«В.Г. Макаров, С.С. Амирова, В.И. Елизаров, Е.В. Тумаева, Н.И. Чекунов, А.В. Толмачева ПРАКТИКУМ ПО АВТОМАТИЗИРОВАННОМУ ЭЛЕКТРОПРИВОДУ Учебное пособие 2004 Министерство образования Российской Федерации Казанский ...»

Министерство образования Российской Федерации

Казанский государственный технологический университет

В.Г. Макаров, С.С. Амирова, В.И. Елизаров,

Е.В. Тумаева, Н.И. Чекунов, А.В. Толмачева

ПРАКТИКУМ ПО

АВТОМАТИЗИРОВАННОМУ

ЭЛЕКТРОПРИВОДУ

Учебное пособие

2004

Министерство образования Российской Федерации Казанский государственный технологический университет В.Г. Макаров, С.С. Амирова, В.И. Елизаров, Е.В. Тумаева, Н.И. Чекунов, А.В. Толмачева

ПРАКТИКУМ ПО

АВТОМАТИЗИРОВАННОМУ

ЭЛЕКТРОПРИВОДУ

Учебное пособие Допущено УМО по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебнометодического пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 654500 “Электротехника, электромеханика и электротехнология” Казань УДК 621.3 (075.8) Практикум по автоматизированному электроприводу:

Учебное пособие / В.Г. Макаров, С.С. Амирова, В.И. Елизаров, Е.В. Тумаева, Н.И. Чекунов, А.В. Толмачева; Казан.гос. технол.ун-т. Казань, 2004. 204 с. ISBN 978-5-7882-0232- Пособие соответствует требованиям государственного образовательного стандарта высшей школы по техническим специальностям.

В краткой и доступной форме представлен теоретический материал, который может использоваться в ходе выполнения лабораторных работ и курсовых проектов. Приведены указания по выполнению лабораторных работ и курсовых проектов.

Предназначено для студентов обучающихся по специальности Табл.11. Ил. 82. Библиогр.: 15 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского государственного технологического университета Рецензенты: проф. Г.Б. Онищенко, доц. А.Н. Ладыгин ISBN 5-7882-0232-9 © Казанский государственный технологический университет, 2004г.

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие подготовлено коллективом кафедр Электротехники и Электропривода КГТУ и НХТИ.

Авторы стремились максимально учесть опыт школы электропривода Московского энергетического института по созданию учебников для специальности 180400. учебное пособие носит комплексный характер, его содержание охватывает материал двух учебных дисциплин:

- теория электропривода (основы автоматизированного электропривода) - управление электроприводами.

Теория электропривода – это техническая дисциплина, изучающая общие свойства электромеханических систем, законы управления их движением и способы синтеза таких систем по заданным показателям качества.

Теория электропривода является теоретической основой специальности “Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов” и имеет целью изучение общих физических свойств электроприводов как объекта автоматического управления, его энергетических характеристик и методов выбора мощности силовых элементов на базе использования методов механики, электрических машин, преобразовательной техники, теории автоматического управления, а также знаний, полученных при изучении дисциплин общепрофессиональной и фундаментальной подготовки.

Особенностью пособия является включение в его структуру методических указаний по выполнению лабораторных работ и курсового проектирования, что обеспечивает интенсивное закрепление основных теоретических положений на практике.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1. Понятие электропривода и его структура.

2. Классификация электроприводов и общие 1. Понятие электропривода и его структура Электропривод представляет собой электромеханическую систему, предназначенную для приведения в движение рабочего органа машины и управления ее технологическим процессом. Электропривод состоит из электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины, и системы управления, обеспечивающей управление технологическим процессом по заданным показателям качества.

Структурная схема электропривода представлена на рис. [1, 2].

Структурная схема состоит из источника электрической энергии, которым, как правило, является электрическая сеть;

системы управления, которая состоит из силовой части электропривода, как правило, это управляемый силовой электрический преобразователь ЭП, и информационной системы управления ИП, куда поступают сигналы с датчиков задающих сигналов ДЗС и датчиков обратных связей ДОС, которые обрабатываются и преобразуются в напряжение управления силовым преобразователем. Электрический двигатель ЭД включает в себя электромеханический преобразователь ЭМП, предназначенный для преобразования электрической энергии в механическую, и ротор двигателя, являющийся элементом механической части электропривода. Механическая часть электропривода включает в себя ротор двигателя, промежуточный механизм ПМ, преобразующий параметры механической энергии М и.

электропривода по признаку наличия информационных каналов обратной связи можно разделить на два класса:

1) разомкнутые системы;

2) замкнутые системы.

В разомкнутых системах электропривода управление реализуется без обратных связей. В этих системах автоматика (контакторы, реле, тиристорные преобразователи) управляет процессами пуска и торможения, выполняет функции защиты и осуществляет блокировки. Как правило, системы управления разомкнутых АЭП с релейно-контакторным управлением конструктивно оформляют в виде станций управления.

В замкнутых системах АЭП имеются каналы связи, по которым в систему поступает информация о фактическом значении регулируемой величины, а также информация о возмущающем воздействии. Для управления скоростью и моментом электрической машины необходимо регулировать электрические параметры на ее входе. На вход системы управления электроприводом подается сигнал управления U з и сигналы обратных связей от соответствующих датчиков обратных связей.

Система управления в соответствии с заложенным в нее алгоритмом управления в виде совокупности однозначно трактуемых правил реализации поставленной цели в сложившейся ситуации вырабатывает управляющее воздействие, которое реализуется ЭМП (рис. 1).

Регулирование в замкнутых системах АЭП может быть основано на следующих принципах:

1) по отклонению (имеются каналы, по которым передается информация о фактическом значении регулируемой величины);

2) по возмущению (положительная обратная связь, с помощью которой компенсируется возмущающее воздействие);

3) комбинированные.

По характеру действия обратные связи бывают:

1) жесткие;

Жесткие обратные связи действуют как в статике, так и в динамике, их сигнал пропорционален контролируемой величине.

Сигнал гибкой обратной связи пропорционален производной контролируемой величины и действует только в переходных процессах.

Кроме того, по количеству каналов обратных связей замкнутые системы АЭП делятся на одноконтурные и многоконтурные [1].

В состав системы электропривода входят два канала – силовой и информационный. По первому каналу транспортируется преобразуемая энергия, по второму осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика ее неисправностей. Силовой канал в свою очередь состоит из двух частей – электрической и механической и обязательно содержит связующее звено – электромеханический преобразователь. В электрическую часть силового канала входят устройства, передающие электрическую энергию от источника питания к электромеханическому преобразователю и обратно и осуществляющие, если это нужно преобразование параметров электрической энергии. Механическая часть силового канала состоит из подвижного органа электромеханического преобразователя и механических передач.

Информационный канал содержит устройства ввода, вывода и преобразования информации, а также устройства связи с силовым каналом.

В электроприводах наиболее характерным является применение следующих типов элементов:

1. Электродвигателей: коллекторных независимого, последовательного и смешанного возбуждения, асинхронных, синхронных, вентильных, шаговых, линейных машин постоянного и переменного тока;

2. Силовых преобразователей: управляемых выпрямителей, преобразователей частоты с непосредственной связью, автономных инверторов тока и напряжения, импульсных регуляторов частоты и напряжения;

3. Механических передаточных устройств: цилиндрических, червячных и планетарных редукторов, передачи “винт-гайка”, цепных, ременных, фрикционных, гидро и электромагнитных муфт;

4. Блоков управления: кнопочных станций, командоаппаратов, реле, логических элементов, регуляторов различных типов, усилителей, микропроцессоров, управляющих 2. Классификация электроприводов и Реализация электроприводов может быть весьма разнообразной, что находит отражение в их классификации. Электропривода можно классифицировать по следующим признакам:

1. по характеру движения: линейные, вращательные, непрерывные, дискретные, регулируемые, нерегулируемые 2. по виду и реализации силовых преобразователей: управляемые и неуправляемые, электромагнитные и статические, тиристорные или транзисторные и т.д.;

3. по количеству используемых электродвигателей: групповой – один двигатель на несколько рабочих машин, индивидуальный – обеспечивающий движение одного исполнительного органа рабочей машины, взаимосвязанный, который представляет собой несколько механически связанных электродвигателей работающих на один и несколько исполнительных органов;

4. по виду используемых источников электрической энергии: автономный и неавтономный, работающий от источника тока или напряжения, постоянного или переменного и т.д.;

5. по отраслям промышленности: общепромышленные и специальные, подъемно-транспортных машин, металлорежущих станков и т.д.

Общими требованиями к электроприводам являются главные показатели, которые характеризуют электропривод как систему, ответственную за управляемое электромеханическое преобразование энергии.

1. Надежность. Как любой технический объект, электропривод обязан выполнять требуемые функции в оговоренных условиях в течение определенного промежутка времени. Надежность необходимо рассматривать как неотъемлемое свойство системы, закладываемое на самых первых стадиях ее проектирования и обеспечиваемое в процессе создания и эксплуатации.

2. Точность, которая может быть как статической, так и динамической.

3. Быстродействие – способность системы достаточно быстро реагировать на различные возмущающие и управляющие воздействия.

4. Диапазон регулирования скорости электропривода, который определяется как отношение максимальной рабочей скорости к минимальной при номинальном моменте нагрузки с учетом максимально допустимой.

5. С понятием быстродействия тесно связаны динамические показатели качества переходных процессов, к которым относятся колебательность и перерегулирование.

6. Энергетическая эффективность, которая связана с удельными затратами энергии на обеспечение технологического процесса. Этот показатель оценивается такими параметрами как коэффициент мощности системы и коэффициент полезного действия.

7. Совместимость электропривода с системой электроснабжения и информационной системой. Этот показатель стал особо существенным в последнее время, когда широко стали применяться полупроводниковые преобразователи, генерирующие помехи в виде высших гармоник, которые вредно влияют на приемники электрической энергии и информационные системы.

РАЗДЕЛ ВТОРОЙ

МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1. Расчетные схемы механической части.

