Атанов АЭП Лекции 2008

Величина перегрузочной способности Мmax 1,65...2,5.

Mн

ММmax

СД может работать в режиме генератора параллельно с сетью, когда нагрузочный момент на валу будет иметь отрицательное значение (для торможения такой режим практически значения не имеет, т.к. при этом нельзя получить понижение скорости).

Для торможения СД обычно применяют динамическое торможения, отключая и закорачивая обмотку статора на добавочные резисторы, но не отключая источник возбуждения (характеристики такие же как и у АД в динамическом торможении интенсивность торможения зависит от Uвозб)

Торможение СД противовключением практически не применяется в виду сложности управления, и необходимости отключения СД при подходе к нулевой скорости.

СД, имея высокий cosφ, часто используется для повышения коэффициента мощности.

При пуске СД большой мощности (сотни, тысячи кВт), возникает необходимость ограничения пусковых токов, что достигается чаще всего использованием добавочных резисторов, реакторов или автотрансформаторов (рисунок 5).

~UC

КМ1

КМ1

КМ2

КМ2

КМ3

Рисунок 5 – Пуск СД с реактором и автотрансформатором

71

Вслучае с реактором, при отключенном КМ2 осуществляется пуск СД с реактором в цепи статора, обеспечивая снижение пусковых токов. При достижении подсинхронной скорости замыкается выключатель КМ2, шунтируя реактор. Автоматизация пуска обычно осуществляется в функции времени.

Вслучае использования автотрансформатора, при пуске замыкают выключатели КМ1, КМ3, к СД подводится пониженное напряжение. При достижении подсинхронной скорости отключается КМ3 и замыкается КМ2. Автотрансформаторный пуск всегда является более дорогостоящим.

Сравнивая два рассмотренных пуска, необходимо отметить, что при использовании автотрансформатора пусковой ток снижается пропорционально квадрату отношения напряжения СД и сети, а при использовании реакторов и резисторов – пропорционально этому отношению.

3 Типовые схемы управления ЭП с СД

Релейно-контактные схемы управления СД кроме обычных операций по включению и отключению двигателя и ограничению пусковых токов должны обеспечивать его синхронизацию с сетью. Рассмотрим типовые схемы ЭП с СД, обеспечивающие управление возбуждением при синхронизации СД с сетью.

Типовая схема управления возбуждения СД в функции скорости. Подключение обмотки возбуждения к источнику UB осуществляется контактором КМ2 (рис. 6, а), который управляется реле скорости KR. Катушка этого реле связана с частью разрядного резистора Rp через диод VD.

При включении контактора КМ1 (его цепи управления на рис. 6,а не показаны) обмотка статора СД подключается к сети переменного тока и образует вращающееся магнитное поле, которое вызовет появление момента двигателя, под действием которого он начнет разбег, и, кроме того, появляется ЭДС в обмотке возбуждения СД.

Под действием ЭДС по катушке реле KR начнет протекать выпрямленный ток, оно включится и разомкнет цепь питания контактора КМ2. Тем самым разбег СД будет происходить без тока возбуждения с закороченной на разрядный резистор Rр обмоткой возбуждения.

По мере роста скорости ротора его ЭДС, а тем самым ток в катушке реле KR, снижаются. При подсинхронной скорости ток в катушке реле KR станет меньше тока отпускания, оно отключится и вызовет тем самым включение контактора КМ2. Контактор КМ2 подключит обмотку возбуждения к источнику UB и произойдет синхронизация СД с сетью.

Схема управления возбуждением СД в функции тока. Эта схема (рис. 6,б) содержит реле тока КА, обмотка которого питается от трансформатора тока ТА, и реле времени КТ.

72

Лекция №10 Технические средства замкнутых схем

управления АЭП

Вопросы

1)Аналоговые элементы и устройства управления ЭП

2)Дискретные элементы и устройства управления ЭП

3)Датчики скорости и положения в замкнутых ЭП

Современные замкнутые системы управления ЭП реализуются, как правило, на основе полупроводниковых элементах. В то же время подключение ЭД осуществляется с помощью рассмотренных электрических аппаратов с ручным и электромагнитным управлением.

Техническая реализация управляющих устройств современного ЭП весьма разнообразна. Они различаются по своей элементной базе, роду тока, мощности, конструктивному исполнению и многим другим признакам. Одним из основных признаков подразделения устройств управления является характер преобразования сигналов, по которому они делятся на аналоговые и дискретные.

Для аналоговых устройств характерна функциональная (линейная и нелинейная) зависимость между входным и выходным сигналами, при этом выходной сигнал может принимать любые значения. Примерами силовых аналоговых устройств могут служить управляемые выпрямители и преобразователи частоты, у которых напряжение и частота на выходе могут регулироваться в широких пределах.

Дискретный элемент может иметь только два уровня выходного сигнала — нулевой и максимальный, который появляется или исчезает при достижении входным сигналом определенного значения. Примерами дискретных элементов могут служить реле и бесконтактные логические элементы. На основе дискретных элементов создаются цифровые схемы управления ЭП.

