книги / Системы управления электроприводом

образователя (ТП); WРТ, WРС – передаточные функции соответственно регулятора тока (РТ) и регулятора скорости (РС); Kд – коэффициент передачи электродвигателя; Kт, Kс – коэффициенты обратных связей соответственно по току и скорости двигателя; Uз.с, Uз.т – сигналы задания соответственно скорости и тока якоря двигателя; , iя – соответственно скорость и ток якоря; iс – статический ток нагрузки, пропорциональный моменту Mс нагрузки.

Рис. 2.5. Структурная схема электропривода постоянного тока с подчиненным регулированием координат

Для двигателя постоянного тока независимого возбуждения система подчиненного регулирования угловой скорости содержит два контура регулирования: внутренний контур регулирования тока якоря (контур регулирования момента) и внешний контур регулирования угловой скорости двигателя.

Звеном МЧ на схеме (см. рис. 2.5) обозначена механическая часть привода с передаточной функцией

W ( p)

1

,

(2.1)

МЧ	TМЧ p

где TМЧ – электромеханическая постоянная времени двигателя, с; p – оператор Лапласа.

Звеном ЯЦ обозначена якорная цепь с передаточной функ-

цией

W ( p)	KЯЦ	,	(2.2)
ЯЦ	TЯЦ p 1
			31

где KЯЦ – коэффициент передачи по току двигателя, Ом–1; TЯЦ – электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя, включая силовую цепь преобразователя, с.

Звено ЯЦ учитывает электрические свойства якорной цепи, т.е. силовой цепи «тиристорный преобразователь – двигатель».

Регулировочные свойства преобразователя учитываются звеном ТП с передаточной функцией

W	( p)	e p	,	(2.3)
ТП		TТП p 1

где τ – время чистого запаздывания преобразователя, с; ТТП – постоянная времени преобразователя, с.

В практике расчетов электроприводов с подчиненным регулированием координат зачастую обратной связью по ЭДС двигателя пренебрегают, учитывая высокую механическую инерционность, однако это приводит к неучету некоторой статической ошибки регулирования скорости.

Настройка контура регулирования тока якоря включает в себя определение структуры РТ и расчет величины его параметров. При выборе структуры РТ необходимо исходить не только из желаемых динамических показателей, но и из функционального назначения КРТ. Прежде всего, КРТ должен ограничивать ток якоря двигателя при перегрузках электропривода.

Компенсируемой частью объекта регулирования является ЯЦ с передаточной функцией апериодического звена. Поэтому при настройке на технический оптимум РТ по структуре представляет собой ПИ-регулятор [5, 8].

Исходя из принципа подчиненного регулирования регулятор скорости в КРС при настройке на технический оптимум должен быть по структуре П-регулятором, поскольку компенсируемой частью объекта регулирования является МЧ с передаточной функцией интегрирующего звена. Однако, чтобы компенсировать ошибку от влияния обратной связи по ЭДС двигателя, а также влияние нагрузки, в качестве структуры PC в реальных электро-

32

приводах применяются ПИ-регуляторы. Если КРС с П-регуля- тором отвечает требуемой статической точности поддержания угловой скорости электропривода, то его применяют как более простой. В тех случаях, когда требуемая точность оказывается выше, применяют ПИ-регулятор [5, 8].

Передаточную функцию ПИ-регулятора для контура регулирования скорости можно записать в виде:

	W ( p) K	1		1		,	(2.4)
				T p
	РС	РС
				и

где KРС – коэффициент передачи РС, полученный непосредственным применением методики настройки на технический оптимум, относительные единицы (о. е.); Ти – постоянная времени интегрирования РС, с.

Выписав номинальные (паспортные) данные электродвигателя постоянного тока и силового преобразователя Simoreg DC Master, студент должен рассчитать параметры регуляторов тока якоря и скорости двигателя с использованием типовой методики структурно-параметрического синтеза контурных регуляторов СУЭП [4, 8].

Порядок выполнения работы

иметодические указания

1.Ознакомиться с лабораторной установкой (рис. 2.6).

2.В состав лабораторной установки входят:

–электромашинный агрегат;

–панель оператора;

–шкаф управления электрическим приводом. Электромашинный агрегат представляет собой соединен-

ные на одном валу три электрические машины:

–машину постоянного тока (220 В, 1,0 кВт);

–трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (380 В, 1,5 кВт);

–трехфазный синхронный двигатель (380 В, 1,52 кВт).

33

Рис. 2.6. Внешний вид лабораторной установки «ТП – ДПТ – нагрузка»

В панель оператора установлен промышленный компьютер SIMATIC Panel PC 577C, который может использоваться в автоматизации производства, а также в автоматизации технологических процессов.

