| Электропривод в АСУ ТП | |
| Автор: drug | Категория: Технические науки / Электроэнергетика | Просмотров: | Комментирии: 0 | 01-01-2013 22:13 |
Электропривод в АСУ ТП
Литература:
1. М.П.Белов «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов» 2004г.
2. М.Г.Чиликин «Общий курс электропривода» 1981г.
3. «Система автоматического управления электроприводом» под редакцией Ю.М.Петренко 2004г.
4. В.В. Москаленко «Электропривод» 2004г.
5. В.Н.Тереков «Системы управления электроприводов» 2005г.
6. Н.Г. Чикуров «Алгоритмическое и программное обеспечение компьютерных систем управления» 2008г.
Структурная схема автоматизированного электропривода
Структурная схема автоматизированного электропривода состоит из 3х частей:
Механическая часть
Электродвигатель
Система управления
Механическая часть – рабочий механизм, преобразующее устройство.
Электродвигатель предназначен для преобразования электрической энергии в механическую и может быть представлен 2-мя элементами: электромеханическим преобразователем (ЭМП) и ротором двигателя, на который действует вращающий момент при определенной угловой скорости.
Система управления состоит из силового преобразователя (П). управляющего устройства (УУ), задающего устройства (ЗУ) и датчиков обратной связи: электрического (ДЭ) и механического (ДМ).
Электропривод можно разделить на 3 вида:
1.Индивидуальный
2.Групповой
3.Взаимосвязанный
Групповой электропривод обеспечивает движение исполнительных органов нескольких машин. Передача основной энергии осуществляется с помощью трансмиссии.
Взаимосвязанный содержит два или несколько двигателей при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей.
Системы управления бывают: разомкнутые и замкнутые.
Разомкнутые системы отличаются тем, что изменение возмущающих воздействий приводит к изменению заданных режимов.
Замкнутые системы не зависимо от возмущающих воздействий может поддерживаться заданный режим, во время переходных процессов может быть обеспечено непрерывное движение тока, момента, скорости по заданному закону.
Замкнутые системы – система, которая создается для регулирования и поддержания скорости двигателя, мощности и оптимальных переходных процессов.
До последнего времени замкнутые системы строились на основе ЭМП, но из-за громоздкости, отсутствия точности регулирования эти устройства заменили на устройства, основанные на полупроводниковой технике, их техническая реализация осуществляется на применении системы управления «преобразователь - двигатель» (Г-Д, ТП-Д, ШИП-Д)
СУ электропривода в замкнутых системах имеет обратную связь, под действием статической нагрузки (Мс) скорость двигателя изменяется и для поддержания её в заданных пределах её нужно измерять и при отклонениях регулировать.
Большинство замкнутых систем строятся по принципу отклонения.
Обратная связь:
положительная (сигнал направлен согласно задающим сигналам),
отрицательная (сигнал направлен встречно задающему сигналу),
жесткая (действует, как в установившемся режиме, так и в переходных режимах),
гибкая (сигнал вырабатывается, только в переходных режимах и служит для обеспечения требуемого качества),
линейная (характеризуется пропорциональной зависимостью между регулируемой координатой и сигналом обратной связью),
нелинейная (зависимость между координатой и сигналом обратной связи не пропорциональна).
Замкнутые системы выполняются:
с одним общим суммирующим усилителем;
с последовательными суммирующими усилителями;
Для вращательных движений уравнение движения электропривода:
I – момент инерции
M – момент силы двигателя
Мс – статический момент
Для поступательных движений уравнение движения электропривода:
Управляемыми в электроприводах являются электрические и механические координаты: ток, напряжения, ЭДС, момент, скорость, перемещение и т.д.
Защиты в схемах управления ЭП
Защита необходима для предотвращения аварии электрооборудования и устранения дальнейшего развития возникшего повреждения. Устройство защиты устанавливается как в силовых цепях, так и в цепях управления.
Основные виды защит:
1 защита от токов короткого замыкания
2 МТЗ - максимальная токовая защита (даже при кратковременном превышении тока)
3 защита двигателя от перегрузки сети
4 нулевая защита от самозапуска
5 защита от обрыва цепи обмоток возбуждения
6 защита от перенапряжения возникающая в эл. цепях
7 защита синусоидальных двигателей от выпадения из синхронизма.
Защита от токов короткого замыкания- предотвращает развитие повреждения вызванная током в силовой цепи и цепи управления. Защита осуществляется автоматическими выключателями, предохранителями.
Автоматический выключатель устанавливается на вводе электрической цепи и применяется в цепях 3-х фазного и однофазного токов.
Защита предохранителями 3-х фазной силовой цепи имеет недостаток т.к. при перегревании 1-ой из плавких вставок двигатель будет работать на 2-х фазах это ведет к перегреву двигателя. В этом случае в сочетании с предохранителями в схему включают специальное реле контролирующие обрыв фаз и подающий команду на отключение двигателя.
РОФ- реле обрыва фаз это реле напряжения включенное между нейтралью обмотки статора и заземленное нулевым проводом. При 3-х фазном режиме работы двигателя, напряжение на катушке реле равно 0. При обрыве или отсутствии одной фазы на обмотке статора между нейтралью и нулевым проводом становится достаточным для срабатывания реле, напряжение должно быть 10-30% от номинального фазного напряжения сети.
Защита двигателя от перегрузки
В этом случае в цепь 3-х фазного двигателя включается два однополюсных или одно двухфазное тепловое реле. Тепловое реле включают в цепь непосредственно, либо через трансформатор тока, а его контакты включены в цепь управления.
При наличии тока возбуждения контакт реле РОП замкнут и через него получает цепь управления. В случае обрыва цепи возбуждения РОП обеспечивается отключается двигатель. РОП имеет небольшую выдержку при случайных кратковременных колебаниях тока возбуждения
.
Защита от перенапряжения на ОВ
Требуется при отключении обмотки от источника питания. В этом случае в следствии быстрого спада тока возбуждения а значит и магнитного потока возникает значительное ЭДС самоиндукции. Которая может вызвать пробой изоляции. Защита осуществляется разрядным резистором включенным параллельно обмотки возбуждения его сопротивление выбирается (4-5 раз) Rов при напряжении питания 220В и (6-8) Rов при напряжении 110В.
Для устранения потерь энергии в разрядном резисторе последовательно с ним включается диод он не пропускает ток через резистор при включении ОВ, но позволяет протекать току под действующее значение ЭДС самоиндукции при отключении ОВ.
Защита выпадения СД из синхронизма этот вид защиты выполняется на реле минимального напряжения и контактора форсировки возбуждения.
Катушка реле РН включается на меньшее напряжение сети и держит размыкающие контакты в цепи управления разомкнутым при резком изменении нагрузки на валу двигателя или по другим причинам. Напряжение в сети уменьшается до недопустимого значения чтобы сохранить перегрузочную способность двигателя необходимо увеличить его возбуждение это осуществляется контактором КФ, шунтирующим сопротивлением цепи ОВв. Напряжение возбуждения увеличивается возрастает ток возбуждения двигателя и его максимальный момент двигатель удерживает в синхронизме.
Электрические блокировки служат для обеспечения заданной последовательности операций при управлении предотвращая внештатные и аварийные ситуации и неправильные действия оператора. Повышая надежность работы ЭП и технологического оборудования.
При работе 2-х контакторов перекрестное включение размыкающих контактов в цепи катушек не допускает включения одного контактора при включении другого такой вид защиты используют в реверсивном ЭП. Для блокировки ЭП в случае чрезмерного разворота механизма используют путевой выключатель.
Разомкнутые системы управления
К ним относятся схемы без использования обратной связи. Они отличаются простотой реализации и используются там, где не требуется высокое качество управления. Они осуществляют управление ЭП, защиту питающей сети и технологического оборудования. Для этого в них содержатся соответствующие устройства, находящиеся в во взаимоотношении с устройствами управления двигателя.
Разомкнутые системы строятся в функции тока, в функции времени, в функции ЭДС.
Типовая схема пуска двигателя постоянного тока с независимым управлением в функции времени
При подключении схемы к источнику питания происходит возбуждение двигателя, и срабатывает реле времени КТ, размыкая свой контакт в цепи контактора КМ2.
Пуск осуществляется кнопкой SB1: получает питание контактор КМ1, который своим главным контактом подключает ДПТ к сети, который начинает разбег с дополнительным сопротивлением Rд в цепи якоря. Одновременно замыкается блок-контакт КМ1, шунтируя пусковую кнопку. Размыкающий контакт КМ1 обесточивает РВ КТ, которое через промежуток времени замыкает свой контакт в цепи контактора КМ2, что приводит к к срабатыванию контакта КМ2 в силовой цепи двигателя. Rд шунтируется – двигатель выходит на рабочую характеристику.
Типовая схема пуска ДПТ в две ступени функции ЭДС и динамического торможения функции времени
В качестве датчика скорости по ЭДС используется якорь двигателя, к которой подключены катушки контакторов ускорения КМ1 и КМ2. С помощью Rд1, Rд2 контакторы настраиваются на определенную скорость.
Для осуществления торможения используется резистор Rд3, который подключается контактором КМ3.
Пуск осуществляется кнопкой SB1, получает питание контактор КМ, подключающий ДПТ к источнику питания, который начинает разбег с подключенными Rд1, Rд2. По мере набора скорости растет ЭДС, получает питание контактор КМ1, который шунтирует первую ступень реостата – двигатель выходит на вторую механическую характеристику. Аналогичным способом отключается вторая ступень при достижении соответствующей скорости – двигатель выходит на естественную характеристику.
Для осуществления динамического торможения нажимаем кнопку SB2. КМ теряет питание, размыкая контакт в силовой цепи. КМ в цепи КМ3 замыкается, а контакт КМ в цепи реле времени размыкается. Обесточенное КТ, через промежуток времени размыкает свой контакт в цепи КМ3. времени достаточно для запитки КМ3, которое подключает Rд3. двигатель начинает тормозить.
Типовая схема пуска ДПТ НВ в одну ступень в функции ЭДС и динамического торможения в функции времени
Типовая схема пуска ДПТ НВ в одну ступень функции времени и динамическое торможение функции ЭДС
Типовая схема пуска ДПТ последовательного возбуждения функции тока
Зависимость момента двигателя от величины силы тока якоря.
При возрастании нагрузки на двигателе – Mс, ток якоря увеличивается.
В схеме используется реле тока, которое настраивается так, чтобы ток отпускания соответствовал определенному значению и блокировочное реле KV с временем срабатывания больше, чем у KA.
При нажатии пусковой кнопки SB2 получает питание контактор К1 и замыкает главный контакт в силовой цепи. Бросок тока в силовой цепи вызывает срабатывание реле тока КА, которая размыкает контакт в цепи контактора К2, через некоторое время срабатывает реле KV и замыкает свой контакт в цепи контактора К2.
По мере разгона двигателя ток в цепи якоря снижается до тока переключения, это приводит к отключению КА, который замыкает свой контакт в цепи контактора К2, последний срабатывает и шунтирует пусковое сопротивление Rп , двигатель выходит на естественную характеристику.
Типовые узлы и схемы управления электроприводов с асинхронными двигателями
Схема пуска АД с короткозамкнутым ротором
- величина скольжения АД.
- частота вращения магнитного поля
- частота вращения ротора
Реверсивная схема управления с короткозамкнутым ротором
Схема предусматривает реверсирование машины с чередованием 2х фаз А и С.
Для реверса используются контакторы К1 и К2.
В схеме предусмотрены защиты:
1)нулевая (блок контактами К1 и К2, установленные параллельно кнопкам пуска)
2)взаимная блокировка (блок контактами К1 и К2, установленными последовательно цепи контакторов К1 и К2)
3)тепловая зашита (тепловые реле КК1 и КК2)
Схема управления АД с короткозамкнутым ротором с торможением двигателя в динамическом режиме
Для пуска используется контактор КМ, при получении питания которым замыкается контакт КМ в цепи реле времени КТ. Катушка КТ получает питание и замыкает контакт в цепи контактора КМ1, КМ1 не срабатывает, т.к. размыкающий контакт КМ разомкнут. В цепи управление произведена подготовка на режим динамического торможения. При нажатии SB2 теряет питание контактор КМ, который отключает двигатель от цепи переменного тока при этом замывается контакт КМ в цепи контактора КМ1, КМ1 получает питание и замыкает свой контакт КМ1, подключая 2 фазы статорной обмотки двигателя к источнику постоянного тока через тормозное сопротивление Rт. В статоре машины наводится неподвижное в пространстве электромагнитное поле, в котором тормозит ротор машины. Через промежуток времени контакт КТ размыкается в цепи контактора КМ1 и схема приходит в исходное состояние.
Защиты:
1)нулевая (блок контакта КМ)
2)блокировка (контакт КМ1 в цепи контактора КМ)
3)тепловая защита (КК тепловые реле)
4)защита от токов КЗ (предохранители FA)
Схема управления двухскоростным АД
Схема предусматривает получение 2х скоростей соединением секций обмоток статора в треугольник или двойную звезду и реверсирование.
Защита осуществляется тепловыми реле КК1 и КК2 и предохранителями FA.
Для запуска электрической машины на малой скорости необходимо нажать кнопку SB4, после чего срабатывает КМ2 и блокировочное реле КV. Статор двигателя переключается на схему треугольник, а реле КV подключает катушку контакторов КМ3, КМ4 подготавливая их к работе.
При нажатии SB1 получает питание контактор КМ3, что определяет направление вращения двигателя: «вперед». Разгон двигателя до высокой скорости осуществляется при нажатии SB5, который отключает контактор КМ2 и включает контактор КМ1, обеспечивая переключение секций обмоток на схему двойной звезды.
Схема управления АД с фазным ротор при пуске в одну ступень и торможении противовключением
Схема предусматривает защиты от токов короткого замыкания автоматическим выключателем QF, в цепи управления предохранителем FA и тепловую автоматическим выключателем QF.
После подачи напряжения происходит включение реле КТ, которая своим размыкающим контактом разрывает цепь питания контактора КМ3. При нажатии SB1 получает питание контактор КМ1, статор подключается к сети, электромагнитный тормоз растормаживается и начинается разгон двигателя. Включение КМ1 приводит к срабатыванию КМ4, который своими контактами шунтирует не нужный при пуске резистор противовключения Rдг, а также разрывает цепь катушки реле времени КТ.
КТ, потеряв питание, начинает отсчет выдержки времени, после чего замыкает свой контакт в цепи контактора КМ3, который срабатывает и шунтирует пусковой резистор Rд1 в цепи ротора; двигатель выходит на естественную характеристику.
Управление торможением обеспечивает реле KV, которое контролирует ЭДС ротора, с помощью резистора оно регулируется на режим торможения.
