Un accionamiento eléctrico (abreviado como accionamiento eléctrico, EP) es un sistema electromecánico controlado diseñado para convertir energía eléctrica en energía mecánica y viceversa y controlar este proceso.
Un accionamiento eléctrico moderno es una combinación de muchas máquinas eléctricas, dispositivos y sus sistemas de control. Es el principal consumidor de energía eléctrica (hasta un 60%) [1] y la principal fuente de energía mecánica en la industria.
En GOST R 50369-92, un accionamiento eléctrico se define como un sistema electromecánico que consta de convertidores de potencia , convertidores electromecánicos y mecánicos, dispositivos de control e información y dispositivos de interfaz con sistemas eléctricos, mecánicos, de control e información externos, diseñado para poner en marcha el órganos ejecutivos de una máquina en funcionamiento y control de este movimiento para implementar el proceso tecnológico [2] .
Como puede verse en la definición, el órgano ejecutivo no está incluido en la unidad. Sin embargo, los autores de libros de texto autorizados [1] [3] incluyen el órgano ejecutivo en el accionamiento eléctrico. Esta contradicción se explica por el hecho de que al diseñar un accionamiento eléctrico, es necesario tener en cuenta la magnitud y la naturaleza del cambio en la carga mecánica en el eje del motor, que están determinados por los parámetros del órgano ejecutivo. Si es imposible implementar un accionamiento directo, el motor eléctrico pone en movimiento el órgano ejecutivo a través de una transmisión cinemática. La eficiencia , la relación de transmisión y las pulsaciones introducidas por la transmisión cinemática también se tienen en cuenta al diseñar un accionamiento eléctrico.
Elementos funcionales:
Partes funcionales:
Las características estáticas suelen entenderse como características electromecánicas y mecánicas.
Características mecánicasLa característica mecánica es la dependencia de la velocidad angular de rotación del eje del momento electromagnético M (o del momento de resistencia Mc ). Las características mecánicas son una herramienta muy conveniente y útil en el análisis de los modos estático y dinámico del accionamiento eléctrico. [una]
Características electromecánicas del motorLa característica electromecánica es la dependencia de la velocidad angular de rotación del eje ω en la corriente I.
La característica dinámica del accionamiento eléctrico es la relación entre los valores instantáneos de las dos coordenadas del accionamiento eléctrico para el mismo instante de tiempo del modo de funcionamiento transitorio.
Por el número y conexión de los órganos ejecutivos, de trabajo:
Por tipo de control y tarea de control:
Según la naturaleza del movimiento:
Por la presencia y naturaleza del dispositivo de transmisión:
Por tipo de corriente:
Por orden de importancia de las operaciones realizadas:
Los accionamientos eléctricos automatizados se dividen en dos subgrupos más: abiertos y cerrados. El funcionamiento de un accionamiento abierto consiste en que todas las perturbaciones externas (para los accionamientos eléctricos, la más característica de ellas es el momento de carga) afectan a la variable de salida del accionamiento eléctrico, por ejemplo, su velocidad. En otras palabras, un accionamiento eléctrico de bucle abierto no está aislado de la influencia de perturbaciones externas, cuyos cambios se reflejan en su rendimiento. En un variador en lazo abierto, por esta razón, no se puede asegurar un alto nivel de calidad de control variable, aunque este variador se caracteriza por un circuito simple.
La principal diferencia entre los accionamientos eléctricos cerrados es su eliminación general o local de los efectos de perturbaciones externas en la variable controlada del accionamiento eléctrico. Un ejemplo es el hecho de que la velocidad de dichos accionamientos eléctricos puede permanecer prácticamente sin cambios con posibles fluctuaciones en el par de carga. Debido a esta circunstancia, un accionamiento cerrado proporciona un mejor control del movimiento de los órganos ejecutivos, aunque sus circuitos son más complejos y suelen requerir el uso de convertidores de energía eléctrica.
Accionamiento eléctrico de circuito cerradoSe puede construir un accionamiento eléctrico de circuito cerrado de acuerdo con los principios de deflexión utilizando retroalimentación o compensación de perturbaciones externas.
