Charakterystyka i budowa układu napędowego. regulowanym

Transkrypt

1 Charakterystyka i budowa układu napędowego PLC DSP IGBT HF...C Współczesny układ napędowy zawiera wzmacniacz mocy (przekształtnik energoelektroniczny) i wiele sprzężeń zwrotnych jest zatem układem regulowanym 1

2 Aplikacje sterujące dla różnych maszyn roboczych Aplikacje fabryczne All-in-One Aplikacje specjalne NX program systemowy NX HARDWARE 2

3 Przykład napędów nawijaka i nożyc silnik 3

4 Prosty UKŁAD NAPĘDOWY Budowa Podaj typową budowę (architekturę) układu napędowego i opisz funkcje podstawowych bloków informatyka przemysłowa zewn. PLC sterowanie nadrzędne sieć zasilająca (źródło energii) DSP - układ identyfikacji i sterowania napędem Wyłącznik zasilacz St er o wa ni e zasilacz zasilacz przekształtnik energoelektroniczny elektryczna robocza (synteza zajęć na Wydziale Elektrycznym?) DSP Digital Signal Processor 4

5 BUDOWA UKŁADU NAPĘDOWEGO OBWÓD SILNOPRĄDOWY sieć zasilająca (ŹRÓDŁO ENERGII) Należy zapewnić ruch maszyny roboczej czyli dostarczyć jej odpowiednią moc i energię Wyłącznik P zas (u s, i s, t, T d,t L, w, dw/dt) W zas (u s, i s, t, T d,t L, w, dw/dt ) Scharakteryzuj obwód silnoprądowy w układzie napędowym przekształtnik energoelektroniczny elektryczna w, T d robocza 5

6 Przekształtnik tranzystorowy sterowany mikroprocesor em 6

7 przekształtnik regulatory Przekładnia mechaniczna silnik Zintegrowany układ napędowy (programowany) dodatkowo wyposażony w przekładnię mechaniczną 7

8 Silnik z przekładnnią i robocza =view&id=38&itemid=64 8

9 BUDOWA UKŁADU NAPĘDOWEGO OBWÓD SILNOPRĄDOWY I STEROWANIE sieć zasilająca (ŹRÓDŁO ENERGII) PLC sterowanie nadrzędne Układ identyfikacji i sterowania napędem (DSP) Wyłącznik zasilacz St er o w a ni e zasilacz zasilacz przekształtnik energoelektroniczny elektryczna w, T d robocza 9 Podaj typową budowę układu napędowego i opisz funkcje podstawowych bloków

10 Rola czujników - Jakie cechy powinny mieć? 10

11 Czujniki analogowe, cyfrowe przetworniki A/D, D/A muszą przenosić sygnały o odpowiedniej częstotliwości w szerokim zakresie temperatur i być odporne na zakłócenia (wpływy obcych pól, temperatury) Jakie cechy powinny posiadać? 11

12 Segway V(t) α F(t) Jakość czujnika odchylenia decyduje możliwości realizacji napędu Sterowanie poprzez zmianę położenia środka ciężkości 12

13 Układ odwzorowania położenia kabiny za pomocą indukcyjnego czujnika zbliżeniowego Dwa piętra, Czujnik dojazdu. Układ odwzorowania kabiny Zasada działania takiego układu polega na umieszczeniu w szybie dźwigu magnesów lub elementów metalowych, które po zbliżeniu do czujnika znajdującego się na kabinie dają sygnał informując o położeniu kabiny w szybie.

