Системы управления и регулирования электроприводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электропривод

Электроприводом называется электромеханическое устройство, осуществляющее преобразование электрической энергии в механическую и обеспечивающее электрическое управление.

Электропривод включает в себя системы преобразования, передачи и распределения энергии и управление этими процессами.

Впервые в качестве электропривода в 1837 г. был использован двигатель постоянного тока для привода судна. В 1889 г. М.О.Доливо-Добровольским был разработан асинхронный двигатель, который был установлен в качестве привода в 1893г.

Первыми трудами по теории электропривода были книга проф. С.А. Ринкевича «Электрическое распределение механической энергии» (1925 г.) и проф. В.К. Попова «Применение электродвигателей в промышленности» (1932-1939 гг.)

Электропривод бывает индивидуальный, групповой и взаимосвязанный. В групповом электроприводе один электродвигатель приводит в движение группу механизмов - сложная кинематическая схема.

Индивидуальный - один двигатель, один рабочий орган (электродрель, электроточило и др.)

Взаимосвязанный - несколько двигателей, несколько механизмов (привод станков, промышленные роботы).

Основная функция электропривода - приводить в движение рабочий механизм и изменять его режим работы в соответствии с требованиями технологического процесса.

По характеру движения электроприводы подразделяются на вращательный (электродвигательным устройством является вращающийся двигатель) и линейный (электродвигательным устройством является линейный двигатель).

По принципу действия электродвигательного устройства: непрерывного действия, когда подвижные части находятся в состоянии непрерывного движения, и дискретного действия, когда подвижные части находятся в состоянии дискретного движения.

По направлению вращения - на реверсивный (когда вал двигателя может вращаться в противоположных направлениях) и нереверсивный (когда вал двигателя может вращаться только в одном направлении).

Выбор типа двигателя зависит от ряда факторов: характера окружающей среды (влажность, температура окружающего воздуха и т. д.); требований по конструктивному исполнению, охлаждению, креплению, требуемых механических и регулировочных характеристик, напряжения электрической сети и рода тока.

В соответствии с особенностями климата для электрооборудования определены следующие климатические исполнения:

У - для эксплуатации в зонах с умеренным климатом;

ХЛ - для холодного климата;

УХЛ - для умеренного и холодного климата;

ТВ - для влажного тропического климата;

ТС - для сухого тропического климата;

Т - адля сухого и влажного тропического климата;

0 - общеклиматическое исполнение.

Климатическое исполнение указывают в типовом обозначении электротехнического оборудования. Вместе с ним указывается категория помещения, в котором допускается его эксплуатация:

1 - исполнение оборудования, которое может эксплуатироваться на открытом воздухе;

2 - исполнение оборудования, которое может эксплуатироваться в закрытом помещении, температура и влажность в которых несущественно отличается от состояния окружающего воздуха;

3 - исполнение оборудования для помещений с естественной вентиляцией без искусственного климата;

4 - исполнение оборудования, которое может эксплуатироваться в отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых помещениях;

5 - исполнение оборудования для эксплуатации в помещениях с повышенной влажностью, где возможно длительное наличие воды или частая конденсация влаги на стенах и потолке.

По способу защиты от действия окружающей среды электродвигатели делятся на открытые, защищенные, в том числе брызгозащищенные и герметичные.

Важное значение для надежной работы электропривода имеет выбор конструкции двигателя. Для большинства производственных механизмов используются двигатели с горизонтальным расположением вала и лапами для его крепления к несущим конструкциям, а также с фланцевым креплением. Более совершенными являются встраиваемые двигатели, которые не имеют станины, подшипниковых щитов, а иногда и вала. Их монтируют в корпусах самих рабочих механизмов. Линейные двигатели применяются в механизмах с поступательным движением рабочего органа.

