Часть 2: Замкнутые системы электропривода

ТЕОРИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Часть 2: Замкнутые системы электропривода

Шпоры

для студентов специальности 7.092201 "Электрические системы

и комплексы транспортных средств"

по специализации 7.092201.02 "Эксплуатация судовых

автоматизированных систем"

Керчь - 2006 г

УДК 62-83-52 (075.8)

Дворак Н.М. Теория электропривода. Часть 2: Замкнутые системы электропривода: Конспект лекций. – Керчь: КГМТУ, 2006. – 80 с.

Рецензенты: Катюха А.А.,к.т.н., доц. зав.каф. АЭП Таврической Государственной агротехнической академии

Титов В.В., к.т.н., доц. каф. ЭСиАП КГМТУ

В конспекте лекций изложены вопросы автоматического регулирования электромеханических систем с электроприводами постоянного и переменного токов: теории модального управления с подчиненным регулированием момента, частоты вращения и положения, скалярного и векторного управления электроприводами переменного токов.

Конспект лекций рассмотрен и одобрен на заседании

кафедры ЭСиАП КМТИ, протокол № 4 от 19.12.2005 г.

Конспект лекций рассмотрен и одобрен на учебно-методическом

совете МФ КМТИ, протокол № 5 от 27.02.2006 г.

Конспект лекций утверждены на Ученом совете КМТИ,

протокол № 6 от 02.03.2006 г.

© Керченский государственный морской технологический университет

Тематика лекционных занятий

(выписка из рабочей программы дисциплины)

Темы занятий	Час
СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ КООРДИНАТ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Показатели качества. Методы последовательной коррекции, подчиненного регулирования и модального управления с настройками на технический и симметричный оптимум
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ КООРДИНАТ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ДПТ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Модель ЭП с ДПТ независимого возбуждения с жесткими и упругими связями
Автоматическое регулирование момента в системе УП-Д
Автоматическое регулирование частоты вращения в системе УП-Д
Автоматическое регулирование положения в системе УП-Д
СИСТЕМЫ СКАЛЯРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АД
Электрические схемы замещения АД. Механические характеристики
Автоматическое регулирование частоты вращения АД с короткозамкнутым ротором изменением величины напряжения питания
Автоматическое регулирование момента АД с короткозамкнутым ротором при питании его от ПЧ с АИН и АИТ
Автоматическое регулирование частоты вращения АД с короткозамкнутым ротором при питании его от ПЧ
Автоматическое регулирование частоты вращения АД с фазным ротором (импульсное регулирование и АВК)
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АД В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ
Обобщенная математическая модель АД в физических переменных
Двухфазная модель АД в раздельных осях статора и ротора
Двухфазная модель АД в осях u-v, общих для статора и ротора, вращающихся в пространстве с произвольной частотой. Вращающий момент
Уравнения АД в осях α-β, общих для статора и ротора. Структурная схема АД в осях α-β. Расчеты токов обмоток
СИСТЕМЫ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АД
Уравнения и структурная схема АД в осях х-у, ориентированных по потокосцеплению ротора при постоянстве величины
Структурная схема системы векторного управления АД
Блоки системы векторного управления АД
Векторное управление АД с использованием наблюдателей потокосцепления ротора и частоты вращения
Всего лекций:

Общий объём дисциплины - 270 часов

Общий объем 2-й части дисциплины - 135 часов

Содержание

Введение.............................................................................................................................. 6

І. ВВОДНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

ЗАМКНУТОГО ТИПА................................................................................................... 7

1. Виды схем регулирования координат электропривода и показатели

качества......................................................................................................................... 7

2. Методы последовательной коррекции и модального управления с

настройками на технический и симметричный оптимум................................ 9

3. Метод последовательной коррекции с подчиненным регулированием

координат..................................................................................................................... 12

II. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА....................................................... 15

4. Модель ЭП с двигателем постоянного тока независимого возбуждения

с жесткими связями..................................................................................................... 15

5. Модель ЭП с двигателем постоянного тока независимого возбуждения

с упругими связями..................................................................................................... 17

6. Автоматическое регулирование момента в системе УП-Д с

П-регулятором............................................................................................................. 19

7. Автоматическое регулирование момента в системе УП-Д с

настройками на технический и симметричный оптимумы............................. 21

