Меню

Регулированный электропривод постоянного тока

Электроприводы постоянного тока

Электроприводы постоянного тока работают за счет электромагнитной индукции и используются для превращения поданной энергии во вращательные или поступательные движения.

Мощность оборудования зависит от конструктивных особенностей, в особенности количества полученного ресурса и его потерь при преобразовании (КПД).

Классифицируют электроприводы по способу возбуждения:

  1. Независимые. Обмотку питает подключаемый источник тока.
  2. Шунтовые. Параллельное подключение обмотки возбуждения и источника питания.
  3. Сериесные. Последовательное подключение.
  4. Компаундные. Совмещают последовательное и параллельное подключение.

Электроприводы постоянного тока применяют на производствах как моторы для станков и других видов машин, в бытовой технике (стиральные машины, пылесосы, фены, часы) и ЖД и автотранспорте.

Данный вид двигателей показывает наилучшие результаты в системах, где требуется:

  • режим работы в 4-х квадрантах с рекуперацией;
  • продолжительная эксплуатация на низких скоростях;
  • динамичное и интенсивное производство – регулярные разгоны и остановки с минимальным выделением тепла при работе;
  • минимальные габариты и вес оборудования;
  • тонкая настройка скорости в широком диапазоне при неизменной мощности.

Электродвигатель постоянного тока не предназначен для работы в загрязненных средах (стандартная степень защиты корпуса IP 23, максимум 54) и требует регулярного ТО.

Как выбрать электропривод постоянного тока

Согласно данным рыночных исследований компании «Интехникс» спрос на двигатели с широким и точным диапазоном регулирования скоростей, в том числе и вверх от номинального значения ежегодно возрастает на 6-8%.

Микропроцессорные силовые статические преобразователи, функциональная составляющая DC и AC электроприводов сглаживают разницу между двумя видами оборудования, но традиционный привод постоянного тока по-прежнему более устойчив к перегрузкам и способен проводить рекуперацию.

При подборе технической оснастки для выполнения производственных задач опираются на 6 факторов:

  1. Цена двигателя, необходимого для эксплуатации комплектующих, монтажа.
  2. Размер текущих расходов на поддержание работоспособности – ТО, аренда площади, КПД.
  3. Габариты, масса и время срабатывания (отклик, разгон, 4-х квадрантные операции, аварийная защита).
  4. Гарантийный срок, соответствие международным и российским отраслевым стандартам.
  5. Влияние на окружение – искажение напряжения в сети, электромагнитная совместимость.
  6. Реализация и эффективность отвода тепла.

Несмотря на относительно высокую стоимость данного вида оборудования, обусловленную сложностью сборки и требовательностью к условиям эксплуатации (по сравнению с асинхронными двигателями), анализ среднестатистических моделей DC и AC показывает преимущества приводов постоянного тока. В том числе для намоточных устройств, испытательных стендов, буровых установок.

Во время модернизации производства производят полную замену техники или ее компонентов, если это рентабельно.

Вместо инсталляции привода переменного тока в синхронном двигателе меняют преобразователь или его модули, внедряют цифровую управляющую электронику вместо аналоговой, приводную систему приводят к частотно-регулируемому виду.

Последнее решение считается специалистами оптимальным, в том случае если финансовые и временные затраты на монтаж не нанесут существенного ущерба работе предприятия.

Больше о современных электроприводах постоянного тока можно узнать на выставке «Электро».

Источник



Регуляторы в схемах управления электроприводом

В электроприводе применяют многочисленные измерительные устройства (датчики) для введения в систему управления приводом необходимой информации о электрических и неэлектрических величинах (параметрах движения).

Наибольшее распространение в регулируемом электроприводе имеют датчики тока и скорости, необходимые для формирования замкнутых контуров в системе регулирования. Известны две основные системы образования токовой обратной связи: по переменному току на первичной обмотке трансформатора и по постоянному току цепи якоря двигателя.

В первом случае в рассечку первичной обмотки силового трансформатора включают трехфазный трансформатор тока ТА (рис. 14.10,а). Трансформатор нагружен низкоомными резисторами, чтобы сохранить режим, близкий к режиму короткого замыкания. Далее напряжение вторичной обмотки трансформатора тока выпрямляется, сглаживается фильтром (конденсатор С)и поступает в систему управления приводом. Достоинством этой схемы является высокая чувствительность, поскольку номинальное напряжение на выходе трансформатора тока составляет десятые доли вольта или даже несколько вольт.

Во втором случае измерительное напряжение снимается с шунта, включенного в цепь якоря двигателя (рис. 14.10, б). При этом отпадает необходимость в выпрямлении напряжения, однако чувствительность схемы невелика. Номинальное напряжение, снимаемое со стандартного шунта, составляет 75 или 100 мВ и нуждается в последующем усилении. Для увеличения чувствительности желательно применять индивидуальные шунты с увеличенным сопротивлением. Однако при этом возрастают потери в цепи якоря и уменьшается естественная жесткость механических характеристик.

