Шрейнер Р.Т. Автоматизированный электропривод. Системы управления электроприводов (ГОС-2000)

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Российский государственный профессионально-педагогический

университет

Инженерно-педагогический институт

Кафедра электрооборудования и автоматизации промышленных предприятий

КОНСПЕКТ УСТАНОВОЧНЫХ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

“Автоматизированный электропривод ”

по разделу

“Системы управления электроприводов”

(ГОС-2000).

Для студентов всех форм обучения

по направлению подготовки дипломированного специалиста 6545000 –

Электротехника, электромеханика и электротехнологии

Составитель проф. Шрейнер Р.Т.

Екатеринбург 2006

1. ВВЕДЕНИЕ

Под электроприводом понимается электромеханическое устройство,

которое служит для приведения в движение рабочих органов различных

механизмов и управления их движением. Структура электропривода

иллюстрируется следующей блок-схемой.

Рис.1. Блок-схема электропривода

В состав электропривода входят следующие устройства:

 Командное устройство (КУ) - служит для формирования командного

сигнала Uз, несущего информацию о требуемом значении скорости

движения, либо пространственного положения, либо усилия на

рабочем органе управляемого механизма.

 Автоматическое управляющее устройство (АУУ) - служит для

обработки информации о заданных и фактических координатах

состояния электромеханической системы и формирования

управляющих воздействий Uу на силовую часть электропривода,

направленных на реализацию требуемых законов движения

механизма, а также обеспечивающих защиту его электрического и

механического оборудования от недопустимх перегрузок и аварийных

режимов.

~сеть

КУ СПА ПП РО

ДТ

ДС

ДП

АУУ

ЭД

ЭП

 Силовой преобразовательный агрегат (СПА) - предназначен для

управляемого преобразования параметров электрической энергии,

подводимой к электродвигателю от питающей сети (например,

выпрямления переменного напряжения в сочетании с его

регулированием), что обеспечивает в конечном итоге управляемое

электромеханическое преобразование энергии.

 Электродвигатель (ЭД) - центральный элемент, осуществляющий

основную энергетическую функцию привода, а именно

электромеханическое преобразование энергии и определяющий тип

привода, как электрический (в отличие от гидравлического, ветряного,

парового, биологического и других типов привода).

 Промежуточная передача механической энергии (ПП) – служит для

согласования параметров механического движения электродвигателя и

рабочего органа (РО) механизма (например, преобразования

вращательного движения в поступательное, либо редукции скорости

вверх или вниз, либо других видов преобразования механического

движения).

 Датчики контролируемых физических величин - характеризуют

состояние управляемого механизма и его электропривода. Сюда входят

датчики пространственного положения (ДП), скорости движения

механизма (ДС), тока в силовой электрической цепи электропривода

(ДТ) и другие датчики механических, электрических и тепловых

величин.

Основным содержанием раздела дисциплины “Системы управления

электроприводами” являются вопросы анализа электропривода как средства

управления движением механизмов, синтеза структур систем управления и

алгоритмов их функционирования, а также аппаратной реализации систем

управления, обеспечивающих заданные режимы работы механизмов в

соответствии с требованиями технологических процессов.

История развития механизированного производства характеризуется всё

возрастающей степенью его автоматизации, т.е. передачей всё большей части

функций управления от человека (оператора) автоматической системе. По

степени автоматизации различают электроприводы с ручным управлением,

автоматизированные и автоматические электроприводы.

 При ручном управлении любое изменение режима работы

электропривода определяется соответствующей командой человека

(оператора).

 При автоматизированном управлении выполнение части функций

управления передаётся от оператора автоматическому управляющему

устройству (АУУ).

 При автоматическом управлении все функции управления

осуществляются автоматическим командным и управляющим

устройствами.

В задачах управления движением механизмов в отличие от задач выбора

мощности электродвигателей используется следующая классификация режимов

работы их электроприводов:

 режим программного управления,

 режим стабилизации,

 следящий режим.

