Удут Л.С., Кояин Н.В., Мальцева О.П. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Часть 6 Механическая система электропривода

Подождите немного. Документ загружается.

(-)





1с

2с

нагрс





в12

 





kkk

tai

sin

Рис. 3.7. Структурная схема двухмассовой механической системы с

учетом периодических изменений передаточного числа

3.2. Структурные схемы многодвигательных электроприводов

Для многих промышленных агрегатов тяжелых установок,

непрерывно-поточных линий применяются многодвигательные

электроприводы. При этом двигатели могут быть соединены с

механизмом жестко или через упругие механические передачи и

питаться как от индивидуальных преобразователей, так и от общего

преобразователя при последовательном или параллельном включении

(рис. 3.8, а, б и в). Для электроприводов переменного тока практическое

значение имеют схемы реализации многодвигательных

электроприводов рис. 3.8, б, в

Преимущества многодвигательного электропривода тяжелых

установок очевидны: увеличение числа валопроводов механизма при

заданном допустимом ускорении позволяет уменьшить нагрузку каждого

валопровода, за счет этого облегчить передачи, упростить задачу

унификации механического и электрического оборудования

электроприводов различных по мощности установок. Чем большим

моментом инерции обладает механизм и чем выше его скорость

вращения, тем эффективнее и необходимее многодвигательный

электропривод [1].

Увеличение числа валопроводов механизма приводит к

разветвлению электромеханических схем привода. За счет

дополнительных упругих связей и дробления масс увеличивается число

степеней свободы систем, и динамика их существенно усложняется.

Одной из важных проблем для многодвигательного привода является

обеспечение равномерного распределения нагрузок между

валоповодами механизма как в установившихся, так и в переходных

режимах работы.

В переходных процессах распределение нагрузок между

валопроводами может существенно ухудшиться по той причине, что

связь между двигателями не является абсолютно жесткой. Увеличение

числа упруго связанных масс и вызываемое этим усложнение структуры

электромеханической системы при многодвигательном приводе создает

условия для развития упругих механических колебаний, обусловленных

как действием возмущений со стороны электрической части, так и

внутренними и внешними механическими возмущениями. Колебания

упруго связанных масс всегда вызывают дополнительные механические

нагрузки передач, которые могут достигать опасных значений.

1 2 n

+ + +



1М

2М 2М

1М

2М

Рис. 3.8. Схемы реализации многодвигательных электроприводов

Механические возмущения на отдельные валопроводы поступают

со стороны выходного вала механизма, или источником возмущений

могут быть погрешности передач кинематической цепи, например,

погрешности зубчатых зацеплений. Фаза возмущений в этом случае

зависит от установки редукторов отдельных валопроводов, наличия и

величины зазоров в кинематических цепях параллельных ветвей и их

начальных значений.

Последовательное соединение двигателей при питании

от общего преобразователя

Наиболее эффективным средством выравнивания нагрузок

двигателей с жестко связанными валами в электроприводах

постоянного тока является последовательное соединение якорных цепей

двигателей. При одном и том же токе якорей различия в развиваемых

двигателями моментах могут быть обусловлены лишь возможной

неодинаковостью потоков машин. Поскольку это условие практически

легко устранимо, данное обстоятельство и определило широкое

применение последовательного соединения двигателей в

многодвигательных электроприводах постоянного тока.

При последовательном соединении электродвигателей (рис. 3.8, а)

по ним протекает общий ток якорной цепи, т.е.

ядвдв

iii 

. Параметры

якорной цепи определяются по выражениям:

.;;

2121

яц

яцдвдвпяцдвдвпяц

ТLLLLRRRR 

Поскольку валы двигателей соединены между собой, средние

значения угловых скоростей вращения двигателей равны. Если потоки

возбуждения двигателей не равны, то двигатели развивают разные

электромагнитные моменты:

.)Ф(и)Ф(

я2дв2двя1дв1дв

ikМikМ 

Это приводит к перегрузке одного из двигателей по моменту и

обоих двигателей по току. Для пояснения сказанного введем понятие

коэффициента ослабления поля второго двигателя

1дв

2дв

)Ф(





значение которого лежит в пределах

10 

. Тогда значения моментов

двигателей определяются соотношениями:

;

