Вибір системи керування електроприводом

 

Системи керування регульованим електроприводом призначені для стабілізації швидкості з точністю і обмеження струму двигуна в статичних і динамічних режимах. Системи стабілізації швидкості за типом двигуна і перетворювача поділяються на системи електропривода постійного і змінного струму; за принципом дії – на неперервні (аналогові) і дискретні (цифрові); за принципом регулювання – системи регулювання за відхиленням (статичні і астатичні) і за збуренням, а також комбіновані; за структурою – з сумуючим підсилювачем і підпорядкованим регулюванням координат.

Всі ці системи, зазвичай, доповнюють засобами обмеження струму або моменту двигуна як в статичних, так і в динамічних режимах.

Обґрунтування вибору привода постійного чи змінного струму базується на співставленні їх вартості і економічності роботи, бо за плавністю і діапазоном регулювання вони рівноцінні і дозволяють регулювати швидкість в діапазоні від 10 до 10000 в залежності від потреб виробничих механізмів.

Вартість двигунів постійного струму в 3...4 разів вища вартості трифазних асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором. Вартість же силових перетворювачів приводів постійного струму в 2...3 рази нижча. Більше складною і дорогою є система керування перетворювачами частоти. Оскільки вартість двигуна у вартості привода не перевищує 20%, то регульовані електроприводи постійного струму більш дешеві.

Із перетворювачів змінного струму в постійний найбільш дешевими є перетворювачі з широтно-імпульсною модуляцією. Крім того, вони дозволяють зменшити зону переривчастих струмів.

Успіхи в галузі виробництва силових напівпровідникових керованих приладів, зокрема транзисторів з ізольованим затвором, і на їх основі силових модулів, а також інтелектуальних модулів з вбудованими засобами захисту ключів і інтерфейсами для безпосереднього підключення до мікропроцесорних схем керування, значно зменшують їх вартість, що обумовлює більш широке застосування частотно-регульованих приводів змінного струму.

Біля 60% світового виробництва електричної енергії споживають електродвигуни. Тому економічність роботи (ККД, ) електроприводів є дуже важливою в плані енергозбереження.

Коефіцієнти корисної дії двигунів постійного і змінного струму малої і середньої потужності приблизно однакові. Але ККД перетворювача змінного струму в постійний на 2...3% вищий від перетворювача частоти. На 8 – 10% вищий коефіцієнт потужності приводів постійного струму,, бо асинхронні двигуни мають номінальні Отже, електроприводи постійного струму мають дещо кращі енергетичні показники.

При обґрунтуванні вибору принципу дії систем виходять із їх швидкодії і технологічних вимог щодо координації рухів окремих механізмів. В плані діапазону регулювання аналогові і цифрові системи практично рівноцінні, але цифрові системи мають більшу швидкодію і дозволяють краще забезпечувати взаємозв’язаний рух декількох виконавчих механізмів. Тому їх широко використовують в приводах верстатів з числовим програмним керуванням, в приводах роботів та інших складних машин.

За складністю більш простими є аналогові системи керування. За вартістю при використанні мікропроцесорів та інших засобів мікроелектроніки вони майже рівноцінні.

Інколи для підвищення точності регулювання на низьких швидкостях використовують аналого-цифрові системи.

Сучасні системи стабілізації швидкості проектують на підставі принципу регулювання за відхиленням, тобто з від’ємним зворотним зв’язком. В залежності від величини статичної похибки вибирають статичну чи астатичну систему. Астатизм системи досягається введенням в контур регулювання інтегруючої ланки.

При необхідності підвищити швидкодію, особливо при ударному навантаженні, проектують комбіновану систему регулювання, яку створюють на підставі принципів регулювання за відхиленням і збуренням.

Зворотні зв’язки в системах регулювання можуть бути різними. Вид зворотних зв’язків визначають діапазон регулювання і їх технічна реалізація. В залежності від діапазону регулювання в системах стабілізації використовують такі зворотні зв’язки:

- від’ємний зворотний зв’язок за ЕРС двигуна ;

- від’ємний зворотний зв’язок за напругою перетворювача і додатний – за струмом двигуна ;

- від’ємний зворотний зв’язок за швидкістю ;

- від’ємний зворотний зв’язок за швидкістю і додатний – за струмом двигуна .

Найбільш дорогим є зворотний зв’язок за швидкістю, бо потрібно використовувати додатково тахогенератор.

При виборі структури системи регулювання – з сумуючим підсилювачем чи з підпорядкованим регулюванням, виходять із простоти налагодження, бо обидві структури можуть забезпечити однакові статичні і динамічні показники роботи. Більш простими в налагодженні є структурні схеми з підпорядкованим регулюванням, бо дозволяють кожний контур налагоджувати незалежно від іншого і це є їх перевагою, але потрібно використовувати більше операційних підсилювачів і тому ці системи дещо дорожчі.

