книги / Системы управления электромеханическими исполнительными механизмами

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

В.П. Казанцев

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ

Лабораторный практикум

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2018

1

УДК 62-83: 681.51: 681.587 К14

Рецензенты:

д-р техн. наук, директор А.В. Трусов (Центр научно-технической информации, Пермь)

д-р техн. наук, проф. С.В. Бочкарев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Казанцев, В.П.

К14 Системы управления электромеханическими исполнительными механизмами : лаб. практикум / В.П. Казанцев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. – 93 с.

ISBN 978-5-398-01980-3

Включает восемь лабораторных работ по исследованию контактных и бесконтактных систем управления электромеханическими исполнительными механизмами постоянной и переменной скорости на лабораторных стендах и с применением персональных компьютеров.

Предназначены для студентов, обучающихся по направлениям подготовкибакалавров:

–15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», профилю программы бакалавриата «Автоматизация технологических процессов и производств в машиностроении и энергетике»;

–13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профилю программы бакалавриата «Электропривод и автоматика».

УДК 62-83: 681.51: 681.587

2

1.Общие принципы построения электромеханических систем управления исполнительными

4

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АД – асинхронный двигатель; АТПП – автоматизация технологических процессов и произ-

водств; АЭП – автоматизированный электропривод;

БДПТ – бесколлекторный двигатель постоянного тока; ВМУ – векторно-матричные уравнения; ДПТ – двигатель постоянного тока; ДПФ – дискретная передаточная функция; ЗРА – запорно-регулирующая арматура; ИМ – исполнительный механизм; КВ – конечный выключатель; ММ – математическая модель;

НПФ – научно-производственная фирма; ОДУ – обыкновенные дифференциальные уравнения; ОУ – объект управления; ПБР – пускатель бесконтактный реверсивный;

ПО – программное обеспечение; ПРР – переключатель режима работы;

РКСУ – релейно-контакторная система управления; РО – рабочий (регулирующий) орган;

САУ – система автоматического (автоматизированного) управления;

СД – синхронный двигатель; СПЭ – силовой преобразователь энергии;

СУИМ – система управления исполнительным механизмом; СУЭП – система управления электроприводом; ТАУ – теория автоматического (автоматизированного)

управления; ШИМ – широтно-импульсная модуляция;

ЭИМ – электрический исполнительный механизм; ЭМОУ – электромеханический объект управления; ЭМСУ – электромеханическая система управления; ЭД – электродвигатель; ЭП – электропривод.

5

ВВЕДЕНИЕ

Электромеханические системы управления (ЭМСУ) с применением электрических исполнительных механизмов (ЭИМ) и регулируемых автоматизированных электроприводов (АЭП) составляют основу современных систем автоматизации технологических процессов и производств (АТПП). В силу многочисленных преимуществ перед пневматическими и гидравлическими исполнительными механизмами ЭИМ доминируют в общей массе исполнительных механизмов (порядка 95 %), а удельный вес энергопотребления ЭМСУ на промышленных предприятиях зачастую превышает 70 %.

Целью лабораторного практикума является освоение студентами дисциплинарных компетенций, связанных с формированием умений и навыков разработки и исследования ЭМСУ по дисциплинам «Системы управления исполнительными механизмами» (СУИМ) и «Системы управления электроприводом» (СУЭП).

В последние десятилетия в энергетике наряду с регулированием параметров потока энергоносителей (давления, расхода, температуры и т.п.) за счет изменения проходного сечения арматуры (методом дросселирования) их регулирование осуществляют изменением скорости вращения электроприводов постоянного или переменного тока (методом объемного регулирования), что позволяет значительно снизить затраты электроэнергии. В первом случае применяют, как правило, приводы постоянной скорости, во втором – приводы переменной скорости. Наиболее перспективными в отношении функциональных возможностей и технических характеристик являются системы, сочетающие оба способа регулирования.

Лабораторный практикум посвящен задачам освоения студентами дисциплинарных компетенций в области применения ЭИМ как постоянной, так и переменной скорости, что дает основание в дальнейшем применить к ним обобщенное понятие – СУИМ. Вместе с тем СУИМ переменной скорости, не связанные

6

непосредственно с управлением запорно-регулирующей арматурой (ЗРА), обычно называют СУЭП, причем этот класс ЭМСУ значительно более разнообразен и существенно шире представлен на различных промышленных производствах.

Первые три лабораторных работы настоящего лабораторного практикума посвящены исследованию СУИМ постоянной скорости, следующие пять – СУИМ переменной скорости.

Основные теоретические сведения, справочно-информацион- ные данные об исполнительных механизмах (ИМ) и системах управления ими, в том числе интеллектуальных средств управления ИМ, приведены в [1–9]. Базовые положения теории оптимального управления ИМ представлены в [10–14]. Основные нормативно-правовые положения и инженерно-практические рекомендации, определяющие стадии и этапы проектирования автоматических (автоматизированных) систем на основе СУИМ и СУЭП, изложены в [15–18].