2. Уравнения, структурные схемы и передаточные функции механической части электропривода 1. Расчетные схемы механической части Механическая часть электропривода включает в себя все механически связанные между собой движущиеся инерционные массы двигателя и передачи. Полное представление о движущихся массах установки и жесткостях механических связей между ними дает кинематическая схема электропривода и установки. Массы элементов и жесткости связей в кинематической цепи привода различны. Поэтому одной из первых задач проектирования и исследования является составление упрощенных расчетных схем механической части, учитывающих возможность пренебрежения упругостью достаточно жестких механических связей и приближенного учета влияния малых движущихся масс. При этом следует учитывать, что в связи с наличием передач, различные элементы системы движутся с разными скоростями, поэтому непосредственно сопоставлять их моменты инерции J, массы m, жесткости связей с, деформации и перемещения практически невозможно. Поэтому для составления расчетных схем механической части электропривода необходимо все параметры элементов кинематической цепи привести к одной расчетной скорости. Как правило, параметры кинематической схемы приводят к скорости вращения вала двигателя, однако при решении ряда других задач удобнее оказывается приведение к скорости механизма, или к любой другой расчетной скорости.

Условием соответствия приведенной расчетной схемы реальной механической системе является выполнение закона сохранения энергии, который можно представить в виде баланса энергии в механической части электропривода.

Подведенная энергия = потери энергии + запасенная энергия + энергия на выходе.

Подведенная энергия поступает от источника механической энергии, которым является электрический двигатель. Основной характеристикой двигателя является механическая характеристика = f (M ), т.е. зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента на валу M. На рис.2 приведены естественные статические механические характеристики основных типов двигателей наиболее широко применяемых в электроприводе: синхронного 1, постоянного тока независимого возбуждения 2, асинхронного 3 и двигателя постоянного тока последовательного возбуждения 4.

Основным параметром, определяющим вид механической характеристики, является модуль коэффициента статической жесткости Если характеристика называется жесткой, то такой двигатель является источником скорости, а если 0 характеристика называется мягкой и двигатель является источником момента.

Энергия с выхода электропривода идет на совершение полезной работы. Вследствие этого на вал двигателя будет действовать момент статической нагрузки Mc. Однако необходимо учитывать, что момент статической нагрузки на валу двигателя создается не только за счет совершения полезной работы в рабочей машине. Он также зависит от потери энергии, как в механической части электропривода, так и в самом двигателе. Поэтому:

где М с1 - момент механических потерь в механизме и двигателе; М с 2 - приведенный момент полезной нагрузки.

Полезная нагрузка является одним из главных факторов, связывающих электропривод с технологическим процессом приводимого в движение механизма. Силы и моменты полезной нагрузки в различных механизмах имеют различный характер и в общем случае их влияние можно учесть, выделив ограниченное число характерных типовых нагрузок. Основной характеристикой нагрузки является ее механическая характеристика, т.е.

зависимость = f ( M c ), на рис.3 показаны типовые механические характеристики рабочих машин.

По характеру взаимодействия с электроприводом все силы и моменты делятся на активные и реактивные.

Активные силы и моменты, относятся к грузоподъемным механизмам, где момент сопротивления движению создается силой тяжести за счет изменения потенциальной энергии перемещаемых по вертикали грузов, когда сила тяжести, как при подъеме, так и при спуске направлена в одну сторону – сторону спуска и неизменна по значению. Механическая характеристика исполнительного механизма = f ( M c ) в этом случае имеет вид прямой M c = const (1, рис.3) Реактивными силами и моментами обладают нагрузки, которые всегда действуют в направлении, противоположном движению электропривода и изменяют свое направление при изменении знака скорости. Поэтому все реактивные силы и моменты зависят от скорости. По характеру этой зависимости различают реактивные нагрузки типа сухого трения, вязкого трения и вентиляторного типа.

Силы и моменты сухого трения неизменны по модулю, но скачком изменяют свое направление при изменении знака скорости (2, рис.3). Такой тип механической характеристики соответствует машинам с рабочим органом резания, а так же транспортным механизмам.

Силы и моменты вязкого трения линейно зависят от скорости (3, рис.3) где BT - коэффициент пропорциональности.

Механические характеристики от сил вязкого трения характерны для механических демпферов, предназначенных для поглощения энергии колебаний возникающих в механической части электропривода, а так же для электрических генераторов работающих при постоянном сопротивлении нагрузки, при изменяющейся скорости вращения вала.

Зависимость нагрузки электропривода от скорости в общем случае можно записать в виде показательной функции При n = 2 характеристика называется вентиляторной (4, рис.3). Такой механической характеристикой обладают центробежные вентиляторы. В общем случае вентиляторная нагрузка может характеризоваться показателем степени n>2, в частности такую характеристику имеют центробежные насосы, работающие на противодавление.

При вычислении приведенного статического момента необходимо учитывать потери энергии в механизме и двигателе.

Как правило, потери энергии в механизме учитываются при помощи коэффициента полезного действия.

где 1, 2, 3 - КПД элементов кинематической цепи механизма.

Если известен полезный момент нагрузки механизма М мех, то для прямого направления потока энергии (двигательной режим работы электропривода) приведенный к валу двигателя момент статической нагрузки можно определить на основании баланса мощности откуда приведенный момент статической нагрузки на валу двигателя где M - момент механических потерь в двигателе;

i0 = / мех = i1 i2 i3.... - общее передаточное число от двигателя к рабочему органу механизма.

При обратном направлении потоки энергии (тормозной режим работы электропривода) приведенный момент статической нагрузки Момент механических потерь в двигателе составляет, как правило, (1-5) % номинального момента двигателя и во многих практических случаях им можно пренебречь, полагая M = 0.

Если рабочий орган механизма движется поступательно, то при прямом направлении потока энергии и условии, что M = 0 приведенной момент статической нагрузки определяется аналогично, то где = V мех 1 - радиус приведения поступательного движения механизма к вращательному движению вала двигателя.

Соответственно для обратного направления потока энергии при тех же допущениях Процесс преобразования энергии всегда связан с накоплением энергии в элементах кинематической цепи механической части электропривода. В механических системах энергия запасается в двух формах: кинетической и потенциальной. Запас кинетической энергии связан с движением инерционных масс электропривода, а мерой способности системы запасать кинетическую энергию являются массы m элементов, движущихся поступательно, и моменты инерции элементов, совершающих вращательное движение относительно фиксированной оси.

Запас потенциальной энергии связан с деформацией упругих элементов кинематической цепи, связывающих между собой инерционные элементы механической части. Мерой способности упругих элементов запасать потенциальную энергию является коэффициент жесткости упругой связи. Если деформация упругих элементов механических связей подчиняется закону Гука, то их коэффициенты жесткости можно определить с помощью следующих соотношений:

при поступательном движении:

при вращательном движении:

где F yi и M yi - нагрузка упругой механической связи; S и – перемещения элементов, совершающих поступательное и вращательное движения; S = S i S i +1 и = i i +1 - деформация упругого элемента при поступательном и вращательном движениях.

Примером упругих элементов, подверженных деформации при поступательном движении, являются пружины, а при вращательном движении - торсионные валы или упругие муфты.

При приведении моментов инерции к расчетной скорости необходимо обеспечить сохранение запаса кинетической и потенциальной энергии в системе. При этом должны выполнятся следующие условия где J - суммарный приведенный момент инерции электропривода; ii = 1 i - передаточное число от вала приведения до i – го вала; j = V j 1 - радиус приведения к валу со скоростью 1.

При приведении жесткостей механических связей к расчетной скорости вала двигателя 1 должны выполнятся следующие соотношения:

при вращательном движении при поступательном движении Необходимо также учесть, что при параллельном соединении упругих элементов эквивалентная жесткость определяется как сумма коэффициентов жесткостей элементов, входящих в соединение а при последовательном соединении упругих элементов суммировать надо коэффициенты упругостей этих связей После анализа кинематической схемы и выполнения операции приведения параметров к расчетной скорости можно составить расчетную схему механической части электропривода. Анализ различных кинематических схем показывает, что совершенно разнотипные механизмы можно представить в виде трех типовых расчетных схем: многомассовой, частным случаем которой является трехмассовая упругая система; двухмассовой упругой системы; одномассовой, которая представлена жестким приведенным механическим звеном.

Параметрами трехмассовой упругой механической системы (рис.4, а) являются суммарные приведенные моменты инерции J 1, J 2, J 3, которые образованны приведенными инерционными элементами, вращающиеся с мгновенными скоростями 1, 2, 3, и связанные между собой эквивалентными безынерциоными упругими элементами с приведенными коэффициентами жесткости с12 между первой J 1 и второй J 2 инерционными массами, с 23 между второй J 2 и третьей J 3. Первый инерционный элемент представляет собой ротор двигателя и жестко связанные с ним элементы, к которым приложен электромагнитный момент двигателя М и момент сопротивления М с1, который, в свою очередь, определяется суммарным моментом потерь на валу двигателя и жестко связанных с ним элементов. К промежуточной массе механизма J 2 приложен момент сопротивления M c 2, а к третьей J 3 - момент внешней нагрузки M c3. Трехмассовая расчетная система используется в тех случаях, когда возникает необходимость детального анализа условий движения в механической части электропривода, и для проведения количественного анализа в таких системах приходится использовать численные методы анализа, а также применять вычислительные машины.

Двухмассовая расчетная схема с упругой механической связью (рис.4, б) представляет собой основную модель, которая наиболее широко используется при изучении влияния упругих механических связей на характер движения в механической части электропривода.

В тех случаях, когда влиянием упругих связей можно пренебречь механическую часть электропривода представляют в виде одномассовой расчетной схемы (рис.4, в). В этом случае механическая часть электропривода представлена жестким приведенным звеном с суммарным приведенным моментом инерции J, на которую воздействует электромагнитный момент двигателя М и суммарный приведенный к скорости вращения вала двигателя момент нагрузки М с.

