції та ін.)

В іншому випадку, коли поява помилки управління значно знижує ефективність технологічного процесу, для побудови системи управління АЕП використовують принцип замкнутого управління. Називають таку систему замкненою.

У ній використовуються два канали інформації: до інформації про необхідне значення регульованої величини q(t)додається інформація про дійсне значення регульованої величини y(t). Функціональна схема такої системи керування наведена на рис.1.3.

Інформація про дійсне значення регульованої величини y(t)подається у вузол підсумовування за допомогою головного зворотного зв'язку (ГЗС). Кажуть, що ДЕРЖ «замикає» систему управління, з'єднуючи її вихід із входом.

Стрілка, що позначає y(t), спрямовано затемнений сектор вузла підсумовування, тобто. сигнал ДЕРЖ надходить у вузол підсумовування зі знаком «-» і тому ДЕРЖ називається негативним зворотним зв'язком.

Рис. 1.3 – Функціональна схема замкнутої системи управління АЕП.

У вузлі підсумовування в результаті алгебраїчного (з урахуванням знаку) складання сигналів q(t)і y(t)здійснюється визначення величини та знаку помилки управління Δx(t)= +q(t) – y(t). Сигнал помилки надходить на вход АУУ. Завдяки цьому АУУ, формуючи сигнал управління перетворювачем П на підставі інформації про реально існуюче співвідношення заданого та дійсного значення регульованої величини забезпечує подачу до ЕД такої кількості ЕЕ, а до технологічної машини МЕ, що помилка управління може бути зменшена до допустимої величини або зведена до нуля.

Крім ДОС, у системі управління можуть бути різні внутрішні по відношенню до ДЕРЗ зворотні зв'язки (ВОС). Вони контролюють проміжні параметри системи, що покращує якість процесу керування. Систему, що містить лише ГОС, називають одноконтурною, а має, крім ГОС, ще й ВОС – багатоконтурною.

У системі, побудованої за комбінованим принципом, об'єднано дві структури – замкнуту та розімкнуту. До замкнутої системи, яка є основною, додається розімкнена структура третього каналу інформації x 1 (t)про основний вплив, що обурює f 1 (t).Функціональна схема системи наведено малюнку 1.4.

Основним є вплив, що обурює, яке має найбільшу складову у величині помилки управління.

Рис. 1.4 – Функціональна схема комбінованої системи управління АЕП

На рис. 1.4 за основне, прийнято вплив, що обурює f 1 (t). Воно контролюється проміжним елементом (ПЕ) та інформація про нього x 1 (t)подається у вузол підсумовування. Завдяки цьому АУУ вводить у сигнал управління перетворювачем складову, яка компенсує вплив f 1 (t)на технологічний процес та зменшує величину помилки управління. Вплив інших впливів, що обурюють, на помилку ліквідує основна замкнута система.

Розглянуті приклади дозволяють дати визначення поняттю "автоматизований електропривод".

Автоматизований електропривод є електромеханічною системою, в якій, по-перше, здійснюється перетворення електричної енергії в механічну. За допомогою цієї енергії рухаються робочі органи технологічної машини. І, по-друге, відбувається управління процесом перетворення енергії з метою забезпечення необхідних і перехідних режимів роботи ТМ.

лекція 2.

1.3. Класифікація систем управління АЕП

Класифікація систем управління АЭП може проводитись за багатьма ознаками: за родом струму двигуна системи поділяються на змінний та постійний струм. По виду сигналів інформації та управління – на безперервні та дискретні системи. Залежно від характеру рівнянь, що описують процеси управління – лінійні та нелінійні системи. Часто їх поділяють на вигляд перетворювача або основний апаратури: система - генератор постійного струму -двигун (Г-Д); система - тиристорний перетворювач - двигун (ТП-Д); система - тиристорний перетворювач частоти - двигун (ТПЧ-Д) та ін.

Проте найбільшого поширення набула класифікація систем управління АЭП за функціями, виконуваними ними у технологічних процесах. Таких функцій можна назвати п'ять.

1. Системи управління процесами запуску, гальмування, реверсу.У тому числі, своєю чергою, можна назвати три групи систем.

Системи першої групи розімкнені. Застосовуються в електроприводах із асинхронними двигунами з короткозамкненим ротором. Перетворювач складається із силового перемикаючого пристрою (СПУ), що підключає двигун безпосередньо до мережі. Вся апаратура управління – релейної дії (контактна чи безконтактна).

Системи управління другої групи виконуються також розімкненими. Вони застосовуються в електроприводах з двигунами постійного струму та асинхронними двигунами з фазним ротором, мають складнішу структуру СПУ, що забезпечують ступінчасте перемикання резисторів або інших елементів у силових ланцюгах двигуна. Забезпечують управління автоматичним пуском та гальмуванням, при якому обмежуються струм та момент двигуна. При ручному управлінні СПУ можливе регулювання швидкості у малому діапазоні.