Нажимая SB2, теряет питание контактор КМ1 и отключает двигатель от сети. При этом теряет питание КМ4 и получает питание реле времени КТ, т.е контакторы КМ3 и КМ4 отключаются и в цепь ротора вводятся сопротивления Rд1 и Rд2.
При нажатии SB2 получает питание KM2, который подключает статор АД к сети с чередованием фаз, т.е. двигатель переходит в режим противовключения. При этом срабатывает КV, который обеспечивает питание КМ2 через замыкающий контакт KV.
При снижении ЭДС машины KV отключается и размыкает свой контакт, отключая контактор КМ2.
Тормоз УВ обеспечивает фиксацию вала двигателя, схема приходи в исходное положение.
Схема управления возбуждением СД построенные в функции скорости
Подключение обмотки возбуждения к источнику питания осуществляется КМ2, который управляется реле скорости KR, катушка этого реле связана с частью разрядного резистора через диод.
При получении питания КМ1 обмотка статора подключается к сети, начинается разгон электрической машины, а также нарастание ЭДС в обмотке возбуждения.
При нарастании ЭДС по катушке реле KR начинает протекать выпрямленный ток, оно включается и размыкает цепь питания контактора КМ2, т.е. разгон двигателя начинается с закороченной обмоткой возбуждения на разрядный резистор (Rp).
По мере ЭДС возрастает ток, катушка KR обесточивается и происходит замыкание контакта KR в цепи контактора КМ2, который подключает ОВ к источнику постоянного тока и отключает разрядный резистор. В этот момент происходит синхронизация скорости машины.
Схема управления возбуждения СД простроенная в функции тока
Реле тока контролирует бросок тока при пуске машины и замыкает свой контакт в цепи реле времени, вызывая отключение контактора КМ2, т.е. разгон машины осуществляется при закороченной обмотке возбуждения на разрядный резистор. При снижении токов в статорной цепи реле КА отключается и размыкает свой контакт в цепи реле времени КТ, КТ теряет питание и замыкает свой контакт в цепи контактора КМ2, который подключает ОВ к источнику постоянного тока.
Замкнутые системы управления электроприводами
Элементы и устройства замкнутой системы
Для получения задающих сигналов, измерения основного и дополнительных параметров, образования сигнала в замкнутых СУ служат соответствующие элементы и устройства, их можно разделить на:
усилители сигналов;
управляющие и формирующие элементы;
датчики и измерительные схемы;
командные и задающие элементы.
Усилители служат для увеличения мощности сигналов в СУ. Они могут быть электронными, электромашинными, магнитными и в замкнутых системах используются для надежной и стабильной работы.
Регуляторы
Регулятор – активное корректирующее устройство.
Пропорциональный П-регулятор
Сигнал на выходе пропорционален сигналу на входе.
;
Интегральный И-регулятор
;
.
Пропорционально-интегральный ПИ-регулятор
;
Дифференциальный Д-регулятор
;
Пропорционально-дифференциальный ПД-регулятор
;
Пропорционально-интегрально-дифференциальный ПИД-регулятор
;
Управляющие и формирующие элементы
Эти элементы необходимы для формирования требуемых законов управления, к ним относятся пассивные и активные корректирующие элементы, функциональные преобразователи и вычислительные устройства. Введение этих элементов в схему АУ, позволяет сделать её стабильно работающей. Для улучшения показателей качества работы САР выполняют коррекцию, которая заключается в изменении параметров (коэффициента усиления, постоянных времени) или структуры системы.
Основными показателями качества являются точность и устойчивость. Простейший способ повышения точности является увеличение коэффициента усиления и введение интегрирующего звена. Корректирующий элемент включают в прямую цепь (последовательная коррекция) или вводят в дополнительную обратную связь (параллельная коррекция). Наиболее часто используется последовательно включаемые корректирующие элементы, выполняющие операции интегрирования и дифференцирования. Включение интегрирующего звена улучшает динамику работы системы, позволяет быстро реагировать на резкие изменения входных сигналов и возмущающих воздействий.
В качестве пассивных корректирующих устройств обычно используют активно емкостные контуры, стабилизирующие трансформаторы, эти элементы формирую сигнал только в переходных режимах.
Дифференцирующий элемент форсирует переходной процесс, т.к. напряжение, поступающее в регулирующее устройство в начальный момент времени, изменяя входной сигнал по мере заряда конденсатора, снижается по закону экспоненты.
а) дифференцирующее звено
Интегрирующий элемент замедляет переходные процессы, что объясняется постепенным нарастанием выходного напряжения в зависимости от начального.
б) интегрирующее звено
Датчики
Датчики преобразуют управляемую координату в электрический сигнал, использующийся как сигнал обратной связи (ОС).
Датчик – устройство, информирующее о состоянии управляемой координаты электропривода, путем взаимодействия с ней и преобразуя реакцию в электрический сигнал.
Датчики напряжения выполняются на основе потенциометра, коэффициент ОС определяется положением движка потенциометра.
a)двигатель постоянного тока
б) двигатель переменного тока
Для получения сигнала ОС по напряжению в двигателе переменного тока используют трансформаторы.
Датчики ЭДС. При не высоких требованиях диапазона регулирования скорости (Д=50) в качестве ОС применяются ОС по ЭДС.
Функциональная схема датчика ЭДС.
Для измерения напряжения используется делитель напряжения на R1, R2 и C1 с выходным напряжением определяемым, как
L1, L2 - сглаживающие дроссели.
Для измерения тока может использоваться L2.
Датчик тока предназначен для получения информации о силе и направлении тока в электроприводе и к ним предъявляются следующие требования:
1)линейность характеристики управления
2)наличие гальванической развязки в силовой цепи в системе управления
3) высокое быстродействие
В качестве измерителей тока используется трансформатор тока, дополнительное и компенсационное обмотки, сглаживающий дросселей, датчики Холла и шунт.
Датчик тока на основе трансформатора тока используется в автоматизированном электроприводе для измерения тока двигателя при питании их от симметричных мостовых схем, однофазных и трехфазных выпрямителей.
Для однофазного выпрямителя используется один трансформатор тока.
Для трехфазного – 3 трансформатора тока.
Коэффициент передачи датчика тока определяется, как
- ток якорной цепи.
Широкое применение получили шунты – это четырех зажимный резистор с активным сопротивлением. К токовым зажимам подключается токовая часть, а к потенциальным – измерения.
По закону Ома падение напряжения на сопротивлении шунта:
Т.к. шунт имеет связь с силовой цепью, датчик тока должен содержать устройство гальванической развязки. В качестве таких устройств применяются трансформаторные и оптоэлектронные устройства. Коэффициент передачи для датчика тока определяется:
- коэффициент гальванической развязки и коэффициент усилителя.
В датчиках скорости используются тахогенератор и импульсные датчики скорости. Тахогенераторы используются в аналоговых схемах, импульсные датчики – в цифровых схемах.
Датчикам скорости предъявляются жесткие требования по линейности, стабильности выходного напряжения и уровня пульсации.
Широкое распространение получили тахогенераторы с постоянными магнитами. Для уменьшения оборотов пульсации тахогенератор встраивается в двигатель.
Основной зависимостью тахогенератора является ЭДС от скорости:
- коэффициент передачи тахогенератора (крутизна характеристики)
В импульсных датчиках скорости в качестве первичного измерительного преобразователя используется импульсные преобразователи перемещений, у которых количество импульсов пропорционально углу поворота вала:
- угол поворота вала за время .
- число импульсов.
z – число импульсов преобразователя за 1 поворот вала.
Таким образом, можно осуществить подсчет импульсов преобразователя для фиксированного интервала времени :
Этот способ используется при высокой скорости вращения.
При втором варианте осуществляется изменение временного интервала , за который от преобразователя поступает эталонное число импульсов:
Этот способ используется при низкой скорости.
Датчики положения применяются для получения электрического сигнала пропорционального положения исполнительного органа или вала двигателя. В качестве таких датчиков используются селсины, потенциометры, вращающие трансформатора.
Потенциометрические датчики положения выполняются присоединением их движков с валом двигателя, в этом случае выходное напряжение пропорционально его положению.
Вращающийся трансформатор имеет на статоре и роторе по две одинаковых однофазных распределительных обмотки, сдвинутые относительно друг друга на 90°, напряжение с обмоток ротора снимается с помощью контактных колец или щеток, или с помощью кольцевых трансформаторов.
Наиболее распространенный синусно-косинусный трансформатор имеет четыре обмотки, две из которых возбуждения и компенсационная обмотки расположены на статоре и две измерительные расположены на роторе. Ротор соединен с двигателем или рабочим механизмом, положение которых должно измеряться.
К обмотке возбуждения подводиться напряжение, протекающий под действием напряжения, ток создает в магнитном зазоре магнитный поток, который создает ЭДС во вторичных обмотках. Значение ЭДС в измерительной обмотке (ОИ1) пропорциональна синусу поворота ротора, а в обмотке (ОИ2) косинусу угла φ. Поэтому
;
.
Это является информацией об угле поворота φ вала машины или двигателя.
Обмотка компенсации (ОК) служит для компенсации вредного влияния магнитного поля, обмоток ротора, снижая погрешность измерения трансформатора.
Сельсин – это электрическая машина переменного тока, имеющая две обмотки: обмотку возбуждения и обмотку синхронизации.
Обмотка синхронизации выполняется трехфазной:
Выходное напряжение снимается с двухфазной обмотки ротора и далее выпрямляется с помощью выпрямителя, либо с помощью фаза-чуствительного выпрямителя (ФЧВ).
В первом случае выходное напряжение будет иметь постоянную полярность, а во втором случае полярность будет зависеть от сдвига фаз напряжения статора и ротора. При повороте ротора амплитуда, наводимая в обмотках ЭДС, изменяется от 0 в начальном положении ротора до максимального значения.
Задающие элементы
К задающим элементам относятся устройства ввода задания и задатчик интенсивности. Типовыми задающими устройствами являются: задатчик интенсивности, задача которого формирование плавного изменения задающего сигнала при переходе с одного уровня к другому, а именно создание линейного нарастания и спадание сигнала с требуемым темпом.
Стабилитроны играют роль ограничения сигнала до напряжения пробоя операционный усилитель (ОУ) работает как обычный преобразователь, обеспечивая линейную характеристику.
При происходит пробой стабилитрона и напряжение на выходе перестает изменяться.
Задатчик интенсивности состоит из трех ОУ:
1) первый работает без обратной связи, но с ограничением по выходному напряжению и имеет характеристику прямоугольной формы
2) второй ОУ работает интегратором с постоянным темпом интегрирования, темп интегрирования может регулироваться изменением сопротивления RВХ2
3) третий ОУ формирует отрицательное напряжение обратной связи
При подаче на вход UЗУ выходное напряжение линейно возрастает, затем при значении напряжения обратной связи = UЗУ интегрирование прекращается, и выходное напряжение достигает своего максимального значения.
При снятии с входа задающего напряжения происходит процесс уменьшения выходного сигнала напряжения до нуля.
Система импульсно-фазового управления (СИФУ).
В выпрямителях в качестве управляющих ключей используются тиристоры, для открывания тиристора необходимо выполнение двух условий:
потенциал должен превышать потенциал катода;
на управляющий электрод необходимо подать открывающий импульс
Момент появления положительного напряжения между анодом и катодом называются моментом естественного открывания. Подача открывающего импульса может быть задержана относительно момента естественного открывания на угол открывания. Вследствие этого задерживается начало прохождения тока через тиристор и регулируется напряжение в выпрямителе. Для управления тиристорами используется СИФУ, которая выполняет функции:
-определение момента времени, в которой должен открыться тиристор. Эти моменты времени задаются сигналом управления, которые поступают из САУ на вход СИФУ;
-формирование открывающих импульсов, передаваемых в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристоров и имеющих определенную амплитуду, мощность и длительность;
По способу получения сдвига открывающих импульсов относительно точки естественного открывания различают:
-горизонтальный;
-вертикальный;
-интегрирующий принцип управления;
По способу отсчета угла α СИФУ делят на :
-многоканальные;
-одноканальные.
Система тиристорный преобразователь – двигатель
Преобразователь включает в себя сглаживающий трансформатор (Т), имеющий 2 двухфазные обмотки; 2 тиристора VS1, VS2; сглаживающий дроссель L и СИФУ.
Преобразователь обеспечивает регулирование напряжения на двигателе за счет изменения среднего значения ЭДС преобразователя. Это достигается за счет регулирования с помощью СИФУ по сигналу управления угла α, то есть управления тиристорами.
Угол α представляет собой угол задержки открывания тиристоров относительно момента, когда напряжение на анодах тиристора становиться положительным.
Допустим, на управляющий электрод тиристора VS1 подается отрицательный импульс в момент времени t1, угол α, отсчитываемый от момента естественного включения вентиля VS1, вызывает на нагрузке скачек напряжения, которое будет меняться по кривой U2. В момент времени t2 напряжение U2 будет равно 0 и тиристор закрывается.
На интервале (t2;t3) оба тиристора закрыты и ток равен 0, а в момент времени t3 вступает в действие тиристор VS2 и остается открытым до времени t4.
Если менять угол α относительно начала синусоиды, то меняется среднее значение выпрямленного напряжения и тока, причем это напряжение содержит постоянную значения напряжения и тока – Ud и id.
Пульсирующий характер выпрямленного напряжения и тока ухудшает коммутацию двигателя.
Когда α=0, преобразователь осуществляет двухполупериодное выпрямление и к якорю двигателя прикладывается полное напряжение.
Если с помощью СИФУ подавать управляющий импульс на тиристоры с задержкой α≠0, то ЭДС преобразователя снижается, и на двигатель будет подаваться меньшее напряжение. Зависимость ЭДС от угла α, управляющая тиристорами, имеет вид:
(*)
Ed –ЭДС преобразователя при α=0
Ввиду пульсирующего характера ЭДС, ток в цепи якоря также пульсирующий – это ухудшает работу двигателя, увеличивает потери энергии и ведет к нагреву. Для уменьшения пульсации тока в цепи якоря, обычно включается реактор, индуктивность которого выбирается в зависимости от уровня пульсации тока.
(**)
Ф – магнитный поток, наводящийся обмоткой возбуждения
Rя – сопротивление якоря [Ом]
Сд – коэффициент, зависящий от конструкции двигателя
U – напряжение, подаваемое на двигатель.
Из (*) и (**) следует, что
Зависимость механических характеристик от α, представлено на рисунке ….:
Особенностью характеристик двигателей при питании от управляемого преобразователя является область, где характеристики не линейны. В этой области имеет место режим прерывистых токов.
Вследствие односторонней проводимости тиристорного преобразователя (ТП) характеристики располагаются в 1м и 4м квадрантах. Для получения характеристик во всех 4х квадрантах используют реверсивные ТП.
