
Библиотека / Красовский основы электропривода
.pdf4.5. Регулирование скорости и момента АДв замкнутых.. . |
191 |
превышении моментом нагрузки установленного заранее предель
ного значения, например, из-за резкого увеличения плотности
грунта или остывания прокатываемого металла для исключения
аварийной ситуации в механических и электрических частях при вода происходит переход на второй участок характеристики с рез
ким снижением скорости вплоть до полного останова системы.
Как уже отмечалось, в теории привода такого вида характеристики
получили название экскаваторных.
4.5. Регулирование скорости и момента асинхронных двигателей в замкнутых структурах управления
В асинхронном электроприводе, также как и в электроприводе
постоянного тока, для повышения качества регулирования скоро
сти или момента могут использоваться различные обратные связи. При этом двигатель также должен получать питание от индивиду ального регулируемого источника питания. Однако получение
аналитических выражений характеристик привода значительно
осложняется нелинейными свойствами АД. Поэтому в этом разде
ле рассмотрим на качественном уровне две типовые структуры
управления АД.
4.5.1. Система с регулированием напряжения на статоре асинхронных двигателей и отрицательной
обратной связью по скорости
При изменении напряжения на статоре АД в разомкнутой структуре управления диапазон регулирования значений скорости
весьма невелик, поскольку при постоянном моменте нагрузки на
валу двигатель может работать только на устойчивом участке ме ханических характеристик. Иначе обстоит дело в замкнутой по скорости структуре, показанной на рис. 4.26, а (обозначения, при нятые на этом рисунке, аналогичны обозначениям на рис. 4.23, а).
Для пояснения причин изменения свойств привода и его харак
теристик в рассматриваемой структуре управления предположим,
что исходное состояние характеризуется точкой а (рис. 4.26, б), в
которой момент двигателя М равен моменту статической нагрузки Мс. Пусть эта точка принадлежит неустойчивому участку некото-
192 Глава 4. Регулирование скорости и момента двигателей...
рой статической механической характеристики 1. Поэтому, напри
мер, с уменьшением по каким-либо причинам скорости двигателя в разомкнутой структуре управления его момент М оказывается меньше момента статической нагрузки Мс, что ведет к появлению отрицательного ускорения и дальнейшему снижению скорости
двигателя.
УС
Иобр.с РН
Иобр.с
а |
6 |
Рис. 4.26. Схема вкточеIШЯ (а) и механические характеристики (6)
при регулировании напряжения на статоре АД и отрицательной
обратной связи по скорости
В структуре с отрицательной обратной связью по скорости снижение скорости ведет к уменьшению сигнала обратной связи
по скорости Иобр.с и соответственно к увеличению сигнала рассо-
гласования И8 , что вызывает рост выходного напряжения регуля
тора напряжения РН. В результате происходит увеличение момен та АД, под действием которого привод ускоряется, стремясь к сво
ему исходному состоянию, т. е. к точке а, что свидетельствует об
устойчивости рассматриваемого режима.
Механические характеристики АД в такой структуре управления
(см. рис. 4.26, а) похожи на аналогичные характеристики ДПТ в структуре с отрицательной обратной связью по скорости. Вследствие нелинейных свойств АД их строят обычно графоаналитическим ме
тодом. Теоретически справа они ограничены естественной характе
ристикой, а слева - осью ординат. Достижимый диапазон регулиро
вания значений скорости обычно составляет до (15 .. .20) : 1, однако
4.5. Регулирование скорости и момента АДв замкнутых.. . |
193 |
по причине значительных потерь в роторе экономичность регули
рования скорости невысока, поэтому этот способ может использо
ваться в основном кратковременно.
4.5.2. Замкнутые системы скалярного
частотного управления асинхронных двигателей
Разомкнутые структуры частотного управления АД, в кото-
рых амплитуда напряжения на статоре изменяется только в
функции частоты, не обеспечивают постоянства перегрузочной
способности двигателя в широком диапазоне значений скорости и нагрузки (см. 4.3.2). Поэтому при повышенных требованиях к
электроприводу переходят к замкнутым структурам частотного
регулирования, в которых напряжение на двигателе изменяется не
только в функции частоты, но и другой величины, связанной с
нагрузкой, например тока статора, потокосцепления и т. п. При
этом магнитный поток и перегрузочная способность двигателя
поддерживаются на заданном уровне.
