Онищенко Г.Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок

Подождите немного. Документ загружается.

Автоматизированный

электропривод

промышленных

установок

Учебное пособие

для студентов вузов заочной, очно-заочной

форм обучения и экстерната

Под общей редакцией Г.Б.Онищенко

Москва 2001г.

ББК 31.291

УДК: 621.34.001.2(0758)

Одобрено Советом энергетического факультета МГОУ в качестве

учебного пособия для студентов заочной, очно-заочной форм

обучения и экстерната.

Рецензенты:

Доктор техн. наук, профессор С.В.Хватов

Доктор техн. наук, профессор В.Г.Титов

Подготовлено на кафедре автоматизированного электропривода

Московского государственного открытого университета

Г.Б.Онищенко, М.И.Аксенов, В.П.Грехов,

М.Н.Зарицкий, А.В.Куприков, А.И.Нитиевская

(под общей редакцией Г.Б.Онищенко)

Автоматизированный электропривод промышленных

установок. - М.: РАСХН - 2001. - 520с:.:ил.

ISBN 5-85941-109-х

Учебное пособие предназначено для студентов вузов элек-

тротехнических специальностей заочной, очно-заочной форм

обучения и других форм открытого образования. Пособие явля-

ется комплексным и охватывает содержание дисциплин: «Теория

электропривода (Основы автоматизированного электроприво-

да)»; «Системы управления электроприводами»; «Микропроцес-

сорное управление электроприводами»; «Автоматизированный

электропривод типовых производственных механизмов».

Отпечатано в типографии Россельхозакадемии

115598, Москва, ул. Ягодная, 12

Заказ № 8 Тираж ЮООэкз

ВВЕДЕНИЕ

Большинство производственных рабочих машин и механиз-

мов приводится в движение электрическими двигателями. Двига-

тель вместе с механическими устройствами (редукторы, транс-

миссии, кривошипно-шатунные механизмы и др.), служащими

для передачи движения рабочему органу машины, а также с уст-

ройствами управления и контроля образует электромеханиче-

скую систему, которая является энергетической, кинематической

и кибернетической (в смысле управления) основой функциониро-

вания рабочих машин.

В более сложных технологических машинных комплексах

(прокатные станы, экскаваторы, обрабатывающие центры и дру-

гие), где имеется несколько рабочих органов или технологически

сопряженных рабочих машин, используется несколько электро-

механических систем, которые в сочетании с электрическими

системами распределения электроэнергии и общей системой

управления образуют электромеханический комплекс. Большие

скорости обработки, высокая и стабильная точность выполнения

технологических операций потребовали создания высокодина-

мичных электромеханических систем с автоматическим управле-

нием. Стремление снизить материальные и энергетические затра-

ты на выполнение технологических процессов обусловило необ-

ходимость технологической и энергетической оптимизации про-

цессов; эта задача также легла на электромеханические системы.

На этапе технического развития машинного производства, дос-

тигнутого к концу XX века, электромеханические комплексы и

системы стали определять технологические возможности и тех-

нический уровень рабочих машин, механизмов и технологиче-

ских установок.

Создание современных электромеханических систем базиру-

ется на использовании новейших достижений силовой электро-

техники, механики, автоматики, микроэлектроники и компью-

терной техники. Это быстро развивающиеся области науки, что

определяет высокую динамичность развития электромеханиче-

ских систем.

Создание электромеханических комплексов и систем всецело

связано с проблемами автоматизированного электропривода и

промышленной автоматики. Подготовка специалистов для созда-

ния, использования, эксплуатации электромеханических систем

для всех отраслей производства и жизнеобеспечения ведется в

рамках специальности 180400 «Электропривод и автоматика

промышленных установок и технологических комплексов». В

силу изложенных выше причин специальность 180400 была и ос-

тается актуальной и востребованной промышленностью и други-

ми отраслями. Эту специальность отличает:

- универсальность - возможность использования профес-

сиональных знаний и навыков в различных областях деятельно-

сти;

- актуальность, которая определяется тем, что совершенст-

вование электромеханических систем и автоматизированного

привода является опережающим для развития машиностроения в

целом;

- перспективность, связанная с тем, что электромеханиче-

ские системы являются наукоемкой продукцией, совершенство-

вание которой базируется на новейших достижениях науки и

техники.

