Атанов АЭП Лекции 2008
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
КУРС ЛЕКЦИЙ
для специальности 110302.65 – «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» очной и заочной формы обучения
Ставрополь
2008
Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета электрификации сельского хозяйства (протокол №1 от 3.09.07г.).
Автоматизированный электропривод: Курс лекций \ Сост. И.В.Атанов. – Ставрополь: СтГАУ, кафедра ПЭЭСХ, 2008. - 124 с.
Данное учебное пособие состоит из лекций по автоматизированному электроприводу в соответствии с государственным стандартом высшего профессионального образования по направлению 660300 – Агроинженерия.
Курс лекций предназначен для студентов очной и заочной формы обучения специальности 110302.65 – «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» и может использоваться, как на учебных занятиях, так и при самостоятельной работе студентов.
2
ВВЕДЕНИЕ
Курс лекций разработан для подготовки специалистов по специальности 110302.65 – «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» по направлению 660300 – «Агроинженерия».
Лекционный материал содержит 15 лекций по дисциплине «Автоматизированный электропривод» и базируется на двух предыдущих курсах «Основы электропривода» и «Электропривод с.-х. машин».
Особое внимание при изложении материала уделено средствам и системам регулирования координат электроприводов постоянного и переменного тока.
При изложении материала использованы различные шрифты и выделения, которые позволили структурировать материал, облегчить его усвоение.
Важным элементом изучения учебного материала является система сокращений терминов, определений часто встречающихся по тексту. Данные сокращения вводятся и расшифровываются по мере первого упоминания.
Представленный лекционный материал основывается на многочисленных литературных источниках, основные из которых приведены в данном пособии, в разделе литература.
Для самостоятельной работы рекомендуется газета «Приводная техника», а также многочисленные адреса в Интернете, среди которых можно выделить следующие:
www.privod.ru www.owen.ru www.kipservis.ru
3
Лекция №1 Классификация, структура автоматизированных
электроприводов (АЭП)
Вопросы
1)Классификация электроприводов
2)Структура автоматизированного электропривода (АЭП)
3)Коэффициент полезного действия АЭП
4)Достоинства АЭП
1Классификация электроприводов
Взависимости от выполняемых функций, вида и числа регулируемых координат, степени автоматизации технологических процессов реализация ЭП может быть самой разной (рисунок 1).
ЭП
Неавтоматизированный
Автоматизированный
Разомкнутый Замкнутый
С регулирова- |
|
С комбиниро- |
|
С регулировани- |
нием по |
|
ванным регу- |
|
ем по возмуще- |
отклонению |
|
лированием |
|
нию |
|
|
|
|
|
Рисунок 1 - Классификация ЭП
4
Неавтоматизированные ЭП - управление с помощью оператора, который осуществляет пуск, остановку, изменение скорости, реверсирование ЭП в соответствии с заданным технологическим циклом.
Автоматизированный ЭП - операции управления выполняются в соответствии с требованиями технологического процесса. Операции выполняются системой управления (на оператора возлагаются функции включения и выключения ЭП). Очевидно, что автоматизированный ЭП является более эффективным и экономически целесообразным, т.к. освобождает человека от утомительного и однообразного труда, повышает производительность труда, качество технологического процесса.
Разомкнутый ЭП- характеризуется тем, что все внешние воздействия (например, момент инерции) влияют на его входную координату, например скорость. Данный вид ЭП отличается простотой и применяется в основном для пуска, торможения и реверса двигателей.
Замкнутые ЭП- отличительной особенностью является полное или частичное устранение влияния внешнего воздействия на регулируемую координату, например скорость. Схемы как правило сложные.
Регулирование по возмущению - дополнительный сигнал, пропорциональный возмущению подаётся на вход ЭП вместе с сигналом задания, в результате суммарный сигнал обеспечивает управление ЭП. Данное регулирование не нашло должного применения из-за сложности реализации датчиков возмущающих воздействие в частности момента нагрузки – Мс
(рис.2).
Регулирование по принципу отклонения (принцип обратной связи)- характеризуется наличием цепей обратной связи. Информация о регулируемой координате подаётся на вход ЭП в виде сигнала обратной связи, который сравнивается с задающим сигналом и полученный результирующий сигнал (рассогласования, отключения, ошибки) является управляющим сигналом для ЭП (рис.2). Обратные связи могут быть положительными и отрицательными, линейными и нелинейными, жесткими и гибкими и др.
|
Мc |
Uз.с |
U |
ω |
|
Км |
|
|
ЭП |
|
|
|
|
|
Uз.с |
Um |
ω |
-Uо.с |
|
U |
|
|||
|
|
|
||
|
ЭП |
|
|
Кос |
|
|
|
|
а) |
б) |
Рисунок 2-Замкнутые структуры АЭП с компенсацией по возмущению (а), с обратной связью (б)
5
Положительной называется такая обратная связь, сигнал которой направлен согласно (т.е складывается) с задающим сигналом.
