Раздел 5. Автоматическое управление электроприводами

Автоматическое управление электроприводами является одним из основных условий производительности механизмов. Управление электроприводами заключается в осуществлении пуска, регулировании скорости, торможения, реверсирования, а также поддержания режима работы привода в соответствии с требованиями технологического процесса.

В системе управления электроприводом используются: релейноконтактные аппараты, где основными элементами являются различного рода реле, контакторы, путевые выключатели, усилители, преобразовательные устройства и датчики, бесконтактные логические элементы, различные элементы цифровой и аналоговой вычислительной техники, микропроцессоры и микро-ЭВМ и т. п.

Выбор типа устройств для построения систем управления и типа самих систем управления определяется требованиями к электроприводу и тем функциям, которые он должен выполнять.

Различают системы управления разомкнутые и замкнутые. Разомкнутые системы отличаются той особенностью, что изменение возмущающих воздействий (например нагрузки на валу двигателя) приводит к изменению ранее заданного режима работы привода. В замкнутых системах независимо от состояния возмущающих воздействий можно поддерживать заданный режим работы привода. В замкнутых системах автоматического управления при пуске, торможении или регулировании скорости привода может быть обеспечено непрерывное изменение тока, момента, скорости, положения по требуемому закону. В замкнутых системах применяются обратные положительные и отрицательные обратные связи.

Для управления электроприводом используются различные автоматические системы управления (АСУ). Системой управления называется совокупность объекта управления и управляющего устройства, взаимодействующих между собой в соответствии с заданным законом

38

(алгоритмом) управления. Для осуществления функции управления объект должен иметь орган управления (регулирования), в зависимости от состояния (или положения) которого изменяется воздействие на объект.

Управлять объектом – это значит таким образом формировать управляющее воздействие, чтобы регулируемая величина изменялась по требуемому закону.

При взаимодействии системы управления с окружающей средой возникают непланируемые изменения выходных координат, вызываемые внешними факторами, которые называются возмущающими воздействиями.

Кним относятся:

изменение нагрузки на валу электродвигателя;

изменение числа потребителей энергии, подключённых к системе энергоснабжения;

колебания напряжения питающей сети.

Разность между требуемым и действительным значениями выходной координаты называется ошибкой управления. Ошибка управления может быть статической (при установившихся процессах) и динамической (при переходных режимах).

Всистему классификации АСУ положены разные признаки:

1.По принципу управления:

а) по разомкнутому циклу – для систем, где не требуется выполнения желаемых законов изменения регулируемой (выходной) величины (схемы пуска и торможения электродвигателей в разомкнутых системах);

б) по замкнутому циклу, где управляющее воздействие вырабатывается в зависимости от значения разности между

39

заданным (входным) и действительным (выходным) значениями регулируемой величины;

в) по комбинированному – сочетают в себе свойства двух предыдущих принципов;

г) по принципу адаптации (приспособления). Системы, построенные по такому принципу, называются самонастраивающимися или адаптивными. Особенностью этих систем является автоматическая настройка управляющего устройства по совокупности поступающей текущей информации об изменяющихся условиях работы.

2. По назначению:

а) системы стабилизации, в которых задающее воздействие постоянно, а значение выходной координаты в установившемся режиме отличается от своего требуемого значения не более чем на величину допустимой ошибки;

б) системы программного управления, задачей которых является изменение регулируемой величины по заранее составленной программе, определяемой задающим воздействием;

в) следящие системы, в которых задающее воздействие заранее неизвестно, но по нему необходимо формировать управляющее воздействие, которое является неизвестной функцией, изменяющейся во времени.

3. По характеру используемых для управления сигналов:

а) непрерывные (аналоговые), где изменение регулируемой величины происходит одновременно с изменением входного управляющего воздействия;

б) дискретные (цифровые) – импульсные, релейные и релейноимпульсные.

40

4. По характеру математического описания:

а) линейные, динамика которых описывается линейными дифференциальными или алгебраическими уравнениями;

б) нелинейные, динамика которых описывается нелинейными уравнениями.

