4.2.5. Совершенствование средств измерения в электротехнике и электроэнергетике

В настоящее время происходит совершенствование устройств преобразования, хранения и выдачи информации о состоянии различных элементов ЭМС и изменении их координат. В развитии измерительных устройств, предназначенных для получения информации о состоянии технических устройств и систем, в настоящее время наблюдаются следующие тенденции их развития:

• расширяющееся применение разнообразных датчиков для контроля электромагнитных, механических и технологических переменных;

• стремление к использованию методов прямого измерения контролируемых переменных и установке датчиков в непосредственной близости от исполнительных органов рабочей машины;

• применение датчиков для контроля состояния электротехнического, механического и технологического оборудования с использованием полученной информации для его диагностики и оповещения операторов через компьютерные системы управления о текущем состоянии оборудования.

В современном электротехническом оборудовании постоянному контролю подвергаются:

• температура в коммутационных аппаратах, узлах электродвигателей, силовых элементов, подшипниковых опорах механизмов;

• уровни вибраций во всех функционально значимых механических узлах системы;

• зазоры механических передач;

• усилия и упругие моменты в механизмах;

• износ технологического оборудования.

Использование расширенной, достоверной информации о текущем значении управляемых координат электропривода и техническом состоянии оборудования позволяет реализовать высокоэффективные системы управления и диагностики электромеханических комплексов.

4.3. Задачи и проблемы дальнейшего повышения технического уровня современных электромеханических систем

Для успешного внедрения результатов выполненных к настоящему времени теоретических и экспериментальных исследований ЭМС необходимо использовать комплексные пути и программы:

• дальнейшего совершенствования силовых полупроводниковых приборов и технологии их производства;

• создания унифицированных конструкций комплектных полупроводниковых преобразователей и микропроцессорных устройств управления ими;

• повышения уровня автоматизации электромеханических систем и комплексов с переводом технологии и техники управления на микроэлектронную элементную базу, в том числе с использованием гибридных интегральных микросхем частного применения, микропроцессорных и программируемых контроллеров.

Решение этих задач зависит от степени использования элементной базы создаваемых ЭМС, в первую очередь силовых полупроводниковых приборов, которые определяют сегодня возможности реализации того или иного алгоритма управления и построения структуры привода, включая выбор типа преобразователя, рода тока.

Анализ показывает, что в настоящее время основой электроприводов переменного тока напряжением 380 В, мощностью до 400 кВт являются силовые транзисторы и модули на их основе. Приводы мощностью до 8–10 МВт проектируются на базе запираемых тиристоров различных типов и модулей с запираемыми тиристорами. Современные частотно-регулируемые электроприводы имеют обычно преобразователи с неуправляемыми выпрямителями на входе и инверторы с широтно-импульсной модуляцией, обеспечивая улучшенные энергетические показатели, повышенный КПД и лучший гармонический состав. Только самые мощные приводы и приводы с преобразователями с естественной коммутацией целесообразно выполнять в настоящее время с использованием тиристоров.

Преобразователи частоты, реализованные с использованием запираемых тиристоров, по сравнению с преобразователями на быстродействующих тиристорах с узлами искусственной коммутации имеют в 2,0–2,5 раза меньшие габариты и в 2,5–4,0 раза массу.

Значительная роль в совершенствовании современных электроприводов принадлежит широкому применению специализированных микропроцессорных контроллеров. Микропроцессорная техника открывает широкие возможности гибкого и эффективного управления электроприводами в самых различных применениях. Вместе с тем, очевидно, что по-настоящему серьезные успехи будут достигнуты лишь при учете специфики технологии и эксплуатации, т.е. при органическом сочетании новых возможностей со свойствами управляемых объектов. Исследования в области микропроцессорного управления ЭМС должны быть направлены на то, чтобы получить всесторонне обоснованные убедительные рекомендации по определению рациональных структур управляемых объектов, алгоритмов управления и наиболее целесообразных технических реализаций комплексов «управляемый объект – управляющее устройство». Теоретические исследования в этом направлении должны проводиться одновременно с накоплением и обобщением опыта практического использования микропроцессорной техники в различных отраслях.