Шкаф управления электрическим приводом включает в себя следующие органы управления: универсальный программируемый контроллер SIMATIC S7-300, преобразователь частоты Sinamics S110, преобразователь частоты Sinamics S120, микропроцессорный преобразователь Simoreg DC Master, устройство плавного пуска асинхронных электродвигателей Danfoss MCD201, универсальный преобразователь Simeas.

3. Ознакомиться с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации микропроцессорного преобразователя Simoreg DC Master [11], внешний вид которого приведен на рис. 2.7. Микропроцессорный преобразователь Simoreg DC Master серии 6RA70 является полностью цифровым компактным преобразователем с питанием от трехфазной сети и служит для питания якоря и обмотки возбуждениядвигателей постоянноготокасрегулируемойскоростью.

34

4. Осуществить запуск микропроцессорного преобразователя в соответствии с п. 7 инструкции по эксплуатации. Выполнить последовательность действий, указан-

ныхвп. 7.2 [11].

5.Ознакомиться с панелью оператора (см. п. 7.3) [11] и убедиться, что значения введенных параметров двигателя P100, P101, P102 и P104 соответствуют таблице номинальных параметров.

6.Произвести параметрирование преобразователя в соответствии с методикой,

	изложенной в инструкции [11]. Согласить-	Рис. 2.7. Внешний вид
	ся с заводскими установками, если пара-	микропроцессорного
	метры соответствуют расчетным значени-	преобразователя
		Simoreg DC Master
	ям. Установка параметров может также

производиться с помощью персонального компьютера с использованиемудобныхменюдля быстроговводавэксплуатацию.

7.Выполнить пуск двигателя на заданное значение скорости, убедиться, что работа СУЭП соответствует ожидаемым прямым оценкам качества регулирования скорости. В противном случае проверитьрезультатырасчетарегуляторови перейти кп. 6.

8.Выполнить нагружение двигателя током нагрузки, не превышающим номинальное значение. Убедиться, что СУЭП демонстрирует свойства астатического регулирования по нагрузке.

9.Проанализировать результаты экспериментов и сделать выводы о проделанной работе.

10.Составить отчет о лабораторной работе.

Содержание отчета:

1.Титульный лист, отвечающий требованиям к оформлению лабораторных работ, представленным на сайте кафедры МСА.

2.Обобщенная функциональная схема лабораторного стенда

сэлектроприводной системой «Тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока».

35

3.Структурная схема двухконтурной СУЭП постоянного тока

ссоподчиненными контурами регулирования тока якоря и скорости двигателя.

4.Результаты структурно-параметрического синтеза контуров регулирования тока якоря и скорости двигателя.

5.Реакции замкнутой СУЭП на ступенчатое изменение задающего и возмущающего воздействий.

6.Выводы по результатам исследований.

Контрольные вопросы

1.Основные виды регуляторов СУЭП.

2.Основные принципы построения систем подчиненного регулирования.

3.Показатели качества СУЭП.

4.Настройки контуров регулирования СУЭП.

5.Переходный процесс в системе с ПИ-регулятором, влияние на него увеличения пропорциональной и интегральной составляющих управления.

6.Астатическое регулирование в СУЭП.

7.Этапы структурно-параметрического синтеза контура регулирования тока якоря.

8.Этапы структурно-параметрического синтеза контура регулирования скорости электропривода.

Лабораторная работа № 5 Исследование электроприводных систем «Преобразователь частоты – асинхронный двигатель» (Стенд «ПЧ – АД – нагрузка»)

Цель работы – ознакомление студентов с электроприводной системой «Преобразователь частоты – асинхронный двигатель», устройством, техническим описанием и инструкцией по эксплуатации электропривода Sinamics S120 фирмы Siemens, приобрете-

36

ние студентами практических навыков по настройке контурных регуляторов электроприводов переменного тока в структуре систем подчиненного регулирования координат.

Краткие теоретические сведения

иописание работы

Впромышленно применяемых электроприводах переменного тока наиболее важной задачей является регулирование угловой скорости асинхронного двигателя. Наибольшее распространение для решения такой задачи получила система управления электроприводом, выполненная по принципу подчиненного регулирования координат, причем соскалярным иливекторнымуправлением [5, 8].

Скалярное управление частотно-регулируемого АД базируется на изменении частоты и текущих значений напряжений, магнитных потоков, потокосцеплений и токов цепей двигателя.

Вэнергетическом отношении целесообразно обеспечивать совместное регулирование либо частоты и напряжения, либо частоты и тока статорных обмоток. Первый способ управления принято называть частотным управлением, второй – частотно-токовым управлением. При скалярном частотном управлении необходимо задать функциональную связь между напряжением и частотой питания статора, называемую законом управления. Эти соотношения определяются видом нагрузки электропривода.