5. По количеству регулируемых величин:

а) одномерные (одна регулируемая величина);

б) многомерные (две и более регулируемых величины).

Автоматическое управление пуском электродвигателей постоянного и переменного тока может осуществляться тремя способами:

пуск функции тока (контроль тока при пуске производится с помощью токового реле);

пуск функции скорости вращения (управление и контроль над

скоростью осуществляется с помощью реле контроля или посредством косвенного измерения её величины);

пуск функции времени (управление осуществляется с помощью реле времени, необходимые выдержки которых определяются конкретно для каждого случая).

Для анализа переходных процессов в системах электропривода необходимо, чтобы каждое звено имело своё математическое описание. Для этого вводится понятие передаточной функции звена (системы). Передаточной функцией звена (системы) называется отношение изображения выходной величины к изображению входной в операторном виде (по Лапласу) при начальных нулевых условиях. Определение передаточной функции позволяет рассчитать и построить кривую изменения выходной величины в зависимости от времени, т. е. Xвых= f(t).

41

Существуют разные динамические звенья системы, основными из которых являются:

1)безынерционное звено (усилитель);

2)инерционное (апериодическое) звено первого порядка (асинхронный двигатель в упрощённом виде);

3)инерционное (апериодическое) звено второго порядка (ДПТ НВ в установившемся режиме);

4)колебательное звено второго порядка (ДПТ НВ в колебательном режиме);

5)идеальное дифференцирующее звено (механический дифференциал);

6)идеальное интегрирующее звено (редуктор);

7)звено с чистым запаздыванием.

Основными показателями переходного процесса являются: время переходного процесса, время первого согласования, перерегулирование, период колебаний (число колебаний).

В настоящее время широкое применение находят следящий электропривод, электропривод с программным управлением, электропривод с адаптивным управлением.

Следящим называется электропривод, который производит с заданной точностью движение исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно изменяющимся входным сигналом управления. Обычно входной сигнал представляет собой скорость или угол поворота оси (вала) задающего устройства. Основным показателем работы следящего электропривода является точность воспроизведения входного сигнала, которая характеризуется ошибкой его воспроизведения в разных режимах работы.

42

Электропривод с программным управлением обеспечивает движение исполнительного органа рабочей машины по определённой, заранее заданной программе. Наибольшее распространение получило числовое программное управление металлорежущими станками, что позволило увеличить их производительность, уменьшить количество брака, перейти к многостаночному обслуживанию и, тем самым, получить значительный экономический эффект.

Электропривод, в котором способ функционирования его системы управления автоматически и целенаправленным образом изменяется для осуществления наилучшего протекания технологического процесса рабочей машины, называется электроприводом с адаптивным или самоприспосабливающимся управлением. Электропривод с адаптивным управлением обеспечивает наилучший ход технологического процесса по заданному показателю качества при изменяющихся возмущениях и условиях работы. Автоматическое изменение способа функционирования системы управления называется адаптацией (самоприспособлением).

Вопросы для самопроверки

1.По каким признакам можно классифицировать системы управления электроприводами?

2.Для чего применяются обратные связи в электроприводах?

3.Что такое передаточная функция системы?

4.Назовите основные динамические звенья электропривода.

5.Назовите основные показатели качества регулирования выходной величины в переходном процессе.

6.Что такое время переходного процесса в электроприводе?

7.В чём особенность работы следящего электропривода?

8.В чём особенность работы электропривода с программным

управлением?

43

9.Какие датчики используются в электроприводах?

10.Назовите основные узлы структурной схемы системы управления электроприводом.

