автоматизированные электроприводы

Системы управления электроприводами

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Системы управления электроприводами, автоматизированные электроприводы

Основным средством управления электроприводом является программируемый контроллер. Имеются базовый модуль контроллера и модули расширения. С помощью базового модуля решаются все задачи управления локальным электроприводом с учетом его функциональной ориентации на заданную область применения. С помощью интеллектуальных модулей расширения решаются задачи последовательного или параллельного управления несколькими электроприводами, позиционирования, синхронизации скоростей и положений, управления технологическими переменными и др.
Рассмотрим реализацию средств управления в комплектных электроприводах с частотным регулированием скорости фирмы «Siemens». В зависимости от схемы управляемого преобразователя частоты и задач управления приводом базовые модули контроллеров совместно с периферийными устройствами могут иметь разнообразные схемы. На рис. показана схема одного из вариантов контроллера.
Через разъем ХЗОО подключается кабель дистанционного пульта управления одним или несколькими приводами. Пульт может быть удален от блока на 100... 300 м.
Информация с датчиков поступает в контроллер через AS-интерфейс. Частотное управление электродвигателями осуществляется двумя основными способами:
по функциональной характеристике, связывающей напряжение и частоту статора электродвигателя;
применяется для электроприводов, в которых отсутствуют особые требования к динамике;
векторным; применяется для электроприводов со средней и высокой динамиками.
Теоретические аспекты этих способов управления рассматриваются в работе. Каждый из них адаптирован к частным случаям с помощью функциональных модулей, влияющих на статические и динамические характеристики электроприводов.
На рис приведены функциональные схемы систем управления электроприводами, в которых использованы описанные способы (символом «*» обозначены заданные значения переменных, символом «л» — оценки значений переменных).
Все модули функциональных схем реализуются программно на контроллере привода. В соответствии с этим имеется набор типовых программных модулей и программ связки модулей, обеспечивающих реализацию нужной системы управления.
Управление по характеристике реализовано в системах управления одним или несколькими асинхронными электродвигателями. Наиболее простой является система управления, в которой отсутствуют датчики скорости.
Она применяется в приводах насосов, вентиляторов, в транспортных средствах при ограниченном диапазоне регулирования скорости (до 1:10).
Для поддержания постоянства потокосцепления статора в соответствии с характеристикой применяются модули IR-ком-пенсации и коррекции. Повышение «жесткости» механической характеристики электропривода при изменении нагрузки достигается с помощью модуля компенсации скольжения (КС).
В системе предусматриваются регулирование тока ограничения в соответствии с заданным значением воздействием на напряжение или частоту статора и выбор, соответствующей управлению механизмами, имеющими постоянную или вентиляторную нагрузку. Имеется защита от «опрокидывания» привода в случае превышения момента нагрузки выше критического значения.
Для высокоскоростных электроприводов оборудования текстильного производства применяется система управления, аналогичная приведенной на рис, но без модуля КС, ток ограничения регулируется воздействием на напряжение статора.
Для электроприводов механизмов, в которых диапазон регулирования скорости больше 1:10, применяются системы регулирования с датчиками и регуляторами скорости.
В качестве датчиков скорости используют аналоговые или импульсные датчики. Во втором случае применяются датчики с двумя каналами импульсов, имеющих фазовый сдвиг 90°.
Векторное управление реализовано в системах управления асинхронными электродвигателями. В них предусматривается возможность управления одно- и многодвигательными электроприводами, в том числе электроприводами, взаимосвязанными механически по нагрузке. Динамические характеристики таких электроприводов аналогичны динамическим характеристикам электроприводов постоянного тока. Достигается это управлением составляющими вектора тока, первая из которых пропорциональна моменту двигателя, а вторая — потокосцеплению.
Величины оцениваются по динамической модели двигателя, составленной представлением мгновенных значений переменных в виде результирующих векторов и переходом к вращающимся системам координат. В системе предусматривается возможность ограничивать момент двигателя в соответствии с заданным значением и управлять интенсивностью изменения момента.
Вариант векторного управления электропривода без датчика скорости применяется в производственных механизмах при диапазоне регулирования скорости, не превышающем 1:10 (например в экструдерах и вентиляторах большой мощности, в транспортных и подъемных механизмах, центрифугах).
В механизмах с большим диапазоном регулирования скорости применяется система управления с датчиком скорости.
Функциональные возможности базового модуля контроллера могут расширяться подключением интеллектуальных модулей технологической группы Т100...ТЗОО. С помощью этих модулей решаются следующие задачи:
реализации П-, ПИ-, И-, ПД-, ПИД-регуляторов (регуляторов усилия, натяжения, подачи, давления, температуры и других технологических переменных);
задания требуемых режимов пуска приводов в соответствии с управляющей командой;
синхронизированного управления электроприводами;