3. Уравнения, структурные схемы и передаточные функции механической части электропривода Расчетные схемы механической части электропривода можно рассматривать в виде механической цепи. Такая точка зрения упрощает перенос методов изучения электрических цепей с сосредоточенными параметрами на механические системы. Так же как и электрические цепи, механические цепи состоят из активных и пассивных элементов. Активные элементы являются источниками энергии. Роль пассивных элементов выполняют массы, упругие элементы и потребители механической энергии. Для записи уравнений движения механической цепи необходимо воспользоваться двумя принципами Даламбера, которые вытекают из принципа непрерывности движения материальных точек и закона сохранения энергии и являются аналогами законов Кирхгофа в электрических цепях. Первый принцип Даламбера гласит, что алгебраическая сумма перемещений вдоль замкнутого контура механической цепи равна нулю и для вращательного движения записывается в следующем виде:

Второй принцип Даламбера гласит, что сумма мгновенных значений внешних сил, действующих на тело по какому – либо направлению, и силы реакции этого тела по тому же направлению равна нулю, т.е. для вращательного двигателя:

Удобство этого принципа заключается в том, что он позволяет применять уравнения статики для изучения явлений динамики. В этом случае внешние силы являются функциями времени, и к ним добавляется ещё один член, выражающий реакцию тела (узла механической цепи), возникающую вследствие его инерции. Знаки всех сил и моментов определяются в отношении знака скорости. Для положительного направления скорости вращения, если момент способствует движению – он положителен, если препятствует – отрицателен. Для одномассовой схемы (рис.4,в), представленной жестким приведенным звеном с суммарным приведенным моментом инерции J, на которое воздействует электромагнитный момент двигателя М и суммарный приведенный к скорости вращения вала двигателя момент статической нагрузки Мс, уравнение движения, записанное на основании второго принципа Даламбера, имеет следующий вид:

Решив это уравнение относительно первой производной, получим неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка, записанное в форме Коши:

Уравнение движения можно записать в операторной форме:

где М – управляющее воздействие; – выходная координата;

р = d - оператор дифференцирования.

Решая операторное уравнение относительно выходной координаты, получим:

Данному решению соответствует следующая структурная схема, представленная на рис.5.

На основании структурной схемы можно получить передаточные функции одномассовой системы. Передаточная функция по управляющему воздействию при условии, что возмущающее воздействие Мс = 0 при выходной координате :

Передаточная функция по возмущающему воздействию Мс при условии, что управляющее воздействие М = 0 при выходной координате :

Передаточная функция по результирующему входному воздействию М = М М с при выходной координате :

Анализ структурной схемы и соответствующих передаточных функций показывает, что с позиции теории систем управления, одномассовая система механической части электропривода является интегрирующим звеном.

Жесткое приведенное звено отражает свойства механической части электропривода лишь в первом приближении, более полное представление об этих свойствах дает использование двухмассовой расчетной схемы, представленной на рис.4,б.

Систему уравнений движения для обобщенной расчетной двухмассовой системы электропривода можно записать на основании второго принципа Даламбера в следующем виде:

где М 12 = с12 (1 2 ) - упругий момент, возникающий вследствие деформации упругой связи между первой J 1 и второй J скорости вращения первой и второй инерционных масс;

1 2 = - деформация упругого элемента; с12 - коэффициент жесткости упругой связи.

Переходя к операторной форме записи, после некоторых преобразований, уравнения движения принимают следующий вид:

Данному уравнению соответствует структурная схема представленная на рис. Структурная схема позволяет получить различные передаточные функции по управляющему воздействию М или по возмущающим воздействиям Мс1 и Мс2 при выходных координатах 1, М 12 и 2.

Для того чтобы получить передаточные функции по управляющему воздействию М необходимо принять Мс1 = Мс2 = =0 и, вводя обозначения, после преобразования структурной схемы на рис.6 получим структурную схему представленную на рис. где Откуда следует, что передаточная функция двухмассовой системы по управляющему воздействию при выходной координате 1, имеет следующий вид:

где = J 1 + J 2 = J - соотношение инерционных масс;

12 = с12 ( J 1 + J 2 ) /( J 1 J 2 ) - частота собственных колебаний двухмассовой системы.

Передаточная функция двухмассовой системы по управляющему воздействию при выходной координате М12:

Передаточная функция по управляющему воздействию при выходной координате 2 :

Аналогичным путем можно получить передаточные функции по возмущающему воздействию Мс1 и Мс2 при соответствующих выходных координатах.

Таким образом, анализ передаточных функций показывает, что с позиции теории систем управления, двухмассовая механическая часть электропривода может быть представлена в виде трех последовательно соединенных динамических звеньев:

интегрирующего звена с передаточной функцией 1, форсиJ p рующего звена второго порядка с частотой сопряжения с1 = 12 и передаточной функцией Т 12 р +1, а также консервативного колебательного звена второго порядка с резонанси передаточной функцией 1 (T12 2 p 2 + 1).

ной частотой

РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ДВИГАТЕЛЕЙ

1. Электромеханические свойства двигателей постоянного тока независимого возбуждения.

2. Электромеханические свойства асинхронных 1. Электромеханические свойства двигателей постоянного тока независимого возбуждения Двигатель постоянного тока независимого возбуждения является, до последнего времени, одним из основных типов двигателей, используемых в автоматизированном электроприводе при наиболее высоких требованиях, предъявляемых к статическим и динамическим показателям качества регулирования.

Обмотки машин постоянного тока получают энергию от источников постоянного напряжения или тока. Однако необходимым условием непрерывного преобразования электрической энергии в механическую является условие протекания в части обмоток этой машины переменного тока. Для выполнения этого условия машины постоянного тока снабжаются специальным устройством, которое выполняет функцию коммутатора и преобразует постоянный ток в переменный или, наоборот, переменный ток в постоянный. Если коммутатор выполнен в виде механического устройства, то он называется коллекторным, и большинство общепромышленных машин постоянного тока являются коллекторными машинами. Если коммутатор выполнен на базе полупроводниковых переключающих устройств и управляется в функции положения обмоток ротора относительно обмоток статора, то такие машины называются вентильными машинами постоянного тока.

Электрическая схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения представлена на рис. В теории электропривода уравнения электрического равновесия для двигателя постоянного тока независимого возбуждения принято записывать в операторной форме в следующем виде:

где Tв = Lв / Rв = (0,2 5)с - электромагнитная постоянная времени цепи возбуждения;

Tа = Lа / R а = (0,02 0,1)с - электромагнитная постоянная времени цепи якоря;

К ф = Ф / iв - коэффициент, характеризующий состояние магнитной цепи машины;

Rв = Rв + Rв - суммарное активное сопротивление цепи возбуждения;

Rа = Rа + Rа - суммарное активное сопротивление цепи якоря;

Lа = Lа + Lа - суммарная индуктивность цепи якоря;

d - оператор дифференцирования;

рп – число пар полюсов машины;

N – число активных проводников обмотки якоря;

а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря;

В общем случае уравнения являются нелинейными и позволяют проводить исследования, как в переходных, так и в установившихся режимах работы двигателя, однако для их решения и анализа необходимо использовать численные методы и применять вычислительные машины. Для упрощения анализа установившихся режимов работы необходимо провести линеаризацию уравнений. Учитывая, что в большинстве электроприводов двигатель постоянного тока независимого возбуждения работает при условии Uв = const, Rв = const, следует, что Iв = const и Ф = const. Тогда уравнения двигателя будут линейными:Uв = RвФ/Кф = RвIв Линеаризованная система уравнений позволяет проводить исследование, как статических, так и динамических режимов работы, используя статические и динамические электромеханические и механические характеристики двигателя.

Динамической электромеханической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения вала двигателя от тока в обмотке якоря, т.е. зависимость = f(iа). Решая уравнения (3.2) относительно, получим уравнение динамической электромеханической характеристики:

Уравнению динамической электромеханической характеристики соответствует следующая структурная схема (рис.9) где о = Uа/С – скорость идеального холостого хода.

Динамической механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения вала двигателя от электромагнитного момента на валу в переходных и динамических установившихся режимах работы, т.е. зависимость = f(М) или М = f(). Из условия, что М = Сiа и уравнения (3.3) следует:

или где = С - модуль статической жесткости механической хаRa рактеристики.

Уравнению динамической механической характеристики (3.5) соответствует структурная схема (рис.10) Таким образом при условии Ф = const, двигатель постоянного тока независимого возбуждения может быть представлен динамическим инерционным звеном первого порядка.

Анализ электромеханических свойств двигателя постоянного тока независимого возбуждения целесообразно начать с рассмотрения статических режимов работы, когда Ua = const, М = const и = const. Тогда из уравнений динамических характеристик при условии, что р = 0, получим уравнения статических характеристик:

Статические электромеханические (3.6) и механические (3.7) характеристики подразделяются на естественные и искусственные.

Естественные характеристики получают при условии Ua =Uан= const, Rад=0 и Ф = Фн = const, т.е. при номинальных значениях напряжения, сопротивления якоря, магнитного потока машины. При Ф = const характеристики являются линейными, и при соответствующем выборе масштаба графическое представление статических электромеханических и механических характеристик совпадает (рис.11) На характеристиках можно выделить следующие режимы:

Режим идеального холостого хода - т.1, когда М = 0, Режим номинальной нагрузки - т.2, когда М = Мн, = н, Еан = Сн, Iа =Iан =(Uан - Еа0)/Rа. Номинальным продолжительным режимом нагрузки (режим S1) называется режим, на который двигатель рассчитан, и при котором температура рабочих частей двигателя не превышает расчетных допустимых значений.

Режим стопорения (режим прямого пуска) - т.3, когда = 0, Еа = С = 0, Iа =Iстоп = Iап = Uан/Rа, М = Мстоп = СIстоп. В этом режиме Iстоп может превышать номинальное значение в несколько десятков раз, что является недопустимым по условиям коммутации.

Рабочий режим - (1-2), когда нагрузка на валу двигателя изменяется от режима холостого хода до номинальной.

Режим перегрузки - (2-3), когда нагрузка на валу двигателя превышает номинальную. Перегрузка называется допустимой, когда Iа Iаmд и М Мmд, а температура рабочих частей двигателя за время перегрузки не превышает рабочих допустимых значений.

Для двигателей постоянного тока независимого возбуждения по условиям коммутации максимальное допустимое значение тока Iаmд (2-2,5) Iан, откуда при постоянном магнитном потоке Ф = Фн = const, Mmд (2-2,5) Mн. Отношение максимально допустимого значения тока перегрузки к номинальному току называется коэффициентом перегрузочной способности = amд = (2 2,5).

Режим торможения противовключением - т.4, когда Мстоп, I а = U ан + Е а > I а стоп. К валу двигателя подводится механическая энергия за счет которой ротор вращается в противоположную сторону, а электромагнитный момент является тормозным, т.е. направлен на встречу движению ротора, при этом электрическая энергия и механическая энергия подведенная к валу преобразуются за вычетом потерь в тепловую и идут на нагрев двигателя, т.е. UaIa + EaIa = RaIa2. Такой режим является недопустимым по условиям нагрева двигателя.

