Методичка-все лекции по КЭП_ver_9.09

уравнительный ток. Для рассматриваемого согласования работы групп РВП, также необходимы реакторы с целью ограничения уравнительного тока, однако их индуктивность в данном случае существенно меньше, чем при согласованном управлении. В тех случаях, когда по условиям коммутации, можно отказаться от ограничительных реакторов уравнительный ток также становится равным нулю.

Для ограничения уравнительных токов могут использоваться При переходе из выпрямительного режима в инверторный появляется люфт.

Причина возникновения люфта состоит в том, что при изменении uу в

некотором диапазоне напряжения инвертора по абсолютному значению больше напряжения выпрямителя.

Несогласованное совместное управление имеет смысл применять в РВП, где не предъявляется жестких требований к динамическим показателям системы и допустим люфт в характеристиках — внешних и управления. Достоинство такого управления в том, что при меньших массогабаритных показателях удается уменьшить уравнительные токи.

Раздельное управление принципиально отличается от совместного тем, что управляющие импульсы подаются только на работающий комплект вентилей. Другая группа оказывается в данный момент запертой.

Реализация условий запрета подачи импульсов в тот или иной комплект вентилей осуществляется посредством логического переключающего устройства ЛПУ (структурная схема дана на рис. 6), представляющего собой схему релейного действия с дискретными входными (is,i1,i2 ) и выходными (b1,b2 ) величинами.

Рис. 6. Структурная схема ЛПУ

Раздельное управление может быть реализовано несколькими способами. 1. Переключением комплектов в функции знака управляющего сигнала, подаваемого на вход системы управлении (ЛПУ не разрешает переключение до момента равенства тока нагрузки Iн 0). Этот способ наиболее прост и применим при питании пассивных цепей нагрузки, например обмотки возбуждения машины постоянного тока. В данном случае логическое устройство может управляться тем же сигналом, что подается на вход

системы фазового управления.

41

2. Переключением комплектов в случае, если i1 i2 0 и изменилась полярность сигнала ошибки на входе системы автоматического регулирования. Этот способ может рассматриваться как классический пример использования раздельного управления РВП.

3. Переключением комплектов в случае, если отсутствует ток id преобразователя, изменилась полярность сигнала ошибки uу ,

Взамкнутой системе автоматического регулированная (по напряжению, скорости двигателя и т. д.) существенно суживается зона нечувствительности, в которой не происходит переключения вентильных комплектов (уменьшение зоны обратно пропорционально коэффициенту усиления). Однако это лишает преобразователь с раздельным управлением автономности, присущей РВП с совместным управлением.

4. От этого свободен способ переключения с так называемой «сканирующей» логикой. При отсутствии токов в выпрямительных группах попеременно в каждом из каналов с определенной частотой появляются сигналы запрета. ЛПУ в этом случае не связано с каким-либо сигналом управления, а находится в автоколебательном режиме.

Статические и динамические характеристики силового РВП с раздельным управлением не отличаются от нереверсивного при неизменном токе нагрузки. Специфика раздельного управления проявляется в моменты переключения . вентильных комплектов.

Вобщем случае согласование комплектов при раздельном управлении может быть проведено по любому закону.

Наличие бестоковой паузы при переключении комплектов снижает динамические качества преобразователя, так как его реакция возможна лишь на сигналы гармонического воздействия. Кроме того, наличие паузы может привести к ухудшению качества процесса регулирования, так как за это время в системе может быть накоплена значительная информация. Это обстоятельство сужает область применения раздельного управления.

42

Лекция №9. Датчики и источники питания

1.Датчики в комплектных электроприводах

Всистемах автоматического управления электроприводами применяются четыре основных вида датчиков: скорости, тока, напряжения, положения.

Кроме перечисленных используются датчики момента (усилий), мощности, ЭДС. Сигналы этих датчиков обычно получают путем соответствующей обработки сигналов датчиков тока и напряжения.

