Дементьев Ю.Н., Чернышев А.Ю., Чернышев И.А. Автоматизированный электропривод (учебное пособие)

Подождите немного. Документ загружается.

151

зателями, что и частотное регулирование скорости асинхронных двига-

телей с короткозамкнутым ротором. Это регулирование плавное, двух-

зонное. Диапазон регулирования вверх от номинальной синхронной

скорости ограничивается механической прочностью ротора, его балан-

сировкой и качеством подшипников. Диапазон регулирования вниз от

номинальной синхронной скорости может достигать значений

)

100

(





и более с учетом абсолютной жесткости механических

характеристик двигателя и обеспечения синусоидальности напряжения

питания. Стабильность скорости высокая. Допустимая нагрузка при по-

стоянном возбуждении и независимой вентиляции соответствует номи-

нальному моменту.

Использование полупроводниковых преобразователей частоты

открывает большие возможности в отношении формирования требуе-

мых статических и переходных процессов частотно-регулируемых син-

хронных электроприводов.

В отличие от асинхронного короткозамкнутого двигателя при час-

тотном регулировании скорости синхронный двигатель обладает тремя

каналами управления моментом: изменением тока возбуждения

I , из-

менением напряжения обмоток статора

и изменением частоты

напряжения обмоток статора.

Для явнополюсного синхронного двигателя может быть получено

уравнение электромагнитного момента, вывод которого дан в [20]:







элв1

θsin

 





djqj

jjj

UEU

элэл111

θcosθsin







 . (5.75)

Индекс

в уравнении (5.75) показывает изменение соответст-

вующего параметра.

Пренебрегая второй составляющей электромагнитного момента в

выражении (5.75), получим

эл

в1

θsin

АM



 . (5.76)

где

– постоянный коэффициент.

Если принять, что при частотном регулировании скорости син-

хронного двигателя запас устойчивости должен оставаться постоянным,

то необходимо выполнение условия:

эл.нэл.

θθ



или

152

эл.н.

θsinθsin



jэл

, (5.77)

где

θ – угол поворота ротора синхронного двигателя при совместном

изменении момента сопротивления

M , частоты напряжения обмоток

статора

, напряжения обмоток статора

, потока возбуждения

Решим (5.76) относительно

эл

θsin , получим:

IUA

в1

эл

θsin





 . (5.78)

Подставим (5.78) в (5.77)

внн1

н1н

в1







откуда

нн

н1н1

в1

jjj







. (5.79)

Из выполнения условия (5.79) вытекают следующие законы час-

тотного регулирования скорости синхронного двигателя:

 var



f ; const

в.н



II ; const

1н1



. Регулирование

скорости осуществляется при постоянной мощности. При данном спо-

собе регулирования при сниженных угловых скоростях синхронный

двигатель обладает значительным максимальным моментом

max

M . Од-

нако увеличение максимального момента при сниженных угловых ско-

ростях сопровождается увеличением тока статора вследствие уменьше-

ния реактивных сопротивлений машины. Способ регулирования может

применяться при регулировании скорости вверх от номинальной

ω ;

 var



f ; const

в.н



II ; const



. Регулирование скоро-

сти производится при постоянном моменте. Закон регулирования при-

меняется при независящей от угловой скорости механической характе-

ристике производственного механизма, то есть при const



M .

 var



f ; const

в.н



II ; const



. Регулирование ско-

рости производится при постоянной мощности ( const



P ) вниз от но-

минальной скорости

ω ;

153

 var



f ; const

в.н



II ; const



. Регулирование скоро-

сти производится при вентиляторной нагрузке, то есть при

ω kMM .

Механические характеристики производственных механизмов и

электроприводов «преобразователь частоты – синхронный двигатель»

для законов регулирования класса const



приведены на рис. 5.60.

Рис. 5.60. Механические характеристики производственных механизмов

и электроприводов «преобразователь частоты – синхронный двигатель»

Рассмотренные законы управления при частотном регулировании

скорости синхронного двигателя справедливы только в первом прибли-

жении, особенно для явнополюсного синхронного двигателя, так как

неучет реактивного электромагнитного момента приводит к значитель-

ным (до 20%) погрешностям механических свойств двигателя.