Самым распространенным датчиком обратной связи в регулируемом электроприводе является тахогенератор. Обратная связь по скорости совершенно необходима для создания широкорегулируемого электропривода, поскольку статизм разомкнутой электромеханической системы имеет недопустимо большое значение в нижнем диапазоне регулирования.

В контуре скорости в электроприводе станков и роботов в подавляющем большинстве случаев применяют тахогенераторы постоянного тока. Однородность тока тахогенератора и двигателя создает определенные удобства при эксплуатации привода.

Стремление уменьшить оборотные пульсации требует встройки тахогенератора в двигатель и установки его якоря на том же валу. Подавляющее большинство двигателей постоянного тока для станков выпускаются с встроенным тахогенератором. В современных моделях используют тахогенераторы с возбуждением от постоянных магнитов.

Чувствительность тахогенераторов постоянного тока лежит в пределах 20 . 30 В на 1000 об/мин, что вполне достаточно для большинства приводов, класс точности 0,2 . 1.

При работе тахогенератора возникают низкочастотные оборотные и полюсные пульсации, величина которых 0,25 . 1% от выходного напряжения. Фильтрация подобных пульсации связана с особыми трудностями и они вызывают неравномерность вращения привода.

Высокочастотные зубцовые и коллекторные пульсации имеют примерно такую же величину, однако устранение их трудностей не вызывает. Динамические характеристики тахогенераторов постоянного тока связаны с инерционностью электромагнитных переходных процессов, происходящих в цепи якоря.

Импульсные датчики скорости работают в двух режимах. Чаще всего определяют угол поворота и подсчитывают число импульсов, поступающих с датчика за фиксированный интервал времени Т.

При этом средняя скорость

где N – число импульсов, поступивших за время Т, Z общее количество дискретных отметок (выступов или прорезей) на модулирующем диске.

Таким образом, скорость пропорциональна числу импульсов. Обработка такой информации удобна, что и обусловливает популярность этого режима. Однако на низких скоростях угол поворота за время Т оказывается слишком малым и возникает большая методическая погрешность.

Второй режим работы импульсного датчика скорости связан с измерением времени поворота вала на определенный угол Для этого промежуток времени между двумя импульсами датчика заполняют вспомогательными импульсами опорного генератора, имеющего частоту . Среднее значение скорости

где N число импульсов, поступившее от опорного генератора. Такой режим дает лучшие результаты в диапазоне низких скоростей, однако и он имеет большие погрешности, поскольку измеряется не мгновенная, а только средняя скорость

14.4. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ОБРАТНЫМИ СВЯЗЯМИ ПО ТОКУ И СКОРОСТИ И СУММИРУЮЩИМ УСИЛИТЕЛЕМ

Регулируемый электропривод с отрицательной обратной связью по скорости. Для получения достаточно большого диапазона регулирования скорости необходимо повышать жесткость механических характеристик и вводить в систему электропривода отрицательную обратную связь по скорости. Наличие главной обратной связи по скорости является наиболее характерной чертой электропривода с большим диапазоном регулирования скорости.

Схема регулируемого электропривода представлена на рис. 14.11. Двигатель М получает питание от силового преобразователя U. Скорость двигателя регулируется вниз от номинальной посредством изменения напряжения якоря Uя.

На валу двигателя установлен тахогенератор BR, напряжение которого поступает на регулятор скорости AR, который может работать в качестве П– или ПИ–регулятора.

Структурная схема регулируемого электропривода представлена на рис. 14.12. Пунктиром показана обратная связь, которая в этом варианте привода не используется.

Рис. 14.11. Схема регулируемого электропривода

с обратной связью по скорости

Рис. 14.12. Структурная схема регулируемого электропривода с обратной связью по скорости (цепь обратной связи по току показана пунктиром)

Составим уравнение, описывающее динамические процессы в приводе. Скорость двигателя постоянного тока зависит от напряжения якоря и момента сопротивления

На этом основании для разомкнутой цепи регулируемого ЭП и

но напряжение Uoc связано со скоростью двигателя .

Подставив это значение в предыдущую формулу и решив ее относительно скорости, будем иметь

Регулируемый электропривод с обратной связью по скорости и току якоря. Кроме основной обратной связи по скорости в регулируемом электроприводе используют обратную связь по току якоря. Ток якоря пропорционален моменту, поэтому, управляя током, мы по сути дела управляем моментом ЭД и формируем силовое воздействие на механическую систему. Можно считать, что обратная связь по скорости определяет точность регулируемого электропривода, а обратная связь по току – его быстродействие.

Схема регулируемого электропривода с обратными связями по скорости и току представлена на рис. 14.13. Во многом эта схема совпадает со схемой, изображенной на рис. 14.11. Отличие заключается в том, что в цепи якоря установлен датчик тока ВА, сигнал которого поступает на регулятор А. В регуляторе (суммирующем усилителе) происходит алгебраическое суммирование задающего сигнала и сигналов обратной связи по току и скорости.