14 Sygnał zadany prądu uchyb Wzmacniacz i obiekt regulacji Wyjście wymagany prąd Sygnał prądu Czujnik prądu W napędzie elektrycznym jednym z najważniejszych czujników jest czujnik prądu Moment napędowy silnika jest funkcją prądu Sprzężenie prądowe zapewnia dokładną regulację prądu czyli momentu Zapewnienie przez regulator prądu ograniczenia maksymalnej wartości prądu jest gwarancją niezawodności napędu ochrona przed przeciążeniem lub/i zwarciem 14

15 Błąd w pomiarze przenosi się proporcjonalnie na wyjście Sygnał zadany + uchyb zawiera błąd pomiaru Sygnał prawdziwy + błąd Wzmacniacz i obiekt regulacji Czujnik niedokładny? Wyjście wymagany sygnał?? Sygnał różny od wartości zadanej Błąd pomiaru działa tak jak sygnał zadany Jakość czujnika (sensora) decyduje o jakości układu regulacji i niezawodności napędu!! 15

16 BUDOWA UKŁADU NAPĘDOWEGO OBWÓD SILNOPRĄDOWY I STEROWANIE PLC sterowanie nadrzędne sieć zasilająca (ŹRÓDŁO ENERGII) Układ identyfikacji i sterowania napędem (DSP) Wyłącznik zasilacz St er o w a ni e zasilacz zasilacz w, T d przekształtnik energoelektroniczny elektryczna robocza 16 Podaj typową budowę układu napędowego i opisz funkcje podstawowych bloków

17 zasilacz zasilacz zasilacz Zasilacz powinien mieć bardzo niską indukcyjność własną i dostarczać energii elektrycznej w obwodzie o bardzo małej indukcyjności np. sterowanie bramką tranzystora, zasilanie czujnika go itp.. Zasilanie nowoczesnych układów przełączających 0,7V/150A?? Jakie cechy powinien mieć zasilacz procesora i czujnika go? 17

18 zasilacz napięcia drivera sterowania bramki 18

19 BUDOWA UKŁADU NAPĘDOWEGO OBWÓD SILNOPRĄDOWY I STEROWANIE PLC sterowanie nadrzędne sieć zasilająca (ŹRÓDŁO ENERGII) DSP - układ identyfikacji i sterowania napędem Wyłącznik St er zasilacz o zasilacz w a DSP (Digital Signal Processor) ni + program (język C) e Układ identyfikacji i sterowania czyli układ regulacji = PLC Programmable Logic Controller zasilacz przekształtnik energoelektroniczny elektryczna w, T d robocza 19

20 sterowanie nadrzędne 20

21 BUDOWA UKŁADU NAPĘDOWEGO OBWÓD SILNOPRĄDOWY I STEROWANIE informatyka przemysłowa zewn. PLC sterowanie nadrzędne sieć zasilająca (źródło energii) DSP - układ identyfikacji i sterowania napędem Wyłącznik zasilacz St er o w a ni e zasilacz zasilacz przekształtnik energoelektroniczny elektryczna robocza 21 Podaj typową budowę układu napędowego i opisz funkcje podstawowych bloków (rysujemy)

22 NAPĘD ELEKTRYCZNY właściwe sterowanie? Czujniki i równania w procesorze DSP (Digital Signal Processor) AC 400V Układ regulacji w napędzie AC - schemat sterowania silnika indukcyjnego (układ sterowania nie obowiązuje do egzaminu) natomiast obowiązuje część silnoprądowa Prostownik- Falownik Obwód pośredni DC Falownik - Prostownik AC M Zadany moment elektromagnetyczny Komparator Momentu Komparator strumienia Sterowanie tranzystorami OPTIMUM PULSE SELECTOR DSP & ALTERA FPGA Prędkość zadana Regulator Momentu Prędkość rzeczywista Moment rzeczywis ty Strumień zadany Zadajnik strumienia Włączenie zadajnika strumienia Położenie wektora napięcia Napięcie DC Strumień rzeczywisty Model matematyczny silnika 22

23 Dodatkowe komentarze do układu napędowego Napędy robotów 23

24 UKŁAD NAPĘDOWY - koszty - przychody sieć zasilająca (ŹRÓDŁO ENERGII) Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne P zas,q zas (u s, i s, t, T L, w m ) W cz, W b (u s, i s, t, T L, w m ) ZAPEWNIENIE POTRZEB Maszyna robocza przynosi przychody i ma największe zużycie energii!! MASZYNY ROBOCZEJ T L, w m przekształtnik energoelektroniczny elektryczna T L, w robocza 24

