Системы автоматизированного управления электропривода

Москва
ИНФРА-М
2014

УЧЕБНИК

В.В. МОСКАЛЕНКО

СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Рекомендовано Государственным
комитетом Российской Федерации
по строительству и жилищно-коммунальному
комплексу в качестве учебника для студентов
средних специальных учебных заведений,
обучающихся по специальности 2913 «Монтаж,
наладка и эксплуатация электрооборудования
промышленных и гражданских зданий»

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Москаленко В.В.
Системы автоматизированного управления электропривода: Учебник.  — М.: ИНФРА-М, 2014. — 208 с. — 
(Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-16-005116-1
Рассмотрены общие принципы построения и структуры систем 
 управления электропривода. Приведено описание элементов и устройств схем управления, и рассмотрены разомкнутые и замкнутые 
схемы электроприводов с двигателями постоянного и переменного 
тока. Изложены вопросы применения электроприводов в системах 
автоматизации технологических процессов. Даны основные понятия 
и методы расчета и повышения надежности электроприводов.
Для студентов учебных заведений среднего профессионального 
образования.

УДК 62.83(075.8)
ББК 31.291я723 
65.050

УДК  62.83(075.8)
ББК  31.291я723
  
М 82

© Москаленко В.В., 2004
ISBN 978-5-16-005116-1

М82 

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................... 5
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................... 7

ГЛАВА 1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1. Основные понятия, термины и определения ................... 9
1.2. Понятие о регулировании координат (переменных)
электропривода.............................................................. 12
1.3. Структуры и принципы построения схем управления
электропривода.............................................................. 14

ГЛАВА 2
ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1. Силовые полупроводниковые преобразователи
электроэнергии .............................................................. 22
2.2. Электрические аппараты ручного и дистанционного
управления..................................................................... 29
2.3. Аналоговые элементы и устройства управления ............ 39
2.4. Дискретные элементы и устройства управления ............ 44
2.5. Полупроводниковые логические элементы .................... 47
2.6. Микропроцессорные средства управления ..................... 49
2.7. Датчики времени и координат электропривода ............. 54
2.8. Электромагнитные муфты и тормозы ............................. 67
2.9. Защита, блокировки и сигнализация
в электроприводах ......................................................... 70
2.10. Выбор силовых преобразователей,
аппаратов управления, коммутации и защит .............. 80

ГЛАВА 3
РАЗОМКНУТЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

3.1. Общая характеристика разомкнутых схем управления ...... 87

3.2. Типовые узлы и схемы управления электроприводов
с двигателями постоянного тока .................................. 88
3.3. Типовые узлы и схемы управления электроприводов
с асинхронными двигателями .................................... 101
3.4. Типовые узлы и схемы управления электроприводов
с синхронными двигателями ...................................... 114

ГЛАВА 4
ЗАМКНУТЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1. Общая характеристика замкнутых схем управления ......... 119
4.2. Замкнутые схемы управления электропривода
с двигателями постоянного тока ................................ 119
4.3. Замкнутые схемы управления электропривода
с асинхронными двигателями .................................... 136
4.4. Замкнутые схемы управления электропривода
с синхронными двигателями ...................................... 146
4.5. Следящие электроприводы ............................................ 155
4.6. Электроприводы с программным управлением............ 162
4.7. Электроприводы с адаптивным управлением............... 173
4.8. Комплектные и интегрированные электроприводы.......... 175

ГЛАВА 5
ЭЛЕКТРОПРИВОД В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ
ПРОИЗВОДСТВА

5.1. Структуры систем автоматизации производства .......... 179
5.2. Регулируемый электропривод как средство
энергосбережения в технологических процессах ...... 186
5.3. АСУ строительством ...................................................... 190

ГЛАВА 6
НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

6.1. Основные понятия и определения теории
надежности .................................................................. 193
6.2. Методы расчета надежности электроприводов............. 195
6.3. Повышение надежности электроприводов ................... 199

Список литературы ............................................................... 206

