Основы проектирования автоматизированных электроприводов производственных механизмов

Таблица 11.2

Основные системы регулируемого электропривода

Тип регулируемого электропривода	Мощность, кВт	Номинальная скорость, об/мин	Диапазон регулирования	Области использования
1. Частотно- регулируемый асинхронный электропривод (ПЧ-АД)
1.1. На базе низковольтных (380В) асинхронных к.з. двигателей общего применения и транзисторных преобразователей частоты	0,5-250	До 3000	20:1	Различные технологические машины и оборудование, насосы, вентиляторы и др.
1.2. На базе специальных асинхронных двигателей и транзисторных преобразователей частоты	1,0-100	До 12000	1000:1	Электроприводы главного движения металлорежущих и др. станков, текстильное оборудование, центрифуги
1.3. На базе интегрированных конструкций (электрошпиндели, электроверетена)	0,1-60	До 50000	400:1	Металлорежущие станки, текстильное оборудование, центрифуги
1.4. На базе асинхронных двигателей напряжением до 6000В и транзисторных преобразователей частоты	500-3000	До 3000	20:1	Насосы, вентиляторы, различное технологическое оборудование
1.5. На базе высоковольтных асинхронных двигателей и тиристорных преобразователей частоты	До 8000	До 3000	20:1	Различные технологические машины и оборудование, насосы, турбокомпрессоры, вентиляторы
2. Вентильный двигатель (бесщеточная электрическая машина постоянного тока) – ВД
2.1. На базе синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов и транзисторных коммутаторов	0,1-50	До 6000	10000:1 и выше	Приводы подач металлорежущих станков, роботы и другое высокоточное оборудование
2.2. На базе высоковольтных синхронных двигателей и тиристорных коммутаторов	400-10000	До 3000	10:1	Насосы, турбокомпрессоры, горное и металлургическое оборудование
3. Электроприводы постоянного тока с питанием от управляемого полупроводникового выпрямителя (ТП-Д)
3.1. На базе высокомоментных двигателей постоянного тока или транзисторных широтно-импульсных управляемых преобразователей	0,5-30	До 1500	10000:1	Электроприводы металлорежущих и других станков, различное высокоточное оборудование
3.2. На базе двигателей постоянного тока общего применения и тиристорных преобразователей	1,0-1000	До 1500	100:1	Различное технологическое оборудование, краны, подъемные машины
3.3. На базе двигателей постоянного тока индивидуального исполнения и тиристорных преобразователей	1000-10000	До 1000	100:1	Металлургическое, горное и другое технологическое оборудование
4. Асинхронный вентильный каскад (АВК) на базе асинхронных двигателей с фазным ротором и тиристорных преобразователей	250-2000	До 1500	2:1	Электроприводы насосов и вентиляторов

11.6. Комплектные электроприводы
Регулируемые электроприводы выпускаются промышленными предприятиями в форме комплектных электроприводов, представляющих собой конструктивно законченное устройство, содержащее полупроводниковый преобразователь, системы управления и регулирования, защитную аппаратуру. Предполагается, что это устройство будет комплектоваться приводным электродвигателем.

Выпускается большое число типов комплектных электроприводов. В данном разделе более подробно рассмотрим два типа наиболее распространенных электроприводов отечественного производства.

Электроприводы, унифицированные трехфазные серии ЭПУ-1М

Устройства ЭПУ-1М предназначены для управления двигателями постоянного тока мощностью до 250 кВт. Двигатели могут иметь возбуждение от постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением. В состав комплектного устройства ЭПУ-1М входит тиристорный (нереверсивный или реверсивный) управляемый выпрямитель и полупроводниковая система регулирования. Электроприводы на базе ЭПУ-1М предназначены для применения в металлорежущих и деревообрабатывающих станках (электроприводы главного движения и электроприводы подач), для механизмов металлургического производства, бумагоделательных машин, для машин по производству пленок, переработки пластмасс и для других производственных машин и механизмов, требующих регулирования скорости в широком диапазоне.

Структура обозначения устройства

ЭПУ-1М-Х-ХХ-Х-Х-Х-Х

Заполняется следующим образом.

Электропривод постоянного тока унифицированной первой модели, модифицированный:

Первая цифра (Х) - 1 – нереверсивный; 2 – реверсивный;

Вторая и третья цифры - исполнение по номинальному току якоря двигателя: 34-25 А; 37-50 А; 39-80 А; 40-100 А; 43-200 А; 46-400 А; 48-630 А;

Четвертая цифра - выпрямленное напряжение: 1-115 В; 2-230 В; 3-460 В;

Пятая цифра - напряжение трехфазной питающей сети: 4-220 В; 7-380 В;

Шестая цифра - Функциональная характеристика: П – для электроприводов подач с диапазоном регулирования скорости до 10000; Д – для электроприводов главного движения с двухзонным регулированием скорости с диапазоном до 1000; М – с однозонным регулированием с обратной связью по скорости с диапазоном до 1000;

Седьмая цифра - климатическое исполнение УХЛ4.

