Автоматизированный электропривод курс лекций. Конспект лекций по дисциплине «Автоматизированный электропривод. Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов

Лекции по дисциплине «Автоматизированный электропривод» Литература 1. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода (ЭП).-6-е изд. -М.: Энергоиздат, – 576 с. 2. Москаленко В.В. Электрический привод - М.: Мастерство; Высшая школа, –368 с. 3. Москаленко В.В. Электрический привод: Учебник для электротехн. спец. -М.: Высш. шк., – 430 с. 4. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шиянского.-М.: Энергоатомиздат,1983. – 616 с. 5. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов.- М.:Энергоатомиздат, с. 6. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.:Энергоатомиздат, с. 7. ГОСТ Р –92. Электроприводы. Термины и определения. Госстандарт России. 8. Справочник инженера – электрика с.-х. производства / Учебное пособие.-М.: Информагротех, с. 9. Методические указания к выполнению лабораторных работ по основам электропривода для студентов факультета электрификации с.х. / Ставрополь, СтГАУ, «АГРУС», – 45 с. 10. Савченко П.И. Практикум по электроприводу в с.х. – М.: Колос, с. Рекомендуемые сайты в Internet: Лекции по дисциплине «Автоматизированный электропривод» Литература 1. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода (ЭП).-6-е изд. -М.: Энергоиздат, – 576 с. 2. Москаленко В.В. Электрический привод - М.: Мастерство; Высшая школа, –368 с. 3. Москаленко В.В. Электрический привод: Учебник для электротехн. спец. -М.: Высш. шк., – 430 с. 4. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шиянского.-М.: Энергоатомиздат,1983. – 616 с. 5. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов.- М.:Энергоатомиздат, с. 6. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.:Энергоатомиздат, с. 7. ГОСТ Р –92. Электроприводы. Термины и определения. Госстандарт России. 8. Справочник инженера – электрика с.-х. производства / Учебное пособие.-М.: Информагротех, с. 9. Методические указания к выполнению лабораторных работ по основам электропривода для студентов факультета электрификации с.х. / Ставрополь, СтГАУ, «АГРУС», – 45 с. 10. Савченко П.И. Практикум по электроприводу в с.х. – М.: Колос, с. Рекомендуемые сайты в Internet:

Источник электрической энергии (ИЭЭ) Управляющее устройство (УУ) Преобразовательное устройство (ПРБ) Электродвигательное устройство (ЭД) М Передаточное устройство (ПРД) Потребитель механической энергии (ПМЭ) U,I,f М д, ω д U д,I д,f д F д, V д М м (F м), ω м (V м) задания Рисунок 3 – Структурная схема АЭП

3 Коэффициент полезного действия АЭП Как и для всякого электромеханического устройства, важным показателем является коэффициент полезного действия АЭП = ПРБ · ЭД · ПРД Так как коэффициент полезного действия ПРБ и ПРД1 и мало зависит от нагрузки, то АЭП определяется ЭД, которое также является достаточно высоким и при номинальной нагрузки составляет 60-95%.

4 Достоинства АЭП 1) низкий уровень шума при работе; 2) отсутствие загрязнения окружающей среды; 3) широкий диапазон мощностей и угловых скоростей вращения; 4)доступность регулирования угловой скорости вращения и соответственно производительности технологической установки; 5)относительная простота автоматизации, монтажа, эксплуатации по сравнению с тепловыми двигателями, например, внутреннего сгорания.

S=UI
P=Mω
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Введение

1.1.Определение понятия «Электрический
привод»
Электропривод
это управляемая электромеханическая
система. Ее назначение преобразовывать электрическую энергию
в механическую и обратно и управлять этим процессом.
Электропривод имеет два канала силовой и информационный
(рисунок
1.1).
По
первому
каналу
транспортируется
преобразуемая
энергия, по второму каналу осуществляется
управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о
состоянии и функционировании системы, диагностика ее
неисправностей.
Силовой канал состоит из двух частей
электрической и
механической и обязательно содержит
связующее звено
электромеханический преобразователь.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Рисунок 1.1. Общая структура электропривода

АСУ верхнего уровня
Каналы связи
ИП
Сеть
ЭП
канал
электропривода
ЭМП
МП
Рабочий
орган
Электрическая часть
Механическая часть
Силовой канал электропривода
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод
Технологическая установка
Система
электроснабжения
Информационный

В электрическую часть силового канала электропривода
входят электрические преобразователи ЭП, передающие
электрическую энергию от источника питания ИП к
электромеханическому преобразователю ЭМП и обратно и
осуществляющие преобразование параметров электрической
энергии.
Механическая
часть
электропривода
состоит
из
подвижного органа электромеханического преобразователя,
механических передач МП и рабочего органа установки, в
котором полезно реализуется механическая энергия.
Электропривод
взаимодействует
с
системой
электроснабжения (или источником электрической энергии),
технологической установкой и через информационный
преобразователь ИП с информационной системой более
высокого уровня.
Электрический
привод
используется
в

хозяйстве.
Широкое
распространение
электропривода
Н.И. Усенков. Электриче
обусловлено
особенностями
электрической
энергии:
ский привод

Электрический привод один из самых энергоемких
потребителей и преобразователей энергии. Он потребляет
более 60% всей производимой электроэнергии.
Электрический
привод
широко
используется
в
промышленности, на транспорте и в коммунальном
хозяйстве.
Электрический
привод
один
из
самых
энергоемких потребителей и преобразователей энергии.
Теория
регулируемого
электропривода
получила
интенсивное развитие благодаря
усовершенствования
традиционных и созданию новых силовых управляемых
полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и
тиристоров), интегральных схем, развитию цифровых
информационных технологий и разработке разнообразных
систем микропроцессорного управления.
Владение
теорией
в
области
регулируемого
электропривода
является
одной
из
важнейших
составляющей профессиональной подготовки специалистов
Н.И. Усенков. Электриче
направления «Электротехника,
энергетика и технология
ский привод