7

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ

Принципы построения СУИМ, как и любой другой системы управления, базируются на известных положениях теории автоматического управления (ТАУ) [10–14] и предполагают необходимость контроля текущего состояния объекта управления и применение обратных связей по контролируемым координатам.

Вместе с тем для достаточно широкого класса простейших объектов управления вполне допустимым является управление без обратных связей. К таким объектам управления относятся производственные механизмы, требующие реализации лишь алгоритмов двухпозиционного («вкл. – выкл.» или, иначе, «пуск – стоп») или трехпозиционного («пуск – стоп – реверс») регулирования. Это сверлильные и наждачные станки, запорно-регулирующая арматура (ЗРА) на разного рода трубопроводах, некоторые подъемнотранспортные механизмы и т.п. СУИМ в этом случае выполняют на основе типовых релейно-контакторных панелей и станций управления с применением различных реле, контакторов и магнитных пускателей. Жестких требований к статическим и динамическим показателям таких СУИМ обычно не предъявляется, и контроль параметров технологического процесса ведется визуально по показывающим приборам. Однако применение бесконтактных электромеханических СУИМ постоянной скорости и оснащение их микропроцессорными измерительными регуляторами позволяет достаточно просто реализовать управление с обратной связью по регулируемой технологической переменной и получить достаточно высокие показатели качества стабилизации технологических параметров [3–9].

Принципы построения существенно более сложных замкнутых СУИМ и СУЭП определяются характером задач управления. При этом различают:

– системы стабилизации какой-либо технологической координаты объекта управления (ОУ);

8

–системы программного управления;

–следящие системы и системы воспроизведения движений. В зависимости от требований к статическим и динамиче-

ским показателям систем управления применяют различные принципы организации обратных и компенсирующих связей в замкнутых СУИМ:

–по ошибке регулирования (с регулированием по отклонению выходной координаты от заданного значения);

–по вектору состояния ОУ (полному или редуцированному);

–по вектору возмущающих воздействий ОУ (с регулированием по возмущению);

–одновременно по переменным состояния и возмущающих воздействий (с комбинированным управлением).

Таким образом, можно выделить два класса ЭМСУ – СУИМ постоянной скорости и СУИМ переменной скорости.

Первые, как правило, имеют небольшую мощность, их применяют преимущественно в режимах стабилизации той или иной технологической переменной (скорости, положения, температуры, давления, расхода, уровня и т.п.). При этом в качестве технологической среды, транспортируемой в трубопроводах, может быть вода, нефть, газ и пр., и СУИМ воздействуют на ЗРА, реализуя принцип дросселирования. Эти СУИМ используют в качестве силового преобразователя энергии (СПЭ) конструктивно простые реверсивные контактные и бесконтактные реверсоры [2, 3, 7, 9].

Вторые ЭМСУ часто называют системами управления электроприводом (СУЭП) [13, 14]. Диапазон мощностей здесь очень большой – от десятков ватт до десятков мегаватт. Их применяют

всамых различных системах АТПП, причем в режимах как стабилизации, так и программного или следящего управления технологическими процессами и установками. Применительно к транспорту той или иной технологической среды в этом случае реализуют принцип регулирования объемного или массового расхода этой среды.

9

1.1. СУИМ постоянной скорости

Различают релейно-контакторные системы управления (РКСУ) и СУИМ постоянной скорости с бесконтактными (полупроводниковыми) реверсорами. Последние позволяют достаточно просто реализовать управление с обратной связью по регулируемой технологической переменной и оснащаются микропроцессорными измерительными регуляторами [4–9].

РКСУ реализуют, как правило, по принципу разомкнутого управления и применяют для управления электроприводами производственных механизмов, к которым не предъявляются высокие требования по качеству управления и ограничению координат СУИМ на допустимых уровнях. Главное – возможность реализации пуско-тормозных режимов с применением простейших СПЭ – реверсоров. К ним относят СУИМ, содержащие преимущественно электроприводы переменного тока малой мощности. Наибольшее применение в РКСУ нашли одно- и трехфазные асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором. В технологическом процессе такие приводы призваны работать по принципам «пуск – стоп» или «пуск – стоп – реверс» и относятся к приводам постоянной (номинальной) скорости. В замкнутых по технологическим переменным СУИМ наиболее часто реализуют двухили трехпозиционное управление или управление с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [9].

ВРКСУ различают режимы пуска, торможения (остановки)

иреверса скорости (изменения направления вращения).

Наиболее простой способ пуска короткозамкнутого АД – прямое включение обмотки статора в сеть с помощью коммутационной аппаратуры. Например, с помощью реле (для маломощных АД) или рубильников, контакторов, автоматических выключателей, тиристорных или симисторных пускателей, высоковольтных выключателей (для высоковольтных АД). Пуск двигателя при этом сопровождается броском тока (до 6–7-кратного по отношению к номинальному току статора). Очевидно, что максимально-

10