Зміст та методичні вказівки до першого розділу

Сучасний стан та основні напрями розвитку АЕП та СА. За офіційними даними рівень зносу технічного обладнання технологічних машин та комплексів у більшості галузей промисловості, у т.ч. у гірничої і металургійної, складає у межах 30…60 %. Повністю витрачена п’ята частина усіх виробничих фондів, а щорічно відновлюється з них за останні п’ять років лише 2…2, 5 %. Підвищення цін на електроенергію і контроль за якістю енергії створюють нові проблеми для виробництва. Можливість поновлення технічного стану обладнання та підвищення рентабельності виробництва визначаються використанням сучасних або модернізованих на сучасній елементній базі АЕП та нових високоефективних технологій.

Удосконалення напівпровідникової техніки, засобів керування та елементної бази є підґрунтям для розробки комплексних електроприводів модульної структури, що являють собою об’єктно-орієнтовані технологічні комплекси, в склад яких входять пристрої та системи керування, параметрування, моніторингу і діагностики, мікро ЕОМ, інтерфейси тощо [1, 2].

Аналіз світового досвіду створення нового і модернізації діючого технологічного обладнання вказує на високу динаміку розвитку та використання регульованих електроприводів, комп’ютерних засобів автоматизації та розрахунково-інформаційних систем. Такі АЕП у більшості випадків є комплектними. Автоматизація технологічних комплексів супроводжується використанням великої кількості локальних ЕМС і мають складну взаємопов’язану структуру, об’єднану єдиним технологічним процесом. Комп’ютеризовані ЕП мають розвинуту бібліотеку програмних засобів, що використовуються для рішення різного рівня функціональних задач керування технологічним обладнанням.

З урахуванням вказаних тенденцій розвитку АЕП ведучі світові електротехнічні корпорації та фірми здійснюють розробку і продаж приводів з широкими функціональними та структурними можливостями для різних машин і механізмів крім того враховуються конструктивні, енергозберігаючі можливості АЕП, їх електромагнітну та електромеханічну сумісності з технологічним середовищем, а також особливостей експлуатації приводів, у тому числі металургійних.

До основних напрямків розвитку АЕП, у т.ч. металургійних, відносяться:

1) розробка та реалізація нових принципів побудови АЕП блочно-модульної структури;

2) використання сучасної елементної бази, аналогових та цифрових пристроїв підвищеної економічності, надійності, довговічності тощо;

3) використання сучасних комп’ютерних технологій проектування та модернізації (аналізу, синтезу, дослідження, оптимізації тощо) АЕП;

4) використання АЕП з частотним керуванням і системою підпорядкованого регулювання координат;

5) створення енергозберігаючих, підвищеної економічності, надійності, довговічності і перевантажувальності ПЕД;

6) створення АЕП з підвищеною електромагнітною та електромеханічною сумісністю;

7) створення математичного та програмного забезпечення програмованих контролерів та комп’ютерів з метою керування, моніторингу, наладки, діагностування тощо;

8) використання удосконалених за конструкцією ПЕД зі спеціальними характеристиками і раціональними режимами роботи та експлуатації у цілому;

9) втілення систем оптимального та адаптивного керування АЕП з використанням мікропроцесорної техніки;

10) проведення системного та електротехнічного інжинірингу АЕП та СА.

Основні напрями енергозбереження засобами електропривода. В умовах енергетичної кризи і у зв’язку з ростом цін на електроенергію проблема енергозбереження здобуває особливу актуальність та має велике практичне значення. Частковим рішенням цієї проблеми є підвищення енергетичної ефективності електроприводів та ЕМС у цілому [3].

Енергозбереження в електромеханічних системах є комплексним, багатоплановим, а в окремих аспектах – досить складним питанням. До головних напрямів його розв’язання належать:

1) організаційні – забезпечення електромеханічних установок необхідними приладами фіксації споживання електричної енергії; недопущення тривалих режимів холостого ходу, не передбачених технологічними умовами та ін.;

2) організаційно-технічні – забезпечення ЕМС електроприводами, розрахованими на основі якісних методик, що досить точно відповідають технологічним умовам; узгодження із загальним графіком навантаження підприємства, моменту і тривалості ввімкнення потужних ЕМС та ін.;

3) розрахунково-дослідні – розробка і впровадження енергозбережних ПЕД, пристроїв та ЕМС із високими техніко-економічними показниками; дослідження і впровадження найвигідніших заданих умов установок, режимів та особливостей експлуатації; розробка оптимальних за структурою і параметрам та адаптивних за умовами використання ЕМС і систем їх технічного обслуговування та ремонту.