1.2. Состав и функции электропривода

Функция
электрического
преобразователя
ЭП
состоит
в
преобразовании электрической энергии, поставляемой сетью С и
характеризуемой напряжением Uс и током Iс сети, в электрическую
же энергию, требуемую двигателем и характеризуемую величинами
U, I.
Преобразователи бывают неуправляемыми и управляемыми. Они
могут иметь одностороннюю (выпрямители) или двухсторонюю (при
наличии
двух
комплектов
вентилей)
проводимость,
При
односторонней проводимости преобразователя и обратном (от
нагрузки) потоке энергии используется дополнительный ключевой
элемент на транзисторе для «слива» энергии в тормозном режиме
электропривода.
Электромеханический преобразователь ЭМП (двигатель), всегда
присутствующий в электроприводе, преобразует электрическую
энергию (U, I) в механическую (M,ω).
Механический преобразователь МП (передача): редуктор, пара
винтгайка, система Н.И.
блоков,
Усенков.кривошипно
Электриче шатунный механизм
осуществляют согласование
момента М и скорости ω двигателя с
ский привод

Рисунок 1.2. Энергетический канал электропривода
P2
P1
Сеть
ΔPс
ΔPэ
Uс, I с
ΔPr
ΔPм
ΔPэм
U, I
Mм, ω м
M, ω
ЭМП
ЭП
Δ Pро
МП
ΔPr
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод
РО

Величины,
характеризующие
преобразуемую
энергию:
напряжения, токи моменты (силы) скорости положение вала в
пространстве, называют координатами электропривода.
Основная функция электропривода состоит в управлении
координатами, то есть в их принудительном направленном
изменении в соответствии с требованиями технологического
процесса.
Управление координатами должно осуществляться в пределах,
разрешенных
конструкций
элементов
электропривода,
чем
обеспечивается надежность работы системы. Эти допустимые
пределы обычно связаны с номинальными значениями координат,
обеспечивающими оптимальное использования оборудования.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Автоматизированный
электропривод
(АЭП)
это
электромеханическая система, состоящая из электрической
машины ЭМ, связанной посредством механической передачи
ПУ с рабочим механизмом РМ, силового преобразователя СП,
системы управления СУ, блока сенсорных устройств БСУ,
которые выполняют роль датчиков обратной связи по
основным
переменным
состояния
ЭП
(параметры:
положения вала рабочей машины, угловая скорость, момент,
ток двигателя) и источников питания, обеспечивающих
питание указанных электротехнических устройств.
Полупроводниковые
СП
служат
для
согласования
электрических
параметров
источника
электрической
энергии
(напряжение,
частота)
с
электрическими
параметрами машины ЭМ и регулирование ее параметров
(скорость, напряжение и изменение направления вращения
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Рисунок 1.3. Блок схема автоматизированного
электропривода
Источник питания
Сигнал
задания
ЭМ
СУ
СП
БСУ
ПУ
РМ
Информационный канал ЭП
Электрическая часть ЭП
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод
Механическая часть ЭП

Система управления предназначена для управления
силовым преобразователем и строится, как правило, на
микросхемах, либо микропроцессоре. На вход системы
управления
подается
сигнал
задания
и
сигналы
отрицательных обратных связей от блока сенсорных
устройств.
Система
управления,
в
соответствии
с
заложенными в нее алгоритмом, вырабатывает сигналы
управления силовым преобразователем, управляющего
электрической машиной.
Наиболее
совершенным
электроприводом
является
автоматизированный
электропривод
регулируемый
электропривод
с
автоматическим
регулированием
переменных состояния.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Автоматизированный электропривод делится на:
Стабилизированный по скорости или моменту ЭП;
Программно управляемый ЭП, осуществляющий перемещение
рабочего механизма в соответствии с программой, заложенной в сигнал
задания;
Следящий ЭП, осуществляющий перемещение рабочего механизма в
соответствии с произвольно изменяющимся входным сигналом
Позиционный
ЭП,
предназначенный
регулирования положения рабочего механизма
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод
для

Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Электропривод на основе двигателей постоянного
тока
используется
в
различных
отраслях
промышленности:
металлургии,
машиностроении,
химической, угольной, деревообрабатывающей и др.
Регулирование
угловой
скорости
двигателей
постоянного
тока
занимает
важное
место
в
автоматизированном электроприводе. Применение с
этой целью тиристорных преобразователей является
одним из современных путей создания регулируемого
электропривода постоянного тока.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Управление скоростью ДПТ с НВ осуществляется тремя
способами:
1.Изменением напряжения на якоре двигателя при неизменном токе в обмотке
возбуждения;
2.Изменением тока в обмотке возбуждения двигателя при неизменном
напряжении на якоре;
3.Комбинированным изменением напряжения на якоре двигателя
обмотке возбуждения.
и тока в
Напряжение на якоре двигателя или ток в обмотке возбуждения изменяют с
помощью управляемых выпрямителей, из которых наибольшее применение
получили однофазные и трехфазные мостовые выпрямители.
При управлении двигателем по цепи обмотки возбуждения управляемый
выпрямитель выполняется на меньшую мощность и обладает лучшими массогабаритными и стоимостными показателями.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Однако вследствие большой постоянной времени
обмотки возбуждения электропривод обладает худшими
динамическими
свойствами
(является
менее
быстродействующим), чем по цепи якоря двигателя. Таким
образом,
выбор
цепи
управления
определяется
конкретными требованиями к приводу.
При работе с производственными механизмами
(например, механизмы главной и вспомогательной
передач в обрабатывающих станках, крановые механизмы,
лифты) необходимо изменять направление вращения
двигателя
(осуществлять
реверс).
Изменению
направления вращения обычно сопутствуют такие
требования, как быстрое (и в то же время плавное)
торможение и плавный набор скорости.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Реверс направления вращения приводного двигателя может достигаться
изменением полярности подводимого к якорю напряжения либо изменением
направления тока в обмотке возбуждения. С этой целью в цепь якоря или
обмотки возбуждения вводят контактный переключатель (реверсор) или
используют два управляемых тиристорных преобразователя.
Структурная схема реверсивного тиристорного преобразователя с
контактным переключателем в цепи обмотки якоря показана на рисунке. В
этой схеме, как и в большинстве преобразователей, предназначенных для
электропривода, режим выпрямления чередуется с режимом инвертирования.
Так, например, при наборе скорости в режиме пуска и ее стабилизации в
условиях
повышения
нагрузки
на
валу
двигателя
тиристорный
преобразователь работает в режиме выпрямления, сообщая энергию
двигателю. При необходимости торможения и последующего останова
двигателя поступление энергии к нему от сети через преобразователь
прекращают,
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Переводя
двигатель в режим инвертирования.
Машина постоянного тока под действием инерционной
массы на ее валу переходит в режим генератора,
возвращая накопленную энергию через преобразователь
в сеть переменного тока (рекуперативное торможение).
Блок-схема реверсивного преобразователя
Сеть
380 B, 50 Гц
Uсинхр
VS1
UZ1
VS6
СИФУ
Uо.с
1
Id1
2
QS1
Udα
1
2
Id2
M1
LM1
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод
Uз.с

Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Система «Тиристорный преобразователь-двигатель»

Основным типом преобразователей, применяемых в регулируемых
ЭП постоянного тока, являются полупроводниковые статические
преобразователи (транзисторные и тиристорные). Они представляют
собой управляемые реверсивные или нереверсивные выпрямители,
собранные по нулевой или мостовой однофазной или трехфазной
схемам. Силовые транзисторы, применяются в основном для
импульсного регулирования напряжения в ЭП небольшой мощности.
Принцип действия, свойства и характеристики системы ТП - Д
рассмотрим на примере схемы, приведенной на рис. 2.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

à)
á)
~ U1
i1
T1
e2.1
VS1
Ud
+
M2
+
Ia1
Id
UÓ1
UÓ
2
e2.2
LM
3
VS2
I
0
L
1
Ia2
4
5
6
UÓ2
Ñ È Ô Ó
UÑ
Рисунок
2
Н.И. Усенков.
Электриче
ский привод
7
M

Управляемый выпрямитель (преобразователь) включает в себя
согласующий трансформатор Т, имеющий две вторичные обмотки,
два тиристора VS1 и VS2, сглаживающий реактор с
индуктивностью L и систему импульсно-фазового управления
СИФУ. Обмотка возбуждения двигателя ОВМ питается от своего
источника.
Выпрямитель обеспечивает регулирование напряжения на
двигателе за счет изменения среднего значения своей ЭДС ЕП. Это
достигается с помощью СИФУ, которая по сигналу UУ изменяет
угол управления тиристорами α (угол задержки открытия
тиристоров VS1 и VS2 относительно момента, когда потенциал на
их анодах становится положительным по сравнению с
потенциалом на катоде). Когда α = 0, т.е. тиристоры VS1 и VS2
получают импульсы управления Uα от СИФУ в указанный момент,
преобразователь осуществляет двухполупериодное выпрямление
и на якорь двигателя подается полное напряжение. Если с
помощью СИФУ подача импульсов управления на тиристоры VS1 и
VS2 происходит со сдвигом (задержкой) на угол α ≠ 0, то ЭДС
преобразователя снижается, а следовательно, уменьшается
среднее напряжение, подводимое к двигателю.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Зависимость среднего значения ЭДС многофазного преобразователя
от угла управления тиристорами а имеет вид:
(1)
ECP Emax m sin m cos ECP 0 cos
где m - число фаз;
Е - амплитудное значение ЭДС преобразователя;
ЕСР0 - ЭДС преобразователя при α = 0.
Для уменьшения вредного влияния пульсации тока в цель якоря
обычно включается сглаживающий реактор, индуктивность L которого
выбирается в зависимости от допустимого уровня пульсации тока.
Уравнения для электромеханической и механической характеристик
двигателя:
(2)
(3)
ECP 0 cos k I RЯ RП k
ECP 0 cos
k M RЯ
RП
k 2
где
- эквивалентное сопротивление
RП xT m 2 RT RL
преобразователя;
xT, RT - соответственно приведенные ко вторичной обмотке
индуктивное сопротивление рассеяния и активное сопротивление
обмоток трансформатора;
RL - активное сопротивление сглаживающего реактора.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

В заштрихованной области двигатель работает в режиме
прерывистого тока, что определяет заметное изменение (уменьшение)
жесткости характеристик. Вследствие односторонней проводимости
преобразователя характеристики располагаются только в первом
(1 ...3 при α = 0; 30, 60°) и четвертом (4...7 при α = 90, 120, 150, 180°)
квадрантах. Меньшим углам управления соответствует большая ЕП и,
следовательно, более высокая скорость двигателя; при α = π/2 ЭДС
УВ ЕП = 0 и двигатель работает в режиме динамического торможения.
На рис. 3 приведена схема ЭП с трехфазным мостовым
нереверсивным УB.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

~ 380 Â; 50 Ãö
T1
UÑ
UÓ
Ñ
È
Ô
Ó
U
VS1
+
VS6
VS1
VS4
VS3
VS6
VS5
VS2
Ud
L
Id
M1
+
LM
-
UB
Н.И. Усенков.
Электриче
Рисунок
3
ский привод
-

