- •Курс лекций
- •Введение. Классификация суэп
- •1. Типовые узлы и схемы разомкнутых релейно-контактных суэп
- •1.1. Общие сведения
- •1.2. Типовые узлы статорных цепей, обеспечивающие пуск асинхронных и синхронных электродвигателей
- •И синхронных электродвигателей
- •1.3. Узлы роторных цепей асинхронных электродвигателей
- •Ротора асинхронного электродвигателя
- •1.4. Узлы роторных цепей синхронных электродвигателей
- •С глухо подключенным возбудителем
- •1.5. Узлы силовых цепей электродвигателей постоянного тока, обеспечивающие их пуск и торможение
- •Постоянного тока
- •1.6. Типовые схемы управления асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором
- •Электродвигателем с короткозамкнутым ротором
- •С короткозамкнутым ротором
- •1.7. Основные принципы построения систем реостатного ступенчатого пуска и торможения электроприводов
- •При реостатном ступенчатом пуске электродвигателей
- •1.8. Типовые узлы и схемы реостатного ступенчатого пуска и торможения электродвигателей, работающие по принципу времени
- •С фазным ротором в функции времени
- •В функции времени: а – упрощенная схема управления;
- •С независимым возбуждением при динамическом торможении в функции времени: а – принципиальная электрическая схема;
- •Короткозамкнутого электродвигателя в функции времени
- •1.9. Узлы пуска и торможения электродвигателей, работающие по принципу скорости
- •Электродвигателем с торможением противовключением в функции скорости
- •Скорости: а - принципиальная электрическая схема;
- •И напряжения Uя во времени
- •Постоянного тока в функции скорости
- •1.10. Узлы пуска и торможения электродвигателей, работающие по принципу тока
- •Постоянного тока в функции тока
- •С подключением возбудителя в функции тока статора
- •2. Разомкнутые суэп с бесконтактными преобразовательными устройствами
- •2.1. Общие сведения
- •С естественной коммутацией
- •Тиристорным преобразователем:
- •2.2. Основные варианты регулируемых электроприводов переменного и постоянного тока
- •2.2.1. С тиристорным регулятором переменного напряжения (трн) в цепи статора асинхронного электродвигателя (рис. 2.4)
- •2.2.2. С тиристорными ключевыми элементами в цепи ротора
- •2.2.3. С частотным регулированием асинхронных и синхронных электродвигателей (рис. 2.6)
- •Преобразователь частоты
- •Тока и широтно-импульсной модуляцией.
- •2.2.4. С вентильным преобразователем в якорной цепи электродвигателя постоянного тока
- •Преобразователем
- •2.2.5. С питанием электродвигателя от источника тока
- •По системе ит - д
- •2.2.6. С импульсным преобразователем в цепи постоянного тока
- •Постоянного тока: а) электрическая схема включения; б) графики тока и напряжения двигателя
- •В двигательном и тормозном режимах
- •3. Замкнутые суэп постоянного тока с общим суммирующим регулятором
- •3.1. Общие сведения
- •3.3. Система электропривода с обратными связями по угловой скорости и по току с отсечкой, её свойства в статике
- •По угловой скорости и по току с отсечкой
- •С отсечкой по току
- •3.4. Переходные и установившиеся режимы суэп с обратными связями по угловой скорости и току
- •3.4.1. Свойства электропривода в статике с астатическим (пи) регулятором
- •3.4.2. Свойства электропривода в статике с астатическим (пи) регулятором
- •3.5. Замкнутая суэп постоянного тока со стабилизацией момента
- •Моменту м; крм – коэффициент усиления регулятора момента;
- •С обратной связью по моменту.
- •4. Суэп постоянного тока с подчиненным регулированием
- •4.1. Общие сведения
- •С ограничением выходного сигнала.
- •4.2. Математическая модель двухконтурной суэп с подчиненным регулированием
- •С подчиненным регулированием
- •4.3. Оптимальные настройки регуляторов
- •4.3.1. Настройка системы на модульный (технический) оптимум
- •На модульный оптимум
- •Регулирования тока
- •4.3.2. Настройка системы на симметричный оптимум
- •4.4. Суэп с двухзонным регулированием скорости
- •Регулирования возбуждения
- •От управляющего сигнала в статике
- •4.5.2. Двукратноинтегрирующая суэп с пи регуляторами тока и угловой скорости
- •4.5.3. Однократноинтегрирующая суэп с пи регулятором тока и обратной связью по эдс вращения (напряжению)
- •Для расширения диапазона регулирования и стабилизации скорости используют замкнутые суэп с отрицательной обратной связью по скорости.