8. Автоматическое регулирование частоты вращения в системе УП-Д

с П-регулятором.......................................................................................................... 24

9. Автоматическое регулирование частоты вращения в системе УП-Д,

настроенной на технический оптимум................................................................. 25

10. Автоматическое регулирование частоты вращения в двухконтурной

системе УП-Д, настроенной на технический оптимум.................................... 27

11. Автоматическое регулирование частоты вращения в двухконтурной

системе УП-Д, настроенной на симметричный оптимум................................ 30

12. Автоматическое регулирование положения в системе УП-Д

с подчиненным регулированием............................................................................ 31

ІII. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА СО СКАЛЯРНЫМ

УПРАВЛЕНИЕМ............................................................................................................ 33

13. Уравнения АД в комплексных переменных. Электрические схемы

замещения АД. Механические характеристики................................................ 33

14. Автоматическое регулирование частоты вращения АД с коротко-

замкнутым ротором изменением величины напряжения питания................ 35

15. Автоматическое регулирование момента АД с короткозамкнутым

ротором при питании его от ПЧ с АИН................................................................ 38

16. Автоматическое регулирование момента АД с короткозамкнутым

ротором при питании его от ПЧ с АИТ................................................................. 41

17. Автоматическое регулирование частоты вращения АД с коротко-

замкнутым ротором при питании его от ПЧ....................................................... 44

18. Импульсное регулирование частоты вращения АД с фазным ротором.. 46

19. САР частоты вращения АД с фазным ротором на базе асинхронно-

вентильного каскада (АВК)..................................................................................... 48

IV. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ВЕКТОРНЫМ

УПРАВЛЕНИЕМ............................................................................................................ 51

20. Обобщенная математическая модель АД в физических переменных...... 51

21. Двухфазная модель АД в раздельных осях статора и ротора................... 53

22. Двухфазная модель АД в осях u-v, общих для статора и ротора,

вращающихся в пространстве с произвольной частотой............................... 56

23. Дифференциальные уравнения обмоток АД в осях u-v. Выражения

вращающего момента............................................................................................... 58

24. Уравнения и структурная схема АД в осях α-β, общих для статора

и ротора. Расчеты токов обмоток.......................................................................... 60

25. Уравнения АД в осях х-у, ориентированных по потокосцеплению Ψ₂

ротора, при Ψ₂=const................................................................................................. 63

26. Структурная схема АД в осях х-у, ориентированных по потоко-

сцеплению ротора при Ψ₂=const............................................................................ 66

27. Структурная схема системы векторного управления АД............................ 68

28. Блоки преобразователей фаз АЭП с векторным управлением АД............ 70

29. Блоки восстановителя потокосцепления ротора и тригонометри-

ческого анализатора................................................................................................. 73

30. Блоки преобразования координат и блок компенсации. Подсистема

ввода информации...................................................................................................... 74

31. Векторное управление АД с использованием наблюдателя потоко-

сцепления ротора....................................................................................................... 76

32. Векторное управление АД с использованием наблюдателя частоты

вращения....................................................................................................................... 77

Литература......................................................................................................................... 80

Введение

Теория автоматизированного электропривода как составляющая часть теории электропривода имеет как обязательную систему автоматического управления замкнутого типа, содержащую цепи обратной связи и регуляторы. Именно такой тип автоматизированного электропривода (АЭП) является наиболее применимым на практике, так как им легко решаются задачи компенсации разнообразных возмущений даже без того, чтобы возмущения измерялись и сигналы возмущений использовались непосредственно в управлении.

Основополагающими принципами построения АЭП являются принципы модального управления и подчиненного регулирования координат. На базе этих принципов созданы простые методы решения задачи синтеза АЭП, реализация этих принципов позволяют получать АЭП высокого качества по совокупности статических, динамических и эксплуатационных показателей.

Наиболее значительные результаты достигнуты в вопросах синтеза и коррекции АЭП на основе двигателей постоянного тока. Эти АЭП имеют наилучшую управляемость и для них технические средства управления являются достаточно доступными и отработанными. Однако эти АЭП слишком дороги в эксплуатации и имеют низкую надежность.

В настоящее время электропривод постоянного тока стремительно вытесняется электроприводом переменного тока на базе АД с короткозамкнутым ротором. Предпосылкой такого распространения АЭП переменного тока являются значительные успехи в развитии элементной базы силовой части АЭП переменного тока, базирующейся на новых типах силовых транзисторов, и устройствах управления, базирующихся на микропроцессорной технике.