Воспользуемся структурной схемой, приведенной на рис. 14.13. с учетом пунктирной линии, образующей обратную связь по току.

Рис. 14.13. Схема регулируемого электропривода с обратными связями

по скорости и току

Регулируемый электропривод с обратной связью по скорости и по току с отсечкой. В электроприводе станков и ПР широко применяют системы привода, в которых действует отрицательная обратная связь по току с отсечкой. Нелинейная обратная связь по току (рис. 4.22, а) действует следующим образом: до тех пор, пока ток якоря не превышает величины тока отсечки , сигнал обратной связи равен нулю. Если же , то вводится в действие сильная отрицательная обратная связь по току, которая ограничивает величину тока якоря на заданном уровне.

Читайте также:  Цепи с индуктивностью вектор тока

При постоянном магнитном потоке ограничение тока якоря эквивалентно ограничению момента. Поэтому механическая характеристика такого привода состоит из двух участков (рис. 14.14, б).

Рис. 14.14. Схема (а) и механическая характеристика (б)

электропривода с отсечкой по току

На первом участке в приводе действует только отрицательная обратная связь по скорости и жесткость механических характеристик велика. При больших моментах «срабатывает» отсечка по току и добавляется сильная отрицательная обратная связь по току, которая уменьшает выходное напряжение преобразователя и снижает жесткость механических характеристик. Наклон механических характеристик на втором участке резко увеличивается. Такие характеристики называют экскаваторными. Привод с отсечкой по току может работать на жесткий упор при = 0. Ток якоря при нулевой скорости привода называют током стопорения.

В схемах отсечки по току (рис. 4.23, а) напряжение, снимаемое с шунта, включенного в цепь якоря двигателя , сравнивается с опорным напряжением uоп, пропорциональным току отсечки.

Рис. 14.15. Схемы отсечки по току: а – с диодом в качестве порогового элемента; б – со стабилитроном; в, г – с упреждающим токоограниченнем

Опорное напряжение запирает диод VD. В результате ток в цепи может протекать только при . Этот ток создает падение напряжения на резисторе R, которое и является напряжением обратной связи. Величину тока отсечки регулируют путем изменения опорного напряжения.

В схеме на рис. 4.23, б отсечка по току осуществляется с помощью стабилитрона V. При напряжении происходит пробой стабилитрона и на нагрузочном сопротивлении возникает напряжение обратной связи.

Отсечка по току позволяет стабилизировать момент двигателя не только в статическом режиме при работе на упор, но и в динамическом режиме. Переходные процессы в таком приводе происходят с почти постоянным динамическим моментом. В приводах с малоинерционными тиристорными преобразователями токоограничение имеет особенно важное значение.

14.5. СИСТЕМА ПОДЧИНЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Основной недостаток электропривода с суммирующим усилителем заключается в сложности настройки параметров цепей обратной связи по току и скорости с помощью общего усилителя (регулятора). Подобная настройка всегда носит компромиссный характер по отношению к каждому настраиваемому параметру и не является оптимальной. Этот недостаток исключен в системе подчиненного регулирования, которая находит широкое распространение в регулируемом электроприводе станков. Успехи микроэлектроники позволили отказаться от общего регулятора и снабдить систему несколькими независимыми регуляторами, оптимизирующими каждый параметр привода.

Система подчиненного регулирования представляет собой многоконтурную систему с каскадным включением регуляторов. При этом число регуляторов и контуров регулирования равно числу регулируемых параметров. Название системы объясняется тем, что выходной сигнал регулятора, включенного во внешний контур, является задающим для регулятора, включенного во внутренний контур, т. е. один регулятор подчинен другому.

Важным преимуществом системы является то, что настройка регуляторов производится независимо и последовательно от внутреннего контура к внешнему. Применительно к приводу постоянного тока система подчиненного регулирования содержит основной контур регулирования скорости и внутренний, подчиненный контур регулирования тока.

Схема электропривода, выполненного по системе подчиненного регулирования, представлена на рис. 14.16.

Рис. 14.16. Схема регулируемого привода, выполненного

по системе подчиненного регулирования

Двигатель постоянного тока М с независимым возбуждением питается от тиристорного преобразователя U и регулируется по цепи якоря. Сигнал обратной связи по току снимается с датчика тока В А, включенного в цепь якоря двигателя, и поступает на регулятор тока РТ.

В реальных электроприводах сигнал, пропорциональный току якоря, снимается с шунта, включенного в цепь якоря. Поскольку напряжение, снимаемое с шунта, невелико, оно усиливается предварительным усилителем. Обратную связь по скорости осуществляют с помощью тахогенератора BR, напряжение которого подается на вход регулятора скорости (PC). На этот же регулятор подается управляющее (задающее) напряжение.

Система подчиненного регулирования обеспечивает высокие статические и динамические характеристики электропривода. Она отличается высокой степенью стандартизации и унификации структуры и элементов привода, что упрощает его изготовление, наладку и ремонт.

