Основные показатели способов регулирования координат электропривода

Для сопоставления между собой возможных способов регулирования координат используются следующие обобщенные показатели регулирования:

1. Точность (стабильность регулирования).

2. Диапазон регулирования.

3. Плавность регулирования.

4. Динамические показатели.

5. Экономичность регулирования.

6. Допустимая нагрузка при регулировании.

Точность регулирования или иначе точность поддержания заданной переменной определяется возможными отклонениями ее от заданного значения под действием возмущающих факторов, например, изменении нагрузки при регулировании скорости, изменении скорости при регулировании момента и т.п. В разомкнутых системах оценкой точности может служить отношение наибольшего отклонения регулируемой величины, например, скорости, к среднему значению

Чем жестче зависимость Х от F_в, тем точнее регулирование.

Диапазон регулирования характеризует пределы изменения средних значений переменной Х_ср , возможные при данном способе регулирования

Обычно Д обозначается в числах, например . Верхний предел регулирования переменной ограничивается максимально допустимым или максимально реализуемым значением переменной, а нижний предел – необходимой точностью поддержания заданной переменной или минимально реализуемыми значениями переменной при данном способе регулирования.

Например, верхний предел регулирования скорости двигателя ограничивается механической прочностью якоря или ротора, а для двигателей постоянного тока еще и условиями коммутации. Нужно иметь в виду, что снижать среднее значение регулируемой переменной нельзя, поскольку возрастает относительная ошибка регулирования Dх*_макс. Если показанное на рис. значение х_ср.мин считать минимально допустимым по условиям точности регулирования, то ему при заданной допустимой относительной ошибке Dх*_доп соответствует соотношение

Плавность регулирования характеризуется числом дискретных (промежуточных) значений регулируемой переменной, получаемых при данном способе регулирования в диапазоне регулирования. Она тем выше, чем меньше скачок переменной при переходе от данного ее значения к ближайшему возможному значению. Иногда для оценки плавности используется понятие коэффициента плавности, под которым понимается отношение двух соседних ступеней (значений) переменной

или

Чем ближе к_пл к 1 , тем плавнее регулирование.

При автоматическом регулировании координат электропривода важное значение имеют динамические показатели качества регулирования, оцениваемые по характеру переходного процесса при скачке управляющего воздействия. Главным показателем быстродействия, непосредственно влияющим на производительность ряда механизмов, является время пуска и торможения электропривода. Быстродействие характеризуется такими показателями, как время запаздывания t_з, время регулирования t_р, за которое переменная первый раз достигает установившегося значения х_уст, время максимума t_макс, общее время переходного процесса t_пп, за которое затухают все его свободные составляющие.

Перерегулирование или динамическая ошибка характеризуется максимальным отклонением от х_уст при t_макс, отнесенным к установившемуся значению регулируемой переменной

Колебательность характеризуется наименьшим значением логарифмического декремента, соответствующего комплексно – сопряженным корням характеристического уравнения системы или частотным показателем колебательности.

Экономичность регулирования оценивается по первоначальным капитальным затратам, связанным с созданием данной системы электропривода и по эксплуатационным расходам на электроэнергию, оцениваемым главным образом по таким показателям, как КПД и коэффициент мощности при регулировании скорости. При оценке экономической эффективности должны учитываться не только указанные факторы, но и то, что дополнительные затраты и эксплуатационные расходы на создание более совершенной системы регулирования должны окупиться повышением производительности и надежности работы установки, а также улучшением качества продукции.

Одной из главных переменных, необходимость регулирования которой диктуется технологическими требованиями, в большинстве случаев является скорость электропривода. Необходимо знать, какие механические нагрузки могут быть допустимы на валу двигателя. Поэтому одним из важнейших показателей является допустимая нагрузка. Необходимость ее оценки возникает в связи с тем, что М_с приводимого механизма в общем случае также зависит от скорости.

Допустимая нагрузка зависит от метода регулирования скорости, ограничивается нагревом двигателя, вызванным потерями энергии. Они же определяются величиной потребляемого тока. Обычно считается, что двигатель работает нормально, если при продолжительной нагрузке токи в цепях его обмоток не превышают номинального значения. В этом случае двигатель не нагревается выше допустимой температуры. Для определения допустимой нагрузки (допустимого момента) необходимо найти его величину, соответствующую номинальному току главной цепи двигателя при различных скоростях и тем самым установить зависимость М_доп=f(w).

Весьма существенным является обеспечение соответствия закона изменения М_с и характера зависимости предельно допустимого по условиям нагрева момента двигателя от скорости М_доп=f(w). Рациональное использование двигателя при регулировании скорости будет иметь место в том случае, когда эквивалентный момент двигателя по нагреву при изменении рабочей скорости будет меняться по такому же закону, что и М_с. При отсутствии такого совпадения двигатель будет плохо использоваться в тепловом отношении в одной части диапазона изменения скорости и может оказаться перегруженным в другой .

