ИНЖИНИРИНГ ЗЛЕКТРОПРИВОДОВ

Создание автоматизированных электроприводов механизмов, машин и комплексов на базе типовых средств

Производим и продаем электроприводы ЭТУ, ЭПУ для двигателей постоянного тока, тел./email +38 050 4571330 / rashid@msd.com.ua

Привод ЭПУ 25А с дросселем - 5500грн

Возможны два варианта создания автоматизированных электроприводов (АЭП):

В составе вновь создаваемых механизмов, машин или комплексов;

При реконструкции имеющихся механизмов, машин или комплексов.

В каждом из этих вариантов важна возможность тиражирования получен­ных результатов на другие аналогичные объекты.

В настоящее время в РФ создан развитый рынок типовых унифицирован­ных средств ЭП и СА, т. е. имеется возможность выбора типовых средств от простых комплектных АЭП с невысокими динамическими показателями, предназначенных для управления автономными производственными меха­низмами, до интегрированных систем многодвигательных высокодинамич­ных АЭП, предназначенных для управления технологическими комплекса­ми. При этом всегда предусматривается возможность сопряжения систем управления механизмами, машинами и комплексами с распределенными системами автоматизации технологических процессов (см. гл. 3 и приложе­ние).

Большинство задач создания или модернизации АЭП конкретного объекта можно решить с использованием типовых средств. При этом важны выбор и компоновка этих средств, которые должны быть в максимальной степени адап­тированы к конкретному объекту и режимам функционирования в технологи­ческом процессе.

Принципы построения автоматизированных электроприводов механизмов, машин, агрегатов и комплексов основаны на блочно-модульной идеологии и типизации структур систем управления [8].

Типовая структура автоматизированных многодвигательных электроприво­дов технологического комплекса показана на рис. 1.1.

Исполнительные органы рабочих машин и технологических агрегатов ос­нащаются индивидуальными электроприводами с электродвигателями (М), управляемыми преобразователями (УП) и программируемыми контролле­рами приводов (КП). Совместно эти устройства составляют основу комплек­тного электропривода. Работу приводов и механизмов, входящих в состав технологического агрегата, координирует технологический программируе­мый контроллер (КТ). Координацию совместной работы агрегатов техноло­гического комплекса выполняет один из микроконтроллеров (КТ) или про­мышленный компьютер (ПК), входящий в состав станции оператора (СО). Через магистральный преобразователь (МП) осуществляется связь автома­тизированного технологического комплекса (АТК) с распределенной систе­мой управления технологическим процессом. Контроллеры взаимодействуют через коммуникационную связь, структура которой в соответствии с суще­ствующими стандартами по индустриальным сетям средств вычислительной техники может быть различной. Контроль агрегатов и управление ими могут осуществляться с периферийных пультов операторов (ПО). Функции кон­троллеров привода и технологических контроллеров подробно раскрыты В [8].

Остановимся на общих вопросах расчета, выбора и проектирования авто­матизированных электроприводов. ':

Расчет автоматизированного электропривода связан с расчетом мощности электродвигателя, который выполняется в соответствии с режимами S1...S8 работы механизмов технологического оборудования на основании нагрузоч­ных и скоростных диаграмм. Методы расчета и выбора мощности двигателей для длительного, кратковременного и повторно-кратковременного режимов работы рассмотрены в [8, 23, 35, 36, 57]. Отдельные примеры расчетов элек­троприводов для непрерывных и циклических режимов работы см. в гл. 3.

Выбор системы электропривода производится в соответствии с данными питающей электросети, мощностью, скоростью, режимами S1...S8 работы и перегрузочной способностью электродвигателя, а также на основании требо­ваний к регулированию скорости (рабочему диапазону, плавности изменения и точности поддержания заданной скорости) и динамическим показателям качества процесса регулирования (быстродействию, перерегулированию и др.).

Для примера требования к точности и быстродействию АЭП некоторых рабочих машин приведены в табл. 1.1 [62].

На выбор системы электропривода могут влиять также условия пуска меха­низмов. Многие механизмы (например, конвейеры) требуют обеспечения пуска под нагрузкой, а некоторые (например, центробежные вентиляторы главного проветривания шахт, дробилки крупного дробления) обладают значительны­ми инерционными массами. В случае применения асинхронных короткозамк - нутых двигателей или синхронных с асинхронным пуском может оказаться, что время пуска механизма недопустимо велико и за это время двигатель пе­регревается. Завышение мощности и момента вращения двигателя по услови­ям пуска приводит к его недоиспользованию в режиме рабочего функциони­рования и ухудшению энергетических показателей. При пуске механическая часть двигателя может испытывать большие перегрузки, что будет неблаго­приятно сказываться на ее долговечности, особенно при наличии упругих эле­ментов (канатов лебедок, конвейерных лент и др.). Вследствие этого может

Оказаться необходимым применение устройства плавного пуска или регули­руемого привода.

