Pakhomov_A_N__Krivenkov_M_V_Elektricheskiy_privod_uchebnoe_posobie

241

пунктир на рис. 4.5, б). Скорректированная формула закона пропорционального вольт-частотного управления с компенсацией падения напряжения на активном сопротивлении статора (IR-компенсацией) при сохранении постоянства перегрузочной способности АД должна иметь вид [9, 14]:

		Uɺ1 − Iɺ1R1		=	Eс		= const ,	(8.2)
		f1
						f1
где Еc – « полная» ЭДС статора АД,						равная сумме основной ЭДС статора
E1 = cE × Ф × f1 и ЭДС рассеяния				в		статорной обмотке		E1σ = I1 × X1 =

= cEσ × Ф1σ × f1 . В результате полный поток двигателя Ф1 = Ф + Ф1σ = const , где Ф – рабочий магнитный поток АД, Ф1σ – поток рассеяния обмотки статора. Напряжение на статоре U1 по сравнению с Еc необходимо увеличивать на

величину падения напряжения на активном сопротивлении статора. Реализация такой IR-компенсации в системе ПЧ-АД показана на рис. 8.10, а.

U1н, f1н

U1н, f1н

f1*					f1*
	Ec	U	*	ПЧ		E	E		U	*	ПЧ
ФП					ФП	эт		Р
		1							1
	I1R1	+								U1
R1			I1			Ec	ВУ
										I
										1
				M							M

а

б

Рис. 8.10

Сигнал задания на напряжение формируется как сумма U1* = Ec + I1R1 . Второе слагаемое рассчитывается по измеренному току статора I1 и известному активному сопротивлению обмотки статора R1 , которое в современных

ПЧ автоматически измеряется при первом включении привода. Функциональный преобразователь ФП реализует закон частотного управления (8.2). Другой способ реализации IR-компенсации приведен на рис. 8.10, б. Вычислительное устройство ВУ по измеренным значениям напряжения на статоре

Uɺ1 и тока Iɺ1 рассчитывает значение ЭДС Еc , которое сравнивается с эталонным Eэт , а их разность E = Eэт − Eс подается на регулятор Р. Последний

242

вырабатывает необходимое задание на напряжение U1* , уменьшающее ошиб-

ку рассогласования ЭДС E .

Закон пропорционального вольт-частотного управления является не единственным, используемым на практике. Часто реализуются другие законы, такие как, закон постоянства рабочего магнитного потока АД (IZ- компенсация), частотное управление АД с минимумом потерь и др.

В замкнутых частотно-управляемых электроприводах переменного тока возможно расширение диапазона регулирования до 50 и более. Еще сильнее увеличить диапазон (свыше 100) можно за счет использования замкнутых систем с векторным управлением, где задающие воздействия (амплитуда и частота напряжения статора АД) обеспечивают регулирование не только абсолютные значения координат, но и их угловые положения в пространстве, что позволяет качественно управлять электроприводом в переходных режимах.

Система электропривода с векторным управлением. Функциональ-

ная схема системы ПЧ-АД с векторным управлением приведена на рис. 8.11 [9].

			uA					M		BR
	ПЧ		uB
			uC
										ω
* u*		*		iA iB		iC		ψ	ψ
uA	B	uC						mα	mβ
Преобразователь					Датчик			Датчик
	фаз				токов			потока
uα		uβ		iα	iβ			ψ2α	ψ2β
	Обратный			Преобразователь					|ψ2|
преобразователь
				координат				Вектор-фильтр
	координат
								sin θ	cosθ
ud		uq
				iq	id
	Блок
компенсации
u*d		u*q
			Регулятор		*		m*	Регулятор		ω*
					iq		ад
			тока iq					скорости
			Регулятор		id*			Регулятор		|ψ |*
										2
			тока id					потока
					Рис. 8.11

243

Название данного метода не является устоявшимся, кроме него встречаются названия подчиненно-векторного управления, управления с ориентацией по вектору потокосцепления, система Transvektor (преобразователь векторов).

