Автоматическое регулирование скорости АД при использовании

Отрицательной обратной связи по скорости

Для автоматического регулирования скорости АД может быть использована схема релейного регулирования момента, рассмотренная ранее, если ее дополнить отрицательной обратной связью по скорости. В изображенной ниже схеме выходное напряжение регулятора скорости РС является сигналом задания тока U_ЗТ.

U_ЗТ =К_РС ·(U_ЗС -K_OC ·w), где

K_PC – коэффициент усиления регуля­тора РС.

Семейство механических характеристик, соответствующих различным значениям U_ЗС, изображено на следующем графике. Пределы, в которых РС может поддерживать скорость постоянной, ограничены при малых нагрузках реостатной характеристикой 1 (сопротивление R_доб не шунтировано ключом ТК), а при больших – характеристикой 2, которая определяется максимальным значением выходного напряжения регулятора РС, соответствующим его насыщению. Объясняется это тем, что в данной схеме выходное напряжение РС U_ЗТ является сигналом задания тока, а, следовательно, и момента.

Регулирование скорости АД при питании от тиристорного

Регулятора напряжения (ТРН)

Прежде чем проанализировать основные показатели данного способа регулирования скорости АД, рассмотрим работу тиристора на R–L нагрузку, хотя АД и не является только такой нагрузкой, т.к. в нем есть еще ЭДС.

Изменяя угол задержки a открывания вентиля, можно изменять ток, проходящий через нагрузку. Уравнение равновесия ЭДС для этой цепи

.

Решение его для переходного процесса имеет вид:

, где ;

; .

Постоянная А найдется из начальных условий, т.е. с момента подачи на тиристор отпирающего импульса. Т.к. угол a в однофазной схеме отсчитывается от момента перехода напряжения через 0, то ток i² можно представить так:

.

Открывание вентиля происходит в момент w·t=a. Ток i в это время еще равен 0. Поэтому

; отсюда и закон изменения тока i в переходном режиме .

В момент wt=a+l ток переходит через 0 и вентиль закрывается. Если в уравнении вместо wt подставить его значение, выраженное через длительность l прохождения тока через вентиль, то окажется, что при i=0 l=f(a,j) причем

при a<j l>p и A>0

при a=j l=p и A=0

при a>j l<p и A<0.

Кривые изменения U и токов для случая a<j выглядят так:

В случае работы двух вентилей, включенных встречно-параллельно, можно при соответствующих условиях коммутировать обе полуволны питающего напряжения.

При a=j ток в нагрузке будет иметь только периодическую составляющую i¢, а i²=0.

При a>j кривые изменения токов и напряжения на нагрузке будут иметь вид, изображенный на следующем рисунке.

Во время отрицательной полуволны в схеме с двумя вентилями повторится прежняя картина, только ток будет направлен в противоположную сторону.

Таким образом, наличие в фазе двух вентилей позволяет изменять напряжение U_Н на нагрузке и ток нагрузки, но ток будет несинусоидальным, прерыви­стым, а поскольку изменяется напряжение, то это и позволяет регулировать скорость двигателя.

Если рассмотренный коммутатор включить в каждую фазу трехфазной цепи, получим трехфазный коммутатор, а если требуется еще и реверс, нужно иметь пять комплектов встречно-параллельных групп вентилей (см. схему). Кривая напряжения U_Н на двига­теле имеет сложную форму. Кроме первой гармоники она содержит 5, 7, 11 и другие нечетные и некратные трем гармоники. Четных гармоник нет. Оно зависит от a и j.

В системе относительных единиц V₁=1 при a=j. При a>j U₁<U_1Н и V₁<1 . Пределы изменения первой гармоники 0<V₁<1, что соответствует пределу угла регулирования p>a>j. Изменение угла a от 0 до 150⁰ соответствует изменению напряжения на двигателе (нагрузке) от напряжения сети до 0.

Механические характеристики АД при регулировании с помощью ТРН в разомкнутой и замкнутой системах можно получить, имея в виду, что электромагнитный момент двигателя определяется первой гармоникой напряжения. Влиянием высокой частоты можно пренебречь. Поэтому для расчета механических характеристик необходимо знать зависимость первой гармоники напряжения U₁ от a или соответствующего напряжения управления при различных скольжениях S и, соответственно, углах j.