Явление прерывистых токов обусловлено тем, что с уменьшением нагрузки снижается количество энергии запасенной в индуктивности сглаживающего дросселя и наступает момент когда создаваемое ЭДС самоиндукции оказывается недостаточной для поддержания тока при отрицательных напряжениях на анодах тиристора, что приводит к увеличению выпрямленного напряжения (Ud) и возрастания скорости при холостом ходе.
Структурная схема замкнутой системы управления электроприводом с обратной связью по скорости
Скоростная характеристика:
Необходимое значение скорости устанавливается с помощью задающего устройства. Пропорционально задающему сигналу на выходе преобразователя будет формироваться Uпр, по мере, которой двигатель начинает разгоняться.
По мере разгона напряжение тахогенератора увеличивается, и выходной сигнал с элемента сравнения получается как разница Uзу-Uос, которое обеспечивает соответствующее значение напряжения на двигателе. При установившейся статической нагрузки будет иметь место установившееся состояние системы. Если статическая нагрузка возрастет, то скорость уменьшится, уменьшится напряжение тахогенератора – это вызовет возрастание сигнала управления и скорость возрастет до заданного значения.
Замкнутая система преобразователь – двигатель (П-Д) с отрицательной обратной связью по скорости
Датчик скорости (ДС) – элемент гальванической развязки между силовой цепью и цепью управления.
На валу двигателя находится датчик скорости (тахогенератор (ТГ)), напряжение которого Uос=jω, т.е. пропорционально скорости вращения и является сигналом обратной связи (ОС).
Коэффициент пропорциональности j – коэффициент ОС по скорости, который может регулироваться за счет изменения тока возбуждения ТГ.
Сигнал ОС сравнивается с задающим сигналом и их разница в виде сигнала рассогласования (или ошибки) Uвх и подается на вход дополнительного усилителя, который усиливает сигнал Uвх и подает его в виде сигнала управления на вход преобразователя (П).
Предположим, что ДПТ работает под нагрузкой в установившемся режиме, и по каким либо причинам момент нагрузки Мс увеличивается, развиваемый двигателем момент становиться меньше момента нагрузки, его скорость начинает снижаться, сигнал ОС по скорости уменьшается – это вызовет увеличение сигнала рассогласования Uвх, соответственно Uу(напряжение управления) приведет к повышению ЭДС преобразователя, а следовательно повышению напряжения и скорости ДПТ. Таким образом благодаря наличию ОС, осуществляется автоматическое регулирование ЭДС преобразователя, а значит и напряжения двигателя, за счет этого повышается жесткость характеристики электропривода.
Механическая характеристика -есть
Схема ДПТ НВ с нелинейной обратной связью по току
УТО- узел токовой отсечки
Графики- есть
В качестве датчика тока(ДТ) используется шунт, падение напряжения на котором пропорциональна току якоря. Сигнал Ос по току определяется: Uот=IяRш
В качестве сопротивления шунта часто используют обмотку дополнительных полюсов и компенсационную обмотку двигателя. Сигнал ОС поступает на узел тока ограничения УТО, называемый еще узлом токовой отсечки. Этот сигнал определяет величину тока отсечки Iотс, с которого начинается регулирование тока. При токе якоря меньше тока отсечки сигнал на выходе УТО равен 0, т.е. в диапазоне от 0 до Iотс система работает как разомкнутая и определяется 1й зоной.
При токе якоря больше тока отсечки на выходе УТО появляется сигнал ОС по току. Электропривод начинает работать в замкнутой системе с характеристиками зоны 2 при этом появляется сигнал Uвх=Uзу-Uот. Из функции видно, что при увеличении тока, Uвх будет уменьшаться , это приведет к уменьшению сигнала управления и ЭДС преобразователя, и напряжения подаваемого на двигатель. Ток при этом снижается (в якорной цепи).
Замкнутая система управления тиристорный преобразователь – двигатель с обратной связью по току и скорости
Для получения жестких характеристик, необходимых для регулирования скорости, и мягких характеристик, требуемых для ограничения тока и момента, то есть для регулирования координат, применяются ОС по току и скорости.
В схеме с нелинейными ОС для обеспечения не линейности цепей ОС используются узел тока ограничения(УТО) и узел ограничения скорости (УСО).
График -есть
В зоне 1 в диапазоне токов от 0 до ωотс действует только ОС по скорости, обеспечивая жестки характеристики. В зоне 2 при Iя>Iотс вступает в действие ОС по току и характеристика становится мягкой. При дальнейшем увеличении тока и падении скорости ниже скорости отсечки, перестает действовать ОС по скорости, а за счет действия ОС по току характеристика становиться еще мягче.
Зона 3, таким образом, обеспечивает ограничение по току и моменту.
После формирования требуемых статических характеристик может оказаться, что динамические характеристики не приемлемы, т.к. движение переходных процессов может оказаться не устойчивым. В этом случае требуется коррекция законов управления, т.е. использование корректирующих устройств, позволяющих изменить характеристики электропривода.
Замкнутые электроприводы с подчиненным регулированием координат
Это система с последовательным включением контуров регулирования, число которых должно быть равно числу регулируемых величин. На вход каждого регулятора подается сигнал с предыдущего каскада, соответствующий заданному уровню регулируемой величины, и сигнал с выхода, соответствующий отработанному уровню. Каждый предыдущий каскад является задающим для последующего. Контур регулирования строится так, чтобы иметь одну большую постоянную времени, в этом случае можно использовать однотипные регуляторы.
Структурная схема подчиненного регулирования
Техническая реализация управляющих устройств электропривода весьма разнообразна. Устройства управления по характеру преобразования сигнала делятся на аналоговые и дискретные. Для аналоговых устройств характерно использование функциональной зависимости между входным и выходным сигналами. При этому входной сигнал может принимать любые сигналы.
Аналоговые (управляемые выпрямители, преобразователи частоты)
Дискретный элемент может иметь 2 уровня выходного сигнала нулевой и максимальный, который появляется и исчезает при достижении входным сигналом определенного значения.
Дискретные(логические элементы, бесконтактные реле)
Схема ЭП с подчиненным регулированием координат
Система подчиненного регулирования состоит из 2х контуров контроля тока и скорости. Причем контур тока подчиняется контуру скорости. Эта подчиненность выражается в том, что заданное значение регулируемой переменной внутреннего контура, т.е. контура тока, определяется выходным сигналом с регулятора скорости. Каждый контур строится по принципу отклонения по ошибке, и имеет жесткую отрицательную ОС по регулируемой величине и свой регулятор.
Настройку контура приводят, таким образом, чтобы получить технически оптимальный переходной процесс, эта настройка получила название «на технически оптимум».
Технически оптимальным считается процесс, при котором время переходного процесса, при изменении регулируемой величины от 0 до установившегося значения, было бы минимально возможным при перерегулировании не превышающим 4-10% от допустимого значения:
Основным условием при выборе параметров регулятора является желаемый характер переходных процессов при регулировании координат. Из всех видов обычно выбирается график с затухающими колебаниями, который обеспечивает устойчивые переходные процессы при небольших длительностях, т.е. Δx=xmax-xуст , Δx=4,3% от установившегося значения, а время переходного процесса определяется
tпп=4,1Tп
где Тп – электромагнитная постоянная времени тиристорного преобразователя. Тп=0,01с - технический оптимум.
В цепь ОС регулятора скорости включены стабилитроны, в результате выходное напряжение регулятора скорости, являющимся задающим сигналом для контура тока, ограничивается, тем самым ток и момент двигателя не могут превзойти заданного уровня.
Особенностью механической характеристик системы подчиненного регулирования является наличие зоны 1 – вертикальный участок обеспечивающий ограничение тока и момента, жесткость механических характеристик на участке 2 в зависимости от соотношения 2х постоянных времени Тм (электромеханическая постоянная двигателя) и Тп (электромагнитная постоянная ТП)
График- есть
Ускорение электропривода будет зависеть от момента инерции и статического момента, при достижении заданной угловой скорости и сигнала ОС по скорости регулятор выйдет из зоны ограничения и будет уменьшать задающий сигнал на регулятор тока, т.е. Uзт, определяемый нагрузкой.
При перегрузке и стопорении резко снизится скорость, и электропривод будет работать с постоянным допустимым значением момента. Изменяя уровень ограничения Uзт, можно менять значения этого момента.
Ограничение тока двигателя при пуске и торможении в системе подчиненного регулирования обычно достигаются не ограничением выходного сигнала с регулятора скорости, а применением задатчика интенсивности по средствам, которого сигнал задания скорости изменяется не скачком, а линейно во времени до требуемого уровня.
Недостаток системы с подчиненным регулированием является уменьшение быстродействия системы по мере роста числа контуров регулирования, поэтому используются 3-4 последовательных контура.
В этих схемах используются и другой критерий настройки регуляторов на симметричный оптимум, который позволяет получить еще более жесткие характеристики на участке 2.
В этом случае переходной процесс характеризуется большим перерегулированием, достигающим Δx=55%. При этом регулятор скорости (РС) выполняется как ПИ-регулятор и время переходного процесса определяется значением:
tпп=15,5·Тп
Настройка регуляторов в системе подчиненного регулирования
Из ТАУ известно, что характер переходных процессов замкнутой системы определяется соотношением постоянных времени системы, и оптимальному переходному процессу соответствуют оптимальные постоянные времени. Математически это выражается определенным соотношением коэффициентов характеристического уравнения системы.
При этом переходной процесс в СУ по управляющему воздействию будет технически оптимальным. Заданная исходная система всегда обладает оптимальным соотношением постоянных времени, поэтому, используя коррекцию, нужно изменять постоянную времени системы, т.е. для настройки контура на технический оптимум подобрать такой тип регулятора с такими параметрами, чтобы получить характеристическое уравнение системы.
Рассмотрим, как проводится расчет настройки регулятора на примере контура регулирования тока якоря ДПТ в системе ТП-Д. Расчет производится для неподвижного якоря или при выключенном возбуждении.
В контуре тока имеются 2 инерционности, характеризуемые постоянными времени:
- электромагнитная постоянная времени якорной цепи.
Tп – постоянная времени, отражающая инерционность фазового управления выпрямителем, запаздывание преобразователя, инерционность датчика и регулятора.
Tп – некомпенсированная постоянная времени 0,004÷0,01с
Tп
Из параметров ПИ регулятора мы имеем:
Тогда передаточная функция регулятора тока:
где - коэффициент обратной связи по току, который определяется
При таком регулировании тока передаточная функция замкнутого контура:
Получилось характеристическое уравнение контура с оптимальным соотношением коэффициентом. Поэтому переходной процесс РТ при выборе настройки контура будет оптимальным.
Получается настройка контура тока сохранится и при вращающемся якоре, когда проявится влияние ЭДС двигателя. Так как электромеханическая постоянная времени - Тм во много раз больше электромагнитной постоянной времени - Тэ (Тм>2Тэ) и Тп (Тм>>Tп), это влияние на переходной процесс в контуре тока оказывается не существенным.
Произведем расчет настройки регулятора контура скорости. В этом случае регулятор выбираем П или ПИ.
П-регулятор выбирается при малом диапазоне регулирования скорости. Коэффициент усиления регулятора и его параметры при настройке на технический оптимум по управляющему воздействию определяется:
С=Сд·Ф – конструктивный коэффициент двигателя.
При этом характеристическое уравнение получается 3го порядка, а переходной процесс с большим перерегулированием и временем большим, чем в контуре тока.
Отношение статического падения угловой скорости в системе с П-регулятором к статическому падению угловой скорости в разомкнутой системе определяется, как:
При Тм скорости отсечки.
Если скорость скорости отсечки вентиль открывается, на выходе усилителя появляется сигнал ОС по скорости противоположный сигналу Uзм.
Uу=Uзм– Uoc=Uзм– jω
Из формулы видно, что при возрастании скорости, напряжение Uу будет уменьшаться, пропорционально ему будет уменьшаться сигнал Uв, соответственно меняется ток возбуждения и момент машины. Механические характеристики приобретают вид наклонных характеристик, а схема предусматривает регулировку 2х координат: скорости и момента.
Жесткость механических характеристик определяется общим коэффициентом усилителя.
Замкнутая система управления асинхронного электропривода, выполненного по системе ТРН-двигатель
В цепь статора включены по схеме встречно параллельного подключения в тиристоров VS1…VS6, управляющие электроды подсоединены к выходу СИФУ, задачей которого является сдвиг управляющих импульсов в зависимости от величины управляющего сигнала и распределении по тиристорам.
Сигнал управления определяется
Uy=(Uз-jω)Крс (1)
Uз – сигнал задания, формируемый RP1
ω – скорость вращения вала электрической машины, снимаемая тахогенератором
Крс – коэффициент промежуточного усилителя
В соответствии с уравнение (1) любое изменение скорости АД при изменении нагрузки вызовет изменение напряжения управления и в соответствии с этим меняется угол открывания тиристора.
Изменение задающего сигнала на потенциометре RP1 позволяет получить семейство жестких механических характеристик.
Допустим привод работает в точке 1 с моментом нагрузки Мс1, затем произошло увеличение статического момента до Мс2 в этом случае скорость начинает снижаться, что приведет к уменьшению ЭДС тахогенератора. Сигнал управления увеличивается, это приведет к уменьшению угла открывания тиристоров, а следователь увеличению напряжения на двигателе. Момент электрической машины начнет возрастать и в т.2 сравняется с Мс2.
Схема асинхронного электропривода с ТПН при наличии регуляторов скорости и тока
Схема - есть
Через трансформатор тока Та, Тв, Тс, реализована отрицательная обратная связь по току, с помощью потенциометра RP в схеме используется отсечка по току. Сигнал, формируемый на ТПН:
Uрт=Uрс-Uот
В данной схеме отрицательная обратная связь по току будет действовать, только при токе больше тока отсечки.
График-есть
Линия 1 отражает вид механической характеристики при токе отсечки Iотс=const, пусковой момент Мпо меньше пускового момента для естественной характеристики Мпе. Напряжение смещения СИФУ задает угол α, при котором обеспечивается минимальное выходное напряжение ТПН и момент пуска АД в режиме холостого хода.
Структурная схема для АД
Схема- есть
ТПН как динамический объект может быть представлен инерционным звеном с коэффициентом передачи kтп и постоянной времени Ттп, связанный с дискретностью фазового управления ТП.
АД, без учета влияния электромагнитных переходных процессов в цепях статора и ротора, и изменения напряжения питания статора, остается нелинейным динамическим объектом поскольку его электромагнитный момент зависит и от напряжения питания и от скорости двигателя, т.е. электромагнитный момент М=f(U,ω) – функция от напряжения и скорости, и в двигателе представляется звеньями.
ku – коэффициент чувствительности момента АД к напряжению питания статора, изменяемого с помощью ТПН.
kω – коэффициент изменения момента двигателя при отклонении его скорости.
