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

Подождите немного. Документ загружается.

191

Графики переходных процессов момента и скорости электропри-

водов, настроенных на модульный и симметричный оптимум, опреде-

лены для различных

a [15]. Однако для асинхронного электропривода,

имеющего участок механической характеристики с положительной же-

сткостью

k , проверка переходного процесса на устойчивость пред-

ставляет практический и теоретический интерес.

Для исследования системы ТРН–АД с отрицательной обратной

связью по скорости «в большом» необходимо исследовать переходные

режимы с учетом полной модели асинхронного двигателя.

Графики переходных процессов скорости

и момента

при

пуске электропривода ТРН–АД и последующем набросе нагрузки до

6,0 M приведены на рис. 6.31. На рис. 6.32 построены динамические

механические характеристики. При больших скачкообразных задающих

напряжениях ( о.е. 0,6

зс



U ) сигнал управления регулятором скорости

осзурс

UUU





велик и к двигателю прикладывается полное напряже-

ние питающей сети, переходные процессы скорости и момента близки к

процессам в разомкнутом электроприводе при его пуске прямым вклю-

чением в сеть. Возникают колебательные процессы момента и скорости,

которые рекомендуется уменьшить увеличением инерционности тири-

сторного регулятора напряжения, путем введения в цепь управления ти-

ристорами дополнительной инерционности [16] и включением задатчи-

ка интенсивности на входе электропривода. Увеличение инерционности

тиристорного регулятора напряжения достигается введением на его

вход дополнительного фильтра с постоянной времени

трнф

)53( TT







Эти меры позволяют улучшить качество переходных процессов, сни-

зить влияние свободных составляющих момента и обеспечить отработ-

ку управляющих сигналов с минимальными перерегулированиями мо-

мента и скорости, однако точность поддержания скорости уменьшится,

так как уменьшится коэффициент усиления регулятора скорости.

Рис. 6.31. Графики переходных процессов скорости

и момента

при пуске и набросе нагрузки в электроприводе ТРН–АД. В8





о.е.

50 100

1500

1

01ω, M

о.е

 

τω f

 

τfM 

192

Рис. 6.32. Динамическая механическая характеристика при пуске

и набросе нагрузки в электроприводе ТРН–АД. В8



Статические механические характеристики электропривода ТРН–

АД с отрицательной обратной связью по скорости возможно построить

через установившиеся значения скорости и момента, полученные по ре-

зультатам расчета переходных процессов. Механические характеристи-

ки электропривода ТРН–АД для задающих напряжений 8В

з1



U и

3В

з2



U приведены на рис. 6.33. Анализ механических характеристик

показывает, что погрешность поддержания скорости электропривода на

нижней механической характеристике с 3В

з2



U составляет



Рис. 6.33. Механические характеристики электропривода

ТРН–АД с П-регулятором скорости

В тех случаях, когда указанная погрешность не удовлетворяет

требованиям технологического процесса, необходимо параметры регу-

лятора скорости выбирать по симметричному оптимуму, то есть регуля-

тор скорости должен быть пропорционально-интегральным.

о.е.

1

2 4

2,0

4,0

6,0

о.е.

0,1

8,0

6,0

4,0

2,0

н1

см

о.е.8,0

з1





о.е.3,0

з2





193

Графики переходных процессов скорости

и момента

при

пуске электропривода ТРН–АД с отрицательной обратной связью по

скорости и ПИ-регуляторе скорости при скачкообразном изменении за-

дающего напряжения 3,0





U о.е. и последующем набросе нагрузки до

н

6,0 M приведены на рис. 6.34.

Рис. 6.34. Графики переходных процессов скорости

и момента

при скачкообразном изменении задающего напряжения 3,0





U о.е.

и набросе нагрузки

На рис. 6.35. построены динамические механические характери-

стики электропривода.

Рис. 6.35. Динамические механические характеристики пуска

двигателя скачкообразным изменением задающего напряжения

3,0





U о.е. и последующем набросе нагрузки до



6,0 M

Графики переходных процессов скорости

и момента

при

пуске электропривода ТРН–АД с ПИ-регулятором скорости от задатчи-

ка интенсивности при задающем напряжения 3,0





U о.е. и последую-

щем набросе нагрузки до

н

6,0 M приведены на рис. 6.36.

При пуске электропривода от задатчика интенсивности, рассчи-

танные переходные процессы практически совпадают с желаемыми ти-

10ω,



о.е.

 

τω f

 

τfM 

100 200 300

о.е.

1,0

2,0

3,0

194

повыми процессами регулируемого электропривода, колебания скоро-

сти и момента при пуске и набросе нагрузки не проявляются.

Рис. 6.36. Графики переходных процессов скорости

и момента

при пуске электропривода ТРН–АД с ПИ - регулятором скорости от за-

датчика интенсивности при 3,0





U о.е. и набросе нагрузки до



6,0 M

Использование ТРН для пуска АД позволяет снизить пусковые

потери на 10–15% при условии выбора оптимального времени нараста-

ния напряжения. Установлено [17], что рациональное время нарастания

напряжения составляет 0,02–0,04 с. (соответствует

12,4

6,2





о.е.).