Для получения характеристик двигателя во всех четырех
квадрантах используются реверсивные управляемые выпрямители,
которые состоят из двух нереверсивных выпрямителей, например с
нулевым выводом рис. 4.
а)
~ 380 В; 50 Гц
б)
T1
2
UС
U
UУ
С
И
Ф
У
VS1
+
VS6
VS1
VS4
VS3
VS6
VS5
VS2
L1
-
2
L
1 min
0
min
M
1 2
1 max
M1
UB
2 2
L2
+
max
-
Н.И. Усенков.
Электриче
Рисунок
4
ский привод

Реверсивными
называются
преобразователи,
позволяющие
изменять полярность постоянного напряжения и тока в нагрузке.
В реверсивных УВ используются два основных принципа
управления комплектами вентилей: совместное и раздельное.
Совместное управление предусматривает подачу от системы
импульсно-фазового управления тиристорами импульсов управления
Uα одновременно на тиристоры обоих комплектов – VS1, VS3, VS5
(катодная группа) и VS2, VS4, VS6 (анодная группа). При этом за счет
наличия угла сдвига между импульсами управления двух комплектов
тиристоров, близкого к π, один из них работает в выпрямительном
режиме и проводит ток, а другой, работая в инверторном режиме, ток
не проводит. Для обеспечения такого управления между средними
значениями ЭДС выпрямителя и инвертора должно существовать
соотношение
, однако за счет разности мгновенных значений
ЭДС между комплектами тиристоров протекает так называемый
уравнительный ток. Для его ограничения в схеме, приведенной на рис.
4, а, предусмотрены уравнительные реакторы L1 и L2.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Схемы вентильных преобразователей,
обеспечивающие изменение направления
потока энергии
В автоматизированных электроприводах
регулировать скорость приводного двигателя.
требуется
При использовании машин постоянного тока возникает
задача не только регулирования скорости вращения, (за
счет изменения величины питающего напряжения), но и
изменения направления вращения (реверс). Для этого
необходимо изменение как полярности напряжения на
нагрузке, так и направления тока в нагрузке.
Эта задача решается с помощью специального
преобразователя постоянного тока без применения
контактной аппаратуры,
так называемого реверсивного
Н.И. Усенков. Электриче
преобразователя постоянного
тока, состоящего
ский привод

состоящего из двух комплектов вентилей, каждый из которых
обеспечивает протекание тока через нагрузку только в одном
направлении.
Все существующие схемы реверсивных вентильных преобразователей
можно разделить на два класса:
перекрестные («восьмерочные») схемы и
встречно –параллельные схемы.
В перекрестных схемах (рисунок а – нулевая и б – мостовая)
трансформатор имеет две группы изолированных вентильных обмоток,
от которых питаются два комплекта вентилей.
Во встречно-параллельных схемах (рисунок в) необходима лишь одна
группа вентильных обмоток трансформатора.
В реверсивных
являются:
преобразователях
наиболее
трехфазная нулевая;
дважды трехфазная с уравнительным
реактором и
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод
распространенными

Трехфазный реверсивный преобразователь
с нулевым выводом
A
T1
C
Uсинхр
N
a
UZ1
B
b1
1
c1
a2
b
c2
2
Iур2
Lур1
Id1
Udα
Iур2
VS1…
VS3
UZ2
Lур2
Id2
M1
Н.И. Усенков. Электриче
LM1
ский привод
VS4…
VS6
СИФУ 1
СИФУ 2
Uсинхр
Uзс

Трехфазные схемы выпрямителей применяются при индуктивной
нагрузке для питания обмоток возбуждения электрических машин,
шестифазные
для питания якорных цепей двигателя,
двенадцатифазные особо мощных электроприводов.
Работа реверсивного преобразователя
Предположим, что в начальный момент времени машина
вращалась по часовой стрелке со скоростью n об/мин. При этом она
развивала противо-ЭДС Eяк и через якорную цепь протекал ток I
(рисунок
). Питание машины осуществлялась от первого
вентильного комплекта преобразователя UZ1, работающего в
выпрямительном режиме. Для снижения скорости вращения
машины надо уменьшить подводимое к ней напряжение питания, то
есть необходимо увеличить угол управления тиристорами
VS1,VS2,VS3 выпрямителя UZ1.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

При этом из-за инерции двигателя его противо-ЭДС Eяк не может
резко изменится и оказывается больше, чем напряжение Ud1 на
выходе
преобразователя
(на
якоре
двигателя).
Вентили
преобразователя UZ1 быстро запираются, и ток нагрузки снижается
до нуля. Но на зажимах якорной цепи электрической машины,
вращающейся по инерции, сохраняется противо-ЭДС Eяк, что
позволяет полезно использовать кинетическую энергию вращающего
привода, преобразовав ее в электрическую, и одновременно быстро
затормозить электрическую машину.
Для этого требуется перевести первый вентильный комплект в
инверторный режим, то есть увеличить угол α1 > 90°. Но первый
комплект UZ1 преобразователя нельзя использовать в инверторном
режиме, так как необходимо иметь на машине обратную полярность
напряжения Ud1. Поэтому в инверторный режим переводится второй
вентильный комплект UZ2 (α2 > 90°), выход которого подключен к
нагрузке параллельно выходу первого комплекта UZ1. Машина
работает в генераторном режиме, поэтому скорость вращения ее
падает. Следовательно, снижается и противо-ЭДС Eяк, являющаяся
питающим напряжениемН.И.
дляУсенков.
второгоЭлектриче
комплекта UZ2, работающего в
инверторном режиме. ский привод

n
Торможени
Двиг. е
Разгон
режим
Двиг.
режим
0
t
Реверс
I
E
0
t
<90
UZ2
В
И
>90
И
>90
<90
UZ1
В
UZ1
<90
В
Рис 1.2. Диаграмма режимов работы
электрической машины постоянного тока
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

