книги / Системы управления электромеханическими исполнительными механизмами

токовые реле и автоматические выключатели должны быть настроены на эти пусковые токи.

При необходимости ограничения пускового тока АД средней и большой мощности используется реакторный пуск (рис. 1.1, а), а для маломощных АД – реостатный пуск (рис. 1.1, б). В последние годы стали широко применяться полупроводниковые системы плавного пуска.

	6 кВ		380 В
Q2	Q1	Q2	Q1
	LR		R
	M		M
	а		б

Рис. 1.1. Реакторный (а) и реостатный пуск АД (б)

При пуске вначале включают выключатель Q1. Пуск АД осуществляется в режиме ограничения тока статора за счет пускового реактора LR или пускового резистора R. После уменьшения пускового тока в процессе разгона двигателя включают байпасный выключатель Q2.

Торможение АД с короткозамкнутым ротором осуществляют в режиме свободного выбега (отключения от сети и остановки под действием момента сопротивления холостого хода) или в режиме динамического торможения. Режим динамического торможения реализуют либо подключением двух фаз АД к сети постоянного тока (с возбуждением постоянным током), либо подключением статора АД к батарее конденсаторов, включенных в звезду или треугольник (в режиме самовозбуждения двигателя). Недостатком второго способа торможения является возникновение тормозного эффекта внутри достаточно узкого диапазона

11

скоростей и необходимость в использовании конденсаторов большой емкости. Достоинство этого способа – реализация режима компенсации реактивной мощности питающей сети в процессе динамического торможения.

Реверс АД осуществляют торможением в режиме противовключения (переключением двух фаз статора) или в режиме динамического торможения до нулевой скорости с последующим разгоном в обратную сторону при переключении двух фаз статора (см. лабораторную работу № 1).

Пуско-тормозные режимы бесконтактных СУИМ постоянной скорости реализуют, как правило, с применением асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором или синхронных двигателей с постоянными магнитами. Для маломощных ИМ (до нескольких десятков-сотен ватт) применяют однофазные двигатели, для более мощных – трехфазные.

По принципу управления такие СУИМ подразделяются на следующие типы:

–ручного управления «на месте» с помощью кнопок или ключей управления на стационарном или местном переносном проводном пульте управления без обратных связей по координатам объекта управления;

–ручного дистанционного управления по командам оператора, передаваемым по промышленной сети от пульта управления, промышленного контроллера, сервера верхнего уровня управления без обратныхсвязейпокоординатамобъектауправления;

–ручного/автоматического управления «на месте» или дистанционного управления с контролем как минимум выходной координаты объекта управления, по промышленной сети от пульта управления, промышленного контроллера, сервера верхнего уровня управления;

–ручного/автоматического управления «на месте» или дистанционного управления с реализацией функций интеллектуального микропроцессорного управления.

12

Все бесконтактные СУИМ постоянной скорости содержат как минимум бесконтактные малоточные элементы управления (транзисторы, симисторы, тиристоры), как максимум – еще и бесконтактные силовые элементы (симисторы или параллельно включенные тиристоры).

На рис. 1.2 приведена обобщенная функциональная схема СУИМ, сочетающая изложенные выше принципы управления ИМ постоянной скорости.

Ручной«пуск– стоп– реверс»

Uз

Uуа

Uу

ω

y

-

ИУ

ФЭ

ПРР

СПЭ

Д

ИМ

РО

Uос

ДТК

Uур

Рис. 1.2. ОбобщеннаяфункциональнаясхемаСУИМпостояннойскорости: ИУ – измерительное устройство; ФЭ – формирующий элемент; ПРР – переключатель режима работы; СПЭ – силовой преобразователь энергии – реверсивный пускатель; Д – двигатель (привод) ИМ; ИМ – исполнительный механизм; РО – рабочий орган; ДТК – датчик

технологической координаты; Uз, Uос – маломощные сигналы задания
и обратной связи (напряжение, ток или цифровой код); Uуа, Uур, Uу –
сигналы управления – автоматического,	ручного, результирующего;
ω – скорость вращения (перемещения)	привода ИМ; y – выходная

(технологическая) координата СУИМ

Измерительное устройство ИУ предназначено для масштабирования, линеаризации сигналов задания Uз и обратной связи Uос и вычисления сигнала ошибки регулирования выходной координаты СУИМ.

Формирующий элемент ФЭ выполняет следующие функции автоматического управления:

– формирование двухпозиционного регулирования нереверсивными ИМ типа «нагреватель» или «холодильник» (ТЭНы,

13

вентиляторы, компрессоры и др.) с реализацией функции «пуск – стоп» и контроля конечного положения РО;

–формирование трехпозиционного регулирования реверсивными ИМ (клапаны, пробковые и шаровые краны, подъемнотранспортные механизмы и др.) с реализацией функции «пуск – стоп– реверс», каксдатчикомположенияРО, такибезнего;

–формирование того или иного линейного закона регулирования реверсивными ИМ с контролем как минимум выходной технологической координаты СУИМ.

Формирующий элемент – основной элемент СУИМ, обеспечивающий требуемое качество управления. Синтез его – одна из основных задач исследования и проектирования СУИМ (см. лабораторную работу № 2).

Переключатель режима работы (ПРР) – логический элемент, выполняющий функции безударного перехода с автоматического на ручной режим работы и обратно. Заметим, что все ИМ постоянной скорости предполагают возможность ручного управления «на месте», как правило, с применением ручных штурвалов.

СПЭ – контактный или бесконтактный реверсивный пускатель, обеспечивающий соответствующие функции подключения обмоток двигателя к питающей сети и защиты двигателя.

Функции контактного пускателя выполняют силовые реле, контакторы или магнитные пускатели. Среди отечественных контактных пускателей в СУИМ наиболее распространены магнитные пускатели серии ПМЛ.

Функции бесконтактных пускателей выполняют симисторные или тиристорные реверсивные пускатели и устройства плавного пуска, торможения и защиты. Это серии реверсивных бесконтактных пускателей ПБР, ПБК, БКР, БУЭР, ФЦ, БСТ и др.

Впоследние годы бесконтактные пускатели оснащаются средствами интеллектуализации. Появились, в частности, зарубежные интеллектуальные блоки типа Aumatic, Rotork IQ, Siemens Simocode Pro V, а также отечественные блоки, например, серии МикроСТАРТ-А, позволяющие работать с полевыми шинами

Modbus RTU, RS485 и др. [4, 7].

14

1.2. СУИМ переменной скорости

СУИМ переменной скорости применяют для исполнительных механизмов и рабочих машин в тех случаях, когда, во-первых, требуется реализовать принцип объемного (массового) регулирования расхода некоего вещества воздействием на его поток по трубопроводу (питателю) за счет изменения скорости общепромышленного механизма – насоса, компрессора, вентилятора, конвейера и пр. Эти СУИМ являются нереверсивными и, как правило, реализуются на основе частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Во-вторых, такие СУИМ применяют для плавного и достаточно широкодиапазонного регулирования скорости приводов средней и большой мощности (более 10 кВт), причем с двигателями как переменного тока (АД, СД), так и постоянного тока (ДПТ, БДПТ), и могут быть как нереверсивными, так и реверсивными. Более того, в случае применения реверсивных СУИМ можно реализовать более качественное регулирование потока того или иного вещества через трубопровод методом дросселирования, т.е. использовать вместо СУИМ постоянной скорости, или реализовать комбинированное управление. Поскольку стоимость СПЭ для СУИМ с каждым годом снижается, а надежность возрастает, то сфера применения СУИМ постоянной скорости становится крайне узкой и ограничивается, по сути, запорно-регулирующей арматурой и маломощными термоэлектрическими нагревателями и охладителями, кондиционерамииинымиустройствамиклиматическогоконтроля.

СУИМ переменной скорости требуют, как правило, не только регулирования самой скорости электродвигателя, но и оптимизации режимов изменения электрических (электромагнитных) координат электропривода. В основе синтеза таких СУИМ лежит соподчинение координат объекта управления и, соответственно, метод подчиненногорегулирования[9, 13, 14].

Стуктурная схема многоконтурной СУИМ с подчиненным регулированием координат объекта управления приведена на рис. 1.3.

15

Устройство управления

Объект управления

xз,n

xз,n-1

xз,1

uу

x1

…

xn

-

W р,n(p)

…

W р,1(p)

Wоу,1(p)

Wоу, n(p)

-

Wос,1(p)

Wос,n (p)

Рис. 1.3. Стуктурная схема многоконтурной СУИМ с подчиненным регулированием координат объекта управления

Основные положения принципа подчиненного регулирования координат изложены ниже.

1. Объект управления представляют в виде n последовательно соединенных простейших линейных динамических звеньев с одним-двумя доминирующими полюсами (интегральных, апе-

риодических первого-второго порядка) – Wоу,1(p), Wоу,2(p), …, Wоу,n(p), где n – число контролируемых переменных).

2. В передаточную функцию младшего подобъекта управления Wоу,1(p) включают фильтр с эквивалентной малой (некомпенсированной) постоянной времени контура T , определяющей такие важнейшие свойства системы управления, как быстродействие, точность и помехозащищенность.

3.Устройство управления представляют в виде n последовательно соединенных регуляторов класса «вход – выход».

