Багаторівнева структура сучасного електроприводу
Електропривод – це електромеханічний пристрій, який здійснює кероване перетворення електричної енергії в механічну, а також зворотне перетворення і призначений для надавання руху робочим машинам та механізмам. Електропривод є тою ланкою, яка зв’язує енергосистему з технологічними установками. В деякій мірі електропривод виконує роль регулятора цих зв’язків.
Сучасний автоматизований електропривод є складною функціонально-взаємозалежною за елементами системою, яка являє собою конструктивну єдність електромеханічного перетворювача енергії (двигуна) і електричного перетворювача, що утворюють енергетичний (силовий канал), а також пристроїв керування перетвореною енергією й інформаційно-вимірювальних, складають керуючий канал. Електропривод забезпечує перетворення електричної енергії в механічну відповідно до алгоритму роботи технологічної установки.
Відмінною рисою сучасного регульованого привода змінного струму є присутність у ньому таких основних елементів (рис. 2.1):
– простого і надійного асинхронного чи синхронного двигуна, мінімізованого за масогабаритними, вартісними й енергетичними показниками;
– перетворювача частоти з ланкою постійного струму з інвертором на повністю керованих приладах і некерованим випрямлячем;
– датчиків енергетичних, механічних і технологічних параметрів регулювання, які забезпечують необхідну точність стабілізації координат у замкнутій системі;
– мікропроцесорної системи керування з функціями безпосереднього регулювання вихідних координат, формування законів широтно-імпульсного керування (ШІМ), діагностики, прогнозування, взаємодії з іншими локальними приводами.
Рис. 2.1.
Завдання об’єднання в єдину систему різних за природою функціонально-закінчених елементів електропривода покладається на багаторівневі сполучені пристрої. Це сукупність конструктивних, схемотехнічних і програмних засобів, які забезпечують безпосередню оптимальну взаємодію складених елементів привода з метою максимальної реалізації можливостей кожного з цих елементів.
Сполучний пристрій першого рівня характеризується механіко-енергетичною взаємодією двигуна і робочого механізму і є механічним, гідравлічним або електромагнітним передавачем енергії від електричної машини на виконавчий механізм. Його функції зводяться до узгодження руху двигуна і виконавчого органу механізму при максимальному ККД передачі передачі й усталеній роботі у всіх режимах. Останнє забезпечується узгодженням механічних характеристик двигуна і механізму відповідно до виразу:
де МJ – динамічний момент приводу;
Δω – приріст частоти обертання;
β та βс – жорсткості механічних характеристик двигуна та механізму.
Швидкодія механічної частини приводу характеризується електромеханічною сталою часу Тм, яка має порядок від десятих часток секунди до кількох секунд.
Другий і третій рівні – електроенергетичні. Для одержання двигуном електроенергії з необхідними параметрами амплітуди і частоти напруги в кожній фазі, а також для керування і 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 отримання максимального ККД і найменшого коефіцієнта викривлення необхідно живити двигун квазісинусоїдними струмом та напругою На цих рівнях розв’язується завдання поліпшення енергетичних і динамічних характеристик привода. Швидкодія електроенергетичних рівнів характеризується електромагнітними сталими часу Те, які мають порядок сотих і десятих часток секунди.
Четвертий рівень – інтерфейси локально керування і регулювання параметрів енергетичного каналу привода. Від організації такого 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 тощо);
– механічні (момент, швидкість, переміщення тощо);
– технологічні (тиск, температура тощо).
Пристрої п’ятого рівня здійснюють перетворення сигналів з первинних датчиків, гальванічну розв’язку, підсилення, інтегрування й аналого-цифрове чи імпульсно-цифрове перетворення сигналів для подання їх у форматі мікроконтролерної системи керування. Швидкодія такого рівня визначає точність і швидкодію четвертого рівня і забезпечується вибором принципів перетворення сигналів, характером обміну в цифровій системі й конкретній апаратній реалізації.
Мікроконтролерна САУ містить енергетичну модель електромеханічного пристрою, яка враховує чотири складових: мережу, перетворювальний пристрій, двигуні і технологічний механізм у площинах споживання енергії, ї використання і енергоуправління.
