Вопрос Построение систем подчиненного регулирования электропривода с управляемым вентильным преобразователем.

В настоящее время в электроприводе постоянного тока используются в основном системы подчиненного регулирования координат, которые характеризуются простотой расчета и наладки, удобством ограничения промежуточных координат системы.

Система подчиненного регулирования представляет собой многоконтурную систему последовательного действия (рис. 2.57). Каждый контур в системе содержит отдельный регулятор, параметры которого рассчитываются в соответствии с передаточной функцией объекта регулирования этого контура. Количество регуляторов с передаточными функциями W_р1(p), W_p2(p),...,W_рi(p)в системе регулирования равно числу регулируемых координат Х₁, X₂,—,X_i.В системах регулирования скорости используются двухконтурные, а в системах регулирования положения — трехконтурные системы подчиненного регулирования. На вход каждого регулятора поступают сигналы заданного Х_з1, Х_з2,...,Х_3i, и действительного Х\, X₂,...,X_iзначений регулируемой координаты. Каждый предыдущий регулятор формирует задающий сигнал для последующего регулятора. Ограничения регулируемой координаты обеспечиваются ограничением выхода предыдущего регулятора.

Рис. 2.57. Структурная схема системы подчиненного регулирования

22Вопрос Импульсное регулирование скорости асинхронного двигателя.

Импульсное регулирование скорости АД стало возможным благодаря совершенствованию характеристик силовых полупроводниковых приборов, главным образом тиристоров. Его суть заключается в дискретном (импульсном) изменении параметров АД или питающей сети, при котором возникают периодические колебания момента АД. В установившемся режиме среднее значение момента двигателя равно статическому моменту.

При импульсном регулировании в цепи статора может быть использована схема с ТРН, приведенная на рис. 2.64. Однако режим работы тиристоров здесь предполагается иным: они должны открываться и запираться все одновременно. Это возможно лишь в том случае, если время включенного (выключенного) состояния превышает период напряжения питающей сети. Такой способ отличается крайне низкими энергетическими показателями и тяжелыми условиями работы тиристоров и поэтому не нашел применения в промышленности.

Чаще всего импульсное регулирование применяется в электроприводах с АД с фазным ротором при регулировании в цепи ротора. С этой целью может быть использована схема (рис. 2.69), которая позволяет либо включить R_доб в цепь ротора, либо замкнуть ротор накоротко. В приведенной схеме для этой цели используются симмисторы VS1, VS2. При достаточно большой частоте коммутации симмисторов f_ком можно считать, что в цепь ротора включено некоторое добавочное эквивалентное сопротивление R_экв,значение которого изменяется от нуля до R_доб, при изменении скважности включения симмисторов τ = t_вкл /Т₀от 1 до 0. Здесь t_вкл — длительность замкнутого состояния симмисторов; Т_о =1/ f_ком — период коммутации. В этом случае

R_экв=R_доб (1 - τ).

Рис. 2.69. Схема импульсного регулятора скорости АД на симмисторах в цепи ротора

Частота коммутации f_ком в приведенной схеме не может превышать частоту тока в роторе. С учетом низкой частоты тока в роторе, особенно вблизи номинальных значений параметров, такое управление приводит к большим пульсациям момента. Кроме того, включаться симмисторы могут только в момент перехода напряжения через нуль, т.е. с довольно низкой частотой. По этим причинам большее применение нашла схема, приведенная на рис. 2.70, а, где резистор R_доб и дроссель L_d включаются в цепь выпрямленного тока ротора, полученного с помощью выпрямителя на диодах VD1...VD6. Шунтирование резистора осуществляется тиристорным коммутатором ТК, состоящим из основного тиристора VS1, коммутирующего тиристора VS2, коммутирующих конденсатора С_коми дросселя L_коми диода VD7.