Момент и мощность, развиваемая двигателем, зависит от метода регулирования. Регулирование возможно при постоянстве момента и при постоянстве мощности, т.е. различаются две зоны регулирования. Зона I (см. рис. ) соответствует регулированию с постоянным моментом. При номинальном токе и постоянном потоке

Мощность Р₂ на валу двигателя в этой зоне изменяется по линейному закону, т.е. она пропорциональна скорости .

Зона II соответствует регулированию с постоянной мощностью. В этом случае с увеличением скорости момент изменяется (необходимо регулировать) по закону гиперболы

.

Системы управляемый преобразователь – двигатель (УП – Д).

При автоматическом регулировании координат эл.привода в качестве управляющего воздействия может быть выбран любой параметр, оказывающий влияние на регулируемую переменную. В случае электроприводов постоянного тока наиболее высокая управляемость обеспечивается изменением напряжения, подводимого к якорной цепи двигателя при Ф=const, а в случае асинхронных и синхронных эл.приводов – изменением частоты и величины приложенного напряжения. Для реализации этих возможностей питание двигателя должно осуществляться от управляемого источника.

Для питания двигателей постоянного тока в качестве такого источника используется генераторы постоянного тока или статические (тиристорные) преобразователи переменного тока в постоянный, а для частотного управления асинхронных или синхронных двигателей – синхронные генераторы, тиристорные или транзисторные преобразователи частоты. Получающиеся во всех этих случаях системы эл.привода с управляемым индивидуальным источником питания, называются системами УП-Д (управляемый преобразователь – двигатель).

Система генератор – двигатель (ГД).

В системе ГД в качестве управляемого преобразователя используется генератор постоянного тока независимого возбуждения, приводимый во вращение асинхронным или синхронным двигателем. Принципиальная схема системы изображена на рис. В качестве приводного двигателя рабочей машины используется ДНВ.

Пуск системы осуществляется включением сетевого (гонного) двигателя, вращающего генератор. Приводной двигатель перед этим должен быть полностью возбужден, т.е. его магнитный поток должен быть номинальным. Напряжение на обмотке возбуждения генератора ГПТ должно быть равно 0. При подаче напряжения на обмотку возбуждения генератора и его увеличении, он будет развивать ЭДС, появится напряжение на якоре ДПТ и последний будет разгоняться. При номинальном возбуждении генератора напряжение на якоре ДПТ номинальное.

В случае гонного АД с увеличением нагрузки на валу приводного ДПТ возрастает тормозной момент ГПТ, что приводит к снижению скорости гонного АД, следовательно, снижению скорости ГПТ и его ЭДС, что сказывается и на скорости ДПТ. В мощных электроприводах по системе ГД это снижение составляет (1,5¸2)%.

Преимуществом асинхронного гонного двигателя является простота, надежность, малая колебательность. Достоинством гонного синхронного двигателя является его меньшая критичность к колебаниям напряжения сети, возможность работать с опережающим током. Обычно СД используется при мощностях генератора в сотни и тысячи кВт.

Питание обмотки возбуждения ГПТ в современных системах ГД, осуществляется от тиристорного или транзисторного ТВ. Основным видом ТВ является тиристорный преобразователь с раздельным управлением комплектами вентилей. Зависимость выходного напряжения управления U_У изображена на рис. Ее рабочий участок без особой погрешности можно считать линейным. Динамические процессы ТВ описывается уравнением.

, где

- коэффициент усиления тиристорного возбудителя по напряжению.

Пренебрегая гистерезисом магнитной цепи генератора и считая его ненасыщенным, для линейного участка зависимости E_Г=f(U_ВГ), можно написать:

, где -при w_Г=const;

Уравнение механической характеристики двигателя в системе ГД можно получить из уравнения равновесия ЭДС в якорной цепи.

, где е_Г и е -соответственно ЭДС генератора и противо ЭДС двигателя.

Т.к. , где Ф – поток двигателя

то .

Здесь

Выразив ток i_я через момент двигателя получим: или

Здесь b – модуль статической жесткости механической характеристики двигателя в системе ГД.

Уравнение механической характеристики двигателя для статического режима можно представить в виде: или или

Здесь Ф_НД – номинальный поток двигателя.

Семейство механических характеристик двигателя в системе ГД, соответствующее различным значениям ЭДС генератора при синхронном гонном двигателе, изображено на рис.

