2.2. ПРОМЫШЛЕННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

2.2.1.ПРОМЫШЛЕННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД КАК СИСТЕМА

2.2.1.1.Введение в курс промышленного электропривода

Вучебном пособии рассмотрены преобразовательные части современного промышленного электропривода, который используется в крановых механизмах, насосах, вентиляторах, компрессорах, грузовых и пассажирских лифтах, механизмах непрерывного транспорта (конвейерные линии, эскалаторы, канатные дороги), металлорежущих станках (токарном, продольнострогальном, сверлильном, шлифовальном, фрезерном), кузнечно-прессовом оборудовании. Приведены схемные решения с применением полу и полностью управляемых полупроводниковых силовых элементов с использованием микропроцессорного управления. Такие схемные решения можно применять для управления двигателями постоянного и переменного тока (синхронные, асинхронные, асинхронные вентильные, шаговые), которые чаще всего применяются в электромеханическом промышленном оборудовании.

Изучив курс, студент должен знать – существующие системы промышленного электропривода, уметь выбирать оптимальные по соотношению цена/качество решения, знать схемное построение существующих систем электропривода, уметь рассчитывать элементы системы электропривода и при необходимости обнаруживать неисправности в системе.

2.2.1.2.Общие сведения о системах промышленного электропривода. Интегральные микросхемы в промышленном электроприводе. Микропроцессоры в системах электропривода

Впромышленности очень широко используется преобразование энергии постоянного или переменного одноили трехфазного электрического тока в механическую энергию поступательного или вращательного движения посредством электрических двигателей различной конструкции, изученных ранее в курсе “Электрические машины”. Для управления двигателями необходимо иметь специальное устройство, называемое электрический привод

(ЭП).

Основы ЭП были изучены в курсе “Электрический привод” [1,2], рассмотрим подробнее применение электрического привода в электрооборудовании промышленности, уделяя основное внимание электрической части ЭП.

Электроприводом называется электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии в механическую энергию вращательного, либо поступательного движения и включающее электромеханический преобразователь (двигатель) и устройство управле-

6

ния двигателем.

Рассмотрим обобщенную структурную схему электропривода (рис. 2.2.1.1) [1,2]. Электропривод содержит силовую часть (СЧ), систему управления (СУ), двигатель (ДВ), являющийся нагрузкой СЧ, и рабочий механизм

	(РМ),
		Вход			Выход		РМ
				СЧ		ДВ

ФИУ			Д

ИОП КА ЗУ РЕГ

ИНФ УКД СУ

Внешнее управление и индикация

Рис. 2.2.1.1. Обобщенная структурная схема электропривода:

Д – блок датчиков, ДВ – двигатель, ЗУ – защитное устройство, ИНФ – блок обработки информации, ИОП – источник оперативного питания, КА – блок коммутационной аппаратуры, РЕГ – регулятор, РМ – рабочий механизм, СУ

– система управления, СЧ – силовая часть, УКД – устройство контроля и диагностики, ФИУ – формирователь импульсов управления.

приводимый в движение двигателем посредством механической связи. На рис. 2.2.1.1 жирными линиями показаны блоки и связи высокой мощности, тонкими линиями – блоки и связи малой мощности, штриховой линией – механические блоки и связи.

СЧ – это электрические цепи и элементы, которые непосредственно участвуют в передаче электрической энергии от первичного источника постоянного или переменного тока к потребителю (нагрузке (ДВ)). Иногда эти цепи совместно с силовыми элементами называют главными, так как они определяют основные технико-экономические показатели устройства, главное его КПД. СЧ ЭП является силовым исполнительным органом, определяющим главные функции устройства. Например, СЧ простейшего тиристорного реле постоянного тока состоит из одного тиристора и электрических соединений, обеспечивающих его связь с коммутируемой электрической цепью. Так как СЧ, в основном, влияет на технико-экономические ха-

7

рактеристики ЭП, ее изучению уделяется обычно основное внимание.

ДВ в электроприводе используются как постоянного, так и переменного тока с вращательным движением или линейные в зависимости от конкретных требований РМ, который необходимо приводить в движение.

СУ служит для обеспечения функционирования силовых элементов схемы — транзисторов, тиристоров и других приборов, формируя соответствующие сигналы управления. В отличие от СЧ – СУ принимает, обрабатывает и выдает информационные сигналы. Поэтому СУ состоит из элементов и функциональных узлов, связанных с информационными потоками. При этом уровень потребляемой СУ энергии минимизируют. К СУ относятся также элементы и узлы, обеспечивающие текущий контроль состояния ЭП, диагностику отказов и управление защитными устройствами.

