Билет №40

Б И Л Е Т № 40

1. Переходные процессы в системе ТП-Д при пуске и торможении.

2. Системы управления электроприводом с прямой ориентацией по вектору потокосцепления ротора.

3. Варианты САР электроприводов конвейеров и их сравнительный анализ.

1. Переходные процессы в системе ТП-Д при пуске и торможении.

Реверс двигателя заключается в торможении до остановки и разгоне в противоположную сторону. В системе ТП-Д его можно осуществить:

а) изменением полярности питания двигателя при помощи реверсирующих контакторов или реверсирующих тиристоров по следующей схеме. Этот способ целесообразен в том случае, если время реверса не имеет существенного значения. Продолжительность реверса не менее 0,1 сек.

б) изменением направления магнитного потока двигателя при неизменном направлении тока якоря, что осуществимо при помощи реверсирующих контакторов в цепи возбуждения, как показано на следующей схеме. Однако продолжительность реверса в этом случае имеет порядок 0,5-2,5 с.

в) Для электроприводов, где требуется максимальное быстродействие при реверсе, а также необходимость как двигательного, так и тормозного режимов при одном направлении вращения применяются ТП с двумя комплектами вентилей, каждый из которых служит для питания двигателя при одном направлении вращения, благодаря чему создается эффект двухсторонней проводимости преобразователя.

Как уже сказано выше, реверс заключается в торможении двигателя и разгоне его в противоположном направлении. Основным способом торможения в системе ТП – Д является торможение с рекуперацией энергии в сеть. В отличие от системы ГД этот режим не может быть получен только путем увеличения скорости сверх скорости идеального холостого хода. Хотя при >₀ ЭДС двигателя станет больше U_d , ток в якорной цепи прервется, т.к. ЭДС двигателя будет приложена к вентилям преобразователя в направлении, противоположном их проводимости, и вентили закроются. Для рекуперации энергии в сеть необходимо преобразовать энергию постоянного тока, источником которой при >₀ становится двигатель, в энергию переменного тока. Для этого ТП нужно перевести в инверторный режим. Практически для возможности торможения электропривода с рекуперацией энергии в сеть применяют два комплекта вентилей, включенных по мостовой схеме, как изображено на рис. и объединяют их управляющее устройство в один орган управления.

В выпрямительном режиме преобразователя активная составляющая I_a1 первой гармоники фазного тока совпадает по направлению с напряжением (ЭДС) фазы, а реактивная I_p1 – отстает на 90. Следовательно, преобразователь потребляет из сети активную и реактивную мощность. Если ₁ станет больше 90, что при =0 соответствует >90, то I_p1 , будет по прежнему отставать от Е_ф на 90, а I_a1 будет направлен встречно с ЭДС фазы . В этом случае преобразователь будет отдавать в сеть активную мощность при одновременном потреблении реактивной мощности. Этот режим и является инверторным . В нем источником тока является ЭДС машины постоянного тока, которая превышает напряжение преобразователя.

Т.о. для получения инверторного режима работы ТП необходимо, чтобы  был больше 90, т.е. необходимо заставить преобразователь путем увеличения угла  принудительно выпрямлять отрицательные полуволны питающего напряжения сети. Сам он не будет это делать, поэтому инверторный режим может иметь место только при принудительной коммутации. При этом изменится знак напряжения U_d.

Известно, что в цепи постоянного тока изменение направления передачи энергии обычно связано с реверсом тока. Но такой же эффект имеет место и при изменении знака напряжения, что видно из соотношения p=ui .

Т.к. вентили обладают односторонней проводимостью, то для изменения направления потока мощности при неизменном направлении тока нужно изменить знак напряжения, т.е. необходимо заставить преобразователь принудительно выпрямлять отрицательные полуволны питающего напряжения, что и делается для осуществления рекуперативного торможения двигателя.

Переход преобразователя из выпрямительного в инверторный режим можно проиллюстрировать с помощью временных диаграмм (без учета угла коммутации ).