Синхронный двигатель обладает очень важным свойством – при

подаче на статорные обмотки постоянного напряжения ( 0



f ) он соз-

дает тормозной момент при неподвижном роторе, обеспечивая механи-

ческую фиксацию ротора в заданном положении.

Контрольные вопросы

1. Изобразите основную схему включения асинхронного двига-

теля в сеть.

2. Что такое схема «замещения асинхронного двигателя» и с ка-

кой целью она применяется?

3. Дайте определение механической характеристике асинхронно-

го двигателя.

4. Почему у асинхронного двигателя используют в расчетах два

типа электромеханических характеристик?

5,0 f

25,0 f

constP



5,0 f

25,0 f

ω kMM

5,0 f

25,0 f

constM 

154

5. Дайте определение току намагничивания

I асинхронного

двигателя.

6. В каких энергетических режимах может работать асинхрон-

ный двигатель на естественной характеристике?

7. Назовите три характерные точки на механической характери-

стике асинхронного двигателя.

8. Изменением каких параметров асинхронного двигателя можно

регулировать его скорость?

9. Что такое динамическая механическая характеристика асин-

хронного двигателя?

10. Реостатное регулирование скорости асинхронного двигателя.

Основные характеристики.

11. Особенности регулирования скорости асинхронного двигателя

изменением фазного напряжения.

12. Как изменяются потери мощности в роторе асинхронного дви-

гателя при фазовом регулировании скорости?

13. Может ли работать асинхронный двигатель на участке меха-

нической характеристики с положительной жесткостью?

14. Что такое «мягкий пускатель»?

15. Назовите основные типы преобразователей частоты.

16. Поясните схему и принцип регулирования частоты в непо-

средственном преобразователе частоты.

17. Поясните принцип действия мостового инвертора тока.

18. Поясните принцип действия инвертора напряжения.

19. Поясните принцип синусоидального широтно-импульсного

регулирования напряжения автономного инвертора напряжения.

20. Назовите основные способы совместного регулирования час-

тоты и напряжения асинхронного двигателя.

21. Изобразите основную схему включения в сеть синхронного

двигателя.

22. Поясните пусковую характеристику синхронного двигателя.

23. Что такое угловая характеристика синхронного двигателя.

24. Чем отличаются угловые характеристики явнополюсного и не-

явнополюсного синхронного двигателя.

25. Дайте определение механической характеристике синхронного

двигателя.

26. Поясните по принципиальной схеме рис. 5.56 последователь-

ность пуска синхронного двигателя.

27. Назовите основные способы регулирования скорости син-

хронного двигателя.

155

6. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

6.1. Электроприводы постоянного тока

Выбор функциональной схемы электропривода большинства про-

изводственных механизмов определяется характером нагрузки. Наибо-

лее тяжёлые перегрузки, которые могут привести к поломке механиче-

ских частей оборудования, возникают у тех машин и механизмов, для

которых возможна работа на упор при нормальном течении технологи-

ческого процесса. В этом случае необходимо обеспечить автоматиче-

ское ограничение момента двигателя на допустимом уровне. Для элек-

тродвигателя постоянного тока ограничение момента осуществляется

путём ограничения тока якоря

доп

max.дв

 (6.1)

где

доп

M – максимально допустимый момент производственного меха-

низма, определяемый его механической прочностью;

– коэффициент электромагнитного момента.

Ограничение тока необходимо также для защиты двигателя и пре-

образователя от перегрузок в переходных режимах. Максимальный ток

якоря

maxдв.

I двигателя следует ограничить на уровне

II λ

дв.нmaxдв.





(6.2)

где

λ – коэффициент допустимой перегрузки двигателя по току.

Для некоторых производственных механизмов необходимо огра-

ничивать на допустимом уровне ускорение





доп

рабочих органов в

переходных режимах, в этом случае максимальный ток якоря двигателя

определяется условием



















доп

maxдв.

(6.3)

где



J – эквивалентный момент инерции электропривода,

кг



;

– момент статической нагрузки на валу двигателя,



Таким образом, ток двигателя определяется допустимой нагруз-

кой механизма по условиям его механической прочности, допустимой

перегрузкой двигателя по току и допустимым ускорением перемещения

рабочего органа производственного механизма. Выбранное из условий

(6.1), (6.2) и (6.3) наименьшее значение тока

maxдв.