Отрицательная ОС- сигнал ОС направлен встречно задающему сигналу. Жесткая ОС- действует, как в установившемся, так и переходном режи-
мах.
Гибкая ОС- действует только в переходных режимах.
Линейная ОС- характеризуется пропорциональной зависимостью между регулируемой координатой и сигналом ОС.
Нелинейная ОС- данная зависимость не линейна.
2 Структура АЭП
Автоматизированным электроприводом называют электромеханическую систему, состоящую в общем виде из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств и предназначенную для приведение в движение исполнительных органов рабочих машин и управления этим движением (рисунок 3).
Источник электрической энергии (ИЭЭ)
U,I,f
Преобразователь- 
ное устройство
(ПРБ)
Uд,Iд,fд
задания
Управляющее |
|
|
|
|
Электродвига- |
|
||
|
|
|
|
|
||||
устройство (УУ) |
|
|
|
тельное устрой- |
|
|||
|
|
|
|
|
ство |
(ЭД) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мд, ωд |
Fд, Vд |
|
||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
обратные |
|
|
|
Передаточное |
|
|||
|
|
|
устройство (ПРД) |
|
||||
связи |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мм(Fм), ωм (Vм)
Потребитель механической энергии (ПМЭ)
Рисунок 3 – Структурная схема АЭП
6
Основное назначения АЭП - преобразование электроэнергии в механическую энергию исполнительных органов машин и механизмов. В отдельных случаях (генераторный режим, торможение) возможно и обратное преобразование.
На долю АЭП приходится 60% вырабатываемой в стране электроэнергии.
На рисунке 3 представлены:
потоки электрической энергии - , потоки механической энергии - ;
ПРБ - преобразовывают эл.энергию в необходимый вид (магнитные пускатели, тиристорные коммутаторы, регуляторы, преобразователи и т.д.);
ПРДпреобразовывают механическую энергию в необходимый вид для потребителя механической энергии (ПМЭ) (муфты, шкивоременные передачи, редукторы и т.д.);
УУ - информационная часть (микропроцессорные средства, микроЭВМ).
3 Коэффициент полезного действия АЭП
Как и для всякого электромеханического устройства, важным показателем является коэффициент полезного действия
АЭП= ПРБ· ЭД· ПРД,
т.к. коэффициент полезного действия ПРБ и ПРД ≈1 и мало зависит от нагрузки, то АЭП определяется ЭД, которое также является достаточно высоким и при номинальной нагрузки составляет 60-95%.
Малое КПД соответствует тихоходным двигателям малой мощно-
сти.
При повышении мощности выше 1кВт ЭД и соответственно АЭП превышает 70%.
4 Достоинства АЭП
1)низкий уровень шума при работе;
2)отсутствие загрязнения окружающей среды;
3)широкий диапазон мощностей и угловых скоростей вращения;
4)стабилизация выходной координаты;
5)доступность регулирования угловой скорости вращения и соответственно производительности технологической установки; 6)относительная простота автоматизации, монтажа, эксплуатации по срав-
нению с тепловыми двигателями, например, внутреннего сгорания, а также гидро и пневмоприводами.
7
Лекция 2 Регулирование координат ЭП
Вопросы
1)Показатели регулирования скорости ЭП
2)Регулирование момента, тока, положения ЭП
3)Способы регулирования частоты вращения ДПТ
4)Способы регулирования частоты вращения АД
1 Показатели регулирования скорости ЭП
Для обеспечения требуемых режимов работы машин, производственных механизмов и самого ЭП некоторые переменные, которые характеризуют их работу, должны регулироваться. Такими переменными, часто называемыми в ЭП координатами, являются, например, скорость, ускорение, положение исполнительного органа (ИО) или любого другого механического элемента привода, токи в электрических цепях двигателей, моменты на их валу и др.
Типичным примером необходимости регулирования координат может служить ЭП пассажирского лифта. При пуске и остановке кабины лифта для обеспечения комфортности пассажиров ускорение и замедление ее движения ограничиваются. Перед остановкой скорость кабины должна снижаться, т. е. регулироваться. И, наконец, кабина с заданной точностью должна останавливаться на требуемом этаже. Такое управление движением кабины лифта обеспечивается за счет регулирования соответствующих координат (переменных) ЭП лифта.
Процесс регулирования координат всегда связан с получением искусственных (регулировочных) характеристик двигателя, что достигается целенаправленным воздействием на двигатель.
Регулирование скорости ЭП.