Раздел 6. Аппаратура управления и защиты электроприводов. Электропривод общепромышленных механизмов

Надёжная и безопасная работа электропривода и технологического оборудования в его схемах обеспечивается необходимой аппаратурой управления и различными видами защит. Этой же цели служат различные блокировки, обеспечивающие заданный порядок операций по управлению одним или несколькими электроприводами и технологическим оборудованием и предотвращающие при этом ошибочные действия оператора. Кроме того, во многих случаях целесообразно осуществлять контроль состояния и режима работы отдельных узлов и технологического оборудования, что обеспечивается с помощью средств сигнализации, измерительных и регистрирующих приборов.

Максимальная токовая защита электропривода включает в себя применение плавких предохранителей, реле максимального тока, автоматических воздушных выключателей (автоматов).

При значительном снижении напряжения сети или его исчезновении применяется нулевая защита, которая обеспечивает отключение двигателей и предотвращает самопроизвольное их включение после восстановления напряжения.

При протекании по цепям двигателя повышенных токов имеет место более высокий нагрев его обмоток. При этом используется тепловая защита, которая может быть осуществлена с помощью тепловых, максимальнотоковых реле и автоматических выключателей.

Существуют и специальные виды защиты электроприводов. К ним относится защита от перенапряжения на обмотке возбуждения двигателя

44

постоянного тока, повышения напряжения в системе преобразовательдвигатель, превышения скорости электропривода, затянувшегося пуска синхронных двигателей и ряд других.

Для контроля хода технологического процесса или последовательности выполняемых операций, состояния защиты и наличия напряжения питания или какого-либо электрического сигнала в схемах управления электроприводом применяется сигнализация. Она может быть световой и осуществляться с помощью сигнальных ламп и табло, звуковой (звонок, сирена) и визуальной (указательные реле, измерительные приборы).

В схемах электропривода применяются электрические блокировки, которые обеспечивают заданную последовательность операций при работе, предотвращают нештатные и аварийные ситуации и исключают неправильные действия со стороны оператора, что в итоге повышает надёжность работы механизмов и технологического оборудования.

Значительное место в производстве занимает применяемый электропривод общепромышленных механизмов: крановых механизмов, лифтов, механизмов непрерывного транспорта, насосов, вентиляторов и компрессоров.

Подъёмные краны широко применяются в различных механизмах. Они характеризуются следующими параметрами: грузоподъёмностью, массой крана или тележки, скоростью движения их отдельных механизмов и режимами работы. Основные требования, предъявляемые к электроприводам крановых установок:

1)высокое быстродействие и требуемая точность при регулировании скорости в заданном диапазоне;

2)надёжное ограничение момента и тока двигателя в процессах пуска

иторможения, а также при механических перегрузках;

3)высокая надёжность в работе и простота в эксплуатации.

45

Электроприводы крановых механизмов выполняются как на переменном, так и на постоянном токе. Расчёт статической мощности крановых механизмов производится исходя из заданной скорости, известного КПД, усилия при номинальном режиме работы. Выбор двигателя осуществляют следующими методами: последовательных приближений, эквивалентного КПД, нагрузочных рядов.

Основным требованием, предъявляемым к электроприводам лифтов, является обеспечение заданной точности остановки. Расчёт необходимой мощности и выбор двигателей для лифтов производится с учётом вероятностных факторов, выбор массы противовеса и уравновешивающего каната (если он необходим) – с учётом оптимальной диаграммы неуравновешенности подвижных частей лифта.

Основные требования, которым должны удовлетворять электроприводы лифтов:

1)минимальное время переходных процессов при ограниченных ускорениях;

2)независимость скорости и ускорений от загрузки лифта;

3)обеспечение необходимой точности остановки кабины;

4)безопасность обслуживания электрооборудования в машинных помещениях, кабине, шахте и на этажных площадках.

Особое значение в общепромышленных установках занимает электропривод механизмов непрерывного транспорта.

При рассмотрении электроприводов конвейеров необходимо определить зависимость энергетических показателей привода от места установки тяговых станций. Для механизмов вертикального транспорта необходимо знать влияние активной нагрузки на энергетические показатели привода.

46

Электроприводы насосов, вентиляторов и компрессоров используют двигатели средней и большой мощности. Это накладывает определённые требования на выбор системы управления, которая должна обеспечивать минимум потерь при регулировании, что повысит экономические показатели электропривода.

