Электромеханические системы

                 

Рис. 3.17. Схема электропривода с регулированием скорости изменением магнитного потока

Рис. 3.18. Типичная кривая намагничивания машины постоянного тока

 

Электромеханические и механические характеристики двигателя при ослаблении поля показаны на рис. 3.19 (нерабочие участки изображены пунктирными линиями). Скорость идеального холостого хода   растет с уменьшением потока. Так как ток короткого замыкания не зависит от степени ослабления поля, все электромеханические характеристики пересекаются в одной точке (следует помнить, что ток короткого замыкания для нормальных машин может во много раз превосходить допустимый). Момент короткого замыкания уменьшается с уменьшением потока (рис. 3.19,б).

а)                                                         б)

Рис. 3.19. Характеристики двигателя постоянного тока при

ослаблении поля

 

При питании якорной цепи от источника  тока изменение магнитного потока, как это следует из (3.7), позволяет  регулировать момент от -М_н до +М_н при вертикальных механических характеристиках.

Произведем оценку регулирования  изменением магнитного потока.

1. Регулирование скорости при U = const однозонное - вверх от основной скорости. Это главный недостаток способа, существенно ограничивающий область его применения. Способ обычно применяется в сочетании с другими, позволяющими регулировать скорость вниз от основной. Стабильность скорости относительно высокая - характеристики жесткие (следует помнить, что I_к.з = (20-50)I_н). Регулирование момента при I = const - в широких пределах от -М_н до +М_н.

2. Диапазон регулирования скорости  может быть значительным - до (3-4):1.

3. Регулирование скорости плавное,  можно получить характеристики, расположенные как угодно близко  друг к другу.

4. В связи с тем, что регулирование  скорости при U = const достигается уменьшением магнитного потока, M_доп = kI_нФ < М_н на искусственных характеристиках (линия со штриховкой на рис. 3.19,б. Из уравнения (3.4), в котором I = I_доп = I_н, следует:

тогда

или

Р_доп = М_допw = U_нI_н - I_н²R_я = const,

то есть при данном способе регулирования  неизменна допустимая мощность, снимаемая с вала машины на искусственных характеристиках.

5. Простота реализации рассматриваемого  способа регулирования и отсутствие  дополнительных элементов в силовой цепи, в которых рассеивается энергия, делают способ весьма эффективным с экономической точки зрения: регулирование не сопровождается дополнительными потерями энергии.

6. Капитальные затраты  на регулирование также весьма  низкие, что связано с малой мощностью цепи возбуждения, которая на 1,5-2 порядка меньше, чем мощность двигателя.

 

Регулирование скорости изменением напряжения на якоре

Схема электропривода, обеспечивающая регулирование напряжения на якоре, показана на рис. 3.20,а. Этот способ регулирования предполагает использование силового управляемого преобразователя, установленная мощность которого превышает мощность двигателя. Из уравнений (3.4) и (3.5) следует, что при изменении U (в данном случае Е_п) пропорционально изменяется лишь , а не зависит от U, т.е. семейство искусственных характеристик при kФ = kФ_н = с - параллельные прямые с наклоном несколько большим чем у естественной характеристики двигателя, поскольку R = R_я + R_п - рис. 3.20,б; предполагается, что УП имеет двустороннюю проводимость.

 

а)                                                           б)

Рис. 3.20. Схема (а) и характеристики (б) при регулировании скорости двигателя  постоянного тока изменением напряжения

 

Уравнения характеристик:

и

,   (3.20)

где - коэффициент передачи УП.

Свойства УП оказывают влияние  на вид характеристик. Так, при использовании преобразователей с односторонней проводимостью (I>0) характеристики располагаются лишь в I и IV квадрантах.

Проведем оценку рассматриваемого способа регулирования скорости.

1. Регулирование однозонное, вниз  от основной скорости.

2. Диапазон регулирования в разомкнутой  структуре (8-10):1, стабильность скорости достаточно высокая.