Наиболее высокие темпы применения в промышленности имеют АЭП переменного тока с векторным управлением. Эти электроприводы по управляемости и качественным показателям ни в чем не уступают АЭП с двигателями постоянного тока, но гораздо дешевле и надежнее последних. Векторное управление АД основано на использовании в качестве управляющих сигналов некоторых математических объектов-сигналов, которые реально не наблюдаемы. Поэтому векторное управление требует больших вычислительных мощностей от устройств управления. Эта проблема в настоящее время успешно решается с использованием цифровых сигнальных процессоров, которые специализированы для применения их в системах управления двигателями (серия Motor Control).

Знание принципов построения различных АЭП замкнутого типа и, в особенности, АЭП с векторным управлением является необходимым условием квалифицированной эксплуатации этих электроприводов.

В конспекте лекций номера тем являются номерами лекций.

1. Виды схем регулирования координат

электропривода и показатели качества

Координатами автоматизированного электропривода (ЭП) являются вращающий момент М, частота вращения ω, угол поворота вала φ электрического двигателя, перемещение L. Схемы управления ЭП подразделяются на схемы разомкнутого и схемы замкнутого типа (рис.1.1).

ЭП со схемами управления разомкнутого типа относится к ЭП с параметрическим управлением, в котором регулирование координат осуществляется заданием параметров входных сигналов, таких как: величины U, I и частота f напряжения и тока, величины сопротивления R цепей обмоток машин и др. При параметрическом управлении в принципе невозможно получить точные значения регулируемых координат в условиях случайно изменяющихся значениях момента сопротивления нагрузки и момента инерции. Регулятора координат в разомкнутом ЭП нет, а есть только устройства задания управляющих сигналов. Примерами такого ЭП являются электроприводы якорно-швартовных устройств, грузовых кранов и лебедок.

ЭП со схемами управления замкнутого типа относится к ЭП, использующему обратные связи по выходным координатам. В состав ЭП входят регуляторы. В ЭП замкнутого типа возможно регулирование координат с заданными показателями качества при произвольных изменениях момента сопротивления нагрузки и ее момента инерции. Примерами такого ЭП являются электроприводы гребных электрических установок, траловых лебедок.

Показатели качества устанавливаются отдельно для ЭП разомкнутого и замкнутого типа.

Разомкнутое регулирование

Схема на рис.14.1 содержит регулятор напряжения, которым поддерживается на статоре АД напряжение, действующее значение которого U₁ равно заданному u_ЗН. Частота напряжения постоянно равна сетевой ω_С. Механические характеристики при изменении U₁ изменяются так, что критическое скольжение s_KP остаётся постоянным, а критический момент изменяется пропорционально (13.6). АД может работать только на устойчивом участке механической характеристики при s<s_KP. Диапазон регулирования частоты, равный разности частот вращения в точках 1 (при номинальном напряжении) и 2 (при минимально допустимом напряжении) зависит от величины момента сопротивления М_С нагрузки – чем больше М_С, тем больше диапазон. В любом случае указанный диапазон не превышает 15…20 % от номинальной частоты вращения, что является недостатком разомкнутого регулирования.

Замкнутое регулирование

В САР замкнутого типа (рис.14.2) введена обратная связь по скорости (сигнал u_OCC) и регулятор скорости РС. Источник напряжения регулируемый (ИНР) изменяет напряжение U₁ статора по действием сигнала u_РC до тех пор, пока наступит равенство сигналов u_OCC и u_ЗC, что соответствует равенству заданной ω_З и фактической ω частот вращения АД.

Особенностью схемы САР частоты вращения замкнутого типа является то, что ею обеспечивается устойчивая работа АЭП как на устойчивом, так и на неустойчивом участках механической характеристики АД. Этим обеспечивается возможность регулирования частоты вращения во всем диапазоне скоростей двигательного режима – от 0 до ω_С. Для доказательства этого произведем вывод механических характеристик АЭП для установившихся режимов работы привода, содержащего двигатель, источник напряжения регулируемый и элементы автоматики.