Структурная схема системы подчиненного регулирования представлена на рис. 14.17.

Рис 14.17. Структурная схема системы подчиненного регулирования

Здесь видны два контура регулирования, замкнутых независимыми обратными связями. Контур тока состоит из объекта регулирования – цепи якоря двигателя, силового преобразователя и регулятора тока. Контур замыкается обратной связью по величине напряжения, снимаемого с датчика тока, включенного в цепь якоря. Коэффициент преобразования цепи обратной связи по току равен Кт. Усложнение структурной схемы контура тока связано с проявлением внутренней обратной связи по ЭДС, показанной пунктиром на рие. 14.17. Во многих случаях внутренней связью пренебрегают и рассматривают упрощенную структуру контура тока.

Дата добавления: 2015-01-29 ; просмотров: 286 ; Нарушение авторских прав

Источник

Регулированный электропривод постоянного тока

Приводы постоянного тока служат для управления двигателями постоянного тока. Правда не везде, а лишь там, где требуется плавное и точное регулирование скорости и вращающего момента электромотора в достаточно широких пределах.

Где же конкретно могут использоваться приводы постоянного тока? Для того, чтобы ответить на данный вопрос, нам надо вначале сказать несколько слов о принципе работы двигателя постоянного тока.

Вообще надо заметить, что электродвигатели — очень распространенный объект управления в различных устройствах и технических системах. Причем настолько, что без них вся наша современная жизнь очевидно вовсе не была бы такой уж и современной. Точнее мы бы так и не ушли далее технологий начала 19 века. И не имели бы не только компьютеров, с их гаджетами, но и вообще не знали бы, например, даже столь привычного нам электрического освещения, поскольку сами электрогенераторы – это, по сути, те же самые электродвигатели, но только преобразующие различные виды неэлектрической энергии (механическая, химическая или тепловая) в электрическую энергию.

Сами электродвигатели при этом, как известно, делятся на электродвигатели постоянного тока и электродвигатели переменного тока. Причем сегодня в силу бурного развития научно-технической мысли, которая предлагает более совершенные алгоритмы векторного управления и довольно дешевые и удобные в использовании частотники, именно последние приобретают все большую популярность в промышленности.

Однако, нельзя не сказать, что и двигатели постоянного тока рано еще списывать со счетов. Они имеют свои весьма важные и существенные преимущества. Дело в том, что один из «глобальных» минусов двигателя постоянного тока – это коллектор, его низкая механическая прочность, а также слабая механическая прочность щеток.

Но зато у двигателя постоянного тока можно менять скорости в достаточно широком диапазоне при относительном постоянстве момента на валу. При этом количество оборотов двигателя постоянного тока пропорционально величине напряжения, которое подается на якорную обмотку. А это значит, что в диапазоне скоростей от нуля до номинального значения электродвигатель может развивать полный крутящий момент. Именно поэтому двигатель постоянного тока широко используют в тех случаях, когда необходимо обеспечить большой момент при низких скоростях электродвигателя почти до его остановки при наличии полной нагрузки с последующим стартом. К таковым областям относятся электроприводы лифтов, кранов, ленточных конвейеров, смесителей, экструдеров и топу подобных механизмов.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Вообще надо заметить, что самой первой из всех изобретенных в XIX веке вращающихся электромашин был именно электродвигатель постоянного тока. Сам принцип действия его известен с середины прошлого столетия и основан на том, что крутящий момент здесь создаётся путём взаимодействия между двумя магнитными полями — полем обмотки возбуждения и полем, создающимся обмотками во вращающемся якоре.

Впрочем, в некоторых моделях двигателей постоянного тока нет обмотки возбуждения, вместо нее установлены постоянные магниты, сохраняющее стационарное магнитное поле при любых рабочих условиях.

Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что ток, проходя через якорь, создаёт магнитное поле, которое пытается выровняться со стационарным полем. Происходит вращение двигателя/

Рис. 1. Схема двигателя постоянного тока

При этом коллектор (так называется набор сегментированных медных планок), разрывает электрический контакт с уже «выровненной» обмоткой и возбуждает другую обмотку (или как в простом примере, показанном выше, перевозбуждает ту же цепь в противоположном направлении), создавая другое не выровненное магнитное поле, которое продолжает вращать якорь. Электрический контакт между вращающимися сегментами коллектора и стационарным источником питания в этом случае происходит через угольные щетки. Поскольку здесь постоянно имеет место механическое трение, то эти щетки изнашиваются через определенное время (как и сам коллектор) и соответственно требуют своей периодической замены.

Впрочем, следует заметить, что большинство промышленных электродвигателей постоянного тока изготавливаются с несколькими обмотками якоря, а не с одной, как показано на упрощенной иллюстрации сверху.