реализации двух быстрых последовательных интерфейсов со скоростью передачи данных до 187,5 кбод, позволяющих выполнять каскадное управление группами комплектных электроприводов и осуществлять связь с сетью технологического уровня, с технологическим контроллером и (или) промышленным компьютером;
наблюдения за важными сигналами (параметрами) по индикатору параметров (функция мультиметрии).
Некоторые функции управления, которые наиболее часто встречаются в технологических агрегатах, автоматизируемых средствами электроприводов, запрограммированы в модулях памяти группы Т100... ТЗОО в виде стандартных программных модулей. Пользователю предоставляется возможность реализации специальных решений, соответствующих частным технологическим задачам. Выполнить это можно при помощи графического языка проектирования STRUC.
Информация обрабатывается процессором циклически. Время цикла минимум 1 мс. Программные и аппаратные компоненты модуля ТЗОО представлены на рис. Параллельный интерфейс не имеет задержек (ОЗУ двойного доступа) и позволяет осуществить быстрый обмен данными между Т300 и базовым модулем контроллера.
В частотно-регулируемых электроприводах фирмы ABB используется технология прямого управления моментами (технология DTC). Она позволяет управлять двигателем без импульсного датчика скорости. В результате применения мощного цифрового сигнального процессора система быстро реагирует на изменения нагрузки, меняя момент на валу двигателя, чем повышается качество управления.
Асинхронный двигатель представляет собой динамическую систему, фазовое состояние которой характеризуется вектором по-токосцепления ротора. Поэтому оптимальное управление АД осуществляется при Wr = const изменением угла между векторами Щг и *FS или изменением Ws (в специальных режимах работы АД с целью минимизации потерь либо работы с ослаблением поля). Постоянная времени ротора АД, как правило, больше 100 мс, поэтому быстрые процессы регулирования мало влияют на значение потока ротора.
Модель двигателя является важнейшим элементом системы DTC; ее точность определяет выходные характеристики электропривода. Идентичность параметров АД и модели достигается идентификационными режимами работы в процессе ввода электропривода в промышленную эксплуатацию. Основными параметрами, идентифицируемыми в этом режиме, являются: индуктивности статора Ls и цепи намагничивания Lm, сопротивление статора Rs. Учитывается и насыщение магнитной цепи. Расчетная модель АД также учитывает нагревание машины и падение напряжения (омическое и коммутационное) в АИН при определении потока статора.
При этом вектор тока статора определяется по токам двух фаз, а вектор тока ротора рассчитывается.
С учетом динамических характеристик звена регулирования момента DTC регулятор скорости синтезируется как ПИД-регуля-тор, чем достигается высокое быстродействие по контуру скорости и статическая точность регулирования. Выход регулятора скорости включен каскадно с устройством задания и ограничения момента. Это устройство обеспечивает: ограничение момента двигателя, защиту АИН от токовых перегрузок (эта защита имеет временно-токовую характеристику), поддержание напряжения в звене постоянного напряжения.
Оно имеет также вход для задания независимой (от регулятора скорости) уставки момента. Функционально регулятор скорости включает (кроме ПИД-регулятора) модуль ускорения для задания темпа разгона и торможения. В процессе ввода электропривода в эксплуатацию в режиме идентификации осуществляется настройка регулятора на электромеханическую постоянную времени. При реализации обратной связи по скорости с выхода модуля 2 (см. рис. 2.13) статическая точность достигается на уровне 0,1 ...0,5 %.
Для получения более высокого значения этой характеристики электропривода организуется обратная связь с помощью датчика скорости. В этом случае достигается точность до 0,01 %. Система регулирования снабжена устройством независимого задания потока статора АД. Это позволяет реализовать САР с ослаблением потока или заданием потока как функции минимизации потерь и увеличения общего КПД электропривода. Так, при снижении потока статора в режиме малых нагрузок потери могут быть снижены более чем на 60 %.
Таким образом, устройство позволяет учитывать характер нагрузки (например вентиляторная характеристика) при настройке САР. Имеется также блок задания частоты переключения ключей АИН. Этот параметр может регулироваться (в зависимости от типа полупроводникового прибора АИН) от 0,8 кГц (для запираемых тиристоров) до 3,5 кГц (для силовых транзисторов разного типа).
Фазное напряжение асинхронного двигателя формируется переключением трех IGBT-транзисторов между положительным и отрицательным полюсами постоянного напряжения. Система DTC отдельно определяет момент каждого переключения в зависимости от текущих значений потока и момента. Текущие значения потока и момента каждые 25 мкс вычисляются на основе информации о токе и напряжении двигателя в адаптивной модели двигателя. Затем они сравниваются со значениями тока и момента, задаваемыми контроллером, что служит информацией для подачи системой управления переключающих импульсов. Таким образом, не существует фиксированной частоты переключений, в результате чего шумовой спектр не содержит пиков высокой частоты и двигатель имеет низкий уровень шума.
Для распределенного управления большими системами электроприводов используются контроллеры управления приводами АРС2. Один контроллер АРС2 может управлять восемью приводами. Объединение АРС2 в таких системах производится с помощью шины Fieldbus 100. Возможны также платы связи с системами управления верхнего уровня. Небольшие системы электроприводов могут содержать только одну плату АРС2.
Аналогичная идеология построения частотно-регулируемых электроприводов заложена в изделия отечественной фирмы «Триод».