Автоматизированный электропривод получил в последние

десятилетия интенсивное ускоренное развитие. Это определяется,

в первую очередь, общим прогрессом машиностроения, направ-

ленным на интенсификацию производственных процессов, их

автоматизацию, повышение точностных характеристик и других

технических требований, связанных с обеспечением стабильно-

сти качества производимой продукции.

Вторым обстоятельством, обусловившим развитие электро-

привода, явилось распространение его применения не только на

промышленное производство, но и на другие сферы, определяю-

щие жизнедеятельность человека: сельское хозяйство, транспорт,

медицину, электробытовые установки и др.

Третья причина связана с наметившимся переходом от экс-

тенсивного развития производства электрической энергии к бо-

лее эффективному ее использованию. Повышение эффективности

электромеханического использования электроэнергии всецело

связано с развитием электропривода. Речь идет не только об

уменьшении потерь энергии при ее электромеханическом преоб-

разовании, но, главным образом, о том, что использование авто-

матизированного регулируемого электропривода позволяет оп-

тимизировать сами технологическое процессы с целью сокраще-

ния их энергоемкости.

С другой стороны, развитие электропривода стало возмож-

ным благодаря принципиально новым достижениям в сфере си-

ловой и информационной электроники. Новые задачи в технике

электропривода выступили побудительным мотивом в развитии

силовой полупроводниковой техники. Создание силовых управ-

ляемых полупроводниковых приборов позволило осуществлять

Преобразования электрической энергии в формах, наиболее удоб-

ных для ее электромеханического преобразования, что открыло

широкие возможности для создания технически совершенных

регулируемых электроприводов. Использование достижений

микропроцессорной и компьютерной техники принципиально

изменило элементную базу и функциональные возможности сис-

тем управления электроприводами.

Ускорение темпов технического прогресса в машинострое-

нии и других областях, сокращение сроков морального устарева-

ния поколений технических средств постоянно ставят новые за-

дачи по дальнейшему развитию элементов и систем автоматизи-

рованного электропривода. Новые технологии, связанные с меха-

ническим движением, стали базироваться исключительно на ис-

пользовании регулируемого автоматизированного электроприво-

да.

Настоящее учебное пособие является базовым для профес-

сиональной подготовки инженеров по специальности 180400. По-

собие предназначено для студентов заочной, очно-заочной форм

обучения и экстерната. Его содержание соответствует утвер-

жденному в 2000г. Государственному образовательному стандар-

ту высшего профессионального образования «Государственные

требования к обязательному минимуму содержания и уровню

•Подготовки выпускника по специальности 180400 «Электропри-

вод и автоматика промышленных установок и технологических

комплексов» в части следующих специальных дисциплин:

1. Теория электропривода.

2. Управление электроприводами.

3. Микропроцессорные средства в электроприводах и тех-

нологических комплексах.

4. Автоматизированный электропривод типовых производ-

ственных механизмов.

Отдельные разделы учебника могут также эффективно ис-

пользоваться студентами других специальностей (180100 «Элек-

тромеханика», 180200 «Электрические аппараты», 120100 «Тех-

нология машиностроения», 120200 «Металлорежущие станки»,

170100 «Горные машины и оборудование», 170200 «Металлурги-

ческие машины и оборудование», 170900 «Подъемно-

транспортные машины») при изучении специальных дисциплин:

«Автоматизированный электропривод», «Электропривод метал-

лургических машин и агрегатов», «Электропривод подъемно-

транспортных машин» и других.

Учебник подготовлен коллективом преподавателей кафедры

«Электропривод и автоматизация промышленных установок»

Московского государственного открытого университета, где в

течение многих десятилетий ведется подготовка инженеров спе-

циальности 180400 по заочной и очно-заочной формам обучения.

Авторы стремились максимально учесть опыт школы элек-

тропривода Московского энергетического института по созданию

учебников для специальности 180400. Пользование данным

учебным пособием не исключает, а напротив, предполагает для

углубленного изучения дисциплин использование учебников по

указанным дисциплинам, предназначенным для очной формы

обучения. Эти учебники указаны в перечне рекомендуемой лите-

ратуры.