Системи третьої групи призначені реалізації оптимальних процесів пуску, гальмування, реверсу. Під оптимальними у разі розуміють перехідні процеси, які протікають за мінімальний час. Це забезпечується підтримкою в процесі пуску та гальмування величини крутного моменту двигуна на рівні допустимого значення.

Застосовуються такі системи в електроприводах з повторно-короткочасним режимом роботи, коли час встановленого режиму мало або зовсім відсутній. Тому поява помилки управління не буде призводити до втрат у технології, і система може не мати ГОС.

Замкнений контур регулювання в такій системі утворюється негативним зворотним зв'язком по моменту (струму) двигуна. На рис.1.4 вона показана як ВОС. Регульованою величиною у разі стає момент двигуна. Тому АУУ формує сигнал управління П таким чином, щоб у процесі пуску та гальмування момент підтримувався на необхідному рівні або змінювався у часі за необхідним законом.

2. Системи підтримання постійним заданого значення регульованої величини (системи стабілізації).Регульованими є величини, що характеризують рух робочого органу ТМ та валу двигуна – швидкість, прискорення, момент, потужність та ін.

Системи стабілізації побудовані за замкненим принципом і можуть мати функціональну схему, наведену на рис.1.4. У такій системі сигнал, що задає q(t)=const.Тому зменшення регульованої величини y(t), викликане появою впливу, що обурює f 1 (t), призводитиме до збільшення сигналу помилки управління на вході АУУ. Автоматичний керуючий пристрій формує сигнал керування перетворювачем залежно від закону керування (типу регулятора), що застосовується в ньому. При пропорційному законі управління як регулятор використовується пропорційна (підсилювальна) ланка з коефіцієнтом посилення більшим одиниці (П – регулятор). Тому зі збільшенням сигналу помилка на вході П – регулятора збільшуватиметься і сигнал управління перетворювачем. В результаті цього буде збільшуватися кількість ЕЕ та МЕ, що призведе до збільшення y(t)та зменшення помилки управління. Однак вона не може бути компенсована повністю, так як у цьому випадку сигнали на вході та виході П – регулятора дорівнюватимуть нулю, до двигуна не буде подаватися ЕЕ і технологічний процес зупиниться.

Систему стабілізації, в якій помилка управління не зводиться до нуля, а тільки зменшується до допустимої величини, називають статичною.

При пропорційно - інтегральному законі управління регулятор складається з двох включених паралельно ланок - пропорційного та інтегрального (П-І - регулятор). Сигнал помилки надходить одночасно на вхід обох ланок. Пропорційна частина регулятора, як і в попередньому випадку, посилюватиме сигнал помилки. Інтегральна частина регулятора сигнал помилки сумуватиме, тобто. її вихідний сигнал буде збільшуватися доти, доки на вході регулятора є сигнал помилки. Оскільки вихідний сигнал регулятора (сигнал управління перетворювачем) є сумою вихідних сигналів пропорційної та інтегральної частин, то поки на вході регулятора буде сигнал помилки, його вихідний сигнал буде збільшуватися. В результаті цього збільшуватиметься кількість ЕЕ та МЕ в системі та зменшуватиметься помилка управління. Коли сигнал помилки на вході регулятора стане рівним нулю, сигнал на виході регулятора буде більшим за нуль, завдяки тому, що інтегральна частина регулятора після зникнення сигналу на її вході запам'ятовує сумарне значення вихідного сигналу. До двигуна подаватиметься ЕЕ і технологічний процес продовжуватиметься.

Систему стабілізації, у якій помилка управління зводиться нанівець, називають астатической.

При пропорційно – інтегрально – диференціальному законі управління паралельно П, І. – ланкам включають диференціюючу ланку (П – І – Д – регулятор).

Вихідний сигнал диференціальної частини прямопропорційний швидкості зміни сигналу помилки керування. Підсумовуючи сигнали П, І частин регулятора, він додатково збільшує сигнал управління перетворювачем і кількість ЕЕ, що надходить до двигуна. Це сприяє зменшенню динамічної помилки управління, тобто. різниці між необхідним та дійсним значенням регульованої величини під час перехідного режиму в системі.

Застосовуються системи стабілізації у разі необхідності особливо точної підтримки будь-якого параметра техпроцесу, а також при регулюванні швидкості двигуна у великому діапазоні.

Для формування процесів пуску та гальмування система стабілізації може мати внутрішній зворотний зв'язок за моментом двигуна (ВОС на рис. 1.4).

Розімкнутий канал управління по основному впливу, що обурює, зменшує помилку управління в статичних системах.

3. Слідкуючі системи.Як і системи стабілізації побудовані за замкненим принципом. Однак сигнал, що задає q(t)у них змінюється за випадковим законом і дійсне значення регульованої величини y(t)має повторювати (відслідковувати) цей закон.

Застосовуються в технологічних машинах, які вимагають, щоб при повороті вхідного валу на будь-який кут вихідний вал «стежив» за вхідним та повертався на такий самий кут.