Podemos considerar el principio de compensación usando el ejemplo de compensación para la perturbación externa más pronunciada del accionamiento eléctrico: el momento de carga M c al ajustar su velocidad (Fig. a) se da una señal U M = k M M Q , proporcional al momento de carga M s . Como resultado, el EA está controlado por una señal de error total, que cambia automáticamente en la dirección correcta con las fluctuaciones en el par de carga, asegurando que la velocidad del EA se mantenga en un nivel dado usando el sistema de control.
A pesar de su alta eficiencia, los accionamientos eléctricos según este esquema son extremadamente raros debido a la falta de sensores simples y confiables del momento de carga M c (influencia perturbadora).En relación con este hecho, la gran mayoría de las estructuras cerradas de accionamientos eléctricos utilizan el principio de retroalimentación (desviación). Se caracteriza por tener un circuito de realimentación que conecta la salida de un accionamiento eléctrico con su entrada, de ahí el nombre de circuitos cerrados.
Todos los tipos de retroalimentaciones utilizados en accionamientos eléctricos cerrados se dividen en positivos y negativos, rígidos y flexibles, lineales y no lineales.
La retroalimentación se llama positiva, en la que la señal se dirige de acuerdo con la señal de control y se suma a ella, mientras que la señal de conexión negativa se dirige en la dirección opuesta (signo menos en la Fig. b). La retroalimentación rígida se caracteriza por el hecho de que esta la conexión actúa como en estado estable, y en el régimen transitorio de la tracción eléctrica. La señal de realimentación flexible se produce únicamente en los modos transitorios del accionamiento eléctrico y se utiliza para asegurar la calidad requerida por el mismo, como ejemplo de estabilidad de movimiento, sobreimpulso aceptable, etc.
La retroalimentación lineal se caracteriza por su relación proporcional entre la coordenada controlada y la señal de retroalimentación, mientras que en la retroalimentación no lineal esta relación no será proporcional.
Para controlar el movimiento de los actuadores de las máquinas operadas, a veces es necesario cambiar varias variables del accionamiento eléctrico, por ejemplo, corriente, par y velocidad. En este caso, las unidades cerradas se crean de acuerdo con uno de los siguientes diagramas de bloques.
Accionamiento eléctrico con amplificador comúnEl circuito con un amplificador común se muestra en la figura de la derecha como ejemplo, este circuito es un circuito de control para dos variables del motor, donde D es la velocidad actual I. El circuito contiene un convertidor de potencia de electricidad P, un dispositivo de control CU, una transmisión mecánica MP y sensores de corriente DT, velocidad DS y dispositivo limitador de corriente (corte de corriente) UTO. Este circuito proporciona un buen rendimiento del motor. En el intervalo de velocidad 0 - С Oj , debido a la acción de la retroalimentación de corriente (señal U), la corriente y el par del motor están limitados, y la característica tiene una sección cercana a la vertical. A la velocidad Co > 0 0j , el nodo UTO termina la conexión actual y debido a la presencia de retroalimentación de velocidad (OSS) (señal U OSS ), la característica del motor se vuelve más rígida, lo que asegura el control de la velocidad.
Un conjunto de retroalimentaciones, cuyo número puede ser de dos o más, en un circuito con un solo amplificador forma una especie de controlador modal, y las variables se denominan variables de estado del variador. Se puede considerar que la tarea principal de un controlador modal es proporcionar una determinada calidad de procesos dinámicos en un accionamiento eléctrico: velocidad, estabilidad y grado de atenuación de los transitorios. Esto se logra mediante la elección de las especies y el correspondiente estudio de los coeficientes de retroalimentación sobre las variables del accionamiento eléctrico. Cabe señalar que el sistema de amplificador sumador pertenece a los sistemas de control con la llamada corrección paralela.
Accionamiento eléctrico con dispositivo de controlEn sistemas complejos de accionamientos eléctricos que, en casos particulares, tienen cadenas cinemáticas ramificadas con elementos elásticos, el conjunto de variables controladas puede ser muy elevado. Con este hecho, la medición de algunos de ellos tiene algunas dificultades por una u otra razón. En tales casos recurrir al uso de los llamados dispositivos de observación (observadores).