Считая естественную характеристику М_ЕСТ АД базовой, все искусственные характеристики М определяем согласно пропорции

(14.1)

Выразим естественную механическую характеристику как функцию частоты вращения ω:

(14.2)

Напряжение U₁ согласно функциональной схемы рис.14.2 определится как

(14.3)

где k_ИHP, k_PC и k_OCC – коэффициенты передачи ИНР, РС (регулятор скорости принят П-типа) и цепи обратной связи;

k_Σ – общий коэффициент усиления блоков автоматики.

Подставив в (14.1) выражения (14.2) и (14.3), получим выражение механической характеристики автоматизированного электропривода (рис.14.2):

(14.4)

Семейство механических характеристик АЭП при различных значениях ω_ЗС, приведено на рис.14.3. Характеристики АЭП имеют S-образный вид. При частотах ω_ЗС и ω_С момент М обращается в ноль. Рабочие участки механических характеристик, имеющие отрицательный наклон, выходят из значений частоты холостого хода, равных сигналу задания ω_ЗС.

Как видно из рис.14.3, механические характеристики получаются довольно мягкими, особенно в области малой нагрузки – малого момента сопротивления М_С. Жесткость β рабочего участка механической характеристики АЭП

(14.5)

может быть сделана сколь угодно большой за счет увеличения общего коэффициента усиления k_Σ. Однако, с увеличением k_Σ увеличивается также напряжение U₁ статора АД (14.3). Увеличивать U₁ можно до значения номинального напряжения U_1НОМ., иначе возникнет перегрузка по току обмотки статора АД. Более того, при частотах вращения меньших ω_КР, необходимо даже снижать напряжение U₁ с тем, чтобы уменьшить ток статора I₁, который при ω< ω_КР и при U₁= U_1НОМ практически равен пусковому значению I_1ПУСК (рис.14.2).

Следовательно, реально не удастся получить жесткие механические характеристики АЭП, что является недостатком способа регулирования частоты вращения АД изменением только величины напряжения U₁ статора.

15. Автоматическое регулирование момента

АД с короткозамкнутым ротором

при питании его от ПЧ с АИН

Необходимость автоматического регулирования момента обоснована в теме 6. Кроме того контур регулирования момента входит как подчиненный контур в САР частоты вращения. Введение подчиненного регулирования позволяет обойтись без Д-части в регуляторе скорости.

При частотном управлении моментом АД ставят целью поддержать постоянным либо потокосцепление Ψ₁ статора (в АЭП с АИН), либо потокосцепление Ψ₂ ротора (в АЭП с АИТ). Реализация таких управлений позволяет получить механические характеристики АЭП с ПЧ вида

М=С_М(ω₁ -р_Пω) = С_М р_П (ω₀ –ω), (15.1)

где С_М – постоянный коэффициент; ω₁ – частота питающего напряжения;

ω₀ – синхронная частота вращения поля статора; ω – частота вращения ротора; р_П – число пар полюсов статора АД.

Эти характеристики подобны механическим характеристикам ДПТ

(15.2)

На рабочем участке механическая характеристика АД описывается приближенным выражением

(15.3)

При питании АД от ПЧ с АИН можно независимо изменять величину U₁ и частоту ω₁ напряжения статора. Найдем законы изменения U₁ и ω₁, при которых будет Ψ₁=const. Из уравнения статора для установившегося режима получаем

(15.4)

Если пренебречь малым значением падения напряжения R₁I₁ на активном сопротивлении R₁ обмотки статора, то условие постоянства Ψ₁ достигается при пропорциональном изменении U₁ и ω₁

(15.5)

Соотношение (15.5) показывает, что сигналы задания для контуров регулирования величины U₁ и частоты ω₁ напряжения в схеме АЭП должны быть прямо пропорциональными друг другу. При законе регулирования (15.5) критический момент М_КР у всех характеристик АД один и тот же (13.6). Поэтому при питании АД с условием Ψ₁=const его механическая характеристика (15.3) подобна (15.1).

Функциональная схема САР момента при питании АД от ПЧ с АИН приведена на рис.15.1. Применить в схеме классическую отрицательную обратную связь по моменту (рис.15.2) невозможно из-за отсутствия надежных и дешевых датчиков момента промышленного применения. Вместо обратной связи по моменту в схеме применена положительная обратная связь по скорости с сигналом u_ОСС. Датчиком частоты вращения является тахогенератор ТГ. С такой нестандартной обратной связью при определенных соотношениях между параметрами звеньев автоматики оказывается возможным управление моментом так, чтобы механическая характеристика АЭП имела вид (15.1).

