01_Абрамкин_ЭМЭиС_2019

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АД – асинхронный двигатель АЭП – автоматизированный электропривод

БУ ШД – блок управления шаговым двигателем ВУ – вычислительное устройство ДМ – датчик момента ДПТ – двигатель постоянного тока ДС – датчик скорости

ИО – исполнительный орган (или ось)

ИП – информационный преобразователь (устройство) КЗ – короткое замыкание КО – командная ось

КПД – коэффициент полезного действия КУ – компенсирующее устройство

ЛАЧХ – логарифмическая амплитудно-частотная характеристика МП – механический преобразователь НВ – независимое возбуждение ОУ – объект управления

ПВ – последовательное возбуждение ПУ – передаточное устройство РМ – рабочая машина РО – регулирующий орган

САУ – система автоматического управления СД – синхронный двигатель

СКВТ – синусно-косинусный вращающийся трансформатор СО – симметричный оптимум СУ – система управления ТО – технический оптимум

ТП – технологический процесс УЗП – устройство задания программы ШД – шаговый двигатель ЭД – электрический двигатель

ЭДС – электродвижущая сила ЭМС – электромеханическая система

ЭМП – электромеханические преобразователи ЭП – электрический привод

ЭУ – электротехническое устройство (преобразователь электроэнергии)

4

ВВЕДЕНИЕ

Электромеханические системы (ЭМС) являются неотъемлемой частью жизнедеятельности человека, они обеспечивают как бытовые, так и производственные процессы. Примерами бытовых ЭМС служат стиральные, посудомоечные и пищеобрабатывающие машины. Примеры производственных ЭМС многочисленны. Это эскалаторы в метро, насосное оборудование, вентиляционное оборудование, робототехника и т. п. Производственные ЭМС характеризуются наличием электрических приводов (или электроприводов), которые осуществляют перемещения исполнительных или регулирующих органов (ИО, РО) объектов управления (ОУ). Основным функциональным элементом электроприводов (ЭП) являются электрические двигатели (ЭД) постоянного и переменного токов. Перемещение ИО технологических объектов происходит в различных динамических режимах, соответственно для обеспечения этих режимов требуется управление ЭД. Управление ЭД характеризует работу ЭП и заключается в осуществлении пуска, торможения, реверсирования, а также регулирования скорости вращения, ускорения и положения ИО в соответствии с требованиями технологического процесса (ТП).

Целью автоматического управления ЭП является снижение энергопотребления, повышение производительности механизмов и получение продукции заданного качества. В системе управления (СУ) ЭП используются различные элементы: релейно-контактные аппараты, усилители, электромашинные и полупроводниковые преобразователи, контроллеры и компьютеры.

Выбор типа элементов, устройств и структуры СУ определяется задачами, для выполнения которых предназначен ЭП.

Разработка СУ регулируемых ЭП основывается на применении полупроводниковых преобразователей и контролеров. Релейно-контактная аппаратура в таком случае обеспечивает функции подачи электропитания, защиты, ввода первоначальных и конечных команд. Следует отметить, что существуют нерегулируемые ЭП или регулируемые ступенчато в небольших пределах. Системы управления такими ЭП обеспечивают пуск, торможение, реверс, переход с одной ступени скорости вращения на другую либо по команде оператора, либо по сигналу рабочей машины (РМ). Такие СУ разрабатываются на основе релейно-контактной или бесконтактной коммутационной аппаратуры. Это зависит от частоты и сложности переключений в ходе ТП.

5

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1. Общие понятия

Электромеханическая система – это совокупность механических и электротехнических устройств, объединенных общими силовыми электрическими цепями и (или) цепями управления, предназначенная для осуществления механического движения объекта.

Теоретические основы изучения ЭМС заложены в электромеханике. Электромеханика – область науки, изучающая взаимное преобразование механической и электрической энергии, а также преобразование электрической энергии с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами [1].

Основной разновидностью ЭМС является электропривод. С энергетической точки зрения он является главным потребителем электроэнергии. В настоящее время в развитых странах он потребляет более 60 % всей производимой электроэнергии [2]. В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе и посредством электропривода.

7

Электропривод – это ЭМС, 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 ТП [3]. Структурная схема автоматизированного электропривода (АЭП) представлена на рис. 1.1 [2], [4].

На схеме приняты следующие обозначения [3]:

ЭУ – преобразователь электрической энергии – электротехническое устройство, преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и/или показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и/или показателей качества. Преобразование параметров осуществляется по роду тока, напряжению, частоте, числу фаз и фазе напряжения.

ЭМП – электромеханический преобразователь – устройство (двигатель или генератор), которое предназначено для преобразования электрической энергии в механическую или обратно.

МП – механический преобразователь – механическая передача, предна-

значенная для передачи механической энергии от ЭД к ИО РМ и согласования вида и скоростей их движения.

ИП – информационное устройство – устройство, предназначенное для получения, преобразования, хранения, распределения и выдачи информации о переменных ЭП, ТП и сопредельных систем для использования в СУ ЭП и внешних информационных системах.

Управляющее устройство – устройство, предназначенное для формирования управляющих воздействий в ЭП.

Устройство сопряжения – совокупность электрических и механических элементов, обеспечивающих взаимодействие ЭП с сопредельными системами и отдельных частей ЭП.

Расшифруем некоторые понятия.

Рабочая машина – машина, изменяющая форму, свойства, состояние и положение предмета труда (робот, станок, антенная установка на спутнике и т. п.).

Исполнительный орган РМ – движущийся элемент РМ, выполняющий рабочую операцию (рука робота-манипулятора, ось антенной установки с антенной, колесо электромобиля и др.).

8

Система управления электропривода (СУ ЭП1) – совокупность управля-

ющих и информационных устройств и устройств сопряжения ЭП, предназначенных для управления электромеханическим преобразованием энергии с целью обеспечения заданного движения ИО РМ.

Система управления электроприводом (СУ ЭП2) – внешняя по отноше-

нию к ЭП СУ более высокого уровня, поставляющая необходимую для функционирования ЭП информацию.

Автоматизированный электропривод – это ЭП, в котором регулирование режимов работы осуществляется при помощи устройств автоматического управления (например, микропроцессоров, программируемых контроллеров). Существующие типы АЭП выполняют самые разнообразные функции – от сравнительно простых (автоматический пуск, останов, реверсирование механизма, поддержание или изменение с высокой точностью его скорости и т. п.) до управления сложными установками с комплексной автоматизацией технологических процессов. К важнейшим разновидностям АЭП относятся следящие электроприводы, позиционные, программно-управляющие и др. [5].

Опишем работу АЭП, представленного на рис. 1.1. Электропривод имеет 2 канала – энергетический и информационный. По первому транспортируется преобразуемая энергия (широкие стрелки на рис. 1.1), по второму осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика ее неисправностей (тонкие стрелки на рис. 1.1).

Энергетический канал в свою очередь состоит из двух частей – электрической и механической и обязательно содержит связующее звено – ЭМП.

В электрическую часть энергетического канала входят устройства ЭУ, передающие электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т. п.) к ЭМП и обратно и преобразующие при необходимости электрическую энергию.

Механическая часть состоит из подвижного органа ЭМП, МП и ИО установки, в котором полезно реализуется механическая энергия.

Электропривод взаимодействует с системой электроснабжения или источником электрической энергии, с технологической установкой или РМ и,

наконец, через ИП с информационной системой более высокого уровня СУ ЭП2, часто с человеком-оператором.

9