Свойства и конструкция основных узлов систем управления движением механизмов

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Системы управления электроприводами, автоматизированные электроприводы

Основные узлы систем управления движением механизмов могут иметь различную конструктивную компоновку, определяемую требованиями к точности и быстродействию движения исполнительного органа (ИО). На рис приведены типовые схемы систем управления линейными движениями ИО. Для угловых движений ИО схемы аналогичны, но в них отсутствуют передаточные механизмы (ПМ), преобразующие угловые движения в линейные. В соответствии с заданием s3(f) во всех случаях системами управления реализуются стабилизирующие, следящие или программные движения ИО — s(f).
Для того чтобы получить высокую точность, а это, как правило, связано с высокой добротностью или полосой пропускания системы, необходимо устанавливать датчик положения ДП в непосредственной близости к ИО. Однако это не всегда возможно, так как на полосу пропускания системы будут влиять люфты и упругие деформации в передаточных механизмах, которые входят в контур управления положением ИО; к ним предъявляются повышенные требования по динамическим характеристикам. В этом случае повышаются требования к точности и уровню помех ДП и датчика скорости ДС. Рассмотрим различные варианты схем компоновки ИО, ПМ, ДП, ДС в составе системы управления.
В схеме рис, а между электродвигателем М и ПМ типа винт 3 — гайка 4 установлен ПМ вращательных движений (редуктор) 2. Датчик скорости ДС установлен непосредственно на валу М, а ДП присоединен к валу М непосредственно или через понижающую зубчатую передачу 7. В качестве первичного преобразователя ДС используется тахогенератор постоянного или переменного тока, а в качестве ДП — вращающийся трансформатор. Блок управления БУ, через который происходит замыкание системы, состоит из управляемого преобразователя, регуляторов положения, скорости и электромагнитных переменных (тока, напряжения). Наиболее часто система управления выполняется трехкон-турной в соответствии со схемой, показанной на рис. В общем случае ИО присоединен к М через силовой передаточный механизм ПМС, а ДП — через приборный передаточный механизм ПМП. Ошибка рассогласования по положению выявляется в системе измерителем рассогласования ИР.
Более точный контроль движений ИО можно осуществить, если ДП установить на винт. Редуктор в этом случае выполняется с минимальным числом ступеней. В качестве ДП используется вращающийся трансформатор (ВТ), редуктосин (ВТ с электрической редукцией) или фотоэлектрический датчик.
Следующим этапом в повышении точности и быстродействия системы управления движением ИО Комплектные электроприводы имеют полосу частот пропускания по задающему каналу 25... 50 Гц при установке ДС и ДП на одном валу с ротором М. При наличии в приводе ПМ эта полоса ограничивается меньшими значениями. Для ее повышения необходимо повысить жесткость звеньев ПМ или исключить их из привода. В последнем случае повышается установленная мощность и стоимость электрооборудования. Компромисс устанавливается по результатам анализа возможных альтернатив выбора схем компоновки из условия обеспечения заданных значений точности и быстродействия при ограничениях на установленную мощность, стоимость и размеры электрооборудования. Это делается методами анализа, изложенными в работе [5].

Сетевые средства систем управления электроприводами

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Системы управления электроприводами, автоматизированные электроприводы

Контроллеры комплектных электроприводов содержат набор серийных интерфейсов для организации связи со средствами управления, инжиниринговыми средствами и средствами контроля.
Интерфейсы связи разделяются на интерфейсы базового модуля и коммуникационные интерфейсы, использующие различные протоколы обмена.
Интерфейсы базового модуля SST1 и SST2, в основе которых используются стандартные интерфейсы RS-485 и RS-232C, предназначены для связи с пультом управления приводом и пультом дистанционного управления.
Соединение между пультом оператора и обслуживаемым портом Х300 происходит через последовательный интерфейс RS-485 с USS-протоколом. При таком соединении пульт оператора OP1S принимает функции ведущего. Подключенные устройства работают как ведомые. Блок OP1S можно задействовать со скоростями передачи от 9,6 до 19,2 кбод. Он может иметь связь с 31 ведомым устройством, поэтому может быть использован при соединении приводов «точка-точка» (поддержка одного устройства) и при их соединении с помощью шины (поддержка нескольких устройств).
Оба интерфейса базового модуля работают с USS-протоколом, который может обеспечивать обмен данными с 31 внешним устроиством и с максимально возможной скоростью передачи данных до 38,4 кбод.
Имеется набор коммуникационных и интерфейсных модулей, обеспечивающих связь контроллера с сетями технологического уровня управления.
Связь с сетью Profibus-DP осуществляется через модуль СВР (Communication Board Profibus), а с сетью Сап — через модуль СВС (Communication Board Can). Модули SLB (Simolink Board) и SCB2 (Serial Communication Board) обеспечивают связь с другими приводами с использованием протоколов: USS, Simolink, Peet-to-peet («точка-точка»).
В соответствии с задачами управления все коммуникационные и интерфейсные модули подключаются в электронном блоке к слотам (установочным разъемам для плат) А, С, D, E, F, G.
USS-протокол является специальным протоколом фирмы «Siemens», базой которого является интерфейс RS-485. Он обеспечивает связь 32 устройств по технологии «ведущий-ведомый»; USS-протокол поддерживает только одно ведущее устройство и 31 ведомое устройство. Ведущим устройством является устройство вышестоящей системы (технологические контроллеры, персональные компьютеры, совместимые распределенные системы управления других фирм). Комплектные приводы в таких системах связи являются ведомыми устройствами.
Связь системы комплектных электроприводов с инжиниринговыми средствами и средствами автоматизации распределенной системы управления технологическим процессом показана на функциональной схеме.
Используя описанные сетевые средства, можно обеспечивать управление приводами с различными вариантами их подключения. На рис показаны варианты включения приводов по схемам: последовательного и параллельного включения «точка-точка»;
шинного включения с USS-протоко-лом при управлении от ведущего устройства.
Рассмотренная система является универсальной. Аналогичные системы выпускаются многими электротехническими корпорациями. Выпускаются и специализированные компьютерные системы, ориентированные на применение в больших группах типовых технологических комплексов, например система PPS 200 фирмы ABB, которая разработана для комплексов целлюлозно-бумажной промышленности и легко адаптируется к другим комплексам непрерывно-поточных производств.
Система PPS 200 содержит электродвигатели, управляемые преобразователи, контроллеры локальных приводов 1 и контроллеры управления группами приводов АРС2 2, панели оператора 8, магистрали панелей, платы местного и дистанционного ввода и вывода 9, быстродействующую последовательную магистраль 7, контроллер магистрали 3, ПК 6. Для подключения к распределенной системе управления технологическим процессом 4 используется межсетевой преобразователь 5. Система поставляется комплектно с профаммным обеспечением, адаптированным к конкретному АТК.
Один технологический контроллер может управлять максимально восемью приводами по волоконно-оптической линии связи с быстродействием 1,5 Мбод. Между собой технологические контроллеры связаны через магистраль (коаксиальный кабель) с быстродействием 1,5 Мбод.
Предусматривается возможность включения в магистраль до 80 активных абонентов (контроллеров, станций оператора, ПК). Связь между контроллерами в магистрали управляется контроллером 3. Производительность вычислений увеличивается дополнением системы необходимым количеством контроллеров. Система гибко приспосабливается к количеству приводных секций агрегатов и структуре электропривода.

