2.3. Системы управления саэп

Основные сведения

Управлением электроприводом называют выполнение при помощи схемы управле-

ния действий, имеющих целью поддержание или соответствующее из­менение режима ра-

боты привода в соответствии с технологическими особенностями работы механизма.

К таким действиям относятся следующие:

1. пуск;

2. остановку;

3. регулирование скорости;

4. электрическое торможе­ние;

5. реверсирование;

6. защиту электродвигателя от токов короткого замыкания и токов перегрузки;

7. защиту электропривода по снижению напряжения и др.

Cистемы управления электроприводами различаются ( классифицируются ) по ряду признаков, к основным из которых можно отнести:

1. уровень автоматизации;

2. элементную базу силовой части схемы управления;

3. возможности изменять в процессе эксплуатации алгоритм ( программу ) работы электропривода.

Ниже рассматриваются системы управления, соответствующие тому или иному признаку ( признакам ).

Уровни автоматизации

По уровню автоматизации различают 3 вида систем управления:

4. неавтоматизированные;

5. автоматизированные;

6. автоматические.

В неавтоматизированном электроприводе человек участвует на всех стадиях

управления электроприводом. Пример: электропривод вентилятора, управляемый при помощи поста управления с двумя кнопками «Пуск» и «Стоп». Оба действия – пуск и остановка, выполняет человек путём нажатия соответствующей кнопки.

В автоматизированном электроприводе функции управления разделены между человеком и управляющим устройством. Обычно человек задаёт программу работы электропривода, остальное же выполняет управляющее устройство.

Пример: электропривод грузовой лебёдки с 3-мя скоростями. Пусть оператор ( ле-

бёдчик ) резко перевёл рукоятку командоконтроллера из нулевого положения сразу в 3-е в направлении «Подъём». Двигатель при этом включится не на 3-й скорости, а на 1-й, что позволит избежать поломки редуктора, а далее разгон электродвигателя произойдёт посте-

пенно, с задержкой при переходе с 1-й скорости на 2-й, а затем со 2-й к 3-ю. Эту задержку обеспечивают два реле времени, входящие в состав управляющего устройства.

В автоматическом электроприводе роль человека сводится лишь к наблюдению за работой электропривода.

Пример: автоматический рулевой. На начальном этапе участие человека заключает-

ся в подаче питания на рулевой электропривод ( электромеханик ) и в выведении судна на требуемый курс, например, при помощи штурвала ( рулевой матрос или вахтенный помощ

ник капитана ). После этого на тумбе управления рулевым электроприводом ( мостик ) переключатель видов управления устанавливают в положение «Автомат». В зависимости от условий плавания, такой режим может длиться от нескольких часов до нескольких десятков суток.

Элементная база силовой части систем управления

Различают 4 вида элементной базы силовой части систем управления электроприво

дами:

1. контроллерная;

2. релейно-контакторная;

3. электромашинная;

4. бесконтактная.

Контроллерные системы управления

Эти системы состоят из исполнительного двигателя, контроллера и ящиков с пуско

выми или пускорегулировочными резисторами.

Контроллер – это аппарат управления ручного действия, предназначенный для коммутации ( переключения ) силовых цепей электродвигателей.

К силовым цепям относятся:

1. на постоянном токе – цепь обмотки якоря;

2. на переменном токе – цепь обмотки ротора.

По устройству различают 2 типа контроллеров:

1. барабанный с маховиком управления в виде щтурвала;

2. кулачковый с рукояткой управления, расположенной сбоку корпуса контрол-

лера.

Контроллеры располагают в непосредственной близости от электропривода, а имен-

но:

1. у грузоподъемных механизмов – на палубе стандерса рядом с лебедкой;

2. у якорно-швартовных устройств – на полубаке рядом с брашпилем или на кормо-

вой швартовной палубе рядом со шпилем.

Такое расположение контроллеров позволяет оператору непрерывно контролировать работу электроприводов.

Контроллерные системы применяют для управления электроприводами грузоподъ-

емных механизмов и якорно-швартовных устройств небольшой мощности – до 20…25 кВт.

Характерной особенностью этой системы управления является то, что исполнительные двигатели, приводящие в движение механизмы, получают питание непосредственно от судовой сети.