Для повышения жесткости механических характеристик и увеличения диапазона регулирования применяется замкнутая система, в которой управление тиристорами VS1 и VS2 осуществляется в функции выпрямленного тока ротора i_d и скорости двигателя. Указанные сигналы поступают в суммирующее устройство СУ; для управления тиристорами служит релейный элемент РЭ. Датчиком тока является шунт RS. При запертых тиристорах VS1 и VS2 и включении двигателя в цепь ротора включено сопротивление R_доб и выпрямленный ток i_d нарастает по экспоненте (из-за влияния индуктивности сглаживающего дросселя L_d) до значения i_dl (рис. 2.70, б). Для нормального функционирования коммутатора предварительно должна быть подготовлена коммутирующая цепь. Сэтой целью при включении АД отпирается тиристор VS2 и конденсатор С_ком заряжается от выпрямителя В по цепи В⁺ - L_d - С_ком - VS2 - RS – В^-; в конце заряда имеет место положительный потенциал на верхней обкладке (рис. 2.70, а). Процесс заряда не оказывает влияния на работу АД из-за его кратковременности. При отпирании VS1 управляющим импульсом U₁ от РЭ ток i_d в роторной цепи ограничивается лишь сопротивлением обмотки ротора, сопротивлением дросселя R_дри шунта R_ш, что может привести к его нарастанию по экспоненте до некоторого значения i_d0. Одновременно с отпиранием VS1 происходит разряд коммутирующего конденсатора С⁺_ком - VS1 -VD7-L_ком –С^-_ком- Параметры этой цепи подбираются таким образом, что разряд имеет колебательный характер, в результате чего конденсатор С_комприобретает «+» на нижней обкладке (по­казано справа на рис. 2.70, а). На этом колебательный процесс заканчивается благодаря запирающим свойствам диода VD7 при запертом тиристоре VS2.

При достижении током ротора значения i_d2 (рис. 2.70, б), что контролируется шунтом RS, релейный элемент вырабатывает импульс на VS2, который открывается, и положительный заряд конденсатора С_ком прикладывается к катоду тиристора VS1, который запирается. Начинается процесс перезаряда конденсора С_ком по той же цепи В⁺ - L_d - С_ком - VS2 - RS – В^-, в результате чего на верхней обкладке С_ком вновь появляется «+», а тиристор VS2 запирается. В этом процессе в течение некоторого времени положительный потенциал прикладывается к катоду VS1, обес­печивая тем самым восстановление его запирающих свойств (20...80 мкс в зависимости от типа тиристора). Запирание тиристора VS1 означает, что в цепь ротора вновь вводится сопротивление R_доби ток уменьшается по экспоненте до значения i_d3, при котором РЭ снова подает импульс u₁на VS1. Управляющие импульсы u₁и u₂, подаваемые на тиристоры VS1 и VS2 соответственно, показаны на рис. 2.70, б. Далее работа схемы повторяется. Эквивалентное сопротивление роторной цепи зависит от скважности т. Регулируя скважность τ изменением момента подачи импульса на VS2, можно регулировать среднее значение тока i_{d ср} ротора, а следовательно, и его момента. Механические характеристики такого электропривода (рис. 2.70, в) располагаются в зоне, ограниченной значениями τ=1 и τ=0.

Рис. 2.70. Импульсное регулирование в цепи ротора АД: а — электрическая схема; б — временные диаграммы работы регулятора; в — механические характеристики в замкнутой системе

Значение эквивалентного добавочного сопротивления R_{доб. экв} находится следующим образом:

R_{доб. экв}= R_доб(1-τ)+R_др+R_ш,

где R_др, R_ш – активное сопротивление соответственно сглаживающего дросселя L_dи шунта RS.

Получим выражение для полного приведенного активного сопротивления ротора:

где К_тр —коэффициент трансформации двигателя; — активное сопротивление фазы обмотки ротора.

Для получения жестких характеристик 1, 2, 3(рис. 2.70, в) применяется обратная связь по скорости. В этом случае сигнал U_OCсуммируется с сигналом по току, вызывая изменение границы срабатывания РЭ. Например, увеличение скорости вызывает срабатывание РЭ при меньшем токе в якорной цепи.

При продолжительном включении VS1 конденсатор С_ком может не сохранить достаточный для коммутации заряд. Решением является использование дополнительного источника U_зар и диода VD8 для поддержания напряжения на С_ком на нужном уровне.

Основная область применения рассмотренного электропривода — механизмы подъема, передвижения и поворота крановых установок

23Вопрос Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя.

Частотное регулирование скорости АД является наиболее экономичным и поэтому рассматривается как основной и наиболее перспективный способ. Его суть заключается в регулировании синхронной скорости за счет изменения частоты питания статора АД. Экономичность частотного регулирования скорости объясняется тем, что при регулировании частоты не происходит увеличения скольжения, как, например, при реостатном регулировании.

