5.1.2. Рксу асинхронным двигателем с фазным ротором

АД с фазным ротором (АДФР) в отличие от АД с короткозамкнутым ротором (АДКР) позволяет осуществить не только пуско-тормозные режимы, но и реализовать достаточно эффективное параметрическое регулирование скорости двигателя. Применение РКСУ в этом случае позволяет просто осуществлять многоступенчатые пуск, торможение и реверс и, тем самым, эффективнее использовать возможности разомкнутого управления производственными установками. Многоступенчатые пуско-тормозные режимы АДФР реализуют, как правило, в функции времени, иногда – в функции электромагнитного момента, тока статора или ротора.

Параметрическое регулирование скорости АДФР основано на введении добавочных сопротивлений в цепи фаз ротора. Необходимо отметить, что такой способ регулирования имеет существенный недостаток – большие потери энергии, выделяемой в виде тепла при протекании тока в роторной цепи.

На рис. 5.4 приведена упрощенная силовая схема общепромышленной панели управления АД с фазным ротором типа ПУ-6520.

На рис. 5.5 приведено семейство механических характеристик, реализующих пуско-тормозные режимы в функции времени.

Рис. 5.4. Упрощенная принципиальная электрическая схема

с иловой части панели управления ПУ-6520

Рис. 5.5. Семейство механических характеристик АД

с фазным ротором в пуско-тормозных режимах

Пуск АД производится в 3 ступени: вначале контактором KM6 отключается ступень противовключения (закорачиваются резисторы R1) и пуск происходит по искусственной характеристике 1. Затем с выдержками времени T₁ и T₂ происходит последовательное срабатывание контакторов KM7, KM8. Пуск происходит по искусственной характеристике 2, затем по естественной характеристике 3 до точки А установившегося состояния. Выдержки времени формируются с помощью реле ускорения и могут вручную подстраиваться на стадии наладки СУИМ. Применение семипозиционного командоконтроллера позволяет осуществлять разгон не только до номинальной скорости АД, но и до 2-х промежуточных скоростей.

Динамическое торможение реализуется также в функции времени в 3 ступени (см. характеристики 5, 6 и 7 на рис. 5.5) при подключении контактором KM4 2-х фаз статора к цепи постоянного тока.

Реверс АД производится торможением двигателя в режиме противовключения (см. характеристику 9) при полностью введенных сопротивлениях в цепи ротора. При скорости АД, близкой к нулевому значению ступень противовключения отключается (закорачиваются резисторы R1) и происходит пуск двигателя в обратном направлении (см. характеристики 9, 10 и 11).

В крановых электроприводах подъема применяют более сложные принципы и панели РКСУ, такие как ТСД-60. При этом для получения жестких механических характеристик АД в зоне малых скоростей подъема реализуют тиристорное широтно-импульсное регулирование [11,12].

5.2. Бесконтактные суим постоянной скорости

Пуско-тормозные режимы бесконтактных СУИМ постоянной скорости реализуют с применением асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором или синхронных двигателей с постоянными магнитами. Для маломощных ИМ (до нескольких десятков-сотен ватт) применяют однофазные двигатели, для более мощных – трехфазные двигатели. В любом случае речь идет о СУИМ с ЭИМ.

По принципу управления такие СУИМ подразделяются на следующие типы:

– ручного управления «на месте» с помощью кнопок или ключей управления на стационарном или местном переносном проводном пульте управления без обратных связей по координатам объекта управления;

– ручного дистанционного управления по командам оператора, передаваемым по промышленной сети от пульта управления, промышленного контроллера, сервера верхнего уровня управления без обратных связей по координатам объекта управления;

– ручного / автоматического управления «на месте» или дистанционного управления с контролем, как минимум, выходной координаты объекта управления, по промышленной сети от пульта управления, промышленного контроллера, сервера верхнего уровня управления;

– ручного / автоматического управления «на месте» или дистанционного управления с реализацией функций интеллектуального микропроцессорного управления.

Заметим, что в любом случае СУИМ постоянной скорости предполагают возможность ручного управления (кнопки, ключи управления «на месте» или дистанционного управления, а также штурвалы управления ЗРА РО).

Кроме того, все бесконтактные СУИМ постоянной скорости содержат, как минимум, бесконтактные малоточные элементы управления (транзисторы, симисторы, тиристоры), как максимум – бесконтактные силовые элементы (симисторы или тиристоры).

Н а рис. 5.6 приведена обобщенная функциональная схема СУИМ, сочетающая изложенные выше принципы управления ИМ постоянной скорости.