Зависимость первой гармоники напряжения от a и j аналитически не выражается. Но можно построить график зависимости квадрата первой гармоники от a и j. Кривые графика дают возможность определить пределы регулирования АД коммутацией вентилей и позволяют рассчитывать и строить механические характеристики АД. Эти кривые изображены на следующем графике.

Для двигателей с соединением обмотки статора в звезду без нулевого провода при a >115⁰ V₁<0.05, т.е. момент двигателя <5% от М_Н. Это говорит о том, что для этой схемы не имеет смысла делать a >115⁰ и он должен находиться в пределах j<a<115⁰. Механические характе­ри­стики АД при регулировании с помощью ТРН в разомкнутой системе можно рассчитать на основе соотношения:

,

где ; ; .

Здесь М_гр – граничный момент, соответствующий характеристике при a=0;

r_T - активное сопротивление тиристора в проводящем направлении;

r_1å - суммарное сопротивление статора и эквивалентного сопротивления фазы ТРН.

Если им можно пренебречь и в роторной цепи нет добавочного сопротивления, то граничная характеристика, которой соответствует М_гр, совпадает с естественной.

Для построения механической характеристики необходимо для ряда значений S найти М_гр, а затем по графику V₁²=f(j) для каждого a при данном j найти V₁² и по формуле рассчитать значения М. На приведенном ниже графике изображены механические характеристики в разомкнутой системе электропривода.

Угол j определяется предварительно из выражения, полученного согласно схеме замещения:

.

С целью увеличения диапазона регулирования скорости и получения жестких характеристик необходимо плавное автоматическое регулирование напряжения для поддержания заданных значений скорости с помощью отрицательной обратной связи по скорости. Схема, соответствующая этому, изображена на рисунке.

Здесь угол a ТРН изменяется системой СИФУ регулятора напряже­ния, на вход которой подается сигнал U_у от регулятора скорости РС. В цепь СИФУ введен также сигнал U_см сме­ще­ния, с помощью которого при U_у=0 устанавливается минимальное напря­же­ние на выходе ТРН. Для этого, т.е. для установки начального угла регу­лирования a₀,в ТРН имеются соответ­ствующие подстроечные элементы. Сигнал на входе РС определяется раз­ностью напряжения задания скорости U_ЗС и напряжения отрицательной обратной связи U_ОС=K_OC·w по скорости, снимаемого с тахо­генератора ТГ.

Для написания уравнения механической характеристики в замкнутой системе в соответствии со структурной схемой, изображенной выше, можно написать:

или .

Используя эти уравнения, можно рассчитать значения K_РС и U_ЗС, обеспечивающие необходимое значение угловой скорости и жесткости механической характеристики двигателя при его работе в этой системе регулирования.

При работе двигателя с U_ЗС=const скорость его в рабочей зоне механической характеристики системой управления поддерживается приблизительно постоянной. Поэтому для режимов малых отклонений от точки статического равновесия момент двигателя, который пропорционален V₁², можно линеаризовать, т.е. принять равным . Пренебрегая U_см, ранее написанное уравнение для U¢_у можно представить в виде:

или . Т.к. коэффициент усиления регулятора напряжения в системе СИФУ равен , то

, но .

Поэтому ;

отсюда .

Таким образом, при принятых допущениях в замкнутой системе формируется линейная механическая характеристика со скоростью идеального холостого хода w_ОЗС и модулем жесткости b_ЗС, которые определяются заданием U_ЗС и коэффициентом обратной связи по скорости K_OC.

Механические характеристики в замкнутой системе регулирования располагаются в зоне между двумя характеристиками разомкнутой системы, как показано на следующем рисунке. Одна из них соответствует минимальному углу a_мин=j(S₁), равному углу нагрузки j_н, который можно определить по приведенной ранее фор­муле.

Другая характеристика соответствует наибольшему углу a_макс@135⁰. При таком угле момент двигателя М обычно меньше М_хх. Следовательно, при работе АД в замкнутой системе по мере увеличения его нагрузки угол a должен умень­шаться от некоторого a_макс до a_мин.