- передаточная функция механической части машины.
Отстройка регулятора скорости осуществляется по пропорционально интегральной основе (ПИ). При настройке на технический оптимум Ттп<<Тм. При этом постоянная времени РС и коэффициент пропорциональной времени определяются:
(формула правильная?)
где - коэффициент двигателя.
Частотное регулирование скорости АД
Частотное регулирование скорости АД является наиболее экономичным и потому рассматривается, как перспективный способ.
Суть регулировки скорости заключается в изменении частоты питания статора АД. Экономичность частотного регулирования объясняется тем, что не изменяется величина скольжения. Полное использование электрической машины осуществляется, если она работает с номинальным магнитным потоком. В свою очередь магнитный поток определяется геометрическими размерами и физическими свойствами магнитной цепи. Магнитный поток создается током намагничивания контура, который пропорционален величине ЭДС.
(2)
Из этой формулы видно, что для полного использования двигателя, на ряду с изменением частоты питания, необходимо пропорционально изменять ЭДС.
Воздействовать на двигатель можно только при изменении напряжения. Для того, чтобы сохранить перегрузочную способность машины, необходимо соблюдать:
(1)
Индекс «1» означает параметр статора
Индекс «2» - параметр ротора.
Из (1) => для любой частоты должно соблюдаться напряжение.
1925г. – Костенко вывел основной закон изменения напряжения при частотном регулировании скорости.
Если 7
(3)
Механические характеристики АД при регулировании по закону (2) могут быть получены ниже от номинальной частоты. При частотах выше номинальных тяжело сохранить закон (3), т.к. напряжение на двигателе не может быть выше номинального.
Преобразователи частоты (ПЧ)
Практически все ПЧ строятся на основе полупроводниковых элементов (транзисторы, тиристоры) и они получили название статического ПЧ, которые делятся на:
-с непосредственной связью питающей сети и нагрузкой (непосредственные ПЧ или циклоконвертеры);
-ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока.
ПЧ со звеном постоянного тока состоит из управляемого выпрямителя (УВ), автономного инвертора (АИ), фильтра(Ф).
УВ и АИ имеют системы управления.
ПЧ служит для преобразования напряжения и частоты сети. Амплитуда напряжения регулируется СУВ, а частота – СУИ. В зависимости от схемы фильтра автономный инвертор бывает инвертором напряжения (АИН) или тока (АИТ). АИН является источником напряжения, для чего фильтр кроме индуктивности содержит относительно большую емкость. (С=2..5·103 мкФ)
Это обеспечивает АИН жесткую характеристику, т.е. зависимость напряжения от нагрузки.
АИТ в звене постоянного тока имеет реактор с большой индуктивностью, это делает такой инвертор источником тока.
Фильтр для АИН: Фильтр для АИТ:
Использование фазного напряжения на двигателе приводит к тому, что создаются пульсирующие моменты, что сказывается на работе привода.
При 2х ступенчатой коммутации управляемого выпрямителя, возможно регулировать напряжение инвертора, за счет изменения времени проходящего состояния тиристоров. Это дает возможность вместо управляемого выпрямителя применять не управляемый, выполненного на 6-ти диодах. При регулировании внутри инвертора для уменьшения высших гармоник выходного напряжения используется широтно-импульсный модулятор (ШИМ), в котором изменяется ширина импульсов, по определенному закону.
ШИМ – когда кривая напряжения состоит из некоторых импульсов одинаковой ширины,
tk – время включенного состояния тиристора, не изменяется в течении некоторого интервала времени.
Реальные ПЧ, построенные по принципу ШИМ, имеют напряжение, состоящее из 50-ти и более импульсов на полупериоде. На нижнем пределе частоты, при повышении частоты до номинального значения, количество импульсов уменьшается. ШИМ позволяет не только регулировать напряжение, но и улучшить его гармонический состав.
Регулирование напряжения возможно и на входе инвертора, в этом случае используется не управляемый выпрямитель, а между выпрямителем и инвертором включается коммутатор – широтно-импульсный преобразователь. При этом регулируется среднее значение напряжения на входе автономного инвертора напряжения, а, следовательно, напряжение на двигателе. Частота коммутации ШИП достаточно высока, что позволяет уменьшить габариты фильтра. Задача СИФУ – сдвиг управляющих импульсов на тиристорах.
Схема статического преобразователя частоты с ШИП на входе инвертора
Достоинством СПЧ с ШИМ и ШИП является возможность работы от нерегулируемого источника постоянного тока.
Замкнутый ЭП с частотным управлением
В качестве силового преобразователя используется тиристорный ПЧ, состоящий из УВ, АИН со своими схемами управления СУВ и СУИ, между ними включен фильтр, обеспечивающий фильтрацию выходного напряжения и необходимую циркуляцию реактивной энергии в силовой части схемы.
Схема управления строится по принципу подчиненного регулирования имеет 2 контура:
1.Внутренний – тока
2.Внешний – напряжения
Регулирование этих координат осуществляется ПИ-регуляторами тока и напряжения по сигналу управления ДТ и ДН. При частотах ниже номинальной схема управления поддерживает отношение напряжения к частоте – постоянной, а при частотах выше номинальной напряжения остается неизменным, что обеспечивается усилителем–ограничителем (УО).
ПЧ позволяют изменять частоту от 50 до 80 Гц при номинальной частоте 50Гц и от 15 до 240 Гц при номинальной частоте 200Гц. Диапазон изменения напряжения от 0 до 350 Гц.
Схему можно сделать реверсивной с рекуперативным торможением. В этом случае в схему добавляется ведомый сетью инвертор.
Импульсное регулирование скорости двигателя
Регулировать скорости на якоре двигателя можно импульсным методом, когда двигатель периодически подключается к источнику питания, а затем отключается. В период отключения ЭП продолжает работать за счет запасенной кинетической электромагнитной энергии.
Импульсное регулирование осуществляется с помощью управляемых полупроводников, выполненных в виде полупроводниковых ключей любого типа. Основной показатель работы ключа – её заполнение (скважность работы), определяемое отношением времени замкнутого состояния к периодам коммутации.
to – время разомкнутого состояния ключа
t3 – время замкнутого состояния ключа
Существует 2 способа управления ключом: широтно-импульсная и частотно-импульсная модуляции.
При широтно-импульсной – период коммутации остается постоянной, а изменяется время замкнутого состояния, т.е. изменяется ширина импульсов. При частотно-импульсной модуляции время t3 не изменяется, а меняется период коммутации.
Импульсный способ используется и для АД, сущность которого заключается в периодическом изменении параметров цепей АД или питающих сетей. Применительно к АД чаще всего изменяется импульсное напряжение или сопротивление резисторов в цепях статора или ротора, при этом изменяется величина тока и момента.
При j=1 двигатель работает на естественной характеристике, т.е. ключ К - замкнут, при j=0 двигатель работает на реостатной характеристике, соответствующей постоянно включенному резистору в цепь статора, при этом ключ К - размокнут. Допустимый момент АД со снижением угловой скорости резко падает, т.к. значительно возрастают потери электрической энергии в роторе и выделяется эта энергия внутри машины.
Схема график- есть
Двигатели с принудительной вентиляцией по мере увеличения скольжения нужно уменьшать момент нагрузки, чтобы потери электрической машины не превышали номинальные.
Такой способ регулировки используется для двигателей малой мощности или при кратковременном режиме работы. Диапазон регулирования скорости – не большой (1,5..2).
Лучше использовать импульсное регулирование скорости, когда применяется двигатель с фазным ротором. В этом случае дополнительные потери мощности выделяются на добавочных резисторах в не электрической машины. Поэтому допустимый момент для двигателя оказывается равный номинальному.
Дополнительный резистор включен в роторную цепь и периодически включается и выключается в помощью ключа К. Когда К – замкнут, j=1 двигатель работает на естественной характеристике. Когда j=0 двигатель работает на реостатной характеристике.
Рабочая зона при импульсном регулировании находится между 2мя крайними характеристиками, при этом эквивалентное сопротивление определяется, как
Rэ=(1-j)R
Для улучшений показателей регулирования координат АД импульсным способом используются замкнутые системы управления.
Замкнутая система импульсного регулирования скорости асинхронного ЭП
В роторную цепь АД включен не управляемый трехфазный выпрямитель к выходу, которого подключен резистор R2д, параллельно резистору подключен ключ, действия которого основано на тиристорном управлении, управление которого ведет ШИМ, на вход которого подается сигнал задания Uз,с и сигнал отрицательной ОС по скорости.
При поступлении на вход ШИМ положительного сигнала, определяемого Uз,с-Uoc, он начинает генерировать импульсы управления. Эти импульсы с помощью системы управления ключом (СУК) подается на тиристоры ключа и происходит включение и закорачивание резистора в цепи ротора.
UЗС4
Rэ=(1-j)R2д
Пусть по каким либо причинам произойдет увеличение момента нагрузки, в результате чего начнет снижаться угловая скорость, сигнал управления возрастет, что вызовет заполнение ключа К и тем саамы уменьшение эквивалентного сопротивления в цепи ротора. Это приведет к возрастанию тока ротора и момента двигателя и прекращение снижения скорости.
Основная область применения ЭП такого типа: механизмы подъема, передвижения, поворота крановых установок.
Адаптивное управление в ЭП
Процессы механообработки подвержены внутренним и внешним параметрическим возмущениям. Одним из эффективных подходов построения СУ является реализация их в классе адаптивных систем. В станках, работающих по заранее заданной программе, невозможно учесть изменение твердости заготовки, износа инструмента, изменение параметров привода, подачи и других трудно учитываемых факторов, а значит соста7вление программы не всегда может обеспечить необходимый режим обработки и качество изделия. Т.е. в условиях не полной априорной информации о возмущающих воздействиях и свойствах объекта управления задача управления ЭП усложняется.
Процесс получении и использования дополнительной информации в ходе функционирования СУ получило название адаптации, а СУ соответственно адаптивная.
Адаптивная СУ автоматически осуществляет выбор оптимального режима обработка и поддерживает необходимую коррекцию геометрических размеров изделий.
Адаптивная СУ должна обеспечивать минимальные затраты за счет единицы объема, осуществляя непрерывный поиск по оптимальному нахождению величин, определяющих высокое качество обработки с целью получения соответствующей производительности.
В адаптивной СУ механорежущими станками должны учитываться следующие силовые ограничения:
-усиление резания и мощности (усиления резания и стойкости режущего инструмента)
-мощность при предельной подаче (предельная подача и оптимальная стойкость инструмента)
В общем случае адаптивная СУ состоит из 2х частей:
1) основная СУ, образованная контуром устройства управления (УУ), объектом управления и обратной связью;
2) устройство управления автоматической адаптацией.
Схема
Основная СУ решает задачи в соответствии со своим назначением (стабилизация скорости, слежение, программное управление).
Контур (устройство) адаптации осуществляет настройку основного контура, изменяя его параметры или структуру с целью обеспечения необходимого качества процессов управления при изменяющихся условиях работы.
Для контура адаптации основной контур является объектом управления. Контур адаптации – 2-й уровень управления.
АСУ ЭП могут иметь различные виды управления:
1) стабилизирующее управление, т.е. управление с целью поддержания постоянства управляющей координаты.
2) программное управление, т.е. управление с целью изменения управляемой координаты по закону, определенному заранее или заданной программе.
3) следящее управление, т.е. управление с целью изменения управляемой координаты по заранее известному закону.
Система стабилизации: система стабилизации скорости.
Следящая система представляет собой систему регулирования положения ЭП.
Программные СУ обычно управляют положением исполнительного органа, который должен изменяется по заданной программе.
Наиболее распространены ЧПУ. Однако применяются системы, обеспечивающие движение инструмента, повторяя форму модели.
Адаптивные СУ по способу организации процесса адаптации могут быть поисковыми и без поисковыми, т.е. с автоматическим поиском оптимальной работы и без него.
Адаптивные СУ делятся:
1.Самонастраивающиеся, в которых на основе динамических характеристик объектов или системы и информации о параметрах внешних воздействий, получаемых в процессе работы, осуществляется изменение параметров регуляторов.
2.Самоогранизующиеся, в которых на основе текущий информации о состоянии объекта формируется алгоритм управления и изменяются не только параметры регуляторов, но и их структура.
Следящий ЭП
Следящий ЭП – это ЭП, который обеспечивает с заданной точностью движение исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно меняющимся входным сигналом управления.
Этот сигнал может изменятся по произвольному временному закону и может быть механическим, электрическим. Чаще всего входной сигнал представляет собой скорость или угол поворота оси или вала задающего устройства.
Следящий электропривод используется в спутниковой связи, металлообрабатывающих станках, для привода роботов, манипуляторов, в автоматических электрических устройствах.
Следящий электропривод по способу действия СУ:
следящий электропривод с релейным или прерывистым управлением;
с непрерывным управлением.
Следящий электропривод с релейным управлением отличается тем, что напряжение на исполнительный двигатель подается только в том случае, когда угол рассогласования достигает определенного значения. В процессе рассогласования при возрастании угла до необходимого значения – двигатель неподвижен. Угловая скорость и ускорение двигателя после его включения не зависит от угла рассогласования, а определяется параметрами самого двигателя.
В следящем электроприводе прерывистого действия обычно используются релейно-контактные аппараты или безконтактные устройства с релейной характеристикой. Поэтому электропривод такого типа получил название релейный. Отличительной особенностью следящего электропривода непрерывного действия является непрерывное управление исполнительным двигателем зависящем от угла рассогласования.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к электроприводу в отношении точности обработки угла поворота, статической устойчивости работы, времени переходного процесса следящий электропривод выполняют с обратной связями, которые обеспечивают управление функции угла рассогласования и его производной, по углу рассогласования и интегралу этого угла и т.п.
Для схем управления следящего электропривода используется различного рода усилители:
1)электромашинные;
2)магнитные ;
3)полупроводниковые;
4)гидравлические;
5)сочетание усилителей.
По конструктивному соотношению следящий электропривод непрерывного управления, обеспечивающий высокую точность обработки, является более сложным относительно привода релейного действия.
Основные технические требования следящего электропривода:
высокая точность обработки сигнала;
устойчивая работа привода во всем диапазоне скоростей;
малое время переходного процесса;
простота, надежность эксплуатации.
Следящий электропривод непрерывного управления
СД (сельсин датчик), СП (сельсин приемник), составляющий измеритель рассогласования, работающих в трансформаторном режиме; усилитель 3 трансформатора двигателя связанного с
Литература:
1. М.П.Белов «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов» 2004г.