При остановке электрической машины (Eяк=0; n=0) можно
перевести второй комплект вентилей UZ2 в выпрямительный
режим (α2<90°). При этом электрическая машина опять переходит
в режим двигателя и питается от второго комплекта вентилей
UZ2.
Направление
вращения
машины
изменяется
на
противоположное (реверс двигателя), и она снова начинает
разгоняться (от n=0 до заданной частоты вращения, например, до
n=nном в третьем квадранте координат электропривода: n и I или n
и M).
Если вновь требуется осуществить реверс, то увеличивается
угол α2 второго комплекта вентилей UZ2, его вентили запираются.
Первый комплект вентилей UZ1 переводится в инверторный
режим (α 1>90°), направление тока якоря Id меняется на обратное,
электрическая машина работает в генераторном режиме до
полной остановки двигателя.
В дальнейшем с уменьшением угла α1>90° первый комплект
вентилей UZ1 переводится в выпрямительный режим и
осуществляется разгон двигателя до заданной частоты вращения.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Регулировочная характеристика реверсивного
преобразователя
Udα
Ud0
Udα1
α1
Режим
выпрямителя
0
Udβ1
π
π/2
Режим
инвертора
α2
β1
-Ud0
Udβ
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод
α
β

При равенстве средних значений напряжений на
выходе UZ1 и UZ2 получаем выражение
Udocosα1= Udocosβ2.
Следовательно, необходимо, чтобы α1= β2. Так как при
инверторном режиме β =180°- α, то условие равенства
средних значений напряжений в уравнительном контуре
можно представить в виде α1+ α2 =180°, где α1 и α2 – углы
управления тиристорами первого и второго комплектов
вентилей, отсчитываемые от точки естественного
отпирания тиристоров.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Внешние характеристики реверсивного
преобразователя
Внешние характеристики выпрямительного и инверторного
комплектов в этом случае являются продолжением одна
другой и дают линейную результирующую внешнюю
характеристику реверсивного преобразователя
Udα
β1
α1
β1 > β
2
α2 > α
β3 > β
2
1
α3 > α
2
Режим
инвертора
Режим
выпрямителя
0
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод
Id

Совместное управление вентильными
комплектами
Если импульсы управления подаются одновременно на
вентили обоих комплектов UZ1 и UZ2, а углы управления
тиристорами соответствуют условию
α1 + α2 = π,
управление
вентильными
согласованным.
группами
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод
называют

Раздельное управление вентильными
комплектами
Для того, чтобы получить электропривод, работающий во всех четырех
квадрантах поля: ω – I или ω - М, необходимо использование реверсивного
тиристорного преобразователя, обеспечивающего протекание тока якоря
двигателя в обоих направлениях.
Реверсивные преобразователи содержат две группы тиристоров,
включенных встречно-параллельно друг другу.
В этой схеме два вентильных комплекта UZ1 и UZ2, собранные каждый по
трехфазной мостовой схеме, включены параллельно друг другу с
противоположной полярностью на стороне выпрямленного тока.
Подавать отпирающие импульсы одновременно на обе группы тиристоров
нельзя, так как произойдет короткое замыкание. Поэтому в данной схеме
может работать только
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

одна группа тиристоров UZ1 или UZ2; другая группа
тиристоров должна быть закрыта (отпирающие импульсы
сняты).
Таким образом, реверсивные преобразователи с
раздельным управлением - это такие преобразователи, в
которых управляющие импульсы приходят только на один
из комплектов вентилей, проводящих ток. Импульсы
управления на второй комплект вентилей в это время не
подаются, и его вентили заперты. Реактор Lур в схеме
может отсутствовать. См Горби243с
При раздельном управлении вентилями включается
только та группа тиристоров, которая в данный момент
должна проводить ток в нагрузке. Выбор этой группы
зависит от направления движения привода («Вперед» или
«Назад») и от режима работы привода: двигательный
режим или рекуперативное торможение.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Таблица 1 – Выбор вентильного комплекта
Режим работы ЭП
Двигательный
Тормозной
Направление
движения
«Вперед»
UZ1
UZ2
«Назад»
UZ2
UZ1
В системах управления ЭП выбор и включение нужной группы
тиристоров производится автоматически посредством логического
переключающего устройства ЛПУ, принцип построения которого
показан на рисунке.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Примем направление тока якоря при работе «Вперед» в
двигательном режиме за положительное. При положительном сигнале
задания скорости ωзад, соответствующем движению
«Вперед», и
сигнале ошибки по скорости, которая в двигательном режиме также
будет (ωзад- ω)≥0, сигнал, поступающий на ЛПУ от регулятора тока,
будет иметь знак (+). В соответствии с этим ЛПУ включит электронный
ключ QS1, который подает отпирающие импульсы на тиристорную
группу UZ1. Угол управления α1 устанавливается системой
автоматического регулирования в соответствии с сигналом выхода
регулятора тока РТ. Обе СИФУ (1) и (2) работают согласованно так,
что сумма углов сумма
α1 + α 2 = π .
(1)
Таким образом, на тиристорную группу, работающую в
выпрямительном режиме, подаются отпирающие импульсы с углом α1 =
0… π/2. При этом СИФУ2 вырабатывает импульсы
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