По конструктивному исполнению электрические машины имеют ряд высот оси вращения от 25 до 800 мм, стандартные длины валов: S (короткие), М (средние) и L (длинные), а также группы монтажных исполнений:

1 - машина на лапах с подшипниковыми щитами;

2 - машина на лапах с подшипниковыми щитами с фланцем на подшипниковом щите;

3 - машина без лап с подшипниковыми щитами с фланцем на подшипниковом щите;

4 - машина без лап с подшипниковыми щитами с фланцем на станине;

5 - машина без подшипниковых щитов (для установки в подшипники механизма);

6 - машина с подшипниковыми щитами и стояковыми подшипниками;

7 - машина со стояковыми подшипниками без подшипниковых щитов;

8 - машина с вертикальным валом;

9 - машины специального назначения.

По исполнению концов вала машины подразделяются на:

1 - 0 - без конца вала;

2 - с одним цилиндрическим концом вала;

3 - с двумя цилиндрическими концами вала;

4 - с одним коническим концом вала;

5 - с одним фланцевым концом вала;

6 - с одним фланцевым концом вала;

7 - с двумя фланцевыми концами вала;

8 - с фланцевым концом вала со стороны привода и цилиндрическим на противоположной стороне;

9 - все прочие исполнения концов вала.

Между механическими свойствами электродвигателя и рабочего механизма должно быть определенное соответствие.

Механические характеристики рабочих механизмов могут быть объединены в три группы:

момент на валу остается постоянным - подъем,

степенная зависимость момента от частоты вращения - вентилятор, насос, компрессор,

постоянство мощности на валу (Р - const) - токарный станок.

По виду связи с исполнительным органом рабочей машины электропривода подразделяются на редукторный, безредукторный, маховиковый и электрогидравлический.

Для удобства выбора электродвигателя момент рабочего органа приводят к моменту на валу электродвигателя.

Одним из основных факторов, определяющих выбор двигателя, является мощность и характер нагрузки.

Мощность на валу электродвигателя

Р = Р' + ДР,

Где Р' = Ppo/i - мощность, приведенная к валу двигателя,

i - передаточное число,

ДР - мощность потерь в передаче.

С учетом КПД (з) передачи мощность на валу и момент определяются

P = Ppo / з; M = Mpo / з.

Номинальную угловую скорость Щ. электродвигателя выбирают в зависимости от известного передаточного числа редуктора ip и заданной угловой скорости Щpo рабочего механизма Щ = Щpoip.

Наилучшее значение соотношения номинальной угловой скорости двигателя и передаточного числа редуктора для данного механизма определяется путем сравнения нескольких технико-экономических показателей. Правильное определение этих параметров особенно важно для приводов, работающих в режимах частых пусков и торможений, так как это влияет на производительность механизма и потери энергии. Различают два режима работы электропривода: установившийся (статический) и переходный (динамический).

Наиболее надежным в системе электропривода является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Асинхронный двигатель с фазным ротором более громоздкий, дорогой, сложнее в управлении. Используется в режимах с частыми пусками и остановками, например в подъемно-транспортных механизмах.

Синхронные двигатели используются с механизмами, требующими постоянного момента - компрессоры, насосы, вентиляторы.

Двигатели постоянного тока - частые пуски и остановы, глубокое регулирование скорости вращения.

В качестве примера приведена схема модификации выпускаемых асинхронных двигателей основного исполнения:



При выборе мощности двигателя исходят из того, что нагрузка на его валу изменяется во времени.

Для определении нагрузки в этих случаях строятся нагрузочные диаграммы - зависимости развиваемых двигателем момента и мощности от времени M(t) и P(t).

В случае завышения номинальной мощности двигателя снижаются КПД и коэффициент мощности, что приводит к росту тока в обмотках, к перегреву двигателя и снижению срока его службы.

Продолжительный режим работы двигателя характеризуется такой длительностью, при которой его температура достигает своего установившегося значения. В таком режиме работают, например, приводы вентиляторов, насосов, преобразовательных установок.

В повторно-кратковременном режиме двигатель за время работы не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы между включениями не успевает остыть до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен, например, для электроприводов подъемных кранов, лебедок, лифтов, циклических конвейеров и т.п. Время цикла при повторно-кратковременном режиме не должно превышать 10 мин. На это время рассчитывается тепловой режим двигателя при его конструировании.