В электродвигателях постоянного тока проявляются следующие отношения между механическими и электрическими величинами:

  1. Крутящий момент. Он прямо пропорционален силе магнитного поля якоря, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна току, проходящему через обмотки якоря. Так же момент прямо пропорционален силе постоянного магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально току, проходящему через возбуждающую обмотку (в двигателе без магнитов).
  2. Скорость. Скорость ограничена ЭДС, генерируемой якорем при вращении в постоянном магнитном поле. Эта ЭДС прямо пропорциональна скорости вращения якоря, и также прямо пропорциональна силе постоянного магнитного поля (которая прямо пропорциональна току возбуждающей обмотки в электродвигателе без магнитов). Это значит, что скорость прямо пропорциональна напряжению якоря, а также обратно пропорциональна силе постоянного магнитного поля, которая прямо пропорциональна току, проходящему через возбуждающие обмотки (в двигателе без магнитов).
Читайте также:  Телефон ограничивает ток зарядки

Управление двигателем постоянного тока

Последнее же означает, что, меняя тока обмотки, можно изменять соотношение между скоростью и моментом. Однако этого недостаточно для управления общей мощностью двигателя. Чтобы управлять выходной мощностью электродвигателя постоянного тока также необходимо управлять напряжением и током якоря. Для этой цели можно было бы использовать переменные резисторы, но этот метод не используется в настоящее время, так как приводит к потере мощности. Лучшим решением здесь будет применение электронной схемы регулирования мощности на транзисторных ключах быстро отключающих и включающих якорь двигателя в цепь. Такой тип управления называется широтно-импульсной модуляцией, или ШИМ.

Рис.2. Схема управления скоростью и моментом ДПТ

По традиционной технологии для импульсного питания двигателя постоянного тока используют схему управляемого выпрямителя, в котором для преобразования переменного тока в постоянный вместо обычных выпрямляющих диодов используют тиристоры (управляемая схема Ларионова). Основным источником питания промышленных двигателей постоянного тока остается переменный ток, и этот переменный ток должен быть преобразован в постоянный в некотором узле системы; управление имеет смысл интегрировать прямо в этот выпрямительный узел.

Рис.3. Схема управляемого выпрямителя

Схема управляемого выпрямителя работает по принципу изменения времени «пускового» импульса относительно импульсов колебаний переменного тока. Чем раньше в каждом периоде переменного тока откроется тиристор, тем дольше он будет пропускать ток к двигателю. Схема фазового управления отвечает за генерацию импульсов и их длительность.

Отсюда следует, что привод постоянного тока просто регулирующий подводимую мощность к двигателю был бы трудно регулируемым и не применим в большинстве задач. Для управления двигателем необходимо управлять скоростью. Поэтому на двигателях постоянного тока устанавливают тахогенераторы, механически соединённые с валом двигателя.

Тахогенератор представляет собой небольшой генератор, создающий постоянное напряжение, прямо пропорциональное скорости вращения вала, обычно с выходом 0-10В постоянного тока, реже 0-220В переменного тока. По его показаниям регулируемый привод постоянного тока регулирует электрическую мощность, подводимую к двигателю так, чтобы скорость вращения совпала с заданной управляющим сигналом. Имея датчик обратной связи для регулирования скорости, привод постоянного тока точно регулирует скорость вращения двигателем.

Рис. 4. Схема управления двигателем постоянного тока

Менять ли привод постоянного тока?

Следует заметить, что в силу длительного периода широкого применения двигателей постоянного тока, на протяжении довольно долгого времени для регулировки скорости вала двигателя использовались приводы постоянного тока. Тем самым, данные приводы имели широкое распространение и были установлены на огромном количестве различных машин, механизмов и оборудовании. Но вот в чем проблема – дело в том, что раньше приводы постоянного тока выпускались с управлением на аналоговых микросхемах. А это вело к длительной настройке оборудования, необходимости постоянного обслуживания привода и частой его перенастройки. В результате против двигателей постоянного тока и соответственно приводов постоянного тока сложилось предубеждение о ненужности и даже вредности установки таких систем. Повсеместно обозначилась тенденция к замене «постоянников» на «переменники». И где-то это и правда оказалось оправдано, но…

Увы, но часто «дьявол кроется в деталях»!

Следует заметить, что сейчас приводы постоянного тока выпускаются с фазными схемами управления, основанными на современных микропроцессорах. А это значит, что они стали значительно более надежны и, ГЛАВНОЕ, не нуждаются в необходимости постоянного обслуживания привода и частой перенастройки приводов. А поскольку вопреки публикациям в СМИ и доводам производителей приводов переменного тока, существует еще немало таких применений, где приводы постоянного тока являются предпочтительными по своему функционалу (а в конечном счете и по деньгам), то возможно при модернизации оборудования следует обратить внимание на приводы постоянного тока.

Более того, сегодня необходимо учитывать, что очень часто, при модернизации систем управления, простая замена устаревших приводов постоянного тока новыми современными приводами постоянного тока, является экономически более выгодной!

