Атанов АЭП Лекции 2008

В зоне 1 в диапазоне токов 0...Iотс действует только обратная связь по скорости, обеспечивая жесткие характеристики ЭП. В зоне 2 вступает в действие обратная связь по току и характеристики становятся мягче. При дальнейшем увеличении тока и уменьшении скорости ниже скорости отсечки ωотс перестает действовать обратная связь по скорости и за счет действия связи по току характеристики становятся еще мягче (зона 3), обеспечивая требуемое ограничение тока и момента.

После формирования требуемых статических характеристик в замкнутом ЭП, построенном по схеме с общим усилителем, может оказаться, что его динамические характеристики неприемлемы — движение в переходных процессах оказывается или неустойчивым, или оно характеризуется перерегулированием и колебаниями, или значительным временем протекания. В этих случаях требуется осуществление коррекции АЭП.

Сущность коррекции динамических характеристик АЭП заключается в том, что в его схему включаются дополнительные (корректирующие) устройства, позволяющие нужным образом изменять эти характеристики. Определение схемы (структуры), параметров и места включения корректирующих устройств или, как говорят, их синтез, производится по заданным критериям качества переходных процессов методами, разработанными в теории автоматического регулирования в ЭП.

4 Замкнутые электропривода с подчиненным регулированием координат

Эффективное и качественное регулирование координат в системе П

— Д обеспечивает принцип подчиненного регулирования. Этот принцип предусматривает регулирование каждой координаты с помощью своего отдельного регулятора и соответствующей обратной связи. Тем самым, регулирование каждой координаты происходит в своем замкнутом контуре и требуемые характеристики ЭП в статике и динамике могут быть получены за счет выбора схемы и параметров регулятора этой координаты и цепи ее обратной связи.

Управление внутренним контуром с помощью выходного сигнала внешнего контура определяет еще одно ценное свойство таких схем. Оно заключается в возможности простыми средствами ограничивать любую регулируемую координату, например ток и момент, на заданном уровне. Для этого требуется всего лишь ограничить задающий сигнал, поступающий с внешнего контура.

Рассмотрим ЭП (рис. 6) с подчиненным регулированием, выходной регулируемой координатой которого является скорость. Управляющая часть схемы состоит из двух замкнутых контуров регулирования тока (момента), содержащий регулятор тока РТ и датчик тока ДТ, и регулирования скорости, содержащий регулятор скорости PC и датчик скорости (тахогенератор) ТГ.

91

Регуляторы тока и скорости в большинстве современных схем ЭП этого типа выполняются на базе операционных усилителей (ОУ). Включение в цепи задающего сигнала скорости Uз.с регулятора скорости и его обратной связи (резисторов R1 и Rо.с1) обеспечивает изменение (усиление или ослабление) этого сигнала с коэффициентом kl = Rо.с1/R1. Аналогично, изменение сигнала обратной связи по скорости Uо.с происходит с коэффициентом k2=Rо.с1/R2. Такой регулятор получил название пропорционального (П) регулятора скорости.

При включении в цепи ОУ конденсаторов (реактивных электрических элементов) его функциональные возможности по преобразованию электрических сигналов становятся шире.

Так, схема регулятора тока с включением в цепь обратной связи конденсатора Со.с последовательно с резистором Rо.с2 позволяет получить сигнал на выходе РТ в виде суммы двух составляющих (пропорциональную и интегральную). В этом случае имеем пропорциональноинтегральный (П-И) регулятор.

Как уже отмечалось, схема подчиненного регулирования координат позволяет простыми средствами ограничивать координаты ЭП на заданном уровне. В схеме для ограничения тока и момента в цепь обратной связи PC включены стабилитроны VDI и VD2. В результате этого выходное напряжение PC, являющееся задающим сигналом (уставкой) тока Uз.т, ограничивается и тем самым ток и момент двигателя не могут превзойти заданного уровня.

Отметим, что в силу своих больших функциональных возможностей, схемы с подчиненным регулированием координат нашли очень широкое распространение в регулируемом ЭП постоянного тока.

92

ЛЕКЦИЯ 12 Замкнутые схемы управления электроприводов с

двигателями переменного тока

Вопросы

1)Замкнутая схема управления асинхронного электропривода, выполненного по системе «тиристорный регулятор напряже- ния—асинхронный двигатель» (ТРН—АД)

2)Замкнутый электрический привод с частотным управлением асинхронного двигателя

3)Замкнутая схема импульсного регулирования скорости асинхронного двигателя с помощью резистора в цепи ротора

По исторически сложившейся тенденции регулируемый ЭП строился главным образом с использованием ДПТ. В последние годы в связи с появлением разнообразных средств управления регулируемый ЭП переменного тока начал быстро вытеснять АЭП с ДПТ.

