Конспект лекций по дисциплине «Автоматизированн
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Харьковская национальная академия городского хозяйства
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине
«Автоматизированный электропривод»
(для студентов 4 курса дневной и заочной форм обучения по специальности 6.090603 – «Электротехнические системы электроснабжения»)
Харьков - ХНАГХ - 2007
Конспект лекций по дисциплине «Автоматизированный электропривод» (для студентов 4 курса всех форм обучения специальности 6.090603 – «Электротехнические системы электроснабжения»). Авт. Гаряжа В.Н., Фатеев В.Н. – Харьков: ХНАГХ , 2007. – 104 стр.
Авторы: В.Н. Гаряжа, В.Н. Фатеев
Рецензент: В.Н. Ковалев
Рекомендовано кафедрой электроснабжения городов, протокол №6 от 29.01.07
СОДЕРЖАНИЕ
Общая характеристика конспекта лекций
Содержательный модуль 1. Автоматизированный электропривод – основа развития производительных сил Украины . . . . . . . . . . . .
6
Лекция 1.
1.1.
Развитие электропривода как отрасли науки и техники . . . . . .
6
1.2.
Принципы построения систем управления
автоматизированным электроприводом . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
Лекция 2.
1.3.
Классификация систем управления АЭП . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
Содержательный модуль 2. Механика электропривода . . . . . . . . . .
18
Лекция 3.
2.1.
Приведение моментов и сил сопротивления, моментов инерции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
Лекция 4.
2.2.
Уравнение движения электропривода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
Лекция 5.
2.3.
Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Двигательный режим . . . . . . . . . . .
26
Лекция 6.
2.4.
Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Режим электрического торможения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
Лекция 7.
2.5.
Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Двигательный режим. . . . . .
44
Лекция 8.
2.6.
Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Режим электрического торможения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
Лекция 9.
2.7.
Механические характеристики асинхронных двигателей. Двигательный режим. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
Лекция 10.
2.8.
Механические характеристики асинхронных двигателей. Режим электрического торможения. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .
57
Лекция 11.
2.9.
Механические и электрические характеристики синхронных двигателей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
Содержательный модуль 3. типовые узлы схем автоматического управления двигателями. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
Лекция 12.
3.1.
Принципы автоматического управления пуском и торможением двигателей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
Лекция 13.
3.2.
Типовые узлы схем автоматического управления пуском ДПТ.
77
Лекция 14.
3.3.
Типовые узлы схем автоматического управления торможением ДПТ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
Лекция 15.
3.4.
Типовые узлы схем автоматического управления пуском двигателей переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
Лекция 16.
3.5.
Типовые узлы схем автоматического управления торможением двигателей переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . .
95
Лекция 17.
3.6.
Узлы электрической защиты двигателей и схем управления. . .
98
^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОНСПЕКТА ЛЕКЦИЙ
Автоматизированный электропривод – главный потребитель электроэнергии. В промышленно – развитых странах более 65% вырабатываемой электроэнергии преобразовывается электроприводом в механическую энергию. Поэтому развитие и совершенствование электропривода, являющегося основой энерговооруженности труда, способствует росту производительности и повышению эффективности производства. Знание свойств и возможностей электропривода позволяет инженеру – электрику обеспечить рациональное использование электропривода с учетом требований, как технологических машин, так и систем электроснабжения. Предмет «Автоматизированный электропривод» изучается в седьмом семестре четвертого года обучения. Учебным планом специальности «Электротехнические системы электропотребления» на него выделены четыре кредита. Они заполнены шестью содержательными модулями, которые изучаются во время лекционных и практических занятий, при выполнении лабораторных работ и расчетно-графического задания.
В данном конспекте лекций изложен материал для изучения первых трех содержательных модулей предмета «Автоматизированный электропривод». В первом содержательном модуле автоматизированный электропривод рассматривается как основа развития производительных сил Украины. Во втором изучаются механические характеристики двигателей, показывающие возможности двигателя при работе, как в двигательном режиме, так и в режиме электрического торможения. В третьем модуле изучаются типовые узлы схем автоматического управления двигателем. На основании изученных во втором модуле свойств двигателей, типовые узлы обеспечивают автоматический пуск, торможение и реверс двигателей в функциях времени, скорости и тока при прямом или косвенном контроле названных величин. Конструктивно типовые узлы объединяются в виде станций управления. Долевое участие станций управления в общем количестве использующихся в Украине электроприводов превышает 80%.
