ВЭМС_ЗФ_2014 / ВЭМС_1-3_2014

11

звеном постоянного тока на тиристорах, были разработаны принципы автоматического управления электроприводами с преобразователями частоты. Опубликованные в начале 70-х гг. работы Ф. Блашке (ФРГ) положили начало созданию систем асинхронного электропривода с ориентацией по магнитному полю с векторным управлением (система «Трансвектор»). Появились работы в области частотно-токового управления асинхронным приводом.

Вте же годы проводятся исследования и разработки дискретного электропривода с шаговыми двигателями, получившие широкое внедрение в металлургической, станкостроительной и других отраслях промышленности и признание технической общественности и заложившие основы дальнейшего развития новых типов регулируемого электропривода.

Вэтот же период развивается электропривод с вентильными двигателями,

вкоторых коллектор заменяется группой полупроводниковых ключей, коммутирующих обмотки и управляемых в функции положения ротора.

В60-70-е гг. XX века был практически реализован ряд эффективных идей

вобласти систем управления электропривода, среди которых идея, предложенная еще в середине 50-х гг. Кесслером (ФРГ) и состоящая в подчиненном регулировании координат электропривода с последовательной коррекцией. В этот период были успешно решены проблемы синтеза сложных и взаимосвязанных электромеханических систем, где в полной мере использовались идеи подчиненного регулирования координат.

Большое внимание уделялось проблемам электромагнитной совместимости электропроводов с питающей сетью.

Новую эру в сфере управления электроприводами ознаменовало создание

в1971 г. однокристального микропроцессора Intel 4004 и программируемого логического контроллера (ПЛК) РDР 14. Которые начали вытеснять использовавшиеся ранее контактные и бесконтактные реле; к 80-м гг. XX века схему управления на восьми и более реле стало экономически целесообразно заменять ПЛК. ПЛК обладает высокой гибкостью при отладке, не зависит от объекта управления, снижает расходы на разработку, программирование, тестирование и запуск изделия, очень компактен, имеет высокую надежность, упрощает обслуживание системы привода. ПЛК может производить вычисления, обеспечивать регулирование, принятие решений, наблюдение за отработкой алгоритма управления. По мере развития микропроцессорных средств управления и ПЛК изменялась информационная часть электропривода: резко наращивались функциональные возможности в управлении координатами, во взаимодействии нескольких систем между собой и с внешней средой, в детальной диагностике состояния и защите всех элементов привода от любых нежелательных воздействий,

ВXXI веке завершился переход на цифровую элементную базу в электроприводе. Универсальные и специализированные микроконтроллеры применяются практически во всех разработках ЭП. При этом разрабатываются новые алгоритмы, позволяющие реализовать практически любые сложные законы регулирования, ранее считавшиеся нерациональными, обеспечить

12

новые потребительские свойства, такие как адаптацию под новые или изменяющиеся условия применения, самонастройку и оптимизацию регуляторов, контроль, диагностику и удобное для пользователя дистанционное или местное управление. Большое внимание уделяется точности математического описания процессов в электроприводе, построению систем управления ЭП с наблюдателями состояния, представляющими собой динамическую модель объекта управления, что позволяет реализовать «бездатчиковое» регулирование в сложных динамических системах за счет автоматической идентификации параметров электропривода в процессе его функционирования.

Внастоящее время идет интенсивное развитие всех компонентов электропривода: электрических двигателей, силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе, микропроцессорных средств управления.

Развитие электрических двигателей идет в направлениях:

- расширения парка электродвигателей специализированных исполнений

имодификаций, объектно-ориентированных для конкурентных условий применения;

- наилучшего сочетания двигателей и преобразователей; - повышения КПД, снижения материалоемкости, улучшения

виброакустических характеристик; - повышения защищенности и надежности;

- соответствия двигателей международным стандартам.

Расширяются как диапазон мощностей двигателей, так и диапазон их скоростей.

Вмикрооптике, в микромеханике, микроэлектронике применяются планарные электростатические микродвигатели мощностью до 10-4 Вт, скоростью до 50 000 об/мин, изготавливаются сегнетоэлектрические шаговые двигатели с шагом в десятки ангстрем. Высокоскоростные электрошпиндели имеют асинхронные двигатели мощностью в десятки киловатт с рабочими скоростями до 150000 об/мин. В электроприводах компрессов мощность двигателей достигает десятков мегаватт.