При кратковременном режиме работы двигатель не успевает в рабочий период нагреться до установившейся температуры, а пауза столь длительна, что температура снижается до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен, например, для приводов шлюзов, вспомогательных механизмов электротермических установок, зажимов колонн металлорежущих станков и др.

В продолжительном режиме двигатель работает либо с неизменной нагрузкой, либо с изменяющейся во времени нагрузкой. При постоянной нагрузке на валу, номинальная мощность Рн двигателя должна быть выбрана равной мощности Рc нагрузки. В этом случае по каталогу выбирается двигатель, удовлетворяющий условию Рн > Рc

Если при продолжительном режиме работы нагрузка на валу двигателя изменяется, то для выбора мощности но нагреву используют методы средних потерь за цикл или эквивалентных величин: тока, момента и мощности.

Метод средних потерь заключается в нахождении ДРср при заданном графике нагрузки и сравнении их с номинальными потерями ДРн, на которые рассчитан двигатель при длительной работе.

Метод является поверочным, поскольку до выбора мощности двигателя его номинальные потери неизвестны и поэтому принимают ориентировочно мощность двигателя обычно на 10-30% больше мощности за цикл.

На практике для определения мощности двигателя пользуются нагрузочными диаграммами, представляющими собой зависимости момента или мощности от времени. Значение эквивалентной (среднеквадратичной) мощности двигателя определяют по формуле:

,

Где п - число участков с различными значениями мощности Рi за цикл работы двигателя.

Условием правильного выбора мощности двигателя в этом случае будет Рэ ? Рн

Метод эквивалентной мощности применяют для двигателей постоянного тока независимого возбуждения и асинхронных двигателей, работающих при неизменной угловой скорости с редкими пусками и остановами.

Повторно-кратковременный режим (ПВ) работы двигателя характеризуется продолжительностью включения. ПВ = (Уtр / Tц)100.

Для работы в повторно-кратковременном режиме выпускают специальные двигатели, рассчитанные на стандартные значения продолжительности включения: 15, 25, 40, 60%, на которые и следует ориентироваться при выборе двигателя по мощности для такого режима.

Если нагрузка за цикл не меняется, но ПВ ? ПВст, это означает, что двигатель выбран по мощности правильно: средняя мощность потерь за цикл при ПВ не превышает среднюю мощность потерь за тот же цикл при Рн.

Условие выбора двигателя при этом принимает вид .

Проверка предварительно выбранного двигателя по мощности проводится по формуле .

Если при работе электропривода наблюдаются резкие колебания нагрузки, то следует проверить перегрузочную способность электродвигателя. Она определяется отношением максимального значения электромагнитного момента (критического) Мmax к номинальному Мн моменту: Мmax / Мн,

Для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором она составляет - 1,7-2,5; для двигателя с фазовым ротором, синхронного и двигателя постоянного тока 2,0-2,5.

В настоящее время широкое распространение получил регулируемый электропривод выпускаемый комплектно, т.е. электродвигатель совместно с преобразователем. электродвигатель энергия статический преобразователь

Преобразовательные устройства на базе полупроводниковой техники служат для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное и наоборот, а также переменного напряжения (тока) одной частоты в переменное напряжение (ток) другой частоты. В преобразовательных устройствах используются средства, осуществляющие фильтрацию и стабилизацию тока и напряжения. Основными характеристиками являются коэффициент полезного действия, коэффициент мощности и другие энергетические характеристики.

По принципу действия статические преобразователи разделяются на:

преобразователи с непосредственным преобразованием частоты;

преобразователи частоты со звеном постоянного тока.

Наибольшее распространение в электроприводах нашли статические преобразователи со звеном постоянного тока, которые выгодно отличаются тем, что обеспечивают больший диапазон регулирования и могут регулировать частоту как вверх, так и вниз. На сегодняшний день существует и широко применяется достаточно большое количество схемотехнических решений статических преобразователей частоты со звеном постоянного тока, которые отличаются и схемами, и элементной базой.

Статический преобразователь со звеном постоянного тока состоит из двух основных устройств:

управляемого выпрямителя - УВ;

автономного инвертора напряжения - АИН.