)Ф()Ф(

)Ф(

2дв21дв

1дв

дв1

М 











1)Ф()Ф(

)Ф(

2дв1дв

2дв

М 











где

– суммарный момент, развиваемый двигателями. Примем

constM

, тогда ток якорной цепи можно определить по выражению

1дв21дв

1дв

1двя

)Ф()1(

)Ф( 











На рис. 3.9 в относительных единицах приведены зависимости

для моментов и якорного тока электродвигателей, включенных

последовательно. В качестве базового тока принято значение

)Ф(2

1дв





Увеличение тока якорной цепи последовательно включенных

двигателей при ослаблении потока одного из них объясняется

уменьшением его ЭДС



двдв

)Ф(ke

Характер изменения скорости вращения



определяется видом

характеристик двигателей в электроприводе с разомкнутой системой

управления или работой системы автоматического управления

электропривода. При условии

const

ослабление поля одного из

двигателей требует снижения ЭДС преобразователя в соответствии с

выражением

.)Ф()1(

)Ф()1(

1дв2яц

1дв2







 kkR

0.25

0.5

0.75

дв

1дв

2дв

0.2 0.4 0.6 0.8 1

const

 

дв1

дв2





Рис. 3.9. Зависимость моментов последовательно включенных

электродвигателей, тока якорной цепи и ЭДС преобразователя

при ослаблении поля одного из двигателей

Если пренебречь падением напряжения на сопротивлении

якорной цепи, то ЭДС преобразователя требуется уменьшить в 2 раза

при изменении

от 1 до 0 (рис. 3.9, где



1двб

)Ф(kЕ

). В системах

электропривода с отрицательной обратной связью по напряжению

преобразователя ослабление поля одного из двигателей будет

сопровождаться существенным ростом скорости вращения двигателей.

На рис. 3.10 приведена структурная схема силовой части

двухдвигательного электропривода с последовательным включением

двигателей при питании их от общего преобразователя. Такая схема

электропривода характеризуется наличием в механической части

привода взаимной связи двигателей через параллельные валопроводы

по общей нагрузке.

При идентичности параметров двигателей, параметров и

начальных условий кинематических цепей на участках двигатель–

механизм электропривод с последовательным включением двигателей

может быть заменен эквивалентным двигателем с параметрами:

;2;2

1двэдвдвэдв

LLRR 

двэдвдвэдв

2);Ф(2)Ф( JJkk 

, (3.2)

и двухмассовой механической системой с эквивалентными параметрами

первой массы:

.2;2

;2;2

13ввэ13э

1ссэ13

1ссэ1э

bbbb

bbсс

ММJJ





(3.3)

При жестком соединении валов последовательно включенных

электродвигателей (неидентичных) они могут быть заменены одним

эквивалентным двигателем с параметрами:

;;)Ф()Ф()Ф(

;;

2двс1двэдвс

2дв1двэдвдв2дв1эдв

дв21двэдв2дв1двэдв

МММ

JJJkkk

LLLRRR







(3.4)

Такие эквивалентные схемы пригодны для анализа процессов,

возникающих при изменениях управляющего воздействия или под

воздействием возмущений в общей части механической системы.

Последовательное соединение двигателей обеспечивает высокую

равномерность распределения нагрузок между валопроводами как в

установившихся, так и в переходных режимах работы. Очевидно, что

система двухдвигательного электропривода при последовательном их

включении совершенно не реагирует на равные противофазные

колебания валопроводов разветвленной части механической системы.

Действительно, противофазные колебания упругих моментов

вызывают противофазные колебания скоростей двигателей, но при

этом их суммарная ЭДС остается постоянной, и колебания тока якорной

цепи и моментов двигателей отсутствуют. В результате того, что

противофазные колебания скоростей двигателей не вызывают

соответствующих колебаний их токов и моментов, привод не

демпфирует такие колебания. Это означает, что в электроприводе с

последовательным включением двигателей могут возникнуть

недемпфируемые электроприводом противофазные колебания в

параллельных валопроводах.

уп

дв1

(-)

J p

(-)



(-)



(-) (-)

(-)

W p

(

)

дв2

(-)

J p

(-)



(-)

ЭС МС

)(f





)





13

23

13в

23в

)(f





яц

pТ

дв2

)Ф(k

дв1

)Ф(k

)1(

дв1дв1



pТR

)1(

дв2дв2



pТR

Рис. 3.10. Структурная схема силовой части двухдвигательного электропривода с общим преобразователем и

последовательным соединением двигателей

Причиной возникновения противофазных колебаний являются

механические возмущения, обусловленные наличием зазоров и

погрешностей передач в параллельных ветвях, а причиной развития таких

колебаний является электропривод с последовательным включением

двигателей.

