Управляемый привод

Самарский государственный аэрокосмический университет

Имени академика В. П. Королева

В.Н Астапов

Управляемый привод

Автоматизированных систем

Курс лекций

Самара 2007

Частотно-регулируемые

электроприводы.

 

Управляемый привод автоматизированных систем

Лекции 34 часа

Лабор. Работы 17 часов

Лекция 1.

Классификация электроприводов. Структура, условия эксплуатации и требования к электроприводу автоматизированных систем.

Введение

Анализ мирового опыта создания нового и модернизации действующего технологического оборудования показывают высокую динамику развития регулируемых электроприводов, компьютерных средств автоматизации, использования информационных средств. Она обусловлена стремлением к максимальному повышению производительности технологического оборудования и качества производимой продукции. Все ведущие электротехнические корпорации выпускают регулируемые электроприводы комплектно с компьютерными средствами автоматизации в виде гибко программируемых систем, предназначенных для широкого использования.

Под электроприводом понимается электромеханическая система, состоящая в общем случае из взаимодействующих преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.

Регулируемые электроприводы, как правило, являются и автоматизированными; многие операции в них выполняются средствами управления без участия оператора. Так как, основными средствами управления в электроприводах являются программируемые микроконтроллеры, то уместно определить современный автоматизированный электропривод как компьютеризированный.

 

Классификация электроприводов.

При исследовании электроприводов используют различные способы классификации.

В качестве классификационных признаков используют:

- виды движения электродвигателей (вращательный, поступательный, линейный, многокоординатный);

- способ соединения двигателя с исполнительным органом (редукторный, безредукторный, конструктивно-интегрированный);

- регулируемость (нерегулируемый, многоскоростной, регулируемый);

- число электродвигателей (одно-, многодвигательный);

- число исполнительных органов (индивидуальный, групповой);

- степень автоматизации (ручной, полуавтоматический, следящий, позиционный, программный, стабилизирующий).

Классификационными признаками также являются:

- функциональное назначение, принцип преобразования электрической энергии в механическую, структура электропривода, техническая реализация.

Во многих случаях автоматические системы управления электроприводами следует рассматривать как взаимосвязанные системы, так как в состав технологического оборудования могут входить десятки электроприводов, объединенных по цепям управления, питания и нагрузки.

 

Структура, условия эксплуатации и требования к электроприводу.

Структурная схема современного автоматизированного технологического комплекса (АТК) приведена на рис. 1.1.

 

 

Рис.1.1. Структурная схема АТК.

 

Механизмы (исполнительные органы рабочей машины) оснащаются индивидуальными электроприводами с электродвигателями М, управляемыми преобразователями УП, программируемыми микроконтроллерами приводов КП. Совместную работу приводов и механизмов, входящих в состав технологического агрегата, координирует технологический программируемый микроконтроллер КТ. Координацию совместной работы агрегатов технологического комплекса выполняет один из микроконтроллеров КТ или специализированный персональный компьютер ПК, входящий в состав станции оператора СО. Через магистральный преобразователь МП осуществляется связь АТК с распределенной системой управления технологическим процессом. Контроллеры взаимодействуют через коммуникационную связь, структура которой в соответствии с существующими стандартами по индустриальным сетям средств вычислительной техники может быть различной. Контроль агрегатов и управление ими могут осуществляться с периферийных пультов операторов ПО.

Контроллер привода осуществляет: (нас интересует только привод)

- управление силовой частью УП;

- регулирование момента электродвигателя, скорости и положения механизма;

- программно-логическое управление пуском, остановом и режимом рабочего функционирования привода;

- автоматическую настройку регуляторов в режиме наладки;

- контроль состояния и диагностирования неисправностей в компонентах электропривода.

Требования к системе автоматического управления электроприводом могут существенно различаться в зависимости от его назначения. Наиболее жесткие требования к системам управления электроприводами роботов-манипуляторов.

Более сложные принципы построения систем управления автоматизированным приводом применяют для роботов, обеспечивающих точную траекторию движения рабочих органов и высокую производительность. При этом неизменно действуют различного рода ограничения (по скорости, ускорению, току и т.д.) обусловленные как технологическими факторами, так и предельными возможностями привода. Обеспечение заданного качества движения при действующих ограничениях предопределяет применение оптимальных систем управления электроприводом.

Принцип оптимальности позволяет обеспечить оптимальное управление в том смысле, что для заданных объекта управления и условий его работы с учетом ограничений обеспечивается экстремальное значение некоторого показателя качества, характеризующего наилучший режим работы объекта. Такими показателями качества могут быть быстродействие, производительность, точность воспроизведения заданного движения и т.п..

