3. Определение функциональной схемы электропривода

Функциональную схему системы управления электроприводом при заданном диапазоне регулирования скорости выбирают из условий обеспечения требуемой точности регулирования в установившихся режимах.

В [2] отмечается, что в установившихся режимах статизм механических характеристик главного электропривода продольно-строгального станка Зхз во всем диапазоне регулирования скорости не должен превышать 5% при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной. С учетом того, что электропривод должен обеспечивать достаточно широкий диапазон регулирования скорости, указанное требование к точности регулирования может быть выполнено только лишь в результате применения замкнутой системы «управляемый преобразователь - двигатель» (П-Д) скорости [4].

Схема включения двигателя в системе П-Д, построенной по разомкнутому принципу, приведена на рис. 3.1а. Якорь двигателя М питается от управляемого источника (преобразователя) П, в качестве которого могут использоваться различные устройства: электромашинные, электромагнитные или полупроводниковые преобразователи. Независимо от принципа действия любое из названных устройств осуществляет, во-первых, преобразование напряжения переменного тока Uc в напряжение постоянного тока U (выпрямление), и, во-вторых, обеспечивает возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения. Статическая характеристика реверсивного преобразователя приведена на рис. 1 б. При изменении входного управляющего сигнала от значения +UyH до -UyH ЭДС преобразователя Еп изменяется от +Епн до -Епн. Расположение точки номинального режима на статической характеристике таково, что при Uy> UyH ЭДС преобразователя может на 30-40% превышать номинальное значение.

Обмотка возбуждения двигателя LM питается от отдельного источника. Величина тока в ней 1в регулируется с помощью резистора Re.

Схема замещения для якорной цепи системы П-Д приведена на рис. 1в. Кроме упоминавшихся ранее элементов на ней обозначены индуктивности

преобразователя Ln и Ья, активное сопротивление якоря R% и ЭДС вращения Е, наводимая в обмотке якоря М, активное сопротивление преобразователя Rn.

Уравнение равновесия ЭДС для установившегося режима в якорной цепи двигателя (dl/dt=0) будет иметь вид:

En=lR^%+ IRn+Е. Величина ЭДС вращения определяется как

Е=кФсо,

где к - конструктивный коэффициент; Ф - магнитный поток; со - скорость вращения двигателя.


 

 


Еп

 

Ну

 

 

W

пн

 

 

Подпись: б)
Подпись: а)

в) г)

Рис. 3.1: а) схема включения двигателя;

б)         статическая характеристика преобразователя;

в)         схема замещения;

г)         характеристики двигателя

Подставив в уравнение равновесия ЭДС выражение для Е и решив его относительно с , получим уравнение электромеханической характеристики двигателя co=f(I):

Е IR IR a> = — -— -—" = w0 - Dwc1 - Dwc2, кФ кФ кФ

где со0 - скорость идеального холостого хода; Асос1, Асос2 - составляющие статического падения скорости.

Асо= Асос1+ Асос2.

Из уравнения следует, что электромеханическая характеристика двигателя в системе П-Д - прямая линия. На рис. 3.1г она построена в первом квадранте и обозначена цифрой 1.

Так как вращающий момент М двигателя прямо пропорционально зависит от тока якоря М=кФ1, то механическая характеристика двигателя со=f(M) будет иметь такой же вид и отличаться от электромеханической только масштабом по оси абсцисс.

Наклон характеристики к оси абсцисс больше, чем у приведенной там же естественной характеристики, так как из-за падения напряжения от якорного тока на внутреннем активном сопротивлении преобразователя при одном и том же токе якоря (моменте сопротивления) к статическому падению скорости на естественной характеристике Асос1=Шя/кФ добавляется составляющая Асос2= IR/кФ.