Отже, на підставі викладених вище підходів студент повинен коротко обгрунтувати заданий йому варіант системи керування з врахування заданого діапазону і економічності.

7. Розрахунки електромеханічних характеристик двигуна і автоматизованого електропривода

 

Електропривод постійного струму. Натуральна механічна характеристика двигуна постійного струму незалежного збудження описується рівнянням

. /82/

При розрахунках частіше користуються електромеханічною характеристикою, яку одержують з /82/, підставивши :

 

. /83/

 

За формулою /83/ будують електромеханічну характеристику двигуна (рис.16, пряма 1).

Електромеханічна характе-ристика автоматизованого електропривода залежить від його структури.

В регульованому електро-приводі живлення двигуна здійснюється від перетво-рювача електричної енергії (ПЕЕ). В якості ПЕЕ в електроприводі постійного струму використовують керо-вані випрямлячі (ВК) змінного струму у постійний на базі тиристорів чи транзисторів, а також перетворювачі з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). В електроприводах змінного струму в якості ПЕЕ використовують частотні перетворювачі.

Згідно з завданням на проектування студент у своєму курсовому проекті описує вибраний вид ПЕЕ.

Керовані перетворювачі. В залежності від потужності двигуна постійного струму вибирають різні схеми випрямляння – від однофазних до багатофазних. В електроприводах середньої потуж-ності (до 30 кВт) використовують трифазну нульову схему. Наведена на рис.17 така схема складається із узгоджу-вального трансформатора Т, тиристорів TV системи імпульсно-фазового керу-вання (СІФК) і згладжуючого реактора .

Основними характеристик-ками перетворювача є: характеристика керування і зовнішня характеристика . Властивості тиристорного перетворювача визначаються законом зміни ЕРС вторинної обмотки трансформатора при випрямленому струмі в залежності від вхідної величини, якою є кут керування .

У загальному випадку

 

,

 

де де діюче значення фазної ЕРС вторинної обмотки трансформатора, число фаз. Для трифазної нульової схеми . Середній струм адовольн і типова потужність трансформатора .

 

 

Рис.18.

 

В даний час системи імпульсно-фазового керування виготовляються з використанням напівпровідникових елементів з вертикальним принципом керування, структурна схема якого показана на рис.18. На вході генератора імпульсів ГІ порівнюються опорна напруга (наприклад, пилкоподібна) генератора змінної напруги ГЗН з напругою керування вхідного пристрою ВП. Напруга залежить від режиму роботи двигуна, тобто формується задаючою напругою і напругою зворотних зв’язків. Формування керуючого імпульсу ГІ відбувається в момент зміни знаку різниці напруг і , що здійснює порівняльна ланка ПЛ. Зазвичай, число фаз ГЗН і ВП відповідає числу фаз випрямляча.

Характеристика є нелінійною і залежить від форми опорної напруги. Тому з метою уніфікації розрахунків систем автоматичного регулювання замість характеристик , використовують характеристику , яка у відносних одиницях наведена на рис.19.

При живленні ВК кола якоря двигуна і кутах комутації рівняння зовнішньої характеристики має вид

 

/84/

 

 

де і відповідно зведені до вторинної обмотки індуктивний опір розсіювання обмоток фази трансформатора та їх активний опір; – падіння напруги на відкритому тиристорі.

Напруга на якорі двигуна

 

/85/

 

де еквівалентний опір керованого випрямляча; активний опір згладжуючого реактора.

Індуктивний опір

/86/

 

де напруга короткого замикання, яка для трансформаторів серії ТС дорівнює 2 %, і відповідно номінальні фазні напруга і струм первинної обмотки трансформатора, коефіцієнт трансформації.

Активний опір фази

, /87/

 

де потужність короткого замикання трансформатора, яка залежить від його потужності. Для трансформаторів серії ТС дані наведені в табл.3.

Таблиця 3

	6,3

 

Щоби напруга на якорі двигуна або , діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора відповідно повинно бути рівним 104 В чи 208 В.

За цією умови коефіцієнт трансформації

 

. /88/

 

Номінальний струм первинної обмотки

 

, /89/

 

Широтно-імпульсні перетворювачі. Вони відносяться до імпульсних систем регулювання напруги постійного струму і забезпечують плавне регулювання кутової швидкості двигуна шляхом періодичного під’єднання якоря до джерела живлення і відмикання від нього. В період відмикання двигун продовжує обертатись за рахунок накопичених кінетичної і електромагнітної енергій.

 

 

Рис.20.

