Основные показатели способов регулирования координат электропривода

Для сопоставления между собой возможных способов регулирования координат используются следующие обобщенные показатели:

1. Точность (стабильность) регулирования.

2. Диапазон регулирования.

3. Плавность регулирования.

4. Динамические показатели качества регулирования.

5. Экономичность регулирования.

6. Допустимая нагрузка при регулировании.

Точность регулирования или иначе точность поддержания заданной переменной Х определяется возможными отклонениями ее от заданного значения под действием возмущающих факторов, например, изменении нагрузки при регулировании скорости, изменении скорости при регулировании момента и т.п. В разомкнутых системах оценкой точности может служить отношение наибольшего отклонения (рис. 5.2.1) регулируемой величины к среднему значению

Чем жестче зависимость Х от F_в, тем точнее регулирование.

Диапазон регулирования характеризует пределы изменения средних значений переменной Х, возможные при данном способе регулирования (рис. 5.2.2)

Обычно Д обозначается в числах, например .

Верхний предел регулирования переменной ограничивается максимально допустимым или максимально реализуемым значением переменной, а нижний предел – необходимой точностью поддержания заданной переменной и возможностью практической реализации при данном способе регулирования.

Например, верхний предел регулирования скорости двигателя ограничивается механической прочностью якоря или ротора, а для двигателей постоянного тока еще и условиями коммутируемой, т.к. с увеличением скорости возрастает реактивная ЭДС в коммутируемой секции обмотки якоря. Нужно иметь в виду, что снижение среднего значения регулируемой переменной приводит к росту относительной ошибки Dх*_макс регулирования. Если показанное на рис. 5.2.2 значение х_ср.мин считать минимально допустимым по условиям точности регулирования, то ему при заданной допустимой относительной ошибке Dх*_доп соответствует соотношение

Плавность регулирования характеризуется числом дискретных (промежуточных) значений регулируемой переменной, получаемых при данном способе регулирования в диапазоне регулирования. Она тем выше, чем меньше скачок переменной при переходе от данного ее значения к ближайшему возможному значению. Иногда для оценки плавности используется понятие коэффициента плавности, под которым понимается отношение двух соседних значений переменной

Чем ближе к_пл к единице, тем плавнее регулирование.

При автоматическом регулировании координат электропривода важное значение имеют динамические показатели качества регулирования, оцениваемые по характеру переходного процесса при скачке управляющего воздействия. Главным показателем быстродействия, непосредственно влияющим на производительность ряда механизмов, является время пуска и торможения электропривода. Быстродействие характеризуется такими показателями, как время запаздывания t_з, время регулирования t_р, за которое переменная первый раз достигает установившегося значения х_уст, время максимума t_макс, общее время переходного процесса t_пп, за которое затухают все его свободные составляющие (рис. 5.2.3).

Перерегулирование представляет собой динамическую ошибку и характеризуется максимальным отклонением Dх_макс от х_уст при t_макс, отнесенным к установившемуся значению регулируемой переменной

Колебательность характеризуется наименьшим значением логарифмического декремента, соответствующего комплексно–сопряженным корням характеристического уравнения системы или частотным показателем колебательности.

Экономичность регулирования оценивается по первоначальным капитальным затратам, связанным с созданием данной системы электропривода, и по эксплуатационным расходам на электроэнергию, оцениваемым главным образом по таким показателям, как КПД и коэффициент мощности при регулировании скорости.

При оценке экономической эффективности должны учитываться не только указанные факторы, но и то, что дополнительные затраты и эксплуатационные расходы на создание более совершенной системы регулирования должны окупиться повышением производительности и надежности работы системы, а также улучшением качества продукции.

Одной из главных переменных, необходимость регулирования, которой диктуется технологическими требованиями, в большинстве случаев является скорость электропривода. При ее регулировании необходимо знать, какие механические нагрузки могут быть допустимы на валу двигателя. Поэтому одним из важнейших показателей является допустимая нагрузка. Необходимость ее оценки возникает в связи с тем, что М_с приводимого механизма в общем случае также зависит от скорости.

Допустимая нагрузка зависит от метода регулирования скорости, ограничивается нагревом двигателя, вызванным потерями энергии в нем. Они же определяются главным образом величиной потребляемого тока. Обычно считается, что двигатель работает нормально, если при продолжительной нагрузке токи в цепях его обмоток не превышают номинального значения. В этом случае двигатель не нагревается выше допустимой температуры. Для определения допустимой нагрузки (допустимого момента) необходимо найти его величину, соответствующую номинальному току главной цепи двигателя при различных скоростях, и тем самым установить зависимость М_доп=f(ω).

Весьма существенным является обеспечение соответствия закона изменения М_с и характера зависимости предельно допустимого по условиям нагрева момента двигателя от скорости. Рациональное использование двигателя при регулировании скорости будет в том случае, когда эквивалентный по нагреву момент двигателя при изменении рабочей скорости будет меняться по такому же закону, что и М_с. При отсутствии такого совпадения двигатель будет плохо использоваться в тепловом отношении в одной части диапазона изменения скорости и может оказаться перегруженным в другой.