Увеличение времени нарастания напряжения приводит к росту пуско-

вых потерь энергии, которые могут превысить потери прямого пуска.

Однако при однократных пусках АД этими потерями можно пренеб-

речь, а основным критерием выбора времени нарастания напряжения

следует считать отсутствие значительных колебаний электромагнитного

момента двигателя на начальных участках переходных процессов. В

этом случае время нарастания напряжения может быть увеличено до

0,1–0,2 с.

Динамические механические характеристики, рассчитанные по

результатам переходных процессов пуска электропривода с задатчиком

интенсивности и моментом сопротивления 1,0



M о.е. и последующим

набросом нагрузки до момента сопротивления 6,0



M о.е., приведены

на рис. 6.37.

В отличие от электропривода с П-регулятором скорости переход-

ные режимы электропривода ТРН–АД с ПИ-регулятором скорости ха-

рактеризуются большим временем отработки возмущающего воздейст-

вия ( 100τ



о.е.). Установившиеся значения скорости для двух различ-

ных моментов сопротивления 1,0



M о.е. и 6,0



M о.е. отмечены на

рис. 6.37 треугольниками и они практически равны.

10ω,



о.е.

100

200 300

о.е.

)(ω



f

)(



fM 

195

Рис. 6.37. Динамические механические характеристики при пуске

электропривода ТРН–АД с ПИ-регулятором скорости от задатчика

интенсивности при 3,0





U о.е. и набросе нагрузки до



6,0 M

Статические механические характеристики электропривода ТРН–

АД с ПИ-регулятором скорости построим через установившиеся значе-

ния скорости и момента, полученные по результатам расчета переход-

ных процессов.

Механические характеристики электропривода ТРН–АД с ПИ-

регулятором скорости для задающих напряжений 8В

зс1



U и 3В

зс2



приведены на рис. 6.38.

Рис. 6.38. Механические характеристики электропривода

ТРН–АД с ПИ-регулятором скорости

Анализ механических характеристик показывает, что погреш-

ность поддержания скорости электропривода на нижней механической

характеристике с 3В

з2



U составляет

033



%., то есть механические

характеристики замкнутой системы электропривода с ПИ-регулятором

скорости близки к астатическим.

о.е.

1,0

2,0

3,0

2,0

4,0 6,0

 

Mfω

0,0

о.е.

0,1

8,0

6,0

4,0

2,0

н1

см

о.е.8,0

зс1

U

о.е.3,0

зс2

U

196

Выбор типа регулятора скорости в электроприводе ТРН–АД оп-

ределяется в конечном итоге требованиями технологического процесса.

6.2.4. Система преобразователь частоты – асинхронный

двигатель с положительной обратной связью по току

Основные законы регулирования скорости асинхронного двигате-

ля класса

при питании его от инвертора напряжения были рас-

смотрены в разделе 5. Теоретически и практически доказано, что в клас-

се законов

невозможно одновременно обеспечить удовлетво-

рительные механические и энергетические характеристики в широком

диапазоне скоростей и изменения нагрузки. Основная причина этого –

возрастание влияния активного сопротивления обмотки статора при

снижении частоты питающего напряжения. В асинхронных частотно-

регулируемых электроприводах со скалярным управлением, кроме за-

конов регулирования класса

, получили применение и другие

законы регулирования. Схема замещения асинхронной машины, при-

годная для анализа как установившихся, так и переходных режимов ра-

боты при любой частоте

питающего напряжения

обмоток ста-

тора приведена на рис. 6.39.

Рис. 6.39. Схема замещения асинхронной машины в устано-

вившемся режиме при частотном управлении

В соответствии со схемой замещения (рис. 6.39) можно записать

следующие уравнения:

1111

IREU







(6.65)





1σj111

IXjREU







(6.66)





σ21σj11

IXjIXjREU

 . (6.67)

σ1

σ2 j

197

Таким образом, компенсируя падения напряжения на сопротивле-

ниях

R ,

σj11

XjR





σj11

XjR





σ2 j

X , можно получить частотные

законы регулирования скорости классов

В соответствии с уравнениями математической модели асинхрон-

ного двигателя в неподвижной системе координат, условие поддержа-

ния постоянного соотношения между ЭДС

E и частотой напряжения

статора

f в статике является и условием стабилизации потокосцепле-

ния статора

ψ . Регулирование класса

– это регулирование с по-

стоянным потокосцеплением в воздушном зазоре

ψ , а регулирование

класса

– регулирование с постоянным потокосцеплением ротора.

Если при изменении нагрузки на валу двигателя поддерживать

постоянными соответствующие значения ЭДС

EE ,

или

E , то меха-

нические характеристики асинхронного двигателя получат вид, пока-

занный на рис. 6.40.

Рис. 6.40. Механические характеристики асинхронного

двигателя при различных законах регулирования:

1 –

const



; 2 –

const



; 3 –

const



; 4 –

const



Анализ механических характеристик, приведенных на рис. 6.40,

показывает, что для стабилизации скорости при изменении нагрузки на

валу двигателя предпочтение следует отдавать методу регулирования с

const

E . Однако такое регулирование предполагает повышение на-

пряжения

по сравнению с номинальным

Н1

U при всех значениях

мH

о.е.