Полное использование электрической машины, в том числе АД, имеет место, если она работает с номинальным магнитным потоком. В свою очередь номинальный поток определяется геомет­рическими размерами и физическими свойствами магнитной цепи. Магнитный поток Ф двигателя создается током намагничивающего контура I₀(см. рис. 2.62), который пропорционален ЭДС E_s:

где f_s — частота напряжения статора; W_s — число витков обмотки; — обмоточный коэффициент.

Обозначив в формуле (2.52) К_е =4,44, запишем:

,

откуда вытекает естественное соотношение

,

которое говорит о том, что для полного использования двигателя наряду с изменением частоты питания f_s необходимо пропорционально ей изменять E_s. ЭДС является внутренним параметром АД, воздействовать же на двигатель можно лишь напряжением. При управлении ставится задача сохранения перегрузочной способности двигателя М*, которая определяется отношением критического момента М_к к моменту нагрузки М_с. Имея в виду упрощенную модель (R_s= 0) двигателя, для нахождения М_к воспользуемся формулой , учитывая, что

(где и - индуктивности рассеяния статора и ротора):

.

Отсюда следует, что для любой частоты должно соблюдаться пропорциональное ей изменение напряжения. Еще раз подчеркнем, что соотношение (2.54) получено при пренебрежении сопротивлением статора R_s.

Для пояснения законов частотного регулирования необходимо принять во внимание, что момент нагрузки М_стакже может изменяться в зависимости от скорости вращения. При условии М_к/М_с=М*= const для любых значений ω₀₁ и ω₀₂должно соблюдаться соотношение

,

где М_с1, М_с2 — моменты нагрузки при синхронных скоростях АД ω_o1и ω_o2соответственно. Отсюда следует предложенный академиком М.П. Костенко в 1925 г. основной закон изменения напряжения при частотном способе регулирования скорости АД:

,

где – относительное напряжение; – относительная частота; – относительный момент, показывающий изменение статического момента при регулировании скорости.

Выражение (2.55) является универсальным, и с его помощью могут быть получены частные случаи.

При постоянстве момента нагрузки М_с = const по формуле (2.55) получим

,

т.е. напряжение на статоре двигателя должно меняться пропорционально его частоте.

Для вентиляторного момента нагрузки соотношение (2.55) имеет вид . Если момент нагрузки изменяется обратно пропорционально скорости, то имеет место зависимость .

Механические характеристики АД при регулировании по закону (2.53) и, следовательно, при М_к=const, которые могут быть получены при регулировании вниз от номинальной частоты α < 1, показаны на рис. 2.71. При частотах, близких к номинальной, они практически совпадают с характеристиками при пропорциональном управлении . Однако при соблюдении закона (2.56) по мере снижения частоты при α < 0,2 (для двигателей Р_ном <5 кВт даже при больших значениях α) все более сказывается влияние активного сопротивления статора, которым пренебрегли при получении зависимости (2.54). Это проявляется в уменьшении М_ки, соответственно, перегрузочной способности двигателя. Соответствующие характеристики показаны штриховой линией. Компенсация R_s осуществляется в замкнутых системах регулирования.

При частотах выше номинальной (α > 1) соблюдение закона (2.56) нереализуемо, так как напряжение на АД не может превышать номинальное. Поэтому в этой зоне регулирование осуществляется при U_s = U_{s ном}= const и критический момент снижается (рис. 2.71).

Рис. 2.71. Механические характеристики АД при частотном управлении

Укрупненная функциональная схема электропривода с частотным регулированием скорости представлена на рис. 2.72. Главным элементом этой схемы является преобразователь частоты ПЧ, осуществляющий, как было показано, регулирование частоты и напряжения по одному из законов. Задачей ПЧ является преобразование напряжения сети (U_c, f_c),подаваемого на АД. По информационному каналу на ПЧ подается сигнал управления U_y. Согласно сложившейся терминологии, такие электроприводы называются частотными. Они различаются типами ПЧ, способами формирования напряжения и видами обратных связей. Для получения совершенных характеристик частотного электропривода применяются замкнутые системы.