Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

2. Номинальная скорость вращения асинхронного двигателя 735об/мин.

Каково число пар полюсов этого двигателя?

3. В паспорте асинхронного двигателя с фазным ротором указано, что

номинальная э.д.с. ротора Е

=240В. При какой скорости вращения двигателя

напряжение на кольцах ротора будет равно указанному значению?

4. Как зависит максимальный момент асинхронного двигателя от вели-

чины питающего напряжения?

5. Что нужно сделать, чтобы изменить критическое скольжение асин-

хронного двигателя?

6. При каких скольжениях асинхронный двигатель работает в режиме

рекуперативного торможения, торможения противовключением?

7. От чего зависит величина индуктивного сопротивления обмотки рото-

ра асинхронного двигателя?

8. Почему у асинхронного короткозамкнутого двигателя пусковой ток

составляет 5,5-6 от номинального, а пусковой момент близок к номинальному?

9. Как реализуется способ динамического торможения асинхронного

двигателя?

10.Поясните принцип изменения числа пар полюсов многоскоростного

асинхронного двигателя.

11.Чему будут равны потери в роторе асинхронного двигателя, если он

путем снижения величины питающего напряжения работает со скоростью 70%

от синхронной при номинальном моменте на его валу?

12.Для чего в цепь ротора асинхронного двигателя с фазным ротором

при пуске включают добавочные сопротивления?

13.Что показывает угловая характеристика синхронного двигателя?

14.Для чего служит короткозамкнутая обмотка (беличья клетка) на рото-

ре синхронного двигателя?

15.Какие источники тока используются для возбуждения синхронного

двигателя?

16.С какой целью регулируют ток возбуждения синхронного двигателя?

17. Что нужно сделать, чтобы коэффициент мощности в цепи статора

синхронного двигателя стал опережающим?

18.Синхронный двигатель работал в режиме, при котором cosφ

, = 1. Как

изменится ток статора, если при той же нагрузке на валу увеличить ток возбуж-

дения?

19.Асинхронный двигатель имеет номинальную скорость 980 об/мин.

Какова будет частота тока ротора при работе его в номинальном режиме?

Глава 4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕК-

ТРОПРИВОДА

4.1. Регулируемый электропривод - основной вид автоматизи-

рованного электропривода

Применение регулируемого электропривода в составе технологических

машин и агрегатов обычно связано с одним из следующих обстоятельств:

- необходимостью оперативного управления ходом технологического

процесса (электроприводы грузоподъемных кранов, экскаваторов, реверсивных

прокатных станов и других машин);

- необходимостью устанавливать и точно выдерживать технологический

режим (электроприводы станов непрерывной прокатки, бумагоделательных ма-

шин, отделочных агрегатов текстильной промышленности и др.);

- необходимостью корректировки технологического процесса (электро-

приводы питателей, дозаторов и др.);

- автоматическим управлением режимом обработки материала (электро-

приводы станков с ЧПУ и др.);

- стремление оптимизировать технологический процесс по затратам

электроэнергии (электроприводы насосов, вентиляторов, компрессоров).

Приведенный перечень обстоятельств, обуславливающих необходимость

или целесообразность применения регулируемого электропривода, может быть

расширен и дополнен.

По мере развития рабочих машин и механизмов, применения высоких

технологий потребность в регулируемых электроприводах существенно возрос-

ла, и автоматизированный регулируемый электропривод составляет энергетиче-

скую и кибернетическую (с точки зрения управления) основу большинства ра-

бочих машин и агрегатов во всех технологических областях.

Автоматизированный электропривод выполняет две технологические

функции:

- преобразование электрической энергии в механическую, необходимую

для осуществления данного технологического процесса;

- управление технологическим процессом, причем с определенной сте-

пенью оптимизации этого процесса по ряду критериев, таких как: обеспечение

максимальной производительности, точности и качества обработки, минималь-

ного расхода энергии и т.п.; конкретные задачи управления многообразны и оп-

ределяются характером технологического процесса.

Вторая функция автоматизированного электропривода всецело связана с

необходимостью регулирования величин, характеризующих движение электро-

привода (скорости, момента, положения рабочего органа). Выполнение этой

функции возможно только посредством использования регулируемого электро-

привода. Использование для целей регулирования механических или гидравли-

ческих средств (вариаторы, коробки передач, гидромуфты и др.) сегодня являет-

ся технически и экономически неоправданным.

Под регулируемым электроприводом понимается электропривод, обес-

печивающий плавное с необходимой точностью регулирование скорости (или

момента) в заданном диапазоне. Однако требования к регулируемому электро-

приводу этим не ограничиваются. Система управления регулируемого электро-

привода должна обеспечивать также заданный характер переходных процессов

при изменении скорости, момента или других параметров электропривода.