Коли становище валів збігається q(t) = y(t)і помилка керування дорівнює нулю. При зміні положення вхідного валу q(t) ≠ y(t). На вході АУУ з'являється сигнал помилки, перетворювач подає ЕЕ на двигун і вихідний вал буде обертатися доти, доки не займе положення вхідного.

4. Системи програмного управління.Застосовуються у технологічних машинах, що мають кілька електроприводів. Ці приводи можуть бути побудовані як за розімкненим, так і за замкненим принципом. Спільним для них є пристрій, що змінює задане значення регульованої величини кожного електроприводу заздалегідь заданою програмою. При цьому двигуни окремих робочих органів автоматично запускаються, працюють із заданими швидкостями або реверсуються, а робочі органи технологічної машини, що переміщаються, не заважають один одному.

5. Адаптивні системи.Застосовуються в тих випадках, коли система, побудована за замкненим принципом, в результаті непередбачених змін впливів, що обурюють, не здатна виконати свою функцію, наприклад, стабілізацію регульованої величини.

Для забезпечення адаптації (пристосовності) замкнутої системи до її складу вводять додатковий контур, основу якого становить обчислювальний пристрій. Воно контролює величину q(t), y(t), що обурюють вплив f i (t), аналізує роботу системи стабілізації та визначає необхідні для адаптації зміни параметрів або структури АУУ

лекція 3.

2.1. Приведення моментів та сил опору, моментів інерції та інерційних мас

До механічної частини електроприводу відносяться частина двигуна, що обертається, механічний передавальний пристрій і робочий орган технологічної машини.

Обертова частина двигуна (якір або ротор) є джерелом механічної енергії.

За допомогою МПУ здійснюється перетворення обертального руху двигуна на поступальний рух робочого органу ТМ або за рахунок зміни співвідношення швидкостей вхідного та вихідного валів МПУ узгоджуються швидкості обертання двигуна та робочого органу. Як МПУ можуть використовуватися циліндричні та черв'ячні редуктори, планетарна передача, пара гвинт – гайка, кривошипно-шатунна, рейкова, ремінна та ланцюгова передачі.

Робочий орган ТМ є споживачем механічної енергії, яку він перетворює на корисну роботу. До робочих органів можна віднести шпиндель токарного або свердлильного верстата, рушійну частину конвеєра, ківш екскаватора, кабіну ліфта, гвинт теплохода та ін.

Елементи механічної частини ЕП пов'язані один з одним і утворюють кінематичний ланцюг, кожен елемент якого має свою швидкість руху, характеризується моментом інерції або інерційною масою, а також сукупністю моментів, що діють на нього, або сил. Механічне рух кожного з елементів визначається другим законом Ньютона. Для елемента, що обертається навколо нерухомої осі рівняння руху має вигляд:

Де
- Векторна сума моментів, що діють на елемент;

J- Момент інерції елемента;

– кутове прискорення елемента, що обертається.

Для елемента, що поступово рухається, рівняння руху має вигляд:

,

Де
- Векторна сума сил, що діють на елемент;

m- Інерційна маса елемента;

- Лінійне прискорення поступально рухомого елемента.

За допомогою цих рівнянь може бути враховано взаємодію будь-якого елемента з рештою кінематичного ланцюга. Це зручно здійснювати шляхом приведення моментів та зусиль, а також моментів інерції та інерційних мас. Внаслідок цієї операції (приведення) реальна кінематична схема замінюється розрахунковою, енергетично еквівалентною схемою, основу якої становить той елемент, рух якого розглядається. Як правило, цим елементом є вал двигуна М. Це дозволяє найповніше досліджувати характер руху електроприводу та режим його роботи. Знаючи параметри кінематичної схеми, можна визначити вид руху робочого органу технологічної машини.

Приведення моментів опору від однієї осі обертання в іншу проводиться на підставі балансу потужності в системі.

У ході технологічної операції робочий орган, що обертається на осі зі швидкістю ω мі створює момент опору М см, споживає потужність Р м =М см ω м. Втрати потужності в МПУ враховуються поділом величини Р мна к.п.д. передачі η п. Цю потужність забезпечує двигун, що обертається зі швидкістю ω та розвиваючий момент М з, рівний наведеному до осі обертання валу двигуна моменту опору М см. На підставі рівності потужностей отримаємо:

.

Тоді вираз визначення наведеного моменту опору М змає вид:

,

Де
- Передавальне число МПУ.

Приведення сил опору провадиться аналогічно. Якщо швидкість поступального руху робочого органу ТМ дорівнює υ мі під час технологічної операції створюється сила опору F см, З урахуванням к.п.д. МПУ рівняння балансу потужностей матиме вигляд:

.

Наведений момент опору М збуде дорівнює:

,

Де
- Радіус приведення МПУ.