Однако при большой мощности электроприводов данной группы механизмов возникают существенные искажения формы кривой тока и напряжения в питающей сети за счёт высших гармонических составляющих на выходе используемых преобразователей. При широком диапазоне регулирования скорости ухудшается охлаждение двигателей с самовентиляцией на низких скоростях вращения. Эти факторы следует учитывать при проектировании и расчёте этих электроприводов.

Вопросы для самопроверки

1.Какие виды защит применяются в схемах электроприводов?

2.В чём состоит назначение применяемых в электроприводах блокировок?

3.Для чего в схемах электроприводов применяется сигнализация?

4.Что представляет собой диагностирование электроприводов и для чего оно осуществляется?

5.Что называется электромагнитной совместимостью электроприводов?

6.Каким вредным воздействиям подвергаются электроприводы во время работы?

7.Какие требования предъявляют к аппаратуре управления электроприводами?

8.Как производится расчёт мощности двигателей крановых механизмов?

9.Какие требования предъявляются к электроприводам крановых механизмов?

10.В чём особенность схем управления грузоподъёмными механизмами?

47

11.В чём особенность выбора мощности приводов лифтов?

12.Как осуществляется обеспечение точной остановки лифта? Какие датчики применяются для этого?

13.Перечислите основные требования к электроприводам механизмов непрерывного транспорта.

14.Что такое поточно-транспортная система?

15.Как рассчитывается мощность приводного электродвигателя для различных механизмов непрерывного транспорта?

16.В чём особенность работы электроприводов насосов, вентиляторов и компрессоров?

17.Какие факторы следует учитывать при проектировании и расчете

электроприводов насосов, вентиляторов и компрессоров?

Заключение

В современном промышленном производстве, на транспорте, в строительстве, в быту применяются различные технологические процессы, для реализации которых созданы самые разнообразные машины.

Нельзя представить себе ни одного производственного механизма в любой области техники, который не приводился бы в действие автоматизированным электроприводом. В электроприводе основным элементом, непосредственно преобразующим электрическую энергию в механическую, является электрический двигатель постоянного или переменного тока, который чаще всего управляется при помощи соответствующих преобразовательных и управляющих устройств с целью формирования статических и динамических характеристик электропривода, отвечающих требованиям производственного механизма. Речь идёт не только о сообщении машине вращательного или поступательного движения, но, главным образом, об обеспечении с помощью автоматизированного электропривода оптимального режима работы машин, при котором достигается наибольшая производительность при высокой точности.

48

Разнообразные электроприводы с учётом их исторического развития и с точки зрения способов распределения механической энергии можно разделить на три основных типа: групповой электропривод, индивидуальный и взаимосвязанный.

Групповой электропривод обеспечивает движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины. Передача механической энергии от одного двигателя к нескольким рабочим машинам и её распределение между ними производится с помощью одной или нескольких трансмиссий. Такой групповой привод называют также трансмиссионным.

Индивидуальный привод по сравнению с трансмиссионным и групповым обладает рядом преимуществ: производственные помещения не загромождаются тяжёлыми трансмиссиями и передаточными устройствами; улучшаются условия работы и повышается производительность труда; снижается травматизм обслуживающего персонала. Кроме того, индивидуальный электропривод отличается более высокими энергетическими показателями.

Взаимосвязанный электропривод содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой электродвигательных устройства, при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей, или нагрузок, или положения исполнительных органов рабочих машин. Необходимость в таком приводе часто возникает по конструктивным или технологическим соображениям. Одной из разновидностей взаимосвязанного электропривода является многодвигательный электропривод, двигательные устройства которого совместно работают на общий вал.

Возможности использования современных электроприводов продолжают постоянно расширяться за счёт достижений в смежных областях науки и техники: электромашиностроении и электроаппаратостроении, электронике и вычислительной технике, автоматике и механике.

49