По принципу действия датчики делятся на аналоговые, где измеряемая входная величина преобразуется и обрабатывается в аналоговой форме, и дискретные, где входная величина преобразуется в цифровую информацию.

Датчики скорости. Динамические и статические характеристики электропривода с регулятором скорости оцениваются линейностью, симметричностью характеристики, уровнем и частотой переменной составляющей в сигнале, температурным дрейфом, зоной нечувствительности датчика скорости.

Наличие низкочастотной переменной составляющей в сигнале (оборотные и полюсные пульсации) приводит к появлению переменной составляющей в токе якоря и двигателя и требует снижения быстродействий регулятора скорости.

Врегулируемых электроприводах средней и большой мощности применяются обладающие низкими оборотными и полюсными пульсациями и высокой линейностью и стабильностью характеристик тахогенераторы постоянного тока серии ПТ и переменного тока серии ТТ.

Тахогенераторы ПТ и ТТ имеют подвесное исполнение, вследствие чего снижены оборотные пульсации.

Конструкция тахогенераторов ПТ рассчитана на жесткое соединение вала тахогенератора с валом приводного двигателя.

Магнитная система тахогенераторов ПТ свободно подвешена на валу посредством шариковых подшипников и фиксируется креплением к подшипниковому щиту Приводного электродвигателя. Тахогенераторы на частоту вращения 600 об/мин в выше выполняются с добавочными полюсами. Тахогенераторы серий ПТ и ТТ обладают значительными габаритами и массой и используются в основном как датчики скорости в приводах прокатных станов, бумажной, химической промышленности и как датчики скорости мощных турбоагрегатов.

Для приводов средней мощности, не предъявляющих высоких требований к точности регулирования скорости, используются тахогенераторы постоянного тока серий ЭТ, ТЖ, ТД.

Тахогенераторы серий ПТ и ТТ предназначены для работы в запыленных помещениях в условиях как умеренного, так и тропического климата. Тахогенераторы ПТ выполняются в закрытом исполнении с естественным

43

охлаждением. По способу монтажа тахогенераторы выполняются фланцевого исполнения со станиной без лап.

Кроме того, в нереверсивных приводах и приводах малой мощности, где важно малое значение инерции ротора тахогенератора, применяются асинхронные тахогенераторы

Тахогенераторы переменного тока, используемые в системах управления, работающих на сигналах постоянного тока, требуют дополнительной аппаратуры — выпрямителей, фильтров и специальных фазочувствительных приставок для различения направления вращения и преобразования сигнала переменного тока в сигнал постоянного тока.

Для станочного привода используются тахогенераторы серии МЭТ, обладающие малой асимметрией и нелинейностью характеристик. В комплектных тиристорных электроприводах используются встроенные тахогенераторы на одном валу с двигателем, при этом кроме указанных серий тахогенераторов используются машины типа СЛ.

Всовременном электроприводе избегают соединения тахогенератора с валом посредством гибкой передачи и редукторов, так как гибкие передачи обладают свойствами колебательного звена и ухудшают динамику привода, а редуктор вызывает затруднения, связанные с наличием люфтов в передачах.

Датчики тока и напряжения. В системах автоматического управления электроприводом сигналы, пропорциональные току, снимаются с шунтов, трансформаторов тока. Эти сигналы используются как в чистом виде, так и преобразованные для выделения сигналов, соответствующих ЭДС, мощности, потоку и т. д.

Основными проблемами при создании датчиков тока и напряжения являются проблемы гальванического разделения силовых цепей и цепей управления, проблемы обеспечения высокого быстродействия и точности.

Ваналоговых датчиках напряжения для разделения цепей применяют модуляцию входного напряжения и трансформирование с последующей демодуляцией и усилением.