Кожен з елементів кінематичної схеми, що обертаються, характеризується моментом інерції. J і . Приведення моментів інерції до однієї осі обертання засноване на тому, що сумарний запас кінетичної енергії частин приводу, що рухаються, віднесений до однієї осі, залишається незмінним. За наявності частин, що обертаються, що володіють моментами інерції J д , J 1 , J 2 , … J nта кутовими швидкостями ω, ω 1 , ω 2 , … ω nможна замінити їх динамічну дію дією одного елемента, що має момент інерції Jі обертається зі швидкістю ω .

У такому разі можна записати рівняння балансу кінетичної енергії:

.

Сумарний момент інерції, приведений до валу двигуна, буде дорівнює:

,

Де J д- Момент інерції ротора (якоря) М;

J 1 , J 2 , … J n- Моменти інерції інших елементів кінематичної схеми.

Приведення інерційних мас m, що рухаються поступально, здійснюється також на підставі рівності кінетичної енергії:

,

Звідси момент інерції, приведений до валу двигуна, буде дорівнює:

.

В результаті виконання операцій наведення реальна кінематична схема замінюється розрахунковою, енергетично еквівалентною схемою. Вона є тілом, що обертається на нерухомій осі. Цією віссю є вісь обертання двигуна. На нього діють крутний момент двигуна М і наведений момент опору М з. Повертається тіло зі швидкістю двигуна ω і має наведений момент інерції J.

Теоретично електроприводу така розрахункова схема отримала назву одномасової механічної системи. Вона відповідає механічній частині АЕП із абсолютно жорсткими елементами та без зазорів.

Сучасний електропривод є конструктивною єдністю електромеханічного перетворювача енергії (двигуна), силового перетворювача та пристрою управління. Він забезпечує перетворення електричної енергії на механічну відповідно до алгоритму роботи технологічної установки. Сфера застосування електричного приводу у промисловості, на транспорті та у побуті постійно розширюється. В даний час вже більше 60% всієї електричної енергії, що виробляється у світі, споживається електричними двигунами. Отже, ефективність енергозберігаючих технологій значною мірою визначається ефективністю електроприводу. Розробка високопродуктивних, компактних та економічних систем приводу є пріоритетним напрямком розвитку сучасної техніки. Останнє десятиліття століття, що минає, ознаменувалося значними успіхами силової електроніки – було освоєно промислове виробництво біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT), силових модулів на їх основі (стійкі та цілі інвертори), а також силових інтелектуальних модулів (IPM) з вбудованими інтерфейсами. для безпосереднього підключення до мікропроцесорних систем керування. Зростання ступеня інтеграції в мікропроцесорній техніці та перехід від мікропроцесорів до мікроконтролерів із вбудованим набором спеціалізованих периферійних пристроїв, зробили незворотною тенденцію масової заміни аналогових систем управління приводами на системи прямого цифрового керування.Під прямим цифровим управлінням розуміється не тільки безпосереднє управління від мікроконтролера кожним ключем силового перетворювача (інвертора та керованого випрямляча, якщо він є), але й забезпечення можливості прямого введення в мікроконтролер сигналів різних зворотних зв'язків (незалежно від типу сигналу: дискретний, аналоговий чи імпульсний) з подальшою програмно-апаратною обробкою всередині мікроконтролера. Таким чином, система прямого цифрового управління орієнтована на відмову від значної кількості додаткових інтерфейсних плат та створення одноплатних контролерів управління приводами. У межі вбудована система управління проектується як однокристальна і разом із силовим перетворювачем та виконавчим двигуном конструктивно інтегрується в одне ціле – мехатронний модуль руху.

Розглянемо узагальнену структуру електроприводу (рис. 6.25). У ній можна виділити два взаємодіючі канали - силового, що виконує передачу та перетворення енергії з електричної в механічну, та інформаційного.

Залежно від вимог до електроприводу як електромеханічний перетворювач використовуються різні електричні машини: асинхронні та синхронні змінного струму, колекторні та безколекторні постійного струму, крокові, вентильно-реактивні, вентильно-індукторні тощо.

Інформаційний канал призначений для управління потоком енергії, а також збору та обробки відомостей про стан та функціонування системи, діагностування її несправностей. Інформаційний канал може взаємодіяти з усіма елементами силового каналу, а також з оператором, іншими системами електроприводу та системою верхнього рівня керування.

Рис. 6.25. Узагальнена структура електроприводу

Довгий час масове застосування регульованих приводів стримувалося двома факторами:

щодо малими допустимими значеннями струмів, напруг та частоти перемикань силових напівпровідникових приладів;

обмеженням складності алгоритмів управління, що реалізуються в аналоговій формі або на цифрових мікросхемах малого та середнього ступеня інтеграції.

Поява тиристорів на великі струми та напруги вирішило проблему статичного перетворювача електроприводу постійного струму. Однак необхідність примусового закривання тиристорів по силовому ланцюзі суттєво ускладнювала створення автономних інверторів для частотно керованого електроприводу змінного струму. Поява потужних повністю керованих польових транзисторів, що позначаються в зарубіжній літературі MOSFET (Metal - Oxide - Semiconductor Field Effect Transistor), і біполярних транзисторів з ізольованим затвором IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) призвело до бурхливого розвитку. перетворювачами частоти. Іншим чинником, що зумовило можливість масового застосування частотнокерованого електроприводу, було створення однокристальних мікроконтролерів достатньої обчислювальної потужності.