При переходе в инверторный режим напряжение сети переменного тока и постоянного тока меняются ролями так, что вентили этого не замечают. Полярность напряжения на зажимах преобразователя и направление тока через вентили остаются неизменными. Выпрямитель, переходя в инверторный режим, продолжает выпрямлять напряжение сети переменного тока, но только его отрицательные полуволны. Угол управления в этом режиме отсчитывается влево от точки пересечения синусоид напряжения питающей сети в отрицательной области и называется , как известно, углом опережения . Он равен =-. Вместо угла коммутации  для инверторного режима принято использовать понятие угла запирания =- или, иначе, угла запаса

В инверторном режиме ТП возникают те же падения напряжения , что и в выпрямительном режиме преобразователя. Однако они покрываются не за счет сети, а за счет источника постоянного тока т.е. двигателя. Поэтому заменяя в выражениях электромеханической и механической характеристик  на  и учитывая, что ток в якорной цепи при инверторном режиме преобразователя, следовательно, тормозном режиме двигателя , определяется разностью ЭДС двигателя и U_d преобразователя, действующего встречно относительно ЭДС двигателя и имеет противоположное направление по сравнению с током в двигательном режиме, уравнения электромеханической и механической характеристик двигателя в режиме рекуперативного торможения имеют вид:

Семейство механических характеристик, соответствующих различным углам  при питании двигателя от однокомплектного ТП, представлено на следующем рисунке. При малых нагрузках так же как и в двигательном режиме, имеют место разрывы тока и резкое изменение скорости.

В случае питания двигателя от двухкомплектного ТП при совместном их управлении и линейном согласовании электромеханические и механические характеристики реверсивного вентильного электропривода аналогичны характеристикам системы ГД, что и изображено на следующем рисунке. При совместном управлении комплектами вентилей, но не полном согласовании линейность характеристик нарушается и они выглядят так как изображено на следующем рис.

Электромеханические и механические характеристики реверсивного вентильного электропривода с раздельным управлением комплектами вентилей существенно зависят от способа согласования углов управления. При линейном согласовании в, частности, они имеют вид , показанный на следующем рис.

Для осуществления рекуперативного торможения электропривода с двумя комплектами вентилей необходимо закрыть вентили преобразователя , работающего в выпрямительном режиме, для чего достаточно установить угол и под действием ЭДС двигателя вентили закроются, и ток в якорной цепи станет равным 0. После этого (если управление не совместное ) необходимо подать на вентили второго преобразователя отпирающие импульсы с углом опережения =_мин, что обеспечивает инверторный режим , при котором в якорной цепи появится ток, обусловленный разностью Е и U_du, совпадающий по направлению с Е двигателя. Знак электромагнитного момента изменится на противоположный и привод будет работать в тормозном режиме с рекуперацией энергии в сеть. Увеличивая  до 90 (см. характеристики ниже оси моментов) , можно снизить скорость практически до полной остановки привода.

При одном комплекте вентилей и реверсировании с помощью контакторов, для перехода в режим рекуперативного торможения запирают вентили преобразователя, устанавливая угол . Затем посредством реверсирующих контакторов переключают якорную цепь двигателя так, чтобы его ЭДС действовала в направлении прямой проводимости вентилей, и подают на них отпирающие импульсы, обеспечивающие инверторный режим преобразователя и тормозной режим работы двигателя.

2. Системы управления электроприводом с прямой ориентацией по вектору потокосцепления ротора.

Функциональная схема системы регулирования скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором М при питании его от преобразователя частоты UZF с управлением по вектору потокосцепления ротора двигателя представлена на рис. 7.2. - система Transvektor.

