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

Подождите немного. Документ загружается.

е) выбор направления движения, плавный пуск, движение с

ановившейся скоростью, торможение и точную остановку на

дуемом этаже, после чего автоматически открываются и за-

ываются двери кабины и лифтовой шахты.

Электродвигатель с устройствами регулирования скорости

ижения и положения кабины, редуктор, канатоведущий шкив,

Канатная передача, кабина и противовес составляют главную

электромеханическую систему лифтовой установки. Второй

Электромеханической системой является устройство открытия и

закрытия дверей, состоящее из электродвигателя, кинематиче-

ских и механических звеньев и системы управления дверями.

Эти электромеханические системы в сочетании с общей сис-

темой автоматического управления лифтом, а при наличии не-

скольких лифтов также с системой оптимизации групповой рабо-

ты образуют автоматизированный электромеханический ком-

плекс лифта.

В качестве третьего примера рассмотрим электромеханиче-

систему бытового аппарата - автоматическую стиральную

ашину активаторного типа. Машина представляет собой элек-

тромеханическое устройство, содержащее многоскоростной элек-

тродвигатель вращения барабана, электронасос, электрические

клапаны и аппаратуру программного управления. В соответствии

с устанавливаемой программой стирки машина автоматически

производит стирку и отжим белья, налив и слив воды. Работа

различных электрических и механических элементов функцио-

нально объединена устройством программного управления. Рабо-

ту отдельных элементов нельзя рассматривать порознь, так как

совместно они образуют автоматическую электромеханическую

систему, выполняющую единую технологическую операцию.

Приведенные примеры, а их число может быть многократно

увеличено, показывают, что основным техническим содержанием

современных автоматизированных рабочих машин являются

электромеханические комплексы и системы. Это наиболее слож-

ные и дорогие части рабочих машин. Их конструирование, изго-

товление и эксплуатация требуют высокой квалификации и раз-

нообразных технических знаний.

Многие понятия и связанная с ними терминология меняются

но мере развития техники. Ранее изготовлялась рабочая машина,

которая комплектовалась электродвигателем, пускателем, аппа-

ратами управления и защиты. По мере возрастания степени авто-

матизации рабочих машин, расширения их функциональных воз-

можностей появилась необходимость в более сложных электри-

ческих системах, которые специально проектировались для от-

дельных видов промышленных установок. Появилось понятие

«автоматизированный электропривод». Сформировалось научное

направление по электроприводу, которое изучает общие пробле-

мы электромеханического преобразования энергии, управление

движением рабочих органов машин с электрическим приводом,

оптимизацию электрических и электромеханических процессов

по критериям производительности, точности, технологическим

параметрам и экономичности.

Дальнейшее развитие техники связано с исключением меха-

нических передач, объединением электромеханических устройств

с рабочими органами машины. Появились интегрированные кон-

струкции: электрошпиндель, электронасос, мотор-колесо и дру-

гие. Введение электромеханических устройств, а затем и локаль-

ных систем управления непосредственно в конструкцию рабочих

машин существенно упростило последние, повысило их функ-

циональные возможности и технические характеристики. Были

существенно повышены требования к электроприводу, как по

номинальным параметрам (высокая скорость вращения для высо-

коскоростных механизмов, большой момент для безредукторных

приводов и другие), так и по управляемости. Стало необходимым

конструировать совместно как механическую, так и электриче-

скую части рабочих машин. Появилось направление «мехатрони-

ка», под которым понимается создание интегрированных конст-

рукций, функционально законченных модулей, сочетающих в

себе механические устройства, электрический двигатель с систе-

мой его регулирования и микропроцессорное управляющее уст-

ройство.

В настоящем пособии рассматриваются электромеханиче-

ские системы, служащие для приведения в действие рабочих ма-

шин и для их управления.

Электромеханическая система - это совокупность электри-

ческих двигателей, механических кинематических звеньев, пере-

дающих движение от электродвигателя рабочему органу маши-

ны, полупроводниковых преобразовательных устройств, кон-

тактных электрических аппаратов управления и защиты, бескон-

тактных устройств управления, микропроцессоров, - служащая

для приведения в действие рабочих органов технологической

машины и управления движением рабочих органов в соответст-

вии с условиями технологического процесса.

Автоматизированная электромеханическая система - это

электромеханическая система, снабженная устройствами автома-

ifHMccKoro управления, обеспечивающими оптимальное (в смысле

эизводительности, качества производимой продукции, мини-

узации материальных и энергетических затрат) управление

ижением рабочих органов в соответствии с условиями техно-

;гического процесса. Структурная схема автоматизированной

сктромеханической системы дана на рис. 1.1. Научно-

техническое содержание автоматизированной электромеханиче-

ской системы составляет автоматизированный электропривод.