3. Регулирование плавное.

4. М_доп = М_н, так как kФ = kФ_н = с

5. Способ экономичен в эксплуатации, поскольку не используются дополнительные резисторы, рассеивающие энергию. Кроме того, как будет показано ниже, при управлении напряжением удается существенно снизить потери энергии в переходных процессах и обеспечить наиболее благоприятное их протекание.

6. Капитальные  затраты определяются типом используемого  УП. Следует отметить, что при управлении напряжением отпадает необходимость в пусковых и тормозных резисторах с соответствующей коммутационной аппаратурой. Способ часто используется в сочетании с ослаблением поля и является основным при построении замкнутых структур электропривода.

 

 

3.7 Регулирование координат в  замкнутых структурах

 

Наличие в электроприводе управляемого преобразователя, питающего якорную  цепь или цепь возбуждения, имеющего один или несколько входов и достаточно высокий коэффициент передачи, открывает широкие возможности формирования требуемых искусственных характеристик за счет замыкания системы, т.е. подачи на вход как задающего сигнала, так и сигнала обратной связи по координате, которая должна регулироваться.

Принцип действия замкнутых  систем автоматического регулирования  координаты рассмотрим на нескольких простейших примерах.

 

Система УП-Д, замкнутая по скорости

Если жесткость характеристик  в разомкнутой системе УП-Д  оказывается недостаточной для какого-либо технологического процесса, она может быть повышена посредством замыкания системы по скорости, т.е. использования отрицательной обратной связи по скорости - рис. 3.21,а.

          

a)                                                             б)

Рис. 3.21. Схема (а) и характеристики (б) электропривода постоянного 

тока, замкнутого по скорости

 

К разомкнутой системе (рис. 3.20,а) добавлен измерительный орган - тахогенератор ТГ, сигнал которого Е_ТГ = gw сравнивается с задающим сигналом U’_з, а разность U’_з - gw подается на вход преобразователя (отрицательная обратная связь по скорости). Благодаря этому ЭДС преобразователя теперь определяется не только заданием, но и фактической скоростью вращения. Пусть привод работал в т. 1 (рис. 3.21,б) а затем момент сопротивления увеличился до значения М_с2. В разомкнутой схеме этому изменению соответствовала бы точка 2’, так как изменение М_с не приводило бы к изменению ЭДС преобразователя. В замкнутой системе уменьшение скорости повлечет за собой рост входного сигнала

U_вх = U’_з - gw,     (3.21)

то есть Е_п, следовательно, при М_с2 привод перейдет на характеристику, соответствующую Е_п2>Е_п1 и будет работать в точке 2. В рассматриваемой схеме , так как увеличение U_вх, а значит и Е_п возможно лишь за счет некоторого уменьшения . Такие системы называют статическими, в отличие от астатических, где .

Получим уравнение механической характеристики в замкнутой системе. Для этого в уравнение (3.20) для разомкнутой системы подставим уравнение замыкания системы (3.21) и получим после простых преобразований:

  .    (3.22)

Приравнивая выражение для  в замкнутой и разомкнутой системах, будем иметь:

,

то есть для получения одной  и той же задающее напряжение в замкнутой схеме должно быть взято большим.

Сравнив выражение для  , получим:

  ,

то есть перепад скорости при  одинаковых нагрузках в замкнутой  системе уменьшился в раз.

 

 

Система УП-Д  с нелинейной обратной связью по моменту.

Пусть требуется ограничить момент, развиваемый двигателем, некоторой предельной величины М_пред.. В системе УП-Д эту задачу можно решить, снижая ЭДС преобразователя при достижении моментом величины М_пред. Как уже было показано выше, эта операция выполняется автоматически, если использовать соответствующую обратную связь. В данном случае целесообразно использовать обратную связь по моменту или по току, который ему пропорционален (Ф = const), причем эта связь должна вступать в действие лишь при достижении током некоторого заданного значения. Такие обратные связи называют нелинейными или связями с отсечкой. Простейшая схема системы УП-Д с отрицательной обратной связью по току с отсечкой показана на рис. 3.22,а.