Режим рекуперативного торможения - т.5,. когда > о, Еа = С > Uан, Iа = (Uа - Еа)/Rа < 0, М = СIа < 0. В этом режиме за счет источника механической энергии скорость ротора становится больше скорости идеального холостого хода. ЭДС, наводимая в обмотке якоря, становится больше напряжения сети, и машина переходит в режим генератора, работающего параллельно с электрической сетью, отдавая электрическую энергию в сеть. В этом режиме ток якоря меняет свой знак, а электромагнитный момент становится тормозным, так как направлен на встречу вращению ротора.

Искусственные статические электромеханические и механические характеристики имеют место при регулировании скорости, тока и момента в электроприводе за счет изменения сопротивления добавочного реостата Rад, включаемого в цепь обмотки якоря (реостатное управление), за счет изменения напряжения, подводимого к обмотке якоря (якорное управление) при помощи специального регулируемого источника постоянного напряжения, или за счет изменения магнитного потока, создаваемого током в обмотке возбуждения (полюсное управление) при регулировании тока возбуждения.

Искусственные характеристики при реостатном управлении (рис.12) получают при условии Uа = Uан = const, Ф = Фан = const, Rа = var В соответствии с уравнениями статических электромеханических (3.6) и механических (3.7) характеристик при изменении Rа частота идеального холостого хода 0=Uан/С =const, а модуль жесткости статических характеристик уменьшается, так как = С 2. Изменение сопротивления Rад является проR стейшим способом регулирования тока и момента двигателя и ограничения их допустимыми значениями в режиме пуска и торможения противовключением. Реже реостатное управление применяется для регулирования частоты вращения, так как при увеличении сопротивления якоря уменьшается точность регулирования (при уменьшении частоты вращения), вследствие чего диапазон реостатного регулирования не превышает Искусственные статические характеристики при регулировании напряжения на обмотке якоря (3.6) получают при условии Rад= 0, Ф=Фн = const, Uа= var.

Изменение напряжения, подводимого к обмотке якоря при номинальном магнитном потоке, является в регулируемом электроприводе основным управляющим воздействием. Как правило, изменение напряжения Uа возможно в сторону уменьшения относительно номинального значения. Из уравнений статических характеристик следует, что при изменении Uа изменяется скорость идеального холостого хода 0 = Uа /С, а жесткость механических характеристик остается неизменной, так как =С2/Rа= const. Механические характеристики при Uа= var представлены на рис.13.

Изменение напряжения Uа позволяет регулировать частоту вращения в широком диапазоне при постоянной жесткости характеристик, а так же регулировать ток якоря и электромагнитной момент двигателя. При этом плавное повышение напряжения до номинального значения обеспечивает наиболее благоприятные условия при пуске двигателей.

Из семейства характеристик при якорном управлении, особенной является характеристика при Uа=0. Эта характеристика проходит через начало координат и располагается в тормозных квадрантах. В этом режиме энергия к обмотке якоря от источника электрической энергии не подводится - Uа=0, а якорь вращается за счет механической энергии, подведенной к валу, при этом механическая энергия преобразуется в электрическую и рассеивается в виде тепловой энергии на сопротивлениях обмотки якоря, а на валу создается тормозной электромагнитный момент. Такой режим называется режимом динамического торможения, в котором машина работает автономным генератором на сопротивления якорной цепи. Для повышения эффективности торможения в цепь якоря включают добавочные сопротивления динамического торможения Rад, и при увеличении Rод уменьшается жесткость механической характеристики в режиме динамического торможения.

Искусственные механические характеристики при управлении потоком получают при условии, когда Uа=const, Rад=0, Ф= var.

Изменение магнитного потока вследствие насыщения магнитной цепи машины возможно лишь в сторону уменьшения магнитного потока. Уменьшение магнитного потока вызывает увеличение скорости идеального холостого хода ческой жесткости механической характеристики Уменьшение магнитного поля в пределах рабочих нагрузок приводит к увеличению рабочей скорости двигателя, при этом, если момент нагрузки остается величиной постоянной, ток якоря двигателя возрастает, так как М=кФIа=соnst, то Механические характеристики при управлении потоком представлены на рис. 2. Электромеханические свойства асинхронных двигателей Асинхронные двигатели, особенно с короткозамкнутым ротором, широко применяются в нерегулируемых электроприводах, работающих с постоянной непрерывной нагрузкой. Это различные вентиляторы, насосы и компрессора, предназначенные для транспортировки жидкостей и газов. Также эти двигатели применяются для привода эскалаторов и конвейеров, предназначенных для транспортировки пассажиров, сыпучих и штучных грузов. Асинхронные двигатели с фазным ротором находят широкое применение в электроприводе подъемнотранспортных машин.

Основным достоинством асинхронных двигателей является простота конструкции, высокая надежность и технологичность, низкая стоимость по сравнению с другими типами двигателей, малые эксплуатационные затраты. К недостаткам асинхронных двигателей можно отнести неудовлетворительные пусковые свойства, а именно, большой пусковой ток и малый пусковой момент, кроме этого у асинхронных двигателей сложно регулировать частоту вращения ротора. Несмотря на эти недостатки, при применении преобразователей частоты, асинхронные двигатели находят широкое применение в современных электроприводах, где требуется регулировать частоту вращения в широком диапазоне при достаточно высоких требованиях к статическим и динамическим показателям качества регулирования.

Анализ электромеханических свойств целесообразно начать с изучения статических электромеханических и механических характеристик.

Из курса электрических машин известно, что для описания электромеханических свойств симметричного трехфазного асинхронного двигателя, работающего в установившимся режиме, достаточно записать по одному уравнению электрического равновесия для фазы обмотки статора, фазы обмотки ротора и уравнение намагничивающих сил на основании закона полного тока. Эта система уравнений, записанная в комплексной форме для действующих значений напряжений и токов, в случае приведения параметров обмотки ротора к параметрам обмотки статора имеет следующий вид:

где x k = x1 + x 2 - индуктивное сопротивление короткого замыкания; s = - скольжение; I 0 - намагничивающая составляющая тока обмотки статора.

Индексы 1 относятся к параметрам обмотки статора, а индексы 2 к параметрам обмотки ротора, штрих обозначает приведенные параметры обмотки ротора к параметрам обмотки статора.

Решая систему уравнений (3.8) для упрощенной схемы замещения относительно действующего значения тока ротора, получим выражение для статической электромеханической характеристики асинхронного двигателя.

Так как электромагнитный момент асинхронного двигателя зависит от электромагнитной мощности Pэм, передаваемой электромагнитным полем из цепи обмоток статора в цепь обмоток ротора, и частоты вращения магнитного поля а электромагнитную мощность можно определить из следующего соотношения:

то на основании соотношения (3.10) с учетом (3.11) и (3.9) получим выражения для статической механической характеристики асинхронного двигателя в следующем виде:

где 0 = 2f 1 / p п - частота вращения магнитного поля; f1 частота переменного напряжения электрической сети; p п - число пар полюсов обмотки статора.

сопротивление добавочного реостата, включенного в цепь обмотки ротора асинхронного двигателя с фазным ротором R2 =0, электромеханическая и механическая характеристики двигателя называются естественными.

Так как = 0 (1 s ), то в соответствии с (3.9) и (3.12) естественные электромеханическая (а) и механическая (в) характеристики асинхронного двигателя имеют вид, представленый на рис.15. На этих характеристиках можно выделить следующие характерные режимы:

Режим идеального холостого хода - т.1, когда Режим номинальной нагрузки - т.2, когда Режим максимальной перегрузки - т.3, когда где критическое скольжение:

максимальный момент:

Максимальный момент M m в двигательном режиме определяет его перегрузочную способность = M m / M H.

Режим пуска или режим короткого замыкания - т.4, когда Режим электромагнитного торможения - т.5 или режим торможения противовключением, когда ротор за счет механической энергии, подведенной к валу, вращается в сторону противоположную вращению магнитного поля < 0 и вся энергия, подведенная к машине, преобразуется в тепловую и идет на нагрев машин;

Режим рекуперативного торможения - т.6, когда за счет механической энергии, подведенной к валу машины, скорость ротора становится больше скорости вращения магнитного поля > 0 и машина работает в режиме асинхронного генератора, отдавая электрическую энергию в сеть, при этом M f1 н При уменьшении частоты f1 в соответствии с (3.15) увеличивается магнитный поток машины, что приводит к насыщению магнитной цепи и, соответственно, к перегреву двигателя.

Поэтому при неизменном подводимом напряжении к обмотке статора Uф = U1н = const частоту подводимого напряжения необходимо изменять только в сторону увеличения относительно номинального значения. Однако при увеличении частоты магнитный поток будет уменьшаться, что приводит к уменьшению максимального момента, и следовательно перегрузочной способности двигателя. Одновременно с увеличением частоты будет изменяться величина индуктивного сопротивления обмотки статора Х1 = 1L1 = 2f1L1, что приведет к уменьшению тока в обмотке статора и ротора (3.9). Поэтому при частотном управлении необходимо при изменении частоты одновременно изменять и напряжение обмотки статора так, чтобы U1/f1 = U1н/f1н = const. В этом случае при изменении частоты и величины подводимого напряжения максимальное значение электромагнитного момента будет оставаться неизменным, а коэффициент перегрузочной способности будет постоянным. При изменении частоты и напряжения будет изменяться частота идеального холостого хода 0 = 2f/Рп, а жесткость механических характеристик в области рабочего режима будет неизменна. При этом регулировочные свойства асинхронного двигателя приближаются к регулировочным свойствам двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

Анализ статической механической характеристики асинхронного двигателя показывает, что в области рабочего режима, когда электромагнитный момент изменяется в диапазоне –0,8 Мm М 0,8 Мm, характеристика является линейной. Это дает основание считать, что динамические свойства асинхронного двигателя в области линейного участка механической характеристики аналогичны динамическим свойствам двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Откуда следует, что уравнение динамической механической характеристики асинхронного двигателя для линеаризованного участка механической характеристики с некоторой степенью допущения можно записать в следующем виде:

где Тэ = 1/0 sк – эквивалентная электромагнитная постоянная времени асинхронного двигателя;

= 2Мm /0 sк – модуль жесткости линеаризованной статической механической характеристики;

р – оператор дифференцирования;

0 = 2f1 / pп – управляющее воздействие;

– возмущающее воздействие.

