Elektros pavaros yra elektromechaninės sistemos, kurios paverčia elektros energiją mechaniniu judesiu, reikalingu darbo mašinų įtaisams, atliekantiems vykdomąsias operacijas. Ši technologija yra neatsiejama šiuolaikinės pramonės dalis, kurioje vis dažniau taikomos automatizuotos elektros pavaros. Elektros energijos pavertimas mechanine ir atvirkščiai yra pagrindinė elektros pavarų savybė, dėl kurios jos plačiai taikomos įvairiose gamybos srityse.
Elektros pavarų esmė ir sandara
Elektros pavaras sudaro elektromechaniniai ir kibernetiniai įtaisai, suteikiantys tam tikrus darbo judesius technologiniams mechanizmams. Tobulinant automatines elektros pavaras, intensyviai diegiami naujausi mokslo ir technikos laimėjimai. Naujų modelių elektros pavarų automatinio valdymo sistemos įgalina supaprastinti technologinius mechanizmus, pagerinti jų konstrukciją, atsisakyti daug metalo suvartojančių, neekonomiškų ir triukšmingų judesį perduodančių mechaninių grandžių, pailginti vykdymo įtaisų eksploatacijos trukmę, pagerinti gamybos įrenginių operatorių darbo sąlygas.
Pagrindinės elektros pavaros dalys
Bet kuri elektros pavara susideda iš keleto pagrindinių ir privalomų dalių:
- Elektros variklis: Tai pagrindinis komponentas, kuris paverčia elektros energiją mechanine energija. Elektros variklis energiją ima iš pavaros akumuliatorių baterijų. Srovė naudojamo elektros variklio rotoriuje ir statoriuje sukuria magnetinius laukus, kurie vienas kitą stumia ir suka rotorių.
- Perdavimo įtaisas: Dėl galimo rezonanso šis įtaisas palaiko nevienodus variklio rotoriaus ir darbo įtaiso sūkių dažnius. Jos gali padidinti arba sumažinti greitį, pakeisti judėjimo pobūdį, pavyzdžiui, sukamąjį judesį pakeisti slenkamuoju.
- Valdymo įtaisas: Skirtas elektros varikliui valdyti.
- Keitikliai: Elektros energijos keitikliai keičia šios energijos parametrus, tokius kaip įtampa ir dažnis. Paprasčiausias galios keitiklis - tai kontaktorius, prijungiantis variklį prie tinklo arba jį išjungiantis. Kintamosios srovės reguliuojamose pavarose asinchroninio arba sinchroninio variklio maitinimo įtampas perduoda statiniai kintamosios srovės dažnio ir amplitudės keitikliai. Žingsninių elektros variklių galios keitikliams taikomi daugelio fazių galios komutatoriai.
Informacinė ir energetinė elektros pavarų dalis
Automatinėse elektros pavarose galima pastebėti dvi glaudžiai susijusias dalis - energetinę ir informacinę.
Energetinė dalis
Energetinę dalį sudaro galios keitiklis, variklis ir mechaninė grandis. Ši dalis skirta elektros energijai paversti mechanine ir ją perduoti mechanizmui. Energetinėje automatinių pavarų dalyje vyksta sudėtingi elektromechaniniai procesai. Dėl riboto inertiškų mechaninių grandžių standumo, jų „spyruokliavimo“ mechaninėse grandyse atsiranda virpesiai, kurie per variklių inkarus perduodami į variklių ir galios keitiklių elektrines grandines. Mechanizmo darbo judesius apibūdina mechaniniai kintamieji - sukimo momentas, greitis, pagreitis, mazgų tarpusavio padėtis, mechaninių grandžių įražos. Juos tenka stabilizuoti (apriboti) arba keisti pagal nustatytą dėsnį tam tikru tikslumu.
Informacinė dalis
Informacinę automatinės pavaros dalį sudaro mechanizmo ir pavaros kintamųjų jutikliai, informacijos apdorojimo įtaisas ir energetinės pavaros dalies valdymo signalų bei komandų formavimo įtaisai. Informacijos apdorojimo įtaise mechanizmo ir pavaros kintamieji palyginami su jų pageidaujamomis ir ribinėmis reikšmėmis. Patikimai reguliuojančiose automatinėse pavarose tam tikslui naudojami įtaisai, sudaryti iš integruotųjų schemų, mikroprocesorių, atmintinių ir periferinės įrangos. Informaciniai valdymo procesai susieja informacinę ir energetinę pavaros dalis į vieningą elektros pavaros automatinio valdymo sistemą.
