Конспект лекций Системы управления электроприводами

Подождите немного. Документ загружается.

В тех случаях, когда требования к точности поддержания скорости не высоки,

применяется обратная связь по ЭДС и еще проще по напряжению.

Структура, основные свойства, методика расчета и наладки электроприводов с

обратными связями по ЭДС и по напряжения в принципе такие же, как и для

электроприводов с обратной связью по скорости.

Достоинства, недостатки и области применения многоконт

урных систем подчиненного

регулирования.

Достоинства:

1 Простота синтез и практическое воплощение САУ с большим числом регулируемых

параметров.

2 Возможность построения различных САУ с помощью небольшого числа

унифицированных элементов.

3 Возможность получения динамических процессов, близких к предельному

быстродействию с малым перерегулированием, как при больших, так и при малых

возмущениях.

4 Простота ограничения любой ре

гулируемой величины, возможность изменять

уровень ограничения и делать последний зависящим от других параметров.

5 Малые изменения скорости даже при больших колебаниях напряжения сети, т.к.

сразу же вступает в действие РТ, обладающий высоким быстродействием.

6 Простота обеспечения равномерного распределения тока между параллельно

работающими преобразователями.

7 Простота наладки и настройки благодар

я независимости настройки внутренних

контуров регулирования от настройки внешних и возможности использования метода

последовательной настройки. Возможность настройки контура тока при неподвижном якоре.

8 Высокая эксплуатационная надежность и относительная простота обслуживания

благодаря агрегатному принципу выполнения блоков управления, позволяющему заменять

вышедшие из строя блоки исправными запасными.

9 Возможность широкой унификации СУ ЭП с системами автоматизации

технологических проц

ессов. Простота связи с бесконтактными логическими элементами и

вычислительными устройствами, облегчающая автоматизацию технологических процессов.

10 Снижение стоимости и сокращение времени проектирования.

11 Простота способов расчета и настройки, позволяющая даже при значительных

погрешностях в определении динамических параметров ЭП получить вполне

работоспособные системы.

Недостатки:

1 Неустойчивая работа ЭП в области прерывистого ток

а, т.е. при малых нагрузках и

знакопеременном моменте нагрузки.

2 Невозможность уменьшения ниже некоторого предела статического (в однократно-

интегрирующей системе) и динамического (в двукратно-интегрирующей системе) падения

скорости при набросе нагрузки, т.к. коэффициент контура на ОМ, так и СО обратно

пропорционален коэффициенту усиления объекта регулирования. Это обстоятельство

затрудняет применение систем подчиненного регу

лирования для тех ЭП с широким

диапазоном регулирования скорости, которые требуют высокой точности ее поддержания,

как в статических, так и переходных режимах.

3 Влияние электромагнитных малых постоянных времени и необходимость

экранизации цепей управления, обусловленное применением усилителей с высоким

коэффициентом усиления.

4 Сильное влияние изменений параметров системы на ее поведение. Использование

параллельн

ой коррекции при большом коэффициенте усиления охватываемого звена

нестабильность параметров этого звена сказывается мало. При последовательной коррекции

изменение параметров сказывается очень сильно. Поскольку у реальных объектов

регулирования передаточные коэффициенты и другие параметры изменяются (передаточный

коэффициент

ВП

), то оптимизация контуров регулирования обеспечивается не во всем

диапазоне, а лишь близ точки линеаризации.

5 Отбрашивание членов второй степени в передаточных функциях внутренних

контуров регулирования, применяемое при упрощенном методе расчета настройки внешних

контуров, допустимо лишь в тех случаях, когда между «малыми» постоянными времени двух

смежных контуров удовлетворяется соотношение

)1(

≥

−Σ

Суммирование «малых» постоянных времени, находящимся в прямом канале передачи

воздействий и канале обратной АСР, не вполне правомерно и приводит к погрешностям.

Уточненные формулы существенно усложняют расчеты и делают их менее наглядными.

6 Уменьшение быстродействия при увеличении числа контуров регулирования.

7 Необходимость иметь обслуживающий персонал высокой квалификации вследствие

сложности систем.

Указанные недостатки во многих сл

учаях не являются существенными. В настоящее

время системы подчиненного регулирования широко применяются в различных отраслях

промышленности и с каждым годом все шире внедряются в системах ЭП.

Глава 5 Системы управления скоростью электроприводов

переменного тока

5.1 Особенности и классификация управления электроприводов переменного тока

Системы управления электроприводов переменного тока строятся так же, как и система

постоянного тока, по принципу “управляемый преобразователь-двигатель” с различными

обратными связями, позволяющими непрерывно контролировать управляемые координаты

электропривода.

Управляемыми преобразователями в таких системах являются преобразователи

переменного напряжения и преобразователи частоты (ПЧ). Простой маловентильный

преобразователь переменного напряжения (ТПН) позволяет создать систему управления типа

ТПН-АД, позволяющие ре

гулировать скорость электропривода в небольших пределах,

формировать требуемые статические и динамические характеристики и улучшать

энергетические и технико-экономические показатели.