- •5.2. Система регулирования угловой скорости асинхронного электропривода изменением напряжения питания
- •Р ис. 5.1. Принципиальная схема сар угловой скорости асинхронного электродвигателя изменением напряжения питания
- •Асинхронного электродвигателя изменением напряжения питания
- •Значениях задающего напряжения uз
- •Напряжения питания um uном.
- •5.3. Система управления асинхронным электродвигателем с импульсным регулированием сопротивления в роторной цепи
- •С импульсным регулированием сопротивления в цепи ротора
- •5.4. Суэп с электромагнитной муфтой скольжения
- •И отрицательной обратной связью по скорости
- •5.5. Суэп переменного тока с частотным регулированием скорости
- •5.5.1. Общие сведения
- •5.5.2. Асинхронный электродвигатель как объект регулирования
- •5.6. Варианты суэп переменного тока с частотным регулированием
- •5.6.1. Система частотного регулирования с функциональным преобразователем и регуляторами тока и напряжения статора
- •С функциональным преобразователем
- •5.6.2. Система частотного регулирования с обратными связями по скорости и эдс статора
- •С обратными связями по скорости и эдс статора
- •5.6.3. Система частотно-токового управления асинхронным приводом
- •5.7. Системы векторного управления ад с короткозамкнутым ротором
- •5.8. Суэп с асинхронными каскадами
- •5.8.1. Варианты и общие характеристики каскадов
- •Вентильного каскада: 1 – естественная характеристика;
- •5.8.2. Система управления авк с отрицательной обратной
- •Связью по скорости и положительной обратной связью
- •По выпрямленному току ротора
- •Функциональная схема такой суэп, аналогичная системам регулирования скорости дпт с независимым возбуждением, приведена на рис. 5.19.
- •Оос по угловой скорости и пос по выпрямленному току ротора
- •5.8.3. Система управления авк с подчиненным регулированием
- •Управления авк с подчиненным регулированием
- •5.9. Системы автоматического управления синхронных электроприводов
- •5.9.1. Основные задачи регулирования синхронных приводов
- •5.9.2. Система регулирования возбуждения сд с тиристорным возбудителем и общим регулятором
- •С тиристорным возбудителем и общим регулятором
- •5.9.3. Система подчиненного регулирования тока возбуждения сд
- •Регулирования тока возбуждения сд
- •5.10 Система управления электроприводом с вентильным двигателем
- •С вентильным двигателем
- •6. Следящие электроприводы
- •6.1. Общие сведения
- •6.2. Примеры простейших следящих электроприводов
- •6.2.1. Следящий электропривод с непрерывным управлением Вариант такого электропривода приведен на рис. 6.1.
- •6.2.2. Релейный следящий электропривод
- •6.2.3. Импульсный следящий электропривод
- •Трансформатора tv и Uк на обмотке электромагнитного поляризованного реле к;
- •6.2.4. Следующий электропривод с шаговым электродвигателем
- •Электродвигателем
- •6.3. Анализ свойств следящих электроприводов в статике и переходных режимах
- •6.3.1. Следящая суэп с обратной связью по выходной величине
- •6.3.2. Следящий электропривод с дополнительной обратной связью по первой и второй производным от выходной величины
- •Пропорционального ускорению выходного вала
- •6.3.3. Следящий электропривод с пропорционально-дифференциальным законом регулирования
- •6.3.4. Следящий электропривод с пропорционально-интегральным регулятором
- •6.3.5. Следящий электропривод с комбинированным управлением (с коррекцией по возмущающему воздействию)
- •6.3.6. Сравнение рассмотренных вариантов следящих электроприводов
- •7. Системы программного управления электроприводов
- •7.1. Общие сведения. Классификация
- •7.2. Примеры систем программного управления
- •7.2.1. Позиционная спу
- •7.2.2. Контурная система с чпу
- •8. Оптимальные и адаптивные суэп
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Примеры оптимальных и адаптивных суэп
- •8.2.1. Оптимальная суэп турбокомпрессора
- •Статических режимов электропривода турбокомпрессора
- •8.2.2. Адаптивный регулятор тока для вентильного электропривода постоянного тока
- •С адаптивным регулятором
- •9. Применение средств микропроцессорной техники в системах управления электроприводов
- •9.1. Общие сведения. Задачи микропроцессорного управления электроприводами
- •9.2. Применение программных логических контроллеров (плк) в системах управления электроприводов
- •9.3. Применение программируемых регулирующих контроллеров в электроприводах
- •9.4. Примеры алгоритмов цифрового управления
- •10. Основы проектирования суэп
- •10.1. Общие сведения
- •10.2. Основные этапы проектирования суэп
- •Систем управления:
- •Регуляторами и параллельным управлением; в) ‑ с раздельными регуляторами и подчиненным управлением
- •Устройств, работающих на постоянном токе
- •Этап 5: Разработка проектной документации
5.6.2. Система частотного регулирования с обратными связями по скорости и эдс статора
Функциональная схема СУЭП приведена на рис. 5.11.
