Регулирование координат в разомкнутых структурах

3.5.1. Реостатное регулирование

Реостатное регулирование — самый простой и самый неблагоприятный способ регулирования скорости и (или) момента. В якорную цепь последовательно, если питание осуществляется от источника напряжения (рис. 3.11, а), включаются дополнительные резисторы.

В соответствии с (3.4) и (3.5) скорость идеального холостого хода при и включении не изменится:

а наклон характеристик будет увеличи-

ваться пропорционально Воспользовавшись (3.12), получим

при

где

Соотношение (3.13) позволяет легко решить прямую задачу — построить характеристики, если задано и обратную — найти и для заданной характеристики. Так, на рис. 3.11, б

В электроприводе с двигателем последовательного возбуждения при (рис. 3.12, а) и известной естественной характеристике

можно использовать уравнение искусственных характеристик при реостатном регулировании

и получить соотношение для расчета для любого тока:

Механическая характеристика может быть построена по известной зависимости Примерный вид механических характеристик при реостатном регулировании показан на рис. 3.12,6.

Итак, если воспользоваться показателями регулирования, изложенными в гл. 2, то получим для традиционного варианта следующие оценки реостатного способа регулирования.

1. Регулирование однозонное — вниз от основной скорости, так как,вводя мы увеличиваем и все искусственные характеристики вI квадранте располагаются ниже естественной.

2. Диапазон реостатного регулирования невелик (2 + 2,5): 1 при изменении на 40 — 50 %.

Стабильность скорости — низкая, жесткость характеристик падает с ростом Из (2.5) имеем

где (в дальнейшем, желая подчеркнуть неизменность потока

возбуждения двигателя, мы будем часто пользоваться символом с).

Тогда Это свойство реостатного регулирова-

ния часто существенно осложняет его использование при не-

большое случайное изменение на низких скоростях приводит к значительному изменению

3. Реостатное регулирование — ступенчатое, так как сопротивлениерезистора в якорной цепи допускает лишь дискретное изменение. Получение большого числа ступеней затруднено, так как требует большого количества коммутирующих аппаратов (контакторов).

4. При принятых ранее допущениях (внешний обдув) можно считать,что на любой реостатной характеристике, так как магнитныйпоток неизменен.

5. Потери энергии при регулировании значительны и связаны с глубиной регулирования. Это непосредственно вытекает из способа регулирования: скорость изменяется за счет включения резистора — элемента,превращающего поступающую в него электрическую энергию в тепло.Найдем количественную оценку потерь мощности (энергии) при реостатном регулировании. Умножив обе части уравнения (3.3) на /, получимуравнение баланса мощностей

где — мощность, потребляемая из сети; — электромаг-

нитная мощность, преобразуемая в механическую; — потери

мощности в якорной цепи.

Выразив через магнитный поток и скорость в соответствии

с (3.1) и использовав (3.2), будем иметь:

Этот результат — потери мощности пропорциональны относительному перепаду скорости — очень важен и, как мы увидим далее, универсален, применим к ряду других случаев.

6. Капитальные затраты на реостатное регулирование сравнительноневелики: к двигателю добавляются лишь резисторы и коммутационнаяаппаратура.

Оценивая реостатное регулирование по всем показателям, нетрудно видеть, что это весьма несовершенный способ регулирования. Вместе с тем, он все еще применяется на практике (подъемно-транспортные установки, общепромышленные механизмы и т.п.), когда источником питания является сеть постоянного тока. Это объясняется практическим отсутст-

вием до недавнего времени других возможностей регулировать скорость вниз от основной при питании от сети постоянного тока

Разновидностью реостатного регулирования при U = t/_HOM являются схемы с шунтированием якоря двигателя, несколько расширяющие регулировочные возможности.

