3. Регулирование координат электропривода [1]

Для обеспечения требуемых режимов работы машин, производ­ственных механизмов и самого ЭП некоторые переменные, кото­рые характеризуют их работу, должны регулироваться. Такими пе­ременными, часто называемыми в ЭП координатами, являются, например, скорость, ускорение, положение ИО или любого друго­го механического элемента привода, токи в электрических цепях двигателей, моменты на их валу и др.

Типичным примером необходимости регулирования координат может служить ЭП пассажирского лифта. При пуске и остановке кабины лифта для обеспечения комфортности пассажиров ускоре­ние и замедление ее движения ограничиваются. Перед остановкой скорость кабины должна снижаться, т. е. регулироваться. И, нако­нец, кабина с заданной точностью должна останавливаться на тре­буемом этаже. Такое управление движением кабины лифта обеспе­чивается за счет регулирования соответствующих координат (пере­менных) ЭП лифта.

Отметим, что процесс регулирования координат движения все­гда связан с получением искусственных (регулировочных) характе­ристик двигателя, что достигается целенаправленным воздействи­ем на двигатель. Рассмотрим подробнее регулирование основных координат ЭП.

3.1. Регулирование скорости

Регулирование скорости движения исполнительных органов тре­буется во многих рабочих машинах и механизмах – прокатных ста­нах, подъемно-транспортных механизмах, горнодобывающих и бу­магоделательных машинах, металлообрабатывающих станках и др. С помощью ЭП обеспечиваются регулирование и стабилизация ско­рости движения их ИО, а также изменение скорости ИО в соотве­тствии с произвольно изменяющимся задающим сигналом (слеже­ние) или по заранее заданной программе (программное движение). Рассмотрим, каким образом с помощью ЭП можно обеспечивать регулирование скорости ИО рабочих машин.

Как следует из общей cтруктурной схемы ЭП (см. рис. 1), скорости двигате­ля и ИО при его вращательном или поступательном движении свя­заны между собой соотношениями

Ω _{и. о}= Ω/i_р; υ_и.о= Ωρ. (64)

Анализ выражения (64) показывает, что регулировать скорость движения ИО, в общем случае, можно воздействуя или на механическую передачу, или на двигатель, или на то и другое одновременно. В первом случае воздействие заключается в изменении передаточ­ного числа i_р или радиуса приведения ρ механической передачи при постоянной скорости двигателя, поэтому этот способ регулирова­ния получил название механического. Для его реализации ис­пользуются коробки передач (при ступенчатом регулировании), ва­риаторы и электромагнитные муфты (для плавного регулирования). Механический способ применяется ограниченно из-за сложности автоматизации таких технологических процессов, малого набора регулируемых механических передач указанного типа и их невысо­ких надежности и экономичности.

Способ регулирования скорости ИО, получивший название электрического, предусматривает воздействие на двигатель при неизменных параметрах механической передачи. Этот способ на­шел широкое применение в современных ЭП вследствие его боль­ших регулировочных возможностей, простоты, удобства использо­вания в общей схеме автоматизации технологических процессов и экономичности.

Комбинированный способ регулирования скорости ИО приме­няется ограниченно в основном в ЭП металлообрабатывающих станков.

Итак, управление движением исполнительных органов современ­ных рабочих машин и механизмов в большинстве случаев достига­ется за счет целенаправленного воздействия на электродвигатель с помощью его системы управления с целью получения соответству­ющих искусственных характеристик. Для примера на рис.16 показаны естественная механическая характеристика 1 двигателя постоянного тока независимого воз­буждения (ДПТ НВ) и две искусственные – при введении в цепь яко­ря добавочного резистора с сопротивлением R_д (прямая 2) и умень­шении подаваемого на якорь напряжения (прямая 3). Обе эти ис­кусственные характеристики обеспечивают при моменте нагрузки М_с снижение скорости до требуемого уровня Ω_и. Увеличение скоро­сти ДПТ НВ выше номинальной может быть получено за счет умень­шения его магнитного потока.

Для количественной оценки и сопоставления различных спосо­бов регулирования скорости используются следующие показатели.