Регулирование скорости движения исполнительных органов требуется во многих рабочих машинах и механизмах - прокатных станах, подъем- но-транспортных механизмах, горнодобывающих и бумагоделательных машинах, металлообрабатывающих станках и др. С помощью ЭП обеспечиваются регулирование и стабилизация скорости движения их ИО, а также изменение скорости ИО в соответствии с произвольно изменяющимся задающим сигналом (слежение) или по заранее заданной программе (программное движение). Рассмотрим, каким образом с помощью ЭП можно обеспечивать регулирование скорости ИО рабочих машин.
Как следует из обшей схемы ЭП (лекция 1), скорость двигателя и ИО при его вращательном (поступательном) движении связаны между собой соотношениями
ио |
|
дв |
. |
|
|||
|
|
i |
|
8
Анализ выражения показывает, что регулировать скорость движения ИО можно воздействуя или на механическую передачу (i - передаточное отношение редуктора), или на двигатель, или на то и другое одновременно.
В первом случае воздействие заключается в изменении передаточного числа или радиуса приведения механической передачи при постоянной скорости двигателя, поэтому этот способ регулирования получил название механического. Для его реализации используются коробки передач (при ступенчатом регулировании), вариаторы и электромагнитные муфты (для плавного регулирования). Применяется механический способ ограниченно из-за сложности автоматизации таких технологических процессов, малого набора регулируемых механических передач указанного типа и их невысоких показателей надежности и экономичности.
Способ регулирования скорости ИО, получивший название электрического, предусматривает воздействие на двигатель при неизменных параметрах механической передачи. Этот способ нашел широкое применение в современных ЭП вследствие его больших регулировочных возможностей, простоты, удобства использования в общей схеме автоматизации технологических процессов и экономичности.
Комбинированный способ регулирования скорости ИО применяется ограниченно в основном в ЭП металлообрабатывающих станков.
Итак, управление движением исполнительных органов современных рабочих машин и механизмов в большинстве случаев достигается за счет целенаправленного воздействия на электродвигатель с помощью его системы управления с целью получения соответствующих искусственных характеристик.
Для примера на рисунке 1 показаны естественная механическая характеристика 1 двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) и две искусственные - при введении в цепь якоря добавочного резистора с сопротивлением (прямая 2) и уменьшении подаваемого на якорь напряжения (прямая 3). Обе эти искусственные характеристики обеспечивают при моменте нагрузки Мс снижение скорости до требуемого уровня. Увеличение скорости ДПТНВ выше номинальной может быть получено за счет уменьшения его магнитного потока.
Для количественной оценки и сопоставления различных способов регулирования скорости используются следующие показатели.
Диапазон регулирования скорости, определяемый отношением
максимальной скорости к минимальной, т.е. D max . Нижний предел,
min
как правило ограничен перегрузочной способностью и жесткостью характеристик.
В соответствии с рисунком 1 диапазон регулирования будет определяться отношением частот вращения при заданном моменте нагрузки Мс.
9
ω
Мс
1
ωном
2
ωи
3
М
Рисунок 1 – Варианты регулирования частоты вращения ДПТ НВ
Стабильность скорости, характеризуемая изменением скорости при возможных колебаниях момента нагрузки на валу двигателя и определяемая жесткостью его механических характеристик. Чем она больше, тем стабильнее скорость при изменениях момента нагрузки, и наоборот. В рассматриваемом примере большая стабильность обеспечивается при искусственной характеристике 3.
Плавность регулирования скорости, определяемая перепадом ско-
рости при переходе с одной искусственной характеристики на другую. Чем больше в заданном диапазоне регулирования скорости может быть получено искусственных характеристик, тем плавнее будет происходить регулирование скорости.
Направление регулирования скорости. В зависимости от способа воздействия на двигатель и вида получаемых искусственных характеристик его скорость может увеличиваться или уменьшаться по сравнению с работой на естественной характеристике при данном моменте нагрузки. В первом случае говорят о регулировании скорости вверх от основной характеристики, во втором - вниз. Можно сказать, что регулирование скорости вверх связано с получением искусственных механических характеристик, располагающихся выше естественной, а регулирование скорости вниз обеспечивается характеристиками, располагающимися ниже естественной.
Допустимая нагрузка двигателя. Электрический двигатель рассчитывается и проектируется таким образом, чтобы, работая на естественной характеристике с номинальными скоростью, током, моментом и мощностью, он не нагревался выше определенной температуры, на которую рассчитана его изоляция. В этом случае срок его службы является нормативным и составляет обычно 15...20 лет.
Поскольку потери энергии при нагреве двигателя пропорциональны квадрату тока, нормативный нагрев будет иметь место при протекания но-
10