Релейное автоматическое регулирование тока и момента АД изменением импульсным методом сопротивления в цепи выпрямленного тока ротора

Реостатное регулирование момента (тока) двигателей

Задачи регулирования момента (тока) электропривода

Обобщенная линеаризованная система УП-Д

Выполненный выше анализ особенностей электропривода по системам ГД, ТП-Д, ПЧ-АД, а также структурные схемы этих систем, в принципе аналогичны в пределах принятых допущений. Это дает основание для обобщений и обобщенного изучения свойств регулируемого электропривода.

Исходя из этой аналогии при необходимости анализа динамики электропривода по системе УП-Д с учетом упругих связей механическую часть электропривода следует представлять двухмассовой расчетной схемой. Движение такой обобщенной системы описывается следующей системой уравнений

или

,

; , где

;

Для системы ГД Т_п=Т_г ; Т_э=Т_я ;

Для системы ТП – Д Т_п=Т_тп ; Т_э=Т_я ; для характеристик в зоне непрерывных токов.

Для системы ПЧ – АД Т_пº0 ; ;

Структурная схема, соответствующая этим уравнениям, имеет вид:

Для анализа общих свойств электропривода при регулировании тока, момента, скорости и положения может использоваться обобщенная структура электропривода по системе УП-Д при жестких механических связях, т.е. при С₁₂= ¥ , которая имеет следующий вид:

Необходимость регулирования момента (тока) диктуется техническими и технологическими требованиями. Действительно, в переходных процессах пуска и торможения, необходимо ограничивать ток и момент двигателя, чтобы они не превышали допустимых значений. Для механизмов, рабочие органы которых часто работают на упор вплоть до их стопорения, возникает необходимость не просто ограничения момента (тока), но и его непрерывного регулирования в целях ограничения динамических ударных нагрузок механического оборудования.

При работе различных промышленных роботов и манипуляторов в ряде случаев требуется точное дозирование усилий на рабочем органе, что также обеспечивается регулированием момента.

Возможны следующие способы регулирования момента:

1. Реостатное регулирование

2. Изменением подводимого напряжения (в АД)

3. Частотное регулирование

4. Изменением магнитного потока (вслучае ДНВ)

Введение добавочного сопротивления в цепь якоря двигателя постоянного тока или в цепь ротора АД приводит при данной скорости к уменьшению тока и развиваемого двигателем момента. Уменьшается жесткость механической характеристики. Если же требуется поддержание момента или тока неизменными в широких пределах изменения скорости, необходимо сопротивление силовой цепи двигателя изменять в линейной зависимости от скорости, что вытекает из следующего. Поскольку жесткость искусственной характеристики

,

а момент двигателя, выраженый через эту жесткость , то для получения М=const необходимо чтобы , т.е. сопротивление следует изменять линейно в зависимости от w.

Практически обычно требуется при широких пределах изменения скорости (пуск, реверс) поддерживать изменение момента и тока в заданных пределах от M=М_макс до М_мин (I=I_макс до I=I_мин). Для выполнения этого условия требуется ступенчатое или плавное изменение R_даб по мере изменения скорости.

Точность регулирования тока и момента определяется при заданных пределах изменения скорости соотношениями

или

Здесь I_макс(М_макс) и I_мин(М_мин) – заданные допустимые значения (см. рис.).

При этих условиях относительная точность регулирования момента при увеличении R_доб остается неизменной, а абсолютные ошибки уменьшаются. Требуемая точность регулирования М и I при заданных пределах изменения w определяет число ступеней регулировочного реостата.

Диапазон реостатного регулирования М и I ограничен сверху перегрузочной способностью двигателя (для двигателей постоянного тока по условиям коммутации), а пределы изменения w, в которых можно получить заданную точность регулирования, уменьшаются по мере уменьшения R_даб .

Плавность реостатного регулирования М и I в разомкнутой системе невелика и зависит от числа ступеней регулировочного реостата. Увеличение числа ступеней связано с увеличением габаритов коммутирующего устройства (контакторной панели). Тем не менее, в ряде случаев для получения требуемой точности и плавности регулирования М и I в процессах пуска и торможения предусматривается значительное число ступеней реостата, увеличение габаритов и стоимости станции управления. Это увеличение окупается простотой и надежностью данного способа регулирования тока и момента.