Вобласти силовых преобразователей основными направлениями развития силовых полупроводниковых приборов являются:

- улучшение характеристик всех типов силовых полупроводниковых приборов;

- расширение парка силовых «интеллектуальных» модулей.

Всовременных ЭП применяются тиристоры (SCR) в преобразователях до 20 МВт напряжением до 15 кВ, запираемые тиристоры (GTO, IGCT, SGCT) в мощных, высоковольтных преобразователях до 6 кВ, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) в преобразователях до 3,2 МВт и напряжением до 4 кВ (в перспективе до 6 кВ); силовые полевые транзисторы (MOSFET) в преобразователях до 10 кВт напряжением до 200 В.

13

В диапазоне мощностей от единиц до сотен киловатт наиболее широкое применение находят двухзвенные преобразователи частоты с автономным инвертором напряжения, которые обеспечивают практически синусоидальный ток в обмотках статора двигателя и широкий диапазон выходных частот.

Особое значение в настоящее время приобретают разработки в области высоковольтных преобразователей для частотно-регулируемых электроприводов, где важными задачами являются:

-обеспечение электромагнитной совместимости автономного инвертора и двигателя, что позволяет использовать стандартные двигатели без их разгрузки по мощности;

-обеспечение электромагнитной совместимости преобразователей с системой электроснабжения и соответствия показателей качества электроэнергии действующим стандартам;

-расширение возможностей, предоставляемых заказчику для различных технологических применений.

Наряду с разработками электроприводов непосредственными преобразователями частоты (НПЧ-АД), тиристорными преобразователями частоты с автономными инверторами интенсивно ведутся разработки высоковольтных преобразователей частоты с использованием IGBT. В настоящее время работы ведутся в направлениях:

-последовательного соединения инверторов, питающихся от отдельных обмоток разделительного трансформатора;

-двухтрансформаторных схем с низковольтными ПЧ;

-многоуровневых инверторов с последовательным соединением ключей в стойке и различными уровнями напряжения питания инвертора, обеспечиваемыми последовательно включенными конденсаторами в звене постоянного тока;

-интегрированных электроприводов переменного тока с разделением статорных обмоток электрических двигателей на низковольтные секции и питанием этих секций от низковольтных секций преобразователя.

Основными направлениями развития микропроцессорных средств являются:

-адаптация элементной базы к конкретной области применения, например, создание изделий типа Motor Control, специально предназначенных для управления двигателями;

-рост производительности микроконтроллеров за счет совершенствования структуры центрального процессора и увеличения тактовой частоты;

-увеличение объема памяти программ и данных;

-модификация системы команд под требования потребителя;

-интеграция на кристалле микроконтроллера периферийных устройств, обеспечивающих интерфейс с силовой частью объекта управления и датчиками.

14

Развитие микропроцессорных средств обеспечивает построение электроприводов с функциями прямого цифрового управления, обеспечивающих решение большинства типовых задач управления программным способом, интеграцию электропривода в систему комплексной автоматизации. Электропривод наряду с основной задачей (регулирование координат и воспроизведение требуемых законов движения) решает задачи связи с оператором и верхним уровнем управления (АСУТП), контроля и диагностики как собственно электропривода, так и приводимого им в действие механизма и др.

Интенсивное развитие автоматизации в самых различных отраслях промышленности сопровождается предложениями фирм-поставщиков полного набора средств автоматики - регулируемых электроприводов, датчиков, программируемых контроллеров, сетевых коммуникаций, в том числе беспроводных, средств визуализации, программного обеспечения и т.п.