Поскольку по своим электромеханическим свойствам электродвигатели

в естественной схеме включения в питающую сеть не могут обеспечить регули-

рование параметров движения электропривода с нужным качеством, для созда-

ния регулируемого электропривода приходится преобразовывать электрическую

энергию, подводимую к (или отводимую от) двигателю. Преобразование элек-

трической энергии осуществляется посредством полупроводниковых преобра-

зователей.

Регулируя параметры преобразованной электрической энергии (частоту,

напряжение, форму и длительность импульсов и др.) удается получить требуе-

мые для регулируемого привода механические и динамические характеристики.

Для управления параметрами (напряжение, частота и др.) полупроводниковых

преобразователей, входящих в состав регулируемого электропривода, служат

внутренние контуры автоматического регулирования -это регуляторы тока,

э.д.с., тока возбуждения и др. В этом смысле регулируемый электропривод все-

гда является автоматизированным, т.к. содержит средства автоматического

управления, формирующие характеристики электропривода.

Внешние контуры регулирования определяют переменные, характери-

зующие движения электропривода: скорость или положение рабочего органа.

Обычно эти контуры регулирования являются замкнутыми, т.е. содержат отри-

цательную обратную связь по регулируемому параметру и соответствующий ре-

гулятор. Типичная схема замкнутого контура регулирования скорости представ-

лена на рис.4.1.

Задание на скорость uзс может фор-

мироваться вручную - машинистом экскава-

тора, крановщиком, оператором и др., или

автоматически - от системы числового про-

граммного управления (системы ЧПУ в при-

приводе станков), от технологических регуляторов или управляющих устройств

верхнего уровня автоматизации.

Передаточная функция регулятора скорости W

РС

(р) выбирается такой,

чтобы обеспечить требуемое качество регулирования по статическим (диапазон,

точность) и по динамическим показателям (быстродействие, перерегулирование,

колебательность).

Двигатели, полупроводниковые преобразователи электрической энергии,

датчики и устройства автоматического регулирования в своей совокупности об-

разуют систему регулируемого электропривода. Эти системы различаются, пре-

жде всего, по виду приводного электродвигателя, а также по виду используемых

полупроводниковых преобразователей электрической энергии, питающих дви-

гатель.

Регулирование скорости - это принудительное посредством системы

управления изменение скорости, исходя из требований технологического про-

цесса. Такое регулирование производится при подаче на вход системы регули-

рования управляющего воздействия. Однако регулирование скорости может

производиться и при неизменном управляющем воздействии, когда задача регу-

лирования заключается в стабилизации скорости при появлении возмущающих

воздействий, например при изменении нагрузки, прикладываемой к валу элек-

тродвигателя.

4.2. Показатели качества регулирования скорости

Одним из основных показателей, характеризующих регулирование ско-

рости электропривода, является диапазон регулирования. Диапазон регулирова-

ния D - это отношение максимальной установившейся скорости электропривода

к минимальной при изменении нагрузки на валу двигателя в заданных пределах.

Определение величины диапазона регулирования показано рис.4.2.

Положим, что электропривод имеет

прямолинейные механические характеристи-

ки. Прямая 1 соответствует максимальной по

скорости механической характеристике.

Положим, что регулировочные

характеристики привода будут перемещаться

вниз параллельно характеристике 1, имея ту

же жесткость β что характерно для

большинства современных систем

регулируемого электропривода. Нижняя предельная характеристика, которая

будет обеспечивать требуемый максимальный момент, будет характеристика 2.

Диапазон регулирования будет равен отношению максимальной скорости к ми-

нимальной, которые определяются по среднему моменту из заданных мини-

мального и максимального его значений [8]

минмакс

ср

ММ

−

мин

макс

== (4.1)

Из графиков рис.4.2. найдем:

ωω

минмакс

макс

ММ +

−=

ωω

минмакс

мак

ММ

−

−=

Подставляя эти значения в (4.1), получим:

минмакс

ММ

−

βω

(4.2)

Здесь и далее β - абсолютное значение жесткости.

Из формулы (4.2) следует, что диапазон регулирования зависит от жест-

кости механических характеристик привода: чем больше жесткость, тем больше

диапазон регулирования.

Вторым важным показателем

качества регулирования является

точность регулирования скорости.

Статическая ошибка Δω

характеризует

реакцию электропривода на приложение

(снятие) нагрузки. Если мы анализируем

регулируемый электропривод, имеющий

линейные (линеаризованные)

механические характеристики, которые в зависимости от управляющего воздей-

ствия могут плавно перемещаться вниз от основной с постоянной жесткостью β

(см. рис. 4.3), то абсолютная статическая ошибка будет равна:

=Δ

(4.3)

Эта ошибка при постоянной жесткости механических характеристик бу-

дет одна и та же во всем диапазоне регулирования.

Относительная величина ошибки находится как отношение аб-

солютной ошибки к базовой (заданной) скорости. Она тем больше, чем меньше

заданная скорость.