Аналіз продукції провідних світових виробників систем приводу та матеріалів опублікованих наукових досліджень у цій галузі дозволяє відзначити такі яскраво виражені тенденції розвитку електроприводу:

Неухильно знижується частка систем приводу з двигунами постійного струму та збільшується частка систем приводуз двигунами змінного струму. Це пов'язано з низькою надійністю механічного колектора та вищою вартістю колекторних двигунів постійного струму порівняно з двигунами змінного струму. За прогнозами фахівців на початку наступного століття, частка приводів постійного струму скоротиться до 10 % від загальної кількості приводів.

Переважне застосування в даний час мають приводу з короткозамкненими асинхронними двигунами. Більшість таких приводів (близько 80%) – нерегульовані. У зв'язку з різким здешевленням статичних перетворювачів частоти частотно-регульованих асинхронних електроприводівшвидко збільшується.

Природною альтернативою колекторним приводам постійного струму є вентильними, тобто електронно-комутованими двигунами. Як виконавчі безколекторних машин постійного струму(БМПТ) переважного застосування отримали синхронні двигуни із збудженням від постійних магнітів або з електромагнітним збудженням (для великих потужностей). Цей тип приводу найбільш перспективний для верстатобудування та робототехніки, однак, є найдорожчим. Деякого зниження вартості можна досягти при використанні синхронного реактивного двигуна як виконавчого.

Приводом наступного століття, за прогнозами більшості фахівців, стане привід на основі вентильно-індукторного двигуна(ВИД). Двигуни цього типу прості у виготовленні, технологічні та дешеві. Вони мають пасивний феромагнітний ротор без будь-яких обмоток або магнітів. Разом з тим, високі споживчі властивості приводу можуть бути забезпечені лише при застосуванні потужної мікропроцесорної системи керування у поєднанні із сучасною силовою електронікою. Зусилля багатьох розробників у світі сконцентровані у цій галузі. Для типових застосувань перспективні індукторні двигуни із самозбудженням, а для тягових приводів – індукторні двигуни із незалежним збудженням із боку статора. В останньому випадку з'являється можливість двозонного регулювання швидкості за аналогією із звичайними приводами постійного струму.

6.2.1. Асинхронні електроприводи
зі скалярним керуванням

Скалярні методи управління забезпечували досягнення необхідних статичних показників і використовувалися в електроприводах зі «спокійним» навантаженням. На вході цих систем, як правило, включалися задатчики інтенсивності, які обмежували швидкість наростання (зменшення) вхідного сигналу до такої величини, при якій процеси в системі можна вважати такими, що встановилися, тобто в рівнянні можна було б знехтувати складниками , так як .

На рис. 6.26 наведено механічні характеристики асинхронного короткозамкнутого двигуна для всіх чотирьох законів керування для лінійної моделі, що не враховує насичення магнітопроводу. Слід повторити, що перелічені закони управління широко використовувалися і добре зарекомендували себе в електроприводах, де не потрібно швидкодії з управління і немає різких змін моменту навантаження.

Рис. 6.26. Механічні характеристики АКЗ
за різних законів управління

Найпростішим із перерахованих законів є перший: .Цей закон при використанні інвертора з синусоїдальної ШІМ реалізований практично у всіх напівпровідникових перетворювачах, що випускаються численними фірмами та пропонуються на ринку. Зручність цього закону полягає в тому, що електропривод може працювати без негативного зворотного зв'язку по швидкості і мати природну жорсткість механічних характеристик в обмеженому діапазоні регулювання швидкості.

У електроприводах зі скалярним керуванням для регулювання або стабілізації швидкості використовуються інші співвідношення між частотою і напругою. Вибір цього співвідношення залежить від моменту навантаження та визначається за умов збереження перевантажувальної здатності:

де М max - максимальний момент АКЗ, Μ Н –момент навантаження на вал машини.

Закон зміни напруги та частоти, що задовольняє вимогу (6.15) при допущенні r s= 0, встановлено
М.П. Костенко. Цей закон має вигляд

де U НОМ,f НОМ,Μ НОМ -номінальні значення, що наводяться в паспортних даних машини.

Якщо закон зміни моменту заздалегідь відомий, можна визначити необхідне співвідношення напруги і частоти на виході інвертора. Розглянемо три класичні види навантажень на валу машини:

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

У наявних над ринком перетворювачах часто передбачається можливість перебудови із забезпечення всіх трьох законів. Схема електроприводу, що реалізує розглянуті закони, показано на рис. 6.27. Функціональний перетворювач (ФП) реалізує одну із залежностей (6.16), що визначається характером навантаження. Напівпровідниковий перетворювач (ПП) включає автономний інвертор і його систему управління, задатчик інтенсивності (ЗІ), як вже було зазначено, формує повільно наростаючий вхідний сигнал. В цьому випадку в електроприводі наростання швидкості не супроводжуватиметься інтенсивними коливаннями моменту та струму, що спостерігаються при прямому пуску.