Уравнению (3.16) динамической механической характеристики асинхронного двигателя соответствует следующая структурная схема (рис.19):

Таким образом асинхронный двигатель при линеаризации механической характеристики в области рабочего режима может быть представлен динамическим инерционным звеном первого порядка.

РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ

СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ

ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1. Общие сведения о силовых полупроводниковых преобразователях электрической энергии.

2. Управляемые выпрямители в электроприводах 3. Широтно-импульсные преобразователи в электроприводах постоянного тока.

4. Преобразователи частоты в электроприводах 1. Общие сведения о силовых полупроводниковых преобразователях электрической энергии Силовые полупроводниковые преобразователи (СПП) электрической энергии находят широкое применение в автоматизированном электроприводе, где выполняют функцию регулирования скорости и момента электродвигателя.

В электроприводах постоянного и переменного тока широко применяются управляемые и неуправляемые выпрямители.

Неуправляемые выпрямители строятся на диодах и преобразуют синусоидальное переменное напряжение постоянного действующего значения в постоянное напряжение.

Управляемые выпрямители строятся на тиристорах и преобразуют синусоидальное переменное напряжение постоянного действующего значения в регулируемое постоянное напряжение.

В последнее время все чаще применяются полупроводниковые преобразователи, работающие в режиме переключения и получающие питание от источника постоянного тока. В электроприводах постоянного тока такие преобразователи называют широтно-импульсными преобразователями (ШИП), а в электроприводах переменного тока - автономными инверторами напряжения (АИН) или автономными инверторами тока (АИТ).

Широтно-импульсный преобразователь преобразует постоянное напряжение в постоянное регулируемое напряжение.

Автономный инвертор напряжения преобразует постоянное напряжение в переменное напряжение с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой.

Автономный инвертор тока преобразует постоянное напряжение в переменный ток с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой.

В качестве силовых вентилей ШИП, АИН и АИТ могут быть использованы тиристоры или транзисторы, а в качестве источника питания может служить как сеть постоянного тока, так и управляемый или неуправляемый выпрямитель.

С точки зрения применения в силовых транзисторных преобразователях наиболее перспективными являются IGBTтранзисторы, сочетающие в себе свойства полевого и биполярного транзистора.

В настоящее время автономные инверторы напряжения применяют в электроприводах переменного тока с небольшим диапазоном регулирования скорости, а инверторы тока - при широких диапазонах.

2. Управляемые выпрямители в электроприводах В управляемом выпрямителе (УВ) поток энергии может быть направлен как из сети переменного тока к двигателю постоянного тока (ДПТ), так и наоборот.

Существует множество различных схем включения тиристоров. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и улучшения массо-габаритных показателей фильтров применяют многофазные схемы, которые подразделяются на нулевые и мостовые.

Сравнение трехфазных схем преобразователей показывает, что мостовые тиристорные схемы обеспечивают более высокое значение выпрямленного напряжения, меньшую переменную составляющую, более высокую частоту пульсаций, лучшее использование силового трансформатора.

Для осуществления реверса в АЭП постоянного тока необходимо использовать реверсивные тиристорные преобразователи, так как они обеспечивают высокое быстродействие электропривода при переходе от режима работы в одном квадранте механической характеристики к реРис. жиму работы в другом квадранте.

По способу включения тиристорных групп различают две схемы реверсивных преобразователей: встречно-параллельная и перекрестная, которые представлены соответственно на рис. 20 и 23.

Реверсивный тиристоный преобразователь, построенный по встречно-параллельной схеме (см. рис. 20), имеет две тиристорные группы (выпрямительную на тиристорах VS1-VS6 и инверторную на тиристорах VS7-VS12), каждая из которых соединена по мостовой схеме. Реакторы L1-L4 предназначены для ограничения уравнительного тока. Если реакторы насыщаются рабочим током, то их должно быть четыре (по два в каждом контуре). Если выбрать реакторы без насыщения рабочими токами, то возможны два варианта построения преобразователя. При построении преобразователя по первому варианту используются два двухобмоточных реактора, концы и начала обмоток которых необходимо включить с учетом их обозначений на рис. 21. Такое включение уравнительных реакторов позволяет значительно сократить их массу и габариты [9]. Если преобразователь выполняется по второму варианту, то достаточно в каждом контуре включить по одному реактору (рис. 22) [9].

Трехфазные реверсивные преобразователи, выполненные по встречно-параллельной схеме соединения тиристорных групп, обладают следующими достоинствами: используется более простой по конструкции двухобмоточный трансформатор меньшей типовой мощности, меньшие габариты реакторов, возможность непосредственного подключения к сети без трансформатора.

В перекрестной схеме (см. рис. 23) обязательным является трансформатор с двумя вторичными обмотками, что ведет к усложнению конструкции трансформатора, увеличению его габаритной мощности и стоимости.

Весьма важным вопросом при рассмотрении реверсивных тиристорных преобразователей является выбор способа управления вентильными группами. Управление бывает согласованное и раздельное. При этом система управления тиристорами должна обеспечивать формирование управляющих импульсов, а также сдвиги этих импульсов по фазе относительно анодного напряжения тиристора.

При согласованном управлении соотношение углов регулирования вентильных групп устанавливается таким, что среднее значение выпрямленной ЭДС инверторной группы равнялось среднему значению ЭДС выпрямительной группы.

Это равенство должно соблюдаться во всем диапазоне регулирования напряжения преобразователя. Для этого необходимо, чтобы при изменении сигнала управления на входе преобразователя одновременно изменялись углы регулирования выпрямительной и инверторной группы.

При раздельном управлении реверсивным вентильным преобразователем управляющие импульсы подаются только на ту группу вентилей, которая в данный момент времени должна проводить ток. На другую группу вентилей управляющие импульсы не подаются и вентили этой группы находятся в закрытом состоянии. В результате полностью исключается возможность протекания уравнительного тока, что позволяет упростить силовую часть схемы преобразователя. Для осуществления раздельного управления требуется применение специальных логических переключающих устройств, реализующих необходимый закон управления группами вентилей.

3. Широтно-импульсные преобразователи в электроприводах постоянного тока Транзисторные широтно-импульсные преобразователи (ШИП) по сравнению с тиристорными управляемыми выпрямителями обладают тем преимуществом, что обеспечивают более низкий уровень пульсаций тока. Достигается это за счет высокой частоты коммутации силовых транзисторов, которая составляет 2-10 кГц и более.

Реверсивные ШИП, как правило, выполняются по мостовой схеме (рис. 24).

Дроссель L1 и конденсатор C1, установленные на входе ШИП, выполняют роль сглаживающего фильтра.

Для работы на активно-индуктивную нагрузку, которой является обмотка якоря ДПТ, необходимо чтобы транзисторные ключи и источник питания обладали двухсторонней проводимостью. Для этого параллельно транзисторам VT1-VT4 включены обратные диоды VD1-VD4, а на входе ШИП устанавливается конденсатор C1.

Для сглаживания пульсаций тока последовательно с обмоткой якоря ДПТ может быть включен сглаживающий дроссель.

В современных транзисторных ключах, предназначенных для работы в силовых преобразователях АЭП, транзистор и обратный диод, как правило, объединяются в одном корпусе.

Существует три способа управления транзисторами мостового ШИП:

1) симметричное управление;

2) несимметричное управление;

3) поочередное управление.

При симметричном способе управления в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом (рис. 25). Симметричный способ управления обычно используется в маломощных приводах постоянного тока. Его преимуществом является простота реализации. Недостатком ШИП с симметричным управлением является знакопеременное напряжение на нагрузке и, как следствие, повышенные пульсации тока якоря ДПТ [10].

Этот недостаток компенсируется при несимметричном управлении, обеспечивающем однополярное напряжение на выходе ШИП (рис. 26). Недостатком несимметричного способа управления является то, что верхние по схеме транзисторные ключи (VТ1 и VТ3) по току загружены больше чем нижние (VТ и VТ4) [11].

Одинаковые условия работы полупроводниковых приборов в мостовой схеме обеспечиваются при поочередном управлении.

Рассмотрим этот способ более подробно. Здесь при любом знаке входного сигнала в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа, при этом частота переключения каждого из них в два раза меньше частоты напряжения на выходе ШИП. Временные диаграммы управляющих напряжений транзисторных ключей VT1-VT4 при поочередном управлении показаны на рис. 27 [11].

При некотором знаке входного сигнала управляющие импульсы uVT 1, uVT 4 длительностью t1 подаются на диагонально расположенные транзисторные ключи VT1, VT4 со сдвигом в полпериода, а управляющие импульсы uVT 2, uVT 3 длительноу у стью t2 также со сдвигом на полпериода подаются на транзисторы противоположной диагонали (VТ2, VТ3). В этом случае на интервале Т нагрузка подключена к источнику питания с помощью диагонально расположенных ключей, а на интервале (1 )Т нагрузка закорочена с помощью верхних или нижних транзисторных ключей. При изменении знака входного сигнала порядок управления диагональными ключами изменяется на противоположный. При поочередном управлении на нагрузке формируются однополярные импульсы длительностью Т, пропорциональные сигналу на входе.

4. Преобразователи частоты в электроприводах Одним из важнейших элементов электропривода переменного тока с частотным регулированием скорости является преобразователь частоты (ПЧ). По принципу действия преобразователи частоты делятся на две большие группы:

1) непосредственные преобразователи частоты (НПЧ);

2) преобразователи частоты со звеном постоянного тока (ПЧЗПТ).

Основная особенность НПЧ заключается в том, что максимальное значение частоты выходного напряжения f НПЧ. max не может превышать 50% от значения частоты напряжения питающей сети f1. Это является весьма существенным недостатком, практически исключающим возможность их применения в электроприводах с частотным регулированием.

В преобразователях частоты со звеном постоянного тока переменное выходное напряжение формируется из напряжения постоянного тока автономным (независимым от сети) инвертором. Поскольку в качестве источника питания обычно используется сеть переменного тока, в состав ПЧ входит управляемый или неуправляемый выпрямитель. В свою очередь, преобразователи частоты со звеном постоянного тока делятся на преобразователи с автономным инвертором тока (АИТ) и с автономным инвертором напряжения (АИН).