Система имеет два внешних контура регулирования - модулем вектора потокосцепления ротора ₂ и угловой скорости  ротора, а также два подчиненных им внутренних контура регулирования составляющих тока статора I_1x и I_1y в осях x и y ортогональной системы координат, вращающейся с синхронной скоростью_0эл поля двигателя. Система осуществляет независимое регулирование модуля вектора потокосцепления ротора и скорости ротора при сохранении прямой пропорциональности между моментом двигателя и составляющей намагничивающей силы статора, находящейся в квадратуре с волной потокосцепления ротора. Сигнал задания потокосцепления ротора₂_з формируется в специальном вычислительном устройстве ВУ, использующим математическую модель АД и вводимые в нее реальные параметры двигателя: активные и реактивные сопротивления цепей статора и ротора, число пар полюсов, номинальные значения мощности, скорости, напряжения и тока статора, их частоту, коэффициенты полезного действия и мощности. На рис. 7.2 вводимые параметры двигателя условно изображены совокупностью внешних сигналов Х_вн на входе ВУ. Внешний сигнал задания скорости двигателя  _з подается на вход задатчика интенсивности ЗИ, формирующего темп изменения скорости двигателя в соответствии с требуемыми технологическими ограничениями.

Измерение текущих значений скорости, потокосцепления ротора и токов статора АД производится с помощью датчиков скорости (тахогенератор BV), потокосцепления (ДП) и тока (ДТ).

ДП преобразует измеренные с помощью датчиков Холла трехфазные мгновенные значения потокосцеплений в воздушном зазоре _.а , _{ b} в составляющие потока _. , _{ } в осях  ,  ортогональной системы координат, жестко связанной с неподвижным статором двигателя, причем ось совмещается с магнитной осью статорной обмотки фазы А: _. = _.а ; _{ } = (_.а +_.b ).

Кроме того, в ДП осуществляется вычисление составляющих потокосцепления ротора согласно соотношениям _2 = _. - (L₂ -L_) I_1 ; _2 = _. - (L₂-L_) I_1 ,

где L₂ и L_ - соответственно собственная индуктивность обмотки ротора и взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора, приведенные к цепи статора.

ДТ измеряет мгновенные значения фазных токов статора I_1a, I_1b и преобразует их в двухфазную систему переменных I_1, I_1 . Преобразование переменных из неподвижной системы координат ,  в систему координат х, у, связанную с потокосцеплением ротора и вращающуюся со скоростью  _{0 эл} , осуществляется вектор-фильтром (ВФ) и координатным преобразователем КП1. Вектор-фильтр выделяет модуль вектора потокосцепления ротора ₂= и тригонометрические функции

cos _{0 эл} = _2 / ₂, sin _{0 эл} = _2 / ₂,

где  _{0 эл} =  _{0 эл} t - электрический угол поворота ротора относительно статора в осях х, у.

Преобразователь КП2 осуществляет поворот вектора намагничивающей силы статора на угол _0эл по осям х, у вращающейся системы координат

Задание на электромагнитный момент двигателя формируется выходным сигналом регулятора скорости РС, на входе которого сравниваются сигнал задания скорости  _зи с выхода ЗИ и сигнал, пропорциональный реальной скорости  двигателя. Для поддержания постоянства электромагнитного момента при изменениях модуля потокосцепления ротора введен по (4.36) блок деления БД сигнала с выхода регулятора скорости на ₂. На выходе блока деления формируется сигнал задания I_1yз составляющей тока статора I_1y по оси у.

Сигнал задания I_1хз составляющей тока статора I_1х по оси х формируется на выходе регулятора потока РП, на входе которого сравниваются сигналы задания и реального значения модуля потокосцепления ротора.

Сигналы задания I_1хз и I_1уз сравниваются с текущими составляющими токов статора I_1х и I_1у на входах соответствующих регуляторов токов РТ_х и РT_у, выходные сигналы которых определяют задания составляющих напряжений статора u_1x и u_1y в системе координат х, у.

Система дифференциальных уравнений, характеризующих динамические процессы в асинхронном двигателе при его векторном управлении в системе координат х, у имеет вид:

+ = k_rR'₂ I_1x ; ( _{0 эл} - р ) = k_rR' ₂ I_1y; + I_1x =  _{0 эл} I_1y + + u_1x ; + I_1у = -  _{0 эл} I_1х + р  + u_1y ; J_ =рk_r ₂I_1y - M_{с ,}

где R₁, L₁ - активное сопротивление и собственная индуктивность фазы обмотки статора; R'₂ - активное сопротивление фазы обмотки ротора, приведенное к статорной цепи; k_r = L_ /L₂ ; k_s = L_ /L₁ ;  = 1- k_r k_s .

