Материал: Системы управления исполнительными механизмами.

двигателя. В итоге ЭДС двигателя стабилизируется на номинальном уровне, а магнитный поток устанавливается на уровне, обратно пропорциональном скорости двигателя.

Датчик ЭДС реализован на основе измерения напряжения на якоре и тока якоря двигателя. Делительное устройство (ДУ), установленное на выходе РС, обеспечивает оптимальную настройку контура регулирования скорости за счет деления Uрс на сигнал, пропорциональный текущему значению магнитного потока.

Настройку контуров канала регулирования скорости производят так же, как в системе с однозонным регулированием (см. подраздел 7.1). Настройку контуров регулирования канала стабилизации ЭДС производят на ТО. Передаточная функция оптимального регулятора тока возбуждения имеет вид [17]

Wртв P Rв Тв Твт Р 1 ,

2Т вKтпвKвР

где Rв, Tв – активное сопротивление и постоянная времени цепи обмотки возбуждения двигателя; Tв т – постоянная времени контура вихревых токов, Tв т 0,1 Tв; T в – эквивалентная малая постоянная времени замкнутого контура регулирования тока возбужде-

ния, T в Tтпв; Kтпв, Tтпв – коэффициент передачи и постоянная времени тиристорного возбудителя – ТПВ; Kв – коэффициент об-

ратной связи контура регулирования тока возбуждения. Передаточная функция оптимального регулятора ЭДС имеет

вид [17, 18]

Т Р 1 K

Wрэ P 2Тяц K K Рв ,

э вэ н

где T э – эквивалентная малая постоянная времени замкнутого контура регулирования ЭДС двигателя, T э 2T в; Kвэ – коэффициент передачи цепи ток возбуждения – ЭДС двигателя, Kвэ = eд / iв =

= wвKфСе н.

201

Если измерение ЭДС двигателя производится с малой инерцией, т.е. Tяц 0, например с применением тахометрического моста, то регулятор ЭДС имеет И-структуру.

7.4.Системы управления ЭИМ переменного тока

Врегулируемых электроприводах переменного тока для управления ИМ используют преимущественно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР), а также синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) и вентильные двигатели (бесколлекторные двигатели постоянного тока – БДПТ).

При этом применяются различные способы регулирования скорости электродвигателей путем изменения напряжения статора, одновременно частоты и напряжения статора, частоты и тока статора и др. Используется значительно большее число контролируемых координат, нежели в электроприводах постоянного тока и, соответственно, множество силовых преобразовательных устройств, различающихся и конструктивными решениями, и способами управления. Все эти обстоятельства затрудняют формирование общих подходов к синтезу СУИМ переменного тока. Ниже рассмотрены лишь основные способы управления наиболее распространенными в промышленности АДКР и принципы построения систем управления ИМ на их основе.

При фазовом управлении тиристорами (симисторами) силового преобразователя, питающего статорную обмотку АДКР, изменяется, по сути, средневыпрямленное напряжение полуволн питающей сети при постоянстве частоты питающей сети. Отсюда недостатки такого способа регулирования:

– cнижение критического электромагнитного момента Мк АД при уменьшении напряжения статора U1, причем в квадратичной зависимости:

3U 2

Мк 2 1 X1 к ,

202

E1 – ЭДС асинхронной машины; w1 – число витков обмотки статора; Фт – магнитный поток; f1 – частота напряжения статора; ω1 – угловая скорость вращения поля статора;

–малый диапазон регулирования скорости в силу значительного снижения электромагнитного момента на малых скоростях;

–увеличение потерь в АД, поскольку помимо первой гармоники напряжение питания статора содержит высшие гармонические составляющие.

Указанные недостатки ограничивают область применения СУИМ с фазовым управлением – только для регулирования скорости маломощных АД либо в качестве устройств плавного пуска.