Рассмотрим схемные варианты ПЧЗПТ.

В схеме ПЧ (рис. 28), предназначенного для управления трехфазным асинхронным двигателем (АД), используется управляемый выпрямитель (УВ) в сочетании с автономным инвертором (АИ).

В схеме ПЧ на рис. 28 управление частотой осуществляется в инверторе, а регулирование напряжения - в управляемом выпрямителе.

В схеме ПЧ (рис. 29), предназначенного для управления трехфазным АД, используется неуправляемый выпрямитель (НВ) в сочетании с автономным инвертором (АИ).

В преобразователе частоты с неуправляемым выпрямителем напряжение на входе инвертора не меняется, и регулирование выходного напряжения осуществляется методом широтноимпульсной модуляции (ШИМ).

Наиболее распространенной схемой для построения АИ является мостовая (рис. 30), для управления силовыми транзисторами может быть использован 120 или 180 градусный закон управления, однако в последние десятилетия наиболее широко применяется широтно-импульсная модуляция.

Временные диаграммы управляющих напряжений силовых транзисторов при 120 градусном управлении показаны на рис. 31, а при 180 градусном управлении - на рис. 32. Временные диаграммы выходных напряжений АИН при 120 градусном управлении показаны на рис. 33, а при 180 градусном управлении - на рис. 34.

Рассмотрим устройство трехфазного мостового АИН, силовая часть которого выполнена на шести IGBT-транзисторах VT1-VT6 и диодах обратного тока VD1-VD6, соединенных по мостовой схеме. Каждая пара транзистор-диод обратного тока образует модуль двухсторонней проводимости, через который ток может протекать в обоих направлениях. Наличие управляющего сигнала на данном транзисторе всегда означает, что соединенная с ним фазная обмотка статора включена на соответствующий зажим выпрямителя, так как даже, если в момент подачи на транзистор управляющего сигнала ток в фазе направлен так, что он не может протекать через транзистор, открыт путь для протекания тока через соответствующий диод обратного тока [11].

Напряжение питания U d, поступающее от выпрямителя, сглаживается c помощью Г-образного фильтра (Ф) на элементах L1, C1.

В блоке торможения (БТ), включенном между фильтром и АИН, установлен транзистор VT1 и резистор R1.

Рассмотрим назначение данного блока. Если бы АИН питался от источника постоянного напряжения, обладающего двухсторонней проводимостью, то при уменьшении частоты на выходе преобразователя или при увеличении скорости до значения больше скорости идеального холостого хода, двигатель переходил бы в режим рекуперативного торможения. Однако выпрямитель выполняется как нереверсивный и не пропускает поток мощности от двигателя в сеть. Поэтому рекуперативное торможение невозможно. При торможении электромагнитная энергия, запасенная в двигателе, передается в конденсаторный блок C1 и на последнем будет возникать перенапряжение. Когда напряжение достигает некоторого предела - включается разрядный транзистор VT1, разряжая конденсаторный блок C1 на балластное сопротивление R1, на котором рассеивается энергия торможения. За счет этого исключается дальнейший рост напряжения на конденсаторе С1 [11].

120 и 180 градусный законы управления силовыми ключами трехфазных инверторов имеют общий недостаток - ступенчатый характер выходного напряжения (см. рис. 33, 34). С точки зрения эксплуатационных свойств это приводит к отклонению кривых фазных токов статора от синусоиды, вследствие чего вращение поля статора становится неравномерным и возникают пульсации электромагнитного момента двигателя.

120 градусное управление 180 градусное управление Выходные напряжения АИН при 120 градусном управлении Выходные напряжения АИН при 180 градусном управлении Стремление избавиться от негативного влияния указанного недостатка привело к использованию широтно-импульсной модуляции.

Принцип ШИМ проще всего пояснить на примере однофазного инвертора, схема которого показана на рис. 35.

Процесс формирования переменного напряжения uн на выходе однофазного инвертора поясняет рис. 36.

Входной гармонический сигнал u* в блоке ШИМ сравнивается с пилообразным опорным напряжением uоп. Алгоритм переключения приводится в табл. переключения Из рис. 36 и табл. 1 видно, что основная гармоника выходного напряжения uн повторяет входной сигнал u*, изменение частоты которого приводит к изменению частоты выходного напряжения. Изменение амплитуды входного сигнала при данной частоте будет приводить к изменению соотношения длительностей положительных и отрицательных импульсов напряжения на выходе, то есть к изменению амплитуды его основной гармоники. На рис. 36 показан случай, когда частоты опорного напряжения uоп и выходного сигнала кратны. При той же частоте опорного напряжения и другой частоте сигнала u* в выходном напряжении и токе могут возникать низкочастотные биения. Чем выше частота опорного напряжения, определяющая частоту коммутации ключей, тем менее заметен этот эффект, тем ближе к синусоиде форма тока в нагрузке, содержащей индуктивность.

Современная элементная база позволяет строить ШИМ с частотой коммутации порядка единиц и десятков килогерц, благодаря чему ток в двигателе, получающем питание от инвертора с ШИМ, практически синусоидален [11].

Важной характеристикой ШИМ является коэффициент модуляции, представляющий собой отношение амплитудных значений входного и опорного напряжений За счет изменения коэффициента модуляции осуществляется регулирование значения выходного напряжения инвертора, при этом значение m может находиться в пределах (0 < m < 1).

Функциональная схема трехфазного АИН с широтноимпульсной модуляцией показана на рис. 37. Один из возможных алгоритмов реализации ШИМ в трехфазном инверторе иллюстрируется временными диаграммами на рис. 38 [11].

Силовая часть схемы на рис. 37 не содержит принципиальных отличий от схемы, представленной на рис. 30 (блок торможения не показан). Система управления транзисторами (см.

рис. 37) содержит в своем составе блок формирования синусоидальных сигналов (ФСС) и блок ШИМ.

В блоке ФСС по заданным частоте * и напряжению U рассчитываются гармонические сигналы u*, u*, uC По заданному алгоритму в блоке ШИМ вырабатываются управляющие сигналы на транзисторы VT1-VT6.

Замкнуты Замкнуты ключи S1,S3,S S2,S4,S В зависимости от того, какие транзисторные ключи замкнуты, могут существовать восемь схем подключения обмоток статора на напряжение выпрямителя U d. Все они показаны в табл. 2 для соединения обмоток статора двигателя в звезду. При двух последних схемах все три обмотки замкнуты накоротко, и все три фазных напряжения равны нулю [11].

РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ

ПОДЧИНЕННОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

КООРДИНАТ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

1. Общие сведения о подчиненном регулировании 2. Настройка на технический оптимум.

3. Настройка на симметричный оптимум.

4. Основные типы регуляторов.

электроприводом постоянного тока.

электроприводом постоянного тока.

7. Электропривод постоянного тока с адаптивным 1. Общие сведения о подчиненном регулировании координат В настоящее время в электроприводе при создании замкнутых систем АЭП широкое применение нашел принцип последовательной коррекции с подчиненным регулированием координат.

Сущность его заключается в следующем.

Объект регулирования представляется в виде последовательно соединенных звеньев, выходными параметрами которого являются существенные координаты объекта, например ток, напряжение, ЭДС, магнитный поток, момент, скорость, положение.

Для управления каждой из координат организуется отдельный регулятор, образующий с объектом контур, замкнутый соответствующей обратной связью.

Регуляторы соединяются последовательно, так что выход одного является входом другого.

регулированием параметров показана на рис. Выходные параметры x1, x 2, x3 отдельных звеньев объекта управления (ОУ1, ОУ2, ОУ3) поступают на датчики обратных связей (ДОС1, ДОС2, ДОС3), откуда сигналы обратной связи uOC1, uOC2, uOC3 подаются на регуляторы (Р1, Р2, Р3). Поэтому регулирование каждой координаты подчинено регулированию предыдущей. Система с подчиненным регулированием позволяет настраивать каждый контур отдельно, начиная с внутреннего, и делать это независимо от настройки внешнего контура. В таких системах достаточно просто осуществляется ограничение значений параметров путем ограничения выходного параметра предыдущего контура [7].

Управляющим воздействием является сигнал задания uЗ.

К отдельным блокам объекта управления (или каждому из них) может быть приложено возмущающее воздействие, а сам объект управления может иметь более сложную структуру, чем показано на рис. Преимущества подчиненного регулирования заключаются в упрощении решения задачи регулирования координат, облегчении наладки, сокращении сроков пуска объектов, в широких возможностях унификации узлов управления различными объектами.

Недостаток подчиненного регулирования – некоторый проигрыш по быстродействию, связанный с последовательным воздействием на систему через внутренние контуры.

Однако для применения в электроприводе указанный недостаток не является принципиальным, а перечисленные выше преимущества имеют решающее значение.

Поэтому подчиненное регулирование координат нашло широкое применение в электроприводе.

Обычно объект управления описывают математически и разбивают на звенья с известными передаточными функциями.

В большинстве случаев известна передаточная функция замкнутой системы и желаемая передаточная функция разомкнутой системы управления, которая выбирается, исходя из требований к динамике объекта управления.

Принцип подчиненного регулирования значительно облегчает поиск передаточных функций регуляторов и реализацию желаемого оптимального управления.

Оптимизацию системы с последовательной коррекцией начинают с внутреннего контура, последовательно переходя к внешним.

При переходе к внешнему контуру передаточную функцию подчиненного контура упрощают, аппроксимируя контур звеном первого порядка. Ошибка аппроксимации при этом несущественна [7]. Новую некомпенсируемую постоянную времени выбирают с учетом быстродействия внутреннего контура и датчика обратной связи. Аналогичным образом поступают при переходе к следующему внешнему контуру.

В системах электропривода есть звенья как с большими, так и с малыми постоянными времени. Компенсация всех постоянных времени нереальна и просто нецелесообразна, поскольку система в таком случае стала бы не защищенной от помех, поэтому компенсируют только большие и средние постоянные времени, такие как электромагнитная постоянная времени якорной цепи Т э и электромеханическая постоянная времени Т эм привода. Малые постоянные времени (тиристорного преобразователя, фильтров на выходах усилителей, датчиков обратных связей и т.п.) оставляют нескомпенсированными.