Содержательный модуль 1. Автоматизированный электропривод – основа развития производительных сил Украины
Лекция 1.
1.1. Развитие электропривода как отрасли науки и техники
С давних времён человек стремился заменить тяжёлый физический труд, который являлся источником механической энергии (МЭ), на работу механизмов и машин. Для этого на транспорте и на сельскохозяйственных работах, на мельницах и оросительных системах он использовал мускульную силу животных, энергию ветра и воды, а позже – химическую энергию топлива. Так появился привод – устройство, состоящее из трёх существенно различных частей: двигателя (Д), механического передаточного устройства (МПУ) и технологической машины (ТМ).
Назначение двигателя: преобразование энергии различных видов в механическую энергию. МПУ предназначено для передачи МЭ от двигателя к ТМ. Оно не влияет на количество передаваемой МЭ (без учёта потерь), но может изменять её параметры и для согласования видов движения выполняется в виде ременной, цепной, зубчатой или других механических передач.
В технологической машине МЭ используется для изменения свойств, состояния, формы или положения обрабатываемого материала или изделия.
В современных приводах в качестве источника МЭ используются различные электрические двигатели (ЭД). Они преобразуют электрическую энергию (ЭЭ) в механическую и поэтому привод получил название электропривода (ЭП). Его функциональная схема приведена на рис. 1.1. В её состав, кроме названых элементов, входит управляемый преобразователь (П), с помощью которого ЭЭ от сети подаётся к ЭД.
Изменяя сигнал управления преобразователем Uу, можно изменять количество ЭЭ, поступающей от сети к ЭД. В результате этого будет изменяться количество МЭ, вырабатываемой двигателем и получаемой ТМ. Это, в свою очередь, приведёт к изменению технологического процесса, эффективность которого характеризуется регулируемой величиной y(t).
Приоритет в создании электропривода принадлежит русским учёным
Б.С. Якоби и Э.Х. Ленцу, которые в 1834 году изобрели двигатель постоянного тока, а в 1838 году применили его для приведения в движение катера. Однако несовершенство двигателя и неэкономичность источника электрической энергии (гальванической батареи) не позволили этому электроприводу найти практическое применение.
В середине ХІХ века попытки применения ЭП с двигателем постоянного тока для типографских и ткацких машин предпринимались учёными Франции и Италии. Однако система постоянного тока не давала удовлетворительного решения. К 1890 году только 5 % общей мощности двигателей приводов составляли электрические двигатели.
Широкое применение электропривода связано с изобретением в 1889-1891 годах русским инженером Доливо–Добровольским системы трёхфазного переменного тока и трёхфазного асинхронного двигателя. Простота трёхфазной системы, возможность централизованного производства электроэнергии, удобство её распределения привели к тому, что к 1927 году уже 75 % общей мощности двигателей приводов составляли электрические двигатели.
В настоящее время в ведущих отраслях промышленности отношение установленной мощности электроприводов к общей установленной мощности приводов с двигателями всех видов (тепловых, гидравлических, пневматических) приближается к 100 %. Это определяется тем, что ЭД изготавливаются на разнообразные мощности (от сотых долей ватта до десятков тысяч киловатт) и скорости вращения (от долей оборота вала в минуту до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту); ЭП работает в среде агрессивных жидкостей и газов при низких и высоких температурах; благодаря управляемости преобразователя, ЭП легко регулирует ход технологического процесса, обеспечивая различные параметры движения рабочих органов ТМ; он обладает высоким к.п.д., надёжен в эксплуатации и не загрязняет окружающую среду.
В настоящее время суммарная установленная мощность электрических генераторов Украины превышает 50 млн. кВт. Для распределения такой мощности на всех уровнях напряжения созданы и электрические сети.
Однако в связи со спадом, в первую очередь, промышленного производства обеспечение реального потребления электроэнергии на Украине осуществляется за счет половины указанной мощности. Такой существенный энергетический запас является надежной основой для развития производственных сил Украины, связанного с внедрением новых энергосберегающих технологий, выпуском современной высокотехнологичной продукции, дальнейшим развитием автоматизации и механизации производства. Решение всех, без исключения, названных задач обеспечивается применением различных систем электропривода, увеличением потребления электроприводом электрической энергии, которое в существующей структуре потребления уже приближается к 70%.
^ 1.2. Принципы построения систем управления автоматизированным электроприводом
Отличительной особенностью современного электропривода является то, что в нём сигнал управления преобразователем Uу формируется специальным автоматическим управляющим устройством (АУУ) без непосредственного участия человека. Такое управление называют автоматическим, а электропривод – автоматизированным (АЭП).