2. М.Г.Чиликин «Общий курс электропривода» 1981г.
3. «Система автоматического управления электроприводом» под редакцией Ю.М.Петренко 2004г.
4. В.В. Москаленко «Электропривод» 2004г.
5. В.Н.Тереков «Системы управления электроприводов» 2005г.
6. Н.Г. Чикуров «Алгоритмическое и программное обеспечение компьютерных систем управления» 2008г.
Структурная схема автоматизированного электропривода
Структурная схема автоматизированного электропривода состоит из 3х частей:
Механическая часть
Электродвигатель
Система управления
Механическая часть – рабочий механизм, преобразующее устройство.
Электродвигатель предназначен для преобразования электрической энергии в механическую и может быть представлен 2-мя элементами: электромеханическим преобразователем (ЭМП) и ротором двигателя, на который действует вращающий момент при определенной угловой скорости.
Система управления состоит из силового преобразователя (П). управляющего устройства (УУ), задающего устройства (ЗУ) и датчиков обратной связи: электрического (ДЭ) и механического (ДМ).
Электропривод можно разделить на 3 вида:
1.Индивидуальный
2.Групповой
3.Взаимосвязанный
Групповой электропривод обеспечивает движение исполнительных органов нескольких машин. Передача основной энергии осуществляется с помощью трансмиссии.
Взаимосвязанный содержит два или несколько двигателей при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей.
Системы управления бывают: разомкнутые и замкнутые.
Разомкнутые системы отличаются тем, что изменение возмущающих воздействий приводит к изменению заданных режимов.
Замкнутые системы не зависимо от возмущающих воздействий может поддерживаться заданный режим, во время переходных процессов может быть обеспечено непрерывное движение тока, момента, скорости по заданному закону.
Замкнутые системы – система, которая создается для регулирования и поддержания скорости двигателя, мощности и оптимальных переходных процессов.
До последнего времени замкнутые системы строились на основе ЭМП, но из-за громоздкости, отсутствия точности регулирования эти устройства заменили на устройства, основанные на полупроводниковой технике, их техническая реализация осуществляется на применении системы управления «преобразователь - двигатель» (Г-Д, ТП-Д, ШИП-Д)
СУ электропривода в замкнутых системах имеет обратную связь, под действием статической нагрузки (Мс) скорость двигателя изменяется и для поддержания её в заданных пределах её нужно измерять и при отклонениях регулировать.
Большинство замкнутых систем строятся по принципу отклонения.
Обратная связь:
положительная (сигнал направлен согласно задающим сигналам),
отрицательная (сигнал направлен встречно задающему сигналу),
жесткая (действует, как в установившемся режиме, так и в переходных режимах),
гибкая (сигнал вырабатывается, только в переходных режимах и служит для обеспечения требуемого качества),
линейная (характеризуется пропорциональной зависимостью между регулируемой координатой и сигналом обратной связью),
нелинейная (зависимость между координатой и сигналом обратной связи не пропорциональна).
Замкнутые системы выполняются:
с одним общим суммирующим усилителем;
с последовательными суммирующими усилителями;
Для вращательных движений уравнение движения электропривода:
I – момент инерции
M – момент силы двигателя
Мс – статический момент
Для поступательных движений уравнение движения электропривода:
Управляемыми в электроприводах являются электрические и механические координаты: ток, напряжения, ЭДС, момент, скорость, перемещение и т.д.
Защиты в схемах управления ЭП
Защита необходима для предотвращения аварии электрооборудования и устранения дальнейшего развития возникшего повреждения. Устройство защиты устанавливается как в силовых цепях, так и в цепях управления.
Основные виды защит:
1 защита от токов короткого замыкания
2 МТЗ - максимальная токовая защита (даже при кратковременном превышении тока)
3 защита двигателя от перегрузки сети
4 нулевая защита от самозапуска
5 защита от обрыва цепи обмоток возбуждения
6 защита от перенапряжения возникающая в эл. цепях
7 защита синусоидальных двигателей от выпадения из синхронизма.
Защита от токов короткого замыкания- предотвращает развитие повреждения вызванная током в силовой цепи и цепи управления. Защита осуществляется автоматическими выключателями, предохранителями.
Автоматический выключатель устанавливается на вводе электрической цепи и применяется в цепях 3-х фазного и однофазного токов.
Защита предохранителями 3-х фазной силовой цепи имеет недостаток т.к. при перегревании 1-ой из плавких вставок двигатель будет работать на 2-х фазах это ведет к перегреву двигателя. В этом случае в сочетании с предохранителями в схему включают специальное реле контролирующие обрыв фаз и подающий команду на отключение двигателя.
РОФ- реле обрыва фаз это реле напряжения включенное между нейтралью обмотки статора и заземленное нулевым проводом. При 3-х фазном режиме работы двигателя, напряжение на катушке реле равно 0. При обрыве или отсутствии одной фазы на обмотке статора между нейтралью и нулевым проводом становится достаточным для срабатывания реле, напряжение должно быть 10-30% от номинального фазного напряжения сети.
Защита двигателя от перегрузки
В этом случае в цепь 3-х фазного двигателя включается два однополюсных или одно двухфазное тепловое реле. Тепловое реле включают в цепь непосредственно, либо через трансформатор тока, а его контакты включены в цепь управления.
При наличии тока возбуждения контакт реле РОП замкнут и через него получает цепь управления. В случае обрыва цепи возбуждения РОП обеспечивается отключается двигатель. РОП имеет небольшую выдержку при случайных кратковременных колебаниях тока возбуждения
.
Защита от перенапряжения на ОВ
Требуется при отключении обмотки от источника питания. В этом случае в следствии быстрого спада тока возбуждения а значит и магнитного потока возникает значительное ЭДС самоиндукции. Которая может вызвать пробой изоляции. Защита осуществляется разрядным резистором включенным параллельно обмотки возбуждения его сопротивление выбирается (4-5 раз) Rов при напряжении питания 220В и (6-8) Rов при напряжении 110В.
Для устранения потерь энергии в разрядном резисторе последовательно с ним включается диод он не пропускает ток через резистор при включении ОВ, но позволяет протекать току под действующее значение ЭДС самоиндукции при отключении ОВ.
Защита выпадения СД из синхронизма этот вид защиты выполняется на реле минимального напряжения и контактора форсировки возбуждения.
Катушка реле РН включается на меньшее напряжение сети и держит размыкающие контакты в цепи управления разомкнутым при резком изменении нагрузки на валу двигателя или по другим причинам. Напряжение в сети уменьшается до недопустимого значения чтобы сохранить перегрузочную способность двигателя необходимо увеличить его возбуждение это осуществляется контактором КФ, шунтирующим сопротивлением цепи ОВв. Напряжение возбуждения увеличивается возрастает ток возбуждения двигателя и его максимальный момент двигатель удерживает в синхронизме.
Электрические блокировки служат для обеспечения заданной последовательности операций при управлении предотвращая внештатные и аварийные ситуации и неправильные действия оператора. Повышая надежность работы ЭП и технологического оборудования.
При работе 2-х контакторов перекрестное включение размыкающих контактов в цепи катушек не допускает включения одного контактора при включении другого такой вид защиты используют в реверсивном ЭП. Для блокировки ЭП в случае чрезмерного разворота механизма используют путевой выключатель.
Разомкнутые системы управления
К ним относятся схемы без использования обратной связи. Они отличаются простотой реализации и используются там, где не требуется высокое качество управления. Они осуществляют управление ЭП, защиту питающей сети и технологического оборудования. Для этого в них содержатся соответствующие устройства, находящиеся в во взаимоотношении с устройствами управления двигателя.
Разомкнутые системы строятся в функции тока, в функции времени, в функции ЭДС.
Типовая схема пуска двигателя постоянного тока с независимым управлением в функции времени
При подключении схемы к источнику питания происходит возбуждение двигателя, и срабатывает реле времени КТ, размыкая свой контакт в цепи контактора КМ2.
Пуск осуществляется кнопкой SB1: получает питание контактор КМ1, который своим главным контактом подключает ДПТ к сети, который начинает разбег с дополнительным сопротивлением Rд в цепи якоря. Одновременно замыкается блок-контакт КМ1, шунтируя пусковую кнопку. Размыкающий контакт КМ1 обесточивает РВ КТ, которое через промежуток времени замыкает свой контакт в цепи контактора КМ2, что приводит к к срабатыванию контакта КМ2 в силовой цепи двигателя. Rд шунтируется – двигатель выходит на рабочую характеристику.
Типовая схема пуска ДПТ в две ступени функции ЭДС и динамического торможения функции времени
В качестве датчика скорости по ЭДС используется якорь двигателя, к которой подключены катушки контакторов ускорения КМ1 и КМ2. С помощью Rд1, Rд2 контакторы настраиваются на определенную скорость.
Для осуществления торможения используется резистор Rд3, который подключается контактором КМ3.
Пуск осуществляется кнопкой SB1, получает питание контактор КМ, подключающий ДПТ к источнику питания, который начинает разбег с подключенными Rд1, Rд2. По мере набора скорости растет ЭДС, получает питание контактор КМ1, который шунтирует первую ступень реостата – двигатель выходит на вторую механическую характеристику. Аналогичным способом отключается вторая ступень при достижении соответствующей скорости – двигатель выходит на естественную характеристику.
Для осуществления динамического торможения нажимаем кнопку SB2. КМ теряет питание, размыкая контакт в силовой цепи. КМ в цепи КМ3 замыкается, а контакт КМ в цепи реле времени размыкается. Обесточенное КТ, через промежуток времени размыкает свой контакт в цепи КМ3. времени достаточно для запитки КМ3, которое подключает Rд3. двигатель начинает тормозить.
Типовая схема пуска ДПТ НВ в одну ступень в функции ЭДС и динамического торможения в функции времени
Типовая схема пуска ДПТ НВ в одну ступень функции времени и динамическое торможение функции ЭДС
Типовая схема пуска ДПТ последовательного возбуждения функции тока
Зависимость момента двигателя от величины силы тока якоря.
При возрастании нагрузки на двигателе – Mс, ток якоря увеличивается.
В схеме используется реле тока, которое настраивается так, чтобы ток отпускания соответствовал определенному значению и блокировочное реле KV с временем срабатывания больше, чем у KA.
При нажатии пусковой кнопки SB2 получает питание контактор К1 и замыкает главный контакт в силовой цепи. Бросок тока в силовой цепи вызывает срабатывание реле тока КА, которая размыкает контакт в цепи контактора К2, через некоторое время срабатывает реле KV и замыкает свой контакт в цепи контактора К2.
По мере разгона двигателя ток в цепи якоря снижается до тока переключения, это приводит к отключению КА, который замыкает свой контакт в цепи контактора К2, последний срабатывает и шунтирует пусковое сопротивление Rп , двигатель выходит на естественную характеристику.
Типовые узлы и схемы управления электроприводов с асинхронными двигателями
Схема пуска АД с короткозамкнутым ротором
- величина скольжения АД.
- частота вращения магнитного поля
- частота вращения ротора
Реверсивная схема управления с короткозамкнутым ротором
Схема предусматривает реверсирование машины с чередованием 2х фаз А и С.
Для реверса используются контакторы К1 и К2.
В схеме предусмотрены защиты:
1)нулевая (блок контактами К1 и К2, установленные параллельно кнопкам пуска)
2)взаимная блокировка (блок контактами К1 и К2, установленными последовательно цепи контакторов К1 и К2)
3)тепловая зашита (тепловые реле КК1 и КК2)
Схема управления АД с короткозамкнутым ротором с торможением двигателя в динамическом режиме
Для пуска используется контактор КМ, при получении питания которым замыкается контакт КМ в цепи реле времени КТ. Катушка КТ получает питание и замыкает контакт в цепи контактора КМ1, КМ1 не срабатывает, т.к. размыкающий контакт КМ разомкнут. В цепи управление произведена подготовка на режим динамического торможения. При нажатии SB2 теряет питание контактор КМ, который отключает двигатель от цепи переменного тока при этом замывается контакт КМ в цепи контактора КМ1, КМ1 получает питание и замыкает свой контакт КМ1, подключая 2 фазы статорной обмотки двигателя к источнику постоянного тока через тормозное сопротивление Rт. В статоре машины наводится неподвижное в пространстве электромагнитное поле, в котором тормозит ротор машины. Через промежуток времени контакт КТ размыкается в цепи контактора КМ1 и схема приходит в исходное состояние.
Защиты:
1)нулевая (блок контакта КМ)
2)блокировка (контакт КМ1 в цепи контактора КМ)
3)тепловая защита (КК тепловые реле)
4)защита от токов КЗ (предохранители FA)
Схема управления двухскоростным АД
Схема предусматривает получение 2х скоростей соединением секций обмоток статора в треугольник или двойную звезду и реверсирование.
Защита осуществляется тепловыми реле КК1 и КК2 и предохранителями FA.
Для запуска электрической машины на малой скорости необходимо нажать кнопку SB4, после чего срабатывает КМ2 и блокировочное реле КV. Статор двигателя переключается на схему треугольник, а реле КV подключает катушку контакторов КМ3, КМ4 подготавливая их к работе.
При нажатии SB1 получает питание контактор КМ3, что определяет направление вращения двигателя: «вперед». Разгон двигателя до высокой скорости осуществляется при нажатии SB5, который отключает контактор КМ2 и включает контактор КМ1, обеспечивая переключение секций обмоток на схему двойной звезды.
Схема управления АД с фазным ротор при пуске в одну ступень и торможении противовключением
Схема предусматривает защиты от токов короткого замыкания автоматическим выключателем QF, в цепи управления предохранителем FA и тепловую автоматическим выключателем QF.
После подачи напряжения происходит включение реле КТ, которая своим размыкающим контактом разрывает цепь питания контактора КМ3. При нажатии SB1 получает питание контактор КМ1, статор подключается к сети, электромагнитный тормоз растормаживается и начинается разгон двигателя. Включение КМ1 приводит к срабатыванию КМ4, который своими контактами шунтирует не нужный при пуске резистор противовключения Rдг, а также разрывает цепь катушки реле времени КТ.
КТ, потеряв питание, начинает отсчет выдержки времени, после чего замыкает свой контакт в цепи контактора КМ3, который срабатывает и шунтирует пусковой резистор Rд1 в цепи ротора; двигатель выходит на естественную характеристику.
Управление торможением обеспечивает реле KV, которое контролирует ЭДС ротора, с помощью резистора оно регулируется на режим торможения.
Нажимая SB2, теряет питание контактор КМ1 и отключает двигатель от сети. При этом теряет питание КМ4 и получает питание реле времени КТ, т.е контакторы КМ3 и КМ4 отключаются и в цепь ротора вводятся сопротивления Rд1 и Rд2.