Kai šios pavaros įjungiamos į bendrą technologijos valdymo sistemą, prie variklio veleno pastatomi atitinkami davikliai su signalų keitikliais ir vadinama praplėtimo įranga (Expansion Boards). Pirmajai šios įrangos praplėtimo grupei priklauso davikliai, o antrajai grupei priklauso signalų, ateinančių iš daviklių pakeitimui tam, kad būtų galima daviklių signalus priimti ar perduoti kitoms technologinio proceso valdymo sistemoms.
Pažangios elektros pavarų valdymo sistemos
Šiuolaikinių valdymo sistemų charakteringas skirtumo požymis nuo paprastų valdymo sistemų yra tas, kad jose nenaudojami išoriniai grįžtamieji ryšiai, pvz., nereikia prie variklio statyti greičio, srovės, magnetinio srauto, padėties daviklių. Jų matuojamus parametrus valdymo sistema tiksliai nustato apskaičiuodama pagal modelį, tik reikia į valdymo sistemos atmintį įrašyti variklio ar valdomo objekto tikslius parametrus bei elementų reikšmes, todėl jos vadinamos skaitmeninio valdymo elektros pavaromis (Math Performance Drive). BALTADOR firmos išleidžiamos elektros pavaros yra geras pavyzdys, demonstruojantis pažangių sistemų galimybes. Reikia pastebėti, kad ir kitų firmų išleidžiamos elektros pavaros beveik niekuo, net ir išvaizda ar parametrų užprogramavimo algoritmu, nesiskiria nuo kitų firmų elektros pavarų.
Šios pavaros turi labai platų pritaikymą, tame tarpe tinka ir liftams. Žinoma, kad visoms elektros pavaroms darbo režimo nustatymai yra tie patys, nepriklausomai, kuri firma pavara pagamino. Šios pavaros sėkmingai pakeičia relinio kontaktorinio valdymo elektros pavaras ir visas senesnes automatinio pavarų valdymo sistemas.
Šiuolaikinės sistemos, tokios kaip PLC (Programuojamas Loginis Valdiklis), dažnai vadinamos elektros pavaros greičio reguliatoriais arba tiesiog pavaros reguliatoriais (Control). Sinusinės formos variklio valdymo įtampai sudaryti panaudojama impulsinė amplitudinė (PAM) ir impulsinė platininė (PWM) moduliacijos. IGBT, BiPolar (Darlingtono schema) KS pavaroms. Naujos pavaros paprastai yra valdomos mikroprocesoriaus (mikrovaldiklio), gebančio ne tik įvykdyti sudėtingus algoritmus, bet ir kaupti sistemos būsenų informaciją (mokytis).
Elektros pavarų klasifikacija
Elektros pavaros gali būti klasifikuojamos pagal kelis kriterijus:
Pagal variklių skaičių ir paskirtį
- Grupinė pavara: Viena elektros pavara valdo keletą vienos mašinos ar keleto mašinų darbo įtaisų (ši klasifikacija šiuo metu nebenaudojama).
- Individualioji pavara: Viena elektros pavara suteikia judesį tik vienam mašinos darbo įtaisui. Variklis ir darbo mašina sudaro vientisą konstrukciją.
- Daugiavariklinė pavara: Vieną darbinį įrenginį sudarantys atskiri mechanizmai varomi atskirais varikliais. Šių pavarų perdavimo sistemos yra paprastesnės, o valdymo sistemos - sudėtingesnės, joms valdyti naudojami mikroprocesoriai arba kompiuteriai.
Pagal naudojamą variklį
- Nuolatinės elektros srovės pavara.
- Asinchroninė pavara.
- Sinchroninė pavara.
Pagal keitiklį
- Tranzistorinė pavara.
- Tiristorinė pavara.
Pagal automatinio valdymo įtaisą
- Automatizuota pavara.
- Programinio valdymo pavara.
Pagal perdavimo įtaisą
- Elektros pavara su reduktoriumi.
- Elektros pavara be reduktoriaus.
Visos elektros pavaros pagal srovę skirstomos į nuolatinės arba kintamosios srovės elektros pavaras, pagal judesio pobūdį - vienos krypties sukamojo, reversinio sukamojo, reversinio slenkamojo judesio.
Tiesiaeigės elektros pavaros
Tiesiaeigės elektros pavaros yra ypatinga elektros pavarų kategorija, kurios pagrindinis principas yra tiesioginis judesio generavimas be papildomų mechaninių perdavimų, tokių kaip reduktoriai ar alkūniniai mechanizmai. Šiose pavarose dažniausiai naudojami tiesiaeigiai asinchroniniai varikliai (TAV), kurių veikimo principas ir taikymo sritys yra plačiai nagrinėjamos moksliniuose darbuose.
Tiesiaeigių asinchroninių variklių tyrimai apima jų magnetinio lauko imitaciją, srovių ir jėgų tyrimus, taip pat įvairius valdymo būdus. Pavyzdžiui, vienas iš valdymo būdų yra vieno iš induktorių maitinimo įtampos fazės keitimas kito induktoriaus maitinimo įtampos fazės atžvilgiu.