Рис. 5.6. Обобщенная функциональная схема СУИМ постоянной скорости

Обозначения на схеме:

ИУ – измерительное устройство;

ФЭ – формирующий элемент;

ПРР – переключатель режима работы;

СПЭ – силовой преобразователь энергии;

Д – двигатель (привод) ИМ;

ИМ – исполнительный механизм;

РО – рабочий орган;

ДТК – датчик технологической координаты;

U_з, U_ос – маломощные сигналы задания и обратной связи (напряжение, ток или цифровой код);

U_уа, U_ур, U_у – сигналы управления – автоматического, ручного, результирующего;

ω – скорость вращения (перемещения) привода ИМ;

y – выходная координата СУИМ.

Измерительное устройство ИУ предназначено для масштабирования, линеаризации сигналов задания U_з и обратной связи U_ос и вычисления сигнала ошибки регулирования выходной координаты СУИМ.

Формирующий элемент ФЭ выполняет следующие функции автоматического управления:

– формирование двухпозиционного регулирования нереверсивными ИМ типа «нагреватель» или «холодильник» (ТЭНы, вентиляторы, компрессоры и др.) с реализацией функции «пуск-стоп» с контролем конечного положения РО;

– формирование трехпозиционного регулирования реверсивными ИМ (клапаны, пробковые и шаровые краны, подъемно-транспортные механизмы и др.) с реализацией функции «пуск-стоп- реверс» как с датчиком положения РО, так и без него;

– формирование того или иного линейного закона регулирования реверсивными ИМ с контролем, как минимум, выходной технологической координаты СУИМ.

Формирующий элемент – основной элемент СУИМ, обеспечивающий требуемое качество управления. Синтез его – одна из основных задач исследования и проектирования СУИМ.

Переключатель режима работы ПРР – логический элемент, выполняющий функции безударного перехода с автоматического на ручной режим работы и обратно.

Силовой преобразователь энергии (СПЭ) – контактный или бесконтактный реверсивный пускатель, обеспечивающий соответствующие функции подключения обмоток двигателя к питающей сети и защиты двигателя.

Функции контактного пускателя выполняют силовые реле, контакторы или магнитные пускатели. Среди отечественных контактных пускателей в СУИМ наиболее распространены магнитные пускатели серии ПМ.

Функции бесконтактного пускателя выполняют симисторные или тиристорные пускатели серий ПБР, ПБК, БУЭР, ФЦ и др.

Остальные элементы представленной схемы СУИМ аналогичны рассмотренным ранее. Следует отметить, что среди отечественных ЭИМ постоянной скорости наибольшее применение нашли ЭИМ фирм «ЗЭиМ» (г. Чебоксары), ОАО «МЗТА» (г. Москва), ЗАО «Тулаэлектропривод» и др. Среди зарубежных – ЭИМ фирм «KROMSHCRODER» (Германия), «REGADA» (Словакия), «DANFOSS» (Дания) и др.

Остановимся более подробно на функциях и реализации алгоритмов ФЭ, поскольку именно этот элемент обеспечивает качество СУИМ в автоматическом режиме работы.

Релейно-импульсное управление (двух- и трехпозиционное) формируется релейными регуляторами с широтно-импульсной (ШИМ) и временно-импульсной (ВИМ) модуляцией при постоянном уровне задания скорости движения ИМ на время включения ЭИМ.

Широтно-импульсное управление ЭИМ предполагает задание двух параметров – периода T и скважности λ задания постоянной номинальной скорости двигателя. Период обычно задается постоянным в пределах от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от характера технологического процесса. Скважность меняют от 0 до 1 (в аналоговых СУИМ – обычно токовым сигналом 4-20 мА, в цифровых СУИМ – цифровым 8-16 разрядным кодом. Многие неполноповоротные ИМ функционируют в повторно-кратковременном режиме с нормированной скважностью 25 %.

Р елейно-импульсное управление с ШИМ модуляцией позволяет реализовать типовые законы управления, свойственные регуляторам «вход-выход». На рис 5.7 проиллюстрирован принцип формирования формирующим элементом ПИ-закона управления положением координатой φ РО ИМ.

Рис. 5.7. Широтно-импульсная модуляция в СУИМ постоянной скорости

Координата положения РО является интегралом от скорости вращения ИМ. Поскольку на интервале включения скорость ИМ постоянна и равна ω_н, то положение φ РО меняется линейно в функции времени. Поскольку на первом интервале скважность управления значительно выше, чем на последующих интервалах, то величина изменения положения на первом периоде T значительно выше, чем на последующих периодах управления. В целом, аппроксимируя кривую изменения положения (см. пунктирную линию на рис. 5.7), можно заметить, что изменение положения подчиняется ПИ закону.

Релейно-импульсное управление с ВИМ модуляцией, как и с ШИМ модуляцией, также позволяет реализовать типовые законы управления. На рис 5.8 проиллюстрирован принцип формирования формирующим элементом (ФЭ) ПИ-закона управления положением РО ИМ.