Рис. 6.27. Функціональна схема розімкнутого асинхронного

При найскладніших навантаженнях застосовуються інші закони скалярного регулювання, які реалізуються з допомогою зворотних зв'язків. Ці закони розглянуті вище на підставі аналізу роботи асинхронної машини в режимі, що встановився.

Розглянемо ще один скалярний закон управління, який використовується при побудові електроприводів з автономними інверторами струму – це ψ R= const.

Реалізація цієї залежності в електроприводі показано на функціональній схемі (рис. 6.28). Такі системи отримали назву частотнострумових.

Блок ПП у системі може бути реалізований двояким способом. У першому випадку (рис. 6.28) він містить керований випрямляч, послідовний індуктивний фільтр та автономний інвертор. Слід наголосити, що індуктивний фільтр надає інвертору характеристику джерела струму. Таке джерело струму називається параметричним.

Рис. 6.28. Функціональна схема асинхронного
електроприводу зі скалярним керуванням

6.2.2. Асинхронні електроприводи
з векторним керуванням

На рис. 629 показана структура приводу змінного струму з векторним керуванням. Як виконавчий двигун може застосовуватися або синхронний двигун з активним магнітоелектричним ротором, або синхронний реактивний двигун. Можливе використання цієї структури та для керування трифазними вентильно-індукторними двигунами з різнополярним живленням, а також кроковими двигунами в режимі безколекторних двигунів постійного струму.

Як силовий перетворювач використовується інвертор на IGBT-ключах або інтелектуальних силових модулях. Драйвери ключів інвертора підключені безпосередньо до виходів ШИМ-генераторамікроконтролера, що працює в режимі широтно-імпульсної модуляції базових векторів(векторної ШІМ-модуляції), що забезпечує максимально високий рівень використання напруги ланки постійного струму та мінімізацію динамічних втрат в інверторі (нижче докладніше).

Рис. 6.29. Структурна схема приводу
змінного струму з векторним керуванням

Структура на мал. 6.29 передбачає використання імпульсного датчика положення ротора двигуна. Сигнали з датчика вводяться безпосередньо в контролер і обробляються в блоці оцінки положення, який може бути реалізований на основі спеціального периферійного пристрою таймера із «квадратурним» режимом роботи. Код механічного становища ротора програмно перетворюється на код електричного становища ротора всередині полюсного поділу машини q. Для реалізації блоку оцінки швидкості можуть застосовуватися спеціальні периферійні пристрої мікроконтролера, принцип дії яких заснований на вимірюванні тимчасового інтервалу відпрацювання двигуном заданого відрізка шляху (Естиматори швидкості), або периферійні пристрої загального призначення, такі як процесори подійабо менеджери подій. В останньому випадку таймер, який працює в «квадратурному» режимі, є базовим для одного з каналів порівняння. Як тільки двигун відпрацює заданий відрізок шляху, виникне переривання порівняно. У процедурі обслуговування цього переривання центральний процесор визначить інтервал часу з моменту попереднього переривання і виконає розрахунок поточної швидкості приводу w. Бажано, щоб таймер, що працює в «квадратурному» режимі, допускав початкову ініціалізацію відповідно до числа міток на оберт імпульсного датчика положення, а також мав режим автоматичної корекції свого стану по реперному датчику. Естиматор швидкості повинен працювати з регульованою роздільною здатністю як за кількістю імпульсів на періоді вимірювання швидкості (від 1 до 255), так і з регульованою роздільною здатністю за часом (максимальна роздільна здатність 50 - 100 нс при діапазоні регулювання роздільної здатності 1:128). Якщо вищенаведені вимоги до периферійних пристроїв мікроконтролера будуть виконані, то виявиться можливим вимірювання швидкості в діапазоні, як мінімум, 1:20000 з точністю, не гірше 0,1%. Для вимірювання електричних змінних мікроконтроллер повинен мати вбудований АЦПз роздільною здатністю не нижче 10 - 12 двійкових розрядів і часом перетворення не гірше 5 - 10 мкс. Як правило, восьми каналів АЦП достатньо для прийому не тільки сигналів зворотних зв'язків по струмах фаз, але і сигналів зворотних зв'язків за напругою та струмом у ланці постійного струму, а також зовнішніх сигналів, що задають. Додаткові аналогові сигнали використовуються для захисту інвертора і двигуна. Робота АЦП буде більш продуктивною, якщо мікроконтролер допускає режим автоматичного сканування та запуску процесу перетворення. Зазвичай це робиться або за допомогою окремого периферійного пристрою процесора периферійних транзакцій, або за допомогою режиму автозапуску АЦПвід процесора подій чи генератора ШИМ-сигналів. Бажано, щоб вибірка як мінімум двох аналогових сигналів була одночасною.