Использование в системах управления электроприводов переменного тока и

преобразователей частоты позволяет создавать системы асинхронного или синхронного

электроприводов: ПЧ-АД или ПЧ-СД, системы с двигателями двойного питания,

обеспечивающие частотное у

правление скоростью и моментом электропривода. В качестве

преобразователей частоты используются преобразователи частоты с непосредственной

связью (НПЧ) и со звеном постоянного тока, с автономными инверторами напряжения

(АИН) и тока (АИТ). Такие системы, построенные по принципу подчинённого

регулирования координат с векторным и, в частности, частотно-токовом управлением,

обеспечивают высокие диапазоны регу

лирования скорости в статических режимах и высокое

быстродействие в динамических.

5.2 СУЭП переменного тока с тиристорным преобразователем напряжения

Регулирование напряжения в ТПН осуществляется с помощью тиристоров с различным

схемами их включения. Наибольшее распространение получили ТПН с использованием двух

тиристоров включенных по встречно-параллельной схеме в каждой фазе с нулевым и без

нулевого вывода при соединении обмоток статора в звезду или треугольник (рисунок 5.1 а, б,

в). В такой схеме при условном направлении вращения вала двигателя “Вперёд” включают

ся

тиристоры VS1-VS6, а при направлении “Назад” VS7-VS10. ТПН используются также и при

динамическом торможении. Включение требуемых тиристоров VS производится системой

импульсно-фазового управления (СИФУ), обеспечивающей подачу импульсов управления на

требуемые тиристоры.

Анализ работы ТПН затруднён, так как напряжение на его выходе является функцией

не только угла у

правления

то и угла нагрузки

(на основе эквивалентной схемы рисунок

5.3 а):

(5.1)

где R

, X

– эквивалентные активное и индуктивное сопротивления нагрузки согласно

схеме замещения (рисунок 5.3 б) фазы асинхронного двигателя:

arctg=

A B C 0

VS1-VS6

а)

VS1-VS6

б)

VS1-VS6

в)

Рисунок 5.1 – Схема включения тиристоров в электропривод с ТПН

VS1

VS2

VS3

VS4

VS7

VS8

VS9

VS10

VS5

VS6

A B C

Рисунок 5.2 – Схема реверсивного электропривода с ТПН

Rэ

Xэ

U1ф

а)

R1 X1

X2`

R2`

U1ф

б)

Рисунок 5.3 – Схема эквивалентная и замещения асинхронного двигателя

M(I)

321

Рисунок 5.4 – Механические характеристики при регулировании угла управления

разомкнутой системе ТПН – АД

(5.2)

Здесь

1+=

;

1+=

Характеристики ТПН рассматриваются в виде семейства характеристик

),(

ТПН

Выходное напряжение, как правило, представляют первой гармоникой так как другие

гармоники (высшие нечёткие) оказывают незначительное влияние на момент двигателя.

Система управления асинхронным электроприводом ТПН-АД с суммирующим

усилителем

Механические характеристики при регулировании угла α в разомкнутой системе

показаны на рисунке 5.4. Такая система практически не обеспечивает регулирование

скорости. Для регулирования скорости и получения жёстких механических характеристик

необходима замкнутая система управления с обратной связью по скорости двигателя, сигнал

которой обеспечивается тахогенератором (датчиком скорости). Также используются

обратные связи по напряжению или току статора или ротора (для двигателя с фазн

ым

ротором). Расчёт параметров таких связей в системах управления с ТПН вызывает

затруднения из-за несинусоидальной формы напряжения и тока.

Функциональная схема СУЭП с ТПН позволяющая получить жёсткие механические

характеристики приведена на рисунке 5.5 а, а механические характеристики при заданном

диапазоне регулировании скорости двигателя

minmax

D приведены на рисунке 5.5 б.

Задание скорости осуществляется задающим напряжением U

, снимаемым с задатчика

скорости RP. Сигнал обратной связи по скорости обеспечивается тахогенератором

постоянного тока BR. Сигнал управления подаётся на усилитель А (характеристика которого

приведена на рисунке 5.5 в). Выходное напряжение усилителя U

УП

ограничено

стабилитроном V2, включённым на входе усилителя до значения U

УП.MAX

. Напряжение U

УП

подаётся на СИФУ ТПН, регулировочная характеристика которого приведена на рисунке 5.5

г.

Стабилизация скорости двигателя при изменении его нагрузки в установившемся

режиме работы осуществляется следующим образом. При малой нагрузке, когда Мс<Мс

(рисунок 5.5 б), скорость двигателя близка к синхронной и разность U

-U

отрицательная.