При нажатии SB2 получает питание KM2, который подключает статор АД к сети с чередованием фаз, т.е. двигатель переходит в режим противовключения. При этом срабатывает КV, который обеспечивает питание КМ2 через замыкающий контакт KV.
При снижении ЭДС машины KV отключается и размыкает свой контакт, отключая контактор КМ2.
Тормоз УВ обеспечивает фиксацию вала двигателя, схема приходи в исходное положение.
Схема управления возбуждением СД построенные в функции скорости
Подключение обмотки возбуждения к источнику питания осуществляется КМ2, который управляется реле скорости KR, катушка этого реле связана с частью разрядного резистора через диод.
При получении питания КМ1 обмотка статора подключается к сети, начинается разгон электрической машины, а также нарастание ЭДС в обмотке возбуждения.
При нарастании ЭДС по катушке реле KR начинает протекать выпрямленный ток, оно включается и размыкает цепь питания контактора КМ2, т.е. разгон двигателя начинается с закороченной обмоткой возбуждения на разрядный резистор (Rp).
По мере ЭДС возрастает ток, катушка KR обесточивается и происходит замыкание контакта KR в цепи контактора КМ2, который подключает ОВ к источнику постоянного тока и отключает разрядный резистор. В этот момент происходит синхронизация скорости машины.
Схема управления возбуждения СД простроенная в функции тока
Реле тока контролирует бросок тока при пуске машины и замыкает свой контакт в цепи реле времени, вызывая отключение контактора КМ2, т.е. разгон машины осуществляется при закороченной обмотке возбуждения на разрядный резистор. При снижении токов в статорной цепи реле КА отключается и размыкает свой контакт в цепи реле времени КТ, КТ теряет питание и замыкает свой контакт в цепи контактора КМ2, который подключает ОВ к источнику постоянного тока.
Замкнутые системы управления электроприводами
Элементы и устройства замкнутой системы
Для получения задающих сигналов, измерения основного и дополнительных параметров, образования сигнала в замкнутых СУ служат соответствующие элементы и устройства, их можно разделить на:
усилители сигналов;
управляющие и формирующие элементы;
датчики и измерительные схемы;
командные и задающие элементы.
Усилители служат для увеличения мощности сигналов в СУ. Они могут быть электронными, электромашинными, магнитными и в замкнутых системах используются для надежной и стабильной работы.
Регуляторы
Регулятор – активное корректирующее устройство.
Пропорциональный П-регулятор
Сигнал на выходе пропорционален сигналу на входе.
;
Интегральный И-регулятор
;
.
Пропорционально-интегральный ПИ-регулятор
;
Дифференциальный Д-регулятор
;
Пропорционально-дифференциальный ПД-регулятор
;
Пропорционально-интегрально-дифференциальный ПИД-регулятор
;
Управляющие и формирующие элементы
Эти элементы необходимы для формирования требуемых законов управления, к ним относятся пассивные и активные корректирующие элементы, функциональные преобразователи и вычислительные устройства. Введение этих элементов в схему АУ, позволяет сделать её стабильно работающей. Для улучшения показателей качества работы САР выполняют коррекцию, которая заключается в изменении параметров (коэффициента усиления, постоянных времени) или структуры системы.
Основными показателями качества являются точность и устойчивость. Простейший способ повышения точности является увеличение коэффициента усиления и введение интегрирующего звена. Корректирующий элемент включают в прямую цепь (последовательная коррекция) или вводят в дополнительную обратную связь (параллельная коррекция). Наиболее часто используется последовательно включаемые корректирующие элементы, выполняющие операции интегрирования и дифференцирования. Включение интегрирующего звена улучшает динамику работы системы, позволяет быстро реагировать на резкие изменения входных сигналов и возмущающих воздействий.
В качестве пассивных корректирующих устройств обычно используют активно емкостные контуры, стабилизирующие трансформаторы, эти элементы формирую сигнал только в переходных режимах.
Дифференцирующий элемент форсирует переходной процесс, т.к. напряжение, поступающее в регулирующее устройство в начальный момент времени, изменяя входной сигнал по мере заряда конденсатора, снижается по закону экспоненты.
а) дифференцирующее звено
Интегрирующий элемент замедляет переходные процессы, что объясняется постепенным нарастанием выходного напряжения в зависимости от начального.
б) интегрирующее звено
Датчики
Датчики преобразуют управляемую координату в электрический сигнал, использующийся как сигнал обратной связи (ОС).
Датчик – устройство, информирующее о состоянии управляемой координаты электропривода, путем взаимодействия с ней и преобразуя реакцию в электрический сигнал.
Датчики напряжения выполняются на основе потенциометра, коэффициент ОС определяется положением движка потенциометра.
a)двигатель постоянного тока
б) двигатель переменного тока
Для получения сигнала ОС по напряжению в двигателе переменного тока используют трансформаторы.
Датчики ЭДС. При не высоких требованиях диапазона регулирования скорости (Д=50) в качестве ОС применяются ОС по ЭДС.
Функциональная схема датчика ЭДС.
Для измерения напряжения используется делитель напряжения на R1, R2 и C1 с выходным напряжением определяемым, как
L1, L2 - сглаживающие дроссели.
Для измерения тока может использоваться L2.
Датчик тока предназначен для получения информации о силе и направлении тока в электроприводе и к ним предъявляются следующие требования:
1)линейность характеристики управления
2)наличие гальванической развязки в силовой цепи в системе управления
3) высокое быстродействие
В качестве измерителей тока используется трансформатор тока, дополнительное и компенсационное обмотки, сглаживающий дросселей, датчики Холла и шунт.
Датчик тока на основе трансформатора тока используется в автоматизированном электроприводе для измерения тока двигателя при питании их от симметричных мостовых схем, однофазных и трехфазных выпрямителей.
Для однофазного выпрямителя используется один трансформатор тока.
Для трехфазного – 3 трансформатора тока.
Коэффициент передачи датчика тока определяется, как
- ток якорной цепи.
Широкое применение получили шунты – это четырех зажимный резистор с активным сопротивлением. К токовым зажимам подключается токовая часть, а к потенциальным – измерения.
По закону Ома падение напряжения на сопротивлении шунта:
Т.к. шунт имеет связь с силовой цепью, датчик тока должен содержать устройство гальванической развязки. В качестве таких устройств применяются трансформаторные и оптоэлектронные устройства. Коэффициент передачи для датчика тока определяется:
- коэффициент гальванической развязки и коэффициент усилителя.
В датчиках скорости используются тахогенератор и импульсные датчики скорости. Тахогенераторы используются в аналоговых схемах, импульсные датчики – в цифровых схемах.
Датчикам скорости предъявляются жесткие требования по линейности, стабильности выходного напряжения и уровня пульсации.
Широкое распространение получили тахогенераторы с постоянными магнитами. Для уменьшения оборотов пульсации тахогенератор встраивается в двигатель.
Основной зависимостью тахогенератора является ЭДС от скорости:
- коэффициент передачи тахогенератора (крутизна характеристики)
В импульсных датчиках скорости в качестве первичного измерительного преобразователя используется импульсные преобразователи перемещений, у которых количество импульсов пропорционально углу поворота вала:
- угол поворота вала за время .
- число импульсов.
z – число импульсов преобразователя за 1 поворот вала.
Таким образом, можно осуществить подсчет импульсов преобразователя для фиксированного интервала времени :
Этот способ используется при высокой скорости вращения.
При втором варианте осуществляется изменение временного интервала , за который от преобразователя поступает эталонное число импульсов:
Этот способ используется при низкой скорости.
Датчики положения применяются для получения электрического сигнала пропорционального положения исполнительного органа или вала двигателя. В качестве таких датчиков используются селсины, потенциометры, вращающие трансформатора.
Потенциометрические датчики положения выполняются присоединением их движков с валом двигателя, в этом случае выходное напряжение пропорционально его положению.
Вращающийся трансформатор имеет на статоре и роторе по две одинаковых однофазных распределительных обмотки, сдвинутые относительно друг друга на 90°, напряжение с обмоток ротора снимается с помощью контактных колец или щеток, или с помощью кольцевых трансформаторов.
Наиболее распространенный синусно-косинусный трансформатор имеет четыре обмотки, две из которых возбуждения и компенсационная обмотки расположены на статоре и две измерительные расположены на роторе. Ротор соединен с двигателем или рабочим механизмом, положение которых должно измеряться.
К обмотке возбуждения подводиться напряжение, протекающий под действием напряжения, ток создает в магнитном зазоре магнитный поток, который создает ЭДС во вторичных обмотках. Значение ЭДС в измерительной обмотке (ОИ1) пропорциональна синусу поворота ротора, а в обмотке (ОИ2) косинусу угла φ. Поэтому
;
.
Это является информацией об угле поворота φ вала машины или двигателя.
Обмотка компенсации (ОК) служит для компенсации вредного влияния магнитного поля, обмоток ротора, снижая погрешность измерения трансформатора.
Сельсин – это электрическая машина переменного тока, имеющая две обмотки: обмотку возбуждения и обмотку синхронизации.
Обмотка синхронизации выполняется трехфазной:
Выходное напряжение снимается с двухфазной обмотки ротора и далее выпрямляется с помощью выпрямителя, либо с помощью фаза-чуствительного выпрямителя (ФЧВ).
В первом случае выходное напряжение будет иметь постоянную полярность, а во втором случае полярность будет зависеть от сдвига фаз напряжения статора и ротора. При повороте ротора амплитуда, наводимая в обмотках ЭДС, изменяется от 0 в начальном положении ротора до максимального значения.
Задающие элементы
К задающим элементам относятся устройства ввода задания и задатчик интенсивности. Типовыми задающими устройствами являются: задатчик интенсивности, задача которого формирование плавного изменения задающего сигнала при переходе с одного уровня к другому, а именно создание линейного нарастания и спадание сигнала с требуемым темпом.
Стабилитроны играют роль ограничения сигнала до напряжения пробоя операционный усилитель (ОУ) работает как обычный преобразователь, обеспечивая линейную характеристику.
При происходит пробой стабилитрона и напряжение на выходе перестает изменяться.
Задатчик интенсивности состоит из трех ОУ:
1) первый работает без обратной связи, но с ограничением по выходному напряжению и имеет характеристику прямоугольной формы
2) второй ОУ работает интегратором с постоянным темпом интегрирования, темп интегрирования может регулироваться изменением сопротивления RВХ2
3) третий ОУ формирует отрицательное напряжение обратной связи
При подаче на вход UЗУ выходное напряжение линейно возрастает, затем при значении напряжения обратной связи = UЗУ интегрирование прекращается, и выходное напряжение достигает своего максимального значения.
При снятии с входа задающего напряжения происходит процесс уменьшения выходного сигнала напряжения до нуля.
Система импульсно-фазового управления (СИФУ).
В выпрямителях в качестве управляющих ключей используются тиристоры, для открывания тиристора необходимо выполнение двух условий:
потенциал должен превышать потенциал катода;
на управляющий электрод необходимо подать открывающий импульс
Момент появления положительного напряжения между анодом и катодом называются моментом естественного открывания. Подача открывающего импульса может быть задержана относительно момента естественного открывания на угол открывания. Вследствие этого задерживается начало прохождения тока через тиристор и регулируется напряжение в выпрямителе. Для управления тиристорами используется СИФУ, которая выполняет функции:
-определение момента времени, в которой должен открыться тиристор. Эти моменты времени задаются сигналом управления, которые поступают из САУ на вход СИФУ;
-формирование открывающих импульсов, передаваемых в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристоров и имеющих определенную амплитуду, мощность и длительность;
По способу получения сдвига открывающих импульсов относительно точки естественного открывания различают:
-горизонтальный;
-вертикальный;
-интегрирующий принцип управления;
По способу отсчета угла α СИФУ делят на :
-многоканальные;
-одноканальные.
Система тиристорный преобразователь – двигатель
Преобразователь включает в себя сглаживающий трансформатор (Т), имеющий 2 двухфазные обмотки; 2 тиристора VS1, VS2; сглаживающий дроссель L и СИФУ.
Преобразователь обеспечивает регулирование напряжения на двигателе за счет изменения среднего значения ЭДС преобразователя. Это достигается за счет регулирования с помощью СИФУ по сигналу управления угла α, то есть управления тиристорами.
Угол α представляет собой угол задержки открывания тиристоров относительно момента, когда напряжение на анодах тиристора становиться положительным.
Допустим, на управляющий электрод тиристора VS1 подается отрицательный импульс в момент времени t1, угол α, отсчитываемый от момента естественного включения вентиля VS1, вызывает на нагрузке скачек напряжения, которое будет меняться по кривой U2. В момент времени t2 напряжение U2 будет равно 0 и тиристор закрывается.
На интервале (t2;t3) оба тиристора закрыты и ток равен 0, а в момент времени t3 вступает в действие тиристор VS2 и остается открытым до времени t4.
Если менять угол α относительно начала синусоиды, то меняется среднее значение выпрямленного напряжения и тока, причем это напряжение содержит постоянную значения напряжения и тока – Ud и id.
Пульсирующий характер выпрямленного напряжения и тока ухудшает коммутацию двигателя.
Когда α=0, преобразователь осуществляет двухполупериодное выпрямление и к якорю двигателя прикладывается полное напряжение.
Если с помощью СИФУ подавать управляющий импульс на тиристоры с задержкой α≠0, то ЭДС преобразователя снижается, и на двигатель будет подаваться меньшее напряжение. Зависимость ЭДС от угла α, управляющая тиристорами, имеет вид:
(*)
Ed –ЭДС преобразователя при α=0
Ввиду пульсирующего характера ЭДС, ток в цепи якоря также пульсирующий – это ухудшает работу двигателя, увеличивает потери энергии и ведет к нагреву. Для уменьшения пульсации тока в цепи якоря, обычно включается реактор, индуктивность которого выбирается в зависимости от уровня пульсации тока.
(**)
Ф – магнитный поток, наводящийся обмоткой возбуждения
Rя – сопротивление якоря [Ом]
Сд – коэффициент, зависящий от конструкции двигателя
U – напряжение, подаваемое на двигатель.
Из (*) и (**) следует, что
Зависимость механических характеристик от α, представлено на рисунке ….:
Особенностью характеристик двигателей при питании от управляемого преобразователя является область, где характеристики не линейны. В этой области имеет место режим прерывистых токов.
Вследствие односторонней проводимости тиристорного преобразователя (ТП) характеристики располагаются в 1м и 4м квадрантах. Для получения характеристик во всех 4х квадрантах используют реверсивные ТП.
Явление прерывистых токов обусловлено тем, что с уменьшением нагрузки снижается количество энергии запасенной в индуктивности сглаживающего дросселя и наступает момент когда создаваемое ЭДС самоиндукции оказывается недостаточной для поддержания тока при отрицательных напряжениях на анодах тиристора, что приводит к увеличению выпрямленного напряжения (Ud) и возрастания скорости при холостом ходе.