Момент, развиваемый АД, можно определить с помощью различных электромагнитных параметров, отражающих взаимосвязь электромагнитных полей статора и ротора АД. Обычно используется форма записи электромагнитного момента АД, эквивалентная по смыслу моменту ДПТ:

	mад = cM	ɺ	×	ɺ	sin g ,	(8.3)
		y2		i1
где y2 –	вектор потокосцепления ротора; i1 –					вектор результирующего тока
ɺ					ɺ
статора;	γ – угол сдвига между указанными векторами; cM – конструктивный

коэффициент. Из анализа (8.3) можно установить следующий принцип регулирования координат АД – если стабилизировать потокосцепление ротора, то электромагнитный момент АД будет пропорционален составляющей результирующего тока статора, спроектированного на ось, перпендикулярную вектору потокосцепления ротора. Данное положение можно проиллюстрировать

спомощью векторной диаграммы, приведенной на рис. 8.12.

Всистеме координат ( α , β ), жестко свя-

занной со статором АД (ось α направлена по оси фазной обмотки А), построен вектор результирующего тока статора i1 , который вра-

щается в пространстве с круговой частотой поля статора ω1 . Величиной скольжения ввиду

его малости при рассмотрении принципа векторного управления обычно пренебрегают. Тогда угловая частота вращения поля статора w0

равна частоте вращения ротора w2 .

	b	w1
iβ	i1
q	g	d (y2)
		id
iq		q
	iα	a
	Рис. 8.12

Электромагнитные процессы в АД рассматриваются во вращающейся системе координат ( d , q ), жестко связанной с ротором. Если ось d совмес-

тить с направлением вектора потокосцепления ротора, то iq = i1 sin g . Величины y2 и iq , входящие в (8.3), непосредственно измерить невозможно, но их

можно вычислить с помощью формул преобразования, приведенных ниже.

В воздушном зазоре АД размещаются два датчика Холла (рис. 6.12, б), причем один датчик устанавливается по оси фазы А, а другой сдвинут на 90 эл. градусов. Датчики потока измеряют составляющие рабочего потокосцепления

ymα и ymβ ,		на основании которых определяются составляющие вектора пото-
косцепления		′		′	где
		ротора y2α = ymα / k2 - L2σ × i1α	и y2β = ymβ / k2 - L2σ ×i1β ,
′	–		′		′
k2 = Lm / L2		коэффициент электромагнитной связи ротора, L2		= Lm + L2σ –

244

приведенная к статору индуктивность фазы ротора, состоящая из взаимной

индуктивности статора и ротора

Lm и индуктивности поля рассеяния

′

L2σ .

Вектор-фильтр

выделяет

модуль

вектора

потокосцепления

ротора

ψ2 = ψ22α + ψ22β

и

тригонометрические

функции

cos θ = ψ2α

ψ2

и

sin θ = ψ2β ψ2 .

Текущие значения токов статора измеряются с помощью датчика тока и

пересчитываются в двухфазную неподвижную систему координат ( α , β )

по

формулам i

=

2

−

i

B

+ i

i

=

1

(i

− i

).

Переход от токов

i

,

i

к

i

C ,

1α

3

A

2

1β

3

B

C

1α

1β

токам во вращающейся системе координат выполняется по соотношениям:

id

= i1α cos θ + i1β sin θ, iq = −i1α sin θ + i1β cos θ ,

где θ – текущий угол сдвига между системами координат ( α ,

β ) и ( d ,

q ).

При независимом управлении потокосцеплением ротора и электромаг-

нитным моментом (скоростью) АД необходимо во вращающейся системе ко-

ординат исключить взаимное влияние проекций вектора тока статора i1d и i1q ,

характеризуемое наличием перекрестных связей в модели АД по этим проек-

циям [14]. Эта задача решается специальным блоком компенсации, структур-

ная схема которого показана на рис. 8.13, где L1 = Lm + L1σ –

полная индук-

тивность фазы статора,

2

′

–

коэффициент рассеяния магнитно-

σ = 1 − Lm /(L1L2 )

го поля АД,

pп

– число пар полюсов. Здесь же решается задача компенсации

ОС по ЭДС вращения АД e = k2ψ2 pпω .

ud

uq

id

iq

σL1

σL1

k2

|ψ2|

ω

u*

*

pп

d

uq

Рис. 8.13

Система управления электропривода построена по принципу подчинен-

ного регулирования координат. Она включает в себя внутренние контуры ре-

гулирования токов id

и iq

с соответствующими регуляторами. Внешними по

отношению к токовым контурам являются контур регулирования потокосце-

пления ротора и контур регулирования скорости АД. Первый из них замкнут

по вычисленному модулю вектора потокосцепления ротора, второй –

по сиг-

245

налу скорости снятого с тахогенератора BR. Для того, чтобы при изменениях потокосцепления ротора сохранялось значение требуемого момента, заданное

значение тока id* получается путем деления выходного сигнала регулятора

скорости на модуль вектора потокосцепления ротора.

