Онищенко Г.Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок

Подождите немного. Документ загружается.

Под регулируемым электроприводом понимается электро-

ход, обеспечивающий плавное с необходимой точностью ре-

трование скорости (или момента) в заданном диапазоне. Од-

0 этим требования к регулируемому электроприводу не огра-

иваются. Система управления регулируемого электропривода

ясна обеспечивать также заданный характер переходных про-

сов при изменении скорости, момента или других параметров

Ьктропривола

[. Поскольку по своим электромеханическим свойствам элек-

двнгатели в естественной схеме включения в питающую сеть

могут обеспечить регулирование параметров движения элек-

' привода с нужным качеством, для создания регулируемого

тропривода приходится преобразовывать электрическую

гию, подводимую к (или отводимую от) двигателю Преоб-

вапие электрической энергии осуществляется посредством

проводниковых преобразователей.

Регулируя параметры преобразованной электрической энер-

Н (частоту, напряжение, форму и длительность импульсов и

) удается получить требуемые для регулируемого привода ме-

ргеские и динамические характеристики. Для управления па-

страми (напряжение, частота и др.) полупроводниковых пре-

зователей. входящих в состав регулируемого элекгроприво-

служат внутренние контуры автомат ического регулирования -

регуляторы тока, эдс. тока возбуждения и др. В этом смысле

|улируемый электропривод всегда является автоматизироваи-

м, т.к. содержит средства автоматического управления, фор-

юшие характеристики электропривода.

Внешние контуры регулирования определяют параметры

1жения электропривода: скорость или положение рабочего ор-

А Обычно эти конгуры регулирования являются замкнутыми.

содержат отрицательную обратную связь по регулируемому

раметру и соответствующий регулятор. Типичная схема замк-

го контура регулирования скорости представлена на рис.5.1.

Задание иа скорость может формироваться пручную - маши-

м экскаватора, крановщиком, оператором и др., или автома-

скн - от системы числового программного управления (сис-

ы ЧПУ) в приводе станков, от технологических регуляторов

" управляющих вычислительных машин верхнего уровня ав-

Цтизацин.

Передаточная функция регулятора скорости

УУ:т(р)

выбира-

такой, чтобы обеспечить требуемое качество регулирования

по статическим (диапазон, точность) и по динамическим показа

телям (быстродействие, перерегулирование, колебательность).

ДвпгаТели, полу

проводниковые пре-

образователи элек-

трической энергии,

датчики и устройст-

ва автоматического

регулирования пара-

метров электропри-

вода в своей сово-

купности образуют

систему регулируе-

мого электропривода

Эти системы разли-

чаются. прежде все-

го, гю виду приводного электродвигателя, а также по виду ис-

пользуемых полупроводниковых преобразователей электриче-

ской энергии, питающих двигатель.

Регулирование скорости - это принудительное средствами

управления изменение скорости, исходя из Требований техноло-

гического процесса. Такое регулирование производится при по-

даче па вход системы регулирования управляющего воздействия.

Однако регулирование скорости может производиться и при не-

изменном управляющем воздействии, когда задача регулирова-

ния заключается в стабилизации скорости при появлении возму-

щающих воздействий, например при изменении нагрузки, при-

кладываемой к валу электродвигателя.

Одним из основных показателей, характеризующих реаги-

рование скорости электропривода, является диапазон регулиро-

вания Диапазон регулирования D - это отношение максимальной

установившейся скорости электропривода к минимальной при

изменении нагрузки на валу двигателя в заданных пределах. Оп-

ределение величины диапазона регулирования показано рис.5.2.

Положим, что элекгропризод имеет прямолинейные механи-

ческие характеристики Прямая

соответствует максимальной по

скорости механической характеристике: Тогда при изменении

момента на валу двигателя от И-ьы до Л/

макг

можно гарантировать

обеспечение скорости соответствующей Максимальному

заданному моменту нагрузки Л/

1(1

„,- (точка а). Положим, что регу-

лировочные характеристики привода будут перемещаться вниз

параллельно характеристике I. имея ту же жесткость Д что ха-

рс эп

Ркс.5.' Структурная схема контурарегулирования

tKopuc:»t

f- задание скороо:и. и

лт(

сигнал сбитой ептзи

по

скорости. PC - регулятор скорости; - гоэффици-

елт oopaiuoft саизн ни скорости;

'A'i\,(i>}

- гкрелюч-

г.лх

фуниш'я ?лсктролрг:лодл

внутренним контуром

регулирование

'110.5.2 К определению диапазона

регулирования по скорости

Из графиков рис.5.2. найдем:

рактерио для оольшинства

современных систем регули-

руемого электропривода.