Релейно-контакторные системы управления

Эти системы применяют для управления нерегулируемыми и регулируемыми элект-

роприводами.

Нерегулируемые электроприводы имеют только одну скорость, регулируемые – две

и более.

Системы управления нерегулируемых электроприводов чаще всего состоят из испол

нительного двига­теля и нереверсивного ( реверсивного ) магнитного пускателя или магнитной станции ( станции управления ).

Снаружи корпуса ( коробки ) нереверсивного пускателя расположены кнопки управления «Пуск» и «Стоп», реверсивного – кнопки «Вперед», «Стоп» и «Назад».

Внутри нереверсивного пускателя находится один контактор, который называ-

ется линейным, т.к. при его включении обмотка статора асинхронного двигателя под

ключается к питающей сети при помощи линии электропередачи – кабеля.

Внутри реверсивного пускателя находятся два контактора, которые называются реверсивными, т.к. при их переключении двигатель реверсирует.

Контактором называется электромагнитный аппарат дистанционного дейст-

вия, предназначенный для коммутации силовых цепей электродвигателей.

К нерегулируемым относятся электроприводы насосов, вентиляторов, компрес-

соров и др. с одной скоростью.

Системы управления регулируемых электроприводов состоят из исполнительного двига­теля, командоконтроллера, станции управления и, при необходимости, ящиков с регулировочными резисторами.

Командоконтроллер – это аппарат управления ручного действия, предназначен-

ный для коммутации ( переключения ) цепей управления. К цепям управления отно-

сятся цепи катушек контакторов и реле.

На судах, как правило, применяют кулачковые командоконтроллеры с рукоят-

кой управления, расположенной сбоку корпуса командоконтроллера.

Командоконтроллеры, так же как и контроллеры, располагают в непосредствен-

ной близости от электропривода, что позволяет оператору осуществлять непрерывный кон-

троль за работой электропривода.

Конструктивно магнитная станция или станция управления – это металличе-

ский ящик с дверцами, внутри которого находятся коммутационно-защитные аппараты – контакторы, электромагнитные реле, автоматические выключатели, предохранители, тепловые реле и др.

Регулировочные резисторы включаются в силовые цепи электродвигателей и мо

гут находиться под током в течение продолжительного времени. Конструктивно сек-

ции регулировочных резисторов собираются в виде т.н. ящиков сопротивлений.

Магнитные станции и ящики сопротивлений размещаются в закрытых служеб-

ных помещениях, например, в электроприводе брашпиля – под палубой полубака ( т.е. на главной палубе ) и имеют закрытое от капежа исполнение ( IP 23 )/

Релейно-контакторные системы применяют для управления электроприводами

грузоподъемных механизмов ( грузовые лебедки и краны ) и якорно-швартовных уст-

ройств ( брашпили, шпили ) и др.

Характерной особенностью этой системы управления является то, что исполнительные двигатели, приводящие в движение механизмы, получают питание непосредственно от судовой сети.

Электромашинные системы управления

Электромашинной называется система управления, в которой между судовой сетью и исполнительным двигателем находится электромашинный преобразователь.

Электромашинным преобразователем называется двухмашинный агрегат, состоящий из приводного двигателя и генератора.

Приводной двигатель получает питание от судовой сети и вращает генератор. напряжение которого далее поступает к исполнительному двигателю.

На судах с электростанциями переменного тока в качестве приводных используют

ся 3-фазные асинхронные двигатели.

В качестве генераторов используют такие типы генераторов:

1. генераторы постоянного тока с независимым возбуждением нормального ( т.е. не специального ) исполнения;

2. синхронные генераторы переменного тока.

Различают следующие виды электромашинных систем управления:

1. система генератор – двигатель ( Г – Д ) ( см. ниже раздел 3. «Автоматизирован

ные электроприводы судовых технических средств» );

2. система Г - Д с питанием цепей возбуждения от электромашинного усилителя

( ЭМУ ), изображена на рис. 2.59, а. Электромашинные усилители ( ЭМУ ) представляют собой генератор постоянного тока независимого возбуждения специального исполнения.