Кроме того статический преобразователь содержит систему управления, состоящую из:

блока управления выпрямителя - БУВ;

блока управления инвертором - БУИ;

блока задания скорости - БЗС.

Работа статического преобразователя осуществляется следующим образом. На вход управляемого выпрямителя поступает трехфазное переменное напряжение промышленной частоты. На выходе выпрямителя формируется постоянное напряжение, величина которого может плавно регулироваться с помощью БУВ. Это напряжение поступает на вход автономного инвертора напряжения. Последний, за счет определенного алгоритма переключения полупроводниковых ключей, входящих в его состав, формирует на выходе трехфазное переменное напряжение, частота которого может плавно регулироваться с помощью БУИ. Блок задания скорости БЗС, воздействуя на блоки управления выпрямителя и инвертора, обеспечивает требуемое соотношение между действующим значением напряжения и его частотой.

В основу анализа электромагнитных процессов в преобразователях положены методы расчета линейных и нелинейных электрических цепей.

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Системы управления электроприводами подразделяются на два вида:

разомкнутые системы, обеспечивающие автоматизацию процессов пуска, торможения, изменения скорости, защиту и т. д.;

замкнутые системы, в которых используются обратные связи: по скорости, току, ЭДС и т. д.

Основным недостатком разомкнутых систем регулирования является невозможность обеспечения высокой точности регулирования выходных координат.

Для осуществления автоматического регулирования в замкнутых электроприводах необходимо измерить сигнал обратной связи, затем этот результат в виде напряжения сравнить (произвести алгебраическое суммирование) с заданным и направить результат сравнения к регулируемому объекту. Обычно энергии измерительного органа оказывается недостаточно для воздействия на регулирующий орган, поэтому возникает необходимость в применении усилительного устройства.

Обратные связи совместно с задающим - управляющим сигналом позволяют формировать статические и динамические характеристики электроприводов в соответствии с заданными технологическими требованиями. Обратные связи могут быть положительными и отрицательными, жесткими и гибкими, линейными и нелинейными. Обратные связи могут формировать сигналы (напряжения), пропорциональные значению или пропорциональные производной от значения напряжения, тока, частоты вращения, угла поворота и т. д. В этих случаях они называются жесткими или гибкими, положительными или отрицательными обратными связями соответственно по напряжению, току, частоте вращения, углу поворота и т.д.

Для осуществления управлением процессами пуска, реверса и торможения используются релейные схемы. Они выполняются как с контактными (реле, контакторы) так и с бесконтактными (логические элементы) электрическими аппаратами. Как правило выпускаются в виде станций управления.

Требования к регулированию скорости зависят от особенностей технологических процессов и устройства рабочих машин. Поэтому электроприводы подразделяются по характеру изменения параметров: регулируемый (когда параметры изменяются под воздействием управляющего воздействия); нерегулируемый (когда параметры изменяются только под воздействием возмущающих воздействий).

Способы регулирования частоты вращения могут быть разделены на две основные группы:

параметрические способы;

способы, связанные с применением регулируемых источников электрической энергии.

При параметрических способах регулирование частоты вращения осуществляется за счет изменения тех или иных параметров электродвигателей или их электрических цепей. Так, например, у двигателя постоянного тока параметрические способы регулирования сводятся к регулированию изменений сопротивления в цепи якоря и изменений магнитного потока. У асинхронных двигателей переменного тока параметрические способы осуществляются: изменением активного сопротивления в цепи ротора, индуктивного сопротивления в цепи статора, фазового напряжения, переключением числа пар полюсов.

Существенным условием, определяющим выбор системы управления автоматизированного электропривода, является требование к регулированию скорости по показателям качества регулирования (диапазон, плавность, точность поддержания заданной скорости), а также к динамическим показателям качества процесса регулирования (быстродействие, перерегулирование и др.).

Для машин и механизмов, не требующих регулирования скорости, применяются электроприводы переменного тока с асинхронными и синхронными двигателями. Для механизмов, допускающих ступенчатое регулирование в 2-4 ступени и при небольшой мощности (до 50 кВт), возможно использование многоскоростных двигателей с переключением числа пар полюсов.