Устройство ЭПУ-1М в комплекте с защитной и коммутационной аппаратурой предназначено для встраивания в шкафы управления со степенью защиты IP-21. Конструктивно устройство выполнено в виде моноблока.

Функциональная схема электропривода рассматриваемой серии показана на рис.11.4. Это высокоточный реверсивный трехфазный тиристорный однозонный электропривод по системе ТП-Д. Понятие однозонный означает, что регулирование скорости осуществляется в пределах 0-ω_ном, т.е. вниз от основной скорости. Поток возбуждения двигателя остается постоянным.

Двигатель постоянного тока М питается от реверсивного тиристорного преобразователя U1, выполненного по трехфазной мостовой схеме с раздельным управлением (см. раздел 5.2). Питание тиристорного преобразователя производится от сети 380 В, если двигатель имеет номинальное напряжение 440 В, или от трансформатора Т1, если напряжение двигателя 220 В. Для двигателей с электромагнитным возбуждением предусмотрен выпрямитель U2 для питания обмотки возбуждения. Защита преобразователей U1 и U2 производится плавкими предохранителями F1-F3 и F4-F6.

Система регулирования скорости – двухконтурная. Внешний контур – контур скорости – содержит ПИ-регулятор РС и обратную связь по скорости от тахогенератора BR1. Обратная связь по току заведена на вход управляющего органа УО. Измерительным элементом для обратной связи по току служит трансформатор тока, включенный в цепь переменного тока, питающую преобразователь цепи якоря. Ток вторичной обмотки этого трансформатора преобразуется датчиком тока ДТ в сигнал постоянного тока, пропорциональный по величине току якоря двигателя. Однако этот сигнал однополярный, т.е. не несет информацию о направлении тока в цепи якоря.

Управление тиристорами производится от трехканальной СИФУ, содержащей формирователи импульсов ФИ1-ФИ3. Управляющий сигнал формируется управляющим органом УО; с помощью переменных резисторов R16, R17 и R19 производится установка углов α_мин, α_макс и начального угла α_нач. Переключение импульсов управления с одной группы тиристоров (В) на другую группу (Н) производится логическим устройством, которое работает в зависимости от знаков сигнала заданного тока и сигнала датчика проводимости вентилей ДП. Сигнал заданного направления тока поступает в логическое устройство с выхода нелинейного звена НЗ. Звенья НЗ и ФПЕ с резистором R14 образуют устройство для линеаризации характеристик электропривода при работе в зоне прерывистых токов.

Для согласования реверсивного сигнала на выходе НЗ с нереверсивной регулировочной характеристикой управляющего органа УО служит переключатель характеристик ПХ, управляемый логическим устройством ЛУ (ключи В и Н).

На входе регулятора скорости сравниваются сигналы задания скорости U_зад и обратной связи по скорости. Вместо ручного потенциометрического задатчика скорости R1 задание может вводиться от устройства высшего уровня автоматизации, например от ЧПУ.

Токоорганичение в данной схеме обеспечивается за счет ограничения выходного напряжения регулятора скорости с помощью резистора R10, которым устанавливается максимальная уставка токоограничения. Узел зависимого токоограничения обеспечивает снижение максимальной уставки токоограничения в зависимости от скорости: чем скорость больше, тем меньшая допускается перегрузка по току.

Блок защит БЗ производит блокирование выхода регулятора скорости и снятие управляющих импульсов с тиристоров.

Электроприводы серии ЭПУ-1М выпускаются Чебоксарским электроаппаратным заводом.

Частотно-регулируемый асинхронный привод АП-140

Промышленная группа «Приводная техника» выпускает регулируемые асинхронные электроприводы серии АП-140. Серия имеет 2 ветви:

- АП-140-А для управления общепромышленными асинхронными двигателями мощностью 5,5-500 кВт;

- АП-140-Н для управления асинхронными электродвигателями насосов и вентиляторов мощностью 5,5-500 кВт.

Типоразмеры преобразователей частоты, составляющих основу серии, и их маркировка приведены в табл. 11.3.