В режиме программного управления электропривод отрабатывает

команды, сформированные по известной и заранее разработанной программе

(в качестве примера можно привести режим работы электроприводов

металлорежущих станков с числовым программным управлением).

В режиме стабилизации задачей электропривода является

стабилизация определенной физической величины (пространственного

положения механизма, либо скорости его движения) в условиях действия на

управляемый объект различных возмущений. В таком режиме работают

электроприводы рулевых механизмов в системах автопилота воздушных и

морских судов; в системах стабилизации боевых орудий при движении их

платформ по пересеченной местности либо в условиях морской качки;

электроприводы перемещения электродов дуговых сталеплавильных печей; в

системах согласования скоростей главных приводов многоклетевых

прокатных станов и во многих других применениях.

В следящем режиме электропривод отрабатывает команды,

последовательность которых заранее не известна, и главной задачей является

как можно более быстрое и точное выполнение этих команд в условиях

действия различных возмущений. Типичными примерами могут служить

режимы работы электроприводов исполнительных механизмов подъемно-

транспортных машин, навигационных систем автономных объектов, систем

наводки орудий во время боевых действий, систем обеспечения безопасности

полетов самолетов на сверхмалых высотах и других систем.

Важнейшей функцией систем автоматического управления (САУ)

является обеспечение не только выше перечисленных режимов работы

управляемых механизмов, но и защита оборудования от перегрузок и тех

нештатных ситуаций, которые могут вызвать травмы обслуживающего

персонала и порчу оборудования.

2. Основные этапы развития систем управления электроприводами

В истории развития электроприводов можно выделить следующие этапы

развития их систем управления:

1. Этап контроллерного управления (конец 19века).

2. Этап релейно-контакторного управления (30-е годы 20века).

3. Этап электромашинного управления (40-е годы 20века).

4. Этап магнито-дроссельного управления (50-е годы 20века).

5. Этап полупроводникового управления (60-е годы 20века).

6. Этап цифрового управления (80-е годы и вплоть до настоящего времени).

2.1. Системы контроллерного управления

Блок-схема системы контроллерного управления представлена на рис. 2.

Рис.2. Блок-схема системы контроллерного управления

В состав системы контроллерного управления входят:

ЗП – защитная панель,

К – контроллер,

БР – блок резисторов,

Д – управляемый электрический двигатель.

Основой системы является контроллер, представлющий собой силовое

контактное устройство, электрические контакты которого приводятся в

действие мускульной силой человека. Для этой цели контроллер снабжается

штурвалом, рычагом или рукояткой, причём рукоятка имеет ряд

фиксированных положений, показанных на рис. 2.

Рис.3. Панель контроллера

~сеть

ЗП

БР

Типичная принципиальная электрическая схема такой установки имеет

вид, представленный на рис. 3.

Рис.4. Принципиальная электрическая схема системы контроллерного

управления двигателем постоянного тока независимого возбуждения

Здесь использованы следующие условные обозначения силовых контактов

контроллера:

1В, 2В - контакты направления “вперёд”,

1Н, 2Н - контакты обратного направления,

Л - главный линейный контакт,

1У, 2У – контакты управления блоком резисторов.

