Системи керування двигунами постійного струму з тиристорними перетворювачами

У замкнених системах автоматичного керування, де двигун живиться від керованого перетворювача, введенням зворотних зв`язків можна отримати жорсткі механічні характеристики у статиці та сформувати необхідну якість перехідних режимів при пуску, гальмуванні та реверсуванні.

Для керування ДПС середньої та великої потужності використовують тиристорні перетворювачі (ТП), які виконані за трифазною мостовою схемою. Нульові схеми ТП використовуються в приводах невеликої потужності з напругою 115 та 220 В.

Найбільш поширена трифазна мостова схема, оскільки вона володіє кращими енергетичними показниками, кращим використанням живлячих трансформаторів. У деяких випадках залежно від номінальної напруги двигуна можна трансформатор замінити струмообмежуючими реакторами.

Для приводу механізмів різних металообробних верстатів, які потрібують регулювання швидкості в діапазоні 1000:1 при потужності до 11 кВт, використовується схема серійного електроприводу типу ЕТ3Р (рис.3.5).

Рис.3.5. Схема серійного тиристорного електроприводу типу ЕТ3Р

Електропривод виконаний у вигляді замкненої системи регулювання з від`ємним зворотним зв`язком за швидкістю, яка забезпечує відносний перепад швидкості у межах (0,5…10)% при зміні моменту навантаження від до . В електроприводі забезпечується також обмеження струму за допомогою пристрою струмообмеження ПСО. Для забезпечення стійкості та необхідної якості перехідних процесів в схемі застосовані гнучкі зворотні зв`язки за швидкістю ДПС й результуючому сигналу керування .

В схемі використовуються ДПС серій ПБСТ, 2П або ПГТ з вбудованим тахогенератором BR.

Тиристори VS1 – VS6 утворюють реверсивний перетворювач з двома комплектами тиристорів, які складають випрямну та інверторну групи. Керування групами здійснюється з використанням узгодженого спільного принципу.

Керування тиристорами VS1 – VS6 здійснюється трансформаторною системою імпульсно-фазового керування СІФК, яка працює за вертикальним принципом. СІФК має три канали, кожний із яких працює на два тиристори, що включені в одну фазу.

Живлення електроприводу здійснюється від трифазного трансформатора Т з двома вторинними обмотками. Випрямляч VD живить обмотку збудження ОЗМ двигуна М. Блок живлення БЖ живить стабілізатор напруги СН та СІФК.

У склад схеми керування електроприводом входять проміжний підсилювач П1, підсилювач потужності П2, пристрій струмообмеження ПСО, вузол гнучкого зворотного зв`язку ВГЗЗ, потенціометр завдання , кнопки SB1, SB2 та пускове реле К.

Сигнал формується як алгебраїчна сума сигналів , та .

Сигнал разом з сигналом з ВГЗЗ надходить на вхід П2 і після підсилення як подається на вхід СІФК через контакт К. Керування реле К здійснюється за допомогою кнопки SB1 при пуску ДПС та кнопки SB2 при його гальмуванні. Реверсування двигуна здійснюється шляхом зміни полярності напруги завдання .

Струмове реле КА забезпечує максимальний струмовий захист ДПС. При його спрацюванні вимикається реле К, з тиристорів знімаються сигнали керування й ДПС відключається від джерела живлення.

Автоматичні вимикачі QF1 та QF2 здійснюють максимальний струмовий захист силової частини ТП, ОЗМ двигуна і схеми керування.

Схема електроприводу з тиристорним перетворювачем та використанням мікропроцесора для регулювання положення виконавчого органу робототехнічного пристрою наведена на рис.3.6.

Ця схема є цифро-аналоговою, оскільки містить як аналогові, так і цифрові вузли та пристрої керування. Вона поєднує кращі властивості обох видів пристроїв керування.

Схема керування електроприводом побудована за принципом підпорядкованого регулювання координат.

Регулювання струму здійснюється аналоговим ПІ – регулятором струму РС, на вхід якого надходять сигнали зворотного зв`язку за струмом від давача струму ДС та завдання струму з виходу регулятора швидкості РШ.

Аналоговий П – регулятор швидкості РШ формує на основі сигналу та сигналу зворотного зв`язку за швидкістю від тахогенератора ТГ. Стабілітрони VD1 та VD2 обмежують сигнал на виході РШ, що забезпечує обмеження струму й моменту .

Регулювання положення здійснюється за допомогою мікропроцесорної системи, яка містить мікропроцесор МП, оперативний ОЗП та постійний запам’ятовуючи пристрої ПЗП, пристрої спряження ПС1-ПС3, цифровий давач положення ДП й цифро - аналоговий перетворювач ЦАП. Сигнал завдання положення надходить з терміналу Т.

Принцип роботи регулятора положення заснований на обчисленні моменту початку гальмування електроприводу.