СУ ЭП выполняет следующие функции:

1)формирование сигналов управления силовыми элементами СЧ;

2)регулирование выходных параметров СЧ;

3)включение и отключение по заданному алгоритму основных узлов

СЧ;

4) обмен информацией с внешней средой.

Рассмотрим подробнее устройство СУ (рис. 2.2.1.1). Блок датчиков Д содержит датчики регулируемых и контролируемых параметров (ток, напряжение, скорость вращения, температура и т. д.). Обычно регулируются выходные параметры, часть датчиков непосредственно входит в обратную связь (ОС) канала регулирования. Сигналы с датчиков поступают на регулятор РЕГ, задача которого – формировать закон управления элементами СЧ. Блок ФИУ формирует импульсы управления, непосредственно поступающие на управляющие электроды силовых элементов. ФИУ является согласующим устройством между входами силовых приборов и выходом регулятора, так как сигналы регулятора являются маломощными и не отвечают требованиям, предъявляемым к импульсам управления силовых приборов (тиристоров, транзисторов и др.). Блок ФИУ называют драйвером.

Узлы СУ выполняются на различной элементной базе: дискретные и аналоговые интегральные электронные компоненты, электромагнитные реле и др. Для функционирования этих элементов требуются отдельные источники электропитания – источники оперативного питания (ИОП). В ИОП используются различные виды преобразователей и регуляторов, согласующих параметры входного (иногда выходного) напряжения силовых цепей с параметрами, требуемыми для питания элементов СУ.

При питании от сети переменного тока основой ИОП являются ма-

ломощные трансформаторы с несколькими вторичными обмотками на разные напряжения. Эти обмотки подключаются к выпрямителям с выходными емкостными фильтрами. Для стабилизации уровней выходных напряжений маломощных выпрямителей используют стабилитроны или транзисторные

регуляторы в дискретном или интегральном исполнениях. 8

Для улучшения массогабаритных показателей широко используется

структура ИОП с бестрансформаторным входом. В этой структуре пере-

менное напряжение силовой цепи непосредственно поступает на выпрямитель, выходное напряжение которого преобразуется инвертором в переменное напряжение повышенной частоты (не менее 20 кГц). Затем это напряжение трансформируется, снова выпрямляется и фильтруется. Трансформация и фильтрация на повышенных частотах позволяют существенно уменьшить массу и габаритные размеры ИОП (в основном трансформатора).

При питании ИОП от силовых цепей постоянного тока постоянное напряжение инвертируется на повышенной частоте в переменное, затем трансформируется, выпрямляется и фильтруется [3-5].

УКД служит для текущего контроля и диагностики ЭП, на вход которого поступают сигналы с датчиков контролируемых параметров.

Результаты с УКД поступают на блок обработки информации ИНФ и затем с его выхода — на защитные устройства ЗУ. Блок ИНФ в общем случае может связывать ЭП с внешней средой. Например, в него могут поступать сигналы команд на включение, выключение, изменения режима работы. Эти сигналы обрабатываются или транслируются непосредственно в блок коммутационной аппаратуры КА. С другой стороны, из ИНФ могут исходить сигналы о состоянии ЭП, режиме его работы, информация о причине отключения или срабатывании защит и др.

Представленная структура является обобщенной. В ней отражены характерные укрупненные функциональные блоки. В реальном ЭП значительная часть из них может отсутствовать или находиться в неявном конструктивном или функциональном видах. Обмен с внешней средой может осуществляться с помощью тумблеров или кнопок, управляющих панелей, а о состоянии ЭП будут давать информацию обыкновенные сигнальные лампы. Однако для четкого представления принципа ЭП, его функций и возможностей, необходимо уметь представить структуру СУ и ее функциональные узлы. При этом функциональная законченность узла или блока не обязательно имеет отдельную конструкцию в виде отдельной платы, модуля и др.

Так как СЧ ЭП выполняется на электронных ключах, по принципу действия их СУ являются дискретными или импульсными. Соответственно элементная база СУ включает в себя элементы цифровой и аналоговой техники, которая обрабатывает непрерывные сигналы, например тока или напряжения. Эти сигналы затем снова могут преобразовываться в импульсную форму.

Интегральные микросхемы в промышленном электроприводе

Узлы СУ выполняют функции формирования и преобразования электрических сигналов информационного уровня по определенным законам, что характерно для микроэлектронных устройств обработки информации. Для повышения КПД и уменьшения массогабаритных показателей ЭП стремятся к снижению мощности сигналов, преобразуемых и вырабатываемых СУ, что

9