1 Замкнутая схема управления асинхронного электропривода, выполненного по системе «тиристорный регулятор напряжения—

асинхронный двигатель» (ТРН—АД)

Рассмотрим схему регулирования скорости АД с фазным ротором с использованием обратной связи по его скорости (рис.1,а). Между сетью и статором АД включены три пары встречно-параллельно соединенных тиристоров VS1 — VS6, образующих силовую часть ТРН. Управляющие электроды тиристоров подсоединены к выходам системы импульснофазового управления (СИФУ), которая распределяет управляющие импульсы на все тиристоры и осуществляет их сдвиг в зависимости от сигнала управления Uy. К валу АД подсоединен тахогенератор ТГ. Его ЭДС Етг сравнивается с задающим напряжением Uз.с, снимаемым с задающего потенциометра скорости ЗП, причем эти напряжения включены навстречу друг другу. Разность напряжений U3.C и Егг, равная напряжению управления

поступает на вход СИФУ.

При увеличении этого сигнала угол управления тиристорами уменьшается, а подаваемое на АД напряжение увеличивается и наоборот. В цепь ротора АД постоянно включен добавочный резистор R2Д, наличие которого позволяет расширить диапазон регулирования скорости и облегчить тепловой режим АД при его работе на пониженных скоростях.

Рассмотрим работу ЭП при изменении момента нагрузки Мс на валу АД и постоянном задании скорости сигналом U3.С2. Допустим также, что в

93

исходном положении АД работал в точке 1 при моменте нагрузки MС1 (рис. 1,б), а затем произошло его увеличение до значения МС2.

При увеличении нагрузки на валу АД его скорость начнет снижаться, соответственно начнет уменьшаться и ЭДС тахогенератора ЕТГ. Уменьшение Етг вызывает согласно (1) увеличение напряжения управления, что приведет к уменьшению угла отпирания тиристоров и увеличению тем самым подаваемого на АД напряжения.

R2Д

а)

ω

Реостатная

U3.C3

1 2 U3.C2

U3.C1

б)

Рисунок 1 - Схема (а) замкнутой системы ТРН—АД и механические характеристики (б)

94

Момент АД будет увеличиваться и в точке 2 сравняется с МС2. Таким образом, увеличение момента нагрузки привело к небольшому снижению скорости АД, т. е., другими словами, его характеристики стали жесткими.

При уменьшении момента нагрузки Мс будет автоматически происходить снижение напряжения на АД и тем самым поддержание его скорости вращения на заданном уровне.

Изменяя с помощью потенциометра значение задающего напряжения U3.С, можно получить ряд механических характеристик электропривода с относительно высокой жесткостью и необходимой перегрузочной способностью АД.

2 Замкнутый электрический привод с частотным управлением асинхронного двигателя

Примером замкнутого ЭП переменного тока может служить серия ЭКТ и ее модернизация ЭКТ2. Эти ЭП обеспечивают регулирование скорости, тока и момента трехфазных АД с короткозамкнутым ротором за счет изменения частоты и величины подводимого к нему напряжения. Упрощенная функциональная схема этого ЭП в однолинейном исполнении приведена на рисунке 2, а.

В качестве силового преобразователя в ЭП используется тиристорный преобразователь частоты со звеном постоянного тока, состоящий из управляемого выпрямителя (УВ) и инвертора напряжения (ИН) со своими схемами управления СУВ и СУИ. Между УВ и ИН включен силовой фильтр Ф, обеспечивающий фильтрацию выходного напряжения и циркуляцию реактивной мощности в силовой части схемы.

Схема управления ЭП построена по принципу подчиненного регулирования координат и имеет два контура — внутренний (тока) и внешний (напряжения). Регулирование этих координат осуществляется пропорцио- нально-интегральными регуляторами тока РТ и напряжения РН, по сигналам датчиков тока ДТ и напряжения ДН. При частотах ниже номинальной схема управления поддерживает отношение напряжения к частоте постоянным, а при частотах выше номинальной напряжение остается неизменным, что обеспечивается усилителем — ограничителем УО.

Преобразователь частоты обеспечивает рабочие диапазоны изменения частоты (5... 80) Гц при номинальной частоте 50 Гц и (15...240) Гц при номинальной частоте 200 Гц. Диапазон регулирования напряжения составляет (0... 380) В. Серия ЭКТ2 выпускается на мощности от 16,5 до 263,5 кВт. КПД этих ЭП лежит в пределах (85...96)%.

Примерный вид механических характеристик ЭП при различных сигналах задания скорости приведены на рисунке 2, б.