Переключение ступеней осуществляется вручную оператором, либо автоматически в функции времени. Автоматическое релейное регулирование момента по отклонению осуществляется в функции тока двигателя, либо в функции его скорости. Релейные системы реостатного регулирования при высокой чувствительности релейного элемента способны обеспечить высокую точность и плавность регулирования тока и момента, о чем говорится ниже.

Принципиальная схема регулирования изображена на рис. При периодическом шунтировании добавочного сопротивления R_доб, включенного в цепь
выпрямленного тока ротора, тиристорным ключом ТК , достигается эффект плавного изменения активного сопротивления в цепи выпрямленного тока ротора от 0 до полной величины R_доб .

Выходное напряжение U_у релейного элемента РЭ определяет открытое или закрытое состояние тиристорного ключа ТК. На вход РЭ подается сигнал, пропорциональный разности задающего напряжения U_зт и напряжения обратной связи по току U_о.т. При достаточно большой частоте f_к коммутации ТК можно считать, что в цепь выпрямленного тока ротора введено регулируемое “импульсное” добавочное сопротивление R_{доб. имп.,} величина которого плавно изменяется от 0 до R_доб. При изменении скважности импульсов от 1 до 0. Здесь t_имп – длительность замкнутого состояния ТК, а - период коммутации. Связь R_{доб.имп.} с R_доб. линейна: .

Когда ТК открыт (g=1), R_доб. шунтировано. В этом случае момент, развиваемый двигателем, определяется его естественной характеристикой. Когда ТК закрыт (g=0), в цепь ротора введено R_доб., что соответствует работе двигателя на реостатной характеристике. Изменяя соотношение между интервалами времени, в течение которых ТК открыт или закрыт, можно регулировать выпрямленный ток ротора, а следовательно, плавно регулировать развиваемый двигателем момент М. Для получения выражения момента и уравнения механической характеристики двигателя при данном способе регулирования момента, воспользуемся схемой замещения, в которой параметры статора приведены к цепи выпрямленного тока ротора. Здесь

сопротивление, обусловленное коммутацией вентилей выпрямителя В, учитывающее снижение вследствие этого среднего выпрямленного напряжения, а х_дв – индуктивное сопротивление двигателя, приведенное к цепи выпрямленного тока;– активное сопротивление двух фаз статора, приведенное к роторной цепи; 2r₂ - активное сопротивление двух фаз ротора; m - число пульсаций выпрямленного напряжения ротора.

Если пренебречь временем переключения ТК, то процессы изменения выпрямленного тока ротора при переключении R_доб описываются для открытого состояния ТК уравнением

или , а при закрытом ТК

или , где

;

Законы изменения токов при принятых допушениях

здесь t₁ – время , когда i_d0=I_нач.з

;

Зависимость i_d от t для некоторого конкретного значения S и w изображена на рис. Из выражений для I_do и I_dз и графика следует, что при увеличении w и уменьшении S ток I_d0 уменьшается для значения I_нач.з, частота коммутации ключа ТК становится равной 0, ключ остается в открытом состоянии, и двигатель работает на естественной характеристике 1 (см.рис.). При уменьшении w и возрастании S I_dз увеличивается до I_нач.щ , возрастает до ¥ время закрытого состояния ТК T_k-t₁ , и двигатель работает на реостатной характеристике 2.

Пренебрегая пульсациями выпрямленного тока можно принять I_d=I_d.cp . Тогда выпрямленное напряжение ротора

Электромагнитный момент можно найти через потери в роторной цепи

отсюда

Отсюда следует, что при I_dcp=const момент, развиваемый АД в статическом режиме, остается постоянным. Т.о.,поддерживая постоянным среднее значение выпрямленного тока на различных уровнях, можно регулировать момент M двигателя с высокой точностью. Так, поддерживая выпрямленный ток на уровнях I_d1, I_d2, I_d3 постоянным, можно получить характеристики электропривода, обеспечивающие постоянство момента (прямые 3,4,5; достигается это путем задания U_зт=const ) в пределах изменения w от характеристики 1 до характеристики 2.

Энергетические показатели электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора несколько хуже, чем при обычном реостатном регулировании. Некоторое их ухудшение определяется в основном наличием выпрямителя в цепи ротора. Тем не менее, подобный электропривод, обладая основными регулировочными свойствами асинхронного электропривода при частотном управлении от статического преобразователя частоты – плавностью, быстродействием, большим диапазоном регулирования, отличается от последнего простотой схемного решения.