управления с углом α2 = π - α1, то есть с углом управления,
соответствующем
инверторному
режиму
работы
преобразователя UZ2. Однако, поскольку электронный ключ
QS2 разомкнут, импульсы управления на тиристоры группы
UZ2 не поступают.
Преобразователь UZ2 закрыт, но
подготовлен к работе в инверторном режиме.
Такой
принцип
согласованного
управления
вентильными комплектами, определяемый (1), позволяет
согласовать механические характеристики привода в
двигательном и тормозном режимах, что показано на
рисунке.
При
необходимости
торможения
привода
уменьшается сигнал задания скорости ωзад. Ошибка по
скорости меняет знак (ωзад - ω) <0, и на входе ЛПУ знак
сигнала изменяется с (+) на (-), в соответствии с чем
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Отключается контакт QS1 и включается контакт QS2. Однако
включение контакта QS2 происходит не сразу, а с некоторой
выдержкой времени, которая необходима, чтобы ток якоря
уменьшился до нуля и тиристоры UZ1 восстановили запирающие
свойства. Спадание тока до нуля контролируется датчиком тока ДТ и
нуль-органом НО (в других схемах для этой цели используются
датчики проводимости вентилей).
Когда ток спадет до нуля, по прошествии некоторой выдержки
времени, включается ключ QS2 и вступает в работу преобразователь
UZ2, уже подготовленный к работе в инверторном режиме. Привод
переходит в режим рекуперативного торможения, Общее время
переключения тиристорных групп составляет 5 – 10 мс, что является
допустимым для обеспечения высокого качества управления ЭП.
При работе в двигательном режиме в направлении «Назад» знак
задания скорости отрицателен, а абсолютное значение
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

ошибки по скорости |ωзад - ω | положительно, поэтому на
вход ЛПУ поступает отрицательный сигнал, и включается
ключ
QS2.
Работает
преобразователь
UZ2
в
выпрямительном режиме. Логические правила работы
ЛПУ иллюстрируются таблицей 2.
Находят применения также и другие схемы ЛПУ.
Механические характеристики реверсивного привода ТП-Д
с раздельным управлением показаны на рисунке.
При непрерывном токе
описываются уравнением (1).
якоря
двигателя
они
В режиме прерывистых токов в области малых
значений момента линейность характеристик нарушается.
В современных замкнутых по току и скорости системах
регулирования, благодаря применению адаптивных
регуляторов, удается линеаризировать механические
характеристики ЭП иН.И.
приУсенков.
малыхЭлектриче
значениях момента.
ский привод

Таблица 2 – Логика работы ЛПУ
Знак
Знак
Знак
Включен
Работает
Режим
ωзад
|ωзад- ω|
на входе
ключ
работы
ЛПУ
QS
преобразовате
ль
+
+
+
QS1
UZ1
+
-
QS2
UZ2
-
+
-
QS2
UZ2
-
-
+
QS1
UZ1
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод
электропривод
а
Двигательны
й
Тормозной
Двигательны
й
Тормозной

Внешняя характеристика выпрямителя
Udα
Ud0
Ud1
0
Id
I d1
I к.з
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

7.Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов

Техническая реализация
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Задание 1. Определить значения приведенных моментов J и Мс при
подъеме груза (рисунок 1), если известно: Jд=3,2 кг м2; Jр.о.=3,6 кг м2;
передаточное число редуктора р=0,96; КПД исполнительного органа
(барабана) Б=0,94; угловая скорость двигателя ω=112 рад/с; скорость
подъема груза v=0,2 м/с; масса груза m=1000 кг.
Пояснение.
Приведенный статический момент:
Mc
F p . o . p . o .
p Б Д
m g p.o.
p Б Д
1000 9,81 0,2
19,41H m
0,96 0,94 112
Приведенный момент инерции J:
J
J Д J ро
i p2
m(
2 3,2 3,6
0,2 2
1000
) 3,3 кг м2.
2
Д
112
6,14
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Jд, nп, iп, п
М, д, Jд
Д
ПУ
Мpo, po, Jpo
РО (б), и схема 3.Ознакомиться с
MatLab7/Simulink3.
библиотекой
основных
блоков
в
программе
4.Составить блок-модель лабораторной установки для проведения
исследования в соответствии с заданной темой и дать краткое описание
используемых функциональных устройств и виртуальных измерительных
приборов.
5.Изучить виртуальную лабораторную установку и ввести исходные
данные в диалоговые окна программы. Сформулировать план проведения
эксперимента.
6.После выполнения работы составить отчет по структуре:
Название работы и цель работы;
Описание лабораторного стенда;
Анализ осциллограм экспериментальных зависимостей;
Выводы.
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Работа № N. Исследование электропривода по
структуре «Выпрямитель-преобразовательасинхронный двигатель»
Блок-модель электропривода с асинхронным двигателем
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Результаты моделирования
Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Н.И. Усенков. Электриче
ский привод

Многие ошибочно полагают что электропривод – это электродвигатель выполняющий какую-то работу. На самом деле это не совсем верно. В систему электропривода входит не только электродвигатель, но и редуктор, система управления к нему, датчики обратной связи, различные реле и пр. Это не электрическая система, а электромеханическая. Она может быть регулируемой (автоматизированной, автоматической или не автоматизированной) или не регулируемой (насосы бытовые и пр.). Мы рассмотрим виды регулируемых устройств.

Не автоматизированный электропривод

При работе данного устройства все действия по регулированию каких-либо координат выполняются в ручном режиме. То есть для работы данного типа устройств необходим оператор, человек который будет следить за правильностью выполнения процессов. Как пример можно привести крановый электропривод, где все действия выполняются оператором.

Автоматизированный электропривод

В отличии от не автоматизированных приводов, в автоматизированных присутствуют сигналы обратной связи по координатам или параметрам (ток двигателя, скорость, положение, момент). Ниже приведена структурная схема:

Структурная схема автоматизированного электропривода

ЗА – защитная аппаратура (автоматические выключатели, предохранители и пр.)