Жесткость основной характеристики двигателя ~ в 2 раза меньше, чем при питанием его от сети с U=const, вследствие того, что в якорной цепи кроме сопротивления якоря двигателя имеется еще и сопротивление якоря генератора, а они ~ одинаковы, т.к. мощность генератора лишь немногим больше мощности двигателя. Но скорость идеального холостого хода, двигателя в разомкнутой системе ГД больше, чем при питании двигателя от сети с U=const, т.к. номинальная ЭДС генератора, определяющая w₀ двигателя, больше, чем номинальное напряжение двигателя, определяющее w₀ при питании его от сети, т.е.

, ибо

.

Характеристика двигателя при питании его от сети с U=U_H изображена пунктиром.

Изменяя поток возбуждения генератора, следовательно, его ЭДС, можно осуществить непрерывное плавное управление моментом и скоростью электропривода во всех 4-х квадрантах координатной системы при b=const. На рис. показано в 1-м квадранте семейство характеристик при Е_Г=var. В разомкнутой системе ГД за счет изменения Е_Г можно получить диапазон регулирования скорости двигателя примерно 10:1. Изменяя же поток двигателя, можно увеличить скорость примерно еще в 3 раза. Т.о. общий диапазон регулирования скорости в такой системе примерно 30:1. На рис. показаны характеристики двигателя и в зоне изменения Ф_ДВ. Они расположены выше основной и жесткость их изменяется.

Механические характеристики двигателя в системе ГД при асинхронном гонном двигателе будут не параллельны, т.к. при изменении нагрузки на валу приводного двигателя будет изменяться скорость гонного двигателя, следовательно и ЭДС генератора, что сказывается и на скорости приводного двигателя. Обычно непараллельностью характеристик при расчетах пренебрегают.

Двигатель в системе ГД может работать во всех режимах. Двигательному режиму соответствует область, заштрихованная в 1 и 3 квадрантах. Режиму динамическому торможению соответствует одна характеристика, проходящая через начало координат. Режиму противовключения соответствует область между осью моментов и характеристикой динамического торможения во 2 и 4 квадрантах.

Генераторному режиму с рекуперацией энергии в сеть соответствует область во 2 и 4 квадрантах, заключенная между осью скоростей и характеристикой динамического торможения.

Основным способом торможения двигателя в системе ГД является торможение с отдачей энергии в сеть. Если уменьшать или снять возбуждения генератора, то ЭДС двигателя станет больше ЭДС генератора. Двигатель превратиться в генератор. Ток в якорной цепи определяемый разностью: изменит направление на противоположное. Генератор превратиться в двигатель, работающий с ослабленным магнитным потоком. Скорость его увеличится и он будет раскручивать гонный двигатель со сверхсинхронной скоростью. Гонный двигатель превращается в генератор. Он будет отдавать в сеть активную энергию, потребляя из сети реактивную энергию.

Кинетическая энергия вращающихся инерционных масс приводным двигателем преобразуется в электрическую, поскольку он теперь работает генератором. В сеть отдается эта энергия за исключением потерь, имеющих место во всех элементах электропривода.

С помощью приведенных выше уравнений динамики для цепи возбуждения генератора, тиристорного возбудителя, уравнения механической характеристики двигателя и уравнения движения электропривода при жестких механических связях, можно построить структурную схему системы ГД, которая имеет вид.

Отпираясь на ранее сделанный анализ переходных процессов в эл.приводе с линейной механической характеристикой при или , можно сказать, что если изменять U_У по закону, обеспечивающему линейное нарастание ЭДС генератора, то в системе ГД и зависимости и будут иметь при прочих равных условиях тот же характер, как и в случае . Отличие структуры системы ГД от рассмотренной ранее структуры разомкнутой системы является наличие в цепи формирования управляющего воздействия 2-х инерционных звеньев с постоянным Т_ТВ и Т_Г=Т_В. При вентильном возбуждении Т_ТВ@0,01с, а Т_В=(1¸4)с. Поэтому величиной ТВ можно пренибречь и структурную схему системы ГД представить в виде:

Из нее следует, что при изменении управляющего воздействия скачком ЭДС генератора и скорость w0 двигателя в системе ГД изменяются по закону, определяемому переходной функцией апериодического звена с постоянной Т_Г=Т_В.

Достоинства системы ГД:

1. Отсутствуют громоздкие пусковые реостаты и потери в них.

2. Управление процессами перенесено в цепи возбуждения, имеющие небольшие токи, что облегчает и удешевляет аппаратуру.

3. Сравнительно высокий диапазон регулирования.

Недостатки системы ГД:

1. Высокая установленная мощность, превышающая в 3 раза мощность приводного двигателя.

2. Сравнительно низкий КПД, равный .

3. Повышенная крутизна механических характеристик.

4. Высокая первоначальная стоимость машинного оборудования.