Момент и мощность, развиваемая двигателем, зависит от метода регулирования. Регулирование возможно при постоянстве момента и при постоянстве мощности, т.е. различаются две зоны регулирования (см. рис.5.2.4)

Зона I соответствует регулированию при постоянстве момента. Например, в случае ДНВ при номинальном токе и Ф=Ф_н

Мощность Р₂ на валу двигателя в этой зоне изменяется по линейному закону, т.е. пропорциональна скорости

Зона II соответствует регулированию с постоянной мощностью. В этом случае (применительно к ДНВ при ослаблении магнитного потока) с увеличением скорости момент изменяется по закону гиперболы (нагрузку двигателя необходимо уменьшить так, чтобы при любой данной скорости момент двигателя был равен М_с).

5.3 Системы управляемый преобразователь – двигатель (УП–Д)

При автоматическом регулировании координат электропривода в качестве управляющего воздействия может быть выбран любой параметр, оказывающий влияние на регулируемую переменную. В случае электроприводов постоянного тока наиболее высокая управляемость обеспечивается изменением напряжения, подводимого к якорной цепи двигателя при Ф=const, а в случае асинхронных и синхронных электроприводов – изменением частоты и величины приложенного напряжения. Для реализации этих возможностей питание двигателя должно осуществляться от управляемого источника.

В случае двигателей постоянного тока в качестве такого источника используется генераторы постоянного тока или статические (тиристорные) преобразователи переменного тока в постоянный, а для частотного управления электроприводами с АД и СД – синхронные генераторы, тиристорные или транзисторные преобразователи частоты. Получающиеся во всех этих случаях системы электропривода с управляемым индивидуальным источником питания, называются системами УП-Д (управляемый преобразователь–двигатель). Рассмотрим основные свойства этих систем, их математическое описание, их достоинства и недостатки, возможности регулирования координат.

5.4 Система генератор–двигатель постоянного тока (Г–Д)

Принципиальная схема системы Г–Д без обратных связей изображена на рис. 5.4.1. В качестве управляемого преобразователя в ней используется генератор постоянного тока независимого возбуждения, приводимый во вращение асинхронным или синхронным двигателем, который называется гонным или сетевым. В качестве приводного двигателя рабочей машины используется двигатель независимого возбуждения (ДНВ).

Пуск системы осуществляется включением сетевого двигателя, вращающего генератор. Приводной двигатель перед этим должен быть полностью возбужден, т.е. его Ф должен быть равен Ф_Н.

Напряжение на обмотке возбуждения генератора должно быть равно 0.

При подаче напряжения на обмотку возбуждения генератора и его увеличении, он будет развивать ЭДС, появится напряжение на обмотке якоря ДПТ, и последний будет разгоняться. При номинальном возбуждении генератора напряжение на якоре ДПТ должно быть номинальным (при холостом ходе ДПТ).

В случае сетевого АД с увеличением нагрузки на валу приводного ДПТ возрастает тормозной момент ГПТ, что вызывает снижение скорости гонного АД, следовательно, снижение скорости ГПТ и его ЭДС, что, в свою очередь сказывается и на напряжении якоря ДПТ и его скорости. В мощных электроприводах по системе ГД это снижение составляет (1,5¸2)%.

Преимуществом асинхронного гонного двигателя является простота, надежность, дешевизна, малая колебательность. Достоинством гонного СД является его меньшая критичность к колебаниям напряжения сети, возможность работать с опережающим током. Обычно СД используется при мощностях генератора порядка сотен и тысяч кВт.

Питание обмотки возбуждения ГПТ в современных системах ГД, осуществляется от тиристорного или транзисторного преобразователей, обладающих высоким быстродействием и большим коэффициентом усиления по мощности. Зависимость выходного напряжения тиристорного возбудителя от U_У изображена на рис.5.4.2.

Ее рабочий участок без особой погрешности можно считать линейным. Динамические процессы в ТВ описывается уравнением.

, где

– коэффициент усиления ТВ по напряжению:

Т_ТВ – электромагнитная постоянная ТВ, не превышающая 0,01с.

Пренебрегая гистерезисом магнитной цепи генератора, и считая его ненасыщенным, для линейного участка зависимости E_Г=f(U_ВГ), которой можно заменить петлю гистерезиса (рис. 5.4.3), можно написать:

, где

– коэффициент усиления генератора по напряжению при w_Г=const;

– электромагнитная постоянная цепи возбуждения генератора.

Уравнение механической характеристики двигателя в системе ГД можно получить из уравнения равновесия ЭДС в якорной цепи.

, где е_Г и е – соответственно ЭДС генератора и противо ЭДС двигателя.

Т.к. , где Ф – поток двигателя, то

.

В этих выражениях

Выразив ток i_я через момент двигателя получим:

или

,

или

Здесь b – модуль статической жесткости механической характеристики двигателя в системе Г–Д.