На базе совершенствования и повышения эффективности электроприводов расширяются и технологии их применения в следующих направлениях:

-расширения области применения регулируемых электроприводов, что обусловлено возросшей актуальностью проблемы энерго и ресурсосбережения,

атакже развитием СИСТСМ автоматического управления технологическими процессами и требованием улучшения технологических характеристик механизмов;

-расширения применении электроприводов в транспортных, бытовых и автономных объектах;

-увеличения доли электроприводов переменного тока, и, прежде всего, частотно-регулируемого асинхронного электропривода, а также появление новых типов электроприводов, например, вентильноиндукторного привода;

-развития интегрированных электромеханических устройств, в которых функционально и конструктивно объединены электродвигатели с электрическими преобразователями и управляющими устройствами;

-создания мехатронных модулей двигателя, в которых двигатель введен в

узел рабочей машины (электрошпиндель, мотор-колесо, поворотный стол и т.д.), а также модулей движения различных типов (линейные, линейные «уголкового» типа, поворотные, двухосевые модули с интеграцией поворотного и линейного движения, многоосевые);

-интеллектуализация электроприводов за счет применения интеллектуальных силовых модулей и развитых микропроцессорных средств с программным обеспечением, позволяющих идентифицировать параметры электропривода, осуществлять самонастройку регуляторов, адаптацию к изменению параметров, развитую диагностику, что делает электропривод более контролируемым; новых способов управления на базе прогнозирования, фаззилогики, нейронных сетей и генетических алгоритмов, что делает электропривод обучаемым; сетевых технологий, в том числе и беспроводных, позволяющих обеспечить связь как между отдельными модулями электропривода, так и с

15

системами управления более высокого уровня, что делает электропривод коммуникабельным.

1.4 Классификация ЭМС

Классификация систем ЭП выполняется по следующим принципам: а) по виду механического движения:

- электропривод вращательного движения - ЭП, обеспечивающий вращательное движение исполнительного органа рабочей машины;

- электропривод поступательного движения ЭП, обеспечивающий поступательное линейное движение исполнительного органа рабочей машины;

-электропривод возвратно-поступательного (вибрационного) движения ЭП, обеспечивающий возвратно-поступательное (вибрационное) движение исполнительного органа рабочей машины;

-электропривод непрерывного движения - ЭП, обеспечивающий непрерывное движение исполнительного органа рабочей машины;

- электропривод дискретного движения ЭП, обеспечивающий дискретное перемещение исполнительного органа рабочей машины (пример - шаговый привод стрелок часов);

- реверсивный электропривод ЭП, обеспечивающий движение исполнительного органа рабочей машины в любом из двух противоположных

исполнительного органа рабочей машины только в одном направлении; б) по функциональному назначению:

- моментный электропривод ЭП, обеспечивающий заданный момент или усилие на исполнительном органе рабочей машины;

- позиционный электропривод ЭП, обеспечивающий перемещение и установку исполнительного органа рабочей машины в заданное положение;

-регулируемый электропривод - ЭП, обеспечивающий управляемое изменение координат движения исполнительного органа рабочей машины;

-нерегулируемый электропривод - ЭП, не обеспечивающий управляемое изменение координат движения исполнительного органа рабочей машины;

- многоскоростной электропривод ЭП, обеспечивающий движение исполнительного органа рабочей машины с любой из двух или более фиксированных скоростей;

- многокоординатный электропривод - ЭП, обеспечивающий движение исполнительного органа рабочей машины по двум или более пространственным

согласованное движение двух или более исполнительных органов рабочей машины;

исполнительного органа рабочей машины, выполняющего вспомогательную

исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно

перемещение исполнительного органа рабочей машины в соответствии с

управления которого входят средства, не допускающие изменения программы без изменения аппаратуры и структуры электропривода;

-адаптивный электропривод - ЭП, автоматически избирающий структуру и/или параметры своей системы управления при изменении возмущающих воздействий;

-электропривод с регулированием энергетических показателей - ЭП, работающий с заданным законом изменения одного или нескольких своих энергетических показателей;

-неавтоматизированный электропривод - ЭП, все операции управления которым выполняет оператор;

-автоматизированный электропривод - ЭП, часть операций управления в котором выполняют соответствующие устройства управления без участия оператора;

-электропривод с общим суммирующим усилителем - регулируемый электропривод, в преобразовательном информационном устройстве которого сигналы управляющего воздействия и обратных связей по регулируемым координатам электропривода суммируются на одном общем усилителе;

-электропривод с подчиненным регулированием координат - регулируемый электропривод, в управляющем устройстве которого регуляторы по числу регулируемых координат электропривода соединяются последовательно, образуя систему замкнутых контуров регулирования, в которой выходной сигнал регулятора внешнего контура является входным сигналом регулятора внутреннего, подчиненного ему, контура;

