Электроприводы полиграфических машин

ЭП может быть автоматизированным и неавтоматизированным; первый в отличие от второго имеет систему автоматического управления (САУ) и обеспечивает рациональное ведение технологического процесса. Полиграфические машины последнего времени оснащены большим количеством электроприводов постоянного и переменного тока различной сложности – от простейших нерегулируемых электроприводов до сложных многоконтурных систем с подчиненным регулированием с двигателями постоянного и переменного тока различной мощности – от сотен ватт до сотен киловатт. Современная система автоматического управления электроприводом может быть успешно реализована при использовании последних достижений в области электроники, преобразовательной техники, микропроцессорной техники и электронных вычислительных машин.

Автоматизированный привод полиграфических машин тесно взаимосвязан с системами управления и контроля технологических параметров, выполняемых на отдельно взятой полиграфической машине или комплексе, и приводит в движение все исполнительные механизмы машины, а также является неотъемлемой частью в системе управления качеством выпускаемой полиграфической продукции.

Электропривод полиграфических машин можно разделить на главный и вспомогательный, однако в настоящее время это разделение весьма условно и станет очевидным по мере рассмотрения развития электроприводов полиграфических машин.

Электроприводы всех типов состоят из двух основных частей, имеющих одинаковое назначение, — исполнительной части и устройства управления Исполнительная часть электропривода обычно состоит из одного или нескольких электродвигателей и передаточного механизма — устройства для передачи механической энергии двигателя рабочему органу приводимой машины. В нерегулируемых электроприводах чаще всего используют электродвигатели переменного тока, подключаемые к источнику питания либо через контактор или автоматический выключатель, играющий роль защитного устройства, либо при помощи штепсельного разъема (например, в бытовых электроприборах). Частота вращения ротора электродвигателя такого привода, а следовательно, и скорость перемещения связанного с ним рабочего механизма зависит только от нагрузки исполнительного механизма. В мощных нерегулируемых электроприводах применяют асинхронные электродвигатели. Для ограничения пусковых токов между двигателем и источником устанавливают пусковые реакторы или автотрансформаторы, которые после разгона двигателя отключают.

2

В регулируемых электроприводах чаще всего применяют электродвигатели постоянного тока, частоту вращения якорей которых можно плавно (то есть непрерывно) изменять в широком диапазоне при помощи достаточно простых устройств управления.

Первым в истории развития электроприводом в печатных и послепечатных машинах (ППМ) был привод, построенный на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД к.з.р.) без регулирования скорости. Для изменения скорости приводимых в движение механизмов машины использовались переключаемые редукторы или механические вариаторы. Управление такими электроприводами осуществлялось посредством релейно-контактных схем управления (РКСУ), которые обеспечивали команды «Пуск», «Стоп», защиту цепей от токов короткого замыкания (плавкие предохранители) и длительной перегрузки двигателей с небольшим превышением (тепловые реле).

Как правило, в стоповую цепь управления вводились контакты различных технологических блокировок: неподачи, двойного листа в первую печатную секцию листовых печатных машин (ЛПМ), обрыва бумажного полотна в рулонных печатных машинах (РПМ), неподачи или подачи двойной тетради в подборочных машинах, ограждений опасных зон и т.д. Дальнейшим развитием таких электроприводов стало использование многообмоточных АД к.з.р., что позволяло осуществлять ступенчатое регулирование скорости за счет переключения обмоток статора и изменения таким образом числа пар полюсов вращающегося магнитного поля статора, поскольку частота вращения магнитного поля статора:

n₀ = 60f/p,

где f — частота питающего напряжения, p — число пар полюсов, а частота вращения ротора:

n = n₀(1-S),

где S — скольжение АД к.з.р.

В некоторых ППМ ступенчатое регулирование скорости главного привода осуществлялось на базе электропривода с трехфазным асинхронным двигателем с фазным ротором. В качестве примера на рис. 2а приведена схема управления главным двигателем, обеспечивающая разгон по реостатной характеристике и работу на скорости, заранее установленной оператором с помощью переключателя скорости SA. 

3

Первым электроприводом ППМ с плавным регулированием скорости стал электропривод на базе трехфазных коллекторных электродвигателей переменного тока (двигатель Шраге), принципиальная схема которого приведена на рис. 3а, а механические характеристики — на рис. 3б. Особенностью такого двигателя являлось то, что на роторе располагались две обмотки: W1 — трехфазная, аналогичная обмотке ротора АД, питающаяся от сети переменного тока, и Wp — обмотка, аналогичная обмотке якоря двигателя постоянного тока, подсоединенная к коллектору. На статоре расположена обмотка Wс, подключенная к щеткам А и В.

Плавное регулирование скорости осуществляется за счет перемещения щеток А и В (в противоположенных направлениях) специальным серводвигателем. Достоинствами таких двигателей являются достаточно широкий диапазон регулирования скорости (Д ≤ 15) и простота управления. К недостаткам можно отнести большие габариты, вес и сложность конструкции самого двигателя по сравнению с ДПТ той же мощности, а также сложность создания замкнутой системы стабилизации скорости двигателя.

