6 Системы автоматизированного электропривода
Управление электроприводами заключается в осуществлении пуска, регулирования скорости ,торможения, реверсирования, а также поддержания режима работы привода в соответствии с требованиями технологического процесса.
В простейших случаях пуск, регулирование скорости и торможение производятся при помощи аппаратов ручного управления. К ним относятся рубильники, пакетные выключатели, пусковые и регулировочные резисторы, контроллеры. Применение этих аппаратов связано с дополнительной затратой времени на управление и, следовательно, снижает производительность механизма, особенно в тех случаях, когда его работа связана с частыми пусками или регулированием скорости. Кроме того, применение аппаратов ручного управления исключает возможность дистанционного управления, что неприемлемо в ряде современных автоматизированных установок. В мощных электроприводах ручное управление затруднено или даже практически невозможно вследствие больших усилий, требующихся от человека для совершения переключений аппаратов.
Стремление устранить указанные недостатки ручного управления привело к созданию аппаратов полуавтоматического и автоматического управления.
История развития автоматизированного управления электроприводами в промышленности СССР неразрывно связана с общей индустриализацией страны, которая привела к широкому применению высокопроизводительных механизмов в самых различных областях народного хозяйства и к необходимости автоматического управления этими механизмами.
Автоматическое управление электроприводами является одним из основных усилий повышения производительности механизмов и производства продукции высокого качества. В системе управления электроприводом используется: релейно-контактные аппараты, где основными элементами являются различного рода реле, контакторы, путевые выключатели и др.; усилители, преобразовательные устройства и датчики - электромашинные, электромашинные, полупроводниковые ( транзисторные, тиристорные, интегральные) и т.п.; 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. Современные регулируемые электроприводы для автоматических линий и механизмов обычно строятся на полупроводниковых устройствах ( в приводах большой мощности в силовой части привода используются наряду с тиристорами и электромашинные преобразователи). На релейно-контакторную аппаратуру в таких приводах обычно возлагаются функции включения питания (подсоединение к сети) силовых блоков и блоков управления, защиты и ввода первоначальных и конечных команд в систему управления приводом. Но наряду с электроприводами, выполняющими сложные функции, в ряде случаев содержащими микропроцессоры или программные устройства управления, существует большое количество электроприводов, на которые возлагаются относительно простые функции. Это обычно нерегулируемые или регулируемые ступенчато в небольшом диапазоне электроприводы с невысоким быстродействием. В задачу систем управления таким электроприводом чаще всего входит организация пуска, торможения, перехода с одной ступени скорости на другую, реверса и осуществление этих операций в определенной последовательности во времени или по командам от рабочей машины, завершившей очередную технологическую операцию. Причем необязательно, чтобы система управления выполняла все эти функции: набор функций зависит от требований к приводу. Системы управления такими электроприводами обычно строятся на релейно-контактной аппаратуре при относительно небольшом числе срабатываний ее в час, а при большом числе срабатываний- на бесконтактной аппаратуре.
Перечисленные функции этих систем в большей своей части являются логическими, определенная очередность их выполнения, зависящая от соединения этих аппаратов между собой, представляет некоторую жесткую программу выполнения операций. Такую логическую связь, но более сложную, имеют системы управления электроприводами многих современных рабочих машин, в частности металлорежущих станков. Во многих случаях эта часть системы управления выполняется на релейно-контактной аппаратуре, иногда на бесконтактной или с использованием программируемых командоконтроллеров, позволяющих изменять последовательность выполнения операций.
Автоматическое управление электроприводами имеет большое народнохозяйственное значение потому, что оно дает возможность увеличить производительность труда, облегчить условия труда рабочего, улучшить качество продукции, уменьшить расход электроэнергии и повысить надежность работы производственных механизмов.
Автоматизация упрощает обслуживание механизмов, дает возможность осуществить дистанционное управление электроприводами. Последнее особенно важно там, где нельзя управлять двигателями в непосредственной близости по условиям территориального расположения машин или в связи с особенностями технологического процесса.
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, или собственно автоматических 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. Замкнутые системы автоматического управления являются более сложными, но в то же время и более совершенными, чем разомкнутые.
Для автоматического управления электроприводами применяются различные аппараты: контакторы, автоматы, регуляторы, реле, пускатели, контакторы, кнопочные станции, бесконтактные логические элементы, а также разного рода вспомогательные электрические машины и аппараты. Каждый из этих аппаратов состоит из ряда элементов: электромагнитной системы, создающей необходимое тяговое усилие; главных и вспомогательных контактов и т.п. С помощью проводов отдельные аппараты и их элементы электрически соединяются в общую систему, призванную осуществлять заданные операции в определенной последовательности.
Современные системы автоматического управления содержат десятки, а иногда даже сотни отдельных элементов, вследствие чего возникают известные трудности не только в процессе проектирования схем, но и в чтении схем. Поэтому начертание схем должно производиться по определенной системе, облегчающей их чтение.