У блоці векторної ШІМ-модуляції виконується спочатку перетворення компонент вектора напруги до полярної системи координат (g, r), пов'язаної з поздовжньою віссю ротора, а потім, з урахуванням поточного положення ротора q, визначається робочий сектор, внутрішньокутний кут і розраховуються компоненти базових векторів абсолютної системи координат, пов'язаної зі статором. Формуються напруги, що прикладаються до обмоток двигуна U a , U b , U c . Усі перелічені вище перетворення координат (прямі та зворотні перетворення Парку та Кларку) повинні виконуватись у реальному часі. Бажано, щоб мікроконтролер, що використовується для реалізації системи векторного управління, мав вбудовану бібліотеку функцій, адаптованих для ефективного керування двигунами, у тому числі функцій перетворення координат. Час реалізації кожної з цих функцій не повинен перевищувати кількох мікросекунд.

Відмінною особливістю системи векторного управління асинхронними двигунами є необхідність використання додаткового обчислювального блоку, в якому проводиться оцінка кутового поточного положення вектора потокосцепления ротора. Це робиться на основі рішення в реальному часі системи диференціальних рівнянь, складених відповідно до математичної моделі двигуна. Природно, що така операція потребує додаткових обчислювальних ресурсів центрального процесора.

6.2.3. Вентильні та безконтактні
машини постійного струму

Безконтактні машини постійного струму (БМПТ) та вентильні машини (ВМ) – це синхронний двигун у замкнутій системі (рис. 6.30), реалізованої з використанням датчика положення ротора (ДПР), перетворювача координат (ПК) та силового напівпровідникового перетворювача (СПП).

Різниця між БМПТ та ВМ полягає лише у способі формування напруги на виході силового напівпровідникового перетворювача. У першому випадку формується імпульсна напруга (струм) на обмотках машини. У другому випадку на виході СПП формується синусоїдальна або квазісинусоїдальна напруга (струм).

Слід зазначити, що БМПТ відрізняються від крокових машин тим, що включені до замкнутої системи формування напруги. Вони напруга формується залежно від становища ротора, і це їх важливим відмінністю від крокових, у яких становище ротора залежить від кількості управляючих імпульсів.

Рис. 6.30. Функціональна схема БМПТ та ВМ

Окремо серед синхронних машин стоять гістерезисні і реактивні двигуни. Ці машини рідко використовуються у електроприводі.

З усіх розглянутих типів синхронних машин у керованих системах найперспективнішими вважаються вентильні машини.

У ряді застосувань, наприклад, для приводів з вентильно-індукторними та безколекторними двигунами постійного струму, цілком достатньо на інтервалі комутації підтримувати в обмотці двигуна заданий фіксований рівень струму. Структура системи управління у своїй помітно спрощується. Особливість схеми (рис. 6.31) полягає в тому, що ШІМ-генератор забезпечує відразу дві функції: автокомутацію фаз двигуна за сигналами датчика положення та підтримання струму на заданому рівні шляхом регулювання прикладеного до обмотування двигуна напруги.

Перша функція може бути реалізована автоматично, якщо генератор має вбудований блок управління виходами, що дозволяє прийом команд від процесора подій. Друга функція традиційна і реалізується шляхом зміни шпаруватості вихідних ШІМ-сигналів. Для оцінки положення ротора двигуна можна використовувати датчик датчика на елементах Холла, або більш дорогий імпульсний датчик положення. У першому випадку сигнали з датчика положення вводяться в мікроконтролер на входи модулів захоплення процесора подій.

Відпрацювання двигуном кожного цілого кроку ідентифікується процесором подій та викликає автокомутацію ключів інвертора. Переривання, що виникає при кожному захопленні фронту сигналу з датчика, використовується для оцінки часу між двома сусідніми перемиканнями і далі швидкості приводу. У другому випадку можна отримати більш точну інформацію про поточне становище ротора двигуна і його швидкість, що може знадобитися в приводах з інтелігентним управлінням кутом комутації у функції швидкості. Таким чином, повноцінні системи векторного управління приводами змінного струму вимагають для реалізації високопродуктивних мікроконтролерів з широким набором перерахованих вище вбудованих периферійних пристроїв, що допускають спільну роботу і вимагають від центрального процесора мінімальних ресурсів на своє обслуговування.

Рис. 6.31. Блок-схема системи керування
безколекторним двигуном постійного струму

6.3. Силові напівпровідникові
перетворювачі в системі
автоматизованого електроприводу

Силові напівпровідникові перетворювачі в системах автоматики виконують функцію регулювання швидкості та моменту електричного двигуна. Вони включені між споживачем потужності (як правило, електричним двигуном) та основним джерелом живлення (рис. 6.32). За принципом дії силові перетворювачі поділяються на такі базові типи:

керовані випрямлячі (УВ), які перетворюють змінну, зазвичай синусоїдальну напругу джерела живлення постійної частоти (як правило, промислової
fі = 50 Гц або fі = 400 Гц) і з постійним чинним значенням (зазвичай Uі = 220 В або Uі = 360 В), регульована вихідна напруга постійного струму ( Uп = var, fп = 0).