Рис. 1.1. Структура автоматизированной электромеханической системы

Электропривод представляет собой электромеханическую

систему, предназначенную для приведения в движение рабочего

органа машины и управления ее технологическим процессом

[1-1]. Приведем еще одно определение автоматизированного

электропривода.

Автоматизированный электропривод - это техническая сис-

тема, состоящая из электродвигателя, силового полупроводнико-

вого преобразователя, механического передаточного устройства,

электрических и микроэлектронных устройств управления; слу-

жащая для преобразования электрической энергии в механиче-

скую, необходимую для осуществления данного технологическо-

го процесса, и выполняющая функции управления этим процес-

сом. Подчеркнем в данном определении ряд положений:

первое - одной из основных функций автоматизированного

электропривода является управление технологическим процессом

посредством регулирования параметров движения рабочего орга-

на машины;

второе - современный электропривод насыщен электронны-

ми устройствами: силовыми полупроводниковыми преобразова-

телями электрической энергии, микроэлектронными средствами

автоматики и микропроцессорами; в то же время для выполнения

некоторых функций управления и защиты используются кон-

тактные электрические аппараты (автоматические выключатели,

магнитные пускателй, реле и др.);

третье - речь идет не об абстрактном преобразовании элек-

трической энергии в механическую, а о том преобразовании, ко-

торое необходимо для выполнения конкретного технологическо-

го процесса с наименьшими затратами материальных и энергети-

ческих ресурсов.

Сопоставление определений автоматизированной электро-

механической системы и автоматизированного электропривода

указывает, что эти понятия взаимно проникающие и близкие. По-

этому в дальнейшем изложении будем часто использовать поня-

тие «автоматизированный электропривод».

Если рабочая машина или технологический комплекс имеет

в своем составе несколько автоматизированных электромехани-

ческих систем и (или) содержит в своем составе электрическую

систему подвода, распределения и преобразования электрической

энергии, то такая совокупность электромеханических и электри-

ческих систем называется электромеханический комплекс. При-

мером электромеханического комплекса может явиться оборудо-

вание горного экскаватора. Структурная схема электромеханиче-

ского комплекса экскаватора представлена на рис.1.2.

Электрическое питание экскаватора, как подвижной маши-

ны, осуществляется при напряжении 6(10)кВ по гибкому кабелю.

Кабель подключается к приключательному пункту. Для подвода

напряжения на борт экскаватора служит кольцевой токоприем-

ник. Для коммутации и защиты высоковольтных цепей служит

высоковольтное распределительное устройство, от которого пи-

тается синхронный двигатель электромашинного преобразова-

тельного агрегата и понижающий трансформатор для питания

цепей управления, вспомогательных электроприводов и других

устройств.

Электропривод основных движений экскаватора: подъема,

напора ковша, поворота и передвижения, - осуществляется двига-

телями постоянного тока, которые получают питание от индиви-

дуальных генераторов постоянного тока. Эти три генератора при-

Для

я во вращение синхронным двигателем, который образует

гнераторами многомашинный преобразовательный агрегат,

управления электроприводами служат устройства (шкафы)

Вправления и пульт-кресло машиниста. Механическая часть элек-

троприводов экскаватора включает в себя редукторы, барабанно-

канатную передачу, зубчатую рейку привода напора и другие

'$Лсменты.

6кВ воздушная линия

Приключательный

пункт

Гибкий кабель

Трансформатор

собственными

нужд I

Экскаватор

Кольцевой

токоприемник Генераторы

В/вРУ

(Синхронный

двигатель

Пульт-кресло Устройства

машиниста управления

Двигатели

6 6 6 6

подъема напора поворота хода

Рис. 1.2. Структура электромеханического комплекса горного

экскаватора

Все разнообразные элементы электромеханического ком-

1екса экскаватора рассматриваются и конструируются исходя из

единых требований, определяемых нагрузками на ковш экскава-

тора и характером его движения. Общая схема управления, объе-

диняющая электромеханические и электрические системы, стро-

ится из условий обеспечения наилучшего ведения технологиче-

ского процесса работы экскаватора. Эти обстоятельства опреде-

ляют возможность и необходимость рассматривать все разнооб-

разное оборудование экскаватора как единый электромеханиче-

ский комплекс.

