Лекции по теории электропривода

• управляемого выпрямителя-УВ;
• автономного инвертора напряжения-АИН.

Кроме того статический  преобразователь содержит систему  управления, состоящую из:

• блока управления выпрямителя –БУВ;
• блок управления инвертором-БУИ;
• блок задания скорости-БЗС.

Работа статического преобразователя осуществляется следующим  образом. На вход управляемого выпрямителя  поступает трехфазное переменное напряжение промышленной частоты. На выходе выпрямителя  формируется постоянное напряжение, величина которого может плавно регулироваться с помощью БУВ. Это напряжение поступает на вход автономного инвертора напряжения. Последний, за счет определенного алгоритма переключения полупроводниковых ключей, входящих в его состав, формирует на выходе трехфазное переменное напряжение, частота которого может плавно регулироваться с помощью БУИ. Блок задания скорости БЗС, воздействуя на блоки управления выпрямителя и инвертора, обеспечивает требуемое соотношение между действующим значением напряжения и его частотой.

 

-40-

5. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ   В ЗАМКНУТЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ.

 

5.1. Общие положения.

Основным  недостатком разомкнутых систем регулирования, рассматриваемых в  предыдущих разделах курса, является невозможность обеспечения высокой точности регулирования выходных координат. Справедливость этого утверждения можно рассмотреть на примере разомкнутого электропривода, выполненного по системе ТВГ-Д, упрощенная схема которого приведена на рис.5.1. Здесь напряжение возбуждения генератора и соответственно его эдс, а также частота вращения двигателя регулируются с помощью тиристорного возбудителя ТВ, который представляет собой управляемый выпрямитель. При заданном сигнале управления Uу механическая характеристика двигателя имеет вполне определенное положение, показанное на рис.5.2. Если при этом рабочая машина функционирует, преодолевая статический момент нагрузки , то двигатель вращается с частотой . Предположим, что на рабочем органе производственной машины появится возмущающее воздействие, в результате которого статический момент нагрузки уменьшится и станет равным . Частота вращения двигателя в соответствии с его механической характеристикой при этом увеличится и станет равной . То есть в разомкнутых системах электропривода под воздействием возмущающих воздействий происходят изменения частоты вращения. Эти изменения прежде всего зависят от жесткости механических характеристик. Кроме того и сами механические характеристики в результате изменения параметров двигателя, например, в результате изменения сопротивления обмоток при нагреве, могут изменять свое положение (рис.5.3). Это обстоятельство обусловливает изменение частоты вращения двигателя даже при постоянстве статического момента нагрузки.

         Для устранения этого недостатка  при проектировании электроприводов  применяются так называемые замкнутые  системы. В замкнутых системах  изменение частоты вращения под  действием возмущающих факторов компенсируется за счет изменения положения механической характеристики двигателя. Как это происходит рассмотрим на примере электропривода, выполненного по системе ТВ-Г-Д. Предположим, что двигатель работает на механической характеристики 1 (рис.5.4), которая соответствует определенному сигналу управления и эдс генератора . При этом, поскольку статический момент нагрузки равен , то двигатель вращается с частотой .Предположим далее, что в результате возмущающего воздействия статический момент нагрузки получил приращение и стал равен . Естественно, что, если задающее воздействие и эдс генератора

-43-

останутся теми же, то есть механическая характеристика двигателя не изменится, то частота вращения двигателя уменьшится на величину и станет равной . Для того чтобы уменьшения частоты вращения не произошло, в электроприводе должно автоматически увеличится задающее воздействие и стать равным , при котором механическая характеристика поднимется и будет проходить через точку В с координатами ( , ). В этом случае, несмотря на то, что статический момент нагрузки возрос, двигатель будет работать с той же частотой вращения .

         Непременным условием технической  реализации замкнутых систем  электропривода является наличие  так называемых обратных связей. В замкнутых системах современных электроприводов встречаются не одна, а зачастую несколько обратных связей. Обратные связи подразделяются на жесткие и гибкие. Жесткие обратные связи-это такие связи, которые действуют как в установившихся, так и в переходных режимах. Гибкие обратные связи действуют только в переходных режимах. Иными словами у гибких обратных связей напряжение на выходе узла обратной связи равно производной от выходной координаты электропривода (рис.5.5). В установившихся режимах, выходная координата есть величина постоянная, поэтому напряжение на выходе узла гибкой обратной связи будет равно нулю.

        Обратные связи  бывают как положительные, так и отрицательные. Положительные обратные связи-это такие обратные связи, которые при увеличении выходной координаты , еще больше увеличивают ее, так как напряжение на выходе узла обратной связи суммируется с задающим воздействием . Отрицательные обратные связи-это такие обратные связи, которые при увеличении выходной координаты , стремятся ее уменьшить, так как напряжение на выходе узла обратной связи вычитается из задающего воздействия .

         Обратные  связи могут формировать сигналы  (напряжения) пропорциональные значению  или пропорциональные производной  от значения напряжения, тока, частоты  вращения, угла поворота и т.д. В этих случаях они называются жесткими или гибкими, положительными или отрицательными обратными связями соответственно по напряжению, току, частоте вращения, углу поворота и т.д.

         Для осуществления  автоматического регулирования в замкнутых электроприводах необходимо измерить сигнал обратной связи, затем этот результат в виде напряжения сравнить (произвести алгебраическое суммирование) с заданным и направить результат сравнения к регулируемому объекту. Обычно энергии измерительного органа оказывает-

-44-

ся недостаточной для воздействия  на регулирующий орган, поэтому возникает  необходимость в применении усилительного  устройства. Ниже рассматриваются конкретные схемы замкнутых электроприводов  постоянного и переменного тока с различными типами обратных связей.