В настоящем учебнике раздел 1 написан профессором

Г.Б.Онищенко, раздел II - доцентом В.П.Греховым, раздел III -

доцентами М.Н.Зарицким и А.В.Куприковым, раздел IV - доцен-

том М.И.Аксеновым, подготовка материалов и компьютерная

верстка - старшим преподавателем А.И.Нитиевской.

Настоящий учебник носит комплексный характер, его со-

держание охватывает материал четырех учебных дисциплин:

- теория электропривода (основы автоматизированного элек-

тропривода);

- управление электроприводами;

- микропроцессорное управление электроприводами;

- автоматизированный электропривод типовых производст-

венных механизмов.

Указанные дисциплины, являясь продолжением одна другой,

в совокупности составляют ядро профессиональной подготовки

специалистов по профилю «Электропривод и автоматика про-

мышленных установок и технологических комплексов».

Раздел 1 «Основы автоматизированного электропривода»

содержит основы теории электромеханического преобразования

энергии, рассматривает законы движения электромеханических

систем и излагает принципы построения и электромеханические

свойства различных систем электропривода. Содержание раздела,

в основном, отвечает программе учебной дисциплины «Теория

электропривода».

Раздел «Управление электроприводами» излагает принципы

построения систем управления автоматизированными электро-

приводами, а также способы анализа и синтеза систем автомати-

ческого управления для различных типов электроприводов.

Микропроцессорное управление становится наиболее эффек-

тивным видом управления электромеханическими системами и

технологическими установками. Перспективность этого техниче-

ского направления несомненна. Исходя из этого, в данное ком-

плексное учебное пособие включен раздел «Микропроцессорное

управление электроприводами», в котором излагаются принципы

построения цифровых систем управления на микропроцессорной

базе.

Если первые три раздела носят теоретический и обобщенный

характер, то четвертый раздел «Автоматизированный электро-

привод типовых производственных механизмов» дополняет пер-

вые конкретными практическими знаниями о современных элек-

троприводах и электромеханических системах для наиболее рас-

пространенных производственных машин и установок.

Изучению данного курса должно предшествовать овладение

рядом общенаучных и общетехнических дисциплин, основными

из которых являются: теоретическая электротехника, теоретиче-

ская механика, теория автоматического регулирования, промыш-

ленная электроника. Студент, изучающий данный курс, должен

иметь навыки работы на персональном компьютере.

Изучение курса следует проводить последовательно, раздел

за разделом, при этом основное внимание следует уделять пони-

манию материала. В случае затруднений рекомендуем обращать-

ся к дополнительной литературе, где интересующие студента во-

просы изложены более подробно. Список рекомендованной лите-

ратуры приведен по каждому разделу.

Для овладения материалом студент кроме изучения теорети-

ческой части должен приобрести некоторые практические навы'-и

использования полученных знаний. С этой целью работу над

учебным пособием следует сопровождать использованием ком-

пьютерных программ, содержащих практические задания и кон-

трольные тесты.

Компьютерные технологии и обучающие программы значи-

тельно повышают эффективность изучения и усвоения изучаемо-

го материала. Для студентов специальности 180400 «Электро-

привод и автоматика промышленных установок и технологиче-

ских комплексов» использование персональных компьютеров в

процессе обучения является вполне естественным и необходи-

мым. Для данной специальности характерно сквозное изучение и

использование компьютерной техники. Это связано с тремя об-

стоятельствами:

1. Цифровое микропроцессорное управление составляет од-

ну из важнейших частей электромеханических систем и комплек-

сов.

2. Изучаемые электрические и электромеханические процес-

сы настолько сложны, что понять их умозрительно или наблю-

дать на реальных установках или физических моделях затрудни-

тельно, поэтому для получения представления об этих процессах

широко используется математическое моделирование, реализуе-

мое на компьютерных моделях.

3. Выполнение сложных расчетов, необходимых при конст-

руировании электромеханических систем, целесообразно выпол-

нять с использованием средств вычислительной техники.

Программы расчетов и компьютерные модели могут исполь-

зоваться студентами для:

- лучшего усвоения теоретического материала;

- приобретения навыков расчета и проектирования совре-

менных автоматизированных электроприводов;

- выполнения домашних контрольных заданий и курсовых

проектов;

- при дипломном проектировании.