ПЭЭ – преобразователь электрической энергии (частотник, тиристорный преобразователь)

ДТ – токовый датчик

ДН – датчик напряжения

СУ ПЭЭ – система управления преобразователем

ПУ – пульт управления

ПМ – передаточный механизм (муфта, редуктор и пр.)

РО – рабочий орган

ЭД — электродвигатель

При такой структуре управления СУ ПЭЭ управляет не только преобразователем, но и всей системой сразу. При таком управлении датчики обратной связи обеспечивают контроль за параметрами и сигнализируют об этом оператору. Данная система в автоматическом режиме может проводить некоторые операции (пуск, останов и пр.), но все равно требуется присутствие человека, для контроля, за работой данного устройства. Например, пуск много конвейерной линии, где пускаются не все конвейеры сразу, а по очереди, где учитывается также время пуска каждой линии и условия пуска. Точно также они и останавливаются.

Как видим из структурной схемы сигналы обратной связи приходят на пульт оператора, который непосредственно соблюдает технологический процесс, и часть приходит в систему управления преобразующим устройством для осуществления основных защит и отработки некоторых изменений задающего сигнала, поступающего с пульта управления.

Автоматический электропривод

Для работы электропривода в автоматическом режиме не требуется присутствие человека. В данном случае все происходит автоматически. Ниже приведена структурная схема:

Структурная схема системы автоматического управления электроприводом

АСУ ТП – автоматическая система управления технологическим процессом

Как видим из структурной схемы что в АСУ ТП приходят все датчики обратной связи. В ней происходит обработка сигналов от датчиков, и выдаются управляющие сигналы для других подсистем. Данная структура управления очень удобна, так как не требует постоянного наблюдения оператора за технологическим процессом, и снижает влияние человеческого фактора. Например модернизированные шахтные подъемные машины, которые могут работать в автоматическом режиме ориентируясь по датчикам обратной связи

В современном мире активно внедряются АСУ ТП не только для электроприводов. Очень редко встречаются системы с ручным управлением технологическими процессами все они либо автоматизированные, либо на этих линиях полностью внедрены АСУ ТП.

Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 60% всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями. Следовательно, эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники. Последнее десятилетие уходящего века ознаменовалось значительными успехами силовой электроники – было освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) с встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления. Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления. Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя, если он есть), но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами. В пределе встроенная система управления проектируется как однокристальная и вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно интегрируется в одно целое – мехатронный модуль движения.

Рассмотрим обобщенную структуру электропривода (рис. 6.25). В ней можно выделить два взаимодействующих канала – силового, выполняющего передачу и преобразование энергии из электрической в механическую, и информационного.

В зависимости от требований к электроприводу в качестве электромеханического преобразователя используются различные электрические машины: асинхронные и синхронные переменного тока, коллекторные и бесколлекторные постоянного тока, шаговые, вентильно-реактивные, вентильно-индукторные и т. д.

Информационный канал предназначен для управления потоком энергии, а также сбора и обработки сведений о состоянии и функционировании системы, диагностики ее неисправностей. Информационный канал может взаимодействовать со всеми элементами силового канала, а также с оператором, другими системами электропривода и системой верхнего уровня управления.

Рис. 6.25. Обобщенная структура электропривода

Долгое время массовое применение регулируемых приводов сдерживалось двумя факторами:

относительно малыми допустимыми значениями токов, напряжений и частоты переключений силовых полупроводниковых приборов;

ограничением сложности алгоритмов управления, реализуемых в аналоговой форме или на цифровых микросхемах малой и средней степени интеграции.

Появление тиристоров на большие токи и напряжения решило проблему статического преобразователя для электропривода постоянного тока. Однако необходимость принудительного закрывания тиристоров по силовой цепи существенно усложняла создание автономных инверторов для частотноуправляемого электропривода переменного тока. Появление мощных полностью управляемых полевых транзисторов, обозначаемых в зарубежной литературе MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor), и биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) привело к бурному развитию преобразовательной техники и постоянному расширению сферы применения асинхронных электроприводов с преобразователями частоты. Другим фактором, обусловившим возможность массового внедрения частотноуправляемого электропривода, было создание однокристальных микроконтроллеров достаточной вычислительной мощности.

Анализ продукции ведущих мировых производителей систем привода и материалов опубликованных научных исследований в этой области позволяет отметить следующие ярко выраженные тенденции развития электропривода:

Неуклонно снижается доля систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается доля систем привода с двигателями переменного тока . Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока. По прогнозам специалистов в начале следующего века доля приводов постоянного тока сократится до 10 % от общего числа приводов.

Преимущественное применение в настоящее время имеют привода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями . Большинство таких приводов (около 80 %) – нерегулируемые. В связи с резким удешевлением статических преобразователей частоты доля частотно-регулируемых асинхронных электроприводов быстро увеличивается.

Естественной альтернативой коллекторным приводам постоянного тока являются привода с вентильными , т. е. электронно-коммутируемыми двигателями . В качестве исполнительных бесколлекторных машин постоянного тока (БМПТ) преимущественное применение получили синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением (для больших мощностей). Этот тип привода наиболее перспективен для станкостроения и робототехники, однако, является самым дорогостоящим. Некоторого снижения стоимости можно добиться при использовании синхронного реактивного двигателя в качестве исполнительного.

Приводом следующего века по прогнозам большинства специалистов станет привод на основе вентильно-индукторного двигателя (ВИД). Двигатели этого типа просты в изготовлении, технологичны и дешевы. Они имеют пассивный ферромагнитный ротор без каких-либо обмоток или магнитов. Вместе с тем, высокие потребительские свойства привода могут быть обеспечены только при применении мощной микропроцессорной системы управления в сочетании с современной силовой электроникой. Усилия многих разработчиков в мире сконцентрированы в этой области. Для типовых применений перспективны индукторные двигатели с самовозбуждением, а для тяговых приводов – индукторные двигатели с независимым возбуждением со стороны статора. В последнем случае появляется возможность двухзонного регулирования скорости по аналогии с обычными приводами постоянного тока.