Очевидно, что нижняя пре-

дельная характеристика, ко-

торая будет обеспечивать

требуемый максимальный

момент, будет характерис-

тика 2. То1да гарантируемая

минимальная скорость, ко-

торую можно обеспечить

при заданных изменениях

нагрузки, будет ео

шш

, что

соответствует точке б Диа-

пазон регулирования будет

Подставляя эти значения в (5.1). получим:

Wmt.

Из этой формулы следует, что диапазон регулирования зави-

от жесткости механических характеристик привода: чем

>льще жесткость, тем больше диапазон регулирования.

Вторым важным показателем качества (регулирования явля-

[стся точность регулирования скорости. Статическая ошибка .

>актеризует реакцию электропривода па приложение (снятие)

[агрузки Если мы анализируем ре1улируемыЙ электропривод,

юющий линейные (линеаризованные) .механические характерн-

ей, которые в зависимости от управляющего воздействия мо-

fyr бесступснчато перемещаться вниз от основной с постоянной

гкоетт.ю // (см.рис.5.3), го абсолютная статическая ошибка

(5.3)

дост равна

Относительная ве-

личина ошибки нахо-

дится как отношение

абсолютной ошибки к

базовой

скорости

хода).

Леи.

(заданной)

(заданной

холостого

(5.4)

Рнс.5.3.

определению стат четкой ршкбхи

м« м Из (5.3) и (5.4)

следует, что величина

статической ошибки,

связанной с возмущением по нагрузке, обратно пропорциональна

жесткости механических характеристик: чем больше жесткость,

гем меньше статическая ошибка.

Обычно жесткость механических характеристик электропри-

вода с разомкнутой системой управления недостаточна для дос-

тижения требуемого диапазона регулирования и требуемой ста-

тической ючностн. Потому в регулируемых электроприводах,

как правило, используются замкнутые но скорости системы регу-

лирования

Рассмотрим влияние отрицательной обратной связи по ско-

рости на механические характерис тики электропривода.

Т,р+

Рис.5.4 Структурная схема элсктроХ1еханичсскпй системы с лннсйиьгми

характеристиками и .имкнутрй по скорости системой упрашгения

На рис.5.4 представлена структурная схема электропривода с

линейными механическими характеристиками, характеризуемая

двумя инершюпиостями' электромагнитной с постоянной време-

ни У', и электромеханической с постоянной времени Г„ (ем.§3.4).

В отличие от структурной схемы рис.3.10 в данной схеме привод

охвачен отрицательной обратной связью по скорости В такой

схеме заданная величина скорости холостого хода будет опреде-

ляться величиной разности заданной и действительной скоро-

стей.

Мы» = -

= -

\-°->

•

(5.5)

Если к валу приводного электродвигателя прикладывается

грузка - Л/

. то скорость привода уменьшится на величину

. Дня определения этой величины найдем по схеме рис.5 -I

)средаточную функцию электропривода по возмущению по на-

»ке:

Ми-] , (5.6)

. р + тггт Р"

Щр)=

К -

К +1

где К-КуК

- коэффициент усиления разомкнутой системы

В установившемся режиме, полагая р~0 передаточный коэф-

иниенг привода будет-

: L • (5.7)

м.

Р(К +1)

Сравнивая полученную передаточную функцию с переда-

чной функцией разомкнутой системы (формула 3.16), опреде-

им. что в замкнутой системе жесткость механических характе-

тнк повышается в (/<"+/) раз.

<5.8)

Следовательно, ошибка по скорости при приложении на-

кн Мс будет:

М. М. ^ ty

Aw. =

—

»••

/Ц, + »

Й\с. ошибка уменьшится в

(/<"1

I) раз по сравнению с разомкнутой

(Системой.

Поскольку диапазон регулирования скорости примерно про-

порционален жесткости механических характеристик (см.5.2), ''о

в замкнутой по скорости системе по сравнению с разомкнутой

диапазон регулирования увеличивается примерно в (АЧI) раз.

Рассмотрим механизм действия отрицательной обратной

[связи (см.рис.5.5). Пусть характеристики

- механические харак-

теристики привода с разомкнутой системой управления. Если

Выдано значение скорости 6W), то при привод будет рабо-

тать с заданной скоростью. При приложении нагрузки М

и ра-

зомкнутой системе регулирования скорость двигателя снизится

на величину А со. равную отрезку ав. 11ри этом двигатель рабо-

тает на механической характеристике, определяемой прямой

ЛЛьмоИ, имеющей жесткость Д и просадка скорости определяется

<у

величиной

В замкнутой сис-

теме регулирования

процесс изменения

скорости протекает

иначе. После прило-

жения нагрузки ско-

рость начнет сни-

жаться. При этом

будет уменьшаться

сигнал обратной

связи по скорости

Рис.5.5. Пояснения действия отрицательной обратной

связи по скорости

к,

со,

в результате че-

го разность (х

-х,ьс)