Тестовая программа может использоваться студентом для

самоконтроля знаний по курсу и для подготовки к сдаче зачетов и

экзаменов.

Раздел 1. ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Глава 1. Структура электромеханических комплексов

и систем

1.1. Основные понятия и определения

Современное промышленное производство характеризуется

Использованием высокопроизводительных технологических ма-

шин и механизмов, оснащенных электрическим приводом и сис-

темами автоматического управления. Практически все промыш-

ленные технологии, основанные на механическом движении,

электрифицированы, т.е. используют электрическую энергию как

энергетическую основу для выполнения технологических опера-

ций и процессов. Следует также отметить распространение элек-

тромеханического использования электроэнергии на сельскохо-

зяйственное производство и другие сферы, определяющие жиз-

недеятельность человека: транспорт, медицину, быт и другие.

По данным экономически развитых стран на электромеха-

ническое преобразование энергии, т.е. на электропривод, расхо-

дуется более 65% вырабатываемой электроэнергии.

Насыщенность технологических машин и агрегатов электро-

оборудованием и средствами автоматизации настолько велика,

что по стоимости, сложности, квалификации обслуживания элек-

трическая часть превалирует над механической. Совершенство

Электропривода машин и агрегатов, степень их автоматизации во

многом определяют технический уровень рабочих машин в це-

лом.

Исходя из этого, большинство современных рабочих машин

следует рассматривать как электромеханические системы. Рас-

смотрим ряд примеров.

1. Металлорежущий станок с числовым программным

управлением.

Станок служит для автоматической обработки деталей по за-

данной программе с высокой точностью. Если на станке по за-

данной программе выполняется несколько операций, то такая

машина называется обрабатывающий центр. Станок включает в

себя блок главного движения, осуществляющий резание металла,

и один или несколько механизмов подач, производящих пози-

ционирование детали и точное движение режущего инструмента

или обрабатываемого изделия по технологически необходимой

программе. В обрабатывающих центрах предусматривается уст-

ройство автоматической смены инструмента. Таким образом, со-

временный металлорежущий станок (обрабатывающий центр)

представляет собой совокупность электромеханических уст-

ройств, основу которых составляют высокоточные автоматизиро-

ванные электроприводы. Работа этих электроприводов объедине-

на единой технологической задачей и управляется вычислитель-

ным устройством - системой числового программного управле-

ния (ЧПУ).

Следует иметь в виду, что скорость резания, скорость и точ-

ность позиционирования становятся настолько высокими, что

ручное управление при выполнении требуемых операций просто

не может обеспечить требуемого качества обработки. Исходя из

этого, металлорежущий станок нужно рассматривать как автома-

тизированную электромеханическую систему.

Современными тенденциями развития станкостроения явля-

ются: переход к блочно-модульному выполнению конструкций,

исключение механических передач, повышение скоростей реза-

ния и перемещения. Реализация этих тенденций возможна лишь

на базе безредукторных электроприводов (высокомоментных,

высокоскоростных и линейных) с питанием приводных электро-

двигателей от полупроводниковых преобразователей частоты. С

повышением скоростей движения ужесточаются требования к

системам автоматического регулирования электроприводов, свя-

занные с повышением статической и динамической точности за-

данных параметров движения.

Отсюда следует, что совершенствование металлообрабаты-

вающего оборудования является сегодня задачей, прежде всего

электроприводческой. То же самое положение, можно отнести к

сборочному оборудованию, робототехническим комплексом и

другим технологическим машинам, используемым в машино-

строении, электронике и других отраслях промышленности.

Вторым примером автоматизированной электромеханиче-

ской системы могут являться пассажирские лифты - хорошо всем

знакомые устройства вертикального транспорта.

Рабочим органом лифта является кабина, снабженная авто-

матически открывающимися и закрывающимися дверями. Каби-

на приводится в движение электродвигателем через механиче-

ский редуктор и канатную передачу. Система управления двига-

телем обеспечивает в соответствии с полученным приказом (на-

жатие кнопки в кабине) или вызовом (нажатие кнопки вызова на