До относительно недавнего времени задающие, регулирующие, согласующие и функциональные устройства, а также датчики координат ЭП выпускались отдельными сериями, «россыпью», что затрудняло проектирование схем управления, их наладку и эксплуатацию. Прогрессивным явлением в создании технических средств управления стала разработка унифицированной блочной системы регулирования (УБСР). Использование этой системы обеспечивает широкую унификацию производства комплектных средств управления, упрощает проектирование, наладку и эксплуатацию ЭП, улучшает технико-экономические показатели их работы.

Система УБСР имеет несколько ветвей — аналоговую, выполняемую на обычных элементах электроники (УБСР-А) и на интегральных микросхемах (УБСР-АИ), и дискретную (цифровую) на обычных элементах (УБСР-Д) и микросхемах (УБСР-ДИ).

74

1 Аналоговые элементы и устройства управления ЭП

Аналоговая ветвь УБСР-А состоит из набора транзисторных усилителей постоянного тока, командных и задающих устройств, функциональных преобразователей, датчиков координат и блоков питания. Развитием аналоговой ветви УБСР-А явилась разработка серии УБСР-АИ на интегральных микросхемах, применение которых позволило улучшить технические характеристики схем управления и расширить их функциональные возможности. Блоки УБСР-АИ размещаются на сменных ячейках со штепсельными разъемами и имеют печатный монтаж.

Рисунок 1- Схема операционного усилителя

В системе принят унифицированный электрический сигнал + 10 В и ±5мА, позволяющий соединение ее элементов с дискретными элементами УБСР-ДИ и другими устройствами автоматизации технологических процессов.

Операционный усилитель. Основным элементом аналоговой системы является операционный усилитель (ОУ). Он представляет собой усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления (от 5 до 100 тыс.), охваченного отрицательной обратной связью. Схема ОУ приведена на рисунке 1, где через zвх1 ... ZВХ2,- обозначены в общем случае комплексные активно-емкостные входные сопротивления, а zо.с — комплексное сопротивление цепи обратной связи

n

Uвых (Uвхi ki),

1

где ki = Rо.с/Rвхi.

При включении во входные цепи и цепи обратных связей наряду с резисторами конденсаторов ОУ позволяют осуществлять и другие, весьма разнообразные преобразования входных сигналов, необходимые для получения нужных управляющих воздействий в ЭП. Такие схемы получили название регуляторов. В таблице 1 приведены некоторые распространенные схемы регуляторов с использованием ОУ.

Регуляторы. Эти устройства получили свои названия в зависимости от выполняемых ими функциональных преобразований входных сигналов.

Пропорциональный П-регулятор. Этот регулятор осуществляет уже рассмотренное выше масштабное (пропорциональное) преобразование входного сигнала с коэффициентом k (инвертирование знака входного

75

сигнала не является принципиальным признаком преобразования). Как видно, выходной сигнал такого регулятора повторяет входной с коэффициентом преобразования К. Отметим, что зависимость Uвых(t) при подаче на вход регулятора ступенчатого входного сигнала получила название его переходной функции.

Интегральный И-регулятор. В цепь обратной связи ОУ включается конденсатор Со.с, а во входную цепь — резистор R1. В результате этого регулятор приобретает свойства интегрирующего устройства и напряжение на его выходе определяется интегралом от входного сигнала.

Таблица 1 – Схемы и характеристики регуляторов с использованием ОУ

Дифференциальный Д-регулятор. Схема соединения обеспечивает дифференцирование входного сигнала с коэффициентом T=Ro.cC1. Переходная характеристика идеального Д-регулятора представляет собой электрический импульс бесконечно большой амплитуды и малой длительности

76

(для упрощения рисунков здесь и далее график входного сигнала Uвых(t) на них не показан).

Апериодический А-регулятор. Переходной функцией такого регулятора является экспоненциальная зависимость выходного сигнала во времени.

Ряд других регуляторов (пропорционально-интегральный (ПИ), про- порционально-дифференциальный (ПД) и пропорциональио-интегрально- дифференциальный (ПИД) осуществляют комплексное преобразование входных сигналов, что требуется при реализации сложных законов управления ЭП.

Функциональные преобразователи. Эти преобразователи входят в состав УБСР-АИ и позволяют возводить в квадрат и извлекать квадратичный корень из входного сигнала (ячейка ПК-1АИ), умножать и делить входные аналоговые сигналы (ячейки УМ-1АИ, УМ-2АИ, МДУ-1АИ), выделять модуль сигнала (ячейка ВМ-1АИ), осуществлять различные нелинейные зависимости между входным и выходным сигналами (ячейка ПФ1АИ). Эти преобразователи также реализованы на базе одного или нескольких ОУ.

Различные другие нелинейные преобразователи электрических сигналов могут быть получены с помощью многочисленных схем, также реализуемых на основе ОУ. Для примера рассмотрим схему включения ОУ обеспечивающую ограничение сигнала.