Этапным в развитии регулируемого электропривода постоянного тока с системой стабилизации скорости явилась разработка и внедрение (МПИ, 70-е годы ХХ столетия) электропривода по системе МУ-ДПТ (магнитные усилители — двигатель постоянного тока). В качестве примера на рис. 4 приведена функциональная схема главного электропривода листовой ротационной печатной машины (ЛРПМ). Разработанный и внедренный в отечественных полиграфических машинах электропривод обеспечивал все современные требования, предъявляемые к ним, а именно: широкий диапазон регулирования скорости (Д ≤ 20), точность поддержания скорости (во всем диапазоне регулирования скорости) — δ = ±5%, плавный разгон (во всех режимах работы машины), защиту двигателя от перегрузки, поддержание заданной скорости при действии основных возмущающих воздействий (изменение нагрузки, колебания напряжения сети), реверсирование направления вращения.

С появлением и развитием силовой полупроводниковой электроники, а именно — мощных и высоковольтных тиристоров (трехэлектродных и оптронных) — в качестве электроприводов полиграфических машин стали использоваться системы ТП-ДПТ (тиристорный преобразователь — двигатель постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения). Сначала это были одноконтурные системы с обратной связью по скорости и напряжению якоря, а затем и системы подчиненного регулирования основных выходных координат — скорости и тока двигателя. Такие системы достаточно длительное время были доминирующими в полиграфическом оборудовании и по сей день успешно эксплуатируются.

4

В качестве примера возьмем функциональную схему главного электропривода рулонной печатной машины. Это аналоговая система электропривода подчиненного регулирования, обеспечивающая широкий диапазон регулирования скорости (Д ≤ 100) и высокую точность поддержания скорости (δ = ±0,5%). Дальнейшим развитием электроприводов постоянного тока подчиненного регулирования стало использование бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ), цифроаналоговых (ЦАСУ) и цифровых систем управления (ЦСУ). Использование в электроприводах полиграфических машин БДПТ, ЦАСУ и ЦСУ позволило расширить диапазон регулирования скорости и повысить точность поддержания заданной скорости (Д > 100, δ = ±0,01%), что, конечно, в полной мере удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям. Кроме того, надежность БДПТ гораздо выше ДПТ.

Известно, что трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АД к.з.р.) имеет существенные преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока (ДПТ): масса и габариты ротора, а также двигателя в целом гораздо меньше ДПТ; выше эксплуатационная надежность, так как отсутствует щеточно-коллекторный узел; выше динамические показатели. Поэтому создание электропривода с плавным регулированием скорости на базе АД к.з.р. было актуальной задачей, для решения которой необходим надежный экономичный преобразователь частоты. Реализация этой задачи стала возможна только с появлением на рынке силовых высоковольтных полупроводниковых приборов — IGBT-транзисторов (около 1980 года). Сразу после появления IGBT-транзисторов и силовых модулей на их основе началось бурное развитие преобразователей частоты, рассчитанных на широкий диапазон мощностей двигателей — от долей киловатта до сотен киловатт . Использование микропроцессорной техники и цифровых систем управления позволило создать комплектные устройства электроприводов переменного тока с АД к.з.р. и преобразователями частоты с широким диапазоном регулирования скорости (Д ≤ 5·10³) с точностью поддержания заданной скорости (δ ≤ ±10^–3% ) и с сохранением постоянства вращающего момента во всем диапазоне регулирования скорости.

Наиболее высокие требования, предъявляемые к электроприводам полиграфических машин, присущи печатным машинам. В особенности это относится к рулонным печатным машинам (РПМ). Протяженность многосекционных РПМ большого формата с устройствами сушки и фальцаппаратами, работающих на скорости 60 тыс. об./ч и более (или 10 м/с и более при двойном диаметре печатных цилиндров), достигает 50 м. В таких машинах возникают огромные вибрационные нагрузки на все элементы привода.

5

Это требует специальных мер для устранения подобных возмущающих воздействий, влияющих на качество приводки и самого процесса печати. Одним из решений, ликвидирующих эти проблемы, является использование многодвигательных синхронизированных электроприводов отдельных узлов машины, что позволяет отказаться от всех систем механических передач и связей между ними. Такое решение возможно только с использованием электроприводов переменного тока с преобразователем частоты и АД к.з.р., построенного по замкнутой многоконтурной системе подчиненного регулирования с обратными связями по скорости и углу поворота вала исполнительного механизма .

Использование в системах электроприводов высокоточных датчиков скорости и углов поворота и системы компьютерного управления машиной в целом обеспечивает:

• синхронизацию скорости вращения и угла поворота печатных цилиндров всех секций с более высокой точностью, чем даже при прецизионных механических передачах;

• полную синхронизацию работы всех исполнительных механизмов машины в переходных процессах;

• возможность осуществления продольной приводки в процессе печати.

Подобное решение исключает механическую взаимосвязь отдельных узлов машины, появление резонансных колебаний и других отрицательных явлений, что существенно упрощает кинематическую схему машины, уменьшает общую массу, что, в свою очередь, снижает динамические нагрузки приводов.

Кроме того, необходимо отметить, что использование многодвигательного электропривода переменного тока снижает расходы на эксплуатацию машин (за счет исключения эксплуатационных расходов механических передач, редукторов и т.д.), повышается КПД привода и точность приводки при многокрасочной печати, при рубке и фальцовке.

В настоящее время все ведущие мировые фирмы, выпускающие полиграфическое оборудование, переходят на электропривод переменного тока по системе «ПЧ — АД к.з.р.». Варианты технических решений зависят от требований, предъявляемых к электроприводу каждой технологической машиной. Многодвигательный электропривод в рулонных печатных машинах применяют такие ведущие мировые фирмы, как «Вифаг», АВВ (Швейцария), КВА, «МАН-Роланд», «МАН-Пламаг», ГОСС и др.

6