                     

а)                                                                   б)

Рис. 3.22. Схема (а) и характеристики (б) электропривода постоянного тока с отрицательной обратной связью по току с отсечкой

 

На вход управляемого преобразователя  при I < I_пред поступает лишь сигнал задания, поскольку сигнал обратной связи по току заперт вентилем В (IR_ос < U_оп). При достижении моментом величины М_пред отрицательная обратная связь по току начинает действовать, т.е.

U_вх = U_з - aI,

благодаря чему снижается Е_п и рост момента ограничивается. Изменением U_з можно установить требуемую характеристику - рис. 3.22,б, а изменением U_оп - задать нужный предельный момент.

 

Замкнутая система  источник тока - двигатель

При питании якорной цепи от неуправляемого источника тока (I=const) электропривод, как отмечалось, обладает свойством управляемого по цепи возбуждения “источника момента”, т.е. имеет в разомкнутой структуре вертикальные механические характеристики. Это обстоятельство очень удобно для построения замкнутых структур: исключение действия ЭДС вращения позволяет просто формировать любые характеристики посредством использования соответствующих обратных связей. Покажем это на простых примерах. В схеме на рис. 3.23,а отрицательная обратная по скорости включена на возбудитель, имеющий характеристику с ограничением; напомним, что установленная мощность возбудителя много меньше мощности двигателя. В предположении, что характеристики Ф(U_в) и U_в(U_вх) на рабочих участках линейны, имеем:

М = КU_вх,

           

а)                                                             б)

Рис. 3.23. Схема (а) и характеристики (б) системы источник тока – двигатель, замкнутой по скорости

 

но, в свою очередь,

U_вх = U_з - U_ос = U_з - gw.

Решив уравнение относительно , получим:

,     (3.23)

т.е. будем иметь семейство параллельных характеристик (рис. 3.23,б), ограниченных посредством характеристики возбудителя заданной величиной момента.

Использовав отрицательную обратную связь по напряжению на якоре или в пренебрежении R_я - по ЭДС вращения - рис. 3.24,а, получим

,

                        

а)                                                               б)

Рис. 3.24. Схема (а) и характеристики (б) системы источник тока – двигатель, замкнутой по напряжению на якоре

 

откуда, подставив в уравнение  для момента, будем иметь:

.

Таким образом, в этой структуре  механические характеристики имеют вид гипербол - рис. 3.24,б, т.е. стабилизируется мощность, развиваемая двигателем.

Приведенные примеры иллюстрируют богатые возможности получения искусственных механических характеристик любой требуемой формы посредством использования соответствующих обратных связей.

Следует отметить, что в системе  источник тока - двигатель замыкание системы позволяет распространить экономный способ регулирования изменением магнитного потока на всю область -М, т.е. сделать регулирование двухзонным, с широкими функциональными возможностями.

Однако, следует также иметь в виду, что рассмотренные приемы относятся лишь к получению статических характеристик и не учитывают динамических особенностей системы, которые в ряде случаев могут потребовать дополнительных усилий для получения удовлетворительных результатов.

 

 

3.8 Технические реализации. Применения

 

Управляемый преобразователь УП в электроприводах, регулируемых изменением напряжения, может быть выполнен на основе либо регулируемого электромашинного агрегата, либо управляемого выпрямителя.

В первом случае электропривод носит название “система генератор-двигатель”  (Г-Д) - рис. 3.25. Это традиционное техническое решение, обычно применявшееся при значительных мощностях (сотни кВт и выше). ЭДС генератора Г, вращаемого с практически неизменной скоростью w_г приводным асинхронным или синхронным двигателем ПД, служит источником питания якорной цепи двигателя Д. Поскольку