Настройка и диагностирование параметров автоматизированных электроприводов

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Системы управления электроприводами, автоматизированные электроприводы, параметры электроприводов

В комплектных электроприводах реализуется гибкая система настройки и диагностирования для конкретного объекта и технологического процесса при наладке и работе на производственном объекте. Эта система предусматривает следующее.
1. Настройку привода в полном объеме с местного, дистанционного пульта или с ПК с помощью коррекции соответствующих параметров, сведенных в функциональные группы.
2. Постоянное отслеживание приводом до п различных заданий (задание ручного режима с пульта, задание автоматического режима с пульта и т.д.), только одно из которых может быть текущим (активным). При этом гибко реализуется система выбора одного из заданий в качестве активного с соответствующим изменением режима (ручной или автоматический) с местного или дистанционного пульта с помощью специальной процедуры или коррекции параметров, обеспечивающих выбор режима или задания. Выбор режима работы электропривода возможен по сети с ПК путем управления состоянием логических коммутаторов (ЛК), назначенных при настройке привода на управление функциями переключения режима или выбора задатчика без коррекции параметров. Один ЛК может быть настроен на выполнение нескольких функций одновременно. Задание режима возможно также с помощью изменения состояния дискретных входов, назначенных при настройке привода на управление функциями переключения режима или выбора задатчика. Один вход может быть настроен на выполнение нескольких функций одновременно.
3. Гибкую систему установки значения задания, в том числе выбор в качестве задания функции.
4. Гибкую систему выбора одного из двух источников технологического параметра (обратной связи) или режима вычисления значения обратной связи как математической функции значений двух источников.
5. Гибкую систему управления значением обратной связи (источник рассогласования для ПИД-регулятора в автоматическом режиме). Значение обратной связи может быть функцией двух источников.
6. Динамическое изменение темпа разгона и торможения прямым выбором одного из двух заданных при настройке темпов или режима переключения темпов по граничной частоте.
7. Управление выходными реле: функциональное (как функция текущего состояния привода или объекта) с местного, дистанционного пультов или ПК с помощью коррекции соответствующих параметров; безусловное прямое управление свободными от функционального управления реле по сети от ПК занесением позиционного кода (определяющего требуемое состояние всех реле) с маской (определяющей реле, могущие изменить состояние) в назначенный регистр или занесением кодов включения и выключения в регистры, отведенные для каждого реле отдельно.
8. Управление аналоговыми выходами аналогично п. 7 с занесением числового кода в назначенный при коррекции параметров регистр.
9. Управление функцией «Пуск»: аппаратно; по сети от ПК путем управления состоянием специального регистра; местно с помощью изменения состояния дискретного входа, назначенного при настройке привода на управление этой функцией; нажатием кнопки на местном или дистанционном пульте.
10. Управление функцией «Стоп».
11. Управление функцией «Реверс».
12. Доступность информации о текущих действующих авариях и предупреждениях, об авариях, возникших после последнего пуска (кроме автоматических повторных перезапусков). При использовании местного и дистанционного пультов для этого применяются специальные процедуры (путем просмотра специально введенных информационных параметров). Если применяются сетевые средства, то просматривается информационная группа параметров.
13. Доступность для пользователя полной информации о номере привода (сетевой адрес), состоянии выбранного привода (задание «вперед/назад», текущее состояние «вперед/назад», режим «ручной/автоматический», готовность, заряд емкости фильтра, ускорение, торможение, установившийся режим, работа ШИМ, торможение постоянным током, норма, предупреждение, авария, допускающая автоматический перезапуск, авария, не допускающая автоматический перезапуск, информация об источнике задания, информация о коррекции параметра). При этом используется статусная строка местного (доступна информация только об одном приводе) или дистанционного пульта (доступна информация о всех приводах, включенных в сеть). При использовании сетевых средств ПК информация доступна постоянно (по умолчанию, без выделения специальной команды) при обмене информацией по сети.
14. Доступность информации о состоянии дискретных и аналоговых входов и выходов. ПК получает информацию о «занятости» соответствующих входов или выходов внутренними функциями привода. Последняя возможность в совокупности с возможностью дистанционно изменять состояние входов или выходов позволяет использовать незадействованные под внутренние функции входы или выходы привода как удаленные, рассредоточенные по производственной территории устройства ввода технологической информации и устройства управления исполнительными механизмами с выходом на сетевой интерфейс по распространенным в промышленности протоколам. ПК имеет возможность построить отдельные контуры регулирования, связанные или не связанные с управлением приводами, подключенными к этой локальной сети.
Реализация пп. 3... 6 возможна: с местного или дистанционного пульта с помощью специальной процедуры, позволяющей корректировать значения заданий для ручного режима с пульта или задание для автоматического режима с пульта; по сети с ПК занесением числовых кодов в предусмотренные для этого кодовые регистры, назначенные при настройке привода в качестве соответствующих источников задания; изменением состояния дискретных или аналоговых входов, назначенных при настройке привода в качестве соответствующих источников задания.
Для предупреждения конфликтных и аварийных ситуаций при управлении приводом из двух мест одновременно (например с местного и дистанционного пультов) в комплектном электроприводе предусмотрена группа параметров «Управление», доступ к которой осуществляется по паролю (для каждого пульта или ПК).
Условия коррекции параметров приведены в виде пиктограмм, индицируемых в статусной строке пульта управления: / — только индицируемый параметр;
0 — корректируемый параметр; )(0 — параметр доступен для коррекции при выключенном преобразователе (при включенном ШИМ индицируется /, при выключенном 0);
0 — параметр предназначен для просмотра множественных значений в режиме коррекции.
Работа в ручном режиме предполагает прямое задание выходной частоты привода.