Для доказательства этого примем:

- регулятор момента РМ П-типа с коэффициентом передачи k_РМ ;

- коэффициент обратной связи по скорости k_ОСС ( );

- коэффициент передачи АИН для канала частоты k_АИН ( );

- коэффициент передачи управляемого выпрямителя (УВ) для канала напряжения k_УВ ( ).

Пропорциональность значений U₁ и ω₁ обеспечивается блоком канала задания напряжения с коэффициентом передачи k_ЗН, который найдем из системы

откуда (15.6)

На основании рис.15.1 можно записать

(15.7)

Выберем коэффициенты k_РМ, k_ОСС и k_АИН такими, чтобы было справедливо равенство . Подставляя его в выражение (15.7), получим

(15.8)

Последнее уравнение из (15.8) имеет вид подобный (15.3) и, поэтому, сигнал u_ЗМ действительно является сигналом задания момента АД. Коэффициент пропорциональности k_ЗМ между М и u_ЗМ находим делением (15.5) на (15.8)

(15.9)

После подстановки в последнюю формулу (15.9) значения u_ЗМ из последней формулы (15.8) получим механическую характеристику АЭП

(15.10)

Регулирование момента получилось астатическим с нулевой ошибкой регулирования, так как момент М пропорционален сигналу задания u_ЗМ независимо от частоты вращения ω АД (15.9). Механические характеристики получились идеальными (рис.15.3), у которых M=const. Частота вращения ω АД при заданном моменте М определяется частотой ω₀ вращения поля статора или частотой ω₁ напряжения питания АД (15.10).

Недостатком рассмотренной САР момента является то, что на малых частотах вращения поддержание постоянства потокосцепления Ψ₁ статора обеспечением простой пропорции (15.4) нельзя, так как нельзя пренебрегать членом R₁I₁ в (15.3). Поэтому на малых частотах вращения механические характеристики АЭП будут отличаться от приведенных на рис.15.3.

16. Автоматическое регулирование момента АД с короткозамкнутым ротором при питании его от ПЧ с АИТ

Вводная часть та же, что и в теме 15 - от начала по формулу (15.2).

При питании АД от ПЧ с АИТ можно независимо изменять величину I₁ и частоту ω₁ тока статора.

Из курса электрических машин известна формула вращающего момента АД вида

(16.1)

Если поддерживать постоянство потокосцепления ротора Ψ₂=const, то механическая характеристика (16.1) будет иметь вид (15.1).

Функциональная схема САР момента при питании АД от ПЧ с АИТ приведена на рис.16.1.

В контуре регулирования частоты с регулятором РЧ при сигнале задания момента u_ЗМ обратная связь не является сигналом момента, а является сигналом положительной обратной связи u_ОСС по скорости. Контур регулирования тока разомкнутого типа использует только сигнал u_ЗМ. Примем:

- регулятор частоты РЧ П-типа с коэффициентом передачи k_РЧ;

- регулятор тока РТ, как будет показано ниже, является нелинейным звеном с u_ЗТ=f(u_ЗМ);

- коэффициент обратной связи по скорости k_ОСС ( );

- коэффициент передачи АИТ для канала частоты k_АИТ ( );

- коэффициент передачи УВ для канала тока k_УВ ( ).

На основании рис.16.1 можно записать

(16.2)

Выберем коэффициенты k_РЧ, k_ОСС и k_АИТ такими, чтобы было справедливо равенство . Подставляя его в выражение (16.2), получим

(16.3)

Последнее уравнение из (16.3) имеет вид подобный (16.1) и, поэтому, сигнал u_ЗМ действительно является сигналом задания момента АД. Коэффициент пропорциональности k_ЗМ между М и u_ЗМ находим делением (16.1) на (16.3)

(16.4)

После подстановки в последнюю формулу (16.4) значения u_ЗМ из последней формулы (16.3) получим механическую характеристику АЭП

(16.5)

Регулирование момента получилось астатическим с нулевой ошибкой регулирования, так как момент М пропорционален сигналу задания u_ЗМ независимо от частоты вращения ω АД (16.4). Механические характеристики получились идеальными (рис.16.2), у которых M=const. Частота вращения ω АД при заданном моменте М определяется частотой ω₀ вращения поля статора или частотой ω₁, с которой изменяется ток питания АД (16.5).