В теории управления широко распространены в качестве характеристик режима работы системы функционалы определенного вида. В общем случае функционал зависит от переменных состояния x_i(t), управляющих u_j(t) и возмущающих g_l(t) воздействий:

 

J = f(x₁, x₂,…x_n; u₁, u₂,…u_r; g₁, g₂,…g_k,t),

или в векторной форме

J=f(X,U,G,t).

Движение экстремального значения этого функционала указывает на оптимальное состояние системы либо в динамике, либо в статическом режиме в зависимости от выбранного критерия оптимальности.

Так как в процессе эксплуатации электропривода его свойства и условия работы не остаются постоянными, то возникает необходимость подстройки регулятора для сохранения экстремального значения функционала качества.

Для этой цели в систему управления вводят контур адаптации, позволяющий автоматически изменять в процессе работы характеристики или структуру регулятора таким образом, чтобы выполнялся критерий оптимальности.

Для контура адаптации объектом управления является основная система автоматического управления (САУ), по отношению к которой контур адаптации образует второй уровень управления. Адаптивная система управления, работающая на основе контроля поведения объекта, нарушает нормальный режим эксплуатации объекта при его идентификации. Поэтому непрерывную адаптацию из-за ухудшения качества управления объектом применять вряд ли целесообразно.

Наиболее перспективны системы управления с периодической адаптацией, функционирующие в промежутках времени между моментами адаптации как обычные САУ.

 

Лекция 2

Принципы построения и алгоритмы регулирования управляемых приводов автоматизированных систем.

В настоящее время получили свое развитие регулируемые электроприводы с управляемым преобразователем и системами управления, оптимально… Управляемые преобразователи электроэнергии выполняются как полупроводниковые,… Схемотехнические решения преобразователей в электроприводах постоянного и переменного токов остаются традиционными. С…

ТИРИСТОРНЫЕ ПУСКОВЫЕ УСТРОЙСТВА

(СИЛОВАЯ ЧАСТЬ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА)

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Анализ показывает, что применение управляемого пуска позволяет существенно уменьшить вредные динамические воздействия на двигатель и приводной… Это подтверждают типичные кривые изменения пускового тока (рис.1а) и пускового… а)

ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

Рис.4. Кривые изменения напряжения на двигателе в режиме пуска. кривая 1 – экспоненциальный закон, кривая 2 – линейный закон, кривая 3 – кусочно-линейный закон.

ФУНКЦИИ ЗАЩИТЫ

Тепловая защита двигателя предполагает наличие встроенного в обмотку двигателя датчика температуры, а в системе управления предусматривается только…  

Система управления

правило, две части: интерфейс оператора и интерфейс оборудования. Интерфейс оператора выполняется обычно на основе жидкокристаллического индикатора… Большинство фирм (ABB, Siemens, Emotron AB, Softronic, Telemecanique, Ansaldo)…  

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРИВОД С ШИМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

1.1 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. Современные требования к производителям, как бытового электрооборудования так… бытовые электроприборы (стиральные машины, вытяжки, холодильники, вентиляторы, пылесосы, компрессоры и др.);

Принцип действия

Асинхронный электродвигатель

1.2.2 Принцип постоянства отношения напряжение/частота (правило Костенко). Математические модели системы управления Принцип постоянства отношения напряжение/частота наиболее широко распространен… Более точно, исходя из обычной модели асинхронного электродвигателя:

Принцип обычной широтно-импульсной модуляции

где , а Ts - период дискретизации для алгоритма управления. Если одно из этих значений становится больше 2p , то для поддержания области значений в диапазоне от 0 до 2p из…

Таблицы преобразования со значениями синусов

sin(q)=sin(q - p/3)+ sin(2 p/3- q) для q между p/3 и 2p/3; sin(q)=sin(p - q) для q между 2p/3 и p; sin(q)=-sin(q - p) для q между p и 4p/3;

Принцип действия ПИ-регулятора

пропорциональная часть, которая выполняет умножение результирующего сигнала рассогласования (разницы измеренного выходного сигнала объекта… интегральная часть, которая добавляет долговременную точность регулятору.… Иногда, помимо пропорциональной и интегрирующей части, добавляется третья- дифференцирующая. В этом случае регулятор…

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

В предыдущей лекции рассматривалась реализация устройства управления асинхронным электродвигателем с обратной связью по скорости на основе… Алгоритмы управления реализованы на микроконтроллере AT90PWM3, представляющий… 1.2. Принцип действия

Схемотехнические решения преобразователей в электроприводах постоянного и переменного токов. Транзисторные и тиристорные устройства управления силовой частью электропривода.

