Жанабергенов Али СРС4 ЭС. Управления современными электродвигателями

• Название: Управления современными электродвигателями
• Дата: 11.04.2023
• Размер: 40.25 Kb.
• Имя файла: Жанабергенов Али СРС4 ЭС.docx
• Тип: Документы; #1054862

Международная образовательная корпорация


СРС №4
По дисциплине: Элекстроснабжение в строительстве

Тема: Управления современными электродвигателями

Выполнила: Жанабергенов А.Т.

РПЗС 20-9

Проверила: ассист. проф. Шогелова Н.Т.
Алматы 2022


Управления современными электродвигателями

Управление бесщеточными электродвигателями переменного тока

Электроприводы с электродвигателем переменного тока наиболее часто используются в составе: насосов, вентиляторов, компрессоров, станков и других механизмов, для которых важно поддерживать скорость вращения вала двигателя, либо определенный технологический параметр.

Основным элементом современного электропривода является система управления электродвигателем: частотный преобразователь или сервопривод.

Преобразователь частоты позволяет управлять моментом и скоростью вращения электродвигателя и исполнительного механизма. 
Сервопривод позволяет точно управлять угловым положением, скоростью и ускорением исполнительного механизма.

При этом современные высокопроизводительные методы управления двигателями переменного тока используемые в современных частотных преобразователях и в сервоприводах имеют единую концепцию управления - векторное управление.

Современная схема управления электродвигателем переменного тока чаще всего включает в себя преобразователь частоты. Данная система управления начала набирать популярность благодаря развитию микропроцессорной электроники, на принципах которой и работают современные частотные преобразователи. Такой блок управления асинхронным двигателем отличается высокой надежностью и приемлемой ценой. Кроме того, установка таких систем управления может сэкономить около 40 % потребляемой энергии. Трехфазные двигатели переменного тока могут управляться с применением двух различных принципов:

вольт-частотное регулирование;
векторный метод управления.

Вольт-частотное управление асинхронным электродвигателем еще называют скалярным. Изменение скорости вращения вала при этом достигается изменением частоты и напряжения в обмотке статора. При этом одновременно изменяется модуль данного напряжения. В результате как частота, так и напряжение являются регулирующими факторами. Для работы двигателя переменного тока важно, чтобы отношение напряжения на статоре и его частота оставались постоянными. То есть снижение или увеличения частоты должно быть синхронизировано напряжением. При этом КПД электродвигателя практически не изменяется. Подобная схема управления электродвигателем переменного тока удобна тем, что позволяет одновременно работать с группой устройств, что является важнейшим преимуществом при работе со сложными технологическими линиями, например при контроле движения конвейера. При использовании вольт-частотного регулирования можно добиться диапазонов 1/40, чего вполне достаточно для решения большинства производственных задач. Но при этом необходимо отметить, что данная система управления не позволяет контролировать вращающий момент и режим позиционирования. Чаще всего данный способ управления применяется в вентиляторах, насосах, конвейерных системах и т. д.

Векторное управление электродвигателем переменного тока позволяет осуществлять не только скалярное управление, но и работать с магнитным потоком. В основе данной системы лежит представление об основных параметрах электромагнитной системы двигателей как о векторах, расположенных в пространстве. Микросхемы для управления электродвигателя позволяют контролировать и изменять не только амплитуду, но и фазу статорного тока, фактически изменяя его вектор. В результате появляется возможность управления вращающим моментном электродвигателя.

 
Для эффективного управления фазой тока, а значит, и магнитным потоком относительно ротора, необходимо знать его точное состояние в любой момент времени. Для решения этой проблемы используется либо внешний датчик положения ротора, либо система определения его положения по параметрам напряжения и токов обмоток статора. Управление электродвигателем переменного тока с устройством контроля обратной связи скорости позволяют ее регулирование в диапазоне 1–1000. При этом точность контроля скорости составляет сотые доли процента. Точность регулирования момента несколько ниже — около 2 процентов.
Управление коллекторными электродвигателями постоянного тока
Из уравнения скорости электродвигателя постоянного тока видно, что частота вращения коллекторного электродвигателя постоянного тока напрямую связана с величиной напряжения питания прикладываемого к двигателю и момента нагрузки.

• 
  где   - угловая частота, рад/с,
  
• 
  U - напряжение питания, В,
  
• 
   – постоянная ЭДС, В∙с/рад,
  
• 
  M - момент электродвигателя, Н∙м,
  
• 
   - механическая жесткость двигателя.
  

Таким образом скорость вращения коллекторного двигателя постоянного тока изменяется посредством изменения величины напряжения питания.