Диапазон регулирования скорости, определяемый отношением максимальной скорости Ω _max к минимальной Ω _min, т.е. D = Ω _max/ Ω _min.

В соответствии же с рис. 16 диапазон регулирования будет оп­ределяться отношением Ω _ном/Ω _и при заданном моменте нагрузки М_с.

Стабильность скорости, характеризуемая изменением скорости при возможных колебаниях момента нагрузки на валу двигателя и определяемая жесткостью его механических характеристик. Чем она больше, тем стабильнее скорость при изменениях момента нагруз­ки, и наоборот. В рассматриваемом примере большая стабильность обеспечивается при искусственной характеристике 3 (по сравнению с характеристикой 2).

Плавность регулирования скорости, определяемая перепадом ско­рости при переходе с одной искусственной характеристики на дру­гую. Чем больше в заданном диапа­зоне регулирования скорости может быть получено искусственных характеристик, тем плавнее будет проис­ходить регулирование скорости.

Направление регулирования скорости. В зависимости от способа воздействия на двигатель и вида получаемых искусственных характеристик его скорость может увеличиваться или уменьшаться по сравнению с работой на естественной характеристике при данном моменте нагрузки. В первом случае говорят о регулировании скорости вверх от основной ха­рактеристики, во втором – о регулировании скорости вниз. Можно сказать, что регулирова­ние скорости вверх связано с получением искусственных механи­ческих характеристик, располагающихся выше естественной, а ре­гулирование скорости вниз обеспечивается характеристиками, рас­полагающимися ниже естественной.

Рис.16. Характеристики двигателя при регулировании скорости вращения

Допустимая нагрузка двигателя. Электрический двигатель рас­считывается и проектируется таким образом, чтобы, работая на естественной характеристике с номинальными скоростью, током, моментом и мощностью, он не нагревался выше определенной температуры, на которую рассчитана его изоляция. В этом слу­чае срок его службы является нормативным и составляет обыч­но 15- 20 лет. Поскольку потери энергии при нагреве двигателя пропорциональны квадрату тока, нормативный нагрев будет иметь место при протекании номинального тока в нем. Отметим при этом, что нагрев определяется также и условиями охлажде­ния (вентиляции) двигателя.

При регулировании скорости двигатель работает уже на искус­ственных характеристиках, т. е. при отличных от паспортных усло­виях. Поэтому для сохранения его нормативного нагрева и тем са­мым расчетного срока службы нагрузка двигателя (при расчетных условиях его охлаждения) может быть только такой, при которой в нем протекает ток не выше номинального. Именно такая нагрузка и называется допустимой.

Все способы регулирования скорости делятся по этому призна­ку на две группы, для одной из которых характерна допустимая нагрузка, равная номинальному моменту, а для другой - равная номинальной мощности двигателя. При правильном выборе спо­соба регулирования скорости двигатель полностью используется в соответствии со своими возможностями во всем диапазоне ее изме­нения.

Экономичность регулирования скорости. Получение одних и тех же показателей (диапазона, стабильности, плавности и т.д.) мож­но обеспечить с помощью различных ЭП и способов регулирова­ния их скорости. Для обоснования выбора наиболее рационального вида регу­лируемого ЭП используются различные технико-экономические показатели - капитальные затраты на его реализацию, эксплуата­ционные расходы, срок окупаемости, надежность, удобство и про­стота в эксплуатации, серийность и унификация средств управле­ния и др. Оценка или сопоставление экономических показателей проводится при выборе возможных способов регулирования ско­рости данного ЭП (или различных ЭП). В результате анализа всех возможных вариантов выявляется экономически обоснованное ре­шение.

Обычно сопоставление вариантов регулируемого ЭП произво­дится по капитальным затратам и эксплуатационным расходам с учетом срока окупаемости. Если капитальные затраты на реализа­цию ЭП окупаются за счет сокращения расходов при его эксплуа­тации за заданный срок, то такое техническое решение считается экономически обоснованным. С этой же целью могут использовать­ся и другие технико-экономические показатели.

Подчеркнем, что сопоставление и экономическая оценка различ­ных способов регулирования скорости и тем самым регулируемых ЭП правомочны только в том случае, когда все они обеспечивают задан­ные технические характеристики рабочей машины или механизма.