До основних шляхів підвищення рівня енергозбереження засобами електропривода відносяться:

1) використання поліпшеної конструкції та енергозберігаючих ПЕД, які спеціально призначені для даних умов роботи;

2) використання удосконалених методик розрахунку потужності та вибору ПЕД для конкретної технологічної установки або механізму;

3) зменшення проміжних механічних передач з метою зменшення втрат потужності та енергії у механічної частини привода;

4) вибір раціональних режимів роботи електропривода та електромеханічної системи у цілому за рахунок використання раціональних систем, способу і діапазону регулювання швидкості ЕП у залежності від технологічних режимів та умов роботи робочого механізму;

5) заміна електроприводів постійного струму на ЕП змінного струму, як правило на частотно-регульовані ЕП;

6) використання розвинутих систем керування електроприводами зі скалярним або векторним керуванням, як систем аналогового, так і систем прямого цифрового керування;

7) використання елементів силової перетворювальної техніки, у т.ч. силових перетворювачів, які мінімально впливають на мережу електропостачання, високим рівнем електромагнітної сумісності тощо.

Сучасні тенденції розвитку силової частини перетворювальної техніки пов’язані з розробкою енергозберігаючої елементної бази ЕМС та підвищенням при цьому якості електроенергії базується на:

- виборі раціонального типу АЕП;

- виборі раціональних режимів роботи технологічних комплексів;

- використанні енергозберігаючих технологій;

- переведенні на частотне керування АЕП, що працюють у напружених динамічних режимах;

- способах гнучкого керування потоками електроенергії за допомогою перетворювачів напруги, реалізуючих обмін реактивної потужності між мережею та нагромаджувачем електроенергії;

- застосуванні групового живлення регульованих АЕП постійного і змінного струмів на основі силових перетворювачів з ШІМ від загальних шин постійного струму та ємнісного нагромаджувача, що дозволяє виключити двосторонню циркуляцію енергії між ЕМС і мережею та усунути тим самим додаткові втрати;

- використанні керованої напівпровідникової техніки на базі IGBT-модулів, що дозволяє вирішити проблему економії та корекції показників якості електроенергії, яка споживається приводом.

Слід враховувати, що економія електричної енергії є важливим, хоча і не єдиним чинником, що визначає високий техніко-економічний рівень розвитку теорії та практики електричних машин. Важливе значення має надійність (напрацювання на відмову) окремих складових і ЕМС у цілому. Цим визначається продуктивність установки, витрати на її ремонт та експлуатацію. У більшості випадків домінуючим чинником є безпека роботи установок і обслуговуючого персоналу.

За значної потужності технологічних об’єктів і систем ЕП непродуктивні втрати електричної енергії можуть бути досить суттєвими. Потужні керовані випрямлячі негативно впливають на живлячу мережу. По-перше, вони споживають з мережі несинусоїдальний струм, а по друге, зсувають фазу струму щодо живильної напруги. Це викликає додаткові втрати енергії і може бути обґрунтуванням для застосування хоч і складніших, але економічно вигідніших ЕМС із керованими ЕП. Нині цей напрям розвитку ЕП є пріоритетним, а широка сфера застосування некерованого ЕП постійно звужується.

Дослідження показали, що найефективнішими є електромеханічні способи керування. Вибір методу плавного керування ЕП, як відомо, залежить від типу двигуна, особливостей поставленого завдання, техніко-економічних показників відповідної системи керованого ЕП. Найбільш поширеними є:

- системи ЕП на основі асинхронних електродвигунів із короткозамкненим ротором при частотному керуванні;

- системи ЕП змінного струму з векторним керуванням;

- системи керування за напругою статора двигуна при незначному діапазоні керування ЕП та відсутності особливих вимог – відносно точності;

- системи на основі асинхронно-вентильного каскаду.

З позицій особливостей енергозбереження можна виділити три головні принципово відмінні групи керованих асинхронних приводів [3]:

1) електроприводи з втратами енергій ковзання: системи ЕП з реостатом у колі ротора, ЕП з гідравлічними або електромагнітними муфтами ковзання;

2) ЕП з рекуперацією енергії ковзання: різні каскадні системи, наприклад, асинхронно-вентильні каскади;

3) ЕП, що працюють без втрат енергії ковзання: частотні, вентильні та з багатошвидкісними електродвигунами.

Крім методів плавного керування ЕП застосовується також дискретне керування двигунами змінного струму та стрибкоподібною зміною навантаження (наприклад, за рахунок перемикання числа пар полюсів обмотки статора).

Остаточний вибір способу керування АЕП, і у цілому ЕМC, потребує техніко-економічного порівняння декілька варіантів системи за обраним критерієм якості відповідно до конкретних умов її роботи. Головними критеріями оцінки є капітальні та експлуатаційні витрати, надійність та ефективність енергозбереження.

Технічні засоби систем автоматизованих електроприводів. Розглянемо структуру перспективної системи керування приводом змінного струму. На рисунку 2.1 показана структура електропривода змінного струму з векторним керуванням. В якості виконавчого двигуна може застосовуватися або синхронний двигун з активним магнітоелектричним ротором, або синхронний реактивний двигун. Можливе використання цієї структури і для керування трифазними вентильно-індукторними двигунами з різнополярним живленням, а також кроковими двигунами в режимі безколекторних двигунів постійного струму [4].

Рис. 2.1. Структурна схема електропривода змінного струму з векторним керуванням

В якості силового перетворювача використовується інвертор на IGBT-транзисторах або інтелектуальних силових модулях. Драйвери ключів інвертора підключені безпосередньо до виходів ШІМ-генератора мікроконтролера (A, A/, B, B/, C, C/), що працює в режимі широтно-імпульсної модуляції базових векторів (векторної ШІМ-модуляції), що забезпечує максимально високий ступінь використання напруги ланки постійного струму і мінімізацію динамічних втрат в інвертор.

Структура привода на рис. 2.1 передбачає використання імпульсного датчика положення ротора двигуна. Сигнали з датчика вводяться безпосередньо в контролер і обробляються в блоці оцінки становища, який може бути реалізований на основі спеціального периферійного пристрою таймера з «квадратурним» режимом роботи. Код механічного положення ротора програмно перетвориться в код електричного положення ротора q всередині полюсного розподілу машини. Для реалізації блоку оцінки швидкості можуть застосовуватися або спеціальні периферійні пристрої мікроконтролера, принцип дії яких заснований на вимірюванні часового інтервалу відпрацювання двигуном заданого відрізка шляху (естіматори швидкості), або периферійні пристрої загального призначення, такі як процесори подій або менеджери подій. В останньому випадку таймер, який працює e «квадратурному» режимі, є базовим для одного з каналів порівняння. Як тільки двигун відпрацює заданий відрізок шляху, виникне переривання в порівнянні. У процедурі обслуговування цього переривання центральний процесор визначить часовий інтервал з моменту попереднього переривання і виконає розрахунок поточної швидкості ω привода.

Для вимірювання електричних змінних мікроконтролер повинен мати вбудований АЦП з роздільною здатністю не нижче 10-12 двійкових розрядів і часом перетворення не гірше 5-10 мкс. Як правило, восьми каналів АЦП достатньо для прийому не тільки сигналів зворотних зв'язків по струмам фаз (рис. 2.1), але і сигналів зворотних зв'язків з напруги і струму у ланці постійного струму, а також зовнішніх задаючих сигналів. Додаткові аналогові сигнали використовуються для реалізації захистів інвертора і двигуна. Робота АЦП буде більш продуктивною, якщо мікроконтролер допускає режим автоматичного сканування і запуску процесу перетворення. Зазвичай це робиться або за допомогою окремого периферійного пристрою процесора периферійних транзакцій, або за допомогою режиму автозапуску АЦП від процесора подій або генератора ШІМ-сигналів. Бажано, щоб вибірка як мінімум двох аналогових сигналів була одночасною.

Отже, на основі отриманої інформації про струми фаз i_a та i_b відновлюється значення струму у фазі С (i_c) і виконується перетворення струмів до нерухомої системи координат, пов'язаної зі статором (a, b, c ╝ a, b). Перехід від нерухомої системи координат до рухомої, пов'язаної з поточним положенням ротора (a, b ╝ d, q), дозволяє розрахувати компоненти результуючого вектора струму статора по осях d і q відповідно.