3. система Д – СГ – АД ( приводной двигатель – синхронный генератор – исполнительный асинхронный двигатель ), изображена на рис. 2.59, б.

Рис. 2.59. Система Г- Д с каскадным возбуждением ( а ), система Д – Г – АД

( б ), асинхронно-вентильный каскад ( в ) и система МУ – Д ( г )

Систему генератор- двигатель ( Г—Д ) применяют в электроприводах мощно-

стью свыше 70…80 кВт с плавным регулирова­нием скорости в широких пределах – тяже-

ловесные лебедки и краны, брашпили, гребные электрические установки и др.

В этой системе генератор и исполнительный двигатель – это машины постоянного тока, цепи возбуждения которых питаются от возбудителя - генератора постоянного тока смешанного возбуждения нормального исполнения. Мощность возбудителя – не более 10% от мощности генератора..

В системе Г—Д с питанием цепей возбуждения от ЭМУ в качестве возбудителя

или подвозбудителя используется электромашинный усилитель - генератор постоянного тока независимого возбуждения специального исполнения.

Подвозбудителем называют генератор постоянного тока небольшой мощности, предназначенный для питания цепей возбуждения не генератора Г , а возбудителя генера

тора В ( рис. 2.59, а ).

В схеме на рис. 2.59, а якоря электромашинного усилителя ЭМУ, возбудителя генератора В и самого генератора Г сидят на одном валу с приводным асинхронным двигателем ПД.

Суть управления электроприводом в такой системе состоит в следующем: при изменении тока в независимой обмотке возбуждения ЭМУ ( не показана ) напряжение на выходе ЭМУ также изменяется, поэтому изменяется ток в обмотке возбуждения ОВВ воз-

будителя генератора ОВГ. В результате напряжение генератора Г изменяется, что приводит к изменению скорости исполнительного двигателя Д.

Таким образом, в данной схеме используются два возбудителя:

1. подвозбудитель ЭМУ , предназначенный для возбуждения возбудителя генерато-

ра В;

2. возбудитель генератора В, предназначенный для возбуждения непосредственно генератора В.

Подобная двухступенчатая система возбуждения ( сначала возбуждается возбуди

тель, который, в свою очередь, возбуждает генератор ), называется каскадной системой возбуждения.

Она применяется для возбуждения крупных генераторов и двигателей и позволяет уменьшить габаритные размеры аппаратов и облег­чить процесс управления.

На рис. 2.59, а , генератор приводится во вращение приводным асинхронным двигателем. На судах с электродвижением, где мощность генератора составляет сот-

ни – тысячи кВт, причем генератор приводится во вращение дизелем.

Электромашинная система Д – СГ - АД ( двигатель – генератор – асинхрон-

ный двигатель ) применяют для плавного изменения скорости нескольких асинхронных двигателей в многодвигательных приводах с одина­ковым режимом работы двигателей ( рис. 2.59, б ).

Суть управления электроприводом в такой системе состоит в следующем: при изме

нении скорости приводного двигателя постоянного тока Д изменяется частота тока на вы-

ходе синхронного генератора СГ, что, в свою очередь, приводит к изменению скорости исполнительных асинхронных двигателей АД.

Такие системы управления громоздки из-за наличия 2-х электрических машин ( приводной двигатель Д и синхронный генератор СГ ), имеют низкий коэффициент полез-

ного действия из-за двухкратного преобразования энергии ( в приводном двигателе элек-

рическая энергия превращается в механическую, в синхронном генераторе – механическая энергия превращается в электрическую ).

Поэтому настоящее время такие системы вытеснены статическими ( неподвиж-

ными ) бесконтактными системами, в которых используются тиристорные преобразо

ватели частоты.

Бесконтактные системы управления

В бесконтактных системах управления в качестве бесконтактных элементов используются полупроводниковые приборы – лиоды и тиристоры, а также магнит-

ные усилители.

В качестве бесконтактных применяются системы двух видов:

1. система с использованием асинхронно-вентильного каскада;

2. система МУ - Д ( магнитный усилитель – двигатель );

3. тиристорные преобразователи постоянного тока;

4. тиристорные преобразователи частоты.