Передаточные функции регуляторов выбирают с таким расчетом, чтобы получить достаточно быстро протекающий переходной процесс с малым перерегулированием – оптимальный переходной процесс.

2. Настройка на технический оптимум Для выбора желаемой передаточной функции был предложен так называемый технический оптимум (оптимум по модулю), соответствующий передаточной функции колебательного звена где Т µ - некомпенсируемая малая постоянная времени объекта управления.

Передаточная функция (5.1) замкнутого контура, настроенного на технический оптимум, соответствует передаточной функции колебательного звена с коэффициентом демпфирования равным Колебательное звено (5.1) образуется замыканием входа и выхода звена с передаточной функцией Выражение (5.2) представляет собой передаточную функцию разомкнутого контура, настроенного на технический оптимум.

Асимптотическая логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) разомкнутого контура при настройке на оптимум по модулю приведена на рис. 40, а на рис. 41 - переходная функция замкнутого контура, которая описывается уравнением Из рис. 41 видно, что выходной сигнал звена с передаточной функцией (5.1) при единичном входном сигнале будет отрабатываться со следующими показателями качества переходного процесса: перерегулирование – 4,3 %, время нарастания регулируемой величины до установившегося значения равно 4,71 Т µ, время регулирования равно 8,4 Т µ. За время регулирования принимают момент вхождения регулируемой величины в область значений, отличающихся от установившегося не более чем на ± 2% [8].

Оптимизация по модулю обычно используется для внутренних контуров регулирования тока [8].

Колебательное звено с передаточной функцией (5.1) не обеспечивает астатизма системы. Поэтому в случаях, когда требуется точное воспроизведение в статике при наличии посторонних возмущений, например в системах стабилизации скорости, применяется дополнительный интегральный регулятор (И – регулятор).

3. Настройка на симметричный оптимум С целью повышения порядка астатизма контура (и всей системы) применяется настройка на симметричный оптимум.

Передаточная функция разомкнутого контура в этом случае имеет вид:

Тогда передаточная функция замкнутого контура, настроенного на симметричный оптимум:

Асимптотическая ЛАЧХ разомкнутой системы при настройке на симметричный оптимум приведена на рис. 42, а на рис. 43 - переходная функция замкнутого контура, которая описывается уравнением Как видно из рис. 42, изломы ЛАЧХ расположены симметрично относительно частоты среза с, откуда и произошло название симметричный оптимум.

Из рис. 43 видно, что выходной сигнал звена с передаточной функцией (5.4) при единичном входном сигнале будет отрабатываться со следующими показателями качества переходного процесса: перерегулирование – 43,4 %, время нарастания регулируемой величины до установившегося значения равно 3,1 Т µ, время регулирования - 16,5 Т µ [8].

Настройка на симметричный оптимум обычно используется для контуров регулирования скорости [8].

Следует отметить, что системы, настроенные на симметричный оптимум, не имеют статической ошибки, однако большое значение перерегулирования требует принятия дополнительных мер по формированию задающего сигнала.

Как было показано выше, регуляторы вводятся в состав замкнутых систем электропривода для обеспечения точности и быстродействия, а также необходимых запасов устойчивости по модулю и фазе. Наряду с элементарными пропорциональным (П), интегральным (И), дифференциальным (Д) регуляторами достаточно часто применяются пропорционально-интегральный (ПИ), пропорционально-дифференциальный (ПД) и пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регуляторы.

Схемы аналоговой реализации перечисленных регуляторов, а также их передаточные функции и уравнения приводятся в табл.3.

Пропорциональный Пропорционально-интегральный Пропорционально-дифференциальный Пропорционально-интегрально-дифференциальный 5. Одноконтурная система управления электроприводом Функциональная схема одноконтурного электропривода постоянного тока с регулированием скорости приведена на рис.

44.

Электропривод имеет один замкнутый контур – контур регулирования частоты вращения электродвигателя, который содержит в своем составе сумматор, регулятор скорости (РС), силовой полупроводниковый преобразователь (СПП), электродвигатель (ЭД) и датчик скорости (ДС). Силовой полупроводниковый преобразователь получает питание от источника электрической энергии (ИЭЭ).

Отличительной особенностью данного электропривода является то, что в качестве электродвигателя используется двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ), работающий при неизменном потоке возбуждения. Отметим, что ДПТ НВ может иметь как электромагнитное, так и магнитоэлектрическое (от постоянных магнитов) возбуждение.

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ в этом электроприводе производится по цепи якоря, что называется однозонным регулированием.

Силовой полупроводниковый преобразователь может быть как тиристорным, так и транзисторным.

С целью задания допустимого темпа разгона и торможения привода в системе может быть применен задатчик интенсивнсти (ЗИ), формирующий на своем выходе линейно нарастающее напряжение при ступенчатой форме входного сигнала.

Если ограничение темпа разгона и торможения привода не требуется, то сигнал задатчика скорости (ЗС) u з.с подается на вход сумматора, минуя задатчик интенсивности.

Синтез системы управления проводим на основании структурной схемы линеаризованной системы электропривода, которая показана на рис. 45.

Предполагая, что ток якоря ia имеет непрерывный характер, при рассмотрении динамики линеаризованной системы воспользуемся следующими передаточными функциями ДПТ НВ по управлению и возмущению соответственно где - частота вращения двигателя; ua - напряжение якоря; с постоянная момента и ЭДС вращения якоря; Т эм - электромеханическая постоянная времени двигателя; Т э - электромагнитная постоянная времени якорной цепи; Ra - сопротивление цепи якоря; М с - момент статических сопротивлений.

Электромагнитную и электромеханическую постоянные времени определяют следующим образом где La - индуктивность цепи якоря; Ra - сопротивление цепи якоря; J - суммарный момент инерции ротора двигателя и механизма.

При анализе систем электропривода, построенных по принципу преобразователь – двигатель, в якорную цепь могут быть включены сглаживающий и уравнительные реакторы, параметры которых следует учитывать при расчете параметров Ra и La.

Если электромеханическая постоянная времени привода и электромагнитная постоянная времени якорной цепи таковы, что то передаточная функция ДПТ НВ по управлению может быть записана в виде где Т1 и Т 2 находятся как корни знаменателя (5.7):

Если учитывается инерционность фильтра на выходе тахогенератора, а СПП представить, как инерционное звено, то передаточная функция разомкнутого контура регулирования скорости будет иметь вид где WРС ( р ) - передаточная функция регулятора скорости; k П коэффициент передачи СПП; Т П - постоянная времени СПП;

k ДС - коэффициент передачи канала обратной связи по скорости; Т ДС - постоянная времени датчика скорости.

В таком случае за эквивалентную малую постоянную времени контура скорости следует принимать Некомпенсируемой постоянной времени в контуре скорости является Т µ, а большая Т1 и средняя Т 2 постоянные времени должны быть скомпенсированы.

Желаемая для настройки на технический оптимум передаточная функция разомкнутого контура скорости имеет вид Приравняв (5.14) и(5.16) видим, что для настройки контура скорости на оптимум по модулю необходимо применить ПИДрегулятор с передаточной функцией параметры которого выбираются на основании следующих выражений На основании проведенного синтеза системы управления разработана функциональная схема аналоговой реализации одноконтурного электропривода постоянного тока (рис. 46) [12].

Рассмотрим работу электропривода, а также назначение отдельных блоков. В состав силовой части электропривода (см.

рис. 46) входят ДПТ НВ, СПП и механическая часть привода. В информационную часть входят аналоговый регулятор скорости (РС), реализованный на базе операционных усилителей, и датчик скорости (ДС). В качестве ДС используется тахогенератор постоянного тока BR со сглаживающим фильтром на элементах C3, R15, R19. Резисторы R15, R19 представляют собой нагрузку тахогенератора. Сглаженное напряжение ДС u ДС, пропорциональное истинному значению скорости двигателя, подается на вход РС по каналу обратной связи с сопротивлением R11 и сравнивается с предписанным значением управляющего напряжения, задающим значение скорости на входном сопротивлении R10.

Значение скорости задается напряжением U з.с с помощью задатчика скорости (ЗС), а направление вращения – включением контактов S1 или S2.

Постоянная времени фильтра тахогенератора определяется по формуле Рис. отношение учитывает различие коэффициентов передачи регулятора скорости по каналу задания скорости и каналу обратной связи.

ПИД-регулятор скорости (см. рис. 46) выполнен на двух операционных усилителях DA4 и DA5, что позволяет разделить функции суммирования сигналов и получения пропорционально-интегрально-дифференциальных характеристик. Динамический коэффициент усиления канала обратной связи по скорости определяется через параметры входной цепи и цепи обратной связи регулятора Поскольку обратная связь по скорости является отрицательной, то для входных цепей РС в установившемся режиме можно записать откуда, например, для номинальной частоты вращения двигателя ном, которому соответствует входной сигнал U з.с.ном Зная U з.с.ном, k ДС и ном, можно определить требуемое отношение и при известных значениях допустимых входR ных сопротивлений используемого операционного усилителя (ОУ), задавшись величиной сопротивления одного резистора, определить величину сопротивления другого [12].

С целью задания допустимого темпа разгона и торможения привода в системе может быть применен задатчик интенсивнсти (ЗИ), формирующий на своем выходе линейно нарастающее напряжение при ступенчатой форме входного сигнала. ЗИ, показанный на рис. 46, включает в себя усилитель DA1 с высоким коэффициентом усиления, интегратор DA3 и инвертор DA2.

Предельное напряжение усилителя DA1 ограничено некоторым значением U з.огр с помощью блока ограничений на стабилитронах VD1, VD2. Если на вход ЗИ поступает ступенчатый сигнал, на выходе усилителя сразу устанавливается напряжение задания U з.огр и напряжение интегратора DA3 меняется в соответствии с выражением где зи - постоянная времени ЗИ ( зи = R5 C1 ).

Ускорение при разгоне и торможении двигателя, определяемое темпом изменения сигнала u зи, будет Значение ускорения должно быть выбрано так, чтобы при известном характере зависимости момента нагрузки М с от скорости якорный ток ia, определяемый из выражения не превышал допустимого значения.

Установка требуемого значения ускорения может быть осуществлена изменением U з.огр или зи.

В момент, когда напряжение на выходе ЗИ достигнет значения напряжения на его входе, усилитель DA1 выйдет из ограничения, обратная связь через усилитель DA2 замкнется и далее будет поддерживаться равенство uЗИ = U з.с.