Tiesiaeigių pavarų taikymo sritys yra labai plačios: jos naudojamos iešmo pavarose, stūmiklio pavarose, sklendžių valdyme ir kitose pramoninėse bei technologinėse sistemose, kur reikalingas tikslus ir efektyvus tiesiaeigis judesys.
Elektros pavarų galia ir pritaikymas
Elektros pavarų galia gali svyruoti nuo vato dalių iki kelių dešimčių megavatų, priklausomai nuo konkretaus pritaikymo. Pramonėje elektros pavaros sudaro stambiausią elektros energijos vartotojų grupę, todėl nepaprastai svarbu racionaliai parinkti pavaros tipą, jos valdymo sistemos struktūrą bei elementus, kad būtų kuo geriau ir su mažiausiais energijos nuostoliais patenkintos technologinio mechanizmo ar proceso reikmės.
Pavyzdžiai
- Dažniausiai elektros pavarose naudojami asinchroniniai elektros varikliai, kuriais varomi siurbliai, kompresoriai ir ventiliatoriai pramonės bei žemės ūkio įmonėse.
- Sinchroniniai elektros varikliai naudojami pavarose, perduodančiose judesį 200-300 kW galios siurbliams ir kompresoriams.
- Kėlimo ir traukos mechanizmuose, be asinchroninių elektros variklių, taip pat naudojami nuolatinės srovės nuoseklaus ir mišraus žadinimo varikliai.
- Metalo apdirbimo staklių, tekstilės ir siuvimo prietaisų elektros pavarose naudojami lygiagrečiojo žadinimo nuolatinės srovės varikliai.
Norint sumažinti aktyviuosius nuostolius laiduose ir tekančios srovės stiprumą, elektros variklis maitinamas kiek galima aukštesne įtampa (maždaug iki 550 V). Stabdymo metu jis veikia kaip generatorius, o pagamintą elektros energiją atiduoda akumuliatorių baterijoms. Valdymą atlieka elektroninė valdymo sistema, kuri perjungia iš variklio režimo į generatoriaus režimą. Automobilių pavarai gerai tinka elektros varikliai, nes jų yra geros galios ir sukimo momento charakteristikos.
Elektros pavarų pasirinkimas ir valdymas
Prieš naudodami elektrinę pavarą, pirmiausia turite susipažinti su jos veikimo principu. Automatizuotoms elektros pavaroms valdyti pakanka paprasčiausių žmogaus - operatoriaus komandų: įjungti įtaiso pavarą, nustatyti reikiamą režimą ar programą, išjungti pavarą.
Valdymo režimai
Elektrinių pavarų valdymo režimai paprastai skirstomi į dvi kategorijas: perjungimo tipo (atvirosios grandinės valdymas) ir reguliavimo tipo (uždarosios grandinės valdymas).
Perjungimo tipas (atviros kilpos valdymas)
Įjungimo-išjungimo elektrinės pavaros paprastai atidaro arba uždaro vožtuvus, kurie yra arba visiškai atidaryti, arba visiškai uždaryti, ir joms nereikia tikslaus terpės srauto valdymo. Jos gali būti:
- Padalinta konstrukcija (paprastai vadinama įprastu tipu): valdymo blokas yra atskirtas nuo elektrinės pavaros, todėl valdymui reikia pridėti išorinį valdymo bloką. Šios konstrukcijos trūkumas yra tas, kad ji nėra patogi visai sistemai montuoti, padidina laidų ir montavimo išlaidas, yra linkusi į gedimus, nėra patogi diagnozuoti ir prižiūrėti gedimo atveju, o sąnaudų ir efektyvumo santykis nėra idealus.
- Integruota struktūra (paprastai vadinama integraliniu tipu): valdymo blokas ir elektrinė pavara yra supakuoti į vieną visumą ir gali būti valdomi vietoje be išorinio valdymo bloko, taip pat nuotoliniu būdu, tiesiog pateikiant atitinkamą valdymo informaciją. Šios struktūros privalumai yra patogumas diegiant visą sistemą, sumažinamos laidų ir montavimo išlaidos, lengva diagnozuoti ir šalinti triktis.
Reguliavimo tipas (uždaros kilpos valdymas)
Reguliuojanti elektrinė pavara ne tik atlieka integruotos struktūros perjungimo funkciją, bet ir gali tiksliai valdyti vožtuvą, kad būtų galima tiksliai reguliuoti terpę.
- Valdymo signalo tipas: Reguliuojamos elektrinės pavaros valdymo signalas paprastai turi srovės signalą (4-20 mA, 0-10 mA) arba įtampos signalą (0-5 V, 1-5 V).