Диод V1 не пропускает ток управления, U

УП

=0 и угол управления тиристорами максимален

max

, выходное напряжение ТПН минимальное и скорость двигателя определяется

характеристикой при α

. При Мс=Мс

и некоторой скорости ω

станет U

З1

, а при

дальнейшем снижении скорости диод V1 откроется, появится напряжение управления

преобразователя и СИФУ будет постепенно снижать угол управления тиристоров, что

приведёт к повышению напряжения на обмотке статора двигателя. Скорость двигателя при

этом будет определяться промежуточными характеристиками при α

, α

в точках 2, 3,

4, 5.

При дальнейшем повышении нагрузки и снижении скорости ниже ω

разность U

З1

-U

ограничивается максимальной величиной, равной напряжению стабилизации стабилитрона

V2, а соответствующее этому напряжение управления преобразователя U

УП.MAX

обеспечивает

в СИФУ минимальный угол управления тиристорами α

min

(рисунок 5.5 г).

)(

221

XCXCC

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ТПН подаёт полное напряжение на обмотку статора двигателя и дальнейшее снижение

его скорости происходит по характеристике при α

Uуп

VS1-VS6

Uу

Uз

а)

Uз1

Uз2

Uз3

Uуп

Uу

Uуп.max

Uv2

б) в)

180

135

град

Uуп.max

г)

Рисунок 5.5 – Функциональная схема и характеристики замкнутой

системы ТПН-АД

При уменьшении задающего напряжения режим стабилизации скорости будет

происходить при меньших значениях скорости в пределах от

до

при U

З2

Следовательно изменяя U

получаем регулирование скорости двигателя.

Установившийся режим в системе управляется ТПН-АД описываются следующими

уравнениями:

)(

СЗУУП

КUКU

−

, (5.3)

где U

– напряжение задания скорости;

УП

– напряжение управления ТПН;

– коэффициент усиления промежуточного усилителя.

Угол управления ТПН определяется на основе регулировочной характеристики СИФУ

(рисунок 5.5 г):

УПУППР

UК

−

, (5.4)

где

ПР

=150° - предельное значение угла управления для схемы представленной на

рисунке 5.1 б;

УП

UΔΔ

- коэффициент передачи СИФУ.

Из выражений 5.3 и 5.4 определим

)(

СЗУПУПР

КUКК

−

. (5.5)

Уравнение скоростной характеристики в замкнутой системе ТПН-АД получим из

выражения 5.5:

УПУС

ПР

КККK

αα

ωωω

−

−=Δ−=

. (5.6)

Уравнение (5.6) позволяет построить механические и электромеханические

характеристики в замкнутой системе ТПН-АД при определённых углах управления α по

построенным характеристикам разомкнутой системы

);(

, при тех же значениях α с

учётом угла нагрузки ϕ.

Для получения аналитического выражения механической характеристики используем

уравнение электромагнитного момента АД:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

. (5.7)

С некоторой погрешностью можно принять:

СР

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

, (5.8)

где М

ωСР

– момент АД при номинальном напряжении U

(т.е. при полностью открытом

ТПН), для средней скорости ω

СР

в заданном диапазоне регулирования скорости.

Тогда имеем:

UMM

= (5.9)

здесь при анализе целесообразно использовать зависимость

),(

УП

UfU =

приведённую на рисунке 5.6.

Uуп

Uуп.мах

=40=60=90

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Рисунок 5.6 – Характеристики АД

),(

УП

UfU =

Рисунок 5.7 – Характеристики АД

)(

ТПН

Uуп

Uу

Uз

Uто

30 60

120

1/c

Iотс1

Iотс2

Iотс3

Рисунок 5.8 – Функциональная схема СУЭП с обратными связями по скорости и току

Учитывая, что в замкнутой системе ТПН-АД скорость двигателя в установившихся

режимах работы изменяется в небольших пределах, то при этом угол нагрузки ϕ можно

принять примерно постоянным. Это видно из характеристики на рисунке 5.7, полученной на

основе уравнения 5.1 (для конкретного АД). Для заданного диапазона регулирования

скорости из графика (рисунок 5.7) найдём соответствующее значение уг

ла нагрузки ϕ,

выберем для этого угла кривую ),(

УП

UfU = из рисунка 5.6, линеаризуя её, получим:

УПП

UKU

/*2

= , (5.10)

где

УП

УПП

UfK

),(

- коэффициент передачи ТПН как функция U

УП

при

определённом значении ϕ.

Уравнение механической характеристики системы ТПН-АД получим из выражений 5.3;

5.9; 5.10:

СРПУC

МКKK

ωωω

−=Δ−= . (5.11)

То же можно сделать, воспользовавшись зависимостями на рис. 5.6 и уравнениями 5.5

и 5.9, а также

)(

//*2

αα

−=

ПРПУП

КKU , (5.12)

где

αϕα

ΔΔ==

),( UfK

- коэффициент передачи ТПН как функция при

определённом значении ϕ.

Следовательно

СРПУПУС

МКККК

ωωω

−=Δ−=

. (5.13)

Uз1

Uз2

Uз3

в)