При отсутствии сигнала управления система управления тиристорами должна вырабатывать импульсы с углом a>a_макс, а с возрастанием сигнала управления по мере увеличения нагрузки двигателя и уменьшении его скорости угол a должен уменьшаться.

Для определения K_РС и U_ЗС, обеспечивающих работу двигателя на характеристике с крайними скоростями w₂ и w₁, можно задавшись этими скоростями, составить систему:

a_макс=a₀ -K₁·K_РС(U_ЗС -K_OC·w₂)

a_мин=j(S₁)= a₀ - K₁·K_РС(U_ЗС -K_OC·w₁), где

S₁ – скольжение, соответствующее скорости w₁, а угол j(S₁) определяется по приведенной ранее формуле.

Вычитая из a_макс величину a_мин, получим

.

Требуемое напряжение задания скорости из написанных уравнений для a_макс и a_мин:

.

Механические характеристики АД в замкнутой системе рассчитываются графоаналитическим способом, с использованием кривых V₁²=f(a,j), зависимости j_н=f(S), уравнения для U¢_у и формулы момента M=M_гр·V₁².

При регулировании скорости АД с помощью ТРН потери в роторной цепи º S. Поэтому допустимый момент при регулировании с независимой вентиляцией двигателя можно определить из выражения для потерь в меди ротора:

, откуда .

Следовательно, для того, чтобы при продолжительной работе с малой скоростью двигатель не перегревался, его нагрузку необходимо снижать в обратной зависимости от S. Для двигателей с самовентиляцией это снижение должно быть большим с учетом ухудшения условий охлаждения по мере роста S.

Указанный недостаток ограничивает область применения системы электропривода с ТРН механизмами, у которых М_c быстро уменьшается с уменьшением скорости, например, механизмами с вентиляторной нагрузкой. Этот способ применяется также в тех случаях, когда в течение рабочего цикла требуется кратковременное снижение w, а основное время двигатель работает на естественной характеристике. Диапазон регулирования в рассмотренной системе Д=(15¸20):1.

Регулируемый электропривод переменного тока с вентильным двигателем (ВД)

Вентильный двигатель представляет собой единую систему, состоящую из синхронного двигателя СД и преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока или с непосредственной связью (НПЧ), вентили которого коммутируются в функции положения ротора или магнитного потока двигателя. Обмотка возбуждения двигателя располагается на роторе и питается от постороннего источника постоянного тока. Есть двигатели с возбуждением постоянными магнитами. В настоящее время в электроприводах небольшой мощности чаще всего используется именно такое возбуждение.

Вентильный коммутатор, т.е. инвертор, управляемый в функции положения ротора, выполняет роль коллектора обычной машины постоянного тока. Он присоединяется к обмотке статора СД и осуществляет распределение постоянного тока с преобразованием его в переменный. Синхронный двигатель, работающий совместно с таким инвертором приобретает свойства машины постоянного тока и иногда его называют бесколлекторной машиной постоянного тока БМПТ или вентильным двигателем постоянного тока. Механические характеристики ВД аналогичны характеристикам двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

Преимущества ВД по сравнению с машиной постоянного тока – отсутствие коллектора, что повышает надежность, позволяет питать двигатель повышенным напряжением, следовательно, осуществлять бестрансформаторное подключение силовой части электропривода к сети. Так, двигатель электропривода ЭПБ-1, выполненный на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе, питается напряжением 520В постоянного тока, что позволяет подключать к сети 380В без трансформатора.

Момент, возникающий в вентильном двигателе (как синхронной машине) подчиняется зависимости

, где

Р_П – число пар полюсов двигателя;

q – угол между осями полей статора и ротора (между векторами потокосцеплений, см. рисунок)

С_М – постоянная момента (коэффициент пропорцио­наль­но­сти между током и моментом ВД, ).

I_м – максимальное мгновенное значение тока одной фазы статора.

Знак минус означает, что направление момента всегда противоположно направлению угла рассогласования q.