В общем случае различают системы скалярного и векторного
управления АД. В системах скалярного управления с помощью соот
ветствующих датчиков непосредственно измеряют или рассчитывают
лишь модули физических величин, по которым осуществляется управление. Наибольшее распространение получили системы стаби
лизации потокосцепления статора, потокосцепления взаимоиндукции
статора и ротора, потокосцепления ротора, а также абсолютного скольжения. Стабилизация потокосцепления обычно достигается
косвенно при регулировании ЭДС статора пропорционально скоро
сти двигателя с применением соответствующей обратной связи по
ЭДС, которую либо измеряют с помощью специальных измеритель
ных обмоток, либо вычисляют на основании измеренных мгновен ных значений напряжений и токов в каждой фазе двигателя. Подроб
ное описание принципа построения таких систем и присущие им ха-
~ |
~ |
* |
. |
рактеристики можно наити в специальнои литературе |
Остановимся подробнее на наиболее распространенном частотно токовом управлении АД, используемом при необходимости получе
ния диапазонов регулирования значений скорости АД до 100 : 1
* Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: Академия, 2006.
194Глава 4. Регулирование скорости и момента двигателей...
иболее с повьппеmrыми требоваIШЯМи к дm~амике. Это достаточно
сложные замкнутые системы частотного автоматического управле
ния АД с несколькими обратными связями по различным перемен
ным. Здесь преобразователь частоты ПЧ (рис. 4.27) работает в режи
ме управляемого источника тока за счет соответствующей отрица
тельной обратной связи по выходному току / 1. Система управления
СУ формирует задание частоты fi'JaД и тока статора /1'3аД в соответ
ствии с необходимой скоростью ffi'JaД и нагрузкой АД.
fiзад
СУ пч
(!)
Рис. 4.27. Схема частотно токового управления АД:
СУ - система управления;
ПЧ - преобразователь частот;
АД - асинхронный двшатель; ДТ - датчик тока; ДС -
датчик скорости
В результате частота изменения выходного тока ПЧfi. пропор
циональна заданной скорости ffiзaд, а его амплитуда (или действу
ющее значение) / 1 является функцией рассогласования между за
данным ffiзaд и фактическим ffi значениями скорости. Измерение
текущих значений тока и скорости осуществляется с помощью со
ответствующих датчиков тока ДТ и скорости ДС (см. рис. 4.27). При настройке системы для стабилизации магнитного потока дви гателя обычно принимают допущение, что ток ротора 12 пропор ционален разности скоростей ffiзaд и ffi . При этом задающий сигнал
на ток 11зад определяется соотношением
где 10 - ток намагничивания; К - коэффициент, задаваемый при
настройке системы.
В более совершенных электроприводах с целью дальнейшего
повышения точности регулирования скорости вводят дополни
тельную отрицательную обратную связь по скорости, благодаря
чему fi.зад и fi. определяются уже разностью СОзад и ffi.
4. 6. Тормозныережимыработы машин постоянного тока |
195 |
4.6. Тормозные режимы работы машин
постоянного тока
4.6.1. Машины ПОСТОЯННОГО тока с независимым возбуждением
В машинах с независимым возбуждением можно реализовать
все три тормозных режима работы: рекуперативное торможение,
динамическое торможение и торможение противовключением.
Рекуперативное торможение, или режим работы машины па
раллельно с сетью, возникает, когда скорость вращения якоря со
превышает скорость идеального холостого хода со0• При этом
наводимая в якоре ЭДС движения Е превышает приложенное
напряжение Ия и в соответствии с выражением (2.7) ток якоря Iя, а
в соответствии с (2.8) и электромагнитный момент М изменяют
знак по отношению к их знаку в двигательном режиме работы МПТ на той же характеристике. Поэтому уравнение механической
характеристики в данном режиме имеет вид
Ия -MRЯL |
MRЯL |
со=- ---- =со +--- |
|
kФ (kФ)2 |
о (kФ)2 . |
Поскольку при этом направления тока якоря Iя и ЭДС движения одинаковы (рис. 4.28, а), МПТ переходит в генераторный режим - является источником электрической энергии, преобразованной
+ u - |
+ Ия |
Ия + |
Rдин.т |
1,\~ lя! |
lяt |
1,!С@] |
|
ов |
ов |
ов |
ов |
1вtCL1 |
1вtCL1 |
1вtCL1 |
1вtCL1 |
+ |
+ |
+ |
+ |
а |
б |
в |
г |
Рис. 4.28. Схемы включения МПТ в тормозных режимах работы: |
|||
а -рекуперативное торможение; бив- |
торможение противовключением; г - |
||
динамическое торможение |
|
|
из механической энергии, поступающей на вал машины от рабоче го механизма. Электрическая энергия, вырабатываемая МПТ, за
196 Глава 4. Регулирование скорости и момента двигателей...
вычетом потерь в якорной цепи передается в источник питания, к
которому подключена якорная обмотка. При переходе МПТ из
двигательного режима в режим рекуперативного торможения из
меняется знак тока якоря Iя (и соответственно момента М) при со
хранении знака скорости.