Систему управления АЭП, как и любую другую систему автоматического управления, можно рассматривать как систему, воспринимающую и перерабатывающую информацию.
В первом канале формируется информация о требуемом значении регулируемой величины q(t) (задающее воздействие).
Во втором канале с помощью датчиков может быть получена информация о действительном значении регулируемой величины y(t) или других величинах, характеризующих ЭП.
Третий канал может подавать в систему управления информацию о возмущающих воздействиях fi(t) в виде сигнала xi(t).
В зависимости от количества используемых каналов информации различают три принципа построения систем управления автоматизированным электроприводом:
1) принцип разомкнутого управления;
2) принцип замкнутого управления;
3) принцип комбинированного управления.
Рассмотрим функциональные схемы систем управления АЭП.
Систему управления АЭП, построенную по принципу разомкнутого управления, называют разомкнутой системой. В ней используется только один канал информации – о требуемом значении регулируемой величины q(t). Функциональная схема такой системы управления приведена на рис.1.2.
В узел суммирования на входе АУУ, как и в предыдущем случае, от КО подаётся информация о q(t). Стрелка, обозначающая q(t), направлена в незатемнённый сектор узла суммирования. Это означает, что задающий сигнал поступает в узел суммирования со знаком «+».
Автоматическое управляющее устройство формирует сигнал управления преобразователем Uy, используя только информацию о величине задающего воздействия q(t), которое на вход АУУ подаётся от командного органа (КО). В результате того, что на каждый элемент функциональной схемы оказывают влияние возмущающие воздействия fi(t), количество поступающей к технологической машине механической энергии, а значит и ход
Рис. 1.2 - Функциональная схема разомкнутой системы управления АЭП
технологической операции будут изменяться. В результате этого действительное значение регулируемой величины y(t) может существенно отличаться от требуемого значения q(t). Разность между требуемым и действительным значением регулируемой величины в установившемся режиме (когда регулируемая величина y(t) не изменяется во времени) называют ошибкой управления x(t)= q(t)– y(t).
Разомкнутые системы АЭП применяются в том случае, если появление ошибки управления не приводит к существенным потерям в технологии (уменьшению производительности ТМ, снижению качества продукции и др.)
В противном случае, когда появление ошибки управления значительно снижает эффективность технологического процесса, для построения системы управления АЭП используют принцип замкнутого управления. Называют такую систему замкнутой.
В ней используются два канала информации: к информации о требуемом значении регулируемой величины q(t) добавляется информация о действительном значении регулируемой величины y(t). Функциональная схема такой системы управления приведена на рис.1.3.
Информация о действительном значении регулируемой величины y(t) подаётся в узел суммирования с помощью главной обратной связи (ГОС). Говорят, что ГОС «замыкает» систему управления, соединяя её выход с входом.
Стрелка, обозначающая y(t), направлена в затемнённый сектор узла суммирования, т.е. сигнал ГОС поступает в узел суммирования со знаком «–» и поэтому ГОС называется отрицательной обратной связью.
Рис. 1.3 - Функциональная схема замкнутой системы управления АЭП.
В узле суммирования в результате алгебраического (с учётом знака) сложения сигналов q(t) и y(t) осуществляется определение величины и знака ошибки управления x(t)= +q(t) – y(t). Сигнал ошибки поступает на вход АУУ. Благодаря этому АУУ, формируя сигнал управления преобразователем П на основании информации о реально существующем соотношении заданного и действительного значения регулируемой величины обеспечивает подачу к ЭД такого количества ЭЭ, а к технологической машине МЭ, что ошибка управления может быть уменьшена до допустимой величины или сведена к нулю.
Кроме ГОС, в системе управления могут быть различные внутренние по отношению к ГОС обратные связи (ВОС). Они контролируют промежуточные параметры системы, что улучшает качество процесса управления. Систему, содержащую только ГОС, называют одноконтурной, а имеющую, кроме ГОС, ещё и ВОС – многоконтурной.
В системе, построенной по комбинированному принципу, объединены две структуры – замкнутая и разомкнутая. К замкнутой системе, которая является основной, добавляется разомкнутая структура по третьему каналу информации x1(t) об основном возмущающем воздействии f1(t). Функциональная схема системы приведена на рисунке 1.4.