При изменении управляющего сигнала Uy изменяется величина Е , что в свою очередь ведет к изменению скорости идеального холостого хода со0. Обе составляющие статического падения скорости от величины Еп не зависят и поэтому при изменении Еп остаются постоянными. Следовательно, при изменении управляющего сигнала от UyH до нуля искусственные характеристики двигателя получаются параллельным переносом вниз прямой 1. Тем самым обеспечивается плавное регулирование скорости двигателя вниз от основной.

Диапазон регулирования скорости Д в данном случае ограничен и не может превышать величины Д=(8-10):1. Это связано, во-первых, с необходимостью сохранять перегрузочную способность двигателя. Для двигателей постоянного тока с независимым возбуждением коэффициент перегрузки кп, определяемый как отношение допустимого тока Idon к номинальному току якоря IH, кп= Idon/ IH<2,5. Следовательно, характеристика 2 на рис.3.1г, получаемая при параллельном переносе характеристики 1, является последней, на которой сохраняется перегрузочная способность двигателя, а диапазон регулирования скорости, определяемый обычно при IH, находится как

Д= Ші/ CD2.

Расширен диапазон регулирования скорости может быть только лишь за счет уменьшения наклона характеристик 1, 2, т.е. за счет уменьшения статического падения скорости Ашс.

Второй причиной, ограничивающей диапазон регулирования скорости, является необходимость обеспечения заданной точности регулирования. Точность количественно оценивается статизмом механических характеристик двигателя Sx, который показывает на сколько процентов от скорости идеального холостого хода ш0 уменьшится скорость двигателя ш при увеличении нагрузки на двигатель от момента сопротивления холостого хода до номинального. Величина статизма определяется как

S =ww-w. 100%,

W

где со0-со= Ашс - статическое падение скорости.

При рассматриваемом способе регулирования с уменьшением скорости двигателя величина Ашс остается постоянной, поэтому статизм увеличивается, а точность регулирования ухудшается. Наибольшей величина статизма будет для характеристики 2. До требуемого значения она может быть уменьшена только лишь за счет уменьшения Ашс.

Диапазон регулирования может быть несколько расширен за счет уменьшения с помощью дополнительного сопротивления Re тока в обмотке

возбуждения LM. Из уравнения электромеханической характеристики следует, что с уменьшением потока Ф двигателя одновременно увеличивается скорость идеального холостого хода ш0 и обе составляющие статического падения скорости. Поэтому искусственные характеристики будут располагаться выше прямой 1 и иметь больший наклон к оси абсцисс. Тем самым обеспечивается плавное регулирование скорости двигателя вверх от основной.

Диапазон регулирования в данном случае не превышает отношения 5:1 и ограничивается ухудшением условий коммутации и механической прочностью якоря.

При изменении полярности управляющего сигнала характеристики двигателя, аналогичные рассмотренным, будут расположены в третьем квадранте.

Уменьшение Ашс достигается посредством применения системы П-Д, построенной по замкнутому принципу. В зависимости от требований к диапазону и точности регулирования применяются различные обратные связи. Если эти требования не очень жесткие, то возможно применение отрицательной обратной связи по напряжению преобразователя. Схема включения двигателя в такой системе приведена на рис.3.2а. Ее основу составляет разомкнутая система П-Д. Требуемая скорость вращения М определяется величиной сигнала задания U3C. Выпрямленное напряжение преобразователя U контролируется датчиком напряжения ДН. Из-за наличий внутреннего активного сопротивления преобразователя Rn выпрямленное напряжение зависит от тока в якорной цепи М. В установившемся режиме U=En-IRn. Выходной сигнал датчика U^=aU является сигналом обратной связи по напряжению. Здесь а - коэффициент передачи датчика напряжения.

В суммирующем устройстве сигнал обратной связи сравнивается с задающим сигналом U^, и их разность в виде сигнала ошибки Uex= U^-подается на вход регулятора напряжения РН, который с коэффициентом крн усиливает сигнал ошибки и подает его в виде сигнала управления Uy,= крнивх на вход преобразователя П.