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие и совершенствование современных технологических
и производственных процессов в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве и в других областях народного хозяйства
характеризуются широким использованием средств автоматизации
и комплексной механизации. Это позволяет освободить человека
от однообразного и тяжелого физического труда, повысить производительность, надежность функционирования технологического оборудования и качество выпускаемой им продукции. Автоматические системы управления позволяют также заменить человека при работе технологического оборудования во вредных и
опасных для его здоровья условиях окружающей среды — космосе, среде агрессивных газов, запыленных помещениях и т.д.
В общем случае автоматизация [1] — это применение технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации.
Автоматизироваться могут технологические процессы, научные и экспериментальные инженерные исследования, проектирование различных объектов, организация, планирование и управление различных
предприятий и организаций. Предметной областью этой книги являются системы управления автоматизированного электропривода и
выполняемые с его использованием системы автоматизации рабочих
машин и механизмов и технологических комплексов.
Электрический привод (ЭП) является энергетической основой
технологических и производственных процессов, которые реализуются за счет механической энергии. Приводя в движение исполнительные органы рабочих машин и механизмов и управляя этим
движением с заданным качеством, ЭП обеспечивает добычу полезных ископаемых, изготовление и обработку различных изделий
и материалов, перемещение людей и грузов и выполнение многих других технологических операций с наилучшими техническими и экономическими показателями. Тем самым современный ЭП
представляет собой важнейшее устройство систем автоматического
управления технологическими процессами.

Многообразие и сложность выполняемых ЭП функций, использование в его структурах новых, в первую очередь полупроводниковых элементов и устройств, постоянное увеличение числа и видов автоматизированных ЭП требуют высокого уровня
подготовки специалистов, занимающихся их монтажом, наладкой
и эксплуатацией. Они должны хорошо знать элементную базу автоматизированных ЭП, понимать основные принципы построения и работу разомкнутых и замкнутых схем управления ЭП, владеть информацией о комплектных и интегрированных ЭП, системах автоматического управления технологическими процессами
и предприятиями. Важный элемент образования в этой сфере составляют и знания о надежности ЭП.
Книга написана в соответствии с Государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования и
Государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальности 2913 «Монтаж,
наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и
гражданских зданий», введенными в действие с 1 сентября 2002 г.
В ней приводятся основные сведения из теории автоматического
управления, рассматриваются элементная база ЭП и выполненные
на ее основе разомкнутые и замкнутые схемы управления автоматизированного ЭП, а также автоматизация технологических процессов. В нее включены также сведения по надежности работы
ЭП, методам ее расчета и повышения.
Изучение дисциплины «Системы автоматизированного управления электропривода» основывается на знаниях учащихся по
информатике, теоретическим основам электротехники, основам
электронной и микропроцессорной техники, электрическим машинам и основам электропривода. В книгу включен материал по
силовой преобразовательной технике, электрическим аппаратам,
элементам и устройствам систем управления, необходимый для
лучшего понимания работы автоматизированного ЭП.
Для лучшего усвоения материала и освоения учащимися навыков практических расчетов книга содержит задачи и примеры их
решения, а с целью проверки степени усвоения материала в конце каждой главы приведены контрольные вопросы.

ВВЕДЕНИЕ

В своей практической деятельности человек использует самые
разнообразные технологические процессы и операции, реализация которых осуществляется с помощью различных рабочих машин и производственных механизмов. Во многих случаях для выполнения технологического процесса эти рабочие машины и механизмы объединяются в единый производственный комплекс,
образуя предприятия различного назначения.
Характерной чертой совершенствования как отдельных рабочих машин, так и технологических комплексов в целом является автоматизация их работы, что позволяет повысить их производительность и качество выпускаемой продукции и обеспечить
наилучшие показатели по экономичности и надежности при эксплуатации. Важным фактором является и то, что автоматизация
позволяет освободить человека от тяжелого и однообразного труда, а во многих случаях обеспечить управление технологическими процессами с показателями, недоступными человеку по его
физиологическим возможностям.
Примерами автоматизации отдельных рабочих машин и технологических комплексов могут служить автоматические линии
и гибкие автоматизированные производства, числовое программное управление станками, системы автоматического поддержания угловой скорости вращения (далее в тексте — скорость вращения) двигателей, системы поддержания уровня жидкости в
резервуаре и т.д.
Большое число рабочих машин и производственных механизмов: лифтов, конвейеров, насосов, подъемных кранов и
т.д. — для выполнения технологических операций используют
механическую энергию, которую они получают от ЭП. Приводя в движение исполнительные органы этих рабочих машин
и механизмов: кабину лифта, ленту конвейера, рабочее колесо насоса, грузозахватное приспособление подъемного крана —
и управляя этим движением, ЭП становится важнейшей частью общей схемы автоматизации, от функционирования которой зависит в конечном итоге качество реализации технологических процессов.