Схемотехнические решения преобразователей в электроприводах, как уже отмечалось, остаются традиционными. Однако для улучшения энергетических характеристик схемы преобразователей претерпели значительные изменения.

Так в электроприводах постоянного тока, кроме управляемых выпрямителей (Рис.3.1), для получения высокого быстродействия применяют системы с неуправляемыми выпрямителями и широтно-импульсными преобразователями (Рис.3.2). В этом случае можно не использовать фильтрокомпенсирующие устройства.

 

 

ня

 

Рис. 3.1. С управляемым выпрямителем. Рис.3.2.С не управляемым выпрямителем и

ШИМ-преобразователем.

Преобразователи, используемые для управления вентильными двигателями (ВД) – (Рис.3.3), состоят из управляемого выпрямителя, аналогичного выпрямителю привода постоянного тока, и автономного инвертора, управляемого сигналами, поступающими от датчика положения ротора.

 

 

 

 

Рис.3.3.С управляемым выпрямителем и автономным инвертором.

 

 

 

 

Рис.3.4.С управляемым выпрямителем и Рис.3.5. С неуправляемым выпрямителем,

инвертором напряжения. ШИМ-преобразователем. Активный

выпрямитель.

 

 

В системах частотного управления АД преимущественно используются инверторы напряжения (Рис.3.4 и 3.5). Если необходимость рекуперации энергии в сеть переменного тока отсутствует, то используют неуправляемый выпрямитель, что позволяет применять простую и экономичную схему преобразователя (Рис.3.5). Возможность применения полностью управляемых приборов и ШИМ делает эту схему одной из широко используемых в большом диапазоне мощностей. При необходимости рекуперации энергии в сеть переменного напряжения в выпрямителях наряду с тиристорными инверторами используют транзисторные инверторы, схемы которых полностью аналогичны схеме автономного инвертора асинхронного двигателя. Такие схемы получили название активных выпрямителей или активных источников питания автономных инверторов.

 

 

 

 

Рис.3.6. ПЧ с инвертором тока.

 

 

Преобразователи частоты с инверторами тока (Рис.3.6) состоят из двух звеньев. Первое звено составляют управляемый выпрямитель на тиристорах и промежуточный контур постоянного тока – реактор, второе звено составляет автономный инвертор тока, выполненный на обычных однооперационных или запираемых (GTO) тиристорах. Автономный инвертор тока содержит конденсаторы, которые являются источником реактивной энергии для нагрузки.

Главное отличие схемы инверторов тока от инверторов напряжения заключается в отсутствии шунтирующих обратных диодов. Поэтому можно изменить полярность напряжения на входе инвертора и при неизменном направлении тока перевести двигатель в генераторный режим. Таким образом, при потреблении энергии из сети выпрямитель работает в режиме выпрямления, инвертор – в режиме инвертирования, электрическая машина – в двигательном режиме

(в первом или третьем квадрантах электромеханических координат).

Если двигатель переходит в генераторную область (второй или четвертый квадрант электромеханических координат), то инвертор должен работать управляемым выпрямителем, полярность напряжения на промежуточном контуре изменяется, ток в этом контуре не меняет своего направления, а управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим.

К основным достоинствам преобразователей с инвертором тока относится возможность рекуперации энергии в сеть и безаварийность режима короткого замыкания по выходу. Основные недостатки преобразователей с инвертором тока: ограничение верхней границы диапазона регулирования выходной частоты (обычно f_2мах=100…125 Гц); коммутационные перенапряжения на тиристорах АИТ; дополнительные потери в двигателе при несинусоидальной форме тока.

Преобразователи, содержащие неуправляемый выпрямитель и ведомый сетью инвертор и составляющие основу асинхронно-вентильного каскада (Рис.3.7), применяют в приводах большой мощности при ограниченном диапазоне регулирования скорости.

Рис.3.7. ПЧ с неуправляемым выпрямителем и ведомый сетью инвертор.

 

Определенную перспективу развития имеют мощные преобразователи частоты с непосредственной связью в машинах двойного питания (Рис.3.8) и при управлении низкоскоростными асинхронными или синхронными двигателями (Рис.3.9).