1.2. Классификация автоматизированных

электроприводов

Электроприводы, используемые в различных технологиче-

ских установках, разнообразны по схемному и конструктивному

исполнению, что связано с большим разнообразием рабочих ма-

шин. Классификация электроприводов по отдельным признакам

дана в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Классификация автоматизированных электроприводов

Классификационный прнзняк

Классификационные градации

По виду движения электродви-

гателя

.Вращательного движения

2.Линейный

3.Многокоординатного движения

По способу соединения двига-

теля с рабочим органом

.Редукторный

2.Безредукторный

3. Конструктивно-интегрирован-

ный

По регулируемости

.Нерегулируемый

2 .Многоскоростной

3.Регулируемый

По степени автоматизации

.С ручным управлением

2.С полуавтоматическим управле-

нием

3.С замкнутой САР скорости с

ручным заданием

4.С замкнутой САР положения,

обеспечивающей точное позицио-

нирование

5.С программным управлением

6.Следящий

По числу электродвигателей

.Однодвигательный

2.Многодвигательный

По числу рабочих органов 1.Индивидуальный

2.Групповой

Классификация по виду движения. Наибольшее, а до недав-

него времени исключительное применение получили электро-

приводы вращательного движения. Однако в последнее время

значительное внимание уделяется линейным двигателям. В тех

механизмах, где рабочий орган совершает поступательное или

вратно-поступательное движение применение линеиных дви-

"лей конструктивно гораздо удобнее, чем использование спе-

альных кинематических пар: винт-гайка, шарико-винтовые пе-

дачи, кривошипно-шатунный механизм и др. Из-за низких

тргетических и массогабаритных показателей линейные элек-

двигатели не находили применения. Создание новых эффек-

ных конструкций линейных двигателей с питанием их от по-

троводниковых преобразователей частоты открывает новые

зможности использования линейных электроприводов для ряда

изводственных машин, в первую очередь, для металлорежу-

х станков.

Многокоординатные электроприводы на основе специаль-

"X шаговых электродвигателей являются отечественной разра-

<ой и находят применение в высокоточных робототехниче-

х установках, сборочных автоматах и для других целей.

Под регулируемостью понимается возможность изменения

II точного поддержания скорости, ускорения или момента

илия) приводного электродвигателя.

Исторически сложилось, что большинство существующих

""ектроприводов выполнено на базе короткозамкнутых асин-

нных электродвигателей, не допускающих в стандартной схе-

их питания регулирования скорости или момента. Модифика-

сй односкоростных асинхронных электродвигателей являются

ух и трехскоростные двигатели. Электроприводы с многоско-

тными двигателями дают возможность получать две или три

ксированные рабочие скорости, но не могут обеспечить плав-

ко регулирования скорости в заданном диапазоне. К подобным

управляемости можно также отнести электроприводы с рео-

втно-контакторным управлением. Такие приводы не дают воз-

Т&жности регулировать момент и ускорение электропривода и

^формировать требуемый характер изменения скорости во време-

ШИ. Поэтому электропривод с многоскоростными электродвига-

телями и с контакторным управлением не может рассматриваться

[klK регулируемый.

Понятие регулируемый электропривод включает в себя сле-

Иуюшее:

- установка по заданию любой скорости в пределах задан-

Ного диапазона;

- стабилизация установленного значения скорости с задан-

ной точностью при возмущающих воздействиях, например, изме-

нении нагрузки на валу двигателя;

- регулирование момента, развиваемого двигателем в дви-

гательном и тормозном режимах, и ускорения (замедления) при-

вода;

- формирование требуемого характера изменения скорости

во времени

a>=f(t)

с заданной точностью

Современной тенденцией является все более широкое ис-

пользование регулируемых электроприводов.

В зависимости от диапазона регулирования скорости, регу-

лируемые электроприводы разделяются на:

- регулируемые приводы с ограниченным диапазоном ре-

гулирования (не более 2:1);

- регулируемые приводы общего назначения с диапазоном

регулирования не выше 100:1;

- широкорегулируемые электроприводы (диапазон регули-

рования скорости порядка 1000:1);

- высокоточные электроприводы (диапазон регулирования

10000:1);

- прецизионные электроприводы (диапазон регулирования

30000:1 и выше).

Как будет показано ниже, величина диапазона регулирова-

ния определяет точность регулирования и быстродействие элек-

тропривода.

Классификация электроприводов по степени автоматизации

включает в себя электроприводы с системами управления, разли-

чающимися по их функциональным возможностям и сложности.