При увеличении Мс на валу двигателя уменьшается его скорость и поэтому увеличивается ток в якорной цепи I. За счет увеличения падения напряжения на активном сопротивлении преобразователя IRn снижается напряжение на якоре М и уменьшается сигнал обратной связи Uoc. Это вызывает увеличение сигнала ошибки Uex и сигнала управления Uy, что в свою очередь приведет к росту ЭДС преобразователя Еп и напряжения на якоре двигателя. Тем самым компенсируется составляющая статического падения скорости Аш2, определяемая величиной IRn. Поэтому прямая 2 на рис. 3.2б, отображающая характеристику двигателя в замкнутой системе, будет расположена выше прямой 3, отображающей характеристику двигателя в разомкнутой системе П-Д. Рассматриваемая система регулирования является статической, так как величина IRn увеличением Еп компенсируется не полностью. Полная компенсация падения напряжения на активном сопротивлении преобразователя может быть достигнута в астатической системе регулирования напряжения. В этом случае можно предположить, что двигатель питается от преобразователя с нулевым внутренним сопротивлением. При U=UH двигателя он будет работать на естественной характеристике, изображенной на рис. 3.2б прямой 1. Статическое падение скорости при работе двигателя на других характеристиках будет таким же, как и на естественной.

Прямая 4 на рис. 3.2б изображает характеристику двигателя в замкнутой системе при сигнале задания.

Дальнейшее расширение диапазона и точности регулирования скорости связано с компенсацией составляющей Ашс1 статического падения скорости. В этом случае применяется система П-Д с главной отрицательной обратной связью по скорости двигателя. Схема включения двигателя в такой системе приведена на рис. 3.3а.


Требуемая скорость вращения определяется величиной сигнала задания Цзс. Скорость двигателя ш контролируется тахогенератором ВЯ. Выходной сигнал тахогенератора иос=Вссо является сигналом обратной связи по скорости. Здесь вс - коэффициент передачи тахогенератора. В суммирующем устройстве сигнал обратной связи сравнивается с задающим сигналом и их разность в виде сигнала ошибки иу,=крсивх является сигналом управления для преобразователя П.

При увеличении момента сопротивления скорость двигателя и тахогенератора уменьшается. Уменьшается сигнал обратной связи Цос. Это вызывает увеличение сигнала ошибки Uex и сигнала управления Uy, что в свою очередь ведет к росту Еп и напряжения на якоре двигателя. Тем самым компенсируются обе составляющие Ашс. При пропорциональном регуляторе Ашс2 компенсируется полностью, а Ашс2 - частично. Поэтому система регулирования скорости является статической, и прямая 2 на рис. 3.3б, отображающая характеристику двигателя в рассматриваемой системе, будет расположена выше прямой 1, отображающей естественную характеристику, но с наклоном к оси абсцисс.

Полная компенсация Ашс1, Ашс2 обеспечивается в случае использования интегро-пропорционального регулятора скорости. В такой системе характеристика двигателя параллельна оси абсцисс. Это позволяет расширить диапазон регулирования скорости до величины 10000:1 и более и осуществлять процесс регулирования при Sx=0.

В рассмотренных замкнутых системах П-Д с помощью задержанной отрицательной обратной связи по току якоря можно обеспечить защиту двигателя от перегрузки, связанной с режимом работы двигателя «на упор».


а)


Рис. 3.3: а) схема включения двигателя в замкнутой системе П-Д с отрицательной обратной связью по скорости; б) характеристики двигателя

Работа «на упор» или механическое стопорение рабочего органа технологического механизма может возникать в электроприводе лебедки при подъеме примерзшего или заклиненного груза, в электроприводе подъема ковша экскаватора при черпании экскаватором скальной породы или смерзшегося грунта и др. В любом случае при работе «на упор» момент сопротивления неограниченно возрастает. Скорость двигателя снижается, уменьшается ЭДС вращения двигателя Е и возрастают якорный ток, величина которого определяется как І=(и-Е)/Ля, и момент двигателя М=кФІ. Когда двигатель остановится, ЭДС вращения будет равна 0. В якорной цепи будет протекать большой по величине ток короткого замыкания IK3=U/RH и двигатель будет развивать момент короткого замыкания Мкз. Это может привести как к поломке двигателя, так и рабочего органа технологической машины. Система электропривода должна ограничивать ток двигателя при работе «на упор» таким образом, чтобы при остановке кратность развиваемого двигателем момента, называемого моментом стопорения Мст, по отношению к номинальному моменту не превосходила перегрузочной способности двигателя Мст<2,5Мн.