Возможно применение редукторного привода или безредукторного с тихо­ходным двигателем. Рациональный выбор может быть выполнен на основании технико-экономического сравнения, которое должно учитывать не только различные стоимости тихоходного и быстроходного (с дополнительным ре­дуктором) двигателей, но и их массу и габаритные размеры, влияющие на необходимые размеры помещения, фундамента и затраты на несущие конст­рукции при его размещении.

При номинальной скорости исполнительного органа не менее 300 мин-1 предпочтительным является безредукторный привод с прямым соединением вала двигателя с валом рабочей машины (насоса, вентилятора). При меньшей скорости рабочего органа выбор не однозначен, хотя чаше всего редукторный привод имеет меньшие массу и габаритные размеры. Для механизмов, не тре­бующих регулирования скорости, достаточно сравнения только по этим пока­зателям.

Для механизмов с частыми пусками и реверсами важно сравнение двигате­лей по динамическим показателям. Безредукторные электроприводы более динамичны и предпочтительны для регулируемых электроприводов, так как их проще разгонять, тормозить, регулировать скорость. Поэтому они широко применяются для шахтных подъемных установок и прокатных станов.

Несомненным преимуществом безредукторных электроприводов являются их высокие динамические свойства. При этом обеспечиваются высокие часто­ты упругих механических колебаний в кинематических трактах приводов, а

1...I0 — технологические агрегаты; 11 — электромагнитные клапаны; 12 — индивидуальные рямители с фильтрами; 15 — контроллеры управления группами электроприводов; 16, 17 — ные сетевые шины; 22 — системная шина

Водами картоноделательной машины:

Преобразователи частоты; 13 — автономные инверторы напряжения: 14 — неуправляемые вып- технологические контроллеры; 18 — станции оператора; 19 — сканер; 20, 21 — информацион - следовательно, высокие частоты среза в системах регулирования скорости и положения. Переход на безредукторные электроприводы и мехатронные мод- ли является перспективным направлением развития приводной техники. Осо­бенно это перспективно для непрерывно-поточных производств.

При выборе системы электропривода необходимо учитывать характер на­грузки, создаваемой рабочим механизмом. Выравнивание момента двигателя для нерегулируемых электроприводов с неравномерной или пульсирующей на­грузкой достигается увеличением инерционных масс электропривода (поршне­вых компрессоров, дробилок крупного дробления), хотя это может затруд­нить его пуск.

Значительно сложнее решать этот вопрос для регулируемых реверсивных элек­троприводов, так как увеличение механической инерции снижает их быстро­действие (что очень важно в электроприводах реверсивных прокатных станов).

Наличие в нагрузке пиков тока требует дополнительной проверки приво­дов по допустимой перегрузке.

В случаях, когда возможны перегрузки, которые не может преодолеть при­вод, необходимо предусмотреть соответственно настроенную защиту или сис­тему управления, обеспечивающую ограничение тока и момента двигателя, а также динамические нагрузки в механических передачах (например, в экска­ваторных электроприводах).

Выбор систем многодвигательных электроприводов помимо сказанного вклю­чает в себя решение еще двух основных задач.

1. Выбор структуры и средств распределительной силовой сети электропри­водов.

2. Выбор структуры и средств системы координированного управления элек­троприводами.

Первая задача решается применением:

Индивидуальных преобразователей частоты для каждого электропривода и энергетической магистрали переменного тока;

Группового источника электропитания, энергетической магистрали посто­янного тока и индивидуальных автономных инверторов напряжения для каж­дого электропривода;

Смешанной структуры, включающей в себя две предыдущие.

Для систем с большим числом электроприводов и большой суммарной мощностью целесообразно применение структуры распределительной сило­вой сети с несколькими групповыми источниками электропитания. Пример такой структуры применительно к многодвигательным АЭП картоноделатель - ной машины показан на рис. 1.2. Автономные инверторы напряжения 13 в этой системе получают питание от выпрямителей 14. Последние распределены по группам электроприводов секций машины. Часть электроприводов управля­ются от индивидуальных преобразователей частоты 12. Описание многодвига­тельных АЭП и системы управления машиной см. в [8].

