приводы. Объемное регулирование
 Скачать 4.09 Mb.
|
|
тока с помощью нелинейной отрицательной обратной связи по току 3) Замкнутая схема электрического привода с двигателями постоянного тока с обратными связями по скорости и току 4) Замкнутые электропривода с подчиненным регулированием координат Замкнутые схемы управления электроприводов с двигателями постоянного тока по скорости Характеристики разомкнутых ЭП, построенных по системе «преобразователь— двигатель» (П — Д), имеют относительно невысокую жесткость из-за влияния внутреннего сопротивления преобразователя. Для получения значительных диапазонов и высокой точности регулирования скорости требуется иметь более жесткие характеристики, которые можно получить лишь в замкнутой системе П—Д. Кроме того, характеристики разомкнутой системы не обеспечивают точного регулирования (или ограничения) тока и момента, что также требует перехода к замкнутой системе. Рисунок 1 - Схема замкнутой системы П—Д с отрицательной обратной связью по скорости Замкнутая система П—Д с отрицательной обратной связью по скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Основу структурной схемы составляет разомкнутая схема П — Д. На валу ДПТ находится датчик скорости — тахогенератор (ТГ) (рис. 1), выходное напряжение которого пропорциональное скорости ДПТ и является сигналом обратной связи. Коэффициент пропорциональности носит название коэффициента обратной связи по скорости и может регулироваться за счет изменения тока возбуждения ТГ. Сигнал обратной связи U тг =γω=U о.с сравнивается с задающим сигналом скорости U з.с , и их разность в виде сигнала рассогласования (ошибки) U вх =U з.с - γω подается на вход дополнительного усилителя У, который с коэффициентом k у усиливает сигнал рассогласования U вх и подает его в виде сигнала управления U у на вход преобразователя П. Рисунок 2 – Механические характеристики ДПТ в замкнутой системе регулирования с отрицательной обратной связью (ООС) по скорости Жесткость получаемых характеристик в замкнутой системе больше жесткости характеристик в разомкнутой системе (рисунок 2). Сами характеристики, представляют собой прямые параллельные линии 2, 4, 5, расположение которых определяется уровнем задающего сигнала по скорости и соответственно скоростью холостого хода ω 0 . Здесь же для сравнения приведена характеристика ДПТ в разомкнутой (прямая 3) системе. В замкнутой системе может быть получена абсолютно жесткая характеристика, которая изображена на рисунке 2 в виде штриховой линии 1. Рассмотрим физическую сторону процесса регулирования скорости в данной системе. Предположим, что ДПТ работает под нагрузкой в установившемся режиме и по каким-то причинам увеличился момент нагрузки М с . Так как развиваемый ДПТ момент стал меньше момента нагрузки, его скорость начнет снижаться и соответственно будет снижаться сигнал обратной связи по скорости. Это, в свою очередь, вызовет увеличение сигналов рассогласования U вх и управления U y и приведет к повышению ЭДС преобразователя, а следовательно, напряжения и скорости ДПТ. При уменьшении момента нагрузки обратная связь действует в другом направлении, приводя к снижению ЭДС преобразователя. Таким образом, благодаря наличию обратной связи осуществляется автоматическое регулирование ЭДС преобразователя и тем самым подводимого к ДПТ напряжения, за счет чего получаются более жесткие характеристики ЭП. В разомкнутой системе при изменении момента нагрузки ЭДС преобразователя не изменяется, в результате чего жесткость характеристик электропривода оказывается меньше. Для получения жестких характеристик в системе П — Д кроме обратной связи по скорости используются также отрицательная обратная связь по напряжению и положительная обратная связь по току двигателя и их сочетания. 2 Регулирование (ограничение) тока и момента двигателя постоянного тока с помощью нелинейной отрицательной обратной связи по току В качестве датчика тока (рис. 3) в этой системе может быть использован шунт с сопротивлением R ш , падение напряжения на котором пропорционально току якоря. В результате сигнал обратной связи по току U о.т = I, где — коэффициент обратной связи по току. Рисунок 3 - Схема замкнутой системы П—Д с нелинейной отрицательной обратной связью по току Отметим, что в качестве резистора R Ш часто используется обмотка дополнительных полюсов и компенсационная обмотка двигателя. Сигнал обратной связи U о.т поступает на узел токоограничения УТО, называемый также узлом токовой отсечки, вместе с сигналом задания тока U з.т Этот сигнал определяет уровень тока отсечки I отс , с которого начинается регулирование (ограничение) тока. Работа УТО в соответствии с его характеристикой U о.т. =f(I) происходит следующим образом (рис. 4). Рисунок 4 – Механические характеристики замкнутой системы П—Д с нелинейной отрицательной обратной связью по току При токе в якоре, меньшем заданного тока отсечки, сигнал обратной связи на выходе УТО равен нулю. Другими словами, ЭП в диапазоне тока 0...I отс является разомкнутым и имеет характеристики, изображенные на рисунке 4, в зоне 1. При токе, больше тока отсечки на выходе УТО появляется сигнал отрицательной обратной связи U о.т = I ЭП становится замкнутым и начинает работать в зоне 2 . Для пояснения вида характеристик ЭП в этой зоне запишем выражение для сигнала рассогласования U вх =U з.с - I. Из выражения видно, что при увеличении тока I сигнал U вх уменьшается, что вызовет уменьшение сигнала U y и Е п . Это приведет к уменьшению напряжения на двигателе U и соответствующему снижению тока в якоре двигателя. Характеристики двигателя становятся крутопадающими (мягкими), что и отражает эффект регулирования (ограничения) тока и соответственно момента. При увеличении коэффициента усиления системы характеристики в зоне 2 все ближе приближаются к вертикальным линиям. Уровень ограничения тока определяется задающим сигналом (уставкой) U з.