В схеме асинхронно-вентильного каскада ( рис. 2.59, в ) исполнительный асинхронный двигатель АД питается от сети 3-фазного переменного тока. Обмотка ротора этого двигателя включена последовательно с выпрямителем В, реактором Р и инвертором И

Выпрямитель В предназначен для преобразования переменного тока обмотки ротора в постоянный.

Реактор Р предназначен для получения необходимого значения выпрямленно-

го тока ротора и ограничения пульсаций этого тока.

Инверторы предназначены для преобразования постоянного тока в перемен-

ный, но могут работать и в обращенном режиме, т.е. как выпрямители.

При работе асинхронного двигателя АД в двигательном режиме инвертор И

преобразует пониженное при помощи трансформатора Тр переменное напряжение в напряжение постоянного тока ( выпрямленное ). Последнее вводится в цепь ротора встречно с выпрямленной ЭДС обмотки ротора.

Чем больше это напряжение, тем ток в цепи обмотки ротора меньше, и тем меньше скорость двигателя.

При работе асинхронного двигателя в генераторном режиме, например, при спуске тяжелого груза, кинетическая энергия движущегося груза преобразуется в электрическую энергию в обмотке ротора.

В таком генераторном режиме инвертор преобразует электроэнергию постоян-

ного тока обмотки ротора в электроэнергию переменного тока, которая через транс-

форматор Т возвращается в судовую сеть.

Процесс возвращения электроэнергии в питающую сеть называется рекупера-

цией электроэнергии.

В системе магнитный усилитель – двигатель ( МУ – Д ) переменное напряже

ние судовой сети преобразуется в постоянное напряжение при помощи выпрямителя

Вп. Далее выпрямленное напряжение поступает на обмотку якоря двигателя постоянно-

го тока М через рабочие обмотки магнитного усилителя МУ ( каждая изображена в виде трех полуокружностей ). Эти обмотки выполняют роль регулировочных резисторов.

Суть процесса регулирования скорости двигателя М состоит в следующем: при увеличении тока в обмотках управления магнитного усилителя МУ ( не показаны на схеме ) при помощи схемы управления сопротивление рабочих обмоток уменьшается, что приводит к увеличению напряжения на якоре двигателя М, а значит, к увеличению его скорости.

Такие системы применяются для регулирования скорости двигателей постоянно-

го тока небольшой мощности ( несколько десятков Вт ) в системах судовой электроав-

томатики.

Статические тиристорные преобразователи применяются в регулируемым электро-

рриводах постоянного и переменного тока.

Системы управления с тиристорными преобразователми постоянного тока

( ТП ПТ ) предназначены для преобразования переменного напряжения судовой сети в выпрямленное, которое далее поступает к исполнительному двигателю постоянного тока

( рис. 2.60, а ).

Рис. 2.60. Тиристорные преобразователи: а – постоянного тока; б – переменного

тока с изменением на выходе только частоты переменного тока; в - переменного тока с изменением на выходе как частоты, так и напряжения по закону / = const

Для изменения скорости двигателя предусмотрена возможность регулирования вы-

прямленного напряжения, поэтому такой преобразователь имеет второе название – управ-

яемый выпрямитель..

Электроприводы с тиристорными преобразователями постоянного тока называются электрическими установками двойного рода тока, т.к. в них используются два вида тока – переменный на входе преобразователя и постоянный на его выходе.

Эти системы применяют в электроприводах мощных ( свыше 100 кВт ) грузоподъ-

емных механизмов и якорно-швартовных устройств, а также автоматических швартовных лебедок ( последние относятся к судовым специализированным устройствам ).

Системы управления с тиристорными преобразователми переменного тока

( рис. 2.60, б, в ) предназначены для преобразования переменного тока судовой сети на входе преобразователя в переменный ток регулируемой частоты на его выходе , который далее поступает к исполнительному двигателю переменного тока.

Поэтому этот тип тиристорных преобразователей имеет второе название – тиристор

ные преобразователи частоты ( ТПЧ ).

ТПЧ по способу изменения напряжения на выходе делятся на 2 вида:

1. напряжение на выходе преобразователя не регулируется ( рис. 2.60, б );

2. напряжение на выходе преобразователя регулируется одновременно с измене-

нием частоты тока на выходе по закону / = const.