г) по физическим принципам преобразования электрической энергии в механическую:

-электромашинный электропривод - электропривод, в котором преобразование электрической энергии в механическую осуществляется электрическими машинами на основе взаимодействия электромагнитных полей

ипроводников с током;

17

-электромагнитный электропривод - электропривод, в котором преобразование электрической энергии в механическую осуществляется устройством на основе взаимодействия электромагнитного поля и ферромагнитных тел;

-электростатический электропривод - электропривод, в котором преобразование электрической энергии в механическую осуществляется устройством на основе взаимодействия электростатического поля и электрических зарядов;

-пьезоэлектрический (магнитострикционный) электропривод электропривод, в котором преобразование электрической энергии в механическую осуществляется устройствами на основе пьезоэлектрического [магнитострикционного] эффекта;

д) по структуре ЭП:

-электропривод с разомкнутой (замкнутой) системой управления электропривод, в котором отсутствует (имеется) обратная связь по регулируемой координате электропривода или по возмущению, воздействующая на управляющее устройство;

-электрический вал - взаимосвязанный электропривод, обеспечивающий синхронное движение двух или более исполнительных органов рабочей машины, не имеющих механической связи;

-редукторный (безредукторный) электропривод - электропривод, механическая передача которого содержит (не содержит) редуктор;

-маховичный электропривод - электропривод вращательного движения, механическая передача которого содержит маховик;

-дифференциальный электропривод - многодвигательный электропривод,

укоторого скорость и момент на исполнительном органе рабочей машины алгебраически суммируются с помощью механического дифференциала;

-групповой электропривод - электропривод с одним электродвигателем, обеспечивающий движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины;

-индивидуальный электропривод - электропривод, обеспечивающий движение одного исполнительного органа рабочей машины;

-взаимосвязанный электропривод - два или несколько электрически или механически связанных между собой электроприводов, при работе которых поддерживается заданное соотношение их скоростей и/или нагрузок, и/или положения исполнительных органов рабочих машин;

-многодвигательный электропривод - электропривод, содержащий несколько электродвигателей, механическая связь между которыми осуществляется через исполнительный орган рабочей машины;

-электрический каскад - регулируемый электропривод с асинхронным двигателем с фазным ротором, в котором энергия скольжения возвращается в электрическую сеть;

18

-электромеханический каскад - регулируемый электропривод с асинхронным двигателем с фазным ротором, в котором энергия скольжения преобразуется в механическую и передается на вал этого двигателя;

-электропривод с общим преобразователем - электропривод, преобразователь электроэнергии которого питает два или несколько двигателей;

-электропривод с аналоговым преобразователем - электропривод, выходные координаты преобразователя электроэнергии которого принимают любые значения от нуля до максимально допустимого;

-электропривод с релейным преобразователем - электропривод, выходные координаты преобразователя электроэнергии которого принимают два или три фиксированных значения;

-электропривод с импульсным преобразователем - электропривод, преобразователь электроэнергии которого периодически с регулируемой скважностью включает и отключает подводимое к электродвигателю напряжение или изменяет параметры электрической цепи двигателя;

-электропривод с инвертором тока (напряжения) - электропривод переменного тока, преобразователь электроэнергии которого содержит инвертор тока [напряжения];

-электропривод с источником тока - электропривод, преобразователь которого обладает свойствами источника тока;

е) по особенностям технической реализации:

-электропривод постоянного (переменного) тока: Электропривод, содержащий электродвигатель постоянного (переменного) тока;

-взрывозащищенное электрооборудование - электрооборудование специального назначения, выполненное таким образом, что устранена возможность воспламенения окружающей его взрывоопасной среды вследствие её эксплуатации;

-электропривод с вентильным двигателем – ЭП содержащий в качестве ЭМП вентильный двигатель;

-система «генератор-двигатель» («статический преобразовательдвигатель») - электропривод, имеющий электромашинный преобразователь (статический преобразователь электроэнергии);

-электропривод с электромеханотронным преобразователем - ЭП, содержащий устройство, объединяющее электромеханический преобразователь

собеспечивающим его функционирование электронными компонентами управления, диагностики и защиты;

- тиристорный электропривод электропривод, содержащий в качестве ПЭЭ тиристорный преобразователь электроэнергии;

- электропривод с релейно-контакторным (бесконтактным) управлением - ЭП, управляющее устройство которого реализуется на основе релейноконтакторной [бесконтактной] аппаратуры;

координаты которого регулируются путем изменения сопротивления резисторов, включаемых в силовую цепь электродвигателя;

- электропривод с тормозным устройством (с управляемой муфтой) - ЭП, механическая передача которого содержит тормозное устройство (управляемую муфту).

