Файл: 6_Глава 4.doc

Глава 4. Общие сведения о регулировании электропривода

4.1. Регулируемый электропривод – основной вид автоматизированного электропривода

Применение регулируемого электропривода в составе технологических машин и агрегатов обычно связано с одним из следующих обстоятельств:

- необходимостью оперативного управления ходом технологического процесса (электроприводы грузоподъемных кранов, экскаваторов, реверсивных прокатных станов и других машин);

- необходимостью устанавливать и точно выдерживать технологический режим (электроприводы станов непрерывной прокатки, бумагоделательных машин, отделочных агрегатов текстильной промышленности и др.);

- необходимостью корректировки технологического процесса (электроприводы питателей, дозаторов и др.);

• автоматическим управлением режимом обработки материала (электроприводы станков с ЧПУ и др.);

• стремление оптимизировать технологический процесс по затратам электроэнергии (электроприводы насосов, вентиляторов, компрессоров).

Приведенный перечень обстоятельств, обуславливающих необходимость или целесообразность применения регулируемого электропривода, может быть расширен и дополнен.

По мере развития рабочих машин и механизмов, применения высоких технологий потребность в регулируемых электроприводах существенно возросла, и автоматизированный регулируемый электропривод составляет энергетическую и кибернетическую (с точки зрения управления) основу большинства рабочих машин и агрегатов во всех технологических областях.

Автоматизированный электропривод выполняет две технологические функции:

- преобразование электрической энергии в механическую, необходимую для осуществления данного технологического процесса;

- управление технологическим процессом, причем с определенной степенью оптимизации этого процесса по ряду критериев, таких как: обеспечение максимальной производительности, точности и качества обработки, минимального расхода энергии и т.п.; конкретные задачи управления многообразны и определяются характером технологического процесса.

Вторая функция автоматизированного электропривода всецело связана с необходимостью регулирования величин, характеризующих движение электропривода (скорости, момента, положения рабочего органа). Выполнение этой функции возможно только посредством использования регулируемого электропривода. Использование для целей регулирования механических или гидравлических средств (вариаторы, коробки передач, гидромуфты и др.) сегодня является технически и экономически неоправданным.

---

Под регулируемым электроприводом понимается электропривод, обеспечивающий регулирование скорости (или момента) в заданном диапазоне с необходимой точностью. В большинстве случаев система управления регулируемого электропривода должна обеспечивать также заданный характер переходных процессов при изменении скорости, момента или других координат электропривода.

Поскольку по своим электромеханическим свойствам электродвигатели в естественной схеме включения в питающую сеть не могут обеспечить регулирование переменных, характеризующих движение электропривода с нужным качеством, для создания регулируемого электропривода приходится преобразовывать электрическую энергию, подводимую к (или отводимую от) двигателю. Преобразование электрической энергии осуществляется посредством полупроводниковых преобразователей.

Регулируя переменные преобразованной электрической энергии (частоту, напряжение, форму и длительность импульсов и др.) удается получить требуемые для регулируемого привода механические и динамические характеристики. Для управления выходными регулируемыми величинами (напряжение, частота и др.) полупроводниковых преобразователей, входящих в состав регулируемого электропривода, служат внутренние контуры автоматического регулирования - это регуляторы тока, э.д.с., тока возбуждения и др. В этом смысле регулируемый электропривод всегда является автоматизированным, т.к. содержит средства автоматического управления, формирующие характеристики электропривода.

Внешние контуры регулирования определяют переменные, характеризующие движение электропривода: скорость или положение рабочего органа. Обычно эти контуры регулирования являются замкнутыми, т.е. содержат отрицательную обратную связь по регулируемой величине соответствующий регулятор. Типичная схема замкнутого контура регулирования скорости представлена на рис.4.1.

Задание на скорость u_зс может формироваться вручную - машинистом экскаватора, крановщиком, оператором и др., или автоматически - от системы числового программного управления (системы ЧПУ в приводе станков), от технологических регуляторов или управляющих устройств верхнего уровня автоматизации.

Передаточная функция регулятора скорости W_РС(р) выбирается такой, чтобы обеспечить требуемое качество регулирования по статическим (диапазон, точность) и по динамическим показателям (быстродействие, перерегулирование, колебательность).