Отличие этого способа от ранее рассмотренного состоит в том, что в первом случае при идеальном холостом ходе двигателя напряжение на якоре равно напряжению сети для всех реостатных характеристик и не зависит от сопротивления якорной цепи. В схеме с шунтированием якоря при напряжение на якоре двигателя меньше напряжения сети и по-

этому скорость идеального холостого хода снижается в зависимости от соотношения сопротивлений добавочного и шунтирующего

Включение резисторов в якорную цепь при и ис-

пользуется для ограничения тока при пуске и реверсе электропривода, поскольку, как подчеркивалось, тогда как на естест-

венной характеристике

Пример схемы силовых цепей при пуске и реверсе приведен на рис. 3.13, а, соответствующая диаграмма — на рис. 3.13, б.

Построив естественные характеристики и назначив подби-

рают искусственные характеристики так, чтобы в примере ука-

заны две пусковые и одна тормозная ха-

рактеристики. Резистор включается в режиме противовключения. Контакты контакторов В и Я определяют направление вращения, контакты размыкаясь, вводят в цепь соответствующие резисторы. Стрелками на диаграмме указан ход процессов пуска и реверса. Резисторы могут использоваться и для регулирования скорости.

Задача схемы управления состоит в своевременной подаче сигналов на замыкание и размыкание контактов В простых элек-

троприводах, подобных приведенному в примере, схемы управления обычно строятся на основе электромагнитных реле, в более сложных используются контроллеры на средствах современной микроэлектроники.

В приведенной схеме исходное состояние всех контактов — разомкнутое. Процесс пуска может быть начат при включенной предварительно обмотке возбуждения подачей сигнала на замыкание В или Я, что должно вызвать замыкание контактора противовключения и разбег привода при введенных . При достижении точки пе-

ресечения первой пусковой характеристики с вертикалью должен быть подан сигнал на замыкание Это может быть сделано в функции времени, когда реле отсчитает предварительно заданную выдержку времени и подаст сигнал, в функции тока якоря — он должен уменьшиться до величины, определяемой в функции скорости — она должна вырасти до величины, определяемой пересечением характеристики и вертикали в функции ЭДС якоря и т.д. Очевидно вместе с jcm, что в схеме должен быть датчик, сообщающий информацию о величине, в функции которой осуществляется управление.

Замыкаясь, контакты шунтируют ступень пускового резистора и переводят привод на характеристику, соответствующую затем на естественную, где привод работает в установившемся режиме.

Для реверса подается сигнал на размыкание контактов контактора В, если было вращение «Вперед» и сразу следующий за ним сигнал на замыкание Я; одновременно должны быть поданы сигналы, приводящие

в разомкнутое состояние. После торможения процесс пуска повторяется, но при обратном направлении вращения.

Изложенное может рассматриваться как краткий алгоритм работы схемы на рис 3.13, а безотносительно к аппаратной реализации: в качестве контактов-ключей В, Ни других могут использоваться различные технические средства.

Логические и вычислительные операции в реальном времени может выполнять программированный логический контроллер (ПЛК). Выпускаются и считаются вполне рентабельными ПЛК с 5—10 дискретными входами/ выходами, заменяющие всего несколько реле. Кроме того, ПЛК может выполнять много других необходимых в современных технологических структурах функций: обеспечивать работу привода в общей информационно-управляющей сети предприятия с визуализацией выполняемых операций, использоваться для диагностики неисправностей и т.д. [5].

Программируемые логические контроллеры, выпускаемые в различных форматах (малые, средние и мощные ПЛК), стали универсальным и весьма эффективным современным средством автоматизации технологических процессов и управления электроприводами, обслуживающими технологические процессы,

3.5.2. Регулирование скорости изменением магнитного потока

Схема включения двигателя для регулирования скорости изменением магнитного потока приведена на рис. 3.14. Будем полагать, что якорная цепь двигателя без каких-либо добавочных резисторов подключена к источнику с напряжением а цепь возбуждения питается от усилителя-возбудителя В (рис. 3.14) или в простейшем случае оттого же источника через добавочный резистор. Электрические машины общего назначения рассчитаны таким образом, что номинальному току возбуждения соответствует магнитный поток на колене кривой намагничивания. Типичная усредненная кривая намагничивания для ряда машин показана на рис. 3.15. Так как соответствует допустимому нагреву обмоток возбуждения, то при регулировании скорости в условиях продолжительной работы ток возбуждения можно только уменьшать.