Таблица 11.3

Типы преобразователей частоты

АП-140-_-_(_)	Модель
	0К75	1К5	2К2	3К7	5К5	7К5	11К	15К	18К5	22К
Мощность (кВт)	0,75	1,5	2,2	4	5,5	7,5	11	15	18,5	22
Номинальный ток (А)	2,5	3,7	5	8,5	13	16	25	32	38	45
АП-140-_-_(_)	Модель
	30К	37К	45К	55К	75К	93К	110К	132К	160К	187К
Мощность (кВт)	30	37	45	55	75	93	110	132	160	187
Номинальный ток (А)	60	75	90	110	150	170	210	250	300	340
АП-140-_-_(_)	Модель
	200К	220К	250К	280К	315К	375К	400К	500К
Мощность (кВт)	200	220	250	280	315	375	400	500
Номинальный ток (А)	380	415	470	520	600	680	750	920

Питание преобразователей – от трехфазной сети 380 В. Структура преобразователя частоты представлена на рис.11.5. Преобразователь состоит из трех основных частей: неуправляемого выпрямителя с фильтром в цепи постоянного тока ЗПТ (рис.11.6), мостового трехфазного инвертора, выполненного на IGBT приборах (рис.11.7) и системы управления. Выпрямитель осуществляет преобразование трехфазного переменного напряжения питающей сети в выпрямленное напряжение постоянной амплитуды 540 В.

Инвертор посредством ШИМ-управления транзисторными ключами преобразует постоянное напряжение в переменное квази-синусоидальное регулируемой частоты f и амплитуды U. Через цепь постоянного тока передается активная мощность – из сети к двигателю. Для циркуляции реактивной мощности, которая необходима для создания электромагнитного поля асинхронного двигателя, образуется цепь: обмотки статора двигателя – обратные диоды, шунтирующие транзисторные ключи – конденсаторы фильтра. При запирании ключей индуктивные токи замыкаются через диоды на емкость фильтра, не вызывая перенапряжений.

Транзисторные ключи управляются драйверами, которые осуществляют гальваническую развязку силовых цепей от цепей управления и защиту транзисторов.

Блок микропроцессорного управления включает в себя (рис.11.8) программируемый контроллер, аналого-цифровые преобразователи и пульт управления. Контроллер осуществляет широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения преобразователя с функциональной зависимостью амплитуды напряжения от частоты (рис.11.9).

U=A+Bf

Коэффициенты А и В программируются.

В контроллере может быть программно реализован ПИД-регулятор технологического параметра (например, напора или расхода воды), который должен контролировать регулируемый электропривод. Сигналы обратной связи по этому параметру вводятся в контроллер через АЦП.

Все параметры, связанные с управлением приводом, заносятся в память контроллера с помощью программирующего устройства или персонального компьютера ПК.

При необходимости преобразователь АП-140 может обеспечить тормозной режим работы электропривода. Для этого в цепи постоянного тока предусмотрены транзисторный ключ ТК и разрядное сопротивление R_торм. Энергия торможения двигателя накапливается на конденсаторе фильтра, вызывая на нем повышение напряжения. Когда напряжение на С_ф достигнет определенной величины, открывается ключ ТК и избыток заряда конденсатора сбрасывается в тормозное сопротивление R_торм. Сопротивление R_огр в цепи постоянного тока служит для ограничения тока заряда емкости фильтра при включении преобразователя в сеть. При дальнейшей работе сопротивление R_огр шунтируется.

Устройства АП-140 имеют следующие защиты:

- от перенапряжений по питанию

- от повышения напряжения питания

- от понижения напряжения питания

- от короткого замыкания в нагрузке

- от замыкания фазы на землю

- от перегрева двигателя

- от «опрокидывания двигателя

- от перегрузки

- от ошибок управления.
Контрольные вопросы

1. 
   Назовите общие требования, предъявляемые к электроприводу.
   
2. 
   Что характеризует нагрузочная диаграмма электропривода?
   
3. 
   Чем отличается нагрузочная диаграмма производственного механизма от нагрузочной диаграммы электропривода?
   
4. 
   По каким критериям рассчитывается мощность приводного электродвигателя?
   
5. 
   От какого номинального параметра электродвигателя зависят его масса и габаритные размеры?
   
6. 
   Перечислите классы изоляции двигателя и соответствующие им температуры нагрева.
   
7. 
   Дайте определение эквивалентного тока двигателя.
   
8. 
   Каким параметром характеризуется повторно-кратковременный режим работы двигателя?
   
9. 
   По каким параметрам выбираются полупроводниковые преобразователи для питания электродвигателя в системах регулируемого электропривода?
   
10. 
    Назовите последовательность этапов проектирования электропривода.
    
11. 
    Почему следует стремиться к использованию регулируемых электроприводов?