 

5.2. Система автоматического регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока с жесткой отрицательной обратной связью по напряжению.

 

Упрощенная  схема автоматизированного электропривода с жесткой обратной связью по напряжению представлена на рис.5.6. В соответствии со схемой в состав электропривода входят:

• М1-двигатель постоянного тока независимого возбуждения;
• ТП-тиристорный преобразователь, от которого получает питание цепь якоря двигателя;
• У-усилитель;
• РМ-рабочий механизм;
• -узел сравнения;
• ДН-датчик напряжения, с которого снимается напряжение обратной связи.

Система уравнений , которая характеризует  все элементы электропривода в установившемся режиме его работы, имеет следующий вид:

1. -напряжение на выходе узла сравнения, здесь -    коэффициент усиления обратной связи.

2. -напряжение в цепи якоря двигателя, здесь -эдс тиристорного преобразователя, -внутреннее сопротивление тиристорного преобразователя.

3. -противоэдс двигателя.

4. -эдс тиристорного преобразователя, здесь -коэффициент усиления усилителя, -коэффициент усиления тиристорного преобразователя.

5. -напряжение в цепи якоря, здесь -сопротивление цепи якоря.

6. -электромагнитный момент двигателя

Решая совместно систему состоящую из представленных выше уравнений относительно частоты вращения, можно получить уравнение механической характеристики двигателя, работающего в составе рассматриваемого электропривода.

                                   ,

-46-

где .

         Поскольку  коэффициенты усиления усилителя  и тиристорного преобразователя  являются постоянными величинами, то можно утверждать, что механическая  характеристика двигателя представляет  собой прямую линию. Первое  слагаемое в правой части уравнения представляет собой частоту вращения идеального холостого хода. Дробь второго слагаемого определяет жесткость механической характеристики.

         Проанализируем  уравнение механической характеристики  двигателя. Предположим, что коэффициент , т.е. очень большой. В этом случае дробь при втором слагаемом, определяющая жесткость механической характеристики будет иметь следующий вид

                           

Уравнение естественной механической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения , получающего питание от электрической сети, как это было показано в разделе 3.3, имеет вид

                                                   

Сравнивая жесткость естественной механической характеристики и жесткость механической характеристики двигателя, работающего в рассматриваемом электроприводе, можно заключить, что они одинаковые. Таким образом в рассматриваемой системе автоматизированного электропривода введение жесткой отрицательной обратной связи по напряжению не компенсирует уменьшение частоты вращения под действием статического момента нагрузки. Обратная связь будет компенсировать изменение частоты вращения при колебаниях напряжения на в сети, от которой получает питание тиристорный преобразователь.

 

5.3. Система автоматического регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока с жесткой положительной обратной связью по току якоря.

 

Упрощенная  принципиальная схема электропривода с жесткой отрицательной связью по току якоря приведена на рис.5.7. Отличие этой схемы от схемы, показанной на рис.5.6., заключается в том, что в ней используется датчик тока в виде электрического шунта с сопротивлением .. В качестве датчика тока иногда используются дополнительные полюсы двигателя.. С шунта снимается напряжение обратной связи, пропорциональное току якоря

                                             

Eсли ввести обозначение

-48-

                                                       ,

то  напряжение обратной связи будет  равно

                                                     

В этом случае система уравнений, описывающих  поведение звеньев электропривода в установившемся режиме его работы, можно записать в следующем виде

1. -напряжение на выходе узла сравнения, здесь -    коэффициент усиления обратной связи.

2. -напряжение в цепи якоря двигателя, здесь -эдс тиристорного преобразователя, -внутреннее сопротивление тиристорного преобразователя.

3. -противоэдс двигателя.

4. -эдс тиристорного преобразователя, здесь -коэффициент усиления усилителя, -коэффициент усиления тиристорного преобразователя.

5. -напряжение в цепи якоря, здесь -сопротивление цепи якоря.

6. -электромагнитный момент двигателя.

Решив эту систему уравнений относительно частоты вращения, можно получить уравнение механической характеристики двигателя, работающего в рассматриваемом  электроприводе

                                    

Поскольку коэффициенты усиления усилителя  и тиристорного преобразователя  являются постоянными величинами, то можно утверждать, что механическая характеристика двигателя представляет собой прямую линию. Первое слагаемое  в правой части уравнения представляет собой частоту вращения идеального холостого хода. Дробь второго слагаемого определяет жесткость механической характеристики.

         Проанализируем  полученное уравнение механической  характеристики двигателя. Оказывается,  что наклон механической характеристики определяется произведением , величину которого можно выставить при настройке электропривода. Здесь возможны три случая:

1.Если  , то уравнение механической характеристики будет выглядеть следующим образом

                                                    ,

то есть механическая характеристика будет абсолютно жесткой (рис.5.8.).

2.Если  то в этом случае механическая характеристика будет иметь

-50-

задирающийся кверху вид (рис.5.8).

3.Если  то механическая характеристика будет более мягкой нежели естественная.

Анализ  трех возможных случаев настройки  электропривода показывает, что в  системе автоматического регулирования  с положительной обратной связью по току якоря компенсация падения частоты вращения из-за изменения статического момента нагрузки достигается в первом случае за счет изменения эдс тиристорного преобразователя.

 

5.4. Система автоматического регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока с жесткой отрицательной обратной связью по частоте ващения.

 

Упрощенная  принципиальная схема электропривода с жесткой отрицательной связью по частоте вращения приведена на рис.5.8. Отличие этой схемы от схем, показанных на рис.5.6 и 5.7, заключается в том, что в ней используется датчик частоты вращения в виде тахогенератора, который представляет собой измерительную электрическую машину , у которой генерируемое напряжение  пропорционально частоте вращения.