 

Схема живлення двигуна постійного струму від широтно-імпульсного перетворювача показана на рис.20, а. Вона складається з узгоджуючого трансформатора Т, випрямляча В, зібраного за трифазною нульовою схемою, транзистора VT – електронного вимикача, згладжуючого реактора і діода VД. Діод VД, шунтуючи коло якоря, утворює коло для струму (рис.20, б) джерелом якого є ЕРС самоіндукції, яка виникає в колі якоря в період розімкненого стану електронного вимикача. Це створює умови для безперервного протікання струму , що значно зменшує його пульсацію і запобігає виникненню комутаційних перенапруг на транзисторі та на обмотках якорного кола.

Регулювання напруги на якорі досягається змінною тривалості імпульсів (широтно-імпульсна модуляція) при сталому періоді комутації Т. Середнє значення напруги

 

 

де стала випрямлена напруга; відносна тривалість імпульсу.

Рівняння електромеханічної характеристики

 

,

 

де середнє значення струму, , показує, що змінюючи , можна регулювати швидкість в широкому діапазоні. При цьому жорсткість характеристики не змінюється, за умови неперервного струму якоря. При невеликих струмах запас електромагнітної енергії малий, в період пауз струм якоря знижується до нуля і в кривій струму з’являються паузи – струм стає переривчастим, опір якорного кола зростає і жорсткість електромеханічної характеристики зменшується. Це призводить до зменшення діапазону регулювання швидкості.

Основним засобом зменшення зони переривчастих струмів є збільшення частоти комутації. Сучасні силові транзистори дозволяють здійснювати комутацію з частотою 2...10 кГц. Зменшенню зони переривчастих струмів сприяє згладжуючий реактор, збільшуючи ЕРС самоіндукції.

Для розширення діапазону регулювання швидкості використовують замкнені системи, в яких тривалість імпульсу змінюється в залежності від швидкості двигуна за допомогою зворотних зв’язків. При цьому можна використати вертикальний принцип керування за умови, що частота генератора змінної напруги буде рівною частоті комутації (ри.18).

Еквівалентний опір широтно-імпульсного перетворювача розраховують за тими ж формулами, що і еквівалентний опір керованого випрямляча.

 

 

7.1. Система електропривода з сумуючим підсилювачем

 

Рівняння електромеханічної характеристики двигуна в замкненій системі регулювання залежить від зворотних зв’язків. При цьому стабілізація швидкості може досягатися в системах з від’ємними зворотними зв’язками за швидкістю, напругою і ЕРС, а також з позитивним зворотним зв’язком за струмом двигуна.

 

 

Рис.21.

 

На рис.21 наведена узагальнена функціональна схема системи стабілізації швидкості двигуна з сумуючим підсилювачем, де і якір і обмотка збудження двигуна; керований випрямляч з системою керування; сумуючий підсилювач; задавач швидкості; відповідно напруги задавача швидкості, керування підсилювачем і перетворювачем, а також напруги зворотних зв’язків за напругою , струмом , ЕРС і швидкістю двигуна .

Маючи рівняння електромеханічної характеристики такої узагальненої системи, легко буде записати рівняння електромеханічної характеристики системи при дії окремих зворотних зв’язків або їх будь-якої комбінації. Тому наводимо рівняння, якими описується електромеханічна характеристика узагальненої системи:

 

/90/

 

де коефіцієнти передачі підсилювача і силового перетворювача; еквівалентний опір перетворювача; коефіцієнти зворотних зв’язків за напругою, струмом, ЕРС і швидкістю двигуна.

Розв’язавши систему рівнянь /90/ відносно швидкості, одержують рівняння електромеханічної характеристики узагальненої системи

 

 

, /91/

 

де .

 

Увага! Студенти в пояснювальній записці до курсового проекту систему рівнянь /90/ записують для свого варіанта завдання. Потім наводять розв’язок цієї системи і звіряють свої результати з рівнянням /91/, за умови рівності нулю відповідних коефіцієнтів.

Вихідними даними для розрахунків коефіцієнтів, які входять в рівняння /91/, є задані технічними умовами діапазон регулювання і статизм нижньої електромеханічної характеристики. Діапазон регулювання , де і швидкості ідеальних холостих ходів, що відповідають натуральній і нижній електромеханічній характеристиці. Нижню межу регулювання визначає заданий відносний перепад швидкості, який називається статизмом, при зміні навантаження від нуля до номінального. Отже, статизм замкненої системи регулювання

 

/92/

 

Підставивши в рівняння /92/ , одержують

 

/93/

Формула /93/ показує, що перепад швидкості на нижній характеристиці залежить від діапазону регулювання і статизму. Ця залежність і є вихідною в подальших розрахунках параметрів систем автоматизованого регулювання з різними зворотними зв’язками.

Розглянемо основні системи стабілізації швидкості електропривода.