I в дальнейшем бу-

дем называть допустимым стопорным током и обозначать

ст

I .

156

В автоматизированных электроприводах ограничение тока двига-

теля осуществляется путём создания специальных электромеханических

характеристик электропривода. Характеристики должны обеспечивать

требуемую точность поддержания угловой скорости при рабочих на-

грузках и ограничение тока на допустимом уровне при увеличении на-

грузки сверх установленного значения. Идеальная характеристика с ог-

раничением тока показана на рис. 6.1, кривая 1.

Рис.6.1. Электромеханические характе-

ристики с ограничением тока

Реальная электромеханическая характеристика вследствие огра-

ниченного коэффициента усиления контура регулирования тока пред-

ставлена на рис. 1, кривой 2.

6.1.1. Система преобразователь – двигатель постоянного тока с токовой

отсечкой

Функциональная схема системы преобразователь-двигатель (П-Д)

с токовой отсечкой изображена на рис. 6.2.

На вход преобразователя

с любой физической природой (элек-

тромашинный, магнитный, полупроводниковый и др.) подается задаю-

щее напряжение

U . Преобразователь управляет двигателем по цепи

обмотки якоря изменением напряжения. Датчик тока

– в простей-

шем случае резистор – выдает напряжение, пропорциональное току

якоря двигателя

. В цепь обратной связи включены: диод

и ис-

точник

Рис. 6.2. Функциональная схема сис-

темы преобразователь - двигатель с

токовой отсечкой

U





оп

от

уп

дт

ст

отс

157

опорного напряжения

оп

U , которое снимается с потенциометра

Сигнал обратной связи

от

U формируется на резисторе

Семейство электромеханических характеристик разомкнутой сис-

темы П-Д изображено на рис. 6.3. Каждая из этих характеристик соот-

ветствует определенному значению задающего напряжения

, кото-

рое в разомкнутой системе регулирования равно

уп.

Рис. 6.3. Электромеханические харак-

теристики системы преобразователь-

двигатель с токовой отсечкой

Пусть двигатель работает на электромеханической характеристи-

ке, соответствующей напряжению управления

5уп

U . При холостом ходе

двигателя напряжение датчика тока

опдт

UU  и токовая связь не дейст-

вует. С увеличением нагрузки напряжение

дт

U датчика тока растёт и

при токе якоря

отс

II  становится равным опорному напряжению

оп

U .

Дальнейшее увеличение нагрузки, например, до тока

I , приводит к

превышению напряжением

дт

U значения опорного напряжения

(

опдт

UU  ). В цепи обратной связи через диод

начинает протекать

ток

дт

I . Напряжение управления преобразователем

уп

U при действии

обратной связи, равное разности задающего напряжения

U и напряже-

ния обратной связи

от

U , уменьшается. Двигатель переходит на элек-

тромеханическую характеристику, соответствующую новому значению

напряжение

уп5уп4

UU  .

Дальнейшее увеличение нагрузки, благодаря действию обратной

связи, приводит к уменьшению сигнала управления

уп

U , который по-

следовательно принимает значения

уп3

U ,

уп2

U , что отвечает переходу

изображающей точки экскаваторной характеристики по соответствую-

щим электромеханическим характеристикам разомкнутой системы.

Двигатель останавливается при достижении током значения

ст

I . При

неподвижном якоре двигателя ЭДС преобразователя уравновешивается

падением напряжения в якорной цепи двигателя.

5уп

4уп

3уп

2уп

отс

ст

158

Изменяя с помощью потенциометра

напряжение

оп

U можно

изменить ток

отс

I , при котором вступает в действие отрицательная об-

ратная связь и, следовательно, регулировать предельный момент двига-

теля.

Необходимость гальванической развязки схемы управления и си-

ловых цепей электропривода позволяет использовать активное сопро-

тивление в качестве датчика тока только в электроприводах с электро-

машинными и магнитными усилителями или в качестве первичного

датчика. В тиристорных электроприводах сигнал, пропорциональный

току якоря, получают, как правило, с помощью трансформатора тока

, включаемого в силовые цепи переменного тока тиристорного пре-

образователя рис. 6.4.