Наиболее простые системы с ручным управлением характерны

для нерегулируемых электроприводов. Такие электропривоыа

имеют систему управления на основе релейно-контакторной ап-

паратуры, выполняющей функции пуска, останова, зашиты и

блокировки.

Электроприводы с полуавтоматическим управлением подра-

зумевают управление электроприводом оператором с помощью

командно-контроллера, кнопок управления и других аппаратов.

Система управления содержит элементы автоматического управ-

ления и регулирования, обеспечивающие автоматическое изме-

нение параметров электропривода (например, переключение сту-

пеней сопротивления пускового реостата в функции тока или

времени) в соответствии с командами оператора. Такие системы

характерны, например, для электропривода грузоподъемных кра-

нов.

Для регулируемого электропривода, как правило, использу-

ются замкнутые САР по току и скорости. В этом случае управле-

•Ис может осуществляться оператором, как это производится,

ример, машинистами экскаваторов, реверсивных прокатных

нов и других машин. Задание на скорость может также опре-

деляться системой технологической автоматики (например, бума-

дслательные машины, дозаторы и другие машины). Следующей

новидностью являются позиционные электроприводы, кото-

обеспечивают точную остановку рабочего органа механизма

• заданном положении. Системы управления такими электропри-

водами содержат замкнутый контур положения, действующий

тоянно или при входе рабочего органа в зону точной останов-

I Если задающее воздействие на параметры движения рабоче-

го органа задается программными средствами, то такие электро-

приводы составляют класс электроприводов с числовым про-

граммным управлением (ЧПУ). Приводы с ЧПУ содержат замк-

нутые контуры регулирования по скорости и положению.

? Если положение рабочего органа должно изменяться в соот-

ветствии с заданием, характер которого заранее неизвестен, то

[функцией электропривода в этом случае является слежение и от-

работка этого задания с необходимой точностью. Такой электро-

привод называется следящим.

г Одним из определяющих вопросов при проектировании

Ьектромеханических комплексов является выбор системы авто-

матизированного электропривода. Прежде всего, нужно решить

вопрос: следует ли применять регулируемый электропривод или

Можно обойтись более простым нерегулируемым.

В последние годы регулируемый электропривод активно вы-

тесняет нерегулируемый. Технико-экономическими основаниями

'Для применения регулируемого электропривода являются:

- технологические требования, связанные с необходимо-

стью регулирования момента, скорости и положения в ходе тех-

нологического процесса (например, металлорежущие станки,

Грузоподъемные краны и др.);

- возможность оптимизации технологического процесса за

ючет регулирования электромеханических параметров (например,

Прокатные станы и др.);

- повышение эффективности использования электроэнер-

гии, ее экономия при использовании регулируемого электропри-

вода (насосы, вентиляторы и другие машины);

№ - автоматизация рабочих машин и технологических ком-

пкексов, которая в большинстве случаев невозможна без исполь-

зования регулируемого электропривода;

- обеспечение стабильности качества производимой про-

дукции (при изменении параметров сырья, условий производства,

износ инструмента, требующих адаптации технологического

процесса для сохранения качества продукции);

- создание гибких технологий, машинных комплексов и

производств (т.е. комплекса машинного оборудования, который

может перестраиваться на выпуск новой продукции без измене-

ния самих рабочих машин).

Приведенный перечень показывает, что регулируемый элек-

тропривод является, особенно в перспективе, определяющим ви-

дом автоматизированного электропривода.

К настоящему времени определился круг систем регулируе-

мого электропривода, которые получили наибольшее распро-

странение и будут использоваться в ближайшие десятилетия:

- короткозамкнутый асинхронный двигатель с питанием от

полупроводникового преобразователя частоты - ПЧ-АД;

- вентильный двигатель (бесщеточный двигатель постоян-

ного тока с полупроводниковым коммутатором) на базе синхрон-

ной машины - ВД;

- двигатель постоянного тока с питанием от тиристорного

или транзисторного преобразователя - ТП-Д;

- асинхронный вентильный каскад на базе асинхронного

двигателя с фазным ротором и тиристорного преобразователя -

АВК.

К числу перспективных электроприводов следует также от-

нести шаговые электроприводы и вентильно-индукторный элек-

тропривод.

Основные системы регулируемого электропривода подробно

рассмотрены в последующих разделах книги.

Глава 2. Механика электропривода

2.1. Основные законы механики электропривода

Назначение электропривода - создавать движение рабочих

машин и управлять этим движением. Параметрами движения яв-

ляются: