Багаторівнева структура сучасного електропривода

Електропривод – це електромеханічний пристрій, що здійснює кероване перетворення електричної енергії в механічну, а також зворотне перетворення, і призначене для надавання руху робочим машинам і механізмам. Електропривод є тією ланкою, яка зв'язує енергосистему з технологічними установками. Певною мірою електропривод виконує роль регулятора цих зв'язків.

Сучасний автоматизований електропривод є складної функціонально – взаємозалежної по елементах системою, яка являє собою конструктивну єдність електромеханічного перетворювача енергії (двигуна) і електричного перетворювача, що утворюють енергетичний (силовий) канал, а також пристроїв керування перетворюваною енергією й інформаційно-вимірювальною, що становлять керуючий канал. Електропривод забезпечує перетворення електричної енергії в механічну відповідно до алгоритму роботи технологічної установки.

3 2

Д

Рис. 1.4

Відмінною рисою сучасного регульованого привода змінного струму є наявність наступних основних елементів (мал.1.4):

· простого й надійного асинхронного або синхронного двигуна, мінімізованого по масо габаритним, вартісним і енергетичним показникам;

· перетворювача частоти з ланкою постійного струму з інвертором на повністю керованих приладах і некерованим випрямлячем;

· датчиків енергетичних, механічних і технологічних параметрів регулювання, що забезпечують необхідну точність стабілізації координат у замкненій системі;

· мікропроцесорної системи керування з функціями безпосереднього регулювання вихідних координат, формування законів широтно-імпульсного керування (ШІМ), діагностики, захисту й прогнозування, взаємодії з іншими локальними приводами.

Завдання об'єднання в єдину систему різних по природі функціонально-закінчених елементів електропривода покладає на багаторівневі спрягаючи пристрої. Це сукупність конструктивних, схемотехнічних і програмних засобів, що забезпечують безпосередню оптимальну взаємодію складених елементів привода з метою максимальної реалізації можливостей кожного з них.

Спрягаючий пристрій першого рівня характеризується механіко – енергетичною взаємодією двигуна й робочого механізму і являє собою механічну, гідравлічну або електромагнітну передачу енергії від електричної машини на виконавчий механізм. Його функції зводяться до узгодження руху двигуна й виконавчого органа механізму при максимальному ККД передачі й усталеній роботі у всіх режимах. Останнє забезпечується узгодженням механічних характеристик двигуна й механізму відповідно до виразу

де М_J – динамічний момент привода; Δω – приріст частоти обертання; β і β_с – жорсткості механічних характеристик двигуна й механізму.

Швидкодія механічної частини привода характеризується електромеханічною постійною часу Т_м, що має порядок від десятих часток до декількох секунд.

Другий і третій рівні – електроенергетичні. Для одержання двигуном електроенергії з необхідними параметрами амплітуди й частоти напруги в кожній фазі, а також для керування й регулювання параметрів потоку енергії служить статичний перетворювач. Оскільки двигун – безперервний нелінійний елемент, а перетворювач – нелінійний дискретний елемент, то виникає необхідність в узгодженні їх роботи. Для одержання максимального ККД, коефіцієнта викривлення необхідно живити двигун квазісинусоїдальним струмом і напругою. На цих рівнях вирішується завдання поліпшення енергетичних і динамічних характеристик привода. Швидкодія електроенергетичних рівнів характеризується електромагнітними постійними часу Т_э, що мають порядок сотих і десятих часток секунди.

Четвертий рівень – інтерфейси локального керування й регулювання параметрів енергетичного каналу привода. Від організації даного інтерфейсу залежать функціональні й сервісні можливості привода, точність і швидкодія. Інтерфейс реалізований у вигляді портів, таймерів, цифро-аналогових перетворювачів і підсилювачів формування сигналів керування силовими транзисторами або тиристорами.

П'ятий рівень – пристрої інформаційно-вимірювальної системи привода. Вимірюваними є фізичні величини:

· електричні (струм, напруга, ЕРС і т.п.)

· механічні (момент, швидкість, переміщення й т.п.)

· технологічні (тиск, температура, напір і т.п.)

Пристрої п'ятого рівня здійснюють перетворення сигналів з первинних датчиків, гальванічну розв'язку, посилення, інтегрування й аналого-цифрове або імпульсно-цифрове перетворення сигналів для представлення їх у форматі мікроконтролерної системи керування. Швидкодія даного рівня визначає точність і швидкодія четвертого рівня й забезпечується вибором принципів перетворення сигналів, характером обміну в цифровій системі й конкретною апаратною реалізацією.

Мікроконтролерна САК містить енергетичну модель електромеханічного пристрою, яка враховує чотири складових: мережа, перетворювальний пристрій, двигун і технологічний механізм у площинах споживання енергії, її використання й енергоуправління.

Шостий рівень – інтерфейс міжприводного обміну, реалізує координацію роботи локальних електроприводів між собою й зв'язок із центральної ЕОМ вищого рівня ієрархії. Обмін, як правило, здійснюється в цифровому коді з високою швидкодією при наявності великої оперативної пам'яті для статистичної обробки інформації, з контролем поточного стану кожного привода й можливістю інтерактивного режиму з оператором.

Останні роки ознаменувалися значними успіхами силової електроніки – було освоєно промислове виробництво біполярних транзисторів з ізольованим затвором IGBT тиристорів, що защіпаються, GTO тиристорів, що комутуються, з інтегрованим керуванням IGCT, а також силових інтелектуальних модулів IPM із вбудованими засобами захисту ключів і інтерфейсами для безпосереднього підключення до мікропроцесорних систем керування. Ріст ступеня інтеграції в мікропроцесорній техніці й перехід від мікропроцесорів до мікроконтролерів із вбудованим набором спеціалізованих периферійних пристроїв, зробили необоротної тенденцію масової заміни аналогових систем керування приводами на системи прямого цифрового керування.

Під прямим цифровим керуванням розуміється не тільки безпосереднє керування від мікроконтролера кожним ключем силового перетворювача, але й забезпечення можливості прямого введення в мікроконтролер сигналів різних зворотних зв'язків (незалежно від типу сигналу: аналоговий або цифровий) з наступною програмно-апаратною обробкою усередині мікроконтролера. Таким чином, система прямого цифрового керування орієнтована на відмову від значного числа додаткових інтерфейсних пристроїв і створення одноплатних контролерів керування приводами. У межі вбудована система керування проектується як однокристальна й разом із силовим перетворювачем і виконавчим двигуном конструктивно інтегрується в одне ціле – мехатронний модуль руху.

Електроприводи, керовані по розвинених алгоритмах за допомогою мікроконтролерів, мають ряд переваг:

· збільшення енергетичної ефективності системи - регулювання швидкості знижує втрати потужності;

· удосконалення функціонування - цифрове керування може додати такі властивості, як інтелектуальні замкнені контури, зміна частотних властивостей, діапазону контрольованих несправностей і здатність до взаємодії з іншими системами;

· спрощення електромеханічного перетворювача енергії - регульовані приводи дозволяють усунути необхідність у трансмісіях, коробках передач, редукторах;

· простота відновлення програмного забезпечення - системи на базі мікроконтролерів із флеш - пам'яттю можуть швидко змінювати при необхідності свій алгоритм і регульовані змінні.

З виконанням приводів регульованими складність системи часто збільшується. Основною умовою їх використання є збереження загальної вартості системи в обґрунтованих границях. Для ряду систем, особливо в побуті, загальна вартість повинна бути еквівалентна вартості нерегульованого варіанта.

Енергозбереження в електроприводі є частиною загального процесу ефективного використання електроенергії й визначається трьома процесами:

· енергоспоживанням;

· енерговикористанням споживаної енергії;

· енергокеруванням процесу енергоспоживання.

Енергоспоживання – процес формування складових потужності на вході перетворювача при роботі електропривода. Цей процес характеризується залежностями активної, реактивної й потужності викривлення від швидкості й моменту двигуна.

У питаннях енергоспоживання необхідно чітко уявляти характер перетворення енергії, про складових потужності, про показники якості електроенергії (ПЯЕ), їхньому впливі на характеристики електромеханічних перетворювачів.

Енерговикористання – використання потужності споживаної з мережі. Цей показник характеризує якісну сторону процесу енергоспоживання. Він показує наскільки ефективне використання споживаної електроенергії; яка частина з неї відноситься до втрат, а яка – до корисної потужності, що йде на вал робочої машини. Як розподіляються втрати, які визначають робочий режим електродвигуна, його температуру й надійність.

У питаннях енерговикористання найважливішим є баланс складових потужності, який дозволяє виявити механізми старіння електроустаткування на додаток до відомих і зв'язаних в основному з термічним характером впливу енергопроцесів на робітників й експлуатаційні характеристики.

Енергокерування – процес формування режимів енергоспоживання за допомогою технічних пристроїв і систем, що впливають на ланцюг керування електроприводом і перетворювальними пристроями, що живлять ці ланцюги. До енергокерування слід віднести управління перерозподілу втрат в електричних двигунах, оптимізацію втрат, мінімізацію нагрівання активних частин електричної машини, зниженню рівнів споживаної реактивної потужності й генерування гармонік струму. При цьому слід мати на увазі те, що зазначені вище позитивні властивості система електропривода здобуває не за рахунок використання деяких інших технічних засобів, а за рахунок використання регулювальних можливостей системи електропривода.

Такий енергетичний підхід, що базується на спільності процесів енергоспоживання, енерговикористання й енергокерування, зв'язує в єдиний електромеханічний комплекс елементи, що розглядаються раніше без взаємозв'язку: енергосистема, споживач (електропривод) і технологічна установка. Кожний з компонентів має свої регулювальні можливості в області керування енергоспоживанням, перерозподілом втрат і ін.