Пояснительная записка к проекту испытательного лабораторного стенда многодвигательного частотно- управляемого асинхронного электропривода

Пояснительная записка к проекту испытательного
лабораторного стенда многодвигательного частотноуправляемого асинхронного электропривода
Профессор, доктор технических наук, заведующий
кафедрой автоматизации производственных процессов
КарГТУ
И.В. Брейдо
Соискатель кафедры автоматизации производственных
процессов КарГТУ А.В. Гурушкин.
Обзор и постановка проблемы
Любое современное предприятие, это в первую очередь большой парк электрических
машин. Наиболее перспективным электромеханическим преобразователем для
большинства механизмов в современном производстве из-за его дешевизны, простоты и
надежности считается короткозамкнутый асинхронный электродвигатель.
До недавнего времени широкому распространению короткозамкнутых АД мешали
тесные рамки 50 Hz, а также отсутствие сильноточных управляемых вентилей для
преобразовательных устройств. Но прорыв в промышленной электронике появление
мощных тиристоров, а затем полевых и IGBT транзисторов, а также достаточно мощных
микропроцессоров позволило реализовать эффективные методы скалярного и векторного
управления.
В настоящее время широкое распространение получили автономные инверторы
напряжения (АИНы), т.к. форма, величина и частота выходного напряжения определяется
режимом его работы. А также они позволяют реализовать требуемы законы
регулирования, и работать сразу с несколькими приводами, подключаемыми на один
выход преобразователя, что выгодно отличает АИНы от инверторов тока и т.д.
Современное микропроцессорное обеспечение дает возможность не только управлять, но
и контролировать аварийные и предаварийные ситуации и если это требуется вовремя
отключать привод тем самым, спасая механизм и двигатель от поломки. Сервис настройки
для большинства применений (насосы, вентиляторы и т.д.) достаточно, прост и не
требует, глубоких знаний, достаточно следовать алгоритму параметрирования
разработчика, в котором необходимо только правильно указать требуемые данные
двигателя и тип механизма. Далее частотный преобразователь автоматически проведет
тестирование и постарается настроить себя на работу с этим механизмом. В большинстве
случаев такой способ запуска в работу дает положительный результат, но для сложных
применений, таких, как многодвигательные системы электропривода, работающие на
один механизм необходимо учитывать еще ряд особенностей механической и
электрической системы, а также дальнейший износ и влияние его на работу всего
механизма в целом. Поэтому стандартной процедуры наладки частотного привода в этом
случае будет не достаточно, потребуется дополнительная ручная подстройка под
конкретное применение с учетом особенностей работы механизма, частотного
преобразователя и выбранного закона регулирования.
Актуальность обучения специалистов
Для предприятия актуальным и значимым является не только стремление
перевооружить производство новым современным оборудованием, но и в первую очередь
выучить и подготовить специалиста-инженера, который сможет, изучить, отладить и
грамотно эксплуатировать эту технику. Особенно остро этот вопрос для служб
эксплуатации на производстве, где устанавливается новая современная техника и одним
из важнейших факторов технологии является время. От такого специалиста требуются не
только знания в профильном предмете, например, в приводе, программировании,
электрических машинах, промышленной электронике, и т.д., но и ясное представление
работы всей подшефной электромеханической системы в целом. А также понимание
принципов и законов взаимодействия между собой всех трех ее основных частей, т.е.
механической части, электромеханического преобразователя (двигателя) и системы
управления. Только в этом случае можно гарантировать надежную работу, а значит
прогнозируемый экономический эффект от внедрения новой технологии и оборудования.
К сожалению, большинство программ обучения, решения таких вопросов не
предусматривает или рассматривают в недостаточном объеме, кроме этого, как правило,
нет необходимой для такого обучения учебно-материальной базы. Часто в обучении
проводится деление на механическую часть и электрическую. Хотя, практический опыт
эксплуатации показывает, что влияние механики на привод и, в особенности на систему
регулирования очень велико, и наоборот.
Наиболее сложными в этом вопросе являются многодвигательные системы
электропривода, применяемые в различном технологическом оборудовании. В
многодвигательных электромеханических системах, работающих на один механизм,
возникает необходимость выравнивания статических и динамических нагрузок
электроприводов, характерными для таких систем являются механизмы
зазорообразования, упругие колебания в механической части механизмов. Поэтому часто,
в причинах неудовлетворительной работы оборудования специалисты, не имеющие
представления о работе всей системы в целом, не всегда могут разобраться.
Усложнение системы, т.е. введение дополнительных элементов, таких, как
многодвигательный привод, полиспасты, многоступенчатые механические передачи и т.д.
ведут к увеличению влияния механической части на электрическую и в том числе на
систему управления. Поэтому современный специалист должен «охватывать» в комплексе
всю электромеханическую систему подшефного оборудования, а не делить ее на
механическую и электрическую часть, как часто происходит это на предприятиях. Он
должен не только знать, как запараметрировать привод, написать программу, настроить
систему регулирования, но иметь четкое представление, что такое износ,
зазорообразование, дисбаланс, резонанс, автоколебания и т.д., как эти явления влияют на
работу механики и привода, а значит, нужно знать, как будет справляться система
управления на появление дополнительных возмущений. Знать методы устранения этих
явлений, которые дает нам современный частотный привод (например, программная
функция обхода резонансных частот, выравнивания моментов и т.д.). В этом случае
эффективность специалиста резко возрастет.
Лабораторный стенд
С целью для решения вопросов модернизации, наладки электрооборудования,
обслуживания и возможности проводить безопасное обучение был разработан и внедрен
на базе отделения ОНРС конверторного цеха «Миталл Стил Темиртау» лабораторный
испытательный стенд на основе многодвигательного частотно-управляемого
асинхронного электропривода.
Особенностью данной лабораторной установки является применение одновременно в
комплексе практически всех уровней автоматизации. Т.е. программируемого контроллера
с модулями входов и выходов для периферийных устройств, сети PROFIBUS, средств
визуализации (HMI панелей) и разных типов частотных преобразователей, которые могут
использоваться, и как однодвигательный привод, так и компоноваться в
многодвигательный привод, работающий на одну нагрузку. При этом преобразователи
могут быть связанны между собой, контроллером и устройствами визуализации разными
сетевыми шинами. Это позволяет не только использовать для изучения и тестирования
программ реального оборудования, но создавать свои проекты. Механическая часть
стенда позволяет просто и быстро устанавливать разные виды механических передач,
муфт, имитировать дефекты, например, увеличение зазора между зубьями или люфты.
Стенд имеет гибкую конфигурацию, а все элементы, возможно, легко заменить или
перенастроить по выбору (см. рис. 1.).
Назначение и задачи, выполняемые стендом:
1. Решать проблемы дальнейшей модернизации с использованием более современных
преобразователей.
2. Проводить исследовательские работы по определению статических, динамических,
энергетических характеристик частотного электропривода с различными
структурами и параметрами систем управления, а так же решать ряд вопросов
наладки приводов обладающих упругими связями и зазорообразованием.
3. В некоторых случаях при отсутствии адекватной модели, например, таких сложных
систем, как многодвигательный частотный привод главного подъема литейных
кранов, эта установка позволяет использовать в полном объеме моделирование
этого объекта и рабочего процесса, в котором он задействован.
4. Проводить безопасное обучение специалистов на незадействованном в
технологическом процессе оборудовании.
5. Кроме этого данная установка используется как контрольно-испытательная
станция для дефектовки и проверки частотных преобразователей и асинхронных
электродвигателей.
Рис.1. Структурная схема взаимодействия и управления отдельными устройствами
испытательного стенда
Состав оборудования стенда
 Два испытуемых асинхронных короткозамкнутых электродвигателя АИР 100........3
кВт
 В качестве нагрузки асинхронный короткозамкнутый двигатель АИР132 М….11
кВт
 Два преобразователя частоты фирмы Siemens SIMOVERT MASTERDRIVER VC
(vector Control) DC-АС 11 кВт.
 Нагрузочный преобразователь Siemens SIMOVERT MASTERDRIVER VC DC-AC
37 кВт.
 Панель выпрямителя, блок предзарядки, коммутации силовых цепей.
 Блок выпрямления – рекуперации AFE.
 Два устройства торможения MASTERDRIVES BRAKING UNIT
 Тормозное сопротивление.
 Датчики скорости.
 Пускозащитная аппаратура.
 Контрольно-измерительная аппаратура (мультиметры, осциллограф, токовые
клещи, тахометр, электронный термометр и т.д.)
 Пульт управления с установленными на нем HMI панелями 0Р7, ОР170 В, ТД17.
 Программируемый логический контроллер фирмы Siemens SIMATIC S7-300 с
двумя модулями дискретных входов и одним модулем дискретных выходов.
 Два блока «SITOP» (24В) для питания PLC, логики инверторов, промежуточных
реле и т.д.
 Персональный компьютер или Notebook (опционально).
Конструкция стенда
Конструктивно установка выполнена в виде четырех стендов выполненных из
текстолитовых панелей, которые закреплены на стене лабораторного помещения.
Электрооборудование смонтировано на панелях методом навесного монтажа, что
упрощает демонтаж-монтаж элементов стенда. Двумя другими основными частями
установки являются пульт управления с приборами контроля и управления и стальная
рама-станина с асинхронными короткозамкнутыми двигателями (см. фото 1, 2, 3).
Основой стенда №1 является логический программируемый контроллер SIMATIC S7-300
с модулями дискетных входов-выходов. Для питания контроллера, логики инверторов,
промежуточных реле и катушек контакторов на стенде установлены два блока питания
«SITOP» 24 V фирмы Siemens, для защиты контроллера и другой электроники запитанной
с этого стенда предусмотрены автоматы защиты и плавкие предохранители.
В целях электробезопасности корпуса всех инверторов, Т-образной рамы, двигателей,
пульта и т.д. заземлены. Все питающие кабели и сигнальные цепи стенда проложены в
отдельных пластиковых коробках, что бы исключить влияние силовых цепей на сигналы,
поступающие в PLC и на пульт управления.
Комплексный лабораторный стенд с частотными преобразователями состоит из двух
панелей – стендов №2 и №3. На стенде №2 смонтированы испытываемые преобразователи
SIMOVERT MASTERDRIVER VC DC-AC…..11 кВт и MICROMASTER 440….30 кВт
(установлен для дальнейшего расширения и модернизации рассматриваемой установки).
Ниже под преобразователями находятся тормозные блоки BRAKING UNIT (используемые
в генераторном режиме). На стенде №3 установлены еще два преобразователя
SIMOVERT MASTERDRIVER VC DC-AC – это второй испытываемый
преобразователь…11 кВт и нагрузка 37 кВт. На этом стенде для защиты всех
преобразователей предусмотрены разъединители с быстроплавкими вставками.
Стенд №4 в основе своей является неуправляемым выпрямителем и предназначен для
питания инверторов, защиты и коммутации силовых цепей установки. На нем также
размещаются главный силовой контактор, блок предзарядки, фильтр и коммутационная
электрическая аппаратура. Предусмотрена клеммная панель с напряжением 220 и 380 V
для запитывания приборов и электроинструмента (см. фото 2.).
Электромеханическая часть стенда включает в себя три асинхронных
короткозамкнутых двигателя серии АИР с датчиками скорости, один из которых является
нагрузкой. На валах смонтированы датчики скорости. Сами двигатели установлены на Тобразной жесткой сварной раме. Валы двигателей связаны между собой зубчатой
передачей.
Пульт управления изготовлен в виде стола с наклонной приборной панелью из
текстолита. На приборной панели смонтированы переключатели, джойстики, тумблеры,
индикаторы и три операторских панели ОР фирмы Siemens.
Таким образом, панели №1, 2, 3, 4 задуманы так, что бы использовать их, как один
комплексный стенд-установку или каждый из стендов отдельно, исходя из их технических
и функциональных возможностей и целей проводимой лабораторной работы.
Возможность эффективной комплексной работы всех рассмотренных стендов дает
использование системы «инвертор-контроллер». Все инверторы и логический контроллер
«завязаны» в общую шину PROFIBUS, в которой мастером – ведущим устройством
является PLC. Такая схема позволяет использовать широкие возможности
дистанционного управления, контроля, синхронизации работы преобразователей и обмена
диагностическими данными через контроллер. Цифровые модули контроллера, а также
аналоговые и дискретные входа-выхода самого инвертора дают дополнительные
возможности для передачи аналоговых и дискретных сигналов.
Стенд обладает следующими функциональными возможностями
 Каждый из электроприводов может работать в качестве испытуемого или
нагрузочного.
 Стенд позволяет проводить испытания, как одиночного, так и группового привода
для различных режимов работы (векторного, скалярного, режим векторного
управления без датчика обратной связи и т.д.).
 Конструкция электромеханической части позволяет быстро поменять любой из
двигателей или все сразу на другой тип и мощность (зависит от запаса инвертора
по мощности), а также быстро сменить зубчатую передачу на любой другой тип
механической связи (например, связать валы испытуемого и нагрузочного
двигателя через зубчатую муфту, ременную передачу и т.д.). Выше сказанное
относиться также и к преобразователям частоты, где в качестве испытуемых могут
устанавливаться любые другие комплекты с типовым набором управляющих и
контрольных сигналов.
 Благодаря применению мощных тормозных блоков BRAKING UNIT и балластного
сопротивления возможно создание продолжительного по времени генераторного
режима при любой рабочей скорости и нагрузке.
 Применение оптических инкрементальных датчиков скорости обеспечивает
высокую точность измерения скорости и углового положения вала двигателя. При
необходимости возможно дооснащение дополнительными датчиками (например,
термопарами, устанавливаемыми в обмотку двигателя).
 Возможность эффективной комплексной работы всех стендов установки дает
использование системы «инвертор-контроллер». Все инверторы и логический
контроллер «завязаны» в общую шину PROFIBUS, в которой мастером – ведущим
устройством является PLC. Такая схема позволяет использовать широкие
возможности дистанционного управления, контроля, синхронизации работы
преобразователей и обмена диагностическими данными через контроллер.
Цифровые модули контроллера, а также аналоговые и дискретные входа-выхода
самого инвертора дают дополнительные возможности для передачи аналоговых и
дискретных сигналов. Программные возможности рассматриваемой системы
позволяют «писать» достаточно сложные алгоритмы и режимы работы, а также
имитировать различные возмущающие воздействия (например, воздействие силы
тяжести или свободное падение груза). В свою очередь это позволяет создавать
сложные имитационные модели различных технологических механизмов
(например, групповой привод главного подъема литейного крана, моталку
прокатного стана и т.д.), сымитировать работу приборов ограничения, контроля и
безопасности (виртуальные концевые выключатели или, например, тормозная
система крана). Благодаря этим функциям при создании имитационной модели
можно значительно упростить электромеханическую часть стенда.
 Дистанционный доступ к логике преобразователей возможен не только через
контроллер и шину PROFIBUS, но и напрямую через интерфейс RS-232 или RS485.
 Индикация – с помощью встроенных измерительных приборов или внешних
средств и приборов.
 Регистрация результатов измерений проводится с помощью диагностических
функций инвертора (например, виртуального осциллографа) и программы Drive
Monitor. Полученные данные для регистрации и наблюдения, возможно, вывести
на операторские панели HMI пульта управления либо распечатать.
В стенде предусмотрены следующие защитные функции:
 Контроль входного напряжения главного выпрямителя и дистанционное
отключение главного контактора стенда в случае нажатия аварийной кнопки, либо
команды поданной логическим контроллером.
 Аварийная кнопка «Стоп», снимает питание со всей установки.
 Блокировка включения механизмов установки до конца стадии предзарядки.
 Звуковая и световая сигнализация включения - выключения стенда и аварийных
событий.
 Защита преобразователей быстроплавкими вставками.
 Аварийный останов всех приводов в случае поступления аварийного сигнала из
любого преобразователя в PLC.
 Отображение на операторской панели HMI пульта управления аварийных и
предупреждающих сообщений.
Кроме этого сам инвертор обладает рядом защит, обеспечивающих высокую
защищенность, как самого инвертора, так и подключенного к нему двигателя. К числу
этих защит относятся:
 защита от перенапряжения во входной цепи,
 защита от обрыва одной из выходных фаз,
 защита от перегрева радиатора выходных транзисторов,
 защита от перегрузки по току,
 защита от сбоя в электронной части и т.д.
Защитной реакцией инвертора является остановка с дисплейной индикацией кода
ошибки. Коды ошибок и пути их устранения приведены в инструкции по эксплуатации.
На стенде предусмотрено измерение мгновенных значений следующих
переменных:
















Напряжение питающей сети;
Ток питающей сети;
Выпрямленное напряжение;
Ток звена постоянного напряжения;
Уровни задающих сигналов;
Токи фаз двигателей;
Скорость двигателя;
Угловое положение вала;
Электромагнитный момент двигателя;
Потокосцепление ротора двигателя;
Выходные сигналы регуляторов;
Частота выходного напряжения преобразователя частоты;
Действующие значения выходного напряжения преобразователя частоты;
Активная мощность на выходе преобразователя частоты;
Температура IGBT-кристаллов преобразователя;
Состояние выходных сигналов преобразователя частоты и т.д.
Таким образом, разработанный стенд может быть эффективно использован для
анализа режимов работы, модернизации и наладки многодвигательных электроприводов
грузоподъемных механизмов.
На рис. 2 и 3 в режиме ступенчатого набора скорости при постоянном моменте
нагрузки (имитация работы главного подъема крана) представлены временные диаграммы
работы стенда в различных режимах.
Используемая в работе литература
1. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.: «Энергоатомиздат», 2001 г.
2. Кацман М.М. Электрические машины. – М.: «Высшая школа», 1990 г.
3. Кацман М.М. Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам и
электроприводу. – М.: «Высшая школа», 1983 г.
4. Герман-Галкин С.Г., Кардонов Г.А.
Электрические машины. Лабораторные
работы.- Санкт-Петербург: «Корона принт», 2003 г
5. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным управлением. –
М.: «ACADEMIA», 2006 г.
Сведения об авторах:
1. Профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой автоматизации
производственных процессов КарГТУ И.В. Брейдо
2. Соискатель кафедры автоматизации производственных процессов КарГТУ
А.В. Гурушкин.
КарГТУ – Карагандинский Государственный Технический Университет, республика
Казахстан.