Рис. 5.11. Функциональная схема системы частотного регулирования
С обратными связями по скорости и эдс статора
Отрицательная обратная связь по скорости повышает жесткость механических характеристик привода и как следствие точность поддержания заданной скорости на промежуточных характеристиках.
Обратная связь по ЭДС статора обеспечивает простыми средствами стабилизацию магнитного потока двигателя в широком диапазоне изменения скорости.
Система двухконтурная с подчиненным регулированием. Выходной сигнал регулятора скорости РС поступает на устройство управления инвертором УУИ и одновременно является задающим для регулятора ЭДС РЭ, на второй вход которого поступает сигнал от датчика ЭДС ДЭ. Сигнал, пропорциональный ЭДС статора, получают вычитанием из напряжения на зажимах статора падения напряжения на активных сопротивлениях статорных обмоток. ДЭ включает в себя трансформатор напряжения, выпрямитель, усилитель с гальванической развязкой в канале измерения токов, сумматор и фильтр.
Оптимизация контуров регулирования скорости и ЭДС может быть выполнена, как и в предыдущей системе, по аналогии с двухконтурным СУЭП постоянного тока.
5.6.3. Система частотно-токового управления асинхронным приводом
Функциональная схема СУЭП приведена на рис. 5.12.
Рис. 5.12. Система частотно-токового управления асинхронным приводом
Электродвигатель М получает питание от преобразователя частоты ПЧ с автономным инвертором тока АИТ. Управляемый выпрямитель УВ с контуром регулирования тока образует при этом источник тока. Управление двигателем производится путем задания тока статора и частоты АИТ.
Система управления двухконтурная. Контур регулирования скорости, включающий регулятор скорости РС, датчик скорости BR (тахогенератор постоянного тока) и устройство управления инвертором УУИ, обеспечивает требуемую жесткость механических характеристик привода.
Внутренний контур регулирования тока обеспечивает стабилизацию тока на входе инвертора, а значит и двигателя М.
Для стабилизации магнитного потока статора величина тока двигателя должна изменятся по определенному закону в зависимости от скольжения , ,
где ‑ ток статора;
‑ угловая скорость магнитного поля, создаваемого статорными обмотками двигателя.
Для реализации этой зависимости в цепь регулирования тока введен нелинейный функциональный преобразователь ФП, на вход которого поступает разностный сигнал между выходными сигналами регулятора скорости РС и датчика скорости BR, пропорциональный скольжению S.
5.7. Системы векторного управления ад с короткозамкнутым ротором
Современные системы векторного частотного управления электроприводами переменного тока выполняют на основе рассмотренной ранее математической модели обобщенной двухфазной электрической машины. Обычно используют наиболее простую модель с осями координат , вращающимися в пространстве с постоянной угловой скоростью .
Уравнения (5.1…5.7) в этом случае для АД с короткозамкнутым ротором приводятся к следующему виду:
В уравнениях (5.8–12) в отличие от (5.1–7) принята другая нумерация (индексация) переменных и параметров: индексами s, r помечены переменные и параметры, относящиеся, соответственно, к статору и ротору двухфазной электрической машины, а индексами – проекции переменных на соответствующие оси.
Через обозначено число пар полюсов, а через потокосцепления с обмотками:
(5.13)
где – собственные индуктивности обмоток статора и ротора;
– взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора.
В уравнениях (5.13) учтено, что взаимные индуктивности между двумя обмотками статора равны нулю, т.к. оси обмоток взаимно перпендикулярны, и поэтому магнитная связь между ними отсутствует.
То же самое справедливо для двух обмоток ротора.
В уравнениях (5.8–13) проекции переменных на координатные оси можно рассматривать, как проекции некоторых векторов, вращающихся в пространстве. При выборе скорости вращения осей координат , равной скорости вращения вектора, представляющего в модели определенную переменную, проекции этого вектора на оси координат будут постоянными величинами. В результате существенно упрощается математическая модель АД.
Но при синтезе СУЭП с частотным регулированием важно упростить не только модель управляемого объекта, но и устройство управления. Для этого дополнительно ориентируют вращающуюся систему координат так, чтобы направление одной из осей, например u, совпадало по направлению с вектором выбранной переменной.
В этом случае проекция вектора на эту ось будет равна постоянной величине, равной амплитудному значению переменной, а проекция на вторую ортогональную ось будет равна нулю.
Возможны различные варианты такого совмещения, например, с векторами и др.