При компенсации следующих составляющих в правых частях уравнений (7.6) за счет их умножения на L₁ L₁ _{0 эл} I_1y ; ; - L₁ _{0 эл} I_1х и без учета внутренней обратной связи по ЭДС двигателя (составляющей р k_r ), подобно электроприводам постоянного тока, может быть преобразовано к виду: + = k_rR₂ I_1x; + I_1x = u_1x ; + I_1у = u_1y ;

На рис.7.2 роль подобной компенсации выполняет блок БК, в который вводятся переменные I_1x, I_1у,,  и где производятся соответствующие функциональные преобразования.

Преобразование составляющих напряжения статора u_1x, u_1y с выхода БК в составляющие u_1, u_1 в осях  ,  осуществляется блоком координатных преобразований КП1 в соответствии с соотношениями

u_1 = u_1x cos _{0 эл –} u_1y sin _{0 эл} ; u_1 = u_1x sin _{0 эл} + u_1y cos _{0 эл} ;

В преобразователе фаз ПФ по соотношениям

u_1a = u_1 ; u_1b = ( - u_1 + u_1 ); u_1c = ( - u_1 - u_1 )

формируются трехфазные синусоидальные сигналы u_1a, u_1b, u_1c, определяющие на выходе преобразователя частоты UZF амплитуду и частоту напряжений U_A, U_B, U_C питания обмоток статора двигателя.

Представив передаточную функцию преобразователя частоты по напряжению совместно с блоками преобразования координат в виде инерционного звена

W_пч (p) = U_1x(p)/u_1x(p) = U_1y(p)/u_1y(p) = К_п /(Т_п р + 1),

где К_п - эквивалентный статический коэффициент передачи между составляющими напряжений u_1x , u_1у управления преобразователем и составляющими в осях х, у выходных напряжений преобразователя U_1x U_1y; Т_п - эквивалентная постоянная времени цепи управления преобразователем, уравнения (7.7) могут быть приведены к виду = ; = ;

= ; М(р) = рk_r₂(р) I_1y (р); = .

Здесь: R_ = R₁ + k_r²R'₂ - результирующее сопротивление обмотки статора двигателя: Т_1э = L₁/R_ - электромагнитная постоянная статорной цепи двигателя; Т_2э = L₂/R₂ - электромагнитная постоянная роторной цепи двигателя.

Упрощенная структурная схема системы векторного управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода приведена на рис.7.3.

Схема содержит два одинаковых по параметрам внутренних контура регулирования составляющих I_1x, I_1у тока статора с коэффициентом обратной связи по току К_о.т, внешний контур регулирования потокосцепления ротора с коэффициентом обратной связи по потокосцеплению К_о.п и внешний контур регулирования скорости двигателя с коэффициентом обратной связи по скорости К_о.с. Структурная схема подобна структурной схеме системы двухзонного регулирования скорости двигателя постоянного тока. Поэтому при настройке контуров регулирования на модульный оптимум определение параметров передаточных функций регуляторов тока W_р.т (р), потокосцепления W_р.п (р) и скорости W_р.с (р) выполняется аналогично: W_р.т (р) = К_р.т + , W_р.п (р) = К_р.п + , W_р.т (р) = К_р.с,

где Т_иI = а_I Т_п - постоянная времени интегрирования ПИ - регулятора тока; К_р.т = Т_1э /Т_иI - коэффициент передачи пропорциональной части регулятора тока; а_I = 2 4; Т_ип = а_п а_I Т_п постоянная времени интегрирования ПИ-регулятора потокосцеплении ротора; К_р.п = Т_2э /Т_ип - коэффициент передачи пропорциональной части регулятора потокосцепления ротора; а_п = 2 4; К_р.с = 2J_ К_о.т/ 3 р_п k_r К_о.с а_ а_I Т_п - коэффициент передачи пропорционального регулятора скорости; а_ = 2 4.

3. Варианты САР электроприводов конвейеров и их сравнительный анализ.