Первый тип ТПЧ на практике применяется крайне редко, т.к. при разгоне двигателя по мере увеличения частоты тока ( при неизменном напряжении ) критический момент

двигателя

непрерывно уменьшается.

Это может привести к прекращению разгона двигателя и его остановке с переходом в режим стоянки под током. Поскольку ток стоянки равен пусковому, который в 4…7 раз больше номинального, обмотка статора двигателя быстро перегревается и может сгореть

( если не сработает тепловая защита ).

Второй тип ТПЧ широко применяется в электроприводах грузоподъемных механиз

мов и якорно-швартовных устройств, т.к. при разгоне двигателя по мере увеличения часто

ты тока одновременно увеличивается напряжение на выходе ТПЧ, поэтому критический момент двигателя не изменяется:

= const.

3. по возможности изменять алгоритм ( программу ) работы электропривода в про-

цессе эксплуатации.

Системы управления с жесткими и гибкими алгоритмами

По возможности изменять в процессе эксплуатации алгоритм ( программу ) работы электропривода системы управления делятся на два вида:

1. с жестким алгоритмом ( жесткой логикой );

2. программируемые ( микропроцессорные ).

К системам управления с жесткой логикой относятся все рассмотренные выше си-

стемы.

У таких систем невозможность изменения алгоритма работы электропривода объ-

ясняется тем, что все элементы систем, например, командоконтроллеры, пускатели, маг-

нитные станции и т.п. выполнены в виде изделий, устройство которых в процессе эксплу-

тации изменить нельзя.

К программируемым системам управления относятся такие, в состав которых вхо-

дит микропроцессор. Такие системы называются системами PLC ( Programmable Logic

Control – управляющее логическое устройство с возможностью изменения программы )

или микропроцессорными системами управления ( МПСУ ).

Микропроцессорные системы управления

Эти системы активно внедряются на современных судах.

Применяемые релейно-контакторные системы управления имеют в своем составе

командоконтроллер, предназначенный для переключения цепей управления.

В процессе эксплуатации порядок переключения этих контактов изменять нель

зя, т.е. для каждого отдельного электропривода нужен индивидуальный командоконт-

роллер. Иначе говоря, командоконтроллер, например, лебедки нельзя использовать для управления брашпилем.

Часто говорят, что контактные командоаппараты, в том числе командоконтрол-

леры, имеют «жесткую логику». Поэтому они не созда­ют гибкости в работе и не реша-

ют задачи оптимизации процессов.

Такие недостатки отсутствуют у программируемых устройств логического управ

ления. К ним отно­сятся микропроцессоры и построенные на их основе микроЭВМ, а также программируемые контроллеры ( ПК ).

Если в релейно-контакторных системах управления ЭП используют аналоговые регуляторы с фиксированными уставками срабатывания ( например, тепловые реле,

реле температуры, уровня и т.п. ), то в микропроцессор­ных системах применяется циф

ровая информация в двоичном коде.

Источником информации о состоянии электропривода являются датчики тока, напряжения, температуры, скорости и др.

Для обработки информации внутри микропроцессора сигналы с этих датчиков преобразуются в цифровой двоичный код при помощи аналого-цифровых преобразова-

телей ( АЦП ).

При этом процесс преобразования обычно осущест­вляется в 3 этапа:

1. преобразование сигналов разной физической природы ( тока, напряжения, температуры, скорости и т.п. ) в напряжение постоянного тока;

2. так называемая нормализация сигнала, имеющая целью улучшение качества сигнала, повышение достоверности содержащейся в сигнале информации.

Нормализация заключается в усилении сигнала, подавлении и фильтрации по-

мех, согласовании уровня сигнала с номинальным уровнем преобразователя аналог-код

3. собственно аналого-цифровое преоб­разование, которое заключается в преобра-

зовании напряжения постоянного тока после его нормализации в двоичный код.

В качестве примера рассмотрим структурную схему микропроцессорной системы управления тиристорным электроприводом ( рис. 2.61 ).