СУЭП, использующие такой подход, называют системами векторного управления. В общих чертах они реализуются следующим образом:
измеряются фактические мгновенные значения некоторых переменных (токов, напряжений, потокосцеплений) реальной асинхронной машины;
с помощью специализированных вычислительных устройств они пересчитываются к соответствующим переменным обобщенной двухфазной машины с выбранной системой координат. Преобразованные переменные оказываются при этом сигналами постоянного тока;
текущие значения преобразованных переменных в устройстве управления сравниваются с заданными значениями;
по результатам сравнения соответствующими регуляторами вырабатываются расчетные управляющие воздействия в виде электрических сигналов постоянного тока;
полученные воздействия с помощью специализированных вычислительных устройств преобразуются в управляющие воздействия на реальный трехфазный преобразователь частоты. При этом узлы СУЭП, реализующие функции 3 и 4, выполняются точно так же, как и в системах управления электроприводов постоянного тока.
Сравнительными исследованиями показано, что применительно к частотному управлению АД с короткозамкнутым ротором предпочтительными являются системы векторного управления с ориентацией координат по направлению векторов результирующего потокосцепления статора или ротора .
Рассмотрим в качестве примера систему с ориентацией осей координат по направлению вектора потокосцепления ротора.
Обозначим модуль вектора потокосцепления ротора через . Тогда при выбранной ориентации осей : а производные по времени как от постоянных величин.
При этом из уравнения (5.10) получаем , а уравнение (5.12) и два последних уравнения системы (5.13) преобразуются к следующему виду:
Разрешим уравнение (5.16) относительно и подставим в (5.14):
Из уравнений (5.15), (5.17) следует, что основные взаимосвязи между параметрами и переменными АД аналогичны таковым для двигателя постоянного тока (ДПТ): магнитный поток пропорционален намагничивающему току , который является аналогом тока возбуждения ДПТ, а момент пропорционален произведению магнитного потока и активного тока , который можно рассматривать как аналог тока якоря ДПТ.
Из этих же уравнений следует, что если при управлении АД оперировать в цепях управления не с реальными переменными машины, а с преобразованными к координатным осям, ориентированным по полю, можно раздельно управлять величинами магнитного потока и момента двигателя, имея дело не с переменными синусоидальными величинами, а с постоянными их преобразованными значениями. Это позволяет строить систему управления АД аналогично рассмотренным ранее системам для ДПТ.
Основой построения такой системы является информация о величине и пространственном положении вектора потокосцепления в воздушном зазоре машины, измерение которого обычно производится с помощью датчиков Холла.
С учетом изложенного на рис. 5.13 приведена упрощенная функциональная схема одной из систем прямого векторного управления с ориентацией осей координат по направлению вектора потокосцепления ротора (Трансвектор), разработанную фирмой “Сименс”.
Потокосцепление ротора измеряется в ней двумя датчиками Холла, расположенными в воздушном зазоре по осям фаз . По напряжениям , вырабатываемым датчиками, преобразователь П1 вычисляет модуль потокосцепления и его мгновенное угловое положение (угол ) относительно неподвижной системы координат , связанной с осями обмоток статора эквивалентной двухфазной электрической машины.
Реальные токи двух фаз статора измеряются датчиками тока ДТ и преобразуются преобразователем П2 в напряжения , пропорциональные намагничивающему и активному токам рассмотренной выше модели двухфазной электрической машины.
Мгновенная скорость ротора измеряется датчиком скорости BR (тахогенератором постоянного тока).
Рис. 5.13. Упрощенная функциональная схема системы “Трансвектор”
В системе использованы ПИ-регуляторы скорости, магнитного потока и токов , .
На вход регулятора скорости РС поступает сигнал, пропорциональный отклонению фактической скорости от заданной . Выходной сигнал РС, пропорциональный заданному значению момента, после деления блоком деления БД на напряжение , пропорциональное заданному магнитному потоку, формирует задающее воздействие для контура подчиненного регулирования тока (регулятор тока РТ1).
На вход регулятора потока РП поступает сигнал, пропорциональный отклонению фактического значения модуля потокосцепления от заданного значения , а выходной сигнал РП в соответствии с уравнением (5.15) является задающим для подчиненного контура регулирования тока (регулятор тока РТ2).
Выходные сигналы регуляторов РТ1, РТ2, датчика скорости BR и преобразователя П1 поступают на преобразователь П3, в котором рассчитываются реальные управляющие воздействия, поступающие через устройство управления УУ на преобразователь частоты ПЧ в цепи статора АД.
Преобразователи П1…П3, входящие в состав системы, выполняются с применением специализированных вычислительных устройств.
Оптимизация регуляторов осуществляется по методике, разработанной для СУЭП постоянного тока с подчиненным регулированием.
Рассмотренная система обеспечивает получение характеристик, качественно не отличающихся от характеристик электроприводов постоянного тока, но требует для своей реализации встраивания в двигатель специальных датчиков для измерения модуля и текущего пространственного положения вектора потокосцепления ротора.