Закон Костенко (закон пропорционального соотношения час-

тоты f1 и напряжения U1) можно рассматривать применительно к разомкнутым и замкнутым системам управления. На основе этого закона реализуется управление напряжением (магнитным потоком) машины в функции нагрузки на валу без непосредственного ее измерения. Если нагрузка уменьшается, то магнитный поток можно также уменьшить, уменьшив напряжение, но сохранив при этом за-

пас статической устойчивости. Закон управления U1/f1 = const, известный также как пропорциональный закон управления, является наиболеераспространенным частнымслучаем законаКостенко. При

37

управлении по закону U1/f1 = const в принципе невозможно обеспечить перегрузочную способность на уровне естественной характеристики АД, и этот режим управления может эффективно применяться только вприводахсвентиляторнойнагрузкой.

Если разомкнутая система скалярного частотного управления не в состоянии обеспечить заданный уровень статизма и перегрузочной способности АД, применение находят замкнутые системы управления с различными сигналами обратной связи. В общем случае подобные системы замкнутого управления называются компенсационными системами скалярного управления, в частности с IR-компенсацией падения напряжения на обмотках статора при изменении тока I нагрузки.

Альтернативным и гораздо более эффективным во всех отношениях является векторное управление с реализацией систем полеориентированного управления АД. Для определения углового положения поля можно использовать как модель обмотки статора, так и модель обмотки ротора, причем каждая модель имеет свои достоинства и недостатки [8].

При векторном управлении АД оперируют не с реальными переменными машины, а с их проекциями на ортогональные оси, ориентированные по полю, что позволяет независимо управлять магнитным потоком и моментом, причем имея дело не с переменными синусоидальными величинами, а с постоянными их преобразованными величинами. Это позволяет строить систему управления асинхронными двигателями аналогично системе управления электродвигателями постоянного тока.

Структурная схема системы векторного управления приведена на рис. 2.8 и соответствует общепринятой модели, подробно рассмотренной в работе [8].

На данной схеме использованы следующие обозначения функциональных элементов и переменных: Ф1 – предшествующий фильтр на входе СУЭП, обеспечивающий снижение перерегулирования скорости; Ф2 – фильтр, обеспечивающий снижение пульсаций измеренной скорости; ЗИ – задатчик интенсивности,

38

ограничивающий ускорение привода; РС – регулятор скорости; РТw и РТ – регуляторы соответственно активной и реактивной составляющих тока статора двигателя (проекций тока статора на ортогональные оси w и ); ПК – преобразователь координат (напряжений статора из ортогональной системы координат «w– » в заданные трехфазные напряжения ua, ub, uc); ПЧ – преобразователь частоты питающей сети напряжением 380 В в частоту вращения поля статора асинхронного двигателя; АД – асинхронный двигатель; ДC – датчик скорости, представляющий собой инкрементальный энкодер; Модель АД – преобразователь текущих значений координат асинхронного двигателя (измеренных фазных токов ia,b,c и напряжений ua,b,c на обмотках двигателя) в ток статора в ортогональной системе «w– » координат и угол φ сдвига между векторами напряжения и тока статора; nз – заданная скорость; nЗИ – заданная скорость с ограничением допустимых ускорения и замедления привода; iзw, iз и iw, i – соответственно заданные и действительные (вычисленные в Модели АД) токи в ортогональной системе координат.

Рис. 2.8. Структурная схема системы векторного управления АД

39

Частота дискретизации сигналов управления в канале регулирования момента 125…500 мкс, в канале регулирования скорости не превышает 2 мс. В данной лабораторной установке реализована двухконтурная система регулирования скорости с подчиненным контуром регулирования электромагнитного момента. Порядок расчета параметров регуляторов и параметрирования микропроцессорного контроллера изложен в руководстве [12].

Следует отметить, что рассматриваемые приводные системы, в общем случае, могут работать в качестве сервоприводов с несколькимивзаимноуправляемымиосямиперемещениярабочихорганов.

В лабораторной работе исследуется СУЭП на основе применения широко распространенного частотного преобразователя

Sinamics S120 фирмы Siemens [12]. При этом имеется возмож-

ность реализации как скалярного, так и векторного микропроцессорного управления АД.

Порядок выполнения работы

иметодические указания

1.Ознакомиться с лабораторной установкой (рис. 2.9). Состав лабораторной установки аналогичен составу установки «ТП – ДПТ – нагрузка» (см. работу № 4).

Рис. 2.9. Внешний вид лабораторной установки «ПЧ – АД – нагрузка»

40