Рис. 2.61. Структурная схема микропроцессорной системы управления тиристор-

ным электроприводом

В состав микропроцессорной системы управления ЭП входят следующие блоки и

устройства:

1. устройство связи УС со старшей по иерархии ЭВМ ( например, с общесудо

вой на мостике или с оператором.

В УС используются преобразователи кодов, пульт управления с устройством отображения информации ( дисплеем, принтером и т.п. );

2. управляющее вычислительное устройство УВУ, состоящее из аппаратных

средств АС ( hard ware ) и программного обеспечения ПО ( soft ware ).

Аппаратные средства ( т.н. «железо» ) - это комплекс жестко связанных между

собой логических автоматов, который за счет использования специальных прог­рамм становится функциональным узлом специфического примене­ния.

В системе управления УВУ занимает центральное место, вырабатывая управляю

щие сигналы на основании директив, посту­пающих через УС от ЭВМ следующего по иерархии уровня и сигналов с датчиков, установленных в устройствах, которые пере­числены ниже;

3. устройство жесткой логики УЖЛ, представляющее собой систе­му отдельных жестко связанных ( электрически соединенных ) блоков управляющей аппаратуры. Эта аппаратура служит для автономного управления процессом в случае выхода из строя ЭВМ, а также при необходи­мости вмешательства обслуживающего персонала в ходе управле­ния процессом.

В ряде случаев эти блоки или часть их участвуют в автоматическом режиме рабо-

ты, если от системы требуется высо­кое быстродействие.

Выходные сигналы УЖЛ поступают на входы источника питания ИП и силово-

го преобразователя СП;

4. управляемый источник силового питания, в качестве которого может быть уп-

равляемый или неуправляемый выпрямитель.

В отдельных типах тиристорных преобразователей функции ИП и СП совмеща-

ют.

Утолщенными ( жирными ) стрелками на рис. 2.61 отмечено направление потока электроэнергии в двигательном и рекуперативном режимах, светлыми ( тлнкими ) – по

токи информации.

Управляющие сигналы ИП полу­чает от УВУ и УЖЛ, в обратном направлении сле

дует диагности­ческая и сигнальная информация;

5. силовой преобразователь СП, обычно представляющий управ­ляемый выпря-

митель в установках двойного рода тока или инвертор в преобразователе частоты.

Поток электроэнергии в СП также 2-сторонний (в зависимости от режима рабо

ты двигателя – двигательного или генераторного ).

Управляющие сигналы поступают от УЖЛ и УВУ, а в обратном направлении следует диагностическая и сигналь­ная информация;

6. электродвигатель ЭД, включающий в себя, кроме двигателя, также датчики

скорости, тока и температуры обмоток;

7. передаточное устройство механизма ПУМ и рабочий орган РО механизма (например, в электроприводе лебедки передаточное устройство – редуктор, рабочий орган – грузовой барабан ).

Рассмотрим процесс прохождения информации в системе управления электро-

приводом.

Основным информа­ционным и управляющим компонентом системы является УВУ, в качестве которого могут применяться микроЭВМ или программи­руемый конт-

роллер.

На входы УВУ информация поступает от ЭВМ соседнего по иерархии уровня. Связь УВУ с устройствами системы осуществляется с помощью аналоговых, цифровых и импульсных сигналов.

Для этого в состав УВУ вводятся аналого-цифровые, цифроаналоговые, цифро-

импульсные, импульсно-цифровые преоб­разователи.

Для связи с оператором применяются устройства вво­да-вывода: пульт с дисплее

ем или без него, печатающее устройство и т. п.

На УВУ поступает информация с датчиков о ходе процессов и состоянии пара

метров ИП и СП. Эта информация используется для коррекции управляющих сигналов и для контроля работоспособ­ности.

Двигатель, передаточное устройство и рабочий орган также оборудуются датчи-

ками состояния. Информация с них постоянно или по запросу подается на УВУ, где используется в качестве сигналов обратных связей или диагностических сообщений.

Рассмотренная структурная схема микропроцессорной системы управления может

быть использована и в гидравлических электроприводах, например, палубных кранов, по-

степенно вытесняющих тиристорные электроприводы.

Более подробное описание такой МПСУ приведено ниже применительно к электро

гидравлическим палубным кранам типа KL ( производства Федеративной Республики Германия ).