Масштабирование аналоговых входов позволяет пользователю настроить привод на необходимый диапазон изменения технологического параметра. Рабочий диапазон датчика калибруется в процентах по желанию пользователя. Единицы измерения технологических параметров не индицируются и имеют по умолчанию размерность %. При управлении технологическими параметрами по протоколу дистанционного управления данные должны передаваться в том же масштабе (приведенные к масштабированным показаниям датчика).
При масштабировании датчиков в параметрах, определяющих критерии их неисправности, за 100% принимается диапазон изменения значений от 0 мА до максимального значения, а не рабочий диапазон (например, 0 мА = 0 %, 20 мА = 100 %). Такие параметры при индикации выражаются в процентах.
Работа оператора с пультом (местным или дистанционным). Пульт применяется при наладке привода и оперативном управлении и реализует следующие функции:
поиск нужного параметра или группы параметров по названию;
коррекцию выбранного параметра (с индикацией пределов изменения параметра);
индикацию числовых параметров с единицами измерения, а фиксированных кодов в виде буквенно-цифровых аббревиатур;
постоянную индикацию текущего состояния привода и признака выбранного режима работы;
возможность одновременного наблюдения на экране значения параметров (в том числе относящихся к разным приводам, объединенным локальной сетью);
возможность пользователю создавать и корректировать собственный список параметров из разных групп в нужной последовательности (в том числе относящихся к разным приводам, объединенным локальной сетью), процедура доступа к которым максимально упрощена;
по желанию пользователя коррекцию параметров, не вошедших в группу пользователя; коррекция состава этой группы может быть защищена паролем;
поддержание специальной процедуры управления заданием, позволяющей сравнить значения возможных альтернативных заданий и выбрать нужное или начать коррекцию выбранного задания с текущего значения задания;
поддержание специальной процедуры просмотра наличия текущих и запомненных аварий (с одновременной индикацией до п аварий на одном экране);
в режиме обслуживания нескольких приводов по локальной сети поддержание режима мониторинга приводов, объединенных сетью, в соответствии со списком пользователя.
При мониторинге пользователь может одновременно наблюдать за состоянием п приводов (наличие связи, аварий, привод остановлен или в работе, готов или не готов, в какую сторону вращается) на одном экране;
обеспечение коррекции списка приводов для мониторинга, которая может быть защищена паролем по желанию пользователя;
поддержание процедуры изменения сетевого адреса привода и скорости обмена данными по сети;
поддержание процедуры установки пароля пользователя и возврат к паролю изготовителя;
подачу звуковой сигнализации (фиксация нажатия кнопок, наличие аварий), которая может быть выключена по желанию пользователя;
обеспечение программного регулирования яркости экрана. Индикация аварий дублируется светодиодом (для контроля оператором издали).
В современных комплектных электроприводах реализуется функция технического диагностирования на стадиях настройки и рабочего функционирования. Анализ принципов функционирования диагностических систем позволяет выделить основные функциональные блоки большинства таких систем
Временные сигналы, снимаемые с первичных преобразователей (датчиков), мало пригодны для диагностирования, во-первых, из-за большого уровня помех, сопровождающих функционирование большинства объектов и, во-вторых, из-за наличия в этих сигналах избыточной информации, характеризующей работу отдельных узлов объекта диагностирования и их взаимодействия. Поэтому в первую очередь выделяют полезный сигнал, как правило, традиционными методами фильтрации, детектирования. При этом возможна дополнительная предварительная обработка сигнала с применением методов частотной и временной селекции, с использованием априорной и апостериорной статистики и других достаточно известных способов извлечения информации.
Блок вычисления диагностических признаков состояния исследуемого объекта в соответствии с алгоритмами преобразования информации, используемыми в конкретной системе диагностирования, выполняет роль формирователя компонентов вектора диагностических признаков. Такими компонентами могут быть, например, определенные составляющие частотного спектра сигнала. Во многих случаях подобных диагностических признаков оказывается достаточно для принятия решения о состоянии объекта.
Но иногда эти первичные признаки оказываются малочувствительными к небольшим вариациям состояния объекта и, следовательно, не могут быть использованы для выявления дефектов объекта на стадии их зарождения. В этих случаях возникает необходимость дополнительных вычислений с целью получения вторичных диагностических признаков, которые являются информативными параметрами диагностической модели, характеризующими текущее состояние диагностируемого объекта.
На основании сравнения текущих и эталонных значений параметров диагностической модели в блоке классификации состояния объекта диагностирования осуществляется процедура принятия решения о принадлежности к заранее определенному классу состояний. При этом первым этапом распознавания состояний, осуществляемым в этом блоке, как правило, является сравнение текущих параметров диагностической модели с их пороговыми значениями для определения предаварийных (а также недопустимых по технологическим или иным причинам) состояний объекта. Результаты проведенного диагноза используются для управления исследуемым объектом: переключения на другой режим с целью проведения дополнительного (уточняющего) исследования, аварийного останова и т.д.
Анализ трендовых характеристик параметров диагностической модели дает возможность провести оценку тенденции изменения состояния диагностируемого объекта и тем самым осуществить прогнозирование его остаточного ресурса. Нахождение этих трендовых характеристик предопределяет наличие в системе диагностирования блока хранения текущих состояний объекта диагностирования.
Любая процедура диагностирования содержит операцию сравнения текущих значений диагностических признаков с их эталонными значениями, полученными во время предварительного изучения объекта. Набор эталонных параметров диагностических моделей, соответствующих его нормальному и различным дефектным состояниям, формируется на этапе «обучения» системы диагностирования. С этой целью анализируются свойства физических процессов (вибраций, тепловых полей и т.д.), являющихся источником первичной информации при нормальном состоянии объекта и при наличии дефектов, на основе чего и определяются информативные признаки исправного и неисправного состояний, служащие основой для выбора диагностической модели.
На этом же этапе в признаковом пространстве формируются области, соответствующие особым состояниям объекта: предельно допустимому значению параметра технического состояния, предаварийной ситуации, прекращению нормального функционирования.