т Замкнутая схема электрического привода с двигателями постоянного тока с обратными связями по скорости и току Для получения жестких характеристик ЭП, необходимых для регулирования скорости, и мягких характеристик, требуемых для ограничения тока и момента, т. е. при регулировании двух (или более) координат, применяются различные сочетания обратных связей. В схеме ЭП с нелинейными обратными связями по скорости и току (рис. 5) для обеспечения нелинейности цепей обратных связей использованы рассмотренный ранее узел УТО и узел ограничения скорости УСО, характеристики которых показаны внутри соответствующих условных изображений. Приведенная схема соответствует структуре с общим усилителем и нелинейными обратными связями. Рисунок 5 - Схема и характеристики замкнутой системы П — Д с обратными связями по скорости и току. В зоне 1 в диапазоне токов 0...I отс 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 ω отс 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. 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. Регуляторы тока и скорости в большинстве современных схем ЭП этого типа выполняются на базе операционных усилителей (ОУ). Включение в цепи задающего сигнала скорости U з.с регулятора скорости и его обратной связи (резисторов R1 и R о.с1 ) обеспечивает изменение (усиление или ослабление) этого сигнала с коэффициентом k l = R о.с1 /R1. Аналогично, изменение сигнала обратной связи по скорости U о.с происходит с коэффициентом k 2 =R о.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. Рисунок 6 - Схема ЭП с подчиненным регулированием координат Так, схема регулятора тока с включением в цепь обратной связи конденсатора С о.с последовательно с резистором R о.с2 позволяет получить сигнал на выходе РТ в виде суммы двух составляющих (пропорциональную и интегральную). В этом случае имеем пропорционально-интегральный (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 U з.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. ЛЕКЦИЯ II_5_22 Замкнутые схемы управления электроприводов с двигателями переменного тока Вопросы Замкнутая схема управления асинхронного электропривода, выполненного по системе «тиристорный регулятор напряжения—асинхронный двигатель» (ТРН—АД) Замкнутый электрический привод с частотным управлением асинхронного двигателя 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 импульсно- фазового управления (СИФУ), которая распределяет управляющие импульсы на все тиристоры и осуществляет их сдвиг в зависимости от сигнала управления U y . К валу АД подсоединен тахогенератор ТГ. Его ЭДС Е тг сравнивается с задающим напряжением U з.с , снимаемым с задающего потенциометра скорости ЗП, причем эти напряжения включены навстречу друг другу. Разность напряжений U 3.C и Е гг , равная напряжению управления U у =U з.с -E тг , (1) 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 R 2Д , 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 М с на валу АД и постоянном задании скорости сигналом U 3.С2 . Допустим также, что в исходном положении АД работал в точке 1 при моменте нагрузки M С1 (рис. 1,б), а затем произошло его увеличение до значения М С2 При увеличении нагрузки на валу АД его скорость начнет снижаться, соответственно начнет уменьшаться и ЭДС тахогенератора Е ТГ . Уменьшение Е тг вызывает согласно (1) увеличение напряжения управления, что приведет к уменьшению угла отпирания тиристоров и увеличению тем самым подаваемого на АД напряжения. а) Рисунок 1 - Схема (а) замкнутой системы ТРН—АД и механические характеристики (б) Момент АД будет увеличиваться и в точке 2 сравняется с М С2 . Таким образом, увеличение момента нагрузки привело к небольшому снижению скорости АД, т. е., другими словами, его характеристики стали жесткими. При уменьшении момента нагрузки М с будет автоматически происходить снижение напряжения на АД и тем самым поддержание его скорости вращения на заданном уровне. Изменяя с помощью потенциометра значение задающего напряжения U 3.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 пропорционально-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). а) б) Рисунок 2 - Схема (а) замкнутого ЭП с частотным управлением АД и механические характеристики (б) 3. Замкнутая схема импульсного регулирования скорости асинхронного двигателя с помощью резистора в цепи ротора В схеме ЭП (рис.3) с импульсным регулированием сопротивления в цепи выпрямленного тока ротора для получения жестких характеристик использована отрицательная обратная связь по скорости двигателя. В роторную цепь АД включен неуправляемый трехфазный выпрямитель В, к выходу которого подключен резистор R 2Д Параллельно резистору включен управляемый ключ К (коммутатор). Управление ключом происходит от широтно-импульсного модулятора ШИМ, на вход которого поступают сигналы задания U 3.C и обратной связи U o.c по скорости. Рисунок 3 – Замкнутая схема импульсного регулирования скорости АД с помощью резистора в цепи ротора При поступлении на вход ШИМ сигнала ошибки U y = U З.С – U ОС он начинает генерировать импульсы управления. Эти импульсы с помощью схемы управления ключом СУК распределяются по тиристорам ключа и вызывают периодическое включение и закорачивание резистора R 2 Принцип получения жестких характеристик ЭП состоит в следующем. Допустим, что АД работает в установившемся режиме при каком-то заполнении ключа К, чему соответствует эквивалентное сопротивление цепи ротора. Пусть по каким-то причинам произошло увеличение момента нагрузки АД, в результате чего начнет снижаться его скорость. Тогда сигнал управления U y начнет повышаться, что вызовет увеличение заполнения работы ключа К и уменьшение тем самым эквивалентного сопротивления в цепи ротора. Это, в свою очередь, приведет к увеличению тока в роторе и момента АД и прекращению снижения скорости, что соответствует жестким характеристикам ЭП. В схеме может быть достигнуто и регулирование (ограничение) тока и момента, для чего она должна быть дополнена контуром ре гулирования тока. |