Прежде всего отметим деление цепей в схемах на две категории: цепи главного тока и вспомогательные. К ц е п я м г л а в н о г о т о к а относятся силовые цепи двигателей и генераторов. Для облегчения чтения схем цепи главного тока можно вычерчивать утолщенными линиями. В с п о м о г а т е л ь н ы е ц е п и включают в себя цепи управления, где присоединяются катушки контакторов и реле, контакты реле, вспомогательные контакты контакторов и другие элементы аппаратов. Кроме того, к вспомогательным цепям относятся цепи защиты, сигнализации и цепи, связанные со специальными блокировками между отдельными электроприводами. Цепи вспомогательные изображаются тонкими линиями.
Релейно-контактные схемы управления пуском и реверсом электродвигателей постоянного и переменного тока
На рисунке 6.1 изображена схема прямого пуска на холостом ходу электродвигателя постоянного тока М. При включении выключателя Q напряжение подается на схему управления пуском. Под напряжением оказывается цепь « реле К2, обмотка возбуждения двигателя ОВ». Ток проходя по этой цепи вызывает включение реле К2 и как следствие замыкание контактов К2.1 в цепи реле К1, подготавливающих эту цепь к включению реле К1. Делается это для того, чтобы защитить электродвигатель от запуска при отсутствии магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения, что могло бы привести к выходу двигателя из строя.
При нажатии кнопки SB1 «Пуск» ток проходя по цепи реле К1, замкнутый контакт кнопки SB2( кнопка «Стоп») и замкнутый контакт К2.1 включает реле К1, которое замыкает свой контакт К1.2,блокирующий кнопку SB1, и контакт К1.1 в цепи электродвигателя М. Электродвигатель начинает вращаться. При нажатии кнопки SB2 «Стоп» реле К1 теряет питание и размыкает свой контакт в цепи двигателя К1.1. Электродвигатель останавливается.
ОВ
Рисунок 6.1
Q
К1.2
К2.2
К1.3
К2.3
М
К1
SB1
SB2
К2
К1.1
К2.4
SB3
K1.4
К2.1
Рисунок 6.2
На рисунке 6.2 изображен фрагмент схемы реверса электродвигателя постоянного тока по цепи якоря ( на схеме изображены только элементы, осуществляющие (реверс). Изменение направления вращения электродвигателя «реверс» производится путем изменения полярности напряжения на якоре двигателя.
При включении выключателя Q напряжение подается на схему управления двигателем. Нажатие кнопки SB1 «Вперед» приводит к срабатыванию реле К1, так как все остальные контакты в этой цепи замкнуты. При этом происходит блокировка кнопки SB1контатом К1.1, размыкается контакт К1.4 в цепи реле К2, препятствуя одновременному срабатыванию двух реле и замыкаются контакты К1.2 и К1.3, подающие напряжение на двигатель. Электродвигатель начинает вращаться «вправо».
При нажатии кнопки SB2 «Стоп» реле К1 теряет питание и двигатель останавливается.
Нажатие кнопки SB3 «Назад» приводит к смене полярности на двигателе, и двигатель начинает вращаться в противоположную сторону против часовой стрелки.
На рисунке 6.3 представлена схема пуска и реверса трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Реверс электродвигателя осуществляется путем изменения чередования фаз электродвигателя с помощью пускателя К2. При нажатии кнопки SB2 «Вперед» включается реле К1, которое своими контактами К1.1 блокирует кнопку SB2, контактами К1.2 размыкает цепь питания пускателя К2, предотвращая его одновременное срабатывание с К1, а контактами К1подает напряжение на двигатель и он начинает вращается по часовой стрелке. Нажатие кнопки SB1 «Стоп» приводит к отключению пускателя К1 и остановке двигателя.
Для реверса необходимо нажать кнопку SB2 сработает пускатель К2 и своими контактами К2 изменит чередование фаз на двигателе. Двигатель начнет вращаться в обратную сторону.
Рисунок 6.3
Замкнутые системы управления электроприводами
Современные системы замкнутого управления электроприводами, по необходимым выходным параметрам, предназначены также, как и ранее рассмотренные более простые разомкнутые системы релейно-контактного управления, для обеспечения автоматического режима пукска, торможения, реверсирования, регулирования скорости, момента и т.д.
Однако эти системы позволяют сформировать указанные режимы управления желаемым образом и связать их более точно с требованиями технологического процесса, обусловленного работой производственных механизмов.
В качестве примера на рисунке 6.4 представлена замкнутая по скорости система автоматического управления электродвигателем. Подобные системы предназначены для поддержания ( стабилизации) скорости двигателя при изменяющейся нагрузке на его валу. Система содержит электродвигатель- Д, устройство управления- УУ, датчик скорости вращения- ДС, усилитель-У устройство сравнения – УС. На вход системы подается сигнал задания по скорости- UЗ.
Система работает следующим образом. В устройстве сравнения системы автоматического регулирования производится суммирование сигнала задания по скорости с отрицательным сигналом обратной связи по скорости вращения. На вход управляющего устройства поступает сигнал равный разности этих двух сигналов. Если при установившейся скорости вращения на валу электродвигателя происходит увеличение нагрузки, то скорость его снижается, что вызывает снижение сигнала обратной связи по скорости- UЗ. В результате возрастает по величине разница UЗ- Uω и управляющее устройство формирует сигнал на компенсацию этого снижения.