Основным является возмущающее воздействие, которое имеет наибольшую составляющую в величине ошибки управления.
Рис. 1.4 - Функциональная схема комбинированной системы управления АЭП
На рис. 1.4 за основное, принято возмущающее воздействие f1(t). Оно контролируется промежуточным элементом (ПЭ) и информация о нём x1(t) подаётся в узел суммирования. Благодаря этому, АУУ вводит в сигнал управления преобразователем составляющую, которая компенсирует влияние f1(t) на технологический процесс и уменьшает величину ошибки управления. Влияние других возмущающих воздействий на ошибку ликвидирует основная замкнутая система.
Рассмотренные примеры позволяют дать определение понятию «автоматизированный электропривод».
Автоматизированный электропривод представляет собой электромеханическую систему, в которой, во-первых, осуществляется преобразование электрической энергии в механическую. Посредством этой энергии приводятся в движение рабочие органы технологической машины. И, во-вторых, происходит управление процессом преобразования энергии с целью обеспечения требуемых установившихся и переходных режимов работы ТМ.
Лекция 2.
^ 1.3. Классификация систем управления АЭП
Классификация систем управления АЭП может проводиться по многим признакам: по роду тока двигателя системы разделяются на переменный и постоянный ток. По виду сигналов информации и управления – на непрерывные и дискретные системы. В зависимости от характера уравнений, описывающих процессы управления – на линейные и нелинейные системы. Часто их подразделяют по виду преобразователя или основной аппаратуры: система - генератор постоянного тока –двигатель (Г–Д); система - тиристорный преобразователь – двигатель (ТП–Д); система - тиристорный преобразователь частоты – двигатель (ТПЧ–Д) и др.
Однако наибольшее распространение получила классификация систем управления АЭП по функциям, выполняемым ими в технологических процессах. Таких функций можно выделить пять.
^ 1. Системы управления процессами пуска, торможения, реверса. Среди них, в свою очередь, можно выделить три группы систем.
Системы первой группы разомкнутые. Применяются в электроприводах с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Преобразователь состоит из силового переключающего устройства (СПУ), подключающего двигатель непосредственно к сети. Вся аппаратура управления – релейного действия (контактная или бесконтактная).
Системы управления второй группы выполняются также разомкнутыми. Они применяются в электроприводах с двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями с фазным ротором, имеют более сложную структуру СПУ, обеспечивающих ступенчатое переключение резисторов или других элементов в силовых цепях двигателя. Обеспечивают управление автоматическим пуском и торможением, при котором ограничиваются ток и момент двигателя. При ручном управлении СПУ возможно регулирование скорости в малом диапазоне.
Системы третьей группы предназначены для осуществления оптимальных процессов пуска, торможения, реверса. Под оптимальными в данном случае понимают переходные процессы, протекающие за минимальное время. Это обеспечивается поддержанием в процессе пуска и торможения величины вращающего момента двигателя на уровне допустимого значения.
Применяются такие системы в электроприводах с повторно-кратковременным режимом работы, когда время установившегося режима мало, либо вовсе отсутствует. Поэтому появление ошибки управления не будет приводить к потерям в технологии и система может не иметь ГОС.
Замкнутый контур регулирования в такой системе образуется отрицательной обратной связью по моменту (току) двигателя. На рис.1.4 она показана как ВОС. Регулируемой величиной в данном случае становится момент двигателя. Поэтому АУУ формирует сигнал управления П таким образом, чтобы в процессе пуска и торможения момент поддерживался на требуемом уровне или изменялся во времени по необходимому закону.
^ 2. Системы поддержания постоянным заданного значения регулируемой величины (системы стабилизации). Регулируемыми являются величины, характеризующие движение рабочего органа ТМ и вала двигателя – скорость, ускорение, момент, мощность и др.
Системы стабилизации построены по замкнутому принципу и могут иметь функциональную схему, приведенную на рис.1.4. В такой системе задающий сигнал q(t)=const. Поэтому уменьшение регулируемой величины y(t), вызванное появлением возмущающего воздействия f1(t), будет приводить к увеличению сигнала ошибки управления на входе АУУ. Автоматическое управляющее устройство формирует сигнал управления преобразователем в зависимости от применяемого в нём закона управления (типа регулятора). При пропорциональном законе управления в качестве регулятора используется пропорциональное (усилительное) звено с коэффициентом усиления большим единицы (П – регулятор). Поэтому при увеличении сигнала ошибка на входе П – регулятора будет увеличиваться и сигнал управления преобразователем. В результате этого будет увеличиваться количество ЭЭ и МЭ, что приведёт к увеличению y(t) и уменьшению ошибки управления. Однако она не может быть компенсирована полностью, так как в этом случае сигналы на входе и выходе П – регулятора будут равны нулю, к двигателю не будет подаваться ЭЭ и технологический процесс остановится.