С целью ограничения изменений момента электронная система регулирования обеспечивает ограничение изменения угла q в окрестностях 90⁰ в диапазоне ±30⁰ (в ту и другую сторону), как показано на угловой (моментной) характеристике СД. Именно такое регулирование и осуществляется тиристорным коммутатором, т.е. инвертором, в функции положения ротора. Физическое положение ротора определяется с помощью датчика положения ротора ДПР, находящегося на валу двигателя. Переключение фаз двигателя производится, как уже сказано выше, тиристорным коммутатором в функции сигналов ДПР.

Датчик положения ротора состоит из трех пар светофотодиодов, жестко привязанных к статору, в зазоре, между которыми вращается диск, закрепленный на валу ротора. На диске по его периметру имеются прорези. Число их определяется числом пар полюсов ВД. Угловая длина прорези на диске определяется как , а угловое расстояние между парами светофотодиодов как .

Так, если Р_П=1, диск имеет одну прорезь с угловым размером 180⁰, а пары светофотодиодов разнесены в пространстве на 120⁰. При Р_П=4 на диске 4 прорези с угловым размером , а пары светофотодиодов отделены друг от друга в пространстве на угол .

Выходные сигналы ДПР преобразуются схемой распределения в 120 градусные импульсы управления тиристорами, обеспечивая, таким образом, проводящее состояние каждому тиристору в течение 120⁰ за один период сигнала ДПР. Иначе говоря, при вращении ротора 3 пары светофотодиодов вырабатывают 3 последовательных импульса, сдвинутых во времени по отношению друг к другу на 120⁰. По передним фронтам этих импульсов осуществляется включение нечетных тиристоров коммутатора (первого, третьего, пятого), изображенного на схеме (применительно к электроприводу ЭПБ-1), а по задним фронтам – четных (второго, четвертого, шестого). Длительность включенного состояния тиристоров соответствует интервалу проводимости 120⁰. Коммутация тока происходит 6 раз за один период сигнала ДПР.

Алгоритм работы ДПР при одной паре полюсов можно проследить по схеме, указав в таблице последовательность включений тири­сторов. Во включенном состоянии одновременно находятся два тиристора из шести.

Изображенные на схеме транзисторные высокоамперные ключи КЛ1 и КЛ2 выполняют две независимые функции:

a) Обеспечивают режим коммутации тока с тиристора на тиристор ввиду невозможности самостоятельного выключения тиристоров, т.к. поскольку тиристоры ТК в силовой схеме подключаются к источнику постоянного напряжения, то для их отключения и восстанов­ления ими запирающих свойств необходимо кратковременно разрывать силовую цепь ТК.

b) Обеспечивают поддержание заданной величины тока через обмотки двигателя, т.е. участвуют в регулировании тока.

Функция коммутации тока с тиристора на тиристор выполняется путем полного отключения ТК от источника питания. Транзисторы КЛ1 и КЛ2 в этом случае закрываются, протекание тока I через тиристоры ТК прекращается, и они восстанавливают свои запирающие свойства, а реактивный ток i_L двух фаз обмоток двигателя через два диода трехфазного выпрямительного моста возврата реактивной энергии замыкается на источник питания, перезаряжая его. Время обесточенного состояния ТК составляет » 300 мкс.

Чтобы снизить пульсации момента ВД формируется соответствующий график изменения тока статора двигателя, пульсации которого обратны пульсациям момента, как изображено на следующих временных диаграммах.

При регулировании тока используется три режима включения тиристоров (три режима работы ключей КЛ1 и КЛ2).

1. Режим Р2, когда оба ключа включены.

2. Режим Р1, когда в проводящем состоянии находится только один из ключей.

3. Режим Р0, когда оба ключа выключены.

В режиме Р2 напряжение источника питания прикладывается к обмоткам статора

.

Знак ''+'' соответствует двигательному режиму, знак ''-'' – тормозному. При любой скорости U_пит > E_дв.

В режиме Р1, когда, например, замкнут КЛ1, а КЛ2 разомкнут, ток протекает через КЛ1, тиристор V3 фазы статора В, А, диод моста возврата реактивной энергии и снова КЛ1. При таком варианте две обмотки статора ВД являются замкнутыми на себя и такой режим является режимом динамического торможения, для которого уравнение равновесия ЭДС имеет вид:

.