Найдем законы изменения I₁ и ω₁, при которых будет Ψ₂=const. Из двух выражений для установившегося режима, состоящих из уравнения цепи ротора и формулы , которой определяется потокосцепление ротора, исключаем недоступный для

измерения ток I₂:

(16.6)

От комплексного выражения (16.6) переходим к действующим значениям

(16.7)

Выполним замену комплекса (ω₀ -ω) в (16.7) на значение определенное из последнего выражения (16.3)

(16.8)

Выражение (16.8) показывает, что для поддержания постоянства потокосцепления Ψ₂ необходимо ввести в схема АЭП регулятор тока РТ нелинейного типа такой, чтобы при изменении сигнала задания момента u_ЗМ сигнал задания тока u_ЗТ изменялся прямо пропорционально величине

. (16.9)

Схемная реализация нелинейной зависимости (16.9) вполне доступна, причем этого будет достаточно для поддержания постоянства момента при любой частоте вращения АД. В этом преимущество САР момента АД с ПЧ на базе АИТ по сравнению с ПЧ на базе АИН.

17. Автоматическое регулирование частоты вращения АД с короткозамкнутым ротором при питании его от ПЧ

Схемы автоматического регулирования частоты вращения АД с короткозамкнутым ротором при питании его от ПЧ целесообразно выполнять по типу подчиненного регулирования. Внутренний контур момента может быть выполнен либо по схеме с АИН (рис.15.1), либо по схеме с АИТ (рис.16.1). Внешний контур скорости должен содержать отрицательную обратную связь по частоте вращения и регулятор скорости. Выбором регулятора скорости работе САР частоты вращения можно придать желаемые статические и динамические показатели качества. Функциональные схемы САР частоты вращения приведены на рис.17.1.

Рассмотрим на качественном уровне процессы в САР частоты вращения при отработке скачка сигнала u_зс задания скорости ω_зс от некоторого начального значения скорости ω_зн до конечного ω_зк (учитываем пропорциональность ω_зс~u_зс). В САР используем П- или И-регулятор скорости РС. Вид инвертора, примененного в ПЧ, может быть любым, так как механические характеристики АД, созданные работой внутренних контуров, подобны друг другу (рис.15.2 и рис.16.2).

Работа САР с П-регулятором скорости (рис.17.2)

До момента времени t=0 (точка 1 на всех графиках) АД работал с начальной установившейся частотой вращения ω_ун. Так как регулирование статическое, то существует ошибка регулирования, и заданное значение частоты ω_зн отличается от установившейся ω_ун.

В момент времени t=0 скачком изменяется сигнал задания ω_зс от ω_зн до ω_зк. Момент АД также изменяется скачком до М_тах (линия 1-2 на всех графиках), так как скачком изменяется сигнал u_ЗМ.

За счет избыточного момента начинается разгон двигателя. Значение (u_ЗС – u_ОСС) уменьшается, далее уменьшаются u_ЗМ и момент АД (линия 2-3). В точке 3 АЭП приходит к новой установившейся частоте вращения ω_ук. Переходный процесс экспоненциальный и постоянная времени экспоненты определяется моментом инерции привода.

Работа САР с И-регулятором скорости (рис.17.3)

До момента времени t=0 (точка 1 на всех графиках) АД работал с установившейся частотой вращения ω_ун. Так как регулирование астатическое, то не существует ошибки регулирования, и установившееся значение частоты ω_ун равно заданному ω_зн.

В момент времени t=0 скачком изменяется сигнал задания ω_зс. Далее изменяются сигнал u_ЗМ и прямо пропорциональный ему момент М АД. За счет инерционности И-регулятора сигнал ω_ЗМ нарастает плавно, а механическая характеристика М изменяется по спирали 1-2. В точке 2 заданная ω_зк и фактическая ω частоты вращения становятся одинаковыми и сигнал на входе И-регулятора обращается в ноль. Сигнал u_ЗМ перестаёт изменяться, а момент М АД достигает максимального значения. На участке 2-3-4 устанавливается неравенство ω>ω_зк, входной сигнал интегратора (u_ЗС –u_ОСС) становится отрицательным и выходное напряжение u_ЗМ интегратора уменьшается а вслед за ним уменьшается момент М АД. На участке 2-3 избыточный момент положительный и частота вращения продолжает расти. На участке 3-4 избыточный момент становится отрицательным и частота вращения уменьшается. На участке 4-5 устанавливается неравенство ω<ω_зк, входной сигнал интегратора (u_ЗС –u_ОСС) становится положительным и выходное напряжение u_ЗМ интегратора увеличивается а вслед за ним увеличивается момент М АД. После точки 5 процесс аналогичен процессу на участке 1-2. Затухающий переходный процесс заканчивается выходом на новое значение установившейся частоты вращения ω_ук, которая точно равна заданной ω_зк.

