Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Національний університет водного господарства та
природокористування
Баховець Б.О.
Автоматизований
електропривод
Навчальний посібник
Європейська кредитно-трансферна система
Для студентів напряму підготовки 6.050202 “Автоматизація та компютерно-інтегровані технології”
Рівне 2011
УДК 62 – 83(075.8)
БКК 31.291я 7
Б30
Затверджено вченою радою Національного університету водного господарства та природокористування
(Протокол № 1 від 28 січня 2011 р.)
Рецензенти:
1. Власюк А.П., д-р техн. наук, професор Національного університету водного господарства та природокористування.
2. Древецький В. В., д-р техн. наук, професор Національного університету водного господарства та природокористування.
Баховець Б.О.
Б30 Автоматизований електропривод. Навч. посібник. –Рівне: НУВГП, 2010. – 238 с.
Посібник складається з двох частин. У першій частині коротко викладено механіку електропривода, наведено аналіз способів ре-гулювання швидкості двигунів постійного і змінного струмів та подано методику розрахунку їх потужності. У другій частині описано принципи побудови дискретних систем керування, наведені методи розрахунку параметрів аналогових систем автоматичного регулювання за заданими статичними і динамічними показниками, аналіз роботи систем частотного керування асинхронними і синхронними двигунами, а також описано методи побудови адаптивних, слідкуючих та цифрових систем керування електроприводами.
Для студентів, які навчаються за напрямом “Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології”.
УДК 62 – 83(075.8)
БКК 31.291я 7
Баховець Б.О., 2011
Національний університет водного
господарства та природокористування, 2011
ПЕРЕДМОВА
Метою викладання курсу “Автоматизований електропривод” є формування у студентів, які навчаються за напрямом “Автоматиза-ція та комп’ютерно-інтегровані технології”, сучасного рівня знань, умінь і навичок в галузі аналізу і синтезу автоматизованого електро-привода основних виробничих механізмів та підготовка їх до вив-чення предметів “Автоматизація технологічних процесів”, “Системний аналіз складних систем управління” та “Основи проек-тування систем автоматизації”, в яких автоматизований електропри-вод є однією із ланок складної системи автоматизованого управлін-ня технологічним процесом. Використання регульованого електро-привода у поєднанні з технологічною автоматикою дозволяє якісно керувати багатьма технологічними процесами і значно економити енергоресурси.
Завданням вивчення курсу є навчити студентів на підставі вимог технологічних процесів чи виробничих механізмів обґрунтовувати вибір виду електропривода й способу регулювання швидкості, розрахункам параметрів систем керування як в усталеному, так і в динамічному режимах, виходячи із заданих якісних показників роботи, а також проводити математичне моделювання його роботи з метою перевірки розрахунків.
Даний навчальний посібник відображає конспект лекцій, які чи-тає багато років автор в Національному університеті водного госпо-дарства та природокористування.
Для перевірки засвоєння матеріалу курсу в кінці кожного розділу
наведено контрольні запитання та задачі, які виносяться також на підсумковий іспит, що проводиться у формі тестів з використанням комп’ютерної програми вибірки завдань.
ЧАСТИНА 1
Основи електропривода
В цій частині викладено основи електропривода, призначеного не тільки для приведення у рух робочих органів машин та механізмів, але і для керування їх рухом у відповідності до потреб технологічного процесу. В розділі 1 наведено класифікації електроприводів за різними ознаками, розглянуто питання динаміки, механічні характеристики виробничих механізмів та електродвигунів, що потрібно для визначення стійкості їх роботи. В розділах 2-5 на підставі рівнянь механічних характеристик проведено аналіз способів регулювання швидкості двигунів постійного і змінного струмів і описана їх реалізація за допомогою керованих перетворювачів енергії. В розділі 6 описано методи розрахунку потужності двигунів для тривалого, короткочасного і повторно-короткочасного режимів роботи.
Розділ 1
Класифікація електроприводів. Механічні характеристики
1.1. Загальні положення
Приведення в рух робочих машин чи їх робочих органів здійс-нюється приводом. Найдавнішим видом привода був ручний при-вод, який з часом замінили кінним, коли зусилля людини замінили тяговою силою тварин. В подальшому його замінив механічний привод вітряного двигуна, водяного колеса, парової машини, двигу-на внутрішнього згорання і електричного двигуна, який зайняв па-нівне положення як у промисловості, так і у побуті.
Історія електропривода починається з 1838 р., коли вперше було використано двигун постійного струму для приведення в рух неве-ликого морського катера. Але такий електропривод був дорогим і широкого застосування не знайшов. Стрімке використання електро-привода почалося лише з часу створення (1891р.) фірмою Сіменс трифазного асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором – простого за конструкцією, дешевого, надійного і довговічного дви-гуна. Для потреб регулювання швидкості був створений асинхрон-ний трифазний двигун з фазним ротором.
В даний час електроприводи споживають до 70% світового ви-робництва електроенергії. Отже, основним типом привода робочих органів машин є електричний привод або скорочено електропривод.
Сучасний електропривод не тільки приводить в рух виконавчі органи робочих машин, але здійснює і керування цим рухом. Тому його називають автоматизованим електроприводом.