 

Рис 3.8.Мощный ПЧ с непосредственной Рис. 3.9. ПЧ для управления

связью в машинах двойного питания. низкоскоростными асинхронными или

синхронными двигателями.

 

Рассмотренные схемы преобразователей охватывают диапазон мощностей от сотен ватт до десятков мегаватт. Наиболее интенсивное развитие в исследовании и применении имеют системы, приведенные на рис.3.3 и 3.5.

В системах многодвигательных электроприводов используют общие выпрямители для группы широтно-импульсных преобразователей или автономных инверторов. Достоинство таких схем состоит в возможности энергосбережения в результате передачи энергии торможения с двигателя на двигатель.

В аспекте использования электромеханических преобразователей (ЭМП) в составе регулируемых электроприводов, кроме двигателей постоянного тока, асинхронных и синхронных двигателей, все большее применение находят вентильные двигатели (ВД). Которые, являясь по существу синхронными двигателями, рассматриваются как двигатели постоянного тока, поскольку их питание осуществляется от сети постоянного тока через автономный инвертор, управляемый сигналами от датчика положения ротора. Вентильные двигатели имеют минимальную удельную массу по сравнению с любыми другими машинами. При их использовании удачно решаются вопросы конструирования механотронных модулей.

Все более широкое применение находит вентильно-индукторный электропривод (ВИП), основными достоинствами которого являются простота, технологичность, невысокая стоимость применяемого индукторного электродвигателя, сочитающиеся с широкими регулировочными возможностями. Мощность таких электроприводов от единиц до нескольких сотен киловатт и более.

Структура силовой части привода в случае его питания от трехфазной сети переменного тока аналогична структуре силовой части асинхронного привода (Рис.3.5). Автономный инвертор напряжения в данном случае выполняет функции коммутатора. При этом дополнительно используется датчик положения ротора для коммутации ключей, что выполняется аналогично вентильному приводу.

В современных схемах ВИП широко используются микропроцессорные средства управления, позволяющие в ряде случаев отказаться от применения датчика положения, а необходимую для работы информацию о положении ротора получать косвенно.

В диапазоне малых мощностей традиционно развиваются шаговые электродвигатели, которые в силу своих конструктивных особенностей обеспечивают создание компактных многокоординатных механотронных модулей с дискретными перемещениями.

Лекция 9

Схемотехнические решения частотного управления

Электроприводами

по функциональной характеристике, связывающей напряжение и частоту статора электродвигателя (U/f – характеристике); применяется для электроприводов,… векторным; применяется для электроприводов со средней и высокой динамиками. … Каждый из них адаптирован к частным случаям с помощью функциональных модулей, влияющих на статические и динамические…

Частотно-регулируемый электропривод с адаптивной моделью

В системе управления

В частотно-регулируемых электроприводах фирмы АВВ используется технология прямого управления моментами (технология DTC). Она позволяет управлять… На рис.7.1 показана функциональная схема системы управления электроприводом. …

Унифицированные системы электроприводов.

В соответствии с идеологией блочно-модульного исполнения комплектных электроприводов, как правило, предусматривается возможность широкого… Типовая структурная схема комплектного электропривода показана на рис.4.1,

Блочно модульные принципы комплектования автоматизированных электроприводов.

Электроприводы переменного тока

Частотно-регулируемые электроприводы выпускают различные электротехнические корпорации: одно из ведущих мест на мировом рынке занимают фирмы… Существует два блочных варианта выполнения преобразователей: первый – для… шестиимпульсное преобразование переменного напряжения в постоянное (одноквадрантный режим) (рис. 4.1, а ,б );

Электроприводы постоянного тока

Проекты модернизации действующего оборудования в части автоматизированных электроприводов выполняются заменой аналоговых и релейно-контактных систем… Схемы силовых блоков комплектных электроприводов постоянного тока мало… Существенно изменились блоки управления, основой которых, как и в электроприводах переменного тока является…

Средства управления и программирования электроприводов.

Все модули функциональных схем реализуются программно на контроллере привода. В соответствии с этим имеется набор типовых программных модулей и… Для распределенного управления большими системами электроприводов используются…  

Управление с использованием нечеткой логики

Нечеткая логика используется для замены традиционных алгоритмов управления и совместно с ними. В простейшем случае вместо традиционного регулятора применяется фази-регулятор…

Система управления насосом с использованием нечеткой логики

Значение давления Р определяется датчиком давления, сигнал с которого после двенадцатиразрядного АЦП поступает в микропроцессорную систему… Заданное давление Рзад примем равным 2000. Тогда отклонение текущего давления…

Экономия электроэнергии частотно-регулируемыми

Приводами переменного тока.