Подумайте! Возможно это Ваш случай? Причем в данном случае имеет смысл обратить именно на лидеров по производству приводов постоянного тока, одним из которых является фирма Siemens, выпускающая приводы постоянного тока серии SINAMICS DCM — современный мощный привод постоянного тока со многими дополнительными модулями расширения, интеграции в промышленные сети и встроенными функциями для решения типовых технологических задач (намотка-размотка и т. д.).

Источник

ПТМ. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭП ПОСТОЯННОГО ТОКА

ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

114.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Основной характеристикой регулируемого электропривода является диапазон регулирования скорости – отношение максимальной скорости привода к минимальной .

В электроприводах подачи диапазон регулирования достигает значения 10 000 и более (в приводе главного движения он около 1000).

Диапазон регулирования скорости привода ограничен сверху и снизу. Верхний предел регулирования скорости определяется механической прочностью элементов привода, процессами тепловыделения, работоспособностью подшипников. В приводе постоянного тока существенно сказываются коммутационные ограничения.

.Нижняя скорость привода определяется главным образом устойчивостью вращения при колебаниях момента нагрузки и внутренних возмущениях (изменениях параметров). Момент сил сопротивления вызывает снижение скорости привода на величину, зависящую от жесткости механической характеристики:

Относительное снижение скорости привода под нагрузкой называют статической ошибкой или статизмом привода

Чем выше жесткость механической характеристики, тем меньше статизм привода. Из последней формулы видно, что статическая ошибка связана со значением скорости холостого хода . Если в процессе регулирования происходит уменьшение скорости холостого хода, то статизм привода увеличивается. Это обстоятельство является органическим недостатком регулируемого электропривода, ограничивающим диапазон регулирования.

Если регулирование происходит вниз от номинальной скорости при номинальном моменте, то

т.е. при заданной максимально допустимой статической ошибке привода диапазон регулирования полностью зависит от жесткости механических характеристик.

Уравнение механической характеристики ЭД имеет вид

где модуль жесткости механической характеристики.

Допустимая нагрузка ЭД постоянного тока с независимым возбуждением определяется номинальным током Iном якоря. Допустимое значение момента ЭД зависит от магнитного потока и тока якоря Мдоп = kФIном.

Если регулирование производится за счет изменения напряжения на якоре, то магнитный поток остается неизменным и при любой скорости момент также постоянен Мдоп = const; Iном = const.

Это регулирование с постоянным моментом, при котором мощность изменяется пропорционально скорости Р = МQ.

Регулирование с постоянным моментом осуществляется вниз от номинальной скорости, так как в длительном режиме работы напряжение на якоре можно только уменьшать по сравнению с номинальным.

Краткой характеристикой динамических свойств привода является среднее значение ускорения в переходный период. Его определяют по аналогии с апериодическим переходным процессом, характерным для звена первого порядка. Приращение скорости и времени выбирают на начальном участке переходной характеристики, близком к линейному. При этом считают

где – время, за которое привод разгоняется до скорости, равной 0,63 , что соответствует времени, равному одной постоянной времени для линейного динамического звена первого порядка.

Рассмотрим структуру регулируемого электропривода (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Обобщенная структурная схема регулируемого электропривода

Для разомкнутой системы электропривода

где W1 и W2 – передаточные функции привода по управляющему воздействию и возмущению.

В статическом режиме при р = 0 получим

где К1 и К2 – статические коэффициенты преобразования.

Таким образом, диапазон регулирования разомкнутой системы привода

Введем в систему электропривода отрицательную обратную связь по скорости (показана пунктиром на рис. 14.3), тогда уравнение статического режима

где Кос – коэффициент преобразования цепи обратной связи по скорости.

Определим диапазон регулирования замкнутого привода

Поскольку , можно считать, что диапазон регулирования скорости увеличивается в К раз. Обратная связь по скорости является наиболее эффективным средством увеличения диапазона регулирования. Для этого достаточно увеличивать общий коэффициент преобразования (усиления) системы. Однако существуют ограничения – при больших значениях К система может потерять устойчивость. Отрицательная обратная связь по скорости оказывает на привод стабилизирующее действие. При этом уменьшаются статическая ошибка и коэффициент неравномерности вращения.

14.2. СИЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭП ПОСТОЯННОГО ТОКА

Силовые преобразователи являются наиболее специфическими элементами привода и предназначены для преобразования переменного (чаще всего трехфазного) тока в постоянный ток регулируемого напряжения. Такие преобразователи необходимы в цепи якоря регулируемого привода подачи, в цепи якоря и возбуждения привода главного движения. В станкостроении применяют электроприводы с управляемыми тиристорными выпрямителями или транзисторными широтно–импульсными преобразователями.

Тиристорные управляемые выпрямители. Устройство и конструкция тиристора известны из курса электроники. Здесь же достаточно представить себе тиристор как выпрямитель с ограниченным управлением. При включении в цепь переменного тока тиристор может быть открыт в положительный полупериод при подаче импульса напряжения на управляющий электрод. После исчезновения управляющего напряжения тиристор остается в проводящем состоянии до тех пор, пока анодное напряжение не станет равным нулю. Регулирование выпрямленного напряжения происходит путем изменения фазового угла управляющего импульса, который открывает тиристор и тем самым изменяет длительность его работы в оставшуюся часть полупериода.