В установившемся режиме работы рекуперативное торможение возможно в ограниченном классе электроприводов при действии
активного момента нагрузки (подъемники, робототехника, элек
тротранспорт и т. п.). Чаще этот режим возникает при скачкооб разном снижении напряжения на якоре Ия,
|
Пусть исходному состоянию |
|
двигателя соответствует точка 1 |
|
некоторой механической харак |
|
теристики а (рис. 4.29) с коор |
|
динатами Мс и скорости ffi1 при |
|
некотором напряжении на якоре |
|
Ия1• Тогда сразу же после быст |
|
рого снижения напряжения до |
м |
Ия2 из-за механической инерци |
Рис. 4.29. Механические характе |
онности ПОДВИЖНЫХ частей при |
вода состояние двигателя будет |
|
ристики МПТ в двигательном ре |
характеризоваться точкой 2 но |
жиме и режиме рекуперативного |
|
торможения |
вой характеристики 6, соответ |
|
ствующей пониженному напря- |
жению Ия2, Далее под действием тормозного момента скорость
будет снижаться и в пределах ее изменения от ffi1 до ffio2 (скорости
холостого хода на новой характеристике) имеет место режим ре
куперативного торможения.
Торможение противовключением, или режим работы после
довательно с сетью, происходит, когда машина, включенная для
вращения в каком-либо направлении под действием внешних сил или сил инерции, принудительно вращается в обратном направлении.
В результате по сравнению с предшествующим двигательным ре
жимом изменяется знак скорости при сохранении знака момента
либо знак момента при том же знаке скорости. Если не принять
специальных мер, этот режим может сопровождаться чрезмерно
большими значениями тока в якоре. Обычно для его ограничения
последовательно с якорем включают дополнительный резистор с
необходимым сопротивлением Rт.п•
4. 6. Тормозныережимыработы машин постоянного тока |
197 |
Первый случай имеет место при активном характере нагрузки,
когда он превышает момент короткого замыкания Мс > Мк.з . Со ответственно, как следует из выражения (2.6), изменяет свой знак
ЭДС движения Е при сохранении знака тока якоря Iя (рис. 4.28, б),
который теперь определяется как
Поскольку при этом знаки ЭДС движеIШЯ и тока якоря совпада
ют, МПТ является источником электрической энергии, которая полу чается в результате преобразования механической энергии, поступа ющей на вал от механизма. Знаки же напряжения Ия и тока Iя, как и в
двигательном режиме, противоположны, и это говорит о том, что
:МПТ продолжает потреблять электрическую энергию из источника
питания. Электрическая энергия, как потребляемая от источника пи тания, так и вырабатываемая :МПТ, преобразуется в тепловую энер
гию, которая выделяется в сопротивлениях якорной цепи.
Второй случай возникает как |
00 |
|
Wo1 |
часть реверса двигателя в резуль- |
|
тате изменения полярности напря |
а |
|
жения на якоре Ия (см. рис. 4.28, в).
На рис. 4.30 точка 1 на характери
стике а соответствует исходному
состоянию привода в двигатель
ном режиме МПТ. Сразу же после
изменения |
полярности |
напряже |
|
|
ния скорость остается |
прежней |
|
||
вследствие |
механической |
инер |
|
|
ционности привода и поэтому его |
|
|||
состояние |
характеризуется |
точ |
Рис. 4.30. Механические характе |
|
кой 2 характеристики 6. В резуль- |
ристики МПТ в двигательном ре |
|||
тате этого направления напря |
жиме и режиме противовкшо- |
|||
жения Ия и ЭДС движения Е сов |
чения |
падают и ток
-И -Е
I = --'я"-_
я
RЯL
198 Глава 4. Регулирование скорости и момента двигателей...
По сравнению с двигательным режимом изменяется направле
ние тока якоря, что ведет к изменению знака электромагнитного
момента, который становится тормозящим, т. е. препятствующим движению. При достижении скоростью нулевого значения двига
тель нужно отключить от сети, иначе он начнет разгоняться в про
тивоположном направлении.
Динамическое торможение
обеспечивается отключением
якорной цепи от источника пита
ания и замыканием ее на внешний
резистор - резистор динамиче
ского торможения RДJШ.Т, как пока
зано на рис. 4.28, г. В этом режи
|
ме в |
якорной |
цепи двигателя |
|
м |
остается один источник электри- |
|||
|
||||
р |
ческой энергии - |
ЭДС движе- |
||
ис. 4.31 . механические харак- |
|
|
|
|
теристики МПТ в двигательном |
ния Е, наводимая во вращаю |
|||
режиме и режиме динамического |
щемся по инерции якоре. Эта |
|||
торможения |
ЭДС |
определяет |
направление |
|
|
тока якоря Iя, |
которое противо |
положно направлению в двигательном режиме работы. В резуль
тате изменения направления тока якоря изменяется направление
электромагнитного момента и он становится тормозящим.