К группе способов, основанных на применении регулируемых источников, относятся способы, требующие использования специальных генераторов или статических преобразователей. Так, в электроприводах постоянного тока используются способы регулирования изменением напряжения в цепи якоря с помощью систем «генератор-двигатель», «тиристорный преобразователь-двигатель». В электроприводах переменного тока с асинхронными двигателями используются способы регулирования на базе статических преобразователей частоты и каскадных установок, вводящих добавочную ЭДС в цепь ротора.

При требовании плавного регулирования скорости применяются системы непрерывного управления на постоянном или переменном токе. В зависимости от диапазона и требуемой точности регулирования эти системы могут быть разомкнутыми и замкнутыми.

Использование в современных электроприводах полупроводниковых преобразователей требует обеспечения электромеханической совместимости привода с механической частью машины. Пульсации тока, вызванные дискретностью работы преобразователей, могут вызвать пульсации момента, что неблагоприятно сказывается на механизмах, имеющих зубчатые передачи.

В быстродействующих тиристорных электроприводах используется программное управление скоростью машин и динамических моментов в переходных периодах.

В настоящее время в приводах используются преобразователи частоты переменного тока второго поколения на биполярных транзисторах с изолированным затвором. Они обеспечивают высокую частоту коммутации, и, следовательно, минимальные потери в двигателе. Эта особенность дает возможность иметь 100% нагрузочную способность двигателя в диапазоне частот от 40 до 50 Гц. Пусковой момент, достигающий 180% от номинального момента двигателя, гарантирует его надежный пуск даже при полной нагрузке. Трехуровневое регулирование тока обеспечивает высокую нечувствительность двигателя к изменения нагрузки, что исключает возможность «опрокидывания». Высокая частота коммутации сводит к минимуму шум двигателя. Преобразователи частоты обеспечиваются предварительно программируемыми прикладными макропрограммами.

Таким образом, автоматизированный привод делится на:

программно-управляемый;

следящий, который отрабатывает перемещение исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно меняющимся сигналом;

позиционный, предназначенный для регулирования положения исполнительного органа рабочей машины;

адаптивный, автоматически избирающий структуру или параметры системы регулирования при изменении условий работы.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ

Составление технических требований является одной из составных задач заказчика электрооборудования. На основании анализа изложенных выше факторов составляются технические требования и техническое задание для проектирования, состоящие из следующих разделов:

Назначение и область применения комплектного электропривода.

Технические характеристики электропривода. Они состоят из требований к мощности на валу электродвигателя, диапазону регулирования скорости вращения; требований по статической точности и динамическим характеристикам, времени переходного процесса при пуске и торможении. Оговариваются требования по параметрам и мощности питающей сети. При наличии тиристорного преобразователя оговариваются требования к коэффициенту мощности и коэффициенту нелинейных искажений. Приводятся требования, специфические для каждого типа машин и технологического процесса.

Требования по управлению, сигнализации, защите, диагностике. Приводятся требования по автоматизации управления электроприводом, формулируются требования по блокировкам, сигнализации, видам и характеристикам защит, диагностике. Определяется количество и характеристики пультов управления. Указывается вид и характеристики сигналов управления (аналоговые, дискретные, по току или напряжению), блокировок и уставок защит и сигнализации.

Условия эксплуатации. На основании стандартов указываются требования по климатическим условиям (температура, влажность и т. д.), оговариваются требования по воздействию механических факторов (вибрация, удары, крен и т. д.). Оговариваются требования по исполнению защиты от внешних воздействий, а также по условиям транспортировки и хранению оборудования.

Требования по надежности, ресурсу, обслуживанию и ремонту. К требованиям по надежности относятся: вероятность безотказной работы и средняя наработка на отказ для невосстанавливаемого оборудования; коэффициент готовности и среднее время восстановления восстанавливаемого оборудования. Приводятся ресурс и комплектность привода, порядок проведения регламентных и ремонтных работ.

Гарантии изготовителя.

Размещено на Allbest.ru