Управление универсальными двигателями

Универсальный коллекторный двигатель может быть подключен как к сети постоянного тока, так и к сети переменного тока. Так же как и у коллекторного двигателя постоянного тока, скорость универсального двигателяуправляется величиной напряжения питания, а не его частотой.

Что такое система управления электродвигателем?

Система управления электродвигателем необходима для регулировки скорости двигателя, так же современные системы управления электродвигателем содержат и систему защиты электродвигателя для избегания аварийной работы.

Так же осуществляет управление мощностью электродвигателя.

Виды устройств управления:

• 
  Драйверы и контроллеры шагового двигателя
  
• 
  Преобразователи частоты
  

Устройство управления ШД в основном разделяются на:

• 
  Контроллер шагового двигателя.
  
• 
  Драйвер шагового двигателя.
  

Драйвер и контроллер имеют принципиально различаются и об этом нужно знать и понимать эти различия.

Управление электродвигателем постоянного тока реализовано на печатных платах. Система управления электродвигателем позволяет:

• 
  реализовать регулятор скорости вращения двигателя постоянного тока со стабилизацией оборотов по противо-ЭДС или энкодеру (стабилизатор оборотов коллекторного двигателя);
  
• 
  управлять скоростью двигателя и направлением вращения: по интерфейсу RS-485 или с помощью логических сигналов «Старт/стоп», «Вперед/назад» и аналогового сигнала «Скорость вращения» (управление двигателем постоянного тока с ШИМ);
  
• 
  обрабатывать сигналы концевых выключателей для остановки вращения;
  
• 
  ограничивать момент на валу двигателя;
  
• 
  получать по интерфейсу RS-485 реальную скорость вращения двигателя;
  
• 
  осуществить настройку ПИД-регулятора скорости вращения двигателя. Блок AWD-10 имеет защиту от электромагнитных помех, коротких замыканий нагрузки, защиту от замыкания каждого провода двигателя на общий и питающий провод. С блоком управления двигателем поставляется программное обеспечение для ПК, позволяющее запрограммировать коэффициенты ПИД-регулятора и проверить работоспособность блока во всех режимах;
  
• 
  осуществить управление мощностью электродвигателя.
  

1. 
   Двигатель постоянного тока, обладающий высокими регулировочными характеристиками и большими реализуемыми моментами на валу. В качестве минусов данного двигателя можно указать сложность конструкции электрической машины и ее низкую надежность в связи с наличием коллекторного узла. Также конструктивной особенностью данной машины является невозможность поддержания момента на нулевой скорости.
   
2. 
   Асинхронный двигатель, обладает более низкими регулировочными характеристиками (без учета более продвинутой электроники), но зато имеет чрезвычайно простую конструкцию и очень высокую надежность вкупе с широчайшим диапазоном реализуемых мощностей. Также следует отметить, что диапазон регулирования и регулировочные характеристики можно существенно улучшить за счет применения цифровой микроэлектроники и продвинутой математики.
   
3. 
   Синхронный двигатель. В частности в промышленности широко используются мощные синхронные машины для привода больших вентиляторов или насосов, а для низкого диапазона мощности используются синхронные машины с постоянными магнитами на роторе. Эти машины обладают широким регулировочным диапазоном, стабильной характеристикой и большим моментом на валу, но требуют для управления применения цифровой электроники и мощной математики. В качестве минусов данной машины требуется отметить сложность и невысокую надежность ее конструкции и высокую стоимость.
   
4. 
   Линейный (прямой) привод предназначен для реализации поступательного движения непосредственно рабочим органом электрической машины. Такая машина применяется в специфичных областях промышленности (печать, управление клапанами, производство микроэлектронных компонентов). Данный тип двигателей сочетает высокую динамику и точность, но имеет небольшой диапазон реализуемых мощностей и сложную конструкцию. Однако стоит отметить, что количество применений прямого привода увеличивается с каждым годом.
   