Характерной чертой развития современного ЭП является постоянное расширение и усложнение выполняемых им функций,
что в первую очередь достигается за счет все более широкого использования регулируемых и автоматизированных ЭП. Их применение позволяет повысить качественные и количественные показатели технологических процессов, увеличить надежность функционирования технологического оборудования и самого ЭП,
улучшить условия работы обслуживающего персонала.

Глава 1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ
И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Управление представляет собой организацию того или иного
процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей.
Система управления — совокупность всех устройств, обеспечивающих управление каким-либо объектом или процессом. Если
управление осуществляется без непосредственного участия человека, то система управления называется автоматической. Систему автоматического управления (САУ) образуют устройство
управления и объект управления.
Если отдельные операции управления осуществляет человек
или группа людей, то такие системы управления называются автоматизированными. Для выполнения этих операций человек должен получать информацию о процессе управления и иметь в своем распоряжении соответствующие органы управления объектом
или процессом.

Рис. 1.1. Схема системы автоматического управления

Обобщенная схема САУ показана на рис. 1.1. На ней обозначены: 1 — объект управления; 2 — источник информации о задачах управления; 3 — устройства информации о ходе и результатах управления; 4 — устройство обработки информации и выработки сигнала управления; 5 — исполнительное устройство;

6 — устройства информации о функционировании исполнительного устройства.
В некоторых случаях задачей управления является обеспечение постоянства некоторой физической переменной: температуры, скорости вращения, давления — или ее изменение во времени по некоторому закону. Такой частный вид управления
обычно называется регулированием. Система автоматического
регулирования (САР) по аналогии с системой автоматического
управления состоит из регулируемого объекта и регулятора. В состав систем автоматического регулирования, кроме регулятора,
входят и другие необходимые для их функционирования устройства. К ним относятся:
• датчики регулируемых переменных, с помощью которых получают информацию об их текущих значениях;
• задатчики регулируемых переменных, с помощью которых
системе задается требуемый уровень регулируемой переменной;
• измерительные устройства, с помощью которых определяется отклонение текущего (фактического) значения регулируемой
переменной от ее заданного значения;
• устройства сопряжения, позволяющие соединить все элементы и устройства системы регулирования в единый комплекс.
Помимо этого, в состав системы регулирования входят элементы и устройства, обеспечивающие защиту, блокировки и сигнализацию при ее работе, а в современных системах регулирования — дополнительно тестирование, диагностику и резервирование.
Различают следующие виды САР:
• системы автоматической стабилизации, обеспечивающие поддержание регулируемой величины на заданном уровне с требуемой точностью. К таким системам относятся, например, системы
поддержания температуры в нагревательной печи, система регулирования скорости вращения двигателей и многие другие. Системы стабилизации делятся на астатические и статические.
Астатические системы стабилизации обеспечивают поддержание
регулируемой переменной в статическом режиме на неизменном
уровне при изменениях возмущающего воздействия. Статическими системами называются такие, в которых в установившемся
режиме происходит изменение регулируемой переменной при
изменении возмущающего воздействия. Другими словами, астатические САР обеспечивают регулирование переменных в установившемся режиме без ошибки, т.е. осуществляют регулирование
переменной строго с заданным уровнем, а статические САР —
с некоторой ошибкой;