Вторая задача решается с учетом структуры АТК, числа и мест расположе­ния агрегатов, числа исполнительных механизмов. В распределенной системе управления, показанной нарис. 1.2, применены контроллеры 75управления группами электроприводов, объединенные информационной сетевой шиной 21, технологические контроллеры 16 и 17, станции оператора 18 и системная шина 22.

В многодвигательных системах сервоприводов групповые источники пи­тания не используются, так как даже для сложных объектов суммарные мощности приводов невелики и экономический эффект оказывается не­большим.

Применяют индивидуальные сервоприводы для каждого механизма, вхо­дящего в рабочую машину, с координированным управлением от высокоди­намичного специализированного технологического контроллера (см. подразд. 3.1.2).

Каждый сервопривод, обладающий высокими динамикой, точностью и пе­регрузочной способностью в широком диапазоне регулирования частоты вра­щения, включает в себя серводвигатель и преобразователь частоты. Возможна установка в серводвигателях энкодаров и электромагнитных тормозов. Рацио­нальными областями применения сервоприводов являются обеспечение по­дач в металлообрабатывающих станках, промышленных манипуляторах, ме­ханизмах автоматизированных конвейерных линий в пищевой, химической промышленности и др.

Динамическое управление и синхронизация работы нескольких сервоп­риводов выполняются программируемым технологическим контроллером МС402. Одновременно им обеспечивается взаимодействие всех компонентов линии.

Проекты нового технологического оборудования выполняются в основном с использованием систем автоматизированных электроприводов переменно­го тока. Доля электроприводов постоянного тока в новых проектах незначи­тельна.

Иначе обстоят дела в проектах модернизации действующего оборудова­ния, так как в базовых отраслях промышленности РФ (металлургической, машиностроительной, целлюлозно-бумажной и др.) действующее оборудова­ние оснащено в основном регулируемыми электроприводами постоянного тока с устаревшими средствами и системами управления, а зачастую и с высоким уровнем энергозатрат в технологических процессах с глубоким регулировани­ем скорости.

Существует четыре основных варианта проектов модернизации действую­щего оборудования в автоматизированных электроприводах.

1. Замена аналоговых и релейно-контактных систем управления на цифро­вые с использованием промышленных компьютеров, технологических и ло­гических контроллеров, интеллектуальных модулей периферии и других мо­дулей, соответствующих нижнему и среднему уровням автоматизации.

2. То же, и замена аналоговых блоков управления комплектных электропри­водов постоянного тока цифровыми с использованием контроллеров привода.

3. То же, и замена силовых блоков комплектных электроприводов. При этом электродвигатели и сети электропитания остаются неизменными.

4. Полная модернизация автоматизированных электроприводов. Замена элек­троприводов постоянного тока электроприводами переменного тока.

Для крупных АТК затраты на модернизацию имеют параболическую зави­симость от глубины модернизации.

Так, относительные стоимости затрат на модернизацию автоматизирован­ных электроприводов мелкосортного прокатного стана 250, функциональная схема которого показана на рис. 1.3, в соответствии с приведенными варианта­
ми составят: С, = 1; С2 = 4; С3 = 12; С4 = 50 (где С,- = С,/Сб; і = 1, 4, а за ба­зовое значение стоимости Сб принята стоимость первого варианта модерниза­ции). Наиболее затратным, но и наиболее эффективным здесь является чет­вертый вариант модернизации.

Основные составляющие эффективности модернизации заключаются в сле­дующем: снижение энергозатрат за счет некоторого повышения КПД прокат-

-и

Щ 0 ф ф

(м) (м) - (м) (м)

1 — газовая печь; 2 — рольганг; 3 — трайб-аппарат; 4 — вертикальная клеть; 5 — горизонтальная лектных электроприводов; 9 — информационная магистраль электроприводов; 10 — контрол АСУП — автоматизированная система управления производством

Ного стана и увеличение коэффициента мощности до единицы без использо­вания дополнительных средств; увеличение производительности благодаря сокращению времени технологического цикла прокатки и времени перена­ладки стана при смене сорта проката; повышение качества управления и соот­ветственно стабильности характеристик производимых высококачественных марок стали, а также исключение брака.

10

Приводов прокатного стана 250:

Клеть; 6 — ножницы; 7 — индукционная печь; 8 — силовые блоки и блоки управления комп - лер: 11 — пульт оператора; 12 — информационная магистраль АТК; 13 — станция оператора;