1.5 Цели и задачи АЭП

Целью ЭП является получение требуемого закона механического движения рабочего органа с определенными показателями качества путем преобразования электрической энергии в механическую.

При этом решаются следующие задачи:

1)задача энергообеспечения;

2)задача согласования электрической части ЭП;

3)задача синтеза требуемого закона управления для СУ ЭП;

4)задача согласования механической части ЭП с РО. Показателями качества механического движения являются:

1)скорость вращения или поступательного движения;

2)момент (для вращательного) или сила (для поступательного движения);

3)максимально допустимое значение ускорения;

4)точность поддержания заданной скорости или отработки перемещения;

5)диапазон изменение скоростей;

6)изменение направления движения;

7)величина и параметры напряжения питающей сети;

8)потребляемая электрическая мощность;

9)коэффициент полезного действия;

10)коэффициент мощности;

11)уровень шума.

Дополнительно ЭП характеризуется следующими параметрами:

1)интерфейсом подключения системы управления к каналу управления;

2)габаритами и массой отдельных компонентов;

3)надежностью;

4)ресурсом службы;

5)стоимостью;

6)эксплуатационными расходами;

7)ремонтнопригодностью.

Функция силового преобразователя (если он имеется) состоит в преобразовании электрической энергии питающей сети в электрическую энергию, требуемую двигателем. Преобразователи бывают неуправляемыми (трансформатор, выпрямитель, параметрический источник тока) и управляемыми (мотор-генератор, управляемый выпрямитель, преобразователь частоты), они могут иметь одностороннюю (выпрямитель) или двухстороннюю

20

(мотор-генератор, управляемый выпрямитель с двумя комплектами вентилей) проводимость. В случае односторонней проводимости преобразователя и обратном (от нагрузки) потоке энергии используется дополнительный резистор R для “ слива” тормозной энергии.

Электромеханический преобразователь ЭМП (двигатель), всегда присутствующий в электроприводе, преобразует электрическую энергию (U, I) в механическую (М, ω) и обратно.

Механический преобразователь (передача) - редуктор, пара винт-гайка, система блоков, кривошипно-шатунный механизм и т.п. осуществляет согласование момента М и скорости двигателя с моментом Мм (усилием Fм) и скоростью ωм рабочего органа технологической машины.

Величины, характеризующие преобразуемую энергию, - напряжения, токи, моменты (силы), скорости называют координатами электропривода.

Основная функция электропривода состоит в управлении координатами, т.е. в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями обслуживаемого технологического процесса.

Управление координатами должно осуществляться в пределах, разрешенных конструкцией элементов электропривода, чем обеспечивается надежность работы системы. Эти допустимые пределы обычно связаны с номинальными значениями координат, назначенными производителями оборудования и обеспечивающими его оптимальное использование.

1.6 Основные режимы работы ЭМС

С точки зрения стационарности выделяют два основных режима работы электромеханической системы:

1)статический (установившийся) режим, описывающий определенную установившуюся взаимосвязь координат системы ЭП по завершении времени переходных процессов;

2)динамический режим, описывающий изменение координат системы ЭП в течении времени переходного процесса.

С точки зрения энергетического обмена в системе ЭП выделяют следующие основные режимы:

1)двигательный, при котором силовой канал ЭП преобразует электрическую энергию в механическую;

2)генераторный, когда ЭП преобразует механическую энергию в электрическую;

3)холостого хода;

4)короткого замыкания (торможения) – когда электрическая энергия потребляется из сети и используется как противодействие поступающей механической энергии с вала РО с целью обеспечения состояния покоя.

При одинаковых направлениях скорости и момента и разных направлениях тока и ЭДС имеет место двигательный режим, а при противоположных направлениях скорости и момента и одинаковых