Схема включения двигателя в замкнутой системе П-Д с обратной связью по скорости и задержанной обратной отрицательной связью по току якоря приведена на рис. 3.4а. Как и в предыдущем случае, ее основу составляет разомкнутая система П-Д, в которой требуемая скорость вращения двигателя определяется величиной сигнала задания Цзс. В качестве датчика тока используется включенный в якорную цепь двигателя шунт с сопротивлением Rm. Падение напряжения на Rm пропорционально току якоря I, поэтому сигнал обратной связи по току определяется как

Uос Рт1,

где вт - коэффициент передачи обратной связи по току.

В канале обратной связи по току включен узел токовой отсечки (УТО).

І

+


Рис. 3.4: а) схема включения двигателя в замкнутой системе П-Д с отрицательной обратной связью по скорости и задержанной по току; б) характеристики двигателя

Статическая характеристика УТО, показанная внутри изображающего его прямоугольника, имеет зону нечувствительности. Поэтому, до тех пор, пока сигнал обратной связи иж не превосходит по величине некоторого опорного сигнала иоп, сигнал Цос на выходе УТО равен 0. При Цос> Um на выходе УТО появляется сигнал отрицательной обратной связи Цос, который поступает на суммирующее устройство.

Величина U(n определяется величиной тока, с которой должно начинаться его ограничение. Этот ток называется током отсечки Іотс. Обычно Іотс<1,5Ін.

Электромеханические характеристики двигателя на рис. 3.4б имеют два участка: на первом Цос=0, система замкнута по скорости и разомкнута по току. Статизм характеристики небольшой и это способствует повышению производительности технологической машины.

На втором участке характеристики двигатель находится при возникновении режима работы «на упор». Ток якоря I превышает ток отсечки Іотс, на выходе УТО появляется сигнал Цос и система становится замкнутой по току. С ростом I увеличивается сигнал иос и , следовательно, уменьшается сигнал на входе регулятора скорости Цвх= Цзс- Цос- U(X. Уменьшаются сигнал управления иу=крсивх, ЭДС и напряжение преобразователя U, что и приводит к дальнейшему ограничению роста тока и момента двигателя. Скорость двигателя резко уменьшается. Коэффициент передачи обратной связи по току вт выбирается таким образом, чтобы при остановке двигателя Мст<2,5Мн.

В настоящее время основным видом преобразователей систем П-Д постоянного тока являются тиристорные преобразователи (ТП). Динамические свойства таких систем можно корректировать различными способами. На рис. 3.5 а приведена функциональная схема замкнутой системы ТП-Д, в которой точность регулирования обеспечивается выбором соответствующей величины коэффициента усиления, а качество регулирования - с помощью последовательного корректирующего устройства (КУ), включаемого в прямом канале управления системы. Магнитный усилитель (МУ) осуществляет алгебраическое суммирование сигнала задания Цзс и сигнала обратной связи Цдс, а также усиливает сигнал ошибки регулирования Аи=из-Цос. Сигнал обратной связи Цдс снимается с выхода

тахогенератора BR. Резистор Rn служит для регулировки коэффициента передачи обратной связи, дроссель LR ограничивает пульсации выпрямленного тока ТП. На рис. 3.5а приведена функциональная схема системы подчиненного регулирования (СПР), в которой требуемые точность и качество регулирования обеспечиваются с помощью соответствующего выбора структуры и настроек регулятора тока AS и скорости АУ. Сигнал обратной связи по току идт снимается с выхода датчика тока US.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я