Схема обеспечивает реостатный пуск двигателя со ступенчатым

выключением добавочных резисторов, электрическое торможение

противовключением, реверс, а также реостатное регулирование скорости. Ввод

управляющих воздействий в систему электропривода осуществляется оператором

путем перевода рукоятки контроллера в различные фиксированные положения. В

каждом из фиксированных положений рукоятки контроллер обеспечивает

определенные комбинации состояний (разомкнутых либо замкнутых) своих

силовых электрических контактов. При этом реализуются различные варианты

подключения обмотки якоря двигателя к питающей сети (при одной либо другой

полярности подводимого к якорю напряжения; прямого подключения обмотки

якоря к питающей сети, либо через добавочные сопротивления той или иной

величины; разрыва либо замыкания электрической цепи якоря). Диаграмма

замыканий контактов контроллера такова, что линейный контакт Л разомкнут в

нулевом положении (что обеспечивает разрыв цепи якоря) и замкнут во всех

рабочих положениях рукоятки управления. Контакты направления 1В, 2В

замкнуты во всех рабочих положениях рукоятки для направления движения

“вперёд”, а контакты 1Н, 2Н замкнуты во всех рабочих положениях рукоятки для

направления движения “назад”, что обеспечивает реализацию режимов пуска в

нужном направлении, электрического торможения противовключением и реверса

двигателя. Контакты ускорения 1У, 2У последовательно замыкаются при

переводе рукоятки в рабочие положения с возрастающими номерами, обеспечивая

последовательное шунтирование ступеней (секций) добавочного резистора в цепи

якоря. Это обеспечивает ограничение тока якоря в пуско-тормозных режимах, а

также реализацию режимов регулирования скорости двигателя путем введения

различных добавочных резисторов в цепь якоря. В соответствии с

вышеизложенным, в первом рабочем положении рукоятки контроллера для

направления “вперёд” замкнуты контакты 1В, 2В и Л. Во втором – контакты 1В,

2В, Л и 1У. В третьем – контакты 1В, 2В, Л, 1У и 2У, что обеспечивает прямое

подключение двигателя к питающей сети. Таким образом, по мере перевода

рукоятки контроллера в рабочие положения с возрастающими номерами

увеличивается скорость двигателя. Для реализации функций защит и

технологических блокировок схемы контроллерного управления дополняются

специальными защитными панелями (на схеме рис. 2 не показано). Аналогичные

принципы используются и для построения систем контроллерного управления

электродвигателями переменного тока.

Достоинства систем контроллерного управления:

1. Минимальное количество и простота конструкции аппаратуры управления

электроприводом.

2. Возможность реализации типового набора функций управления режимами

работы электрических двигателей, а именно осуществления пуска,

электрического торможения, регулирования скорости и реверсирования

электропривода.

3. Частичная автоматизация системы управления, освобождающая оператора

от необходимости выбора конкретных контактов для пуска, торможения и т.

д. благодаря оптимальной диаграмме замыкания силовых контактов,

заложенной на уровне механических связей в конструкцию контроллера.

Недостатки:

1. Сравнительно малая допустимая мощность управляемого двигателя.

2. Ограниченное (небольшое) число ступеней регулирования.

3. Трудность компоновки рабочего места оператора, особенно для

механизмов с индивидуальным приводом.

4. Ограниченные возможности дальнейшей автоматизации и защиты

оборудования.

2.2. Системы релейно-контакторного управления

Коренная причина отмеченных выше недостатков систем

контроллерного управления заключается в том, что электрические контакты,

осуществляющие необходимые переключения в силовой схеме

электропривода, приводятся в действие мускульной силой человека. Для

приведения в действие контроллеров с повышенной нагрузочной

способностью их силовых контактов и (или) с повышенным их общим

количеством мускульная сила человека оказывается недостаточной. Отсюда

следует и ограниченная мощность управляемого двигателя, и ограниченное

число ступеней регулирования, а также другие недостатки,

препятствовавшие дальнейшему развитию и расширению областей

применения электропривода.

Эти недостатки были устранены при создании следующего поколения

систем, а именно систем релейно-контакторного управления, в которых

взамен ручного (биологического) привода силовых электрических контактов

стал использоваться электромагнитный привод. Для этой цели были созданы

специальные аппараты автоматического управления - электромагнитные

контакторы и реле. Блок-схема системы релейно-контакторного управления

представлена на рис. 5.

Рис. 5. Блок-схема релейно-контакторного

управления электроприводом

Здесь используются следующие условные обозначения элементов системы:

РКП – релейно-контакторная панель,

БР – блок резисторов,

КК – командо-контроллер,

Д – управляемый электрический двигатель.

В данной системе управления роль силового контроллера выполняет

релейно-контакторная панель, на которой установлены контакторы и реле.