---

Д

Рис.4.1.

вигатели, полупроводниковые преобразователи электрической энергии, датчики и устройства автоматического регулирования в своей совокупности образуют систему регулируемого электропривода. Эти системы различаются, прежде всего, по виду приводного электродвигателя, а также по виду используемых полупроводниковых преобразователей электрической энергии, питающих двигатель.

Регулирование скорости - это принудительное посредством системы управления изменение скорости, исходя из требований технологического процесса. Такое регулирование производится при подаче на вход системы регулирования управляющего воздействия u_зс. Однако регулирование скорости может производиться и при неизменном управляющем воздействии, когда задача регулирования заключается в стабилизации скорости при появлении возмущающих воздействий, например при изменении нагрузки, прикладываемой к валу электродвигателя.

---

4.2. Показатели качества регулирования скорости

Одним из основных показателей, характеризующих регулирование скорости электропривода, является диапазон регулирования. Диапазон регулированияD - это отношение максимальной установившейся скорости электропривода к минимальной при изменении нагрузки на валу двигателя в заданных пределах. Определение величины диапазона регулирования показано на рис.4.2.

Положим, что электропривод имеет прямолинейные механические характеристики. Прямая 1 соответствует максимальной по скорости механической характеристике.

Положим, что регулировочные характеристики привода будут перемещаться вниз параллельно характеристике 1, имея ту же жесткость , что характерно для большинства современных систем регулируемого электропривода. Нижняя предельная характеристика, которая будет обеспечивать требуемый максимальный момент, будет характеристика 2. Диапазон регулирования будет равен отношению максимальной скорости к минимальной, которые определяются по среднему моменту из заданных минимального и максимального его значений [8]

.

. (4.1)

Из графиков рис.4.2. найдем:

Подставляя эти значения в (4.1), получим:

(4.2)

Здесь и далее β – абсолютное значение жесткости.

Из формулы (4.2) следует, что диапазон регулирования зависит от жесткости механических характеристик привода: чем больше жесткость, тем больше диапазон регулирования.

Вторым важным показателем качества регулирования является точность регулирования скорости. Статическая ошибка характеризует реакцию электропривода на приложение (снятие) нагрузки. Если мы анализируем регулируемый электропривод, имеющий линейные (линеаризованные) механические характеристики, которые в зависимости от управляющего воздействия могут плавно перемещаться вниз от основной с постоянной жесткостью (рис.4.3), то абсолютная статическая ошибка будет равна:

---

. (4.3)

Эта ошибка при постоянной жесткости механических характеристик будет одна и та же во всем диапазоне регулирования.

Относительная величина ошибки находится как отношение абсолютной ошибки к базовой (заданной) скорости. Она тем больше, чем меньше заданная скорость.

. (4.4)

Из (4.3) и (4.4) следует, что величина статической ошибки, связанной с возмущением по нагрузке, обратно пропорциональна жесткости механических характеристик: чем больше жесткость, тем меньше статическая ошибка.

Нижнее значение скорости заданного диапазона регулирование скорости может ограничиваться также требуемой точностью регулирования (статизмом). В соответствии с (4.4) точность поддержания заданной скорости, как величина относительная, будет тем хуже, чем меньше заданная минимальная скорость. Поэтому условие выполнения заданной точности будет

.

Учитывая, что

,

получим

.

Тогда диапазон регулирования скорости из условия обеспечения заданной точности будет

. (4.5)

Обычно жесткость механических характеристик электропривода с разомкнутой системой управления недостаточна для достижения требуемого диапазона регулирования и требуемой статической точности. Потому в регулируемых электроприводах, как правило, используются замкнутые по скорости системы регулирования.

Рассмотрим влияние отрицательной обратной связи по скорости на механические характеристики электропривода.

На рис.4.4 представлена структурная схема электропривода с разомкнутой системой управления (рис.4.4,а) и с системой управления, включающей в себя отрицательную жесткую обратную связь по скорости, т.е. с замкнутой по скорости системой управления (рис.4.4,б). При разомкнутой системе управления заданная скорость определяется как (см. рис.4.4,а).

---