Основы программирования автоматизированного электропривода

Основы автоматизированного электропривода

Электропривод служит одним из основных силовых исполнительных механизмов промышленного оборудования и бытовых приборов. Многообразие областей применения обусловило значительную номенклатуру производимых и используемых электроприводов. В классификацию электроприводов технического оборудования заложены различные признаки, такие как отрасль использования (технологические машины, подъемные механизмы, транспорт и т.п.); тип и направление движения (непрерывное вращательное или линейное, шаговое, с реверсированием и т.д.); применяемые электродвигатели (постоянного тока, асинхронный, синхронный, шаговый); вид управления (ручное, автоматизированное).

Теория и технические средства электропривода непрерывно совершенствуются в направлениях расширения выполняемых функций, повышения точности и увеличения скорости отработки задания; использования современных управляемых электродвигателей в совокупности с сокращением механических передач и улучшения их параметров; повышения эффективности управления посредством увеличения количества регулируемых параметров и применения цифрового управления на основе микроконтроллеров.

Наиболее полно приведенные аспекты совершенствования нашли отражение в автоматизированном электроприводе (АЭП), представляющем собой электромеханическую систему, которая состоит из электродвигателя, механической передачи, силового преобразователя и электронного управления (рис. 22.11).

Функциональную схему электропривода, как правило, реализуют в форме агрегата с использованием типовых конструктивно завершенных функциональных модулей (блоков): исполнительного электродвигателя (ЭД) с механической передачей (ПМ), кинематически объединяющей его с рабочим органом (РО), который изменяет состояние объекта в соответствии с программным заданием (ИЗ). Режим работы электропривода контролируется с помощью совокупности датчиков тока Д_;, напряжения Д_ы, темпера-

Рис. 22.11. Функциональная схема электропривода

(расшифровку обозначений см. в тексте) туры Д_т, положения вала Д₀, скорости вращения Д_п и др., сигналы которых обрабатываются информационно-измерительной системой (ИИС) и передаются в управляющее устройство (УУ), обеспечивающее функционирование электронного силового преобразователя (СП).

Таким образом, современный комплектный электропривод представляет собой достаточно сложную многоконтурную систему автоматического управления скоростью вращения и положением вала электродвигателя. Состав элементов и структура электропривода определяются его назначением.

Во многих приложения, требующих большого диапазона изменения скорости вращения вала, до настоящего времени используются электроприводы с двигателями постоянного тока (ДПТ). Для анализа процессов управления электроприводом при вариации механического момента сопротивления необходимо иметь математическое описание (модель) системы, которую обычно формируют на схемотехническом уровне.

Уравнение ДПТ с возбуждением от постоянного магнита, создающего поток Ф, имеет вид и_а = R_ai_a + L_adi_a/dt + с_еФ?Х При взаимодействии тока якоря с магнитным потоком создается момент М=с_мФг‘д, который входит в уравнения механической части Jd 2 Q/dt 2 + fidn/dt + Q = М — М_с, С использованием приведенных уравнений можно получить упрощенную структурную схему разомкнутого электропривода (рис. 22.12).

Процедуру преобразования входного электрического напряжения и_а в электромагнитный момент на валу М описывают коэффициент с_м и передаточная функция W₃ = k_a/(sT_a +1). Управляемый выпрямитель в первом приближении характеризуется линейным дифференциальным уравнением первого порядка, которое отображено инерционным звеном W_y = k/(sT_y + 1) с коэффициентом усиления k и постоянной времени Т_у. Передаточная функция механической части имеет вид W_M = 1 /(s 2 J + sfi + 1), и связь механической и электрической подсхем осуществляется через выражение для противоЭДС е = с_еQ.

Рис. 22.12. Структурная схема разомкнутого электропривода постоянного гока

С целью улучшения статических и динамических характеристик электропривода в систему управления вводят контуры регулирования различных величин с использованием стабилизирующих свойств отрицательной обратной связи. Возможно множество вариантов создания замкнутых контуров регулирования, дающих различные эффекты. В системах следящего электропривода получила распространение система подчиненного регулирования (рис. 22.13).

Рис. 22.13. Структурная схема электропривода с регуляторами тока, частоты вращения и угла поворота

Особенность структуры подчиненного регулирования заключается в применении индивидуальных регуляторов (Р₀, Р_п, Р,) для выбранных величин: положения ротора 0, частоты вращения О и тока якоря i_a> сигналы о значениях которых формируются резистивным датчиком тока Д„ тахогенератором Д_а и оптоэлектронным датчиком угла поворота Д₀. Преимуществом приведенной системы по сравнению с совокупностью контуров независимого регулирования является простота анализа и настройки параметров системы управления.

Наличие у ДПТ механического щеточно-коллекторного узла, обладающего невысокой надежностью, стимулировало применение в электроприводе двигателей переменного тока.

Одним из самых надежных на сегодняшний день является асинхронный электродвигатель (АД) с короткозамкнутым ротором, имеющий при одинаковой мощности меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость. Асинхронные электродвигатели достаточно широко используются как исполнительные механизмы благодаря простоте конструкции, небольшим габаритам, высокой надежности и экономичности. Электродвигатели с короткозамкнутым ротором (типа беличьей клетки) обладают малым моментом инерции ротора, что даег возможность получить большие ускорения при сравнительно небольшом вращающем моменте.

Сложность управления скоростью вращения АД длительное время препятствовала его использованию в автоматизированном электроприводе. Теория частотного управления, основанная на принципе регулирования скорости вращения при неизменном моменте посредством одновременного изменения частоты и напряжения питания для обеспечения U/f = const, создана в середине XX в. Реализация таких методов управления стала возможной благодаря развитию средств силовой и информационной электроники, позволивших разработать и наладить промышленный выпуск полного набора функционально и конструктивно завершенных частотных преобразователей для асинхронных электродвигателей любых мощностей.

Для симметричной трехфазной системы напряжений можно записать уравнения равновесия напряжений для произвольной фазы статора

и произвольной фазы ротора

Уравнение механической части имеет вид

В приведенных выражениях приняты следующие обозначения: U(t) — фазное напряжение; ц и г₂ — токи фазы обмоток статор и ротора; Г), r₂, L, L₂ — активные сопротивления и собственные индуктивности фаз обмоток статора и ротора; 1₂₁ — взаимная индуктивность обмотки ротора от основной гармоники ноля статора, 1₁₂ — взаимная индуктивность обмотки статора от основной гармоники ноля ротора; S_K = (?2| — f2₂)/Q| — скольжение; Г2₂, ?2| — угловые скорости вращения ротора двигателя и магнитного поля статора; J, р — момент инерции и коэффициент вязкого трения ротора. Развиваемый момент можно вычислить из соотношения

где т₂ — число фаз обмотки ротора; р — количество пар полюсов двигателя; f — синхронная частота напряжения питания.

При вращении ротора взаимное положение обмоток статора и ротора изменяется, что приводит к зависимости от времени индуктивностей, т.е. представленная система уравнений носит нестационарный характер, и э го существенно затрудняет ее применение при анализе процессов в электроприводе. Для решения полученных уравнений используют эквивалентные преобразования, которые, во-первых, позволяют посредством выбора переменных освободиться от зависящих от времени коэффициентов и, во-вторых, снижают порядок совместно решаемых уравнений. Теоретически показано, что уравнения электрического двигателя с произвольным числом обмоток можно свести к уравнениям эквивалентного двухфазного двигателя, называемого «обобщенной машиной».

На основании теории обобщенной электрической машины в 1970-е гг. был разработан так называемый векторный метод управления электродвигателями переменного тока, заключающийся в использовании модели (наблюдателя), связывающей электромагнитный момент и другие переменные состояния с входными величинами, т.е. токами и напряжениями обмоток статора. Таким образом, была обоснована теоретическая возможность управления переменными состояния электромеханического преобразователя посредством изменения входных величин, доступных для измерения, т.е. наблюдаемых. Структурной модификацией векторного метода является так называемое бездатчиковое управление, при котором об изменении переменных состояния электродвигателя судят по измеренным значениям входных электрических величин на входе модели. Очевидно, что при таком подходе возможно только использование частичных обратных связей и характеристики управления существенно зависят от полноты и точности модели (наблюдателя).

В инженерной практике широкое распространение получили модели электродвигателей, использующие различные электрические эквивалентные схемы обмоток или приближенные соотношения, полученные с помощью схемных моделей. Обычно используют приведенные к обмотке статора значения переменных и параметров обмотки ротора, причем принцип приведения основан на инвариантности потоков мощности. Приведенная обмотка ротора имеет число фаз, число витков и значение обмоточного коэффициента но основной гармонической поля, одинаковые с аналогичными параметрами обмотки статора (рис. 22.14).

Для общего моделирования асинхронного электропривода, описываемого разнородными физическими величинами, принципиально возможно использование аналогии уравнений, описывающих поведение неэлектрических величин и электрических схем. Приближенные расчетные соотношения для характеристик электродвигателя, построенные с использованием эквивалентных схем, получаются настолько громоздкими, что не позволяют провести аналитическое исследование влияния параметров на механические и регулировочные характеристики.

Рис. 22.14. Эквивалентная электрическая схема фазы электродвигателя

Принципы построения систем автоматизированного электропривода, а также их структурные схемы и конструктивное исполнение весьма многообразны и зависят от множества факторов. В ряде случаев целесообразным представляется применение линейного электродвигателя, осуществляющего поступательное перемещение движущейся части. Для получения линейного движения непосредственно с использованием электромеханического преобразования цилиндрическую статорную обмотку электродвигателя переменного тока как бы разрезают по радиальному сечению и развертывают вдоль направления движения. При периодическом повторении развертки магнитное поле статора распространяется поступательно и увлекает за собой подвижную часть.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Поясните функциональное назначение преобразователей, образующих систему автоматического управления.
• 2. Каковы принцип действия и назначение конструктивных элементов электромагнитного реле?
• 3. На основе каких признаков классифицируют электрические двигатели?
• 4. Поясните назначение конструктивных элементов двигателей постоянного тока.
• 5. Какой преобразователь носит название бесконтактного двигателя постоянного тока и в чем состоят его основные особенности?
• 6. В чем различие синхронных и асинхронных двигателей переменного тока?
• 7. Приведите функциональное назначение модулей, образующих структуру автоматизированного электропривода.

Источник