При частотном управлении АД одновременно с изменением напряжения статора изменяют и его частоту. Как следует из фор-

мулы (7.1), при уменьшении частоты f1 питающего напряжения необходимо одновременно уменьшать и напряжение U1 статора, чтобы избежать насыщения магнитной цепи при увеличении маг-

нитного потока Фт. И, наоборот, при уменьшении напряжения U1 статора необходимо одновременно уменьшать и частоту f1 питающего напряжения, чтобы исключить существенное снижение маг-

нитного потока Фт и тем самым снижение электромагнитного по-

тока. В связи с этим различают несколько способов (законов) частотного управления:

–пропорциональное управление (закон Костенко) при обеспечении

f1

– управление с постоянным максимально допустимым моментом нагрузки или магнитным потоком (с iR-компенсацией падения напряжения в обмотках статора) при

203

– квадратичное управление (управление с постоянной мощностью АД) при

Закон пропорционального управления (7.2) целесообразен при вентиляторном характере нагрузки ИМ (насосы, вентиляторы, дымососы, компрессоры), закон с iR-компенсацией (7.3) – при постоянстве момента нагрузки (грузоподъемные ИМ), закон квадратичного управления (7.4) – при постоянстве мощности электропривода (тяговый электротранспорт).

Специфическими разновидностями частотного управления являются частотно-токовое и векторное управление. В первом случае управляют частотой и амплитудой тока статора. При этом преобразователь частоты рассматривается как источник переменного тока. Во втором – оптимальное управление АД достигается изменением амплитуды, фазы и частоты векторов тока и потокосцепления ротора.

Для управления электродвигателями переменного тока используются различные полупроводниковые преобразователи: преобразователи напряжения, неуправляемые выпрямители, зависимые инверторы, автономные инверторы тока и напряжения, непосредственные преобразователи частоты, импульсные преобразователи. Схемы силовых преобразователей весьма разнообразны и определяются конкретными требованиями к электроприводу переменного тока по таким показателям, как мощность, диапазон регулирования скорости, характеристика момента нагрузки на валу, потери электроэнергии, простота реализации, форма выходного напряжения или тока и др.

Преобразователи частоты (ПЧ), получившие наибольшее распространение в технике электропривода, разделяются на две

204

большие группы: ПЧ со звеном постоянного тока и ПЧ с непосредственной связью – НПЧ. В свою очередь, ПЧ со звеном постоянного тока разделяются на ПЧ с управляемым или неуправляемым выпрямителем, с автономными инверторами тока (АИТ) или автономными инверторами напряжения (АИН).

Устройство, принцип работы и характеристики различных преобразователей частоты, используемых для управления электродвигателями переменного тока, достаточно всесторонне освещены в работах [17, 19, 23].

Рассмотрим некоторые функциональные схемы СУИМ на основе частотного управления электроприводами.

На рис. 7.11 приведена упрощенная схема системы частот-

ного управления асинхронными электроприводами подъемнотранспортных ИМ с iR-компенсацией на основе СПЭ со звеном постоянного тока, содержащем управляемый выпрямитель УВ и автономный инвертор напряжения АИН.

C L

АИН

ФП i1 ДТ

U1

Рис. 7.11. Система частотного управления с iR-компенсацией

Для вычисления модуля ЭДС АД в структуру СУИМ введен функциональный преобразователь ФП. Сигнал U f1 , определяю-

щий задание частоты поля статора, поступает одновременно на регулятор ЭДС (РЭ) и систему управления тиристорами АИН. РЭ

205

осуществляет требуемое соотношение (7.3), вырабатывая сигнал UU1 задания напряжения статора, поступающий на систему управ-

ления тиристорами выпрямителя. В системах регулирования скорости дополнительно применяют обратные связи по току статора

искорости вращения АД и, соответственно, внешние контуры тока

искорости (на рис. 7.11 они не показаны).

На рис. 7.12 приведена функциональная схема асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением.

Рис. 7.12. Система частотно-токового управления

СУИМ является двухконтурной: внутренний контур – контур регулирования тока статора, внешний – контур регулирования скорости. Регулятор скорости формирует сигнал U f1 задания час-

тоты тока статора, пропорциональный ошибке регулирования скорости. На вход функционального преобразователя ФП подается разность выходного сигнала регулятора скорости U f1 и сигнала

датчика скорости Uдс, пропорционального скорости АД. Таким образом, на входе ФП формируется сигнал, пропорциональный абсолютному скольжению:

206