зад

=Δ (4.4)

Из (4.3) и (4.4) следует, что величина статической ошибки, связанной с

возмущением по нагрузке, обратно пропорциональна жесткости механически

характеристик: чем больше жесткость, тем меньше статическая ошибка.

Нижнее значение скорости ω

мин

заданного диапазона регулирование ско-

рости может ограничиваться также требуемой точностью регулирования (ста-

тизмом). В соответствии с (4.4) точность поддержания заданной скорости, как

величина относительная, будет тем хуже, чем меньше заданная минимальная

скорость. Поэтому условие выполнения заданной точности будет

доп

мин

Δ≤

=Δ

Учитывая, что

МминМ

макс

−

=Δ

получим

доп

макс

мин

МминМ

Δ⋅

−

Тогда диапазон регулирования скорости из условия обеспечения задан-

ной точности будет

минмакс

минмаксдоп

мин

макс

ММ

−

)2(

βω

(4.5)

Обычно жесткость механических характеристик электропривода с ра-

зомкнутой системой управления недостаточна для достижения требуемого диа-

пазона регулирования и требуемой статической

точности. Потому в регулируемых электроприводах,

как правило, используются замкнутые по скорости

системы регулирования.

Рассмотрим влияние отрицательной обратной

связи по скорости на механические характеристики

электропривода.

На рис.4.4 представлена структурная схема

электропривода с разомкнутой системой управления

(рис.4.4,а) и с системой управления, включающей в

себя отрицательную жесткую обратную связь по

скорости, т.е. с замкнутой по скорости системой

управления (рис.4.4,б). При разомкнутой системе

управления заданная скорость определяется как ω

зад

= к

зад

(см. рис.4.4,а).

Величина статической ошибки, возникающей при приложении момента

нагрузки М

, будет зависеть от жесткости механических характеристик (см. 4.3).

Разомкнутая система управления не может автоматически компенсировать или

уменьшить ошибку по возмущению.

В замкнутой системе управления с жесткой отрицательной обратной свя-

зью по контролируемому параметру (в рассматриваемом случае по скорости)

величина этого параметра через датчик скорости с передаточным коэффици-

ентом к

подается с отрицательным знаком на вход системы регулирования

сосс

кх

(4.6)

Таким образом, регулирование скорости производится по величине

ошибки, т.е. разности между заданным и действующим значениями скорости

оссзаду

ххх

−

(4.7)

Рассмотрим механизм действия отрицательной обратной связи (см.

рис.4. 5). Пусть характеристики 1 - механические характеристики привода с ра-

зомкнутой системой управления. Если задано значение скорости ω

0зад

, то при М

= 0 привод будет работать с заданной скоростью. При приложении нагрузки М

и разомкнутой системе регулирования скорость двигателя снизится на величину

∆ω, пропорциональную отрезку ав. При этом двигатель работает на механиче-

ской характеристике, определяемой прямой ω

0зад

-в, имеющей жесткость β и про-

садка скорости определяется величиной ∆ω

= М

/ β .

В замкнутой системе регулирования процесс изменения скорости проте-

кает иначе. После приложения нагрузки скорость начнет снижаться. При этом

будет уменьшаться сигнал обратной связи по скорости к

ω. в результате чего

разность (х

зад

-х

осс

) увеличится, а, следовательно, увеличится сигнал задания ско-

рости ω

зад

)

(

оссзадузад

ххк

−

(4.8)

Увеличение сигнала задания скорости холостого хода произойдет до ве-

личины ω

об

, и двигатель автоматически перейдет на механическую характери-

стику ω

об

-б

и после завершения переходного процесса будет работать в точке б.

В результате установившаяся ошибка скорости составит ∆ω

замк

, определяемую

отрезком аб, существенно меньшим, чем это было бы в разомкнутой системе

ав

аб

замкс

(49)

Если статический момент равен М

сг

то привод будет работать в точке г,

если М

= М

се

то привод будет работать в точке е.

Мы видим, что механическая характеристика замкнутой системы пред-

ставляет собой совокупность точек ω

0зад

-г-б-д-е, принадлежащих механическим

характеристикам разомкнутой системы с различными значениями скорости хо-

лостого хода. Жесткость β

замк

механической характеристики замкнутой системы

(прямая 2) будет выше жесткости характеристик разомкнутой системы.

Механическая характеристика замкнутой системы будет

замк

ωω

−=

где ω

определяется из (4.8)

оссзаду

ххк

−−= )(

ωω

сузаду

ккхк

−−=

откуда

)1(1

су

заду

кк

хк

−

обозначив к

=К - коэффициент усиления разомкнутой системы (при

разрыве обратной связи по скорости), получим

)1(1 К

хк

заду

−

или

замк

замкзаду

хк

−=

где )1( К

замк

4.10)

Мы видим, что жесткость механических характеристик в замкнутой сис-

теме увеличивается по сравнению с жесткостью механических характеристик

разомкнутой системы в (1+К) раз.

Следовательно, статическая ошибка уменьшается в (1+К) раз