6.2.1. Асинхронные электроприводы
со скалярным управлением

Скалярные способы управления обеспечивали достижение тре­буемых статических характеристик и использовались в электропри­водах со «спокойной» нагрузкой . На входе этих систем, как прави­ло, включались задатчики интенсивности, которые ограничивали скорость нарастания (убывания) входного сигнала до такой величи­ны, при которой процессы в системе можно считать установившимися, то есть в уравнении можно было бы пренебречь слагаемым , так как .

На рис. 6.26 приведены механические характеристики асинхрон­ного короткозамкнутого двигателя для всех четырех законов управ­ления для линейной модели, не учитывающей насыщение магнитопровода. Следует повторить, что перечисленные законы управления широко использовались и хорошо себя зарекомендовали в электро­приводах, где не требуется быстродействия по управлению и нет резких изменений момента нагрузки.

Рис. 6.26. Механические характеристики АКЗ
при различных законах управления

Простейшим из перечисленных законов является первый: .Этот закон при использовании инвертора с синусоидальной ШИМ реализован практически во всех полупроводнико­вых преобразователях, которые выпускаются многочисленными фирмами и предлагаются на рынке. Удобство этого закона заключа­ется в том, что электропривод может работать без отрицательной обратной связи по скорости и обладать естественной жесткостью механических характеристик в ограниченном диапазоне регулиро­вания скорости.

В электроприводах со скалярным управлением для регулирова­ния или стабилизации скорости используются и иные соотношения между частотой и напряжением. Выбор этого соотношения зависит от момента нагрузки и определяется из условий сохранения пере­грузочной способности:

где М max – максимальный момент АКЗ, Μ Н – момент нагрузки на валу машины.

Закон изменения напряжения и частоты, удовлетворяющий тре­бованию (6.15) при допущении r s = 0, установлен
М.П. Костенко. Этот закон имеет вид

где U НОМ , f НОМ , Μ НОМ – номинальные значения, приводимые в паспортных данных машины.

Если закон изменения момента заранее известен, то можно оп­ределить требуемое соотношения напряжения и частоты на выхо­де инвертора. Рассмотрим три классических вида нагрузок на валу машины:

M H = const, ; P H = M H wm = const, ; . (6.16)

В имеющихся на рынке преобразователях часто предусматри­вается возможность перестройки с целью обеспечения всех трех законов. Схема электропривода, реализующая рассмотренные за­коны, показана на рис. 6.27. Функциональный преобразователь (ФП) реализует одну из зависимостей (6.16), определяемую харак­тером нагрузки. Полупроводниковый преобразователь (ПП) вклю­чает в себя автономный инвертор и его систему управления, задатчик интенсивности (ЗИ), как уже было отмечено, формирует медленно нарастающий входной сигнал. В этом случае в электроприводе нарастание скорости не будет сопровождаться интенсивными колебаниями момента и тока, которые наблюдаются при прямом пуске.

Рис. 6.27. Функциональная схема разомкнутого асинхронного

При более сложных нагрузках используются иные законы скалярного регулирования, которые реализуются с использованием обратных связей. Эти законы рассмотрены выше на основании анализа работы асинхронной машины в установившемся режиме.

Рассмотрим ещё один скалярный закон управления, который используется при построении электроприводов с автономными инверторами тока – это закон ψ R = const.

Реализация этой зависимости в электроприводе показана на функциональной схеме (рис. 6.28). Такие системы получили назва­ние частотно-токовых.

Блок ПП в системе может быть реализован двояким способом. В первом случае (рис. 6.28) он содержит управляемый выпрямитель, последовательный индуктивный фильтр и автономный инвертор. Следует подчеркнуть, что индуктивный фильтр придаёт инвертору характеристику источника тока. Такой источник тока называется параметрическим.

Рис. 6.28. Функциональная схема асинхронного
электропривода со скалярным управлением

6.2.2. Асинхронные электроприводы
с векторным управлением

На рис. 6.29 показана структура привода переменного тока с векторным управлением. В качестве исполнительного двигателя может применяться либо синхронный двигатель с активным магнитоэлектрическим ротором, либо синхронный реактивный двигатель. Возможно использование этой структуры и для управления трехфазными вентильно-индукторными двигателями с разнополярным питанием, а также шаговыми двигателями в режиме бесколлекторных двигателей постоянного тока.

В качестве силового преобразователя используется инвертор на IGBT-ключах или интеллектуальных силовых модулях. Драйверы ключей инвертора подключены непосредственно к выходам ШИМ-генератора микроконтроллера, работающего в режиме широтно-импульсной модуляции базовых векторов (векторной ШИМ-модуляции), что обеспечивает максимально высокую степень использования напряжения звена постоянного тока и минимизацию динамических потерь в инверторе (ниже более подробно).

Рис. 6.29. Структурная схема привода
переменного тока с векторным управлением

Структура на рис. 6.29 предполагает использование импульсного датчика положения ротора двигателя. Сигналы с датчика вводятся непосредственно в контроллер и обрабатываются в блоке оценки положения, который может быть реализован на основе специального периферийного устройства – таймера с «квадратурным» режимом работы . Код механического положения ротора программно преобразуется в код электрического положения ротора внутри полюсного деления машины q. Для реализации блока оценки скорости могут применяться либо специальные периферийные устройства микроконтроллера, принцип действия которых основан на измерении временного интервала отработки двигателем заданного отрезка пути (эстиматоры скорости) