Скоординированные частотно-регулируемые приводы

Высокие скорости, на которых осуществляются многие производственные процессы в промышленности, а также являющиеся их следствием многочисленные сбои, требуют от систем управления приводами высокой скорости отклика, а также устойчивой координации всех осей системы. Рассинхронизация приводных осей может не только затормозить процесс, но и привести к различным поломкам и подвергнуть персонал опасности.

На различных производственных линиях используются десятки, а порой сотни электроприводов: например, в бумагоделательных машинах, прокатных станах, на гальванизационном оборудовании и т.д. В таких устройствах используются, как правило, двигатели переменного тока. Система управления движением состоит из ведущего управляющего звена, регулятора частотности и индукционного двигателя переменного тока.

Хотя синхронизированные электродвигатели переменного тока используются в случаях повышенной потребности в электроэнергии, большинство станков с синхронизированными двигателями используют двигатели мощностью до 350 кВт. В таких системах используется до 200 двигателей, обеспечивающих требуемое для процесса напряжение. Их скорость и крутящий момент находятся под контролем высокоскоростной сети.  Она используется также для передачи информации о состоянии процесса.  Более пристальный анализ системы управления движением в бумагоделательной машине помогает понять, какие требования предъявляются к приводам.

Преобразователи частоты

Основными элементами низковольтного привода переменного тока приведены на рис. 1: 

• Инвертор AC / DC питания трехфазного переменного тока;
• Блок фильтров с конденсаторами;
• Преобразователь DC / AC, использующий широтно—импульсную модуляцию (PWM – pulse width modulation; ШИМ — широтно—импульсная модуляция) сигнала для производства электроэнергии для двигателя;

Последняя часть – это трехфазный индукционный двигатель, адаптированный для работы с  переменной скоростью.

Преобразователь

Существует множество различных типов преобразователей. Некоторые из них могут работать в том числе и в обоих направлениях, т.е. как забирать мощность из сети, передавая ее в двигатель, когда процесс требует расхода энергии, так и получать мощность от двигателя и возвращать ее в сеть, когда механизм замедляется. Такие преобразователи, называемые регенеративными, используют накопленную механизмом кинетическую энергию, которая в обычном процессе торможения была бы преобразована в тепловую. Для функционирования эти преобразователи используют активные коммутационные элементы, такие как тиристоры или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT – insulated gate bipolar transistors).

Электрическая схема простого однофазного преобразователя AC/DC, использующего выпрямляющие диоды, представлена в левой части рис. 2. Полный трехфазный преобразователь состоит из трех подобных секций. Выходное напряжение такого преобразователя – это колеблющееся напряжение, поэтому необходимо его выравнивание. Эффективность устройства довольно велика и зачастую находится в диапазоне 0,95-0,98.

Инвертор

Трехфазный сигнал мощности различной частоты для питания двигателя генерируется инвертором, оснащенным тремя мостами выходной мощности.  Каждая синусоида порождается соответствующим «разделением» (англ. chopping) постоянного напряжения с частотой более 1500 Гц транзисторами IGBT.  Обмотки двигателя, имеющие высокую индуктивность и сопротивление, ведут себя как фильтр нижних частот, в связи с чем график течения тока очень близок к синусоиде.  На рис. 3 показана одна фаза сигнала, генерируемого ШИМ.  Прямоугольный сигнал – это «разделенный» сигнал напряжения, синусоида отражает течение тока в двигателе.  Управление ШИМ позволяет изменять не только частоту сигнала, но и его амплитуду, а следовательно, – и показатели тока в двигателе.  Изменение показателей тока, в свою очередь, – это для изменения крутящего момента: таким образом, инвертор контролирует как скорость, так и крутящий момент.

В случае индукционных двигателей скорость двигателя меньше, чем это должно следовать из частоты питающего напряжения.  Причина этого заключена в скольжении, вызванном нагрузкой за счет крутящего момента двигателя.  Для того чтобы двигатель всегда двигаться с заданной скоростью независимо от нагрузки, применяются тахометры, которые передают сигнал на преобразователь.  В современных преобразователях тахометр факультативен, поскольку инвертор самостоятельно вычисляет уровень скольжения и с его учетом корректирует частоту выходного напряжения.

Каждый привод оборудован собственным коммуникационным интерфейсом, посредством которого он получает сигналы системы управления и передает в нее данные о своем состоянии.

Корпус

Небольшие автономные приводы имеют компактный корпус, в котором помещены преобразователь и инвертер, и предназначены для механизмов, использующих незначительное количество двигателей. Стратегия управления большим количеством двигателей иная: все приводы имеют общий большой преобразователь, питающий все инверторы. Шкаф для размещения подобной конструкции изображен на рисунке 1. Двенадцать инвертеров запитаны от одной общей шины. Модульная конструкция позволяет сэкономить место и деньги. Кроме того, она более эффективна.

Каждый инвертор помещен в шкаф, который может быть легко демонтирован на время ремонта. Поскольку в каждом из шкафов помещается лишь инвертор без преобразователя, среднее время безаварийной работы (MTBF) высоко, а легкий доступ и возможность быстро заменить неисправный модуль обеспечивают низкое значение среднего времени ремонта (MTTF).

Координация приводов

Бумагоделательные станки, покрытий, гальванизационные линии и многие другие производства используют значительное количество регулируемых приводов. Порой это количество превышает 200 единиц. Стандартный бумагоделательный станок работает на скорости 15 м/с. Во избежание разрывов бумаги скорость всех двигателей должна строго контролироваться ведущим звеном управления.  На рисунке 4 представлен бумагоделательный станок, и упрощенная схема системы управления движением – полная схема сделала бы рисунок совершенно нечитаемым.

При необходимости изменить скорость производства каждый из двигателей ускоряется или замедляется до заданной скорости с определенным значением времени. Скорость работы каждого двигатель пропорциональна скорости процесса, однако для разных типов бумаги эта скорость различна. База рецептов для различных типов бумаги находится в ведущем звене управления.

Правильные соотношения крутящих моментов

Если два или более двигателей питают одну и ту же часть механизма, обычно применяется следующая стратегия управления: один двигатель должен поддерживать постоянную скорость, а остальные – постоянный крутящий момент при ограниченной скорости. Чтобы стабилизировать работу двигателей с заданными скоростью и крутящим моментом, ведущее управляющее звено разделяет крутящие моменты двигателей в необходимой пропорции.  Произвольное натяжение мокрой бумаги ведет к ее разрыву, поэтому невозможно измерить качество натяжения и подстроить под него крутящий момент двигателей. В таких случаях можно опираться исключительно на точное измерение скорости и регулировать именно ее.

Коммуникация между управляющим звеном и отдельными инверторами обеспечивается известными протоколами связи, такими как Modbus, Profibus-DP и DeviceNet.  Приводы передают в ведущее звено сведения об актуальной скорости, крутящем моменте, температуре обмоток, а также возможных сигналах опасности и повреждениях. В распоряжении оператора станка имеется сенсорная панель HMI, посредством которой он контролирует переменные процесса и управляет станком.