Структурная схема замкнутой системы управления электроприводом с обратной связью по скорости
Скоростная характеристика:
Необходимое значение скорости устанавливается с помощью задающего устройства. Пропорционально задающему сигналу на выходе преобразователя будет формироваться Uпр, по мере, которой двигатель начинает разгоняться.
По мере разгона напряжение тахогенератора увеличивается, и выходной сигнал с элемента сравнения получается как разница Uзу-Uос, которое обеспечивает соответствующее значение напряжения на двигателе. При установившейся статической нагрузки будет иметь место установившееся состояние системы. Если статическая нагрузка возрастет, то скорость уменьшится, уменьшится напряжение тахогенератора – это вызовет возрастание сигнала управления и скорость возрастет до заданного значения.
Замкнутая система преобразователь – двигатель (П-Д) с отрицательной обратной связью по скорости
Датчик скорости (ДС) – элемент гальванической развязки между силовой цепью и цепью управления.
На валу двигателя находится датчик скорости (тахогенератор (ТГ)), напряжение которого Uос=jω, т.е. пропорционально скорости вращения и является сигналом обратной связи (ОС).
Коэффициент пропорциональности j – коэффициент ОС по скорости, который может регулироваться за счет изменения тока возбуждения ТГ.
Сигнал ОС сравнивается с задающим сигналом и их разница в виде сигнала рассогласования (или ошибки) Uвх и подается на вход дополнительного усилителя, который усиливает сигнал Uвх и подает его в виде сигнала управления на вход преобразователя (П).
Предположим, что ДПТ работает под нагрузкой в установившемся режиме, и по каким либо причинам момент нагрузки Мс увеличивается, развиваемый двигателем момент становиться меньше момента нагрузки, его скорость начинает снижаться, сигнал ОС по скорости уменьшается – это вызовет увеличение сигнала рассогласования Uвх, соответственно Uу(напряжение управления) приведет к повышению ЭДС преобразователя, а следовательно повышению напряжения и скорости ДПТ. Таким образом благодаря наличию ОС, осуществляется автоматическое регулирование ЭДС преобразователя, а значит и напряжения двигателя, за счет этого повышается жесткость характеристики электропривода.
Механическая характеристика -есть
Схема ДПТ НВ с нелинейной обратной связью по току
УТО- узел токовой отсечки
Графики- есть
В качестве датчика тока(ДТ) используется шунт, падение напряжения на котором пропорциональна току якоря. Сигнал Ос по току определяется: Uот=IяRш
В качестве сопротивления шунта часто используют обмотку дополнительных полюсов и компенсационную обмотку двигателя. Сигнал ОС поступает на узел тока ограничения УТО, называемый еще узлом токовой отсечки. Этот сигнал определяет величину тока отсечки Iотс, с которого начинается регулирование тока. При токе якоря меньше тока отсечки сигнал на выходе УТО равен 0, т.е. в диапазоне от 0 до Iотс система работает как разомкнутая и определяется 1й зоной.
При токе якоря больше тока отсечки на выходе УТО появляется сигнал ОС по току. Электропривод начинает работать в замкнутой системе с характеристиками зоны 2 при этом появляется сигнал Uвх=Uзу-Uот. Из функции видно, что при увеличении тока, Uвх будет уменьшаться , это приведет к уменьшению сигнала управления и ЭДС преобразователя, и напряжения подаваемого на двигатель. Ток при этом снижается (в якорной цепи).
Замкнутая система управления тиристорный преобразователь – двигатель с обратной связью по току и скорости
Для получения жестких характеристик, необходимых для регулирования скорости, и мягких характеристик, требуемых для ограничения тока и момента, то есть для регулирования координат, применяются ОС по току и скорости.
В схеме с нелинейными ОС для обеспечения не линейности цепей ОС используются узел тока ограничения(УТО) и узел ограничения скорости (УСО).
График -есть
В зоне 1 в диапазоне токов от 0 до ωотс действует только ОС по скорости, обеспечивая жестки характеристики. В зоне 2 при Iя>Iотс вступает в действие ОС по току и характеристика становится мягкой. При дальнейшем увеличении тока и падении скорости ниже скорости отсечки, перестает действовать ОС по скорости, а за счет действия ОС по току характеристика становиться еще мягче.
Зона 3, таким образом, обеспечивает ограничение по току и моменту.
После формирования требуемых статических характеристик может оказаться, что динамические характеристики не приемлемы, т.к. движение переходных процессов может оказаться не устойчивым. В этом случае требуется коррекция законов управления, т.е. использование корректирующих устройств, позволяющих изменить характеристики электропривода.
Замкнутые электроприводы с подчиненным регулированием координат
Это система с последовательным включением контуров регулирования, число которых должно быть равно числу регулируемых величин. На вход каждого регулятора подается сигнал с предыдущего каскада, соответствующий заданному уровню регулируемой величины, и сигнал с выхода, соответствующий отработанному уровню. Каждый предыдущий каскад является задающим для последующего. Контур регулирования строится так, чтобы иметь одну большую постоянную времени, в этом случае можно использовать однотипные регуляторы.
Структурная схема подчиненного регулирования
Техническая реализация управляющих устройств электропривода весьма разнообразна. Устройства управления по характеру преобразования сигнала делятся на аналоговые и дискретные. Для аналоговых устройств характерно использование функциональной зависимости между входным и выходным сигналами. При этому входной сигнал может принимать любые сигналы.
Аналоговые (управляемые выпрямители, преобразователи частоты)
Дискретный элемент может иметь 2 уровня выходного сигнала нулевой и максимальный, который появляется и исчезает при достижении входным сигналом определенного значения.
Дискретные(логические элементы, бесконтактные реле)
Схема ЭП с подчиненным регулированием координат
Система подчиненного регулирования состоит из 2х контуров контроля тока и скорости. Причем контур тока подчиняется контуру скорости. Эта подчиненность выражается в том, что заданное значение регулируемой переменной внутреннего контура, т.е. контура тока, определяется выходным сигналом с регулятора скорости. Каждый контур строится по принципу отклонения по ошибке, и имеет жесткую отрицательную ОС по регулируемой величине и свой регулятор.
Настройку контура приводят, таким образом, чтобы получить технически оптимальный переходной процесс, эта настройка получила название «на технически оптимум».
Технически оптимальным считается процесс, при котором время переходного процесса, при изменении регулируемой величины от 0 до установившегося значения, было бы минимально возможным при перерегулировании не превышающим 4-10% от допустимого значения:
Основным условием при выборе параметров регулятора является желаемый характер переходных процессов при регулировании координат. Из всех видов обычно выбирается график с затухающими колебаниями, который обеспечивает устойчивые переходные процессы при небольших длительностях, т.е. Δx=xmax-xуст , Δx=4,3% от установившегося значения, а время переходного процесса определяется
tпп=4,1Tп
где Тп – электромагнитная постоянная времени тиристорного преобразователя. Тп=0,01с - технический оптимум.
В цепь ОС регулятора скорости включены стабилитроны, в результате выходное напряжение регулятора скорости, являющимся задающим сигналом для контура тока, ограничивается, тем самым ток и момент двигателя не могут превзойти заданного уровня.
Особенностью механической характеристик системы подчиненного регулирования является наличие зоны 1 – вертикальный участок обеспечивающий ограничение тока и момента, жесткость механических характеристик на участке 2 в зависимости от соотношения 2х постоянных времени Тм (электромеханическая постоянная двигателя) и Тп (электромагнитная постоянная ТП)
График- есть
Ускорение электропривода будет зависеть от момента инерции и статического момента, при достижении заданной угловой скорости и сигнала ОС по скорости регулятор выйдет из зоны ограничения и будет уменьшать задающий сигнал на регулятор тока, т.е. Uзт, определяемый нагрузкой.
При перегрузке и стопорении резко снизится скорость, и электропривод будет работать с постоянным допустимым значением момента. Изменяя уровень ограничения Uзт, можно менять значения этого момента.
Ограничение тока двигателя при пуске и торможении в системе подчиненного регулирования обычно достигаются не ограничением выходного сигнала с регулятора скорости, а применением задатчика интенсивности по средствам, которого сигнал задания скорости изменяется не скачком, а линейно во времени до требуемого уровня.
Недостаток системы с подчиненным регулированием является уменьшение быстродействия системы по мере роста числа контуров регулирования, поэтому используются 3-4 последовательных контура.
В этих схемах используются и другой критерий настройки регуляторов на симметричный оптимум, который позволяет получить еще более жесткие характеристики на участке 2.
В этом случае переходной процесс характеризуется большим перерегулированием, достигающим Δx=55%. При этом регулятор скорости (РС) выполняется как ПИ-регулятор и время переходного процесса определяется значением:
tпп=15,5·Тп
Настройка регуляторов в системе подчиненного регулирования
Из ТАУ известно, что характер переходных процессов замкнутой системы определяется соотношением постоянных времени системы, и оптимальному переходному процессу соответствуют оптимальные постоянные времени. Математически это выражается определенным соотношением коэффициентов характеристического уравнения системы.
При этом переходной процесс в СУ по управляющему воздействию будет технически оптимальным. Заданная исходная система всегда обладает оптимальным соотношением постоянных времени, поэтому, используя коррекцию, нужно изменять постоянную времени системы, т.е. для настройки контура на технический оптимум подобрать такой тип регулятора с такими параметрами, чтобы получить характеристическое уравнение системы.
Рассмотрим, как проводится расчет настройки регулятора на примере контура регулирования тока якоря ДПТ в системе ТП-Д. Расчет производится для неподвижного якоря или при выключенном возбуждении.
В контуре тока имеются 2 инерционности, характеризуемые постоянными времени:
- электромагнитная постоянная времени якорной цепи.
Tп – постоянная времени, отражающая инерционность фазового управления выпрямителем, запаздывание преобразователя, инерционность датчика и регулятора.
Tп – некомпенсированная постоянная времени 0,004÷0,01с
Tп
Из параметров ПИ регулятора мы имеем:
Тогда передаточная функция регулятора тока:
где - коэффициент обратной связи по току, который определяется
При таком регулировании тока передаточная функция замкнутого контура:
Получилось характеристическое уравнение контура с оптимальным соотношением коэффициентом. Поэтому переходной процесс РТ при выборе настройки контура будет оптимальным.
Получается настройка контура тока сохранится и при вращающемся якоре, когда проявится влияние ЭДС двигателя. Так как электромеханическая постоянная времени - Тм во много раз больше электромагнитной постоянной времени - Тэ (Тм>2Тэ) и Тп (Тм>>Tп), это влияние на переходной процесс в контуре тока оказывается не существенным.
Произведем расчет настройки регулятора контура скорости. В этом случае регулятор выбираем П или ПИ.
П-регулятор выбирается при малом диапазоне регулирования скорости. Коэффициент усиления регулятора и его параметры при настройке на технический оптимум по управляющему воздействию определяется:
С=Сд·Ф – конструктивный коэффициент двигателя.
При этом характеристическое уравнение получается 3го порядка, а переходной процесс с большим перерегулированием и временем большим, чем в контуре тока.
Отношение статического падения угловой скорости в системе с П-регулятором к статическому падению угловой скорости в разомкнутой системе определяется, как:
При Тм скорости отсечки.
Если скорость скорости отсечки вентиль открывается, на выходе усилителя появляется сигнал ОС по скорости противоположный сигналу Uзм.
Uу=Uзм– Uoc=Uзм– jω
Из формулы видно, что при возрастании скорости, напряжение Uу будет уменьшаться, пропорционально ему будет уменьшаться сигнал Uв, соответственно меняется ток возбуждения и момент машины. Механические характеристики приобретают вид наклонных характеристик, а схема предусматривает регулировку 2х координат: скорости и момента.
Жесткость механических характеристик определяется общим коэффициентом усилителя.
Замкнутая система управления асинхронного электропривода, выполненного по системе ТРН-двигатель
В цепь статора включены по схеме встречно параллельного подключения в тиристоров VS1…VS6, управляющие электроды подсоединены к выходу СИФУ, задачей которого является сдвиг управляющих импульсов в зависимости от величины управляющего сигнала и распределении по тиристорам.
Сигнал управления определяется
Uy=(Uз-jω)Крс (1)
Uз – сигнал задания, формируемый RP1
ω – скорость вращения вала электрической машины, снимаемая тахогенератором
Крс – коэффициент промежуточного усилителя
В соответствии с уравнение (1) любое изменение скорости АД при изменении нагрузки вызовет изменение напряжения управления и в соответствии с этим меняется угол открывания тиристора.
Изменение задающего сигнала на потенциометре RP1 позволяет получить семейство жестких механических характеристик.
Допустим привод работает в точке 1 с моментом нагрузки Мс1, затем произошло увеличение статического момента до Мс2 в этом случае скорость начинает снижаться, что приведет к уменьшению ЭДС тахогенератора. Сигнал управления увеличивается, это приведет к уменьшению угла открывания тиристоров, а следователь увеличению напряжения на двигателе. Момент электрической машины начнет возрастать и в т.2 сравняется с Мс2.
Схема асинхронного электропривода с ТПН при наличии регуляторов скорости и тока
Схема - есть
Через трансформатор тока Та, Тв, Тс, реализована отрицательная обратная связь по току, с помощью потенциометра RP в схеме используется отсечка по току. Сигнал, формируемый на ТПН:
Uрт=Uрс-Uот
В данной схеме отрицательная обратная связь по току будет действовать, только при токе больше тока отсечки.
График-есть
Линия 1 отражает вид механической характеристики при токе отсечки Iотс=const, пусковой момент Мпо меньше пускового момента для естественной характеристики Мпе. Напряжение смещения СИФУ задает угол α, при котором обеспечивается минимальное выходное напряжение ТПН и момент пуска АД в режиме холостого хода.
Структурная схема для АД
Схема- есть
ТПН как динамический объект может быть представлен инерционным звеном с коэффициентом передачи kтп и постоянной времени Ттп, связанный с дискретностью фазового управления ТП.
АД, без учета влияния электромагнитных переходных процессов в цепях статора и ротора, и изменения напряжения питания статора, остается нелинейным динамическим объектом поскольку его электромагнитный момент зависит и от напряжения питания и от скорости двигателя, т.е. электромагнитный момент М=f(U,ω) – функция от напряжения и скорости, и в двигателе представляется звеньями.
ku – коэффициент чувствительности момента АД к напряжению питания статора, изменяемого с помощью ТПН.
kω – коэффициент изменения момента двигателя при отклонении его скорости.
- передаточная функция механической части машины.
