Шпоры по СУЭП

3.12 Способы стабилизации скорости

Задачи: ограничение тока, формирование пуска и тормозных режимов, поддержание скорости.

Сравнение систем стабилизации скорости проводится по переходному процессу, падении скорости и изменении нагрузки.

Тм =	У R я	, Тя =	Lя
	кФ 2		R я

∆ω = ∆Мс, в относит. единицах

∆ω = ωо Мс , рад/с

Мкз

∆ωд = ∆Мскакδ

Время п.п: tппп = 3,14·Тm·m

Переходный процесс в двигателе без системы регулирования зависит от соотношения по-

стоянных Тя и Тм Если Тм > 4Тя контур устойчив, переходный процесс – экспонента, время переходного про-

цесса 3,14·Тm

При малых запасах устойчивости возникает перерегулирование и колебания.

Способы стабилизации скорости:

Определяется параметром, в зависимости от которого производится регулирование. 1 Отрицательная обратная связь по скорости.

Требуется установка датчика скорости (тахогенератора), импульсного датчика.

21

В высокоточных приводах применяется специальный двигатель со встроенным тахогенератором (точность измерения скорости до 0,1%). Импульсные и цифровые датчики применяются в микропроцессорных системах. Основная проблема – дискретность обработки информации и связанные с этим проблемы.

неизменяемая часть показана штрихом Регулятор скорости в зависимости от

точности выбирается: пропорциональный или пропорциональноинтегральный регулятор.

При настройке контура регулятора скорости обратная связь по ЭДС обычно отбрасывают, т.к. при скоростях, близких 0, она практически не

работает, частота среза контура саморегулирования очень низка и в целом обратная связь по ЭДС – стабилизирующая.

2 В системах с ОС по ЭДС исключается относительно не надежный тахогенератор, проблемы соосности и пульсации выходного сигнала датчика скорости, однако точность стабилизации скорости снижается за счет изменения сопротивления якоря (температура) и потока возбуждения при колебаниях напряжения сети. В высокоточных приводах с ОС по ЭДС ток возбуждения стабилизируется с помощью дополнительного контура. В цифровых системах датчик скорости строится как измеритель частоты или периода. При измерении частоты подсчитывается число импульсов с датчика за фиксированное время. Запаздывание датчика постоянное, погрешность зависит от частоты вращения и особенно велика на низких частотах. При измерении периода подсчитывается количество импульсов опорного генератора в промежутке между импульсами датчика. Запаздывание зависит от частоты вращения, погрешность максимальна на высоких скоростях.

В системах с низкими требованиями по точности применяется ОС по напряжению. Скорость двигателя стабилизируется на уровне естественной механической характеристики двигателя. Устойчивость контура напряжения и быстродействие большие, обычно применяются интегральные регуляторы.

3 Схема с ПОС по току Применяется относительно редко из-за сложности настройки. При высоком быстродействии

контура регулирования полная компенсация скоростной ошибки возможна при использовании регуляторов с дифференцирующим каналом. Дифференциальный канал позволяет получить опережающую фазовую характеристику и повысить запас устойчивости системы. Частота среза должна находиться в центре участка положительного наклона.

Недостатки Диф. регуляторов: сложность настройки, большое количество регулировочных элементов, низкая помехозащищенность (обязательна установка фильтра).

22

		3.13.1 Двухконтурная система подчиненного регулирования
	Функциональная схема электропривода подчиненного регулирования с управлением по
	якорю приведена на рисунке 1.
			VD
						Рисунок 1 – Функцио-
						нальная схема элек-
						тропривода подчинен-
	Uвх					ного регулирования с
		ЗИ	РС	РТ	L	управлением по якорю
						Данная схема построе-
						на по принципу под-
				ДТ		чиненного регулиро-
						вания. Регулятор
				M		внешнего контура –
						регулятор скорости,
				LM		внутреннего регулятор
						тока. Контур регули-
						рования тока предна-
			ДС	BR		значен для ограниче-
						ния тока якоря при пе-
						регрузках и использу-
	ется как дополнительное средство коррекции внешнего контура регулирования скорости.
	Контур регулирования скорости предназначен для регулирования и поддержания скорости с
	заданными показателями, совместно с заданитчиком интенсивности, формирования пуско-
	тормозных режимов (прямоугольная диаграмма тока якоря).
	Обработка сигнала задания:
	При обработке сигнала задания контуры работают одновременно, при этом регулятор
	внешнего контура формирует задание на внутренний контур (подчиненное регулирование).
	Режим поддержания скорости: МС↑ω↓UДС↓ UРС↑ UРТ↑ЕТП ↑IЯ ↑ω↑
	Режим перегрузки:
	МС↑↑ ω↓ UДС↓ UРС= UБО
		↓
		ЕД↓ IЯ ↑UДТ↑ UРТ↓ ЕТП↓ UДТ= UБО
	к =	UВЫХ
		UВХ
	Структурная схема системы:
	Строится по функциональной схеме привода с учетом схемы включения регуляторов и
	применением обратных связей.