В установившемся режиме р=0 и уравнение статической механической характеристики в виде:

или

Семейство механических характеристик двигателя в системе Г–Д, соответствующих различным значениям потока возбуждения генератора, следовательно, различным значениям ЭДС при синхронном гонном двигателе, изображено на рис. 5.4.4.

Жесткость основной характеристики двигателя в 2 раза меньше, чем при питанием его от сети с U=const, вследствие того, что в якорной цепи кроме сопротивления обмотки якоря двигателя имеется еще и сопротивление якорной цепи генератора, а они ~ одинаковы, т.к. мощность генератора лишь немногим больше мощности двигателя. Но вот скорость идеального холостого хода, двигателя в разомкнутой системе Г-Д больше, чем при питании его от сети с U=const, т.к. номинальная ЭДС генератора, определяющая w₀ двигателя, больше, чем номинальное напряжение двигателя, определяющее w₀ при питании его от сети, т.е.

, ибо .

Изменяя поток возбуждения генератора, следовательно, его ЭДС, можно осуществить непрерывное плавное управление моментом и скоростью электропривода во всех 4-х квадрантах координатной системы при b=const. В разомкнутой системе Г-Д за счет изменения потока генератора, следовательно, его ЭДС, можно получить диапазон регулирования скорости двигателя примерно 10:1. Изменяя же поток двигателя (ослабляя его), можно увеличить скорость примерно еще в 3 раза. Т.о. общий диапазон регулирования скорости в разомкнутой системе Г-Д примерно 30:1. На рис. 5.4.4 показаны характеристики двигателя и в зоне изменения потока двигателя. Они расположены выше основной и жесткость их изменяется.

Механические характеристики двигателя в системе Г-Д при асинхронном гонном двигателе будут не параллельны, т.к. при изменении нагрузки на валу приводного двигателя будет изменяться скорость гонного двигателя, следовательно, и ЭДС генератора, что, в свою очередь, сказывается и на скорости приводного двигателя. Обычно непараллельностью характеристик при расчетах пренебрегают.

Двигатель в системе Г-Д может работать во всех режимах. Двигательному режиму соответствуют механические характеристики в первом и третьем квадрантах. Режиму динамического торможения соответствует одна характеристика, проходящая через начало координат. Режиму противовключения соответствует область между осью моментов и характеристикой динамического торможения во 2-м и 4-м квадрантах. Генераторному режиму с рекуперацией энергии в сеть соответствует область во 2-м и 4-м квадрантах между осью скоростей и характеристикой динамического торможения.

Основным способом торможения двигателя в системе Г-Д является рекуперативное. Для получения этого режима необходимо уменьшать или снять возбуждение генератора. ЭДС двигателя станет больше ЭДС генератора. Двигатель превратиться в генератор. Ток в якорной цепи, определяемый разностью: , изменит направление на противоположное. Генератор превратиться в двигатель, работающий с ослабленным магнитным потоком. Скорость его увеличится и он будет раскручивать ротор гонного двигателя, если он асинхронный, со сверхсинхронной скоростью. Гонный двигатель превратится в генератор и будет отдавать в сеть активную энергию, потребляя реактивную. Если же гонным двигателем является синхронный, то скорость его не может возрасти, т.к. она определяется частотой напряжения сети, к которой он подключен ( ) Но под действием вращающего момента генератора, превратившегося в двигатель, ось магнитного поля его ротора будет не отставать, а опережать ось магнитного поля статора и он превратится в генератор, отдавая в сеть активную энергию. Что касается реактивной энергии, то он будет ее потреблять, если работает в режиме недовозбуждения, а если он перевозбужден, то будет отдавать ее в сеть

С помощью приведенных выше уравнений динамики для цепи возбуждения генератора, тиристорного возбудителя, уравнения механической характеристики двигателя и уравнения движения электропривода при жестких механических связях, можно построить структурную схему системы Г-Д, которая изображена на рис. 5.4.5.

Из нее следует, что при изменении управляющего воздействия скачком ЭДС генератора и скорость w₀ двигателя в системе Г-Д изменяются по закону, определяемому переходной функцией апериодического звена с постоянной Т_Г=Т_В.

К достоинства системы Г-Д относятся следующие:

1. Отсутствуют громоздкие пусковые реостаты и потери в них.

2. Легкая управляемость электродвигателем.

3. Напряжение на зажимах двигателя не искаженно в/r.

4. Управление процессами перенесено в цепи возбуждения, имеющие небольшие токи, что облегчает и удешевляет аппаратуру.

5. Сравнительно высокий диапазон регулирования скорости (~30:1) даже в разомкнутой системе.

6. Относительно небольшое потребление реактивной мощности даже при асинхронном гонном двигателе.

Недостатки системы Г-Д:

1. Высокая установленная мощность, превышающая в 3-4 раза мощность приводного двигателя.

2. Высокая первоначальная стоимость машинного оборудования.

3. Большая занимаемая площадь и необходимость громоздких фундаментов в мощных системах.

4. Повышенный шум при работе машин.

5. Повышенная крутизна механических характеристик.

6. Сравнительно низкий КПД, равный произведению КПД машин, входящих в систему .