17.6. Управление электроприводом

Управление электроприводами заключается в осуществлении пуска, регулировании скорости, торможения, реверсирования, а также в поддержании режимов работы привода в соответствии с требованиями технологического процесса.

Для управления электроприводами служат релейно-контакторные аппараты, датчики состояния электропривода, управляющие ЭВМ, встроенные микропроцессорные системы, преобразователи и т. п.

Различают разомкнутые и замкнутые (см. рис. 17.1) системы управления. Разомкнутые системы не содержат обратных связей и поэтому возмущающее воздействие (например, нагрузка на валу двигателя) приводит к изменению режима работы привода. В замкнутых системах заданный режим работы привода не зависит от возмущающих воздействий и поддерживается автоматически благодаря наличию обратных связей.

Ограничимся здесь описанием принципов управления в разомкнутых системах.

В приводах с нерегулируемым или ступенчато регулируемым режимом работы применяется управление на основе релейно-контакторной аппаратуры (см. рис. 16.14), в более сложных — на основе управляемых тиристорных преобразователей.

А. Электропривод переменного тока. Для регулирования частоты вращения асинхронного двигателя тиристоры включаются в цепь статора или ротора. В первом случае модно регулировать амплитуду (фазное регулирование) или частоту (частотное регулирование) напряжения на обмотках статора и, следовательно, вращающий момент на валу двигателя [см. (14.35)]. Во втором случае можно изменять активное сопротивление цепи ротора и таким образом (см. рис. 14.27) регулировать его частоту вращения.

На рис. 17.9 приведена схема преобразователя (регулятора) переменного напряжения на обмотках статора асинхронного двигателя с двумя встречно-параллельными тиристорами в каждой фазе. Система управления СУ синхронно открывает тиристоры в порядке чередования фаз. Изменяя момент времени включения тиристоров (см. рис. 10.42), можно регулировать амплитуду напряжения основной гармоники. Выключение тиристоров осуществляется автоматически при изменении полярности напряжения соответствующей фазы. Такой режим называется естественной коммутацией.

Искусственной коммутацией называется выключение тиристора при подключении к его выводам какого-либо источника энергии, создающего в нем ток обратного направления. Применение искусственной коммутации рассматривалось ранее в автономных инверторах (см. рис. 10.53 и 10.55). Примером применения искусственной коммутации в электроприводе может служить управление током в цепи фазного ротора асинхронного двигателя (рис. 17.10). Рабочий тиристор VS замыкает через резистор r₁ цепь выпрямленного при помощи трехфазной мостовой схемы (см. рис. 10.40) тока ротора. Узел искусственной коммутации УК, обведенный на рисунке штриховой линией, содержит вспомогательный тиристор VS_к, резистор r_к и конденсатор С_к.

Пусть первоначально рабочий тиристор VS_к открыт, а вспомогательный VS_к закрыт. В это время конденсатор С_к заряжается через резистор r_к (полярность зарядки показана на рис. 17.10). Подадим теперь на вспомогательный тиристор VS_к отпирающий его импульс напряжения u_уп.к от системы управления СУ. Вспомогательный тиристор откроется и конденсатор начнет разряжаться через него и рабочий тиристор (контур цепи, разрядки, отмеченный на рисунке штриховой линией). При этом ток разрядки конденсатора направлен навстречу прямому току рабочего тиристора и последний выключается. После этого конденсатор перезаряжается (заряд обратной полярности) через резистор r₁ и открытый вспомогательный тиристор.

Чтобы вновь включить рабочий тиристор, на него необходимо подать импульс напряжения и от системы управления. При этом конденсатор своим током разрядки выключает вспомогательный тиристор, тот же контур разрядки, но ток обратного направления, а конденсатор еще раз перезаряжается (возвращается полярность, показанная на рисунке).

Следующий цикл начинается с подачи импульса напряжения u_уп.к от системы управления на вспомогательный тиристор.

Эквивалентное сопротивление цепи ротора зависит от отношения интервалов времени открытого и закрытого состояний рабочего тиристора. Изменяя это отношение, можно регулировать среднее значение тока ротора и, следовательно, момент, развиваемый асинхронным двигателем.

Одним из перспективных способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей является изменение частоты напряжения на обмотках статора. Для этой цели широко применяются автономные инверторы на основе тиристоров, т.е. устройства преобразования постоянного напряжения в переменное с любым числом фаз. Например, управление частотой вращения двухфазных (см. рис. 14.34) и однофазных (см. рис. 14.36) асинхронных двигателей возможно на основе однофазного автономного инвертора по схеме на рис. 10.55.

Инвертирование постоянного напряжения в трехфазную или многофазную систему напряжений осуществляется аналогично. Обычно в инверторе вместо источника с постоянной ЭДС Е используются выпрямленное напряжение сети переменного тока. Применение для этой цели управляемого выпрямителя (см. рис. 10.48) дает дополнительные возможности управления асинхронным двигателем.

Устройства, содержащие и управляемые выпрямители, и инверторы, принято называть тиристорными преобразователями. Иногда в электроприводе применяются и более сложные тиристорные преобразователи, например выпрямитель — инвертор — выпрямитель. Применение различных способов управления позволяет плавно и экономично регулировать частоту вращения асинхронных двигателей в диапазоне до 50 : 1 и выше.

Б. Электропривод постоянного тока. Если необходимо регулировать частоту вращения двигателя постоянного тока и получить специальные характеристики, то в настоящее время широко применяются тиристорные преобразователи для подключения двигателя к сети переменного тока.

Схема подключения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением (см. рис. 13.7) к сети с однофазным синусоидальным напряжением и = U_msinwt (рис. 17.11) полностью аналогична рассмотренной выше схеме зарядки аккумулятора (см. рис. 10.51).

Пренебрегая сопротивлением цепи якоря, полагая индуктивность сглаживающего фильтра L_F -> °° и учитывая регулировочную характеристику управляемого выпрямителя (10.15), определим постоянную ЭДС якоря:

где а — угол управления включением тиристоров.

Изменяя угол а при помощи системы управления СУ, можно изменять ЭДС якоря, а следовательно, его частоту вращения [см. (13.1)] при постоянном токе возбуждения I_в.

Одна из простейших схем включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в трехфазную сеть приведена на рис. 17.12. Система управления включает тиристоры в порядке чередования фаз.

ГЛАВА ВОСЕМНАДЦАТАЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