La parte principal del observador está formada por conjuntos de modelos de enlaces de accionamiento eléctrico hechos sobre la base de amplificadores operacionales o elementos de tecnología de microprocesador. Las señales de salida (voltajes) de estos modelos, cuyos parámetros corresponden a las partes de la vida real del accionamiento eléctrico, muestran valores cercanos de las variables.
La operación con el uso de un observador utilizando el ejemplo de regulación del ángulo de rotación del eje del motor se explica mediante el diagrama de bloques en la Figura 6, en el que se aceptan las siguientes designaciones: D - motor, P - convertidor, CU - dispositivo de control , MP - transmisión mecánica, NU - dispositivo de observación.
El accionamiento eléctrico se utiliza para controlar la posición del órgano ejecutivo φ io . Esto se logra mediante la regulación adecuada del ángulo de rotación φ del eje del motor, en el que también es necesario regular otras variables: corriente I, par M y velocidad del motor.
Para aplicar el principio de control considerado, la señal para ajustar el ángulo de rotación fz se alimenta al dispositivo de control CU y simultáneamente a la entrada del dispositivo de monitoreo NU. Usando los modelos de los enlaces de transmisión, el dispositivo de monitoreo NL genera señales proporcionales a la corriente, el par y la velocidad, y las envía al dispositivo de control de la CU.
También se debe tener en cuenta que los modelos de enlace no pueden tener en cuenta todas las perturbaciones reales que afectan el accionamiento eléctrico y la máquina eléctrica, y la inestabilidad de los parámetros EA, las salidas NU al dispositivo de control no las expresiones exactas de las variables , pero sus estimaciones, que se indican en el diagrama con un asterisco "*".
Accionamiento eléctrico con sistema de coordenadas esclavoPara aumentar la precisión de las estimaciones resultantes de las variables de estado, se puede aplicar una retroalimentación correctiva sobre la variable controlada, que se muestra arriba con una línea discontinua. En este caso, el valor de la variable controlada de salida φ se compara mediante retroalimentación con su estimación φ*, y solo entonces, en la función de error (desviación revelada) Δφ, se corrigen las lecturas de los modelos individuales.
La estructura con control subordinado de coordenadas se diferencia en que en esta estructura la regulación de cada coordenada individual se lleva a cabo mediante controladores separados: corriente RT y velocidad PC, que a su vez, junto con las retroalimentaciones correspondientes, forman bucles cerrados. Están construidos de tal manera que la señal de ajuste de entrada para el lazo de corriente interno U es la señal de salida del lazo de velocidad externo a él. En base a esto, el bucle de corriente interno depende del bucle de velocidad externo, la principal coordenada controlada del accionamiento eléctrico.
La principal ventaja del circuito que se muestra en la figura es la capacidad de controlar de manera efectiva el control de cada variable tanto en modo estático como dinámico, razón por la cual actualmente es la principal aplicación en el accionamiento eléctrico. Además, la dependencia del lazo de corriente del lazo de velocidad permite métodos simples para limitar la corriente y el par, para lo cual es suficiente limitar la señal en la salida del controlador de velocidad (también es la señal de referencia de corriente) en el nivel apropiado
La calidad de funcionamiento de un accionamiento eléctrico moderno está determinada en gran medida por la elección correcta del motor eléctrico utilizado , que a su vez garantiza un funcionamiento fiable a largo plazo del accionamiento eléctrico y una alta eficiencia de los procesos tecnológicos y de producción en la industria, el transporte, la construcción y otras areas.
A la hora de elegir un motor eléctrico para accionar el mecanismo de producción, se orientan las siguientes recomendaciones:
La elección correcta del tipo, diseño y potencia de un motor eléctrico determina no solo la seguridad, la fiabilidad y la eficiencia de funcionamiento y la duración de la vida útil del motor, sino también los indicadores técnicos y económicos de todo el accionamiento eléctrico en su conjunto.