Рассмотренная реализация одноконтурной системы регулирования скорости достаточно проста, что является ее достоинством, однако она обладает рядом недостатков, из которых можно отметить следующие:

1) для ограничения тока якоря должна быть предусмотрена специальная схема токоограничения;

2) система имеет сравнительно большую динамическую ошибку при изменении напряжения сети, так как процесс восстановления ЭДС преобразователя начинается только после возникновения отклонения скорости. Это особенно сильно сказывается в случае применения тиристорного преобразователя, когда колебания напряжения сети вызывают такие же колебания выходного напряжения преобразователя;

3) нелинейность характеристик преобразователя сказывается непосредственно на работе контура скорости.

6. Двухконтурная система управления Функциональная схема двухконтурного электропривода постоянного тока с подчиненным регулированием координат приведена на рис. 47.

Электропривод содержит два замкнутых контура: внутренний - контур регулирования тока якоря и внешний - регулирования частоты вращения электродвигателя. Внутренний контур по отношению к внешнему является подчиненным.

Внутренний контур содержит в своем составе сумматор, регулятор тока (РТ), силовой полупроводниковый преобразователь (СПП), электрическую часть привода (ЭЧ), в качестве которой рассматривают цепь якоря, и датчик тока (ДТ). Внешний контур скорости включает в себя сумматор, регулятор скорости (РС), оптимизированный внутренний контур тока, механическую часть электропривода (МЧ) и датчик скорости (ДС). Силовой полупроводниковый преобразователь получает питание от источника электрической энергии (ИЭЭ).

Рассматриваем вариант, когда в качестве электродвигателя (ЭД) используется ДПТ НВ, работающий при неизменном потоке возбуждения (однозонное регулирование).

Силовой полупроводниковый преобразователь может быть как тиристорным, так и транзисторным.

Синтез системы управления проводим на основании структурной схемы линеаризованной системы электропривода, которая показана на рис. 48.

Выше было сказано, что оптимизацию системы начинают с внутреннего (подчиненного) контура. В данном случае внутренним является контур регулирования тока.

При синтезе обратные связи считаем безынерционными.

предъявляемыми к электроприводу техническими и технологическими требованиями, а именно необходимостью ограничивать ток двигателя допустимыми значениями в переходных процессах пуска, звеньев: силовой полупроводниковый преобразователь и Рис. относительно медленного изменения ЭДС по сравнению со При регулировании тока электромеханическая связь, обусловленная внутренней связью по ЭДС, является возмущающим воздействием, снижающим точность регулирования.

При последовательной коррекции за счет выбора желаемой передаточной функции разомкнутого контура статическая ошибка регулирования тока исключается.

Поэтому при синтезе контура регулирования тока внутреннюю обратную связь по ЭДС размыкают, пренебрегая ее влиянием на динамику привода в процессах по управлению. При необходимости сигнал компенсации влияния ЭДС подается на регулятор тока параллельно с сигналом обратной связи по току.

В случае пренебрежения внутреней обратной связью по ЭДС двигателя передаточная функция разомкнутого контура тока запишется в виде где WРТ ( р ) - передаточная функция регулятора тока; Wац ( р ) передаточная функция якорной цепи; k ДТ - коэффициент передачи канала обратной связи по току.

Желаемая для настройки на технический оптимум передаточная функция разомкнутого контура регулирования тока где 2 - стандартный коэффициент настройки контура тока на технический оптимум; Т µ.i - малая постоянная времени контура регулирования тока, принимаемая равной Т П.

В частном случае значения коэффициента настройки контура тока на технический оптимум могут быть приняты в пределах от 1 до 4.

Передаточная функция объекта регулирования контура тока Приравнивая выражение (5.33) передаточной функции разомкнутого контура, настроенного на технический оптимум (5.32), определяем передаточную функцию регулятора тока тогда передаточную функцию регулятора тока можем представить в виде Таким образом, контур тока оптимизируется пропорционально-интегральным регулятором (ПИ-регулятором).

Следовательно, замкнутый контур регулирования тока имеет передаточную функцию вида При синтезе контура скорости слагаемым 2Т µ.i p 2 в (5.37) обычно пренебрегают ввиду малого значения Т µ.i. При этом передаточная функция объекта регулирования контура скорости будет иметь вид Желаемая для настройки на технический оптимум передаточная функция разомкнутого контура регулирования скорости при условии, что малая постоянная времени контура скорости будет иметь вид где 2 - стандартный коэффициент настройки контура скорости на технический оптимум.

В частном случае значения коэффициента настройки контура скорости на технический оптимум могут быть приняты в пределах от 1 до 6.

Очевидно, что в (5.43) Определяем передаточную функцию регулятора скорости Таким образом, контур скорости оптимизируется пропорциональным регулятором (П-регулятором).

Механическая характеристика электропривода с подчиненным регулированием координат в случае использования пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора тока и пропорционального (П) регулятора скорости показана на рис. 49.

Рассмотрим механическую характеристику на рис. Зона I (участок AB)– это зона действия регулятора тока, под контролем которого здесь происходит разгон двигателя при ограничении тока якоря на уровне максимального значения I a. max, допустимого по условиям коммутации. Этому току соответствует момент стопорения M СТ. Поддержание тока якоря на постоянном уровне обеспечивается за счет ограничения выходного сигнала регулятора скорости, являющегося сигналом задания тока.

Зона II (участок ВС) – это зона действия регулятора скорости. Очевидно, что в случае применения П-регулятора скорости имеется статическая ошибка регулирования скорости.

Если по условиям технологического процесса статическая ошибка регулирования скорости недопустима - необходимо настроить контур скорости на симметричный оптимум.

Желаемая для настройки на симметричный оптимум передаточная функция разомкнутого контура регулирования скорости В знаменателе первой дроби (5.43) 8 - стандартный коэффициент настройки контура скорости на симметричный оптимум.

В частном случае значения коэффициента настройки контура скорости на симметричный оптимум могут быть приняты в пределах от 4 до 16.

Определяем передаточную функцию регулятора скорости Обозначим тогда передаточную функцию регулятора скорости можем представить в виде Таким образом, контур скорости оптимизируется пропорционально-интегральным регулятором (ПИ-регулятором).

Механическая характеристика электропривода с подчиненным регулированием координат в случае использования ПИ-регулятора тока и ПИ-регулятора скорости показана на рис. 50.

Рассмотрим механическую характеристику на рис. 50.

Зона I (участок AB) соответствует разгону двигателя при ограничении тока якоря и полностью аналогична случаю, рассмотренному выше.

Зона II (участок ВС) – это зона действия регулятора скорости. Очевидно, что в случае применения ПИ-регулятора скорости статическая ошибка регулирования скорости отсутствует, поскольку участок ВС проходит параллельно оси момента.

На основании проведенного синтеза системы управления разработана функциональная схема аналоговой реализации двухконтурного электропривода постоянного тока с подчиненным регулированием координат (рис. 51) [12].

Пуск в схеме на рис. 51 осуществляется подачей на вход аналогового РС напряжения задания скорости u з.с, значение которого U з.с определяет заданный уровень скорости. Под действием большого входного сигнала РС сразу уходит в зону ограничения, а на его выходе устанавливается напряжение Контур скорости при этом размыкается, поскольку коэффициент усиления РС становится равным нулю.

Регулятор скорости (см. рис. 51) выполнен на операционном усилителе DA1 и показан на схеме как П-регулятор.

Характеристика регулятора скорости с ограничением выходного напряжения показана на рис. 52.

На входные сопротивления регулятора тока R6 и R7 подаются сигналы задания тока якоря с регулятора Назначением датчика тока, включенного на шунт RS1, является преобразование тока якоря в пропорциональное ему напряжение, соответствующее уровню стандартного напряжения элементов системы управления, а также гальваническая развязка якорной цепи двигателя и цепей управления [12]. Выходное напряжение РТ, выполненного на операционном усилителе DA2, подается на систему управления СПП. На схеме (см. рис. 51) показан ПИ-регулятор тока.

Для ограничения выходного напряжения СПП в цепи обратной связи операционного усилителя DA2 могут быть установлены стабилитроны VD5 и VD6.

Поскольку напряжение u РС является задающим сигналом для контура тока, ток якоря ia при пуске поддерживается примерно постоянным на уровне максимального значения I a. max, допустимого по условиям коммутации. При постоянном моменте статических сопротивлений M c разгон двигателя происходит с постоянным ускорением.

В этот период пуска для входных цепей регулятора тока можно записать где U ДТ max - максимальное напряжение на выходе датчика тока.

Напряжение U ДТ max определяем по формуле где k ДТ - коэффициент передачи датчика тока.

По мере рагона двигателя растет напряжение датчика скорости где k ДС - коэффициент передачи датчика скорости.

Когда u ДС достигнет значения, определяемого уровнем регулятор скорости выйдет из ограничения.

Вследствие еще продолжающегося увеличения скорости напряжение u РС и ток якоря ia будут уменьшаться. Установившееся состояние, к которому придет система, будет характеризоваться значением u РС, соответствущим данному моменту статических сопротивлений M c.

В канале обратной связи по току может быть реализована задержанная обратная связь по току, называемая токовой отсечкой. Для реализации токовой отсечки в схему на рис. 51 должны быть введены стабилитроны VD3 и VD4. Уравнения обратной связи по току при этом будут иметь вид:

где I отс - значение тока отсечки, после превышения которого вступает в действие обратная связь по току.

Очевидно, что механическая характеристика, представленная на рис. 53, будет получена в системе с ПИ-регулятором тока и П-регулятором скорости (на участке II имеется статическая ошибка регулирования скорости ). Чтобы исключить ошибку необходимо применить ПИ-регулятор скорости.

7. Электропривод постоянного тока с адаптивным Адаптивное управление нестационарными системами электроприводов может заключаться не только в изменении параметров регуляторов в соответствии с изменением параметров объектов управления, но и в изменении структуры регуляторов и структуры системы управления в целом. Необходимость такой перенастройки возникает обычно в тех случаях, когда существенно меняются динамические свойства систем электроприводов. Связано это главным образом с изменением режимов их работы. Существенное изменение динамических свойств системы электропривода происходит, например, при переходе вентильного электропривода постоянного тока из режима непрерывных токов преобразователя в режим прерывистых токов [12].