Р ис. 5.8. Времяимпульсная модуляция в СУИМ постоянной скорости

Частота следования импульсов управления и, соответственно, включения ЭИМ, в начальный период времени значительно выше, чем в последующее время. При этом аппроксимированная кривая изменения положения РО (см. пунктирную линию на рис. 5.8) соответствует ПИ закону.

ФЭ реализуют как на аналоговой, так и цифровой элементной базе.

Среди первых в отечественной промышленности наиболее распространены элементы, реализуемые комплексами АСУТП «Контур», «Контур-2», «Каскад» и др. Среди вторых – системы на базе микропроцессорных контроллеров «Метакон», «МС8» ООО НПФ «КонртАвт», контроллеров и приводов ЗАО «Тулаэлектропривод», интеллектуальных модулей вывода МВУ8 и контроллеров фирмы «ОВЕН» и др.

На рис. 5.9 представлен пример схемы управления наиболее распространенными электрическими исполнительными механизмами типа МЭО, МЭОФ производства ОАО “ЗЭиМ” (г. Чебоксары), который в данной схеме осуществляет управление заслонкой. Для измерения технологического параметра (температуры) используется термопара, непосредственно подключенная ко входу микропроцессорного измерительного регулятора типа МЕТАКОН 514-Т, специально разработанного для управления исполнительными механизмами интегрирующего типа. Они представляют собой ПДД-регуляторы микропроцессорные и относятся к серии МЕТАКОН-5х4. Осуществляют ПДД-регулирование с широтно-импульсным управлением реверсивными механизмами, обеспечивают аварийную сигнализацию по двум независимым уровням в каждом канале (число каналов: 1,2,3), а также реализуют режим автонастройки.

При больших удалениях вторичных приборов от датчиков температуры последние подключают к регулятору МЕТАКОН-5х4 через преобразователь «напряжение – ток» с выходным током 4…20 мА.

В качестве усилителя выходного сигнала регулятора применен симисторный блок коммутации реверсивный типа БКР. Этот блок предназначен для бесконтактного управления асинхронными электродвигателями исполнительных механизмов типа МЭО, электромагнитными клапанами. Применяется совместно с регуляторами МЕТАКОН-5х4, МЕТАКОН 614.

Конечные выключатели S1, S2 крайних положений исполнительного механизма, в соответствии с рекомендациями производителя механизмов, включены в цепи управления, формирующие сигналы БОЛЬШЕ и МЕНЬШЕ. Дополнительные конечные выключатели S3, S4 механизма и потенциометрические датчики положения R1, R2 могут быть использованы по своему прямому функциональному назначению при решении задач автоматизации конкретной технологической установки.

На рис. 5.10 представлена схема управления исполнительным механизмом постоянной скорости типа ВПК производства ЗАО «Тулаэлектропривод». Большинство приводов данного производителя предназначены для установки на запорную арматуру, что, вместе с тем, не исключает использование такой арматуры и в качестве регулирующей. Вместе с тем, запорная арматура, как правило, используется в качестве двухпозиционных регуляторов. В этом случае целесообразно применение контроллеров типа МЕТАКОН-512, при этом совместно с блоком питания и реле (БПР) может быть успешно реализована схема измерения и управления, когда обеспечивается питание постоянным стабилизированным напряжением 24 В, встраиваемого в головку удаленной термопары преобразователя температуры в токовый сигнал 4…20 мА, а контактами реле БПР включаются магнитные пускатели подачи на трехфазный электродвигатель напряжения 380 В частотой 50 Гц.

В представленной на рис. 5.10 схеме предусмотрено также ручное управление запорной арматурой.

Некоторые ИМ постоянной скорости, например, фирмы KROMSHCRODER (Германия) могут управляться, как сигналами напряжения или тока, так и от подключаемого к определенным входным клеммам потенциометром. Преобразование непрерывного аналогового сигнала тока управления 4…20 мА в импульсные команды управления осуществляется специальным преобразователем, установленным непосредственно в исполнительном механизме. Так как в этом случае напряжение питания 220 В частотой 50 Гц всегда присутствует на механизме, то пост ручного управления в этой модификации механизмов устанавливается стационарно и обеспечивает управление механизмом «по месту» в обход электронной схемы управления. При управлении исполнительными механизмами такого типа может успешно применяться быстродействующий микропроцессорный универсальный ПИД-регулятор типа МЕТАКОН 515-З1-У-x, который, благодаря встроенному источнику напряжения и активному токовому выходу, позволяет минимизировать всю схему измерения и управления, обеспечивая при этом высокое качество и высокую надежность контура управления.

Рис. 5.9. Управление однооборотным исполнительным

механизмом постоянной скорости типа МЭО 16/63 0,25-У-01

Рис. 5.10. Управление электроприводом типа ВПК

производства ЗАО «Тулаэлектропривод»