- Veikimo forma: Gali būti elektrinio atidarymo arba elektrinio uždarymo tipo.
- Signalo apsaugos praradimas: Numatoma, kaip pavara elgsis praradus valdymo signalą.
Pavaros tipo nustatymas pagal vožtuvą
Elektrinės pavaros parenkamos atsižvelgiant į vožtuvo tipą:
- Kampinis elektrinis pavaros mechanizmas: Išėjimo veleno sukimasis yra mažesnis nei 360 laipsnių (dažniausiai 90 laipsnių), skirtas drugelio, rutuliniams, kištukiniams vožtuvams.
- Daugiafunkcinė elektrinė pavara: Išėjimo veleno sukimosi kampas yra didesnis nei 360 laipsnių, tinka įleidimo sklendėms.
- Linijinis smūgis (tiesinis judėjimas): Išėjimo veleno judėjimas yra tiesinis, tinka vienos ir dvigubos sėdynės valdymo vožtuvams.
Elektriniai parametrai ir sukimo momentas
Projektuojant ir renkantis pavaras, reikia nustatyti jų elektrinius parametrus (variklio galią, vardinę srovę, valdymo kilpos įtampą). Taip pat svarbu parinkti tinkamą elektrinės pavaros išėjimo sukimo momentą, atsižvelgiant į vožtuvo atidarymui ir uždarymui reikalingą sukimo momentą.
Apsaugos lygis
Apsaugos lygis (IP kodas) nurodo elektrinės pavaros korpuso atsparumą pašaliniams objektams ir vandeniui. Vietose, kur sprogios dujos, garai, skysčiai, degios dulkės gali sukelti gaisro ar sprogimo pavojų, būtina nustatyti sprogimui atsparius reikalavimus ir pasirinkti atitinkamas pavaras pagal „Sprogimui atspari elektros įranga sprogioms atmosferoms“ (GB3836-2000) standartą.
Kompiuterinių sistemų vaidmuo
Atliekant valdymo sistemos statinių ir dinaminių savybių analizę ar sintezę bei projektuojant valdymo sistemas pagal pageidaujamas gauti automatines pavaros funkcijas bei jų kokybės kriterijus, taikomi elektros pavarų ir valdymo teorijos principai ir metodai. Norint atlikti elektromechaninės sistemos savybių analizę ar sintezę bei sparčiai suprojektuoti optimalių charakteristikų valdymo sistemą, būtina naudotis kompiuterine darbo stotimi (workstation) su įdiegta specializuota tyrimo, modeliavimo ir projektavimo programine įranga.
Sudėtingų sistemų fizinių savybių ir jų statinių ir dinaminių charakteristikų analizė ir sintezė, pavyzdžiui, automatizuotųjų elektros pavarų variklių parinkimas, jutikliais ir valdikliais aprūpintų automatinio valdymo sistemų veikimo algoritmų nustatymas bei elektroninių ir mechaninių komponentų projektavimas yra labai sunkus uždavinys.
Kompiuterių mokslas ir kompiuterių sistemų taikymai yra viena iš mechatronikos sistemų projektų sudėtinių dalių, turinti glaudžias sąsajas su elektromechanika ir automatinio valdymo teorija. Tai reiškia, kad tradicinėmis tyrimo ir projektavimo priemonėmis šiuolaikiniame e-verslo pasaulyje laiku atnaujinti sprendimus ir užtikrinti aukštą projektų kokybę nepavyks. Todėl kuriamos programinės įrangos aplikacijos, naujos originalios programos, diegiami kompiuterių tinklai ir juose funkcionuojančios grupinio darbo (teledarbo) sistemos, pažangūs modeliavimo metodai, tarkime, neraiškiosios logikos aplikacijos.
Precizinės mechanizmų pavaros gali būti projektuojamos įprastu būdu arba naudojant neraiškiosios logikos metodus ir genetinius algoritmus. Naujos lęšių sistemos turi nepriklausomą vaizdo mastelio keitimą bei fokusavimą, jose nėra sudėtingų reduktorių fokusavimo išlaikymui visoje mastelių zonoje. Dabar tai daroma dviem nepriklausomais mikrovarikliais, kurie yra valdomi neraiškiosios logikos metodais, naudojant atskirą mikroprocesorių (LENS U-COM).
Supaprastinti kompleksinių sistemų, tokių kaip automatizuoti mechanizmai ir mašinos, kūrimą galima, naudojant kompiuterines matematinio ir fizinio modeliavimo sistemas bei automatizuotojo projektavimo sistemas, kuriose, be pagrindinės projektavimo funkcijos, gali būti integruota fizinio modeliavimo arba virtualaus bandomojo pavyzdžio gamybos funkcija.
tags: #elektros #pavaru #valdymo #sistemos