Автоматизованим електроприводом називається електромеханіч-на система, яка складається з електричного двигуна, передавального механізму і керуючого пристрою. У цій системі електродвигун здій-снює перетворення електричної енергії у механічну, передавальний пристрій передає механічну енергію двигуна до виконавчого органу робочої машини і може змінювати вид і швидкість руху, а також величину моменту (зусилля). Керуючий пристрій забезпечує процеси пуску, гальмування і, за необхідністю, регулювання швидкості, моменту чи інших фізичних величин (прискорення, переміщення тощо) відповідно до технологічних вимог.
1.2. Класифікація електроприводів
За способом розподілу механічної енергії розрізняють три основ-ні типи електропривода: груповий, індивідуальний та взаємозв’яза-ний.
Груповий електропривод забезпечує рух декількох виконавчих органів робочої машини. При цьому включення (виключення) окре-мих виконавчих органів здійснюють за допомогою муфт зчеплення.
Індивідуальний привод приводить в рух тільки один виконавчий орган машини. Це значно спрощує кінематичну схему робочої ма-шини і збільшує гнучкість керування.
Взаємозв’язаний
електропривод
складається з декількох взаємо-зв’язаних
механічно чи електрично електродвигунів,
які забезпе-чують необхідне співвідношення
чи рівність швидкостей, чи наван-тажень,
чи положення окремих органів однієї
установки. Прикладом такого електропривода
є привод ланцюгового конвеєра (рис.1.1).
Робочим органом у наведеній схемі є
ланцюг, який привод
иться
в рух двигунами Д1 і Д2, розташованими
вздовж лан-цюга. Взаємозв’язаний
електроп-ривод широко використовують
в різних складних машинах і агре-гатах,
наприклад, в копіюваль-них верстатах,
в бумагоробних
і
поліграфічних ротаційних маши-нах, в
текстильних агрегатах, у виробництві
синтетичних плівок тощо.
Р
Рис.1.1.Взаємозв’язаний
електропривод
У тому випадку, коли взаємозв’язаний електропривод повинен підтримувати стале співвідношення швидкостей робочих органів, які не можуть мати механічного зв’язку, використовують спеціаль-ну схему електричного зв’язку між електродвигунами, яку нази-вають схемою електричного вала. Прикладом можуть бути електро-приводи розвідних мостів, шлюзів тощо.
За видом передавального пристрою розрізняють такі види елект-ропривода:
редукторний, в якому обертовий рух вала двигуна через редуктор передається на робочий орган;
безредукторний, в якому здійснюється передача руху від двигуна безпосередньо робочому органу або через будь-який пере-давальний пристрій, до складу якого не входить редуктор.
За рівнем автоматизації електроприводи поділяються на:
неавтоматизовані – з ручним керуванням за жорстким алгоритмом (помпи, компресори, вентилятори тощо);
автоматизовані, в задачу яких входять формування необхід-них статичних і динамічних характеристик та регулювання швидко-сті в широких межах (металообробні верстати, моталки тощо);
автоматичні, в яких керуючий вплив на вхід автоматизова-ного електропривода формують технологічні давачі відповідно до вимог технологічного процесу.
Із наведених визначень слідує, що автоматизований електропри-вод може входити до складу автоматичного. Розглянемо це на прикладів системи керування ліфтом. Автоматизований електропривод ліфта формує плавні процеси пуску і гальмування двигуна, забезпечує необхідний для точної зупинки діапазон регулювання швидкості і жорсткість механічних характеристик (нижній рівень керування). Автоматичний електропривод здійснює, крім того, задачу автоматизації роботи ліфта: виробляє команди автоматичного вибору напряму руху кабіни, початку руху, гальмування і зупинки, визначає поверхи для зупинок (вищий рівень керування).
За видом струму розрізняють електроприводи постійного і змін-ного струму.
Класифікація електроприводів за способом керування наведена на рис.1.2.
В розімкнених системах керування автоматизованим електро-приводом немає зворотних зв’язків за вихідними величинами (швидкістю чи переміщенням). Вони поділяються на системи зі сталим алгоритмом керування, що забезпечують задані процеси пуску і гальмування, і системи керування за збуренням (навантаженням), коли зворотний зв’язок за збуренням сумується з вхідним сигналом.
Рис.1.2. Класифікація систем керування електроприводів
В замкнених системах керування здійснюється за відхиленням результату керування від завдання і забезпечується відповідним зворотним зв’язком. Вони поділяються на:
системи стабілізації вихідної координати двигуна або вико-навчого органу;
системи програмного керування, які забезпечують зміну вихідної координати за наперед відомим законом;
слідкуючі системи, які повторюють (слідкують) рух іншого об’єкта, закон руху якого наперед невідомий;
системи з адаптацією, які здійснюють самонастройку на оптимум деякого показника об’єкта керування, наприклад, мінімум витрати енергії тощо.
Додатковими ознаками класифікації можуть бути:
рівень керування: верхній (технологічний) і нижній, фор-муючий статичні і динамічні характеристики електропривода;
тип алгоритму керування: лінійний, нелінійний, аналітич-ний, логічний на основі класичної (дворівневої) логіки чи нечіткої фазі-логіки.
Окрім наведених, існує класифікація автоматизованого електро-привода і за іншими ознаками, наприклад, за типом двигуна, за видом керованого перетворювача енергії, елементною базою тощо.