23

3.13.2 Тиристорный электропривод с двузонным регулированием скорости

Функциональная схема системы двузонного регулирования приведена на рисунке 3. Система состоит из четырѐх контуров регулирования: контура регулирования тока возбуждения предназначенного для ограничения тока возбуждения и коррекции внешнего контура регулирования напряжения; контур регулирования напряжения предназначенный для ограничения напряжения при работе во второй зоне; контур регулирования тока якоря предназначенный для ограничения тока при перегрузках и коррекции контура регулирования скорости; контур регулирования скорости предназначенный для стабилизации скорости на заданном уровне, формирования процессов пуска и торможения.

Рисунок 3 – Функциональная схема системы двузонного регулирования Обратная связь по ЭДС преобразователя применяется, если запас по напряжению якоря не

большой, позволяет исключить уход преобразователя в насыщение и размыкание контуров регулирования.

Обратная связь по ЭДС двигателя позволяет контролировать перенапряжение в обмотке якоря – максимальное использование двигателя. При этом преобразователь должен иметь значительный запас.

БО1 – блок ограничения – ограничивает задание тока возбуждения. Работа схемы:

При малых уровнях задания напряжение на якоре не велико, поэтому интегральный регулятор напряжения уходит в насыщение, ток возбуждения стабилизируется на номинальном уровне.

Работают 2 контура первой зоны аналогично схеме с управлением по якорю. При увеличении задания напряжение на якоре превышает уставку Uн.

Регулятор напряжения выходит в насыщение, снижается ток возбуждения, двигатель разгоняется, регулятор скорости и регулятор тока якоря снижают задание на преобразователь и напряжение якоря стабилизируется на уровне Uн.

24

При увеличении нагрузки уменьшение скорости отрабатывается регулятором скорости за счет увеличения напряжения на якоре. Затем перенапряжение снимается контурами второй зоны.

При настройке контур регулирования напряжения должен иметь меньше быстродействие, чем контур регулирования тока якоря. Обычно это обеспечивается автоматически.

ωт =	1		, ωт – частота среза контура тока якоря
		(2...4)(Т п τ тп )
ω =	1			, ω - частота среза контура тока возбуждения
	(2...4)(Т тв τ тв Т вт )

ηтп и Тп – постоянные времени фильтра и запаздывание якорного преобразователя 3х-фазный мост:

ηтп = 1/300 (с), Тп = (2…4) ηтп

ηтв и Ттв – постоянные времени фильтра и запаздывание тиристорного возбудителя Из-за меньшей мощности применяются тиристорные возбудители с однофазной схемой 1х-фазный мост:

	ηтв = 1/1300 (с),			Ттв = (2…4) ηтв
	Твт = 0,1Тв = 0,1			L B	, постоянная времени контура вихревых токов обмотки возбуждения
				R B
	ωН =	ω В	<<ωТ, частота среза контура напряжения
		2...4

К особенностям системы относятся изменение коэффициента передачи прямого канала контура рег. скорости во второй зоне, поэтому по мере увеличения скорости частота среза и точностные показатели КРС могут снижаться.

Для исключения ухудшения показателей можно применить адаптивный регулятор скорости

– коэффициент передачи регулятора скорости должен изменяться обратно пропорционально току возбуждения или потоку.

В простых системах параметры рег. скорости выбираются в первой зоне, т.е. на малых скоростях при максимальном потоке и обязательно проверяется качество настройки на максимальной скорости и ХХ, т.е. при минимальном потоке.

Схема позволяет расширить диапазон регулирования скорости вверх от номинала. Ограничение: механическая прочность двигателя проверяется только уставкой задания. Система применяется в приводах прокатных станов, главный привод металлорежущих станков, приводы моталок.