В режиме Р0 ток фаз статора протекает через мост возврата реактивной энергии, направленный навстречу источнику питания. Такой режим является режимом противовключения. Уравнение равновесия ЭДС:

.

Во всех уравнениях r_ф - активное сопротивление двух фаз статора.

Регулирование тока осуществляется двумя комбинациями режимов включения ключом КЛ1 и КЛ2. В двигательном и тормозном режимах малых скоростей регулирование тока осуществляется согласно изображенному графику. В двигательном и тормозном режимах больших скоростей регулирование тока относи­тельно заданного значения осуществляется комбинацией режимов Р1, Р2, Р0, как показано на следующем графике.

Принципиальная схема вентильного двигателя с постоянными магнитами и структурной схемой автоматического управления представлена на следующем рисунке. Система управления привода в этой схеме построена по принципу подчиненного регулирования с последовательной коррекцией. Регулятор тока РТ воздействует на СУВ, изменяя ток и напряжение на входе инвертора УИ. Диапазон регулирования в данной схеме порядка 100%.

В вентильных двигателях средней и большой мощности при скоростях 100¸3000 ^об/_мин часто используют СД обычной конст­рук­ции и естественную коммута­цию вентилей УИ (АИТ) в функции напряжения статора дви­гателя. Такие ВД применяются главным образом в приводах с мало- и медленно изменяющейся длительной нагрузкой. ВД на ско­рости <100 ^об/_мин и >3000 ^об/_мин не могут быть выполнены на основе СД обычной конструкции. Для ВД создаются СД специальных конструкций, в частности, бесщеточные с возбуждением постоянными магнитами. Они выполняются мощностью до 30кВт с максимальной скоростью 3000 ^об/_мин, а также многополюсные тихоходные.

Бесконтактные (бесщеточные) СД мощностью от 30 до 200 кВт при 3000 ^об/_мин выполняются с обмоткой возбуждения, расположенной на статоре. На статоре же располагается и трехфазная обмотка якоря. Ротор представляет безобмоточный магнитопровод, напоминающий зубчатое колесо, через зубцы которого замыкается магнитный поток обмотки возбуждения и якорной обмотки. Ротор вращается синхронно с полем, создаваемым током трехфазной обмотки статора, т.е. якоря.

Т.к. ВД обладает характеристиками машины постоянного тока независимого возбуждения, то все способы регулирования его угловой скорости характеризуются такими же показателями, что и у ДНВ, (изменением напряжения и тока возбуждения). Но в случае преобразователя частоты инверторного типа энергетические показатели регулирования у ВД хуже из-за двукратного преобразования энергии. Несколько хуже оказывается и стабильность скорости и, как следствие, меньше диапазон регулирования вниз от основной скорости, т.к. механические характеристики ВД мягче, чем у ДНВ той же мощности.

У ВД можно получить и характеристику двигателя последовательного возбуждения, если обмотку возбуждения включить последовательно в цепь выпрямленного тока на входе инвертора. Но в отличие от случая питания обычного двигателя последовательного возбуждения от сети постоянного тока, когда он не имеет конечной скорости идеального холостого хода w₀ и не может работать в режиме с рекуперацией энергии в сеть, за счет применения системы подчиненного регулирования тиристорами управляемого выпрямителя УВ которая уменьшает напряжение на статоре (якоре) и ток в нем при снижении нагрузки, характеристики двигателя оказываются примерно такими же, как и у ДНВ с w₀ и являются практически линейными. Возможен и генераторный режим с рекуперацией энергии в сеть. В этом случае УВ переводится в инверторный режим, а управляемый инвертор – в выпрямительный при w>w₀.

Перспективно применение ВД для мощных тихоходных электроприводов, например, для шаровых мельниц, и сверхбыстроходных (до 10000 ^об/_мин) сверхмощных электроприводов, например, нагнетателей, в шаговом электроприводе, в асинхронных электромеханических каскадах, станочном электроприводе, в многодвигательных регулируемых электроприводах с синхронной связью.