увеличится, а следо-

вательно увеличится сигнал задания скорости соо

>ад

(см. формулу

5.5). Увеличение сигнала задания произойдет до величины соы>, и

двигатель автоматически перейдет на механическую характери-

стику со,„-6 и после завершения переходного процесса будет ра-

ботать в точке б. В результате установившаяся просадка скорости

составит определяемую отрезком аб, существенно мень-

шим, чем это было бы в разомкнутой системе

(5.10)

Д со ав К +1

Если статический момент равен М

сг

, то привод будет рабо-

тать в точке г, если М

=М

се

, то привод будет работать в точке е.

Мы видим, что механическая характеристика замкнутой сис-

темы представляет собой совокупность точек сощ^-г-б-д-е, при-

надлежащих механическим характеристикам разомкнутой систе-

мы с различными значениями скорости холостого хода. Жест-

кость механической характеристики замкнутой системы (прямая

2) будет выше жесткости характеристик разомкнутой системы,

как это следует из (5.8).

Как следует из структурной схемы (см.рис.5.4), передаточная

функция электропривода по управлению будет: ,t

'Ч . (5.11)

И'(р)

.г

Л/ Y

Передаточная функция по возмущению по нагрузке выража-

я формулой (5.6). Как следует из этих выражений, использо-

нне отрицательной обратной связи по скорости позволяет по-

ысить быстродействие электропривода при изменении сигнала

равления и при отработке возмущающего воздействия. Это

1едует из того, что электромеханическая постоянная времени

L, характеризующая инерционность механической части элек-

привода, уменьшается в (К+1) раз, т.е. Т

Шкв

= —— .

К +1

Это очень важное свойство - повышение быстродействия

ивода - которое дает отрицательная обратная связь по скоро-

ти, сопряжено с существенным недостатком - возрастанием ко-

ебательности привода. Выше (см.§3.4) было показано, что, ес-

И7'

, >4Т , то переходные процессы в приводе носят экспонен-

Иальный характер без колебаний. Если же Т

<4Т

, то пере-

одный процесс носит колебательный характер с частотой и дек-

сментом затухания, определяемыми формулами (3.13).

\ Обычно электромеханическая постоянная времени Т

боль-

шие, чем 4Т„ и в разомкнутой системе регулирования скорости

рлебания не наблюдаются. Введение отрицательной обратной

вязи по скорости уменьшает эквивалентную электромеханиче-

скую постоянную времени Тм

жв

, причем, чем больше коэффици-

ент обратной связи по скорости к

, тем меньше Т

М7Кв

. Поэтому в

Ьмкнутых системах при использовании отрицательной обратной

Ьвязи по скорости Г

/„„ становится меньше

4 Т

и переходные

цессы в системе приобретают колебательный характер.

Таким образом, введение отрицательной обратной связи по

скорости повышает жесткость механических характеристик при-

вода, уменьшает статическую ошибку, расширяет диапазон регу-

лирования скорости, повышает быстродействие привода, но ведет

к колебательности переходных процессов. Для снижения колеба-

тельности в систему регулирования вводят корректирующие ди-

намические звенья. Способы формирования переходных процес-

сов требуемого характера рассмотрены в разделе П.

5.2. Основные системы регулируемого электропривода

Развитие систем регулируемого электропривода исторически

было связано с развитием преобразовательной техники. В на-

стоящее время все системы регулируемого электропривода вы-

полняются на основе силовых полупроводниковых преобразова-

телей, построенных на управляемых полупроводниковых прибо-

рах. В таблице 5.1. приведены основные характеристики наибо-

лее распространенных систем регулируемого электропривода.

Более подробно указанные системы рассмотрены в последующих

главах книги.

Таблица 5.!

Основные системы регулируемого электропривода

Тип регулируемого

электропривода

Мощ-

ность.

кВт

Ном

скорость,

об/мин

Диапа-

зон

регули-

рования

Области ис-

пользования

1. Частотно- регулируе-

мый асинхронный элек-

тропривод (ПЧ-АД)

1.1. На базе низковольт-

ных (380В) асинхрон-

ных к з. двигателей об-

щего применения и

транзисторных преобра-

зователей частоты

0,5-250 До 3000

20:1 Различные

технологиче-

ские машины и

оборудование,

насосы, венти-

ляторы и др.

1.2. На базе специаль-

ных асинхронных дви-

гателей и транзистор-

ных преобразователей

частоты

1,0-100 До 12000 400:1

Электроприво-

ды главного

движения ме-

таллорежущих

и др. станков

1.3. На базе интегриро-

ванных конструкций

(электрошпиндели,

элсктроверетена)

0,1-60

До 50000 400:1 Металлорежу-

щие станки,

текстильное

оборудование

и др.