25 UKŁAD NAPĘDOWY - koszty - sterowanie sieć zasilająca (ŹRÓDŁO ENERGII) Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne P zas,q zas (u s, i s, t, T L, w m ) W cz, W b (u s, i s, t, T L, w m ) ZAPEWNIENIE POTRZEB Maszyna robocza przynosi przychody tylko jeśli jest odpowiednio sterowana!! MASZYNY ROBOCZEJ T L, w m przekształtnik energoelektroniczny U m,i m elektryczna T L, w robocza 25

26 Suwnica kontenerowa w Gdyni, 55Ton, moc napędu 800kW ze zwrotem energii do sieci Maj NiS 26

27 UKŁAD NAPĘDOWY OBWÓD SILNOPRĄDOWY - koszty sieć zasilająca (ŹRÓDŁO ENERGII) P zas,q zas (u s, i s, t, T L, w m ) W cz, W b (u s, i s, t, T L, w m ) Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne Czy wszystkie elementy napędu gwarantują zwrot energii hamowania? ZAPEWNIENIE POTRZEB MASZYNY ROBOCZEJ T L, w m oraz hamowanie ze zwrotem energii przekształtnik energoelektroniczny elektryczna T L, w robocza 27

28 UKŁAD NAPĘDOWY OBWÓD SILNOPRĄDOWY koszty mocy i energii sieć zasilająca (ŹRÓDŁO ENERGII) Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne P zas,q zas (u s, i s, t, T L, w m ) W cz, W b (u s, i s, t, T L, w m ) konstrukcja oraz sterowanie zapewniające minimalizację strat w podzespołach przekształtnik energoelektroniczny elektryczna T L, w robocza 28

29 Układ napędowy sieć zasilająca (ŹRÓDŁO ENERGII) investment and running costs P zas,q zas (u s, i s, t, T L, w m ) W cz, W b (u s, i s, t, T L, w m ) Konstrukcja niska moc szczytowa pobierana ze źródła T L, w przekształtnik silnik Maszyna robocza Zasobnik energii 29

30 UKŁAD NAPĘDOWY OBWÓD SILNOPRĄDOWY - koszty sieć zasilająca (ŹRÓDŁO ENERGII) Za co płacimy: Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne przekształtnik energoelektroniczny za moc zamówioną za zużytą energię za moc szczytową za przekroczoną moc za.?. Harmoniczne????? P zas,q zas (u s, i s, t, T L, w m ) W cz, W b (u s, i s, t, T L, w m ) elektryczna Koszty eksploatacyjne w postaci opłat za energię powinny być wyznaczone podczas projektowania układu napędowego T L, w robocza 30

31 Układ napędowy Sieć zasilająca - źródło Wpływ napięcia zasilania??? investment and running costs Napięcie fazowe Prąd fazowy T L, w przekształtnik silnik Maszyna robocza 31

32 napięcie fazowe napięcie przewodowe Napięcie fazowe i przewodowe przykład odkształceń napięcia sieci efekt obciążenia nieliniowego 32

33 UKŁAD NAPĘDOWY informatyka przemysłowa zewn. PLC sterowanie nadrzędne sieć zasilająca (źródło energii) DSP - układ identyfikacji i sterowania napędem zasilacz St er o w a ni e zasilacz zasilacz przekształtnik energoelektroniczny elektryczna robocza Podaj typową budowę ( architekturę ) układu napędowego i opisz funkcje podstawowych bloków (rysujemy) 33