Систему стабилизации, в которой ошибка управления не сводится к нулю, а только лишь уменьшается до допустимой величины, называют статической.
При пропорционально – интегральном законе управления регулятор состоит из двух включённых параллельно звеньев – пропорционального и интегрального (П-И – регулятор). Сигнал ошибки поступает одновременно на вход обоих звеньев. Пропорциональная часть регулятора, как и в предыдущем случае, будет усиливать сигнал ошибки. Интегральная часть регулятора сигнал ошибки будет суммировать, т.е. её выходной сигнал будет увеличиваться до тех пор, пока на входе регулятора имеется сигнал ошибки. Поскольку выходной сигнал регулятора (сигнал управления преобразователем) является суммой выходных сигналов пропорциональной и интегральной частей, то до тех пор, пока на входе регулятора будет сигнал ошибки, его выходной сигнал будет увеличиваться. В результате этого будет увеличиваться количество ЭЭ и МЭ в системе и уменьшаться ошибка управления. Когда сигнал ошибки на входе регулятора станет равным нулю, сигнал на выходе регулятора будет больше нуля, благодаря тому, что интегральная часть регулятора после исчезновения сигнала на её входе запоминает суммарное значение выходного сигнала. К двигателю будет подаваться ЭЭ и технологический процесс будет продолжаться.
Систему стабилизации, в которой ошибка управления сводится к нулю, называют астатической.
При пропорционально – интегрально – дифференциальном законе управления параллельно П, И. – звеньям включают дифференцирующее звено (П – И –Д – регулятор).
Выходной сигнал дифференциальной части прямопропорционален скорости изменения сигнала ошибки управления. Суммируясь с сигналами П, И частей регулятора, он дополнительно увеличивает сигнал управления преобразователем и количество ЭЭ, поступающей к двигателю. Это способствует уменьшению динамической ошибки управления, т.е. разности между требуемым и действительным значением регулируемой величины во время переходного режима в системе.
Применяются системы стабилизации в случаях необходимости особо точного поддержания какого-либо параметра техпроцесса, а также при регулировании скорости двигателя в большом диапазоне.
Для формирования процессов пуска и торможения система стабилизации может иметь внутреннюю обратную связь по моменту двигателя (ВОС на рис. 1.4).
Разомкнутый канал управления по основному возмущающему воздействию уменьшает ошибку управления в статических системах.
^ 3. Следящие системы. Как и системы стабилизации построены по замкнутому принципу. Однако задающий сигнал q(t) в них изменяется по случайному закону и действительное значение регулируемой величины y(t) должно повторять (отслеживать) этот закон.
Применяются в технологических машинах, которые требуют, чтобы при повороте входного вала на любой угол выходной вал «следил» за входным и поворачивался на такой же угол.
Когда положение валов совпадает q(t) = y(t) и ошибка управления равна нулю. При изменении положения входного вала q(t) y(t). На входе АУУ появляется сигнал ошибки, преобразователь подаёт ЭЭ на двигатель и выходной вал будет вращаться до тех пор, пока не займёт положение входного.
^ 4. Системы программного управления. Применяются в технологических машинах, имеющих несколько электроприводов. Эти привода могут быть построены как по разомкнутому, так и по замкнутому принципу. Общим для них является устройство, изменяющее заданное значение регулируемой величины каждого электропривода по заранее заданной программе. При этом двигатели отдельных рабочих органов автоматически запускаются, работают с заданными скоростями или реверсируются, а перемещающиеся рабочие органы технологической машины не мешают друг другу.
^ 5. Адаптивные системы. Применяются в тех случаях, когда система, построенная по замкнутому принципу, в результате непредвиденных изменений возмущающих воздействий не способна выполнить свою функцию, например, стабилизацию регулируемой величины.
Для обеспечения адаптации (приспосабливаемости) замкнутой системы в её состав вводят дополнительный контур, основу которого составляет вычислительное устройство. Оно контролирует величину q(t), y(t), возмущающие воздействия fi(t), анализирует работу системы стабилизации и определяет необходимые для адаптации изменения параметров или структуры АУУ.
|
|