Читайте также:  Дифференциальный усилитель постоянного тока это

Рис. 14.3. Нулевая (а) и мостовая (б) схемы тиристорных

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения применяют многофазные схемы тиристорных преобразователей, которые можно разделить на нулевые (однотактные) и мостовые (двухтактные).

В нулевых схемах (рис. 14.3, а) нагрузка, например якорь двигателя, подключается к нулевой точке вторичной обмотки трансформатора. Тиристоры включены в каждую фазу и могут быть объединены своими катодами или анодами. В первом случае говорят о катодной группе тиристоров, а во втором – об анодной. Для сглаживания пульсации выпрямленного тока последовательно с нагрузкой включен реактор, представляющий собой дроссель с большой индуктивностью. В нулевой схеме используется только одна полуволна переменного напряжения в каждой фазе. Мостовая схема (рис. 14.3., б) может быть получена при последовательном соединении двух нулевых схем – анодной и катодной. В мостовых схемах используются обе полуволны переменного напряжения, однако число тиристоров здесь вдвое больше, чем в нулевых схемах.

В приводах подачи нагрузкой тиристорного преобразователя служит якорь двигателя, однако результаты, полученные в этом разделе, могут быть распространены и на случай питания цепей возбуждения двигателей постоянного тока.

Рассмотрим принцип работы тиристорного преобразователя на примере более простой трехфазной нулевой схемы. ЭДС в фазах вторичной обмотки трансформатора сдвинуты на угол (m–число фаз). Пренебрегая падением напряжения на самих тиристорах, эти ЭДС можно рассматривать как потенциалы концов обмотки относительно нулевой точки, т. е. потенциалы анодов соответствующих тиристоров Не будем учитывать эффект управления и примем, что каждый тиристор пропускает ток тогда, когда потенциал его анода выше потенциала катода (рис. 14.4, а).

Рис. 14.4. Графики выходного напряжения тиристорного преобразователя: а – неуправляемый преобразователь. б – управляемый преобразователь. в – режим прерывистых токов

В промежуток времени – ток может пропускать только тиристор VT1 (см. рис. 14.4,а), так как напряжение фазы А, приложенное к катодам тиристоров VT2 и VT3, превышает напряжение двух других фаз и запирает тиристоры VT2 и VT3. В момент ЭДС фазы В становится равной ЭДС фазы А и затем превышает ее, т. е. с момента начинает пропускать ток тиристор VT2 и ЭДС фазы В запирает тиристоры VT1 и VT3.

Процесс перехода тока с одного тиристора на другой под действием ЭДС вторичной обмотки трансформатора называют естественной коммутацией. Период – носит название периода естественной коммутации. Естественная коммутация свойственна неуправляемым выпрямителям. Среднее значение выпрямленной ЭДС в этом режиме

При выводе этой формулы начало координат перенесено в точку , а под Е2 подразумевается действующее значение ЭДС на вторичной обмотке трансформатора.

Для регулирования напряжения на тиристоры должно быть подано управляющее напряжение. При этом управляющий импульс может быть смещен относительно точки естественного открывания на произвольный фазовый угол к (рис. 14.4, б). Смещение управляющего импульса на угол ос задерживает вступление в работу очередного тиристора и продлевает работу предыдущего. Среднее значение выпрямленной ЭДС будет пропорционально cos :

При работе тиристорного преобразователя напряжение на его зажимах меньше, чем среднее значение выпрямленной ЭДС. Это снижение объясняется падением напряжения на самом тиристорном преобразователе, падением напряжения на активном сопротивлении схемы и падением напряжения, связанным с процессом коммутации тиристоров.

Для питания реверсивных приводов постоянного тока необходимы реверсивные тиристорные преобразователи. В станкостроении в основном применяют два способа реверсирования ЭД: контакторное переключение цепи якоря при малом числе реверсов и использование двух комплектов тиристорных преобразователей для обеспечения высокого быстродействия при переходе привода из одного квадранта механической характеристики в другой.

При контакторном управлении реверсом и питании от одного комплекта тиристорных преобразователей переключение должно осуществляться при минимальном токе в цепи якоря. Для этого напряжение на зажимах преобразователя снижается, затем производится переключение контакторов в цепи ЭД и последующее увеличение напряжения преобразователя. Все это вызывает увеличение длительности реверса.

Двухкомплектные реверсивные преобразователи выполняют по встречно–параллельной схеме (рис. 14.5). Характеристики двухкомплектного преобразователя во многом определяются системой управления. Используют совместное и раздельное управление.

Рис. 14.5. Схема реверсивного тиристорного преобразователя

Особенностью совместного управления является уравнительный ток, который протекает по замкнутому внутреннему контуру, составленному из встречно включенных комплектов ТП1 и ТП2. Для ограничения мгновенных значений уравнительного тока в цепь преобразователей включают реакторы L1 . L4.