Отметим характерные особенности противофазных колебаний в

параллельных валопроводах:

 не нарушают равенство моментов, развиваемых двигателями;

 не вызывают колебаний выходного вала привода;

 являются причиной колебательных нагрузок и их

неравномерного распределения между валопроводами.

Таким образом, последовательное соединение двигателей

обеспечивает равенство моментов, развиваемых двигателями во всех

режимах, но является причиной возникновения недемпфируемых

противофазных колебательных нагрузок передач как в переходных, так

и в установившихся режимах, и поэтому может не обеспечить

равномерного распределения нагрузки между валопроводами

двухдвигательного электропривода. Отмеченные особенности

двухдвигательного привода свойственны любому многодвигательному

приводу с последовательным соединением двигателей, причем с

увеличением числа двигателей их проявления могут быть более

неблагоприятными.

Параллельное включение двигателей при питании

от общего преобразователя

Структурная схема силовой части двухдвигательного

электропривода при параллельном включении двигателей и питании от

общего преобразователя (рис. 3.8, в) приведена на рис. 3.11. В

механической части электропривода двигатели взаимосвязаны через

механизм. Электрическая часть привода при питании параллельно

включенных двигателей от общего преобразователя имеет

симметричные перекрестные связи по току.

При параллельном соединении двигателей любые колебания

скоростей двигателей вызывают соответствующие колебания их токов и

моментов. Это означает, что при параллельном соединении двигателей

недемпфируемые электроприводом механические колебания возникнуть не

могут.

Для электропривода с параллельным соединением двигателей

характерны две особенности работы:

 возможность неравномерного распределения средних нагрузок

между двигателями;

 возможность возникновения больших ударных нагрузок

отдельных двигателей при неравномерном выборе зазоров в

параллельных ветвях механической системы.

уп

я1

дв1

я1

дв1

(-)

J p

(-)



(-)



(-) (-)

(-)

W p

(

)

я2

дв2

(-)

J p

(-)



(-)

я2

ЭС МС

(-)

)(f





13

13в

)(f





23

23в

)(f





яц1

pТ

яц2

pТ

)1(

дв1дв1



pTR

)1(

дв2дв2



pTR

)1(

пп



pTR

)1(

пп



pTR дв1

)Ф(k

дв2

)Ф(k

Рис. 3.11. Структурная схема силовой части двухдвигательного электропривода с общим преобразователем и

параллельным соединением двигателей

Выравнивание нагрузок параллельно включенных двигателей

многодвигательного привода в установившихся режимах может быть

обеспечено автоматическим регулированием потоков двигателей. Даже

незначительное изменение потока возбуждения приводит к

существенному изменению тока двигателя (при ослаблении потока ток

двигателя возрастает)

 

дв

Ф 



Система автоматического регулирования потока должна иметь

ограниченное быстродействие и не сглаживать колебания токов

двигателей, вызванных механическими возмущениями, которые привод

должен демпфировать.

Перегрузка двигателя валопровода, зазор которого оказывается

выбран первым, возникает при использовании в электроприводе

обратной связи по общему току преобразователя. Если же

регулирование ведется по току наиболее загруженного двигателя, то

недопустимые перегрузки не могут возникнуть в любых режимах

работы многодвигательного привода с параллельным включением

двигателей.

В общем случае при упругом соединении параллельно

включенных двигателей с механизмом приведение многодвигательного

привода к эквивалентному однодвигательному невозможно.

Параллельно включенные идентичные двигатели могут быть заменены

одним эквивалентным двигателем с параметрами:

дв

эдв

R 

;

дв

эдв

L 

;

   

двэдв

ФФ  kk

;

двэдв

JJ 2

. (3.5)

Если параллельно включенные двигатели (рис. 3.11) идентичны и

соединены с механизмом через упругие передачи с идентичными

параметрами, то при одинаковых начальных условиях двухдвигательный

электропривод может быть заменен эквивалентным двигателем с

параметрами согласно (3.5) и двухмассовой механической системой с

параметрами первой массы согласно (3.3).

Таким образом, параллельное соединение двигателей

обеспечивает высокую демпфирующую способность во всех режимах.

Его главными недостатками являются отсутствие индивидуального

токоограничения двигателей и возможность неравномерного

распределения средних нагрузок между двигателями. Эти недостатки

проявляются тем значительнее, чем больше число параллельно

включенных двигателей.