25

3.13.3 Система источник тока - двигатель

Функциональная схема системы «источник тока – двигатель» приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Функциональная схема системы «источник тока – двигатель» Данная схема содержит три контура: независимый контур регулирования тока якоря пред-

назначенный для ограничения тока якоря в переходных режимах (колебания напряжения питания преобразователя, изменение скорости вращения и нагрузки) и стабилизации теплового режима работы двигателя; внутренний контур регулирования тока возбуждения предназначенный для ограничения тока возбуждения и момента двигателя и коррекции внешнего контура скорости; внешний контур регулирования скорости предназначенный для стабилизации скорости на задание рабочего цикла, формирования процессов пуска торможения, длительности включения, торможения.

Формирование пуско-тормозных режимов с помощью ЗИ – задатчика интенсивности. Ограничение максимального момента – блок ограничения – регулятор скорости. Реверс за счет смены полярности тока возбуждения.

Настройка системы:

1 КРТЯ (контур регулирования тока якоря) – выставляется UТ так, чтобы IЯ был близок к номиналу.

2КРТВ (контур регулирования тока возбуждения).

3Регулятор скорости

Блок ограничения - IВ выставляется на уровне максимально допустимого по режиму работы (нагрев и длительность перегрузки).

4 ЗИ (задатчик интенсивности) – формируется темп разгона и торможения. Особенность системы:

-При изменении уставки тока якоря изменяются показатели качества регулирования скорости из-за изменения момента.

-Требуется перенастройка РС – регулятора скорости.

Преимущества:

1 Жесткое токоограничение. Практически исключена перегрузка двигателя. Система применяется в приводах механизмов с тяжелыми и особо тяжелыми условиями работы (экскаваторы, реверсивные прокатные станы).

26

2 Малая стоимость – реверсивный преобразователь ТПЯ рассчитывается на номинальную мощность двигателя.

В системах с управлением по якорю мощность ТПЯ завышается с учетом перегрузочной способности двигателя.

Недостатки:

1 Снижение КПД двигателя Потери в якоре не зависят от нагрузки, при работе с ослабленным полем резко уменьшается КПД двигателя.

ηДВ = ω Р АБ ωХХ

2 Показатели качества хуже, чем в системах с управлением по якорю за счет более инерционного управления.

Частота среза контура скорости снижается до уровня 5-10 рад/с. Возможен резонанс с механической частью.

Врежиме ХХ во всем диапазоне регулирования поток стабилизируется на нулевом уровне.

Вреальных системах минимальный поток соответствует потерям ХХ в двигателе и передаче.

ЭДС преобразователя в режиме ХХ компенсирует только падение напряжения в силовой цепи. ЭДС двигателя равно 0.

При работе под нагрузкой

кФ1 = М СТАТ

I Я

И по мере роста скорости возрастает ЭДС преобразователя на величину ЭДС двигателя.

ЕДВ = кФ1ω Если якорный преобразователь выходит в насыщение, то ток возбуждения увеличивается до

максимального значения.

ЕПР = const

Предельные механические характеристики двигателей при различных системах управления приведены на рисунке 4.

max2
2	3
max1
ном	1	ОБР
Рном
Mном Mmax2	Mmax1	M

Рисунок 4 – Предельные механические характеристики при различных системах управления: 1 – Схема подчиненного регулирования с управлением по якорю; 2 – Система «источник тока – двигатель»; 3 – Система двузонного регулирования

27

3.13.4 Асинхронный ЭП с регулированием напряжения на статоре

Относительно дешевая и простая схема, основное преимущество – использование широко распространенных и надежных АД.

Регулирование – принципиально нелинейное М ~ u2.

В описании используется коэффициент передачи двигателя – зависимость изменения вращающего момента от изменения скорости и от изменения напряжения.

Практически диапазон регулирования ограничен переходом двигателя в пульсирующий режим и падением напряжения на силовых тиристорах.

Система применяется в вентиляторах и насосных установках при небольшом диапазоне регулирования.

Главные недостатки:

-нелинейное управление;

-схема настраивается на наихудшие условия, поэтому быстродействие очень низкое;

-при снижении напряжения возрастают потери.

Снижается поток – машина недоиспользуется.

При скорости ниже критической резко падает cosθ из-за увеличения индуктивного сопротивления и смещения поля ротора относительно поля статора. Для повышения cosθ применяются двигатели с «повышенным скольжением» - в обмотке ротора применяются материалы с большим сопротивлением.

ПИ регулятор скорости позволяет стабилизировать частоту среза при изменении параметра (рабочие скорости, напряжения питания, параметры двигателя).

Расчет параметров регулятора проводится на наихудшие условия.