Понятно, что такое разнообразие двигателей повлекло за собой и разнообразие систем управления ими (собственно электроприводов), обусловленное прежде всего различными математическими моделями электродвигателей. Развитие микроэлектроники и расширение функциональных возможностей электроприводов привело к созданию универсального электропривода, способного управлять различными типами электродвигателей. Соответственно, для этих задач наиболее подходили машины одного типа – машины переменного тока (асинхронные, синхронные и линейные).
Управление такими машинами реализуется с помощью одной и той же схемы. Переменное напряжение, поступающее из сети выпрямляется диодным мостом (звено выпрямителя) и поступает на несколько конденсаторов (звено постоянного тока), откуда в свою очередь через специальные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-транзисторы) поступает на обмотки двигателя (звено инвертора). Чтобы в обмотках тек синусоидальный ток, необходимо с помощью периодического открытия/закрытия соответствующих транзисторов создать в обмотках переменное напряжение, среднее значение которого будет равно синусоидальному напряжению необходимой амплитуды. Это делается с помощью так называемого широтно-импульсного модулирования (ШИМ), то есть модулирования импульсов напряжения переменной скважности.
Регулировочный диапазон (диапазон регулирования, глубина регулирования) – это специальная величина, характеризующая минимальную частоту вращения вала электродвигателя, на которой не будет наблюдаться пульсаций частоты вращения ротора. Например, если диапазон регулирования 1:1000, то это означает, что для двигателя с номинальной частотой вращения 3000 об/мин при настройке контуров управления будет реализована минимальная частота вращения в 3 об/мин без пульсаций частоты вращения (без «дрожания» вала по частоте вращения). Также это значит, что при реализованной минимальной частоте вращения будет реализован номинальный момент на валу электродвигателя. Следует также отметить, что достижение еще более низких скоростей также возможно, однако в таком случае на валу двигателя будут наблюдаться пульсации скорости и момента. Еще одним важным положительным фактором цифрового управления является тот факт, что при его использовании возможна реализация нулевой частоты вращения с сохранением номинального момента на валу, что немаловажно для большинства современного оборудования.
Номинальная частота вращения, номинальный момент – величины, характеризующие какова будет частота вращения двигателя (без учета скольжения) и момент на валу при приложении к обмоткам номинального напряжения на номинальной частоте (обычно рассчитывается для напряжения 220/380 В в зависимости от двигателя и частоты 50 Гц).

Пиковый момент, время выдержки момента – величины, характеризующие перегрузочную способность электропривода. Обычно транзисторы звена инвертора выбираются с некоторым «запасом» по возможности пропускать через себя номинальный ток двигателя. Таким образом, при протекании тока выше номинального (например, 120% от номинального) транзисторы будут сильнее перегреваться без ущерба для себя. Время этого «нештатного» режима работы регламентируется и контролируется системой управления, что позволяет в короткие моменты получать повышенный момент на валу двигателя без ущерба для всей системы в целом.
Управление – сводная характеристика, позволяющая показать, какими методами можно управлять представленным электроприводом. Чем больше возможностей управления есть у привода, тем более гибкую систему на его основе можно создать.

Поддерживаемые интерфейсы – графа, показывающая какими сетевыми возможностями обладает представленный электропривод.
Датчик положения – специальное устройство, позволяющее с высокой точностью определять положение вала двигателя с помощью аналогового сигнала или оптических меток. Следует отметить, что работа некоторых типов электроприводов принципиально невозможна без наличия датчика положения.
Разрешение энкодера – величина, характеризующая максимальное количество импульсов, которое возможно записать в регистры привода, без сброса счетчика (максимально возможное количество импульсов на оборот вала). Обычно сами датчики положения имеют значительно более низкое число импульсов на оборот, чем разрешающая способность счетчика. 
Подключаемые модули – специальные модули привода, возможные для подключения. Зачастую, для специальных применений электропривода требуется дополнительная обработка входной и выходной информации, управление дополнительными устройствами или синхронизация с другими устройствами. В зависимости от необходимого применения выбирается специальный модуль, который выполнит требуемые действия (например, интерполяцию нескольких осей).
Класс защиты – степень защищенности электропривода от внешних воздействий (пылевых и водных). Рост цифр характеризует рост защищенности.
Рабочий диапазон температур – диапазон допустимых при работе электропривода и электродвигателя температур внешней среды.
В качестве вывода необходимо отметить, что современные электроприводы обладают дружественным интерфейсом пользователя, легко понятным и простым алгоритмом настройки параметров, легкостью в использовании, что при возможности подключения к одному приводу различных типов двигателя позволяет использовать эти устройства для построения различного рода систем с максимальной гибкостью и результативностью и минимальными затратами.
Особняком стоят специальные электропривода, предназначенные для управления прецизионными синхронными электродвигателями с постоянными магнитами на роторе, так называемые сервопривода. Цена на них резко отличается в большую сторону по сравнению с обозначенными ранее электроприводами, но в то же время сервопривода обладают повышенной точностью регулирования, как положения вала, так и частоты его вращения. Представлены эти устройства известными производителями, такими как Control Techniques, Siemens, Omron-Yaskawa.
Такое широкое разнообразие устройств порождает большое количество сервисных партнеров компаний-производителей, которые занимаются обслуживанием установленных и вышедших из строя электроприводов. Следует отметить, что большинство компаний занимается сервисной поддержкой только одного из производителей, что обусловлено недостатком на рынке труда квалифицированных специалистов.