Электромеханические и механические характеристики двигателя при ослаблении поля показаны на рис. 3.16, а, б (нерабочие участки изображены штриховыми линиями). Скорость идеального холостого хода

растет с уменьшением потока. Так как ток короткого замы-

кания не зависит от степени ослабления поля, все электромеханические характеристики пересекаются в одной точке (следует пом-

нить, что ток короткого замыкания для машин общего назначения может во много раз превосходить допустимый). Момент короткого замыкания уменьшается с уменьшением потока (рис. 3.16, б).

Произведем оценку регулирования изменением магнитного потока.

1. Регулирование скорости при однозонное — вверх от основной скорости. Это главный недостаток способа, существенно ограничивающий область его применения. Способ обычно применяется в сочетании с другими, позволяющими регулировать скорость вниз от основной. Стабильность скорости относительно высокая — характеристикижесткие (следует помнить, что ).

2. Диапазон регулирования скорости может быть значительным —до (3+4): 1.

3. Регулирование скорости плавное, можно получить характеристики,расположенные как угодно близко друг к другу.

4. В связи с тем что регулирование скорости при достигаетсяуменьшением магнитного потока, на искусственных характеристиках (линия со штриховкой на рис. 3.16, б). Из уравнения(3.4), в котором следует:

или

т.е. при данном способе регулирования неизменна допустимая мощность, снимаемая с вала машины на искусственных характеристиках.

5. Простота реализации рассматриваемого способа регулирования иотсутствие дополнительных элементов в силовой цепи, в которых рассеивается энергия, делают способ весьма эффективным с экономической

точки зрения: регулирование не сопровождается дополнительными потерями энергии.

6. Капитальные затраты на регулирование также весьма низкие, что связано с малой мощностью цепи возбуждения, которая на 1,5—2 порядка меньше, чем мощность двигателя.

3.5.3. Регулирование скорости изменением напряжения на якоре

Схема электропривода, обеспечивающая регулирование напряжения на якоре, показана на рис. 3.17, о. Этот способ.регулирования предполагает использование силового управляемого преобразователя УП, установленная мощность которого не меньше мощности двигателя. Из уравнений (3.4) и (3.5) следует, что при изменении U (в данном случае ЭДС преобразователя ) пропорционально изменяется лишь а не зависит от т.е. семейство искусственных характеристик при

— параллельные прямые с наклоном несколько большим, чем у естественной характеристики двигателя, поскольку сопротивление преобразователя), — рис. 3.17, б; предполагается, что УП имеет двустороннюю проводимость.

Уравнения характеристик при входном напряжении равном

напряжению задания

и

где — коэффициент передачи УЯ.

Свойства У77 оказывают влияние на вид характеристик. Так, при использовании преобразователей с односторонней проводимостью характеристики располагаются лишь в I и IV квадрантах.

Для выполненных в виде управляемых выпрямителей на полупроводниковых элементах (тиристорах), при малых токах характерен режим прерывистых токов, что проявляется в изменении жесткости характеристик в этой зоне.

Проведем оценку рассматриваемого способа регулирования скорости.

1. Регулирование однозонное, вниз от основной скорости.

2. Диапазон регулирования в разомкнутой структуре (8 +10): 1, стабильность скорости достаточно высокая.

3. Регулирование плавное.4.

5. Способ экономичен в эксплуатации, поскольку не используются дополнительные резисторы, рассеивающие энергию. Кроме того, как будетпоказано ниже, при управлении напряжением удается существенно снизить потери энергии в переходных процессах и обеспечить наиболее благоприятное их протекание.

6. Капитальные затраты определяются типом используемого управляемого преобразователя. Следует отметить, что при управлении напряжением отпадает необходимость в пусковых и тормозных резисторахс соответствующей коммутационной аппаратурой. Способ часто используется в сочетании с ослаблением поля и является основным при построении замкнутых структур электропривода.