Рисунок 2 - Схема (а) и характеристики (б) при ограничении напряжения ОУ

Для выполнения этой функции цепь обратной связи ОУ параллельно резистору включены два стабилитрона VD1 и VD2. До уровня выходного напряжения, соответствующего напряжению пробоя (стабилизации) стабилитронов, ОУ работает как обычный масштабный преобразователь, обеспечивая линейную характеристику. При достижении выходным напряжением уровня Uст происходит пробой стабилитрона, эквивалентное сопротивление цепи обратной связи и тем самым коэффициент усиления ОУ становятся равными нулю и напряжение на выходе перестает изме-

77

няться (ограничивается). Включение двух стабилитронов обеспечивает симметричную характеристику Uвых(Uвх).

Если в схеме рисунка 2, а убрать из цепи обратной связи резистор Roс, то схема будет обеспечивать еще одну нелинейную характеристику типа релейной без зоны нечувствительности. Сигнал Uст на выходе такой схемы будет появляться сразу же, как только поступит входной сигнал.

Рисунок 3- Схема (а) и график напряжения на выходе (б) задатчика интенсивности

Всхемах управления ЭП применяются также задатчики интенсивности, построенные на эффекте протекающего во времени заряда конденсатора. На рисунке 3,а показана схема простейшего задатчика интенсивности, в котором используются конденсатор С и резистор R. При подаче на вход цепочки R—С ступенчатого входного сигнала UВХ сигнал на ее выходе Uвых будет изменяться по экспоненте. Изменяя постоянную времени Т= RC, можно получать различный темп изменения выходного сигнала.

Датчики координат электрических приводов. В замкнутых ЭП,

как уже говорилось, для формирования требуемых статических и динамических характеристик применяются обратные связи по скорости, положению, току и напряжению, реализуемые с помощью соответствующих датчиков. Ряд из них, аналоговые датчики скорости и тока, были рассмотрены ранее. В этом разделе рассматриваются другие виды датчиков, применяемых в аналоговых схемах управления замкнутых ЭП.

Датчики напряжения для ЭП с ДПТ выполняются на основе потенциометра, включаемого на зажимы якоря М двигателя, как это показано на рисунке 4. Уровень сигнала Uo.с, снимаемого с потенциометра RP, и тем самым коэффициент обратной связи по напряжению определяются положением движка потенциометра.

Для получения сигнала обратной связи по напряжению в ЭП с двигателями переменного тока используются трансформаторные схемы напряжения.

ВУБСР реализация цепей обратных связей по току и напряжению осуществляется с помощью ячеек ПН-1АИ и ПН-2АИ, называемых датчиками тока и напряжения. Они позволяют регулировать коэффициенты обратных связей и обеспечивают гальваническую развязку силовых цепей и цепей управления.

78

Используемые в ЭП цифровые средства можно разделить на следующие группы: логические элементы и триггеры, реализующие простейшие логические операции; цифровые узлы (комплекс элементов), включающие в себя совокупность логических элементов и выполняющих более сложные функциональные преобразования сигналов; цифровые устройства (комплекс узлов), реализующие сложные функции управления ЭП; ЦВМ (комплекс цифровых устройств), являющиеся высшей формой интеграции всех функций по управлению ЭП.

Несмотря на определенную условность такой классификации, она оказывается удобной при анализе цифровых схем управления ЭП.

Набор дискретных (цифровых) элементов, узлов и устройств управления существенно шире и разнообразнее, чем аналоговых. Так, например, если УБСР-АИ насчитывается около 15 видов функциональных устройств, то УБСР-ДИ имеет более 30 таких устройств, т. е. в 2 раза больше. Рассмотрим основные дискретные элементы и устройства.

Триггер. Это один из наиболее распространенных элементов цифровых устройств управления, обладающий двумя устойчивыми состояниями и способный скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала. С использованием триггеров строятся различные логические и вычислительные узлы, а также генерирующие устройства и памяти. Не останавливаясь на технической реализации триггеров, что является предметом изучения курса «Промышленная электроника», рассмотрим их функциональные характеристики.

Триггер состоит из двух логических элементов ИЛИ — НЕ (рисунок 5,а) и работает следующим образом. При подаче входного сигнала X1 = l и отсутствии сигнала X2, выход верхнего элемента устанавливается в со-

стояние Y=0, а нижнего, основного — в состояние Y=1.

б)

а)

Рисунок 5 - Схемы триггеров

Отметим, что черта над переменной обозначает ее инверсное состояние. Это состояние схемы сохранится при снятии сигнала (Х1=0). При подаче сигнала Х2 = 1 триггер перейдет в другое устойчивое состояние, в котором Y=0, а инверсный Y=1.

R — S - триггер изображен на схеме (рис. 5,б) и ее работа соответствует так называемому статическому асинхронному триггеру. На вход S,

80