Рис.3.6. Схема електроприводу з тиристорним перетворювачем та використанням мікропроцесора для регулювання положення виконавчого органу робототехнічного пристрою

При відомих швидкості та прискоренні електроприводу розраховується час й шлях на ділянці гальмування електроприводу на при кінці відробки переміщення за формулами

; .

Алгоритм роботи мікропроцесорної системи при відробці сигналу на гальмування наведений на рис.3.7.

Рис.3.7. Алгоритм роботи мікропроцесорної системи при відробці сигналу на гальмування

Для реалізації алгоритму у мікропроцесорну систему вводяться , , та . Мікропроцесорна система здійснює розрахунок , та різниці за наведеними вище формулами. Потім порівнюється з . У разі видається команда на гальмування електроприводу. Починається відлік часу , по закінченню якого виробляється команда на вимкнення електроприводу.

Прогресивним явищем при створенні засобів керування та автоматизації технологічних процесів є розробка і випуск комплектних електроприводів (КЕП). КЕП – це регульований електропривод, який містить всі необхідні функціональні елементи, що узгоджені за всіма своїми технічними та конструктивними характеристиками й параметрами.

Поширення КЕП у різних галузях промисловості зумовлено меншою трудомісткістю при його розробці та виготовленні, скороченням часу на електромонтажні й налагоджувальні роботи, а також зручністю в експлуатації.

До складу КЕП постійного струму входять: двигун постійного струму з тахогенератором й відцентровим вимикачем; тиристорний перетворювач для живлення обмоток збудження та якоря двигуна; силовий трансформатор або реактор; згладжувальний реактор; комутаційна і захисна апаратура; пристрій динамічного гальмування; схема керування електроприводом; блоки живлення обмотки збудження тахогенератора та електромагнітного гальма; шафа високовольтного вводу й комплект апаратів, приладів, пристроїв для керування та контролю стану електроприводу.

Давачі технологічних параметрів роботи машин і механізмів, а також керуючі та сигнальні пристрої, що змонтовані на пультах керування, через їх специфічність в комплект поставки звичайно не входять.

КЕП серії КТЕУ потужністю до 2000 кВт забезпечують регулювання швидкості, положення, ЕРС, потужності та натягання, а КТЕУ на потужності до 12000 кВт – тільки регулювання швидкості і потужності.

Функціональна схема КЕП серії КТЕУ наведена на рис.3.8.

В силову частину КЕП входять керовані випрямлячі та реверсивного тиристорного перетворювача ТП. Підключення електроприводу до мережі здійснюється автоматичним вимикачем через реактор (перший варіант) або трансформатор (другій варіант). Автоматичний вимикач здійснює комутацію та захист силових кіл випрямленого струму. Для дистанційного вмикання кола якоря двигуна за сигналами схеми керування передбачено контактор КМ.

Для здійснення динамічного гальмування двигуна М використовується резистор , що підключений до якоря двигуна за допомогою контактора .

Для формування потрібних статичних характеристик в схемі КЕП передбачені зворотні зв`язки за швидкістю, струмом та напругою. Зворотний зв`язок за швидкістю реалізується за допомогою тахогенератора з обмоткою збудження .Коефіцієнт підсилення зворотного зв`язку може регулюватись за рахунок зміни струму збудження тахогенератора.

Сигнали, пропорційні струму двигуна, знімаються з трансформатора струму ТА (змінний струм) та шунта (випрямлений струм). Сигнал зворотного зв`язку за напругою знімається з потенціометра .

Сигнали зворотних зв`язків за координатами електроприводу та технологічних параметрах робочої машини надходять на вхід системи керування СК разом з сигналом завдання з пульта керування ПК.

Рис.3.8. Функціональна схема КЕП серії КТЕУ

СК виробляє керуючий сигнал , який подається на систему імпульсно-фазового керування СІФК перетворювачів та , а також здійснюється керування електричними апаратами, що входять у склад схеми комутації, захисту й сигналізації СКЗС. Отримуючи інформацію від різних давачів та апаратів захисту, СКЗС видає на ПК дворівневі логічні сигнали про стан комутаційних апаратів, захисних та сигнальних апаратів, величину швидкості електроприводу і т.д. СКЗС здійснює також керування роботою блоку живлення електромагнітного гальма .

КЕП серій ЕКТ та КТЕ потужністю відповідно до 2000 й 1000 кВт мають майже такі ж самі функціональні можливості, але відрізняються набором та виконанням окремих елементів.

Велика група КЕП розроблена для приводу механізмів верстатів, роботів та маніпуляторів. До їхнього числа відносяться КЕП серій ЕТУ3601, ЕТ3, ЕТ6, ЕТРП, ЕП1, ЕПУ2, ПРП, де застосовуються високомоментні двигуни типів ПБСТ, ПГТ, 2П, ПБВ, ДК1 з вбудованими тахогенераторами. Деякі з них (ЕТУ 3601,ЕТ3) мають блоки зв`язку з системами числового програмного керування верстатів.