Преобразование составляющих напряжения статора ud и uq в составляющие uα и uβ осуществляется обратным преобразователем координат в соответствии с выражениями uα = ud cos θ − uq sin θ, uβ = ud sin θ + uq cos θ .

Впреобразователе фаз по формулам u*A = 23uα , u*B = (uβ − uα 3)2

иuC* = − (uβ + uα 3)2 формируются трехфазные синусоидальные сигна-

лы, определяющие на выходе ПЧ амплитуду и частоту напряжений питания обмоток статора АД.

За счет регулирования амплитудных значений переменных и углов между их векторами обеспечивается полное управление АД как в статике, так и в динамике, что дает заметное улучшение качества переходных процессов по сравнению со скалярным управлением.

Поскольку вектор потокосцепления ротора в системе координат ( d , q ) совмещен с осью d (рис. 8.12), то составляющая тока статора id определяет

магнитный поток двигателя, что по аналогии с ДПТ сравнимо с действием тока в цепи его обмотки возбуждения. При этом составляющая тока iq по-

добно току в якорной цепи ДПТ определяет электромагнитный момент АД. Механические характеристики АД при векторном способе управления подобны характеристикам ДПТ с независимым возбуждением. Синтез регуляторов в системе векторного управления (рис. 8.11) можно производить проверенными методами, которые применяются в практике проектирования замкнутых систем электропривода постоянного тока [11].

Недостатком систем с векторным управлением является сложности в реализации преобразований фаз и координат, а также в выполнении компенсационных связей. Однако с появлением микропроцессорных устройств с высоким быстродействием и большим объемом памяти возможности систем управления асинхронными электроприводами значительно расширились – диапазон регулирования скорости может достигать 1000 и выше при широком диапазоне изменения нагрузки АД. Кроме того, АД технически более просты и надежны в эксплуатации, могут длительно работать при повышенных скоростях и температурах, в агрессивных и взрывоопасных средах, имеют меньшие массу, габариты и стоимость. Все это и повлияло на повсеместное применение АД в автоматизированном электроприводе.

Системы программного управления, следящие и адаптивные сис-

темы электропривода. Если задающие воздействия на объект управления формируются на основе заранее заданной программы, то такая система называется системой программного управления. Очевидно, что в составе УУ при

246

этом обязательно присутствуют две части – устройство хранения и устройство воспроизведения программы. Типичным примером таких систем являются системы числового программного управления (ЧПУ) металлообрабатывающих станков. Это уже достаточно сложные, как правило, микропроцессорные системы управления.

При использовании программного управления перед обработкой детали соответствующим образом составляется программа для выполнения последовательности технологических операций – сверление, фрезерование, точение и т.д., и загружается в запоминающее устройство. После этого электроприводы исполнительных органов реализуют выполнение этой программы без непосредственного участия человека.

Системы ЧПУ работают в одном из двух режимов: позиционирования или контурной обработки. В первом случае ЧПУ обеспечивает точную установку инструмента относительно изделия или его перемещение в одном направлении, а во втором – перемещение изделия или инструмента по произвольной траектории.

Если задающее воздействие на объект управления меняется по заранее неизвестному закону, а цель системы управления – воспроизвести это воздействие с требуемой точностью, то такая система управления называется следящей. Следящий электропривод применяется для антенн радиотелескопов и спутниковой связи, в металлообрабатывающих станках, для привода роботов

идругих устройств. Если следящий электропривод предназначен для воспроизведения с заданной точностью скорости движения РО, он называется ско-

ростным, а если положения – то позиционным.

На рис. 8.14 представлена цифроаналоговая позиционная следящая система электропривода. Она выполнена по принципу подчиненного регулирования и сочетает в себе положительные свойства цифровых и аналоговых систем – хорошие динамические показатели работы за счет аналоговой части

ивысокую точность слежения, обеспечиваемую цифровой частью.

МПС

ω

θ [k ]

РП

ЦАП

РС

i

РТ

U

ЭПУ

ЭДУ

ПУ

РО

θ′[k]

ω′

i′

ЦАП

ИУ

АЦП

Рис. 8.14

Внешний контур положения является цифровым, а внутренние контуры регулирования тока и скорости – аналоговыми. Измеренное значение перемещения θ′ (угла поворота вала РО или ЭДУ) в цифровой форме поступает в

247

микропроцессорную систему управления, где на основании сравнения с за-

данным значением положения θ вырабатывается выходной цифровой сигнал регулятора положения РП по запрограммированному в МПС алгоритму (см. разд 6.2). Далее с помощью ЦАП этот сигнал преобразуется в аналоговый

сигнал задания на скорость ω , который после сравнения с измеренной скоростью ω′ подается на вход регулятора скорости РС и т. д. Выходной сигнал РТ U является управляющим для системы управления ЭПУ.