ЭП этой серии могут обеспечивать торможение с рекуперацией энергии в сеть. В этом случае силовая часть ЭП дополняется ведомым сетью инвертором, а в обозначении ЭП появляется буква Р (ЭКТР и ЭКТ2Р).

95

ЛЕКЦИЯ 13 Электромашинные преобразователи частоты

Вопросы

1)Законы частотного регулирования

2)Электромашинные преобразователи частоты с использованием синхронного генератора

3)Электромашинный асинхронный преобразователь частоты

4)Вентильно-электромашинный преобразователь частоты

1 Законы частотного регулирования

Частотное регулирование скорости значительно расширяет возможности асинхронных электроприводов в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Возможность изменения скорости АД при регулировании частоты f1 следует непосредственно из выражения ωo=2π f1 /р . Из которого видно, что синхронная скорость АД прямо пропорциональна частоте питающего напряжения. При регулировании частоты возникает также необходимость регулирования напряжения источника питания. Действительно, ЭДС обмотки статора АД пропорциональна частоте и потоку

Е1=kФf1.

Из приведенного выражения следует, что при неизменном напряжении источника питания U1 и регулировании его частоты меняется магнитный поток АД. В частности, уменьшение частоты f1 приводит к возрастанию потока и, как следствие, к насыщению машины и увеличению тока намагничивания, что связано с ухудшением энергетических показателей двигателя, а в ряде случаев и к его недопустимому нагреву. Увеличение частоты f1 приводит к снижению потока двигателя, что при постоянном моменте нагрузки на валу в соответствия с выражением М= kФI2cosφ2 приводит к возрастанию тока ротора, т.е. к перегрузке его обмоток по току при недоиспользованной стали. Кроме |того, с этим связано снижение максимального момента и перегрузочной способности двигателя.

Для наилучшего использования АД при регулировании скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение, одновременно в функции частоты и нагрузки.

Обычно при регулировании выше основной скорости частота источника питания превышает номинальную не более чем в 1,5 - 2 раза. Указанное ограничение обусловлено прежде всего прочностью крепления обмотки ротора.

Регулирование скорости вниз от основной, как правило, осуществляется в диапазоне 10 ÷ 15. Нижний предел частоты ограничен сложностью реализации источника питания с низкой частотой, возможно-

98

стью неравномерности вращения и рядом других факторов. Таким образом, частотное регулирование скорости АД может осуществляться в диапазоне 20 ÷ 30. Из всего многообразия зависимостей Мс(ω) в теории электропривода обычно рассматриваются три наиболее часто встречающиеся типа статических нагрузок и закона частотного регулирования (рис. 1):

1)момент статической нагрузки не зависит от скорости x=0; Mc=const; закон - (U1/f1) =const;

2)при регулировании скорости мощность на валу остается постоянной

Pc=const; x= -1; закон - (U1/ f1) const ; 3) идеализированная вентиляторная нагрузка

x=2; закон - (U1/f12)=const.

в)

Рисунок 1 - Механические характеристики АД при частотном регулировании скорости: а) при Mc=const; б) при Pc=const; в) при вентиляторной нагрузке

99

2 Электромашинные преобразователи частоты с использованием синхронного генератора

Преобразователи частоты можно разделить на электромашинные и вентильные.

Принципиальная схема электромашинного преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока, в котором используется синхронный генератор, показана на рисунке 2. Преобразователь состоит из агрегата постоянной скорости (М1,G1), предназначенного для преобразования переменного тока сетевого напряжения и неизменной частоты в регулируемое постоянное напряжение, которое зависит от тока возбуждения генератора постоянного тока G1. Двигатель постоянного тока М2 агрегата переменной скорости получает питание от генератора G1. При изменении напряжения на выводах генератора G1 (с помощью резистора R1) плавно регулируется угловая скорость двигателя М2 и одновременно угловая скорость синхронного генератора G2, что позволяет регулировать частоту выходного тока G2. Напряжение на выходе G2 можно регулировать током возбуждения синхронного генератора с помощью R3.

Рисунок 2 – Принципиальная схема электромашинного преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока с использованием синхронного генератора

От синхронного генератора G2, являющегося источником напряжения с переменной частотой и амплитудой, питается один или группа асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором МЗ — М5. Меняя направление тока возбуждения генератора постоянного тока G1, можно изменять направление вращения асинхронных двигателей. При неизменном токе возбуждения синхронного генератора G2 и двигателя постоянного тока М2, меняя его угловую скорость, можно автоматически регулировать выходное напряжение по закону U2/f2=const. В данном случае, со снижением частоты снижается перегрузочная способность асинхронных двигателей и

100