Электроприводы переменного тока

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: автоматизированные электроприводы, электропривод переменного тока

Рассмотрим варианты выполнения частотно-регулируемых электроприводов, выпускаемых ведущими электротехническими корпорациями.
Частотно-регулируемые электроприводы фирмы «Siemens» (Simovert Master Drives) выполняются мощностью от 2,2 до 2300 кВт и имеют 12 типоразмеров. Существует два блочных варианта выполнения преобразователей: первый — для подключения к сети переменного трехфазного напряжения; второй — в виде автономного инвертора напряжения для подключения к сети постоянного напряжения. Соответственно имеется силовой блок ввода (преобразования переменного напряжения в постоянное), модульные варианты выполнения которого обеспечивают:
шестиимпульсное преобразование переменного напряжения в постоянное (одноквадрантный режим);
шестиимпульсное преобразование переменного напряжения в постоянное и наоборот с использованием тиристоров (четырех-квадрантный режим);
шестиимпульсное преобразование переменного напряжения в постоянное и наоборот с использованием силовых транзисторов-, шунтированных диодами (четырехквадрантный режим).
Двенадцатипульсное преобразование обеспечивается двумя трехфазными мостовыми схемами выпрямления, питание которых осуществляется через трехобмоточный трансформатор с двумя вторичными обмотками, сдвинутыми на 30 электрических градусов.
Силовым блоком вывода является автономный инвертор напряжения. Объединение блоков ввода и вывода соответствует полной схеме преобразователя частоты (ПЧ).
Дополнительными силовыми модулями ПЧ являются модули: коммутационно-защитной аппаратуры (КЗА), дросселей ввода и вывода, фильтров (ввода и вывода) электромагнитных помех, торможения (транзисторные с внутренним или наружным резистором).
При использовании четырехквадрантного режима преобразования (блок ввода и вывода) возможна рекуперация энергии двигателя в сеть переменного тока. Это происходит в режимах торможения и реверса электродвигателя. Если используется одноквад-рантный режим преобразования (блок ввода), для торможения электродвигателя предусматривается тормозной модуль в виде транзисторного ключа и тормозного резистора, подключенных к сети постоянного напряжения. Происходит рекуперация энергии двигателя через инвертор в сеть постоянного тока и «гашение» ее на тормозном резисторе.
Аналогично выполняются преобразователи частоты фирмы ABB. В рамках концепции ACS 600 MultiDrive [56] разработана единая система управления приводами с общей питающей шиной постоянного тока для широкого диапазона мощностей, позволяющая снизить расходы на настройку и обеспечивающая максимальные эффективность и экономичность при ее использовании. Система имеет возможность расширения благодаря объединению с другими системами управления — от простых до охватывающих все предприятие.
Для управления большими системами электроприводов возможно применение распределенной системы управления. Для ее координации используются дополнительные контроллеры и быстродействующие локальные шины. Также имеются в наличии приложения к системе в виде программного обеспечения (программные пакеты Alvabuild for Windows, DriveLink, DriveWindow, DriveSupport) для снижения инжиниринговых затрат в зависимости от требований, предъявляемых к системе управления.
Система имеет модульную конструкцию с общей питающей шиной постоянного тока. В базовую конфигурацию входят следующие модули.
Входной модуль. Через этот модуль к системе подводится трехфазное питающее напряжение. В модуль может быть встроен диодный или тиристорный питающий выпрямитель мощностью до 525 кВ • А. В зависимости от требований по мощности во входном модуле устанавливается контактор или воздушный выключатель. Базовую конфигурацию модуля составляют главный выключатель, плавкие предохранители, контактор или воздушный выключатель.
Модуль диодного трехфазного выпрямителя. Этот модуль используется в нерекуперативных системах электроприводов для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное. Для снижения вредного влияния высших гармоник на качество питающего напряжения применяют двенадцатипульсную схему выпрямителя. Она может быть построена из двух шестипульсных выпрямителей, питающихся от общего трехобмоточного трансформатора с двумя вторичными обмотками, сдвинутыми на 30 электрических градусов. Чтобы предотвратить чрезмерный рост среднего значения выпрямленного напряжения при групповом торможении, устанавливается блок тормозных резисторов. Базовая конфигурация состоит из шестипульсного диодного моста со сглаживающим реактором постоянного тока, платы контроллера для управления одним шестипульсным диодным мостом.
Шинная структура. Питание от общей шины постоянного тока позволяет осуществлять торможение от двигателя к двигателю без использования тормозного инвертора или рекуперативного модуля. Стандартно используются плоские алюминиевые шины.