Отстройка регулятора скорости осуществляется по пропорционально интегральной основе (ПИ). При настройке на технический оптимум Ттп<<Тм. При этом постоянная времени РС и коэффициент пропорциональной времени определяются:
(формула правильная?)
где - коэффициент двигателя.
Частотное регулирование скорости АД
Частотное регулирование скорости АД является наиболее экономичным и потому рассматривается, как перспективный способ.
Суть регулировки скорости заключается в изменении частоты питания статора АД. Экономичность частотного регулирования объясняется тем, что не изменяется величина скольжения. Полное использование электрической машины осуществляется, если она работает с номинальным магнитным потоком. В свою очередь магнитный поток определяется геометрическими размерами и физическими свойствами магнитной цепи. Магнитный поток создается током намагничивания контура, который пропорционален величине ЭДС.
(2)
Из этой формулы видно, что для полного использования двигателя, на ряду с изменением частоты питания, необходимо пропорционально изменять ЭДС.
Воздействовать на двигатель можно только при изменении напряжения. Для того, чтобы сохранить перегрузочную способность машины, необходимо соблюдать:
(1)
Индекс «1» означает параметр статора
Индекс «2» - параметр ротора.
Из (1) => для любой частоты должно соблюдаться напряжение.
1925г. – Костенко вывел основной закон изменения напряжения при частотном регулировании скорости.
Если 7
(3)
Механические характеристики АД при регулировании по закону (2) могут быть получены ниже от номинальной частоты. При частотах выше номинальных тяжело сохранить закон (3), т.к. напряжение на двигателе не может быть выше номинального.
Преобразователи частоты (ПЧ)
Практически все ПЧ строятся на основе полупроводниковых элементов (транзисторы, тиристоры) и они получили название статического ПЧ, которые делятся на:
-с непосредственной связью питающей сети и нагрузкой (непосредственные ПЧ или циклоконвертеры);
-ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока.
ПЧ со звеном постоянного тока состоит из управляемого выпрямителя (УВ), автономного инвертора (АИ), фильтра(Ф).
УВ и АИ имеют системы управления.
ПЧ служит для преобразования напряжения и частоты сети. Амплитуда напряжения регулируется СУВ, а частота – СУИ. В зависимости от схемы фильтра автономный инвертор бывает инвертором напряжения (АИН) или тока (АИТ). АИН является источником напряжения, для чего фильтр кроме индуктивности содержит относительно большую емкость. (С=2..5·103 мкФ)
Это обеспечивает АИН жесткую характеристику, т.е. зависимость напряжения от нагрузки.
АИТ в звене постоянного тока имеет реактор с большой индуктивностью, это делает такой инвертор источником тока.
Фильтр для АИН: Фильтр для АИТ:
Использование фазного напряжения на двигателе приводит к тому, что создаются пульсирующие моменты, что сказывается на работе привода.
При 2х ступенчатой коммутации управляемого выпрямителя, возможно регулировать напряжение инвертора, за счет изменения времени проходящего состояния тиристоров. Это дает возможность вместо управляемого выпрямителя применять не управляемый, выполненного на 6-ти диодах. При регулировании внутри инвертора для уменьшения высших гармоник выходного напряжения используется широтно-импульсный модулятор (ШИМ), в котором изменяется ширина импульсов, по определенному закону.
ШИМ – когда кривая напряжения состоит из некоторых импульсов одинаковой ширины,
tk – время включенного состояния тиристора, не изменяется в течении некоторого интервала времени.
Реальные ПЧ, построенные по принципу ШИМ, имеют напряжение, состоящее из 50-ти и более импульсов на полупериоде. На нижнем пределе частоты, при повышении частоты до номинального значения, количество импульсов уменьшается. ШИМ позволяет не только регулировать напряжение, но и улучшить его гармонический состав.
Регулирование напряжения возможно и на входе инвертора, в этом случае используется не управляемый выпрямитель, а между выпрямителем и инвертором включается коммутатор – широтно-импульсный преобразователь. При этом регулируется среднее значение напряжения на входе автономного инвертора напряжения, а, следовательно, напряжение на двигателе. Частота коммутации ШИП достаточно высока, что позволяет уменьшить габариты фильтра. Задача СИФУ – сдвиг управляющих импульсов на тиристорах.
Схема статического преобразователя частоты с ШИП на входе инвертора
Достоинством СПЧ с ШИМ и ШИП является возможность работы от нерегулируемого источника постоянного тока.
Замкнутый ЭП с частотным управлением
В качестве силового преобразователя используется тиристорный ПЧ, состоящий из УВ, АИН со своими схемами управления СУВ и СУИ, между ними включен фильтр, обеспечивающий фильтрацию выходного напряжения и необходимую циркуляцию реактивной энергии в силовой части схемы.
Схема управления строится по принципу подчиненного регулирования имеет 2 контура:
1.Внутренний – тока
2.Внешний – напряжения
Регулирование этих координат осуществляется ПИ-регуляторами тока и напряжения по сигналу управления ДТ и ДН. При частотах ниже номинальной схема управления поддерживает отношение напряжения к частоте – постоянной, а при частотах выше номинальной напряжения остается неизменным, что обеспечивается усилителем–ограничителем (УО).
ПЧ позволяют изменять частоту от 50 до 80 Гц при номинальной частоте 50Гц и от 15 до 240 Гц при номинальной частоте 200Гц. Диапазон изменения напряжения от 0 до 350 Гц.
Схему можно сделать реверсивной с рекуперативным торможением. В этом случае в схему добавляется ведомый сетью инвертор.
Импульсное регулирование скорости двигателя
Регулировать скорости на якоре двигателя можно импульсным методом, когда двигатель периодически подключается к источнику питания, а затем отключается. В период отключения ЭП продолжает работать за счет запасенной кинетической электромагнитной энергии.
Импульсное регулирование осуществляется с помощью управляемых полупроводников, выполненных в виде полупроводниковых ключей любого типа. Основной показатель работы ключа – её заполнение (скважность работы), определяемое отношением времени замкнутого состояния к периодам коммутации.
to – время разомкнутого состояния ключа
t3 – время замкнутого состояния ключа
Существует 2 способа управления ключом: широтно-импульсная и частотно-импульсная модуляции.
При широтно-импульсной – период коммутации остается постоянной, а изменяется время замкнутого состояния, т.е. изменяется ширина импульсов. При частотно-импульсной модуляции время t3 не изменяется, а меняется период коммутации.
Импульсный способ используется и для АД, сущность которого заключается в периодическом изменении параметров цепей АД или питающих сетей. Применительно к АД чаще всего изменяется импульсное напряжение или сопротивление резисторов в цепях статора или ротора, при этом изменяется величина тока и момента.
При j=1 двигатель работает на естественной характеристике, т.е. ключ К - замкнут, при j=0 двигатель работает на реостатной характеристике, соответствующей постоянно включенному резистору в цепь статора, при этом ключ К - размокнут. Допустимый момент АД со снижением угловой скорости резко падает, т.к. значительно возрастают потери электрической энергии в роторе и выделяется эта энергия внутри машины.
Схема график- есть
Двигатели с принудительной вентиляцией по мере увеличения скольжения нужно уменьшать момент нагрузки, чтобы потери электрической машины не превышали номинальные.
Такой способ регулировки используется для двигателей малой мощности или при кратковременном режиме работы. Диапазон регулирования скорости – не большой (1,5..2).
Лучше использовать импульсное регулирование скорости, когда применяется двигатель с фазным ротором. В этом случае дополнительные потери мощности выделяются на добавочных резисторах в не электрической машины. Поэтому допустимый момент для двигателя оказывается равный номинальному.
Дополнительный резистор включен в роторную цепь и периодически включается и выключается в помощью ключа К. Когда К – замкнут, j=1 двигатель работает на естественной характеристике. Когда j=0 двигатель работает на реостатной характеристике.
Рабочая зона при импульсном регулировании находится между 2мя крайними характеристиками, при этом эквивалентное сопротивление определяется, как
Rэ=(1-j)R
Для улучшений показателей регулирования координат АД импульсным способом используются замкнутые системы управления.
Замкнутая система импульсного регулирования скорости асинхронного ЭП
В роторную цепь АД включен не управляемый трехфазный выпрямитель к выходу, которого подключен резистор R2д, параллельно резистору подключен ключ, действия которого основано на тиристорном управлении, управление которого ведет ШИМ, на вход которого подается сигнал задания Uз,с и сигнал отрицательной ОС по скорости.
При поступлении на вход ШИМ положительного сигнала, определяемого Uз,с-Uoc, он начинает генерировать импульсы управления. Эти импульсы с помощью системы управления ключом (СУК) подается на тиристоры ключа и происходит включение и закорачивание резистора в цепи ротора.
UЗС4
Rэ=(1-j)R2д
Пусть по каким либо причинам произойдет увеличение момента нагрузки, в результате чего начнет снижаться угловая скорость, сигнал управления возрастет, что вызовет заполнение ключа К и тем саамы уменьшение эквивалентного сопротивления в цепи ротора. Это приведет к возрастанию тока ротора и момента двигателя и прекращение снижения скорости.
Основная область применения ЭП такого типа: механизмы подъема, передвижения, поворота крановых установок.
Адаптивное управление в ЭП
Процессы механообработки подвержены внутренним и внешним параметрическим возмущениям. Одним из эффективных подходов построения СУ является реализация их в классе адаптивных систем. В станках, работающих по заранее заданной программе, невозможно учесть изменение твердости заготовки, износа инструмента, изменение параметров привода, подачи и других трудно учитываемых факторов, а значит соста7вление программы не всегда может обеспечить необходимый режим обработки и качество изделия. Т.е. в условиях не полной априорной информации о возмущающих воздействиях и свойствах объекта управления задача управления ЭП усложняется.
Процесс получении и использования дополнительной информации в ходе функционирования СУ получило название адаптации, а СУ соответственно адаптивная.
Адаптивная СУ автоматически осуществляет выбор оптимального режима обработка и поддерживает необходимую коррекцию геометрических размеров изделий.
Адаптивная СУ должна обеспечивать минимальные затраты за счет единицы объема, осуществляя непрерывный поиск по оптимальному нахождению величин, определяющих высокое качество обработки с целью получения соответствующей производительности.
В адаптивной СУ механорежущими станками должны учитываться следующие силовые ограничения:
-усиление резания и мощности (усиления резания и стойкости режущего инструмента)
-мощность при предельной подаче (предельная подача и оптимальная стойкость инструмента)
В общем случае адаптивная СУ состоит из 2х частей:
1) основная СУ, образованная контуром устройства управления (УУ), объектом управления и обратной связью;
2) устройство управления автоматической адаптацией.
Схема
Основная СУ решает задачи в соответствии со своим назначением (стабилизация скорости, слежение, программное управление).
Контур (устройство) адаптации осуществляет настройку основного контура, изменяя его параметры или структуру с целью обеспечения необходимого качества процессов управления при изменяющихся условиях работы.
Для контура адаптации основной контур является объектом управления. Контур адаптации – 2-й уровень управления.
АСУ ЭП могут иметь различные виды управления:
1) стабилизирующее управление, т.е. управление с целью поддержания постоянства управляющей координаты.
2) программное управление, т.е. управление с целью изменения управляемой координаты по закону, определенному заранее или заданной программе.
3) следящее управление, т.е. управление с целью изменения управляемой координаты по заранее известному закону.
Система стабилизации: система стабилизации скорости.
Следящая система представляет собой систему регулирования положения ЭП.
Программные СУ обычно управляют положением исполнительного органа, который должен изменяется по заданной программе.
Наиболее распространены ЧПУ. Однако применяются системы, обеспечивающие движение инструмента, повторяя форму модели.
Адаптивные СУ по способу организации процесса адаптации могут быть поисковыми и без поисковыми, т.е. с автоматическим поиском оптимальной работы и без него.
Адаптивные СУ делятся:
1.Самонастраивающиеся, в которых на основе динамических характеристик объектов или системы и информации о параметрах внешних воздействий, получаемых в процессе работы, осуществляется изменение параметров регуляторов.
2.Самоогранизующиеся, в которых на основе текущий информации о состоянии объекта формируется алгоритм управления и изменяются не только параметры регуляторов, но и их структура.
Следящий ЭП
Следящий ЭП – это ЭП, который обеспечивает с заданной точностью движение исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно меняющимся входным сигналом управления.
Этот сигнал может изменятся по произвольному временному закону и может быть механическим, электрическим. Чаще всего входной сигнал представляет собой скорость или угол поворота оси или вала задающего устройства.
Следящий электропривод используется в спутниковой связи, металлообрабатывающих станках, для привода роботов, манипуляторов, в автоматических электрических устройствах.
Следящий электропривод по способу действия СУ:
следящий электропривод с релейным или прерывистым управлением;
с непрерывным управлением.
Следящий электропривод с релейным управлением отличается тем, что напряжение на исполнительный двигатель подается только в том случае, когда угол рассогласования достигает определенного значения. В процессе рассогласования при возрастании угла до необходимого значения – двигатель неподвижен. Угловая скорость и ускорение двигателя после его включения не зависит от угла рассогласования, а определяется параметрами самого двигателя.
В следящем электроприводе прерывистого действия обычно используются релейно-контактные аппараты или безконтактные устройства с релейной характеристикой. Поэтому электропривод такого типа получил название релейный. Отличительной особенностью следящего электропривода непрерывного действия является непрерывное управление исполнительным двигателем зависящем от угла рассогласования.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к электроприводу в отношении точности обработки угла поворота, статической устойчивости работы, времени переходного процесса следящий электропривод выполняют с обратной связями, которые обеспечивают управление функции угла рассогласования и его производной, по углу рассогласования и интегралу этого угла и т.п.
Для схем управления следящего электропривода используется различного рода усилители:
1)электромашинные;
2)магнитные ;
3)полупроводниковые;
4)гидравлические;
5)сочетание усилителей.
По конструктивному соотношению следящий электропривод непрерывного управления, обеспечивающий высокую точность обработки, является более сложным относительно привода релейного действия.
Основные технические требования следящего электропривода:
высокая точность обработки сигнала;
устойчивая работа привода во всем диапазоне скоростей;
малое время переходного процесса;
простота, надежность эксплуатации.
Следящий электропривод непрерывного управления
СД (сельсин датчик), СП (сельсин приемник), составляющий измеритель рассогласования, работающих в трансформаторном режиме; усилитель 3 трансформатора двигателя связанного с
Не Пропустите:
- Лабораторная работа "Исследование СТАТИЧЕСКИх И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ"
- Перечень экзаменационных вопросов
- ИЗУЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ИМПУЛЬСНО – ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСПОЯННОГО ТОКА
- ИЗУЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ИМПУЛЬСНО – ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСПОЯННОГО ТОКА Отчет по лабораторной работе
- Расчет характеристик асинхронного двигателя