1.4. На базе асинхрон-

ных к.з. двигателей на-

пряжением до 1150В и

транзисторных преобра-

зователей частоты

400-

3000

До 3000 20:1 Насосы, венти-

ляторы, раз-

личное техно-

логическое

оборудование

1.5. На базе асинхрон-

ных двигателей и тири-

сторных преобразовате-

лей частоты

250-

8000

До 3000 20:1 Насосы, венти-

ляторы, раз-

личное техно-

логическое

оборудование

2. Вентильный двига-

тель (бесщеточная элек-

трическая машина по-

стоянного тока) - ВД

2.1. На базе синхронных

двигателей с возбужде-

нием от постоянных

магнитов и транзистор-

ных коммутаторов

0,1-50

До 3000

10000:1

и выше

Приводы пода

металлорежу-

щих станков,

роботы и др.

оборудование

На базе высоко-

вольтных синхронных

"игатслей и тиристор-

"ых коммутаторов

400-

10000

До 3000 10:1

Насосы, турбо-

компрессоры,

горное и ме-

таллургическое

оборудование

Электроприводы по-

эянного тока с пита-

нем от управляемого

"лупроводникового

прямителя (ТП-Д)

. I. На базе высокомо-

ентных двигателей

остоянного тока и ти-

исторных (или транзи-

тных широтно-

<(пульсных) управ.чяе-

преобразователей

0,5-30

До 1500

10000:1

Электроприво-

ды металлоре-

жущих и дру-

гих станков,

различное вы-

сокоточное

оборудование

На базе двигателей

остоянного тока обще-

го применения и тнри-

торных преобразовате-

лей

1,0-

1000

До 1500

100:1 Различное тех-

нологическое

оборудование,

краны, подъ-

емные машины

.3. На базе двигателей

постоянного тока инди-

'идуального исполне-

ния и тиристорных пре-

5разователей

1000-

10000

До 1000

100:1

Металлургиче-

ское, горное и

другое техно-

логическое

оборудование

4. Асинхронный вен-

тильный каскад (АВК)

на базе асинхронных

двигателей с фазным

ротором и тиристорных

. преоб-разова гелей

250-

2000

До 1500

2:1

Электроприво-

ды насосов и

вентиляторов

Указанные системы электропривода

в последующих разделах книги.

подробно рассмотрены

Глава 6. Электроприводы с двигателями постоянного тока

независимого возбуждения

6.1. Электромеханические свойства двигателей постоянного

тока независимого возбуждения

Двигатели постоянного тока традиционно являлись основой

регулируемого электропривода и широко применяются во всех

областях техники. Только в последние годы началось интенсив-

нос использование регулируемых электроприводов на базе двига-

телей переменного тока.

Двигатели постоянного тока могут иметь независимое, по-

следовательное или смешанное возбуждение. В зависимости от

схемы возбуждения существенно разнятся и электромеханиче-

ские характеристики двигателей.

Двигатели независимого возбуждения могуч иметь элект-

ромагнитное возбуж-

дение. (рис.6.1а) и

возбуждение от пос-

тоянных магнитов

(рис.6 16) Последнее

применяется для высо-

кодинамичных двига-

телей мощностью до

20кВт

Реверсирование (из-

менение направления

вращения) двигателей

независимого возбуж-

дения производится изменением полярности напряжения, подво-

димого к якорю днигателя или к обмотке его возбуждения.

Напряжение, подводимое к якорной цепи двигателя, в уста-

новившемся режиме уравновешивается падением напряжения на

сопротивлениях цепи якоря и противоэде якоря, которое наво-

дится в обмотке якоря при его вращении в электромагнитном по-

ле, создаваемом обмоткой возбуждения

= E, + V.- ШШ

R< - сопротивление якорной цепи, складывающееся из со-

противления обмотки якоря

Rom,

обмотки дополнительных полю-

сов компенсационной обмотки (если она имеется) и внут-

реннего сопротивления источника питания двигателя

R„

(если оно

учитывается)

Д. -

+ +

Э.д.с. якоря

равна

= кФй). (6.2)

Здесь Ф - поток возбуждения (Вб);

р Н

k^Lh— - конструктивная постоянная двигателя; где />„

2 ли

число пар полюсов машины; N число активных проводников

обмотки якоря; а - число параллельных ветвей обмотки якоря.

и.

и<

—

и.

л>

б)

Рис,6 Схема включении двигателей постоянного

гоха нсзаихснмога Roitfyaucimn

ai г меятромипиетным потбу-.кгением;

б) с возбуждением 6т писгояяних мынитпв