Шостий рівень – інтерфейс міжприводного обміну, реалізує координацію роботи локальних електроприводів між собою і зв’язок з центральною ЕОМ вищого рівня ієрархії. Обмін, зазвичай здійснюється в цифровому коді з високою швидкодією за наявності великої оперативної пам’яті для статистичної обробки інформації, з контролем поточного стану кожного привода і можливістю інтерактивного режиму зв’язку з оператором.
Останні роки ознаменувалися значними успіхами силової електроніки – було освоєно промислове виробництво біполярних транзисторів з ізольованим затвором IGBT, тиристори зі здатністю виключатися GTO, тиристорів, які комутуються з інтегрованим керуванням IGCT, а також силових інтелектуальних модулів IPM з вбудованими засобами захисту ключів та інтерфейсами для безпосереднього підключення до мікропроцесорних систем керування. Зростання ступеня інтеграції в мікропроцесорній техніці і перехід від мікропроцесорів до мікроконтролерів з вбудованим набором спеціалізованих периферійних пристроїв зробили необоротною тенденцію масової заміни аналогових систем керування приводами на системи прямого цифрового керування.
Під прямим цифровим керуванням слід розуміти не тільки безпосереднє керування від мікроконтролера кожним ключем силового перетворювача, але і забезпечення можливості прямого введення в мікроконтролер сигналів різних зворотних зв’язків (незалежно від типу сигналу: аналоговий чи цифровий) з подальшою програмно-апаратною обробкою всередині мікроконтролера. Таким чином, система прямого цифрового керування орієнтована на відмову від значного числа додаткових інтерфейсних пристроїв і створення одноплатних контролерів керування приводами. В решті решт вбудована система керування проектується як однокристальна і разом із силовим перетворювачем та виконавчим двигуном конструктивно інтегрується в одне ціле – мехатронний модуль руху.
Електроприводи, керовані по розвинутих 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 замкнуті 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 з флеш-пам’яттю можуть швидко змінювати за 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 межах. Для ряду систем, особливо в побуті, загальна вартість повинна бути еквівалентна вартості нерегульованого варіанта.
Енергозбереження в електроприводі є частиною загального процесу ефективного використання електроенергії і визначається трьома процесами:
– енергоспоживання;
– енерговикористанням споживаної енергії;
– енергоуправлінням процесу енергоспоживання.
Енергоспоживання – процес формування складових потужності на вході перетворювача при роботі електропривода. Цей процес характеризується залежностями активної, реактивної і потужності перетворення від швидкості й моменту двигуна.
У питання енергоспоживання необхідна чітка уява про характер перетворення енергії, складові потужності, про показники якості електроенергії (ПЯЕ), їх вплив 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 її належить до втрат, а яка – до корисної потужності, що йде на вал робочої машини, як розподіляються втрати, що визначають робочий режим електродвигуна, його температуру й надійність.
У питання енерговикористання найважливішим є баланс складових потужності, що дозволяє виявити механізми старіння електроустаткування на додачу до відомих і пов’язаних в основному з термічним характером впливу енергопроцесів на робочі й експлуатаційні характеристики.
Енергоуправління – процес формування режимів енергоспоживання за допомогою технічних прстроїв і систем, що впливають на кола керування електроприводом та перетворювальними пристроями, які живлять ці кола. До енергоуправління варто віднести керування перерозподілом втрат в електричних двигуна, оптимізацію втрат, мінімізацію нагрівання активних частин електричної машини, зниження рівнів споживаної реактивної потужності і генерування гармонік струму. При цьому варто мати на увазі те, що зазначені вище позитивні властивості система електроприводу 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 і енергоуправління, пов’язує в єдиний електромеханічний комплекс елементи, що розглядалися раніше без взаємозв’язку: енергосистема, споживач (електропривод) і технологічна установка. Кожний з компонентів має свої регулювальні можливості в галузі керування енергоспоживанням, перерозподілом втрат тощо.