4.Синтез СУИМ начинают с младшего (внутреннего) контура регулирования и заканчивают старшим (внешним) контуром, применяя единую типовую методику [9, 13].

5.Каждый замкнутый синтезированный контур регулирования представляет собой оптимальный в некотором смысле линейный фильтр первого-третьего порядка. При этом оперируют понятием «оптимальные настройки контура» [9, 10, 13].

16

6.Каждый синтезированный замкнутый контур регулирования аппроксимируют оптимальным звеном первого-второго порядка и после синтеза присоединяют к объекту управления последующего контура.

7.Ограничение координат объекта управления на допустимых уровнях осуществляют ограничением задающих воздействий соответствующих контуров регулирования.

Вмногоконтурных электромеханических системах подчиненного регулирования координат наиболее распространены типовые настройки отдельных контуров на технический (модульный), симметричный и апериодический оптимумы [9, 13].

Помимо регуляторов класса «вход – выход» в СУИМ переменной скорости применяют регуляторы полного или редуцированного состояния, в частности модальные, апериодические, финитные [9–14].

Исследованию СУИМ переменной скорости посвящены лабораторные работы № 4–8.

17

2. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО СУИМ ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТИ

Лабораторная работа № 1. Релейно-контакторная СУИМ на базе типовой промышленной панели

Цель работы – ознакомление студентов с принципами построения и управления простейшими реверсивными релейноконтакторными ЭИМ постоянной скорости, а также формирование у студентов умений и навыков эксплуатации таких СУИМ.

Краткие теоретические сведения и описание работы

Для управления простейшими производственными установками применяют универсальные релейно-контакторные системы управления (РКСУ), осуществляющие управление режимами пуска, торможения и реверса, а также реализующие необходимые функции блокировок и защиты АД. На рис. 2.1 приведена принципиальная электрическая схема промышленной панели управления ПУ-5522, осуществляющей пуск привода ИМ в выбранном ключом SA направлении, динамическое торможение АД с наложением механического тормоза при установке ключа SA в нейтральное положение (остановка АД), торможение АД противовключением с последующим разгоном в обратном направлении при переводе ключа SA из одногокрайнего положения впротивоположное.

На рис. 2.2 приведены механические характеристики АД, соответствующие реализуемым пуско-тормозным режимам. Момент статической нагрузки Mс на валу АД принят реактивным.

Пуск АД производится из неподвижного состояния (начала координат) по характеристике 1 (см. направления стрелок) до точки А установившегося состояния. Торможение АД осуществляется в режиме динамического торможения из установившегося состояния (точка А) по характеристике 2 до неподвижного состояния (начало координат). Реверс АД происходит в режиме

18

противовключения из установившегося состояния (точка А) по характеристике 3 с разгоном в обратном направлении до нового установившегося состояния (точка A ).

Рис. 2.1. Принципиальная электрическая схема панели ПУ-5522 для управления короткозамкнутым АД

1

Рис. 2.2. Механические характеристики короткозамкнутого АД в пуско-тормозных режимах

19

В нейтральном положении ключа SA при поданном питании на силовую схему и схему управления срабатывает реле KТ1 и KSV, катушки реле KB и всех контакторов обесточены.

Конечные выключатели SQ1, SQ2 ограничивают ход исполнительного механизма в крайних положениях.

При повороте ключа SA в любое из положений 1 или 2 срабатывает один из контакторов KM2 или KM3, затем контактор KM1. Запитываются катушки реле KТ2 и контактора электромагнитного тормоза KM5. АД разгоняется до номинальной скорости.

При переводе ключа SA в нейтральное положение контакторы контакторов KM1, KM2 и KM3 переходят в обесточенное состояние и запитывается катушка контактора динамического торможения KM4. При этом срабатывает реле блокировки динамического торможения KB.

Блокировочное реле KB обеспечивает прерывание динамического торможения и повторное подключение АД к сети, если ключом SA выбрано одно из крайних положений 1 или 2. Это реле должно надежно втягиваться, запитываясь через последовательно включенную катушку контактора KM2 или KM3. Выдержка времени этого реле при отпадании должна быть на 20–30 % больше времени включения контактора KM2

и KM3 (0,2–0,3 с).

Сопротивление резистора динамического торможения R выбирается из условия ограничения тока динамического торможения на уровне 3–4-кратного значения номинального тока.

При переводе ключа SA из одного крайнего положения в другое происходит торможение АД в режиме противовключения до нулевой скорости, затем двигатель разгоняется в обратном направлении.

Защиту АД от перегрузки выполняют максимально-токовые реле KА1 и KА2. В цепях питания катушек контакторов KM2, KM3 и KM4 включены блок-контакты, исключающие возможность одновременного включения любых двух из них.

20