1 2

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

0,1

0 5 10 15 20 25

198

нагрузки, что в большинстве случаев приводит к насыщению магнитной

цепи асинхронного двигателя и его перегреву. Поэтому на практике

наибольшее распространение получили такие способы частотного регу-

лирования скорости, как const



fE ; const



fE ;

const



. При регулировании скорости в классе законов

необходимо повышать фазное напряжение

1111

RIEU







только на величину падения напряжения



на активном сопротив-

лении обмотки статора, а способ регулирования скорости асинхронного

двигателя получил называние – частотное регулирование с

– компен-

сацией.

Реализация управления, компенсирующего падения напряжения

на активном сопротивлении статора возможна как по отклонению, так и

по возмущению, со скалярной или векторной

– компенсацией.

6.2.5. Частотное управление асинхронным электроприводом

со скалярной

– компенсацией

Структурная схема системы скалярного частотного управления с

– компенсацией приведена на рис. 6.41.

Рис. 6.41. Структурная схема скалярного частотного управления с

IR– компенсацией

Задатчик интенсивности ЗИ формирует кривую и темп разгона

двигателя. Сигналом задания скорости является задающее напряжение

U . Блок «преобразователь частота – напряжение» ПЧН формирует

км

1км

1

ПКП

yx,

ба,

СВА ,,

У1

AДТ

СДТ

)АИН(

ПЧ

ФТС

кор

ПЧН

π2



ЗИ

199

требуемую зависимость скалярного управления между частотой и на-

пряжением преобразователя, чем и устанавливает один из принятых

способов частотного регулирования скорости класса

При скалярной

–компенсации сигнал управления

U является

суммой сигналов регулирования

U и положительной обратной связи

по току

кор

U :

IRkUUUU











1кмркорру

, (6.68)

где

км

k – коэффициент положительной обратной связи по току;

R – активное сопротивление обмотки статора асинхронного двигателя;

– сигнал, пропорциональный действующим значениям токов

i ,

обмоток статора асинхронного двигателя.

Сигнал управления

U является входным для прямого коорди-

натного преобразователя (ПКП), на выходе которого формируется три

синусоидальных напряжения управления

, сдвинутые

относительно друг друга на угол 32





, с амплитудами, пропорцио-

нальными напряжению управления. Сигналы

фор-

мируют фазные напряжения на выходе автономного инвертора напря-

жения (АИН).

Принцип действия системы частотно- регулируемого асинхронного

электропривода с положительной обратной связью по току заключается

в следующем. Предположим, что асинхронный двигатель работал на ха-

рактеристике 1 (рис. 6.42) с моментом на валу двигателя, равным

M .

Если момент на валу двигателя увеличится и станет равным

M , то

возрастет и ток каждой фазы статора двигателя

i ,

i , а следова-

тельно, и сигнал

формирователя тока статора (ФТС).

Рис. 6.42. Механические характеристики электропривода (кривые 1,2) и

результирующая характеристика – 3 при наличии положительной обрат-

ной связи по току

200

Увеличится и корректирующее напряжение положительной об-

ратной связи

кор

U , вычисляемое по выходному току

звеном с переда-

точной функцией

)1()(

км

pTRkpW









, (6.69)

где

км

– постоянная времени задержки контура тока.

С ростом корректирующего сигнала возрастет и сигнал управле-

ния

U , что приводит в конечном итоге к росту фазного напряжения

асинхронного двигателя и увеличению его критического момента,

который пропорционален квадрату фазного напряжения –

1К j

UM  .

Характеристика 2 соответствует возросшему фазному напряжению

1ф

U .

В результате действия положительной обратной связи электропривод

формирует механическую характеристику замкнутой системы – 3, жест-

кость которой определяется коэффициентом

км

k .

Для формирования сигнала положительной обратной связи по то-

ку может использоваться модуль тока статора

I , активная составляю-

щая тока статора

Re I , ток

I в звене постоянного тока. В большинстве

преобразователей сигнал, пропорциональный мгновенному значению

тока статора двигателя, снимается с трех резистивных шунтов

шВ

R и

, включенных в цепь переменного тока инвертора напряже-

ния

Однако если через обмотки статора асинхронного двигателя не

протекают токи нулевой последовательности, то достаточно двух дат-

чиков тока, а ток в третьей фазе, например

, можно определить через

токи фаз

)(

iii







, (6.70)

где

iii ;; – мгновенные значения токов в фазах

Векторные диаграммы при скалярной

–компенсации для слу-

чаев идеального холостого хода и наличии нагрузки на валу двигателя

изображены на рис.6.43.

При скалярной компенсации меняется только модуль напряжения

обмотки статора асинхронного двигателя без изменения фазового

угла, что приводит к непостоянству векторов ЭДС

E и потокосцепле-

ния

ψ . Возможны дополнительные возмущения в системе, связанные с

изменением фазового угла вектора

ψ .