В последние годы в связи с бурным развитием микропроцессорной техники получил развитие электропривод с адаптивным управлением. УУ таких СЭП может быть трех типов: самонастраивающееся с возможностью автоматического изменения параметров регуляторов при изменении условий работы; самоорганизующееся, когда автоматически изменяются и структура (алгоритм), и параметры регуляторов; самообучающееся при автоматическом изменении параметров, структуры и закона управления.

Адаптивные системы стабилизации обеспечивают поддержание заданного показателя качества технологического процесса (например, наивысшей производительности рабочей машины) на определенном уровне, а экстремальные системы – получение его экстремального значения.

8.5. Станции управления и комплектные электроприводы

Для унификации схемных решений релейно-контакторного управления электроприводами разработаны и выпускаются электротехнической промышленностью стандартные станции и панели управления, содержащие также элементы блокировок, защит, сигнализации и связи с технологическим оборудованием. Рассмотрим в качестве примера релейно-контакторную станцию управления АД с фазным ротором серии ПУ6520 [5], приведенную на рис. 8.15.

Станция осуществляет автоматизированный пуск, реверс и торможение АД с помощью командоконтроллера SM, который при отключенном АД необходимо перевести в начальное положение «0». Замыканием рубильников Q1-Q3 подается напряжение на катушку реле времени KT1 и реле защиты FV, что подготавливает схему к началу работы.

Перевод рукоятки командоконтроллера SM в положение «3» (влево или вправо зависит от требуемого направления вращения АД) включает линейные контакторы KM1 (KM2) и KM3. При этом статор АД подключается к сети переменного тока, а электромагнитный тормоз YB из-за срабатывания контактора KM4 растормаживает АД. После этого происходит двухступенчатый пуск АД на естественную характеристику с управлением в функции времени. Для этих целей используются контакторы ускорения KM6 и KM7, которые с задержкой времени, реализуемой с помощью реле времени KT1 и KT2, последовательно шунтируют активные сопротивления R2доб 1 и R2доб 2 в цепи ротора

по мере разгона АД. Следует отметить, что в начале пуска срабатывают реле

248

времени KT3 и KT4, подготавливая тем самым будущую работу АД в режиме динамического торможения.

+

Q1 Q2

FА1 FА2 FА3

	FА4
KM1
KM2	KM8
	R5
	KM3
	M

		R4
		V
	KM7	KV
		R2доб 1
	KM6
		R2доб 2
	KM5
		R2доб 3

	+			−
	Q3	YB		Q3
	FU1 KM4		KM4 FU2
			KM5	KT1

KM6	KT2

FV

FV

FА1 FА2 FА3

FV

321

0

123

SM0

	SM1	SQ1	KM1	KT3
		SQ2	KM1
	SM2		KM2	KM8
	KM2		KM3
	SM3		KM5
	KM8		KM6	KT1
	SM4
	KM8		KM7
KV	KM4		KM4	KT2
				KT4
KM1 KM2 KM3 FA4 KT4 KT3				KM8
Рис. 8.15

Положения рукоятки командоконтроллера SM «1» и «2» обеспечивают работу АД на искусственных характеристиках при введении в ротор добавочных сопротивлений R2доб 1 + R2доб 2 и R2доб 1 + R2доб 2 + R2доб 3 соответственно.

Для осуществления реверса АД переводят рукоятку командоконтроллера SM в противоположное положение, при этом происходит торможение противовключением с полным сопротивлением в роторе R2доб 1 + R2доб 2 + R2доб 3

для ограничения тока с управлением в функции ЭДС, реализуемой с помо-

249

щью реле напряжения KV. Как только скорость АД снизится до минимального значения, необходимого для отпускания реле KV, включится контактор KM5, шунтирующий своим контактом сопротивление R2доб 3 , после чего про-

изойдет двухступенчатый пуск в обратном направлении (SM в положении «3»). Реле KT3 позволяет переводить рукоятку командоконтроллера SM слева направо и обратно через положение «0» без включения режима торможения.