Пропорциональный канал настраивается при максимальном напряжении и скорости, близкой к номиналу – максимальный коэффициент передачи контура и обязательно проверяется при работе на минимальной скорости и максимальном напряжении (в двигателе положительная обратная связь).

Быстродействие интегрального канала преднамеренно занижается так, чтобы обеспечивалась устойчивая работа при минимальном напряжении во всем диапазоне скоростей. Устойчивость системы очень сильно зависит от нагрузочной характеристики.

28

3.13.5 Асинхронный ЭП с регулированием частоты при постоянном потоке двигателя

Система управления двухконтурная. Внешний контур регулирования скорости совместно с задатчиком интенсивности ЗИ формирует пуско-тормозные режимы.

РС (регулятор скорости) обычно пропорционально-интегральный. Внутренний контур регулирования момента.

М = ψ·I1· cosθ = ψ·I1активный

Ψ – потокосцепление Ф·W I1 – ток статора

Активная составляющая тока статора I1активный определяется по величине тока на выходе выпрямителя.

Постоянство потокосцепления ψ = const обеспечивается формированием соотношения напряжения и частоты.

Разные законы регулирования. Зависит от того, в каком диапазоне скоростей работаем.

U1	= const ω~ωо	U1			= const ω>ωо	U1		= const ω<<ωо
f						f	2
			f
							1
1		1

УВ – управляемый выпрямитель – тиристорный преобразователь, может выполняться по трансформаторной или безтрансформаторной схеме, обычно трехфазной мостовой.

Внекоторых случаях применяется не регулируемый выпрямитель (диод). При этом функцию регулятора напряжения берет на себя автономный инвертор напряжения АИН (транзисторы инвертора работают в ШИМ режиме).

LC – сглаживающий фильтр, снижает пульсации тока на выходе выпрямителя. Через конденсатор замыкается реактивная составляющая тока двигателя – генератор реактивной мощности.

Вприводах с торможением дополнительно цепь постоянного тока замыкается на тормозной резистор.

Диапазон регулирования скорости при скалярном управлении Дω<100. По сравнению с разомкнутой схемой момент привода снижается,

т.е. Мкр.дв. на 20%

Мпуск.- 30-40%

Диапазон регулирования ограничен минимальным уровнем напряжения и переходом двигателя на пониженных частотах в шаговый режим и главное снижением момента при уменьшении частоты на статоре.

Область применения – насосы, вентиляторы. Это приводы не высокой точности.

29

3.13.6 Схема частотного регулирования синхронного двигателя (вентильный двигатель)

Всхемах частотного токового векторного управления используется та же схема, что и в АД. Главное отличие – отсутствие скольжения, поэтому характеристики управления привода намного лучше.

Синхронный привод применяется на магистральных трубопроводах, компрессорах большой мощности (парасиловой цех и т.д.).

Система регулирования позволяет за счет регулировки тока id дополнительно к выполняемой работе вырабатывать реактивную энергию – синхронный компенсатор.

Вентильный двигатель Применяется синхронная машина обычно с возбуждением от постоянных магнитов.

ДПР – датчик положения ротора. Могут применяться вращающиеся трансформаторы, оптические датчики, сельсины. В приводах малой мощности обычно применяются датчики Холла.

ЛУ – логическое устройство, преобразует сигналы с ДПР в сигналы управления ключами силового инвертора СИ (полупроводниковый коммутатор).

Подключают к источнику питания те обмотки, которые создают максимальный вращающий момент. Система управления играет роль коллектора машины постоянного тока. В зависимости от положения ротора переключаются обмотки статора.

Характеристики двигателя зависят от способа возбуждения. Двигатели с потоянными магнитами аналогичны ДПТ с независимым возбуждением.

Виндукторных или реактивных машинах ротор явнополюсный без системы возбуждения, обычно не шихтованный, соответственно отсутствует противо ЭДС двигателя и механическая характеристика близка к абсолютно мягкой.

Индукторные машины – самые дешевые из существующих типов двигателей. Недостатки: большой момент инерции ротора, относительно невысокий момент. Синхронные двигатели с постоянными магнитами Применяются чаще в приводах малой и средней мощности. Имеют наилучшие массогаба-

ритные и энергетические характеристики. Очень высокое быстродействие, время пуска – миллисекунды.

Недостатки: относительно высокая стоимость магнитов. Главное преимущество – очень высокая надежность.

Вприводах большой мощности основная стоимость двигателя определяется стоимостью механической части и обмотки, практически не зависит от типа двигателя.

Для сверхмощных машин главное преимущество – это компенсаторный режим.

30