Рис.6.4. Датчик тока, выполненный на трансформаторе тока

6.1.2. Электромеханические характеристики системы преобразователь –

двигатель с токовой отсечкой

Расчет электромеханических характеристик системы преобразова-

тель – двигатель с токовой отсечкой, функциональная схема которой

изображена на рис. 6.2, произведем с учетом следующих допущений:

 статическая характеристика преобразователя )(

упп

UfE



ли-

нейна;

 коэффициент передачи датчика тока

дт

k постоянен во всем

диапазоне изменения тока двигателя;

 диод

– идеальный вентиль, у которого прямое сопротивле-

ние равно нулю, а обратное сопротивление – бесконечности.

Составим систему уравнений, которые описывают элементы и

связи системы электропривода в установившемся режиме работы для

двух участков электромеханической характеристики.

4...1 VSVS

U

4...1 VDVD

дт



159

На первом участке характеристики ток якоря двигателя

отс

0 II



и токовая связь не действует, тогда система уравнений за-

пишется в следующем виде

ω;

);(

;

упз

дв

дтдв.гордвдв

уппп

ппп

RRIEU

UkE

RIEU















(6.4)

где

U – напряжение на выходе преобразователя, В;

E – ЭДС холосто-

го хода преобразователя, В;

– эквивалентное сопротивление преоб-

разователя, Ом;

уп

k  – коэффициент передачи преобразователя;

дт

R – сопротивление датчика тока.

Решая систему уравнений (6.4), учитывая, что

двп



, получим

уравнение электромеханической характеристики разомкнутой системы

электропривода

яцдвздвп

ω Rk-IUkk





, (6.5)

где

дтпдв

RRRR





– сопротивление якорной цепи системы преоб-

разователь – двигатель;

дв

 – коэффициент передачи двигателя.

На втором участке характеристики

отс



вступает в действие

токовая отсечка. Напряжение управления преобразователем

отзуп

UUU





, (6.6)

а напряжение обратной связи по току

оп

от

UIkU







, (6.7)

где

– коэффициент передачи обратной связи по току, Ом;

оп

U –

опорное напряжение, В.

Решая совместно (6.4), (6.6) и (6.7), получим уравнение электро-

механической характеристики замкнутой системы с отрицательной об-

ратной связью по току

















яц

пт

двяцопздвп

1)( ω

kRIUUkk . (6.8)

Анализ выражений (6.5) и (6.8) показывает, что при действии то-

ковой отсечки крутизна электромеханической характеристики возраста-

ет, и её можно регулировать изменением коэффициента

k . На рис. 6.5

показаны электромеханические характеристики системы для различных

160

k , причем,

kkk



. Изменение

оп

U приводит к пропорциональ-

ному изменению фиктивной угловой скорости идеального холостого хо-

да )(ω

опздвп0ф

UUkk







и, следовательно, к параллельному смеще-

нию характеристик. Например, характеристика при

k и

оп



показана на рис. 6.5. штриховой линией.

Рис. 6.5. Электромеханические ха-

рактеристики электропривода для

различных значений коэффициента

передачи датчика тока

Изменение

U также приводит к пропорциональному изменению

угловых скоростей идеального холостого хода

0ф

. Коэффициен-

ты при аргументе в выражениях (6.5) и (6.8) остаются постоянными, а

электромеханические характеристики параллельно смещаются, как по-

казано на рис. 6.6, причем

UUU



Рис. 6.6. Электромеханические ха-

рактеристики электропривода для

различных значений задающего на-

пряжения

Если решить (6.8) относительно тока

двигателя, то получим вы-

ражение

)1(

)(

яцптдяц

яц

птяц

опзп

RkkkRRkkR

UUk









 , (6.9)

которое показывает, что при действии отрицательной обратной связи по

току электропривод будет работать в режиме автоматического поддер-

1т

отс2

ст2

1оп

ст1

отс1

2оп

3дт

2т

0ф

отс1

ст1

1з

3з

2з