18. Импульсное регулирование частоты

вращения АД с фазным ротором

Изначально АД с фазным ротором предназначались для их использования в изображенной на рис.18.1 схеме регулирования частоты вращения.

При включении АД в сеть двигатель работает на 1-й искусственной характеристике М_И1. Последовательным замыканием контактов К1, К2 и К3 двигатель последовательно проходит искусственные механические характеристики М_И2 и М_И3 и выходит на естественную характеристику М_Е.

Недостатки схемы:

- частота вращения АД регулируется ступенчато;

- искусственные механические характеристики АД слишком мягкие;

- имеются большие потери мощности в регулировочных реостатах.

Обеспечить плавность регулирования можно, применив импульсное регулирование величины сопротивления в роторной цепи АД (рис.18.2). Повысить жесткость механических характеристик можно, применив замкнутую схему регулирования частоты вращения АД (рис.18.3). Минимизировать потери мощности в регулировочных элементах можно, применив асинхронно-вентильный каскад (тема 19).

В цепь ротора АД через выпрямительный мост и сглаживающий дроссель Др включено активное сопротивление R_Р, которое шунтируется ключом К (рис.18.2а). Для обеспечения большой частоты коммутации (включения/выключения) ключ К выполняется на основе транзистора или тиристора.

В результате работы ключа сопротивление, на которое замыкаются обмотки ротора, принимает за период Т два значения: 0 и R_Р (рис.18.2б). Если ε - относительная продолжительность замкнутого состояния ключа К, то среднее за период значение сопротивления в роторной цепи составит

(18.1)

Значение ε можно изменять непрерывно, управляя длительностью замкнутого состояния ключа К, и, следовательно, можно непрерывно изменять сопротивление R_РСР в цепи ротора. Механические характеристики АД (рис.18.2в) плавно переходят одна в другую от пусковой характеристики (ключ К постоянно разомкнут и ε=0) до естественной (ключ К постоянно замкнут и ε=1).

Замкнутая САР частоты вращения АД (рис.18.3) с подчиненным контуром тока позволяет сформировать механические характеристики с требуемой жесткостью, в том числе и абсолютно жесткие, если применить регулятор, содержащий И-часть. САР частоты вращения можно также настроить на технический или симметричный оптимумы с наперед заданными показателями качества (см. тему 2).

Коэффициент полезного действия η низкий из-за больших тепловых потерь мощности в сопротивлении R_P в те моменты времени, когда ключ К разомкнут. Зависимость коэффициента полезного действия η от скольжения s приведена на рис.18.3в.

19. САР частоты вращения АД с фазным ротором

на базе асинхронно-вентильного каскада (АВК)

В регулировочных режимах в сопротивлении R_P (рис.18.3) выделятся тепло. Мощность тепловыделений равна произведению напряжения U_RP на сопротивлении R_P и тока I_RP через него. Эту мощность можно с помощью инвертора напряжения преобразовать в мощность переменного тока и отдать (рекуперировать) ее в сеть. Наиболее простое решение рекуперации энергии достигается на ведомом сетью инверторе напряжения.

Схема асинхронно-вентильного каскада (АВК) содержит (рис.19.1) АД, в цепи фазного ротора которого имеется неуправляемый выпрямитель, и ведомый сетью инвертор напряжения на базе управляемого выпрямителя.

К инвертору от выпрямителя ВКД (вентильного комплекта двигателя) подведена э.д.с., пропорциональная скольжению s АД. Угол опережения β инвертора выбирается таким, чтобы между напряжениями ВКД и ВКИ соблюдалось соотношение . Инвертор, состоящий из вентильного комплекта ВКИ и согласующего трансформатора Тр, по