Модули приводов. Каждый инвертор имеет модуль управления приводом, который содержит контроллер и стандартную плату ввода и вывода. Инверторы имеют встроенные конденсаторы для сглаживания напряжения питающей шины постоянного тока. Электрическое соединение с питающей шиной постоянного тока защищено плавкими предохранителями. Базовая конфигурация состоит из модуля инвертора с IGBT-транзисторами, контроллера двигателя и вспомогательного контроллера, модулей ввода и вывода, выходного фильтра.
Вспомогательный модуль управления. Этот модуль подает напряжение на вспомогательное оборудование, например вентиляторы шкафов электрооборудования, контакторы и реле в секциях приводов, модули подачи питания и управления. В нем также могут быть расположены необходимые приборы (амперметры, вольтметры) и аппаратура сигнализации неисправностей. Базовая конфигурация состоит из вспомогательного питающего трансформатора (трансформатор собственных нужд), источника напряжения 24 В постоянного тока.
Аналогично выполняются преобразователи частоты других фирм. На рис показаны схемы ПЧ, объединяющие основные силовые модули. Первая схема обеспечивает в тормозных режимах электродвигателя рекуперацию энергии торможения в сеть переменного напряжения. Для согласования напряжений автономного инвертора и сети применяется повышающий автотрансформатор. В силовом блоке ввода может использоваться неуправляемая группа выпрямителя, если не ставится задача ограничения тока заряда конденсатора при включении ПЧ.
Скорость вращения изменяют в процессе работы с пульта управления 0,04; 01... 3600 с (время разгона и торможения задают раздельно) Обеспечивается при подаче сигнала на соответствующий вход.
Входной задающий сигнал —ток 4...20 мА Выходы преобразователя отключают Осуществляется сброс функций защиты Токоограничение, минимальное и максимальное ограничения частоты, JOG-режим, задание наклона характеристики U/f, защита двигателя от перегрузки, автоматический запуск после отключения питания, торможение при отключении питания, самонастройка на двигатель, самоподстройка параметров в работе, компенсация скольжения, выбор способа управления, ПИД-регулирование, программное управление, связь с компьютером (RS-485)
На пять выводов подаются сигналы: о работе двигателя; достижении заданной скорости; отключении питания (понижении напряжения); превышении контрольной скорости (первой, второй и третьей); работе в режиме программного управления; режиме управления с пульта, срабатывании защиты по перегрузке; предавариином состоянии в режиме генераторного торможения; предавариином состоянии защиты от перегрузки по току; недопустимом уменьшении тока; превышении контрольного тока; достижении нижней границы параметра при ПИД-регулировании; достижении верхней границы параметра при ПИД-регулировании; направлении вращения при ПИД-регулировании; отключении магнитных пускателей МС1, 2, 3; готовности к работе; запросе включения тормоза; неисправности вентиля-тора и предавариином состоянии по перегреву сообщения защиты.
Пара «сухих» контактов (230 В переменного тока 0,3 А или 30 В постошшого тока 0,3 А), четырехбитный код сбоя (открытый коллектор)
Для индикации на внешнем приборе могут быть выбраны сигналы: выходная частота, ток двигателя (средний или пиковый), выходное напряжение, заданная частота, выходная частота, момент, напряжение в звене постоянного тока (среднее или пиковое), статус генераторного торможения, статус защиты от токовой перегрузки, входная мощность, выходная мощность, нагрузка и ток намагничивания двигателя. Подключение аналогового измерителя со шкалой 0... 10 В или цифрового частотомера (1440 Гц полной шкалы)
Индикация
Выходная частота, ток двигателя (средний или пиковый), выходное напряжение, заданная частота, момент, перегрузка, напряжение в звене постоянного тока (среднее или пиковое), статус защиты от токовой перегрузки, входная мощность, выходная мощность, ток намагничивания двигателя, общее время наработки, время наработки на двигатель, счетчик энергии, статус генераторного то88рможения и нагрузки
При срабатывании защиты выводится соответствующее сообщение, восемь последних сообщений защит запоминаются (четыре последних — инициируются).
При использовании многодвигательных систем электропривода с групповым источником питания применяются один входной силовой модуль (выпрямитель) и несколько выходных модулей (инверторов). Энергия торможения одного из двигателей может передаваться по сети постоянного напряжения на другие, нетормозящиеся двигатели. В этом случае тормозной резистивный модуль можно не использовать. В случае группового торможения электродвигателей такой модуль необходим.
Схема многодвигательного автоматизированного электропривода с групповым выпрямителем показана на рис, где ГВ — групповой выпрямитель; И|...И„ — инверторы; ТМ — тормозной модуль. Все силовые модули управляются от контроллеров приводов. Координацию работы модулей выполняет КТ.

Комплектный электропривод

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Комплектный электропривод, автоматизированные электроприводы

