Задачи и принципы регулирования скорости электроприводов
Регулирование скорости движения рабочих органов механизмов производится обычно с целью увеличения производительности или достижения требуемого качества работы механизма. Вообще регулированием скорости электропривода называется принудительное ее изменение в зависимости от требований технологического процесса. Понятие регулирования скорости не следует смешивать с естественным ее изменением, возникающим в электроприводах при изменении нагрузки на валу производственного механизма.
Наибольшее применение в настоящее время имеют электрические способы регулирования скорости воздействием на электродвигатель. Механическое регулирование скорости имеет ограниченное применение и обычно сочетается с электрическим.
Различают параметрические способы регулирования скорости, связанные с изменением параметров цепей двигателя, и способы, основанные на изменении напряжения источника питания, а для двигателей переменного тока – еще и частоты напряжения или тока. Наиболее просто с точки зрения технической реализации регулирование скорости осуществляется в разомкнутых системах, однако область применения способов, основанных на изменении параметров и управляющих воздействий в разомкнутых системах, постепенно сужается. Все большее значение приобретает автоматическое регулирование скорости по отклонению и по возмущающим воздействиям с использованием обратных связей, т.к. это существенно повышает точность, улучшает динамику системы, улучшает динамические показатели точности и качества регулирования.
Реостатное регулирование скорости
Этот способ регулирования возможен как в случае двигателей постоянного тока, так и АД с фазным ротором. Введение добавочного сопротивления в цепь якоря ДПТ или ротора АД как средство регулирования тока и момента, рассмотренное ранее, может использоваться и для регулирования скорости. Однако иная цель введения и изменения сопротивлений вносит существенные отличия в оценку ряда показателей регулирования. Регулировочные сопротивления должны быть рассчитаны, в отличие от пусковых, на длительное протекание тока.
Регулирование возможно только вниз от основной скорости. Жесткость механических характеристик уменьшается с увеличением Rдоб. Вследствие этого диапазон регулирования w сильно зависит от величины нагрузки, уменьшаясь с уменьшением последней, что видно из графика механических характеристик, приведенного ниже. При идеальном холостом ходе в случае ДНВ, ДСВ, АД регулирование вообще невозможно. Точность регулирования снижается при увеличении Rдоб. Введение Rдоб приводит к снижению средней скорости от wср.макс на естественной характеристике до wср на реостатной характеристике, соответствующей Мс.ср.
Изменение статической нагрузки от Мс.мин до Мс.макс вызывает абсолютную ошибку регулирования
,
где bи - модуль жесткости искусственной характеристики.
Относительная ошибка:
. Видно, что по мере уменьшения жесткости абсолютная и относительная ошибки увеличиваются, причем особенно быстро увеличивается
, т.к. при увеличении Rдоб уменьшается как wср так и bи. Точность регулирования дополнительно снижается вследствие, например, изменения Uсети, температурных изменений сопротивления обмоток двигателя и других факторов.
Плавность регулирования ограничивается числом ступеней регулировочного реостата. Обычное их число на панелях управления 3 – 6.
С точки зрения первоначальных затрат этот способ недорог и отличается простотой реализации, однако, в регулировочном реостате теряется значительная энергия. КПД быстро снижается по мере увеличения Rдоб. Потери мощности пропорциональны потребляемой мощности Р и относительному перепаду скорости, а для АД – скольжению, т.е.
∆Р2=М(w0-w)=М·w0·S=P·S.
Действительно, например, потери в якорной цепи двигателя независимого возбуждения:
Это значит, что при P = const и уменьшении скорости w в 2 раза около половины мощности потребленной из сети, теряется в добавочном сопротивлении. С точки зрения потерь мощности ∆Р2 особенно невыгодным является регулирование при Mс =const.
Что касается cosj АД, то при реостатном регулировании скорости он сохраняется на уровне номинального значения. Действительно, из выражения тока ротора следует
или
,
откуда .
Электромагнитный момент, как следует из его выражения, при
не зависит от сопротивления роторной цепи.
Без учета намагничивающего тока и
,
где y2 - угол сдвига по фазе между током ротора и ЭДС ротора.
Анализ этого выражения после подстановки в него значения S показывает, что cosy2 при реостатном регулировании скорости и M = Mс = const остается неизменным при разных скоростях. Следовательно, не меняется и коэффициент мощности двигателя
.
Что касается допустимой нагрузки при реостатном регулировании w, то в случае двигателей постоянного тока, имеющих независимую вентиляцию, при номинальном токе поток также является номинальным и допустимый момент равен Мдоп=кФн·Iя.н=Мн=const. То же можно сказать и о допустимой нагрузке АД:
.
Таким образом, реостатное регулирование w при независимой вентиляции двигателя является регулированием при постоянном моменте. Мощность же изменяется пропорционально изменению скорости
Р= М·w º w.
Это значит, что по условиям допустимой нагрузки данный способ регулирования w наиболее целесообразен для механизмов, у которых Mс = const.
Для ДНВ этот способ применяется в тех случаях, когда требования к плавности регулирования невелики, продолжительность работы с пониженной скоростью незначительна. Диапазон регулирования при условии Mс = constД=(2¸2,5).
Регулирование ДПВ и ДСВ этим способом широко применяется в электроприводах подъемно-транспортных механизмов. Обычный диапазон регулирования не превосходит 3:1. То же можно сказать и относительно реостатного регулирования скорости АД. Он ограничивается величиной (2¸3):1.
Отметим, что более благоприятным в отношении потерь мощности в роторной цепи АД является реостатное регулирование при вентиляторной нагрузке, когда подводимая мощность значительно уменьшается по мере снижения w.