Механические характеристики, поясняющие переход МПТ из ис ходного двигательного режима работы 1 в режим динамического
торможения 2 при тех же условиях, что в предыдущих случаях,
показаны на рис. 4.31. Электрическая энергия, вырабатываемая
МПТ, в данном случае рассеивается в виде теплоты в сопротивле ниях якорной цепи. Ограничение тока в этом режиме достигается
выбором соответствующего значения сопротивления резистора
динамического торможения Rдин.т•
В режиме динамического торможения напряжение Ия = О, а следовательно, и скорость идеального холостого хода со0 = О, по
этому уравнение механических характеристик имеет вид
MRяr.
со=- ---
(kФ)2.
Механические и электромеханические характеристики в режи ме динамического торможения располагаются во II и IV квадран
тах и проходят через начало координат.
4. 6. Тормозныережимыработы машин постоянного тока |
199 |
4.6.2. Машины постоянного тока последовательного и смешанного возбуждения
Важно заметить, что МПТ последовательного возбуждения мо
гут работать только в двух тормозных режимах - противовклю чения и динамического торможения.
Режим работы с рекуперацией энергии в сеть физически не
возможен, поскольку теоретически недостижима скорость идеаль ного холостого хода ш0 и, следовательно, всегда выполняется
условие Е = kФш < <И= kФш0 •
Режиму противовключением соответствует участок любой
механической характеристики при IMI> IМк.зl, т. е. при изменении
знака скорости по отношению к ее знаку в двигательном режиме
работы на той же характеристике. Для осуществления этого режи ма необходимо, как и в МПТ с независимым возбуждением, изме
нить полярность напряжения на якоре по отношению к полярности
напряжения в двигательном режиме работы. Для этого обычно ис
пользуют схему контактного моста, показанную на рис. 4.32, а, в
которой замкнутое состояние контактов силового контактора Д
соответствует двигательному режиму, а контактов Т - режиму
противовключения.
+и
+
а |
б |
в |
Рис. 4.32. Схемы включения МПТ последовательного возбуждения в тор
мозных режимах:
а - режим противовключения; б - динамическое торможение при независимом возбуждении; в - динамическое торможение с самовозбуждением
Необходимо подчеркнуть, что при этом, как и при независи мом возбуждении, знаки тока, ЭДС движения и напряжения сов падают, поэтому ток может достигать больших, опасных для ма
шины значений. Ограничение тока допустимыми пределами в этом
режиме достигается включением последовательно с якорем до-
200 Глава 4. Регулирование скорости и момента двигателей...
полнительного резистора Rт.п с соответствующим сопротивлением
при размыкании дополнительного шунтирующего его контакта
контактора Т.
Динамическое торможение МПТ последовательного возбуж
дения может вьmолняться двумя способами. При первом способе
(рис. 4.32, б) обмотка возбуждения отключается от якорной цепи и
через дополнительный резистор Rв.доп подключается к источнику питания, а якорная обмотка замыкается на второй дополнительный
резистор Rдин.т• Получаемые в результате тормозные характеристи
ки полностью аналогичны характеристикам двигателя независимо
го возбуждения (см. рис. 4.31, характеристика б). Использование
дополнительного резистора в цепи обмотки возбуждения Rв.доп
обусловлено необходимостью ограничения тока в низкоомной об мотке возбуждения на уровне номинального значения.
При втором способе - самовозбуждении - якорь с последо вательно включенной обмоткой возбуждения замыкается на до
полнительный резистор Rдин.т• При этом для исключения размагни
чивания машины нельзя допустить изменения направления тока
возбуждения по отношению к его направлению в двигательном режиме работы. Поэтому схему строят так (рис. 4.32, в), чтобы при изменении направления тока в якорной обмотке направление тока
вобмотке возбуждения сохранялось прежним.
Вэтом случае в первый момент после переключения в якоре, вращающемся в поле остаточного магнетизма, наведется ЭДС и
потечет ток, протекание которого в последовательно включенной
с ним обмотке возбуждения вызовет поток, совпадающий по
направлению с потоком остаточного магнетизма, т. е. произойдет
усиление магнитного потока машины или, как говорят, наступит
режим ее самовозбуждения. Однако для возникновения режима самовозбуждения необходимо выполнение дополнительного
условия, а именно: суммарное сопротивление якорной цепи Rr, = = Rя + Rдин.т + Rв и скорость вращения двигателя должны быть
такими, чтобы выполнялось равенство
что графически означает существование точки пересечения кривой Е(Iя) и прямой Iя (Rr,) на рис. 4.33, а. Очевидно, что чем больше скорость, тем меньше должно быть суммарное сопротивление якорной цепи (см. рис. 4.33, а). При Rдин.т = О, т. е. при замкнутой