широтно-імпульсні перетворювачі (ШИП), які перетворюють постійну напругу джерела живлення
(Uі = const, fі = 0) у постійне регульоване напруження постійного струму на виході ( Uп = var, fп = 0).

автономні інвертори (АІ), які перетворюють постійну напругу живлення ( Uі = const, fі = 0) змінну напругу на виході з регульованим чинним значенням і регульованою частотою ( Uп = var, fп = var).

безпосередні перетворювачі частоти (НПЛ) перетворюють змінну, зазвичай синусоїдальну, напругу постійної частоти ( fі = 400 Гц або fі = 50 Гц) постійного чинного значення (зазвичай 220 В) в змінну напругу на виході з регульованим чинним значенням та регульованою частотою ( Uп = var, fп = var).

Рис. 6.32. Базові способи використання силових перетворювачів

Слід зазначити, що тут постійна напруга ( f= 0) характеризуються середніми значеннями Uі.ср, Uп.ср, а змінні ( f ¹ 0) - діючими значеннями ( Uі, Uд).

Таким чином, силові перетворювачі УВ, ШИП можуть використовуватися для керування (напругою, струмом, потужністю) споживачами постійного струму. Причому останні можуть бути не тільки електричними двигунами, а й бути споживачами з активним (резистивним) навантаженням (такі силові перетворювачами застосовуються в регульованих джерелах живлення). Якщо джерелом живлення є мережа змінного струму, може бути застосований або УВ, або поєднання випрямляча і ШИП.

Для споживачів змінного струму (яким найчастіше є машина змінного струму) застосовується АІ, а при живленні від джерела змінного струму НПЛ, або поєднання УВ та АІ, або випрямляча та АІ.

6.3.1. Керовані випрямлячі

Джерелом енергії для керованих випрямлячів є мережа змінного струму. Принцип управління полягає в тому, що в позитивний напівперіод напруги живлення електронний ключ (як правило, тиристор) відкривається і подає напругу до споживача лише частина цього напівперіоду. Напруга та струм на виході керованого випрямляча містять постійні та змінні складові. Змінюючи момент (фазу) відкриття електронного ключа змінюють середнє значення напруги на вході споживача потужності. Випрямлячі, що керуються, найчастіше використовуються для управління двигуном постійного струму по ланцюгу якоря.

Існує велика кількість різних схем керованих випрямлячів. За принципом дії і побудови вони можуть бути розділені на дві групи: однополуперіодні (схеми з нульовим проводом), в яких використовують тільки одну напівхвилю напруги мережі, і двополуперіодні (мостові схеми), де використані обидві напівхвилі змінної напруги мережі.

Розглянемо роботу найпростішої двонапівперіодної тиристорної схеми з суто активним навантаженням Rн (рис. 6.33).

До джерела синусоїдальної напруги мережі Uі з амплітудою через тиристорний міст
VS1 – VS4. Діагональні тиристори VS1, VS4і VS2, VS3відкриваються попарно, по черзі в момент часу, що визначається кутом відмикання a.

В інтервал α < w t< 180° до навантаження підводиться напруга Uп = U m sin w t. На рис. 6.35 крива напруги на навантаженні зафарбована темним кольором.

Так як навантаження активне (резистивне), крива струму повторює криву напруги. У момент часу w t = 180° струм зменшується до нуля і відповідна пара діагональних тиристорів закривається. Цей процес повторюється кожний напівперіод. Управління тиристорами здійснюють імпульсами малої тривалості з досить крутим переднім фронтом, що зменшує втрати потужності в тиристорі при включенні, а отже, його нагрівання.

Розглянутий фазовий метод управління може бути реалізований за допомогою фазозсувних способів, одним з яких є вертикальний спосіб управління, заснований на порівнянні опорної напруги (зазвичай пилкоподібної форми) та постійної напруги сигналу управління. Рівність миттєвих значень цих напруг визначає фазу a, при якій схема виробляє імпульс, потім посилюється і подається на електрод керуючий тиристора. Зміна фази aкеруючого імпульсу досягається зміною рівня напруги сигналу управління Uупр. Функціональна схема управління наведено на рис. 6.34. Опорна напруга, що виробляється генератором пилкоподібної напруги ГПН і синхронізована з напругою мережі за допомогою синхронізуючого пристрою СУ, подається на схему порівняння СС, на яку одночасно надходить і вхідна напруга (сигнал управління). Сигнал зі схеми порівняння надходить на формувач імпульсів (ФІ), потім на розподільник імпульсів (РІ), на підсилювачі потужності (У), звідки у вигляді потужного, що володіє крутим фронтом і регульованого по фазі імпульсу подається на електрод, що управляє.