Одним из характерных проявлений технического прогресса в технологической сфере является существенное усложнение законов движения рабочих органов машин и механизмов. Это усложнение связано главным образом с увеличением числа управляемых переменных в системе, а также с использованием различных систем координат (декартовой, цилиндрической, сферической), с возрастанием требований к точности воспроизведения движения, с ограничением взаимного влияния координат друг на друга. Решение подобных задач с применением вращающихся электрических машин часто приводит к неоправданно сложным кинематическим схемам и громоздким конструкциям, что тормозит совершенствование ответственных технологических машин. Прогрессивные технические решения заключаются в создании ЭМС, реализуемых с использованием специальных электромеханических преобразователей, способных осуществлять движение в плоскости, вращательно-поступательное движение и на сфере.

Оригинальные технические решения при создании ЭМС могут в ряде случаев базироваться на применении линейных двигателей переменного тока. Известны, например, достижения в области линейной тяги, в том числе создание транспортных устройств на базе асинхронного линейного двигателя со скоростью перемещения до 400 км/ч. Перспективными направлениями использования линейных двигателей являются различные технологические автоматы, в том числе промышленные роботы и манипуляторы. В связи с этим следует обратить внимание на разработку и организацию производства модулей линейных двигателей переменного тока, компоновка которых в технологических механизмах создает принципиально новые конструктивные возможности.

Революционный скачок в области силовой электроники и микропроцессорной техники обусловил новые подходы к реализации сложных многокомпонентных электромеханических систем. В электротехнике появилось и интенсивно развивается новое направление – мехатроника, которая аккумулирует достижения в области электроники, вычислительной техники, электрических машин, систем электропривода и механики. Мехатронные модули представляют собой компактные устройства со встроенными электронными преобразователями, электродвигателями, датчиками, механическими передачами. Такие модули в настоящее время стали широко использоваться в робототехнике, электронном машиностроении, лазерной технике, транспорте, подъемных механизмах, сфере быта.

Новые разработки элементов ЭМС, теоретические исследования позволяют создать новое поколение электроприводов высокого технического уровня. При этом особое внимание должно быть обращено на качество ЭМС, заводскую готовность, комплектную поставку, сервисное обслуживание, удельные показатели и себестоимость.

Из всех показателей, входящих в понятие «качество», следует особо выделить показатель надежности. Надежность – проблема комплексная и отражает свойства изделий, составляющих ЭМС. Поэтому необходимо разработать и реализовать комплекс мероприятий в сфере науки, производства, образования, направленных на коренное улучшение надежности работы ЭМС.

Существенной проблемой является заводская готовность электроприводов, ЭМС и их комплектная поставка. Она затрагивает не только интересы многих предприятий, поэтому пути её решения должны быть связаны с глубокими научными исследованиями, конструкторскими разработками, экономикой, ценообразованием, взаимоотношениями между производителем и потребителем.

Важная проблема – широко развитый сервис. С каждым годом ЭМС становятся все сложнее по выполняемым функциям, схемотехническим решениям и используемому оборудованию. Для эксплуатационного обслуживания и ремонта современных ЭМС необходимо разработать новые средства диагностики и иначе строить взаимоотношения производителя и потребителя.

Без решения указанных проблем дальнейшее развитие отечественных электротехнических систем и комплексов будет затруднено. При этом особо актуальными становятся вопросы надежности, долговечности и безремонтного обслуживания ЭМС, унификации, как основы рациональной эксплуатации, повышения КПД электродвигателей, трансформаторов, преобразователей, снижения массы, габаритов и стоимости всего электрооборудования. Эти задачи электротехническая промышленность наиболее эффективно может выполнить в содружестве с потребителями и научными организациями.

Электротехнические устройства и системы относятся к быстро прогрессирующим направлениям техники, поэтому необходимо уделять повышенное внимание поисковым работам, подготовке инженерных и научных кадров. Следует поднять важность и престижность поисковых работ.

Развитие и совершенствование ЭМС, усложнение выполняемых ими функций, резкое возрастание требований к качеству производимых операций, к экономичности, надежности и удобству в эксплуатации – все это предполагает совместное, комплексное рассмотрение совокупности элементов, образующих электропривод на всех стадиях: от проектирования до эксплуатации. Тесное творческое сотрудничество промышленных предприятий, научно-исследовательских и проектных организаций позволит успешно решать ответственные и сложные задачи развития теории и практики современного автоматизированного электропривода.