Відомо, що момент синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів прямо пропорційний складової вектора струму статора по поперечній осі q. При цьому для мінімізації загального споживаного двигуном струму бажано підтримувати струм по поздовжній осі d рівним нулю. Таким чином, вихід регулятора швидкості (РШ) привода слід підключити на вхід регулятора струму (РС i_q) по поперечної осі, а на вхід регулятора струму (PT i_d) по поздовжній осі, подати нульове завдання. Зазвичай регулятори швидкості і струмів є пропорційно-інтегральними.

Вихідні сигнали регуляторів струму пропорційні компонентам результуючого вектора напруги статора по осях d і q відповідно. У блоці векторної ШІМ-модуляції виконується спочатку перетворення компонент вектора напруги до полярній системі координат (g, r), пов'язаної з поздовжньою віссю ротора, а потім, з урахуванням поточного положення ротора q, визначається робочий сектор, внутрісекторний кут і розраховуються компоненти базових векторів в абсолютній системі координат, пов'язаній зі статором. Формуються напруги, що прикладаються до обмоток двигуна
U_a, U_b, U_c. Всі перераховані вище перетворення координат повинні виконуватися в реальному часі.

Відмінною особливістю системи векторного керування асинхронними двигунами є необхідність використання додаткового обчислювального блоку, в якому проводиться оцінка поточного кутового положення вектора потокозчеплення ротора. Це робиться на основі рішення в реальному часі системи диференціальних рівнянь, складених відповідно до математичної моделі двигуна. Природно, що подібна операція вимагає додаткових обчислювальних ресурсів центрального процесора.

Комутаційна і захисна апаратура, дроселі та фільтри. Вказане обладнання призначається для: усунення негативного впливу перетворювача частоти (ПЧ) на ПЕД і живлячу мережу, захисту ПЧ та живлячих кабелів, аварійного відключення ПЧ та ПЕД від мережі, зміни схеми з’єднання елементів системи при зміні її режимів роботи тощо [1].

Вибір обладнання здійснюється згідно з параметрами елементів системи та живлячої мережі за відповідними каталогами. Наприклад, тип автоматичного вимикача для захисту ПЕД визначається максимально можливим перевантаженням тиристорного перетворювача, яке складає близько 15 % за струмом від його номінального вхідного значення, протягом 60 с.

Мережний контактор забезпечує функції як аварійної зупинки ПЕД, так і звичайного відмикання від мережі, а вибір контактора виконується також за номінальним вхідним струмом. Мережний дросель знижує амплітуду гармонік струму. Крім того, він зменшує кидки струму, обумовлені різкою зміною напруги мережі. Узгоджуючий автотрансформатор призначається для підвищення напруги зворотного моста блока випрямляча на 20 % відносно напруги живлення у режимі рекуперації енергії. Вхідні фільтри для усунення перешкод сумісно з комутаційними дроселями зменшують напругу перешкод перетворювача та блоків випрямляча. Запобіжники захищають перетворювач від короткого замикання та перевантаження. Вихідні дроселі компенсують ємнісні струми у довгих кабелях, максимальна довжина кабеля живлення наводиться у каталогах. Синусоїдний фільтр забезпечує синусоїдну форму напруги та струму двигуна. При використанні таких фільтрів вищі гармоніки відносно до напруги з частотою 50 Гц складає близько 5 %, а також обмежується рівень пікових напруг га обмотках двигуна.

При виборі кабелів при з’єднанні елементів у системах електроприводів необхідно виконувати вимоги діючих нормативних документів з використання кабелів та проводів в електричних мережах і вимог електромеханічної сумісності.

Програмні засоби автоматизованих електроприводів. Для керування станом АЕП використовуються відповідні програмні засоби, основу яких складає бібліотека програм стандартних функцій керування приводом [1, 9]. Функції систем розімкненого і замкненого керування частотою обертання та моментом ПЕД і функції обміну даними по мережевим інтерфейсам, діагностики та оперативного керування АЕП реалізуються у програмному забезпеченні перетворювача частоти за допомогою функціональних блоків. Ці блоки параметруються та з’єднуються один з іншим у різних комбінаціях безпосередньо цифровими сигналами. Мікропроцесорна система керування приводом виконує розрахунок параметрів функціональних блоків, які розрізняються на настроювальні та індикаційні, і кожен з яких має свій ідентифікаційний код. Наприклад, меню перетворювача частоти має декілька функціональних груп параметрів.