Асинхронные электродвигатели переменного тока являются основными преобразователями электрической энергии во всем мире и применяются в… Большая часть энергии потребляемой электродвигателями расходуется на… Эти отдельные виды нагрузки - вентиляторы, компрессоры и насосы – особенно привлекательны с точки зрения экономии…

Экономия энергии на вентиляторах

 

Вентиляторы.

  Р (давление)  

Приводы переменной скорости.

Этот метод использует преимущества изменения характеристик вентилятора при изменении скорости вращения. Эти изменения количественно выражаются в… Q2/Q1=N2/N1; P2/P1=(N2/N1)2 ;

Экономия энергии.

Можно выполнить расчет потребляемой энергии для каждого из выше указанных методов управления и, соответственно, стоимость их эксплуатации. Для выполнения этих расчетов, нам потребуется график действительной нагрузки, (приводится в приложении 2 и характеристика вентилятора в приложении 1).

Как пример, здесь приведен простой анализ сравнения метода переменной скорости с методом выходного шибера. Для этого анализа будет использоваться характеристика вентилятора (из Приложении 2). Для нашего удобства примем, что выбранный вентилятор работает на 300 об\мин и 100% расхода равному 100000 GFM, как показано на схеме.

Примем следующий график нагрузки:

Расход (GFM),% Время работы, %

100 10

80 40

60 40

40 10

 

Требуемая мощность.

 

Для каждой рабочей точки мы можем получить значение требуемой мощности из характеристики вентилятора. Эта мощность умножается на процент времени ( деленный на 100%), в течение которого вентилятор работает в данной точке. Эти вычисления затем суммируются для получения «удельной мощности». Результат представляет среднее потребление энергии вентилятором.

Расход Время Мощность Уд. Мощность

100 10 35 3.5

80 40 35 14.0

60 40 31 12.4

40 10 27 2.7

Всего: 32.6

 

 

Метод переменной скорости.

Подобные расчеты выполнены и для метода переменной скорости. Поскольку, характеристика вентилятора не имеет достаточных данных для всех значений мощности наших рабочих точек, то для расчета, мы воспользуемся законом подобия.

Первая точка, полученная из характеристики вентилятора:

100% расхода равны 100% скорости и равны 35 л.с.

 

Формула расхода Q2/Q1=N2/N1 может быть подставлена в формулу мощности :

HP2/HP1=(N2/N1)³,

что нам дает:

HP2/HP1=(Q2/Q1)³.

Когда Q1=100% и HP1=35 л.с., то Q2и HP2будут иметь значения:

 

Q2 80 60 40

HP2 18 7.56 2.24

 

Эти расчетные значения соответствуют точкам на характеристике вентилятора. Теперь мы обладаем достаточной информацией для вычисления “удельной мощности”.

Расход Время Мощность Уд. Мощность

80 40 18 7.2 60 40 7.56 3.024 40 10 2.24 0.224

Типы приводов переменной скорости.

Имеется несколько типов приводов переменной скорости, которые могут применяться для работы вентиляторов. Это механические ременные установки, установки с электромагнитными муфтами, привода постоянного тока и частотно-регулируемые переменного тока.

 

ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ НА НАСОСАХ.

Насосы.

Для обсуждения вопросов связанных с насосами, нам необходимо сначала познакомиться с некоторыми терминами и обозначениями. Напор – измерение давления, обычно в футах водяного столба. (30 футов означает… Статический напор – давление, необходимое для преодоления сопротивления подъема жидкости в системе. (Подъем воды в бак…

Управление расходом.

характеристика насоса, которая является функцией физических характеристик насоса. Вторая, это характеристика системы. Эта характеристика зависит от диаметра и длины трубопровода, количества…  

Метод переменной скорости.

будем использовать законы подобия, изложенные ранее. Из этих законов мы можем видеть, что изменение расхода прямо пропорционально изменению… Q2/Q1=n2/n1  

Статический напор.

ФОРМУЛА СИСТЕМЫ – НАПОР = (РАСХОД)3 х К, где К – постоянная системы.

Итоги.

Данные примеры приведены для создания базовых понятий работы насосов и для показа, что имеются весьма значительные возможности экономии энергии при работе методом переменной скорости.

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТИ

Приводы.

При обсуждении работы вентиляторов и насосов преднамерено не заостряли внимание на типе применяемого привода. Это было сделано для того, чтобы при…