Библиотека / Красовский основы электропривода

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

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

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-

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. 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

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

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,

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•

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