На практиці розрізняють два основних види параметризації: спрощену та детальну. Спрощена – виконується, коли умові роботи привода чітко визначені і немає необхідності у проведенні його тестування під навантаженням з настроюванням параметрів. Процедура параметризації пов’язана з установкою параметрів ПЕД: допустиму перевантажувальну здатність, тип навантаження, темпи розгону і гальмування, вибір алгоритму керування тощо.

Детальна параметризація здійснюється, якщо умови роботи перетворювача не визначені, та виконується безпосередньо при пуску робочого механізму. До основних етапів параметризації відносяться:

1) настроювання функціональних блоків шляхом завдання визначених параметрів;

2) настроювання додаткових плат та опцій – складається конфігурація і здійснюється настроювання додаткових плат розширення та обміну даними за стандартними мережевими протоколами;

3) настроювання перетворювача, яке пов’язане з завданням реальних значень параметрів перетворювача, алгоритму керування частотою обертання та моментом двигуна тощо;

Процедура параметризації здійснюється за еквівалентною схемою заміщення системи АЕП. Крім того, має місце настроювання окремих параметрів привода, які суттєво впливають на його динамічні властивості.

Сучасні АЕП мають додаткові функціональні блоки, які розширюють можливості при настроюванні та здійснюють:

- автоматичний перезапуск системи;

- температурну адаптацію – компенсацію похибки регулювання швидкості або моменту двигуна у замкнених системах керування, яка виникає при температурних змінах опору його обмоток;

- роботу АЕП при зменшенні напруги до 50 % від номінального значення;

- кінематичне буферування – керування ПЕД при короткочасному зникненні живлення за рахунок кінетичної енергії обертання навантаження великої інерційності.

У сучасних АЕП параметрування, моніторинг, діагностування і наладка здійснюється за допомогою спеціального програмного забезпечення, яке дозволяє автоматизувати, спростити та прискорити ці процедури. Як приклад розглянемо програмні продукти компанії Schneider Electric для привода з частотним керуванням.

Перетворювачі частоти, пристрої плавного пуску і гальмування та інтелектуальні пускачі та інші пристрої мають діалогові програмні засоби PowerSuite. Програмне забезпечення містить усі функції вбудованого або автономного термінала керування з користувальницьким інтерфейсом у середовищі Windows. Використання програмних засобів у промислових комп’ютерах та міні комп’ютерах дозволяє здійснити підготовку файлів даних для керування приводом, а також створювати файли даних для забезпечення необхідної взаємодії між функціями конфігурації і настроювання елементів. Зв'язок між ПЧ і комп’ютером здійснюється за допомогою інтерфейсу PowerSuite, що дозволяє оперативно керувати АЕП та осцилографувати перехідні процеси.

2.1.2. Контрольні запитання до першого розділу

1. Сучасний стан теорії і практики використання автоматизованих електроприводів та систем автоматизації.

2. Основні стадії «життєвого» циклу технічних систем.

3. Особливості роботи електроприводів металургійних технологічних механізмів та комплексів.

4. Загальні відомості про основні напрями розвитку електроприводів.

5. Основні напрями енергозбереження засобами електропривода.

6. Шляхи підвищення рівня енергозбереження електромеханічних систем засобами електропривода.

7. Сучасні тенденції розвитку силової перетворювальної техніки.

8. Характеристика сучасних комплектних електроприводів та їх елементної бази.

9. Особливості розрахунку і вибору комплектних електроприводів.

10. Шляхи зменшення втрат потужності та енергії в ЕП у перехідних режимах.

11. Вплив керованих тиристорних перетворювачів на живильну мережу та способи і засоби його зменшення.

12. Структурна схема електропривода змінного струму з векторним керуванням.

13. Характеристика і особливості конструкції та використання сучасних приводних електродвигунів.

14. Характеристика, вибір та особливості використання комутаційної і захисної апаратури, дроселів та фільтрів.

15. Призначення та характеристика програмних засобів автоматизованих електроприводів.

16. Основні види та задачі параметризації та моніторингу.