Остановка АД осуществляется в режиме динамического торможения с управлением в функции времени (реле KT1, KT2 и KT4) путем перевода рукоятки командоконтроллера SM в положение «0» и включения контактора KM8 по истечении времени срабатывания реле KT3. При торможении АД отключаются контакторы KM1-KM4 и срабатывает электромагнитный тормоз YB, обеспечивая интенсивное комбинированное (электрическое и механическое) торможение.

В схеме станции управления предусмотрены следующие защиты: мак- симально-токовая в силовых цепях с помощью реле FA1-FA4 и цепи управления с помощью предохранителей FU1 и FU2; нулевая защита с помощью реле FV. Реализация блокировок в станции осуществляется с помощью включения размыкающих контактов в цепи катушек аппаратов, не допускающих возможности одновременной работы, а также двумя конечными выключателями SQ1 и SQ2, срабатывание которых производит останов АД.

Регулируемые электроприводы выпускаются электротехнической промышленностью в форме комплектных электроприводов (КЭП) постоянного и переменного тока (рис. 8.16), представляющих собой конструктивно законченное устройство (шкаф), состоящее из силового блока (СБ) и блока управления (БУ). Широкое распространение КЭП определяется более низкой трудоемкостью при его разработке и изготовлении, сокращением времени на монтаж и наладку, надежностью и удобством эксплуатации.

КЭП

КЗА

СЭ

ИП

СБ

БУ

ФЭ

ЭПУ

УТ

БЗС

УС

ЭДУ

ДС

ДТП

ИУ

МПС

верхнего

уровня

Рис. 8.16

250

ВСБ обычно входят коммутационно-защитная аппаратура КЗА, согласующие элементы СЭ (трансформатор или токоорганичивающий реактор), ЭПУ (для ЭДУ переменного тока это ПЧ или ПН, для ДПТ – УВП, ШИП), фильтрующие элементы ФЭ (сглаживающие и уравнительные реакторы, фильтры) и устройства торможения УТ (тормозные резисторы).

ВБУ входят источник питания ИП информационной и управляющей цепей, блок защиты и сигнализации БЗС, устройство сопряжения УС сигналов управления и сигналов с ИУ. БУ содержит встроенную МПС с САР для местного управления, но также существует возможность дистанционного управления от пульта управления или, как правило, от МПС верхнего уровня.

Датчики технологических параметров ДТП, пульты управления и другие устройства ввиду их специфичности в комплект поставки обычно не входят. Наличие в КЭП ЭДУ и датчика скорости ДС зависит от потребностей заказчика.

Примерами КЭП постоянного тока могут служить регулируемые электроприводы серий КТЭ и КТЭУ, обладающие широким спектром функциональных возможностей и отличаются набором и исполнением отдельных блоков. Для привода механизмов станков, роботов и других устройств разработана большая группа КЭП серий ЭТ, ЭПУ, ПРП, ЭШИР, комплектуемые высокомоментными двигателями типов ПБСТ, ПГТ, ПБВ с встроенными тахогенераторами для организации обратной связи по скорости. В КЭП типов ПРП и ЭШИР в качестве ЭПУ используются ШИП. В остальных КЭП применяются реверсивные или нереверсивные УВП. Для некоторых КЭП с целью увеличения диапазона регулирования скорости характерно наличие преобразователей напряжения для управления возбуждением ДПТ.

Вследствие преобладающего применения ЭДУ переменного тока выпускается широкая номенклатура КЭП с ПЧ и ПН серий ЭКТ, АП, ЭПА, ЭТА, АТО. В станкостроении и робототехнике применяются специализированные КЭП серии ЭПБ, выполненные по схеме ВД (см. разд. 4.10).

КЭП обеспечивает заданный темп разгона, торможения и реверса ЭДУ. САР КЭП, как правило, выполняется по принципу подчиненного регулирования с П-, ПИили ПИД регуляторами координат. В состав КЭП входят элементы, обеспечивающие все виды защит: нулевую, максимально-токовую, тепловую и другие специальные защиты (от обрыва фазы, от перенапряжений, от ошибок управления и программирования, от неисправностей в блоках КЭП и др.). Мощность современных КЭП лежит в пределах от единиц (станочные приводы) до тысяч киловатт.

8.6.Контрольные вопросы

1.В чем различие между разомкнутой и замкнутой системами автоматизированного электропривода?

2.С помощью каких показателей оцениваются регулировочные свойства систем электроприводов?