Унифицированные системы выполняются на базе комплектных электроприводов постоянного и переменного токов. Доля электроприводов постоянного тока составляет в новых разработках систем автоматизации примерно 10 %. Преимущественно применяют электроприводы переменного тока с асинхронными, синхронными и индукторными двигателями.
В состав комплектного электропривода входят:
электродвигатель с датчиком или без датчика скорости;
управляемый преобразователь, состоящий из силовых полупроводниковых элементов (диодов, тиристоров, транзисторов и др.) с системой охлаждения, защитных предохранителей, разрядных и защитных RL С-цепей, контроллеров управления преобразователями и контроля состояния элементов преобразователей;
силовой трансформатор, автотрансформатор, реактор;
коммутационная и защитная аппаратура в цепях постоянного и переменного токов (автоматические выключатели, линейные контакторы, рубильники, предохранители);
устройства торможения электродвигателей;
контроллеры управления электроприводом, модули интеллектуальной периферии, ввода и вывода сигналов, сетевые средства, терминалы, кнопки управления;
пульты управления, содержащие командные, сигнальные и управляющие устройства;
источники питания.
В соответствии с идеологией блочно-модульного исполнения комплектных электроприводов, как правило, предусматривается возможность широкого варьирования средств, входящих в состав комплектного электропривода, с целью их адаптации к режимам и условиям работы механизмов в технологических агрегатах.
Модули электронного преобразователя соответствуют конкретной схеме электропривода. Так, для частотно-регулируемых электроприводов переменного тока применяются модули выпрямителя и инвертора; для электроприводов постоянного тока — модули реверсивного или нереверсивного выпрямителя.
Комплектные электроприводы имеют исполнения, различающиеся:
по току, напряжению и мощности преобразователей;
числу двигателей (одно-, многодвигательные);
наличию или отсутствию реверса (нереверсивные, реверсивные);
способу торможения (с рекуперацией, без рекуперации энергии в сеть, динамическое торможение);
диапазону изменения скорости;
регулируемым переменным (скорость, положение, синхронизация скоростей или положений, нагрузка многодвигательных электроприводов, мощность, натяжение, давление, подача и др.);
напряжению и частоте питающей сети (380; 660 В; 3; 6 или 10 кВ);
способу связи с питающей сетью (трансформаторная связь, реакторная связь).
Комплектные электроприводы имеют также различные исполнения: по конструкции; виду охлаждения силовых полупроводниковых элементов (естественное, воздушное с помощью вентиляторов, водяное); по обслуживанию шкафов с аппаратурой (одно-или двустороннее) и т. п.
Указанные признаки находят свое отражение в типе, который присваивает электроприводу завод-изготовитель.

Электропривод постоянного тока

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Электроприводы постоянного тока, автоматизированные электроприводы

Проекты нового технологического оборудования выполняются с использованием систем автоматизированных электроприводов переменного тока. Доля электроприводов постоянного тока в таких проектах незначительна. Иное положение в проектах модернизации действующего оборудования. В базовых отраслях промышленности РФ (металлургической, машиностроительной, целлюлозно-бумажной и др.) действующее оборудование оснащено в основном регулируемым электроприводом постоянного тока с устаревшими средствами и системами управления, а зачастую и с высоким уровнем энергозатрат в технологическом процессе с глубоким регулированием скорости.
Проекты модернизации действующего оборудования в части автоматизированных электроприводов выполняются в следующих основных четырех вариантах.
1. Замена аналоговых и релейно-контактных систем управления на цифровые с использованием промышленных компьютеров, технологических контроллеров, логических контроллеров, интеллектуальных модулей периферии и других устройств, соответствующих нижнему и среднему уровню автоматизации.
2. Вариант 1, дополненный заменой аналоговых блоков управления комплектных электроприводов постоянного тока на цифровые с использованием контроллеров привода.
3. Вариант 2, дополненный заменой силовых блоков комплектных электроприводов. Электродвигатели и сети электропитания остаются неизменными.
4. Полная модернизация автоматизированных электроприводов. Замена электроприводов постоянного тока на электроприводы переменного тока.
Схемы силовых блоков комплектных электроприводов постоянного тока мало меняются на протяжении длительного времени и хорошо освещены в литературе. Существенно изменились блоки управления, основой которых как и в электроприводах переменного тока является программируемый контроллер. Аналогичным образом реализуются и все функции управления электроприводами.
В состав комплектного электропривода постоянного тока в общем случае входят управляемые выпрямители, обеспечивающие регулирование напряжений якоря и тока обмотки возбуждения. В таком варианте обеспечивается двухзонное управление скоростью электродвигателя.
Силовые выпрямители имеют различные электрические схемы, состоящие из одной, двух или четырех управляемых трехфазных групп, и выполняются из электрически изолированных тиристорных модулей.
Блоки имеют естественное воздушное охлаждение, а блоки рассчитанные на большие мощности, — принудительное воздушное охлаждение (вентилятор или сборку из нескольких вентиляторов).
Контроллер обрабатывает информацию, поступающую от внешних датчиков, реализует функции управления и диагностирования. Уставки и фактические параметры могут быть определены в аналоговой или цифровой форме.
Шкаф электроники содержит аппаратуру электроники и дополнительные платы. Внешние сигналы (бинарные, аналоговые, импульсные и др.) передаются на модули ввода и вывода по кабелям. Экранированные кабели позволяют устанавливать датчики на некотором расстоянии от силового блока электропривода.
Пульт управления состоит из блока индикации (семисегмент-ные индикаторы или жидкокристаллический дисплей), светодиодов для индикации состояния, кнопок для ввода управляющих команд. В состав электропривода также входит выносной пульт управления.
К электроприводу через последовательный интерфейс может быть подключен персональный компьютер, который выполняет следующие функции: доступ к параметрам электропривода; запись и хранение параметров; копирование существующих параметров на другие преобразователи; распечатка параметров; выдача команд (бинарные команды Вкл. и Выкл. и т.д.) и ввод уставок; контроль через слово состояния и считывание фактических величин; чтение сигналов неисправности и системы индикации аварии.
Датчики, интегрированные в двигателе, позволяют контролировать температуру двигателя, воздушный поток, проходящий через вентилятор, состояние подшипников.
Если к выбранному преобразователю необходимо подключить электродвигатель большей мощности, к силовой схеме подключаются дополнительные тиристорные модули.
Для расширения функций к системе управления можно подключать интеллектуальные модули, обеспечивающие управление механизмами для решения различных технологических задач.