Уравнительный ток представляет собой дополнительную нагрузку, которая снижает КПД привода. Но, вместе с тем, он выполняет полезные функции, предотвращая режим прерывистых токов при малых нагрузках. Это облегчает переход тиристорного комплекта из выпрямительного в инверторный режим и делает внешние характеристики реверсивного тиристорного преобразователя прямолинейными.

При раздельном управлении комплекты тиристоров работают поочередно. В I и IV квадранте используется один комплект, во II и III –другой. Во время работы одного комплекта другой комплект закрыт, что исключает появление уравнительного тока и делает ненужными реакторы L1. L4. Это упрощает преобразователь, но усложняет систему управления, в которую должен быть включен логический блок, в функции которого входит выбор комплектов тиристоров в зависимости от знака управляющего напряжения и взаимная блокировка комплектов.

С силовым тиристорным преобразователем связана система импульсно–фазового управления (СИФУ). Назначение СИФУ заключается в преобразовании непрерывного сигнала в импульсный сигнал управления, фаза которого изменяется пропорционально входному воздействию.

Поскольку угол управления отсчитывается от момента естественного открывания тиристора, работа СИФУ должна быть согласована с напряжением питания тиристорного преобразователя. Управляющие импульсы должны иметь достаточную мощность и высокую крутизну, необходимую для четкого открывания тиристоров.

Структурная схема СИФУ, работающей по принципу вертикального управления, представлена на рис. 14.6, а. Управляющее напряжение My поступает на вход фазосдвигающего устройства (ФСУ), в котором сравнивается с опорным напряжением, вырабатываемым генератором опорного напряжения (ГОН). При этом график опорного напряжения перемещается по вертикали (рис. 14.6, б). При равенстве напряжений на выходе нуль–органа (ЯО) появляется сигнал, который проходит через блок усиления и формирования импульсов (УФ) и поступает на управляющий электрод тиристора.

Рис. 14.6. Структурная схема (а) и графики, поясняющие принцип вертикального управления (б) СИФУ

Важнейшим узлом СИФУ является генератор опорного напряжения Uоп. В большинстве случаев в качестве опорного напряжения принимают отрезок синусоиды, синхронизированной с напряжением питания тиристора.

Управляющий импульс вырабатывается СИФУ в тот момент, когда опорное напряжение равно напряжению управления. На основании рис. 14.6, б можно написать

Откуда угол управления

Подставив это выражение в формулу (14.6), получим

т. е. между выпрямленным напряжением тиристорного преобразователя и напряжением управления устанавливается линейная зависимость.

Транзисторные импульсные преобразователи. Принцип работы нереверсивного импульсного преобразователя напряжения поясняет рис. 4.12, а. Транзисторный ключ VT периодически подключает якорь двигателя к источнику нерегулируемого напряжения Ud. При этом в рабочую часть периода t1 энергия потребляется из сети и расходуется ЭД на полезную работу. Часть энергии при этом запасается в виде электромагнитной энергии. Во время паузы t2 ключ разомкнут, но цепь якоря замыкается через диод VD и ЭД продолжает работать за счет запасенной энергии.

Рис. 14.7. Схема (а) и графики напряжения и гока (б) импульсного преобразователя

Из графиков напряжения на рис. 14.7, б следует, что среднее напряжение за период коммутации

где t1 –длительность импульса напряжения, Тк –период коммутации; .

Очевидно, что при изменении среднее напряжение на выходе преобразователя будет изменяться. Изменить величину можно несколькими методами. В широтно–импульсных преобразователях (ШИП) для этого изменяют длительность импульса t1 при неизменном периоде коммутации Тк.

Период коммутации не связан с частотой сети и зависит от динамических свойств силовых транзисторных ключей. В ШИП частота коммутации составляет несколько килогерц.

В современном электроприводе наибольшее распространение имеют реверсивные ШИП. Реверсивный ШИП (рис. 14.8, а) выполняют по мостовой схеме, состоящей из транзисторных ключей VT1 . VT4, шунтированных обратными диодами VD1 . VD4.

Рис.14.8. Схема (а) и графики напряжения при симметричном (б) и несимметричном (в) режиме работы реверсивного ШИП

Существует несколько режимов работы реверсивного преобразователя. При симметричном режиме транзисторные ключи в течение периода коммутации переключаются попарно. В период t1 работают ключи VT1 и VT2, а в период t2 VT3 и VT4. При этом на якоре ЭД возникают разнополярные импульсы напряжения (рис. 14.8, б).

Среднее значение напряжения на якоре меняет свой знак при 8 . 10 6 . При практическом применении ОУ необходима коррекция частотных характеристик, так как в противном случае возможны автоколебания, когда ОУ охватывается обратной связью. Регуляторы привода строят на основе ОУ, охваченных обратной связью. В системах регулируемого электропривода наибольшее применение находят несколько типовых регуляторов, представленных в табл. 14.1.

Источник