34 Wiele napędów jak je dobrać? Jakie są możliwości współczesnych napędów? 34

35 PRZEKSZTAŁTNIK-REGULATOR jest wyposażony w szereg wejść i wyjść sterowniczych oraz w zabezpieczenia. Przykłady typowych wejść i wyjść sterowniczych: 2 wejścia analogowe: Sygnał napięciowy Sygnał prądowy Wartość zadana z potencjometru Wybieralny sygnał: prądowy lub napięciowy 0 (2) do 10 V, Rwej. > 312 kω 0 (4) do 20 ma, Rwej. = 100 Ω 10 V ±2% maks. 10 ma, R < 10 kω 2 wyjścia analogowe Wewnętrzne napięcie pomocnicze 0 (4) do 20 ma, obciążenie < 500 Ω 24 V DC ±10%, maks. 250 ma System zintegrowany Pompa, silnik, przekształtnik, regulatory 35

36 Ogólne przykłady typowych wejść i wyjść sterowniczych w układach zintegrowanych: Wejścia cyfrowe 6 wejść cyfrowych 12 do 24 V DC z wewnętrznym lub zewnętrznym zasilaniem 3 wyjścia przekaźnikowe Maksymalne napięcie przełączania: 250 V AC / 30 V DC Maksymalny ciągły prąd: 2 A wartości skutecznej PTC oraz PT 100 Każde z 6 wejść cyfrowych lub wejścia analogowe mogą być skonfigurowane do współpracy z PTC (Polska Telefonia Cyfrowa). Obydwa wyjścia analogowe mogą być użyte do zasilania czujnika PT

37 cd Komunikacja: Standardowe protokoły (RS 485): BACnet MS/TP, Modbus RTU, N2 oraz FLN Dostępne opcjonalne moduły komunikacji: BACnet/IP router, LonWorks, Ethernet itp. Dostępny jako zewnętrzna opcja: moduł do zdalnego dostępu i diagnostyki. Funkcje zabezpieczeń: Kontroler przepięcia Kontroler zaniku napięcia Nadzór prądu upływu Zabezpieczenie przed zwarciem w silniku Nadzór okablowania wejściowego i wyjściowego Zabezpieczenie przed przetężeniem Wykrycie utraty fazy (silnika i zasilania) Nadzór nad utratą obciążenia - może być wykorzystane np. do wykrycia zerwania paska klinowego Nadzór nad przeciążeniem Ochrona przed utykiem 37

38 Przykład napędu trójfazowego małej mocy zasilanie jednofazowe PN PN znamionowy maksymalny wejściowy Kod typu Rozmiar H1 H2 W D Masa kw KM A A A obudowy mm mm mm mm kg Wbudowany filtr EMC, 1-fazowe napięcie zasilania 200/240 V, +10/-15%, 3-fazowe napięcie wyjściowe 200/240 V 0.18kW In=1.4A Imax=2.1A Iwe=4.4A Typ ACS55-01E-01A4-2 A H1=170mm, H2=146.5mm, W=45mm, D=128mm M=0.65kg 38

39 Automatyczny odkurzacz samojezdny przykład nowoczesnego napędu - gdy akumulator jest wyczerpany sam loguje się do ładowania 39

40 STEROWANIE STEROWANIE PRZYSZŁOŚCIOWY UKŁAD WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ PLC STEROWANIE NADRZĘDNE SIEĆ ENERGETYCZNA ODBIORNIKI CZUJNIKI POMIAROWE DSP - UKŁAD IDENTYFIKACJI OBCIĄŻENIA I STEROWANIA ZASILACZ ZASILACZ CZUJNIKI POMIAROWE CZUJNIKI POMIAROWE CZUJNIKI POMIAROWE PRZEKSZTAŁTNIK ENERGOELEKTRONICZNY AC/AC GENERATOR MASZYNA NAPĘDZAJĄCA 40

41 Zintegrowany układ wytwarzania energii elektrycznej o regulowanej prędkości generatora i standardowym sinusoidalnym napięciu wyjściowym 230/400 V AC, 40kW napęd silnikiem spalinowym Cummins Generator Technologies Engine Generator Conv erter Oszczędność paliwa ponad 25% 41

42 Stanowisko badawcze wytwarzania energii elektrycznej z generatorem o regulowanej prędkości - Laboratorium w Stamford (UK) 42

43 Automatyka napędu - zastosowanie serwomechanizmów - bardzo dokładna regulacja położenia 43