Ввод команд в систему управления электроприводом осуществляется по-

прежнему оператором, однако свою мускульную силу он прикладывает не к

силовому, а к миниатюрному управляющему контроллеру, так называемому

командо-контроллеру.

~сеть

1В 2В

2Н

1Н

РКП

БР

КК

В сравнении с системами контроллерного управления

принципиальные электрические схемы силовой части систем релейно-

контакторного управления, а также реализуемые ими режимы управления

электродвигателями не претерпели принципиальных изменений.

Принципиально изменилась лишь аппаратная реализация силовых

электрических контактов на базе использования для этого контакторов.

Контактор – это силовое контактное устройство, снабженное

электромагнитным приводом. Управление состоянием силовых контактов

контактора осуществляется путем замыкания либо размыкания цепи питания

катушки его электромагнитного привода (катушки контактора).

Принцип релейно-контакторного управления удобно пояснить с

помощью следующей схемы, изображенной на рис. 6.

Рис.6. Принципиальная схема релейно-контакторного управления

Условные обозначения элементов этой схемы перечислены ниже.

Д – управляемый двигатель.

К – линейный контактор, элементы которого (силовые контакты и катушка

электромагнита) выделены штриховым контуром.

У – контактор ускорения.

КК – командо-контроллер.

БК – блок-контакты аппарата защиты, либо технологической блокировки.

Здесь показана упрощенная принципиальная схема подключения двигателя

Д к питающей сети через добавочный резистор и силовые контакты линейного

контактора Л. Катушка электромагнитного привода данного контактора (катушка

контактора Л) подключена в цепи управления к питающей сети через контакты

командо-контроллера К и блок-контакты аппарата защиты, либо технологической

блокировки БК. При повороте оператором рукоятки командо-контроллера

замыкаются его контакты К и подается питание на катушку контактора Л. Под

действием усилия электромагнита происходит замыкание силовых контактов

линейного контактора и в результате - подключение двигателя к питающей сети.

Принципиально важным в этой двухступенчатой схеме прохождения

управляющего воздействия оператора является то, что номинальный ток катушки

контактора намного меньше того тока, который способны коммутировать в

главной цепи силовые контакты данного контактора. Это позволяет использовать

в цепи управления катушками контакторов слаботочную, малогабаритную и

удобную в обращении аппаратуру. Кроме того, электрическая связь между

контактами командо-контроллера и катушками силовых контакторов позволяет

легко вводить коррективы в прохождение команд оператора путем включения

дополнительных слаботочных контактов различных аппаратов в цепи управления

катушками контакторов. Таким путем реализуются эффективные системы защит,

технологических блокировок, а также значительно повышается уровень передачи

функций управления (например, управления темпом разгона электропривода) от

оператора автоматическим устройствам.

Достоинства систем релейно-контакторного управления:

1. Возможность существенного увеличения мощности электропривода и

числа ступеней регулирования.

2. Удобство компоновки оборудования и облегчение труда оператора.

3. Возможность существенного повышения уровня автоматизации

процессов управления, эффективности защит и технологических

блокировок.

Недостатки:

1. Большие потери энергии, так как в этих системах по-прежнему

используется принцип неэкономичного реостатного регулирования.

2. Возможность лишь ступенчатого, но не плавного регулирования

скорости.

3. Трудность реализации напряжённых динамических режимов (например,

работы механизмов с частыми пусками, торможениями и реверсами), что

связано с ускоренным износом контакторов и реле.

2.3. Системы электромашинного управления

Основные недостатки систем релейно-контакторного управления

были устранены на следующем этапе - создания систем электромашинного

управления электроприводами. Для управления режимами работы

электродвигателей на данном этапе стали использовать вспомогательные

электрические машины соизмеримой мощности. Типичная блок-схема

электромашинного управления представлена на рис.7.

Для управления электродвигателем Д здесь используется электромашинный

преобразовательный агрегат (ЭМПА), состоящий из электрического генератора

(Г) и приводного (гонного) электрического либо иного типа двигателя (ПД).

Командное устройство КУ воздействует на генератор Г.