Повышение несущей частоты до 30—35 кГц дает возможность увеличить полосу пропускания до 1,5—2 кГц. В блочной унифицированной системе регуляторов на интегральных микросхемах работают датчики (преобразователи) напряжении с полосой пропускания 2 кГц. Гальваническая развязка входных и выходных цепей датчиков систем УБСР и УБСР-АИ рассчитана на напряжение до 1000В. Точность преобразования напряжения находится в пределах 96%.

Впоследнее время в качестве датчиков тока и магнитного потока все шире используются приборы, основанные на эффекте Холла, которые строятся в виде магнитопроводов с зазором. Магнитопровод из магнитомягкого материала намагничивается при помощи обмотки, по которой течет измеряемый ток. В зазоре устанавливается датчик Холла, питаемый от стабилизированного источника тока. Датчики тока с использованием

44

эффекта Холла обеспечивают гальваническую развязку между цепями измерения и выходной при напряжениях до нескольких киловольт, точность до ±1 % и полосу пропускании до 1 кГц.

Датчики положения. В аналоговых системах автоматического управления электроприводами в качестве датчиков положения используются в основном сельсины и синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы различных типов.

Повышение точности следящих систем по положению достигается применением грубой и точной систем отсчета. Датчики точной системы имеют меньшее передаточное отношение к валу исполнительного двигателя. Обычно передаточное отношение между грубой и точной системами отсчета выполняется кратным пяти или десяти.

Переход в процессе слежении с грубой на точную систему отсчета осуществляется при помощи ключевых схем в функции сигнала рассогласования грубого отсчета.

Дискретные датчики используются в электроприводе в основном при регулировании положения и скорости в случаях, когда требования к точности регулирования не могут быть удовлетворены аналоговыми датчиками.

Импульсные датчики скорости. Работа датчика основана на модуляции светового потока, направленного от источника излучении через диск с прорезями на фотоприемник.

Диск связан механически с входным валом датчика. При постоянной скорости вала выходной сигнал представляет собой серию импульсов напряжения определенной частоты. Частота выходного сигнала пропорциональна скорости. Датчики снабжаются каналом нулевого импульса (началом отсчета), что дает возможность при наличии счетчика использовать датчик не только для регулирования скорости, но и как датчик положения.

Кодовые датчики положения представляют собой набор кодовых дисков с прорезями и системой фотосчитывания. Обычно в датчиках положения применяется код Грея, исключающий одновременную смену значений в нескольких разрядах.

2. Источники питания

Источники питания систем электропривода можно разбить на две группы: нестабилизированные (преобразовательные электромашинные агрегаты, трансформаторно-выпрямительные блоки, аккумуляторные батареи); стабилизированные.

В свою очередь стабилизированные источники питания в зависимости от назначения, технической реализация, физических принципов, положенных в основу, разделяются на несколько подгрупп; стабилизаторы переменного напряжения (феррорезонансные, дроссельные, паратрансформаторные); стабилизаторы на основе управляемых тиристорных преобразователей, обычно применяемые для питания цеховых сетей постоянного тока, троллеев и

45

контактных сетей дли электротранспорта; стабилизированные маломощные источники питания для систем управления.

Ниже рассматриваются лишь стабилизированные источники питания. Стабилизаторы переменного напряжения, работающие на принципе

феррорезонанса с компенсацией влияния нагрузки, обеспечивают коэффициент стабилизации ±1 % при изменении входного напряжения в пределах + 10 —15 %. Особенностью этих стабилизаторов является требование обеспечения нагрузки в пределах 0,5—1 номинальной. При меньшей нагрузке нелинейные искажения выходного напряжения выходят за 5 % и не гарантируется точность стабилизации.

Стабилизаторы переменного напряжения на управляемых реакторах имеют разделенный магнитопровод. Вторичная обмотка охватывает обе части магнитопровода, причем стабилизация осуществляется путем управления токами подмагничивания магнитопроводов при помощи магнитного усилителя. Стабилизаторы этого типа допускают изменения нагрузки от 0 до 100 % номинальной. Недостатком их является значительное время восстановления (0,25—0,6 с) напряжения при толчках напряжения и нагрузки.

К стабилизаторам переменного тока относятся также стабилизаторы на основе паратрансформаторов. Паратрансформатор осуществляет наряду с трансформацией энергии стабилизацию напряжения, преобразование однофазного напряжения в трехфазное и защиту от перегрузки. Выполняется паратрансформатор на двух П-образных магнитопроводах, развернутых относительно друг друга на 90° так, что при стяжке образуются четыре плоскости соприкосновения магнитопровода. Первичная обмотка наматывается на одни магнитопровод, вторичная — на оба, во вторичной обмотке имеется емкость, образующая резонансный контур.

На основе паратрансформаторов разработаны и выпускаются блоки питания для систем управления, действующие по следующей последовательности: паратрансформатор — трехфазный выпрямитель — сглаживающий фильтр — электронный стабилизатор — нагрузка.

Наличие предварительной стабилизации на паратрансформаторе позволяет значительно уменьшить массу и габариты сглаживающих фильтров и электронных стабилизаторов упрощением их схем и облегчением тепловых режимов при одновременном повышении КПД и надежности.

Стабилизаторы на основе тиристорных выпрямителей позволяют получить стабилизацию на уровне 0,5—1 %. Недостатком таких стабилизаторов является необходимость установки автономных преобразователей для каждого стабилизированного напряжения. Обычно в качестве стабилизированного источника подобного типа используются однофазные тиристорные выпрямители серии ПТО, где стабилизация достигается применением жесткой обратной связи по напряжению. Независимость

46

задания от колебаний напряжения сети обеспечивается применением стабилитронов.

Среди разнообразных стабилизированных маломощных полупроводниковых источников питания для систем управления можно выделить два основных типа стабилизаторов: импульсные стабилизаторы и непрерывные стабилизаторы.

Вимпульсных стабилизаторах поддержание заданного значении выходного напряжения достигается наличием широтно-импульсного, модулятора, охваченного отрицательной обратной связью по выходу. Высокая частота выходного сигнала фильтруется таким образом, чтобы обеспечить допустимые по техническим требованиям пульсации напряжения на нагрузке. Коэффициент полезного действия таких стабилизаторов определяется в основном потерями коммутации ключевых элементов и потерями в фильтрах.

Внепрерывных стабилизаторах стабилизация достигается включением последовательно с нагрузкой регулируемого элемента (обычно транзистора), падение напряжения на котором компенсирует колебания напряжения питающей сети, влияние переменной нагрузки и других возмущающих факторов. Потери в таком стабилизаторе определяются в основном выделением энергии на регулируемом элементе.

Оба типа стабилизаторов выполняются как на дискретных элементах (транзисторах, резисторах, конденсаторах), так и в микросхемном варианте, что обеспечивает большую надежность, меньшую стоимость и габариты.

Внастоящее время питание разветвленных систем автоматического управлении электроприводом включает в себя следующие преобразования и операции: переход от промышленной частоты к более высокой, что облегчает трансформацию и упрощает фильтры; грубая стабилизация на стороне переменного тока; трансформация до требуемых уровней напряжения; выпрямление и фильтрация; точная стабилизация на постоянном токе; разводка по объектам потребления.

Внекоторых случаях осуществляется автономное питание отдаленных частей схемы, уменьшающее возможности распространения помех по каналам питания.

Взависимости от технических требований не все перечисленные операции выполняются. В конкретных системах возможны упрощенные структуры питания. Кроме того, в системах тиристорного электропривода существует ряд специальных источников питания с особыми требованиями, например источники опорных напряжений, источники пилообразных напряжений, прямоугольных импульсов ит. п., которые в данном разделе не рассматриваются.

Конструктивно трассы питания постоянного и переменного тока в шкафах управления отделяют от остальных цепей и выполняют проводом более

47

Лекція №11. Способи регулювання швидкості КЕП. Параметри регулювання Під регулюванням швидкості електроприводу розуміють цілеспрямовану її зміну з волі оператора або засобами системи автоматичного управління (САУ) незалежно від моменту на валу відповідно до вимог, що

пред'являються до закону руху виконавчого органу робочої машини. Регулювання швидкості електропривода забезпечується впливом на

параметри електричних кіл або джерел живлення.

Діапазон регулювання - відношення максимальної швидкості при регулюванні до мінімальної

Плавність регулювання характеризується різницею двох послідовних значень швидкості, що представляють собою ступені регулювання. Чим менше ця різниця, тим більше плавно здійснюється регулювання.

1. Параметричні способи регулювання

Резисторне регулювання швидкості електроприводів.

Регулювання здійснюється шляхом застосування опорів резисторів, включених в головні ланцюги двигунів - якорів ДПС, статорів або роторів АД. Способи резисторного регулювання швидкості ДПС і АТ мають багато спільного, а саме: регулювання швидкості в режимі двигуна проводиться тільки вниз від основної швидкості; модуль жорсткості механічних характеристик зменшується при зниженні кутової швидкості, а втрати потужності в головному колі при цьому ростуть; діапазон регулювання обмежений; в усіх випадках, крім регулювання швидкості АД зміною опору в колі статора, допустимий момент навантаження практично можна вважати постійним. Але разом з тим існують і специфічні особливості регулювальних властивостей кожного з двигунів.

Резисторне регулювання швидкості ДПС.

При реостатному регулюванні швидкості допустимий момент на валу ДПС не залежить від швидкості і дорівнює номінальному значенню.

Регулювання швидкості можливе тільки вниз від основної.

У міру зниження моменту на валу ДПС реостатне регулювання швидкості стає малоефективним, а при моменті, що близький до нуля практично не призводить до зміни швидкості.

При реостатному регулюванні швидкості ДПС ПЗ і ДПТ ЗЗ також змінюється додатковий опір в колі якоря. У цьому випадку основні показники регулювання залишаються такими ж, як і у ДПТ НЗ.

Резисторне регулювання швидкості АД можна здійснювати різними способами, а саме: регулювальні резистори можуть включатися послідовно з обмотками статора або ротора; вони можуть бути симетричні, тобто при регулюванні швидкості АД з контактними кільцями шляхом зміни опору в колі ротора допустимий момент залишається постійним і рівним номінальному.

Для АД з контактними кільцями змінюється регулювання швидкості

48

шляхом зміни опору в колі ротора, а для АД з короткозамкненим ротором використовуються опори в колі статора.

При реостатному регулювання швидкості в разі постійного моменту коефіцієнт потужності ланцюга ротора залишається незмінним, не змінюється і коефіцієнт потужності двигунів.

Для перемикання ступенів опору необхідне використання триполюсних контакторів. При включенні обмотки статора на зірку можна застосовувати двополюсні контактори.

Зважаючи на зазначені вище недоліки регулювання швидкості АД шляхом зміни активних опорів в колі його статора використовується відносно рідко. Такі схеми можуть використовуватися для обмеження пускових струмів і моментів АД з короткозамкненим ротором.

Регулювання швидкості АД зміною числа пар полюсів

Діапазон регулювання не перевищує 1,15-1,2.

Спосіб використовується для регулювання швидкості АД з короткозамкненим ротором. Його принцип випливає безпосередньо з виразу для синхронної швидкості.

Зміна числа пар полюсів р виконується шляхом перемикання обмотки статора. При цьому число пар полюсів короткозамкнутого ротора змінюється автоматично. Так як р може бути тільки цілим числом, то даний спосіб забезпечує ступеневе регулювання швидкості.

Для зміни числа пар полюсів необхідно, щоб в пази статора були укладені незалежні обмотки з різними значеннями р або при одній обмотці статора була можливість зміни її схеми з'єднань. У першому випадку помітно збільшуються габарити і маса АД, але при цьому можливо практично будьяке співвідношення чисел пар полюсів обмотки. Як правило, такі АД виконуються з двома обмотками із співвідношенням чисел пар полюсів від 3: 1 до 12: 1.

Регулювання швидкості шунтуючими резисторами

Застосовується для ДПС, коли регулювальні резистори включаються паралельно і послідовно з якорем.

Підвищені втрати потужності в схемі шунтування якоря обмежують сферу застосування даного способу регулювання. Зазвичай він використовується для ДПС малої, рідше середньої потужності при відносно короткочасному зниженні швидкості. Діапазон регулювання в схемах шунтування якоря ДПС НЗ зазвичай не перевершує 4-5. Регулювання кутової швидкості в двигунному режимі можливе тільки вниз від основної швидкості.

Втрати потужності в розглянутій схемі і значення ККД при регулюванні швидкості такі ж, як і у випадку шунтування якоря ДПС НЗ. У зв'язку з цим даний спосіб застосовується для регулювання швидкості ДПС ПЗ при відносно нетривалій роботі в зоні низьких швидкостей.

Регулювання швидкості зміною реактивних опорів

Цей метод регулювання використовується головним чином для АД.

49

Регулювання швидкості в цьому випадку здійснюється в зоні, що лежить нижче основної швидкості.

Індуктивні додаткові опори можуть включатися в кола статора або ланцюга ротора АД. При цьому результат буде аналогічним, так як включення додаткового індуктивного опору призводить до однакової зміни індуктивного опору схеми заміщення двигуна.

Включення послідовно з двигуном додаткових індуктивних опорів призводить до зниження коефіцієнта потужності. Щодо втрат енергії даний спосіб регулювання матиме такі ж показники, як і при регулюванні швидкості АД, шляхом зміни активного опору в ланцюзі статора. Отже, діапазон регулювання швидкості і в цьому випадку виявляється обмеженим. Однак при регулюванні цим способом швидкості АД з контактними кільцями можна розширити діапазон регулювання шляхом введення в коло ротора добавочних активних опорів. У цьому випадку частина втрат ковзання розсіюється поза обсягу електричної машини, що дозволяє збільшити допустиме ковзання і тим самим зменшити значення нижньої швидкості при регулюванні.

Зазвичай з метою регулювання швидкості АД використовуються трифазні реактори або симетричні однофазні з одночасним однаковим управлінням.

У цьому випадку ККД електроприводу залишається майже таким самим, як і при реостатному регулюванні, тоді як коефіцієнт потужності помітно знижується. Значно збільшуються капітальні витрати. Якщо при аналізі реостатних способів регулювання зазвичай не беруть до уваги вартість резисторів в порівнянні з вартістю двигунів, то в даному випадку цього робити не можна, так як габарити, маса і вартість реактора у порівнянні з аналогічними показниками для АД. Нарешті, слід враховувати, що в силу обмеження допустимого навантаження на валу зазвичай доводиться завищувати номінальну потужність АД у порівнянні з потужністю виробничого механізму.

Якщо не приймати спеціальних заходів, діапазон регулювання способом не перевищує 1,3-1,5.

2. Регулювання швидкості зміною потоку збудження

Метод використовується для ДПС. Струм збудження, а значить, і потік можуть змінюватися лише у бік зменшення в порівнянні з номінальними, оскільки за умовами нормальної роботи обмотки збудження струм в ній не може тривало перевершувати номінальний.

Для ДПС НЗ регулювання швидкості здійснюється зміною режиму роботи в колах невеликої потужності. Це, в свою чергу, дозволяє одержати плавне регулювання швидкості. Для машин малої, а іноді і середньої потужності зазвичай використовуються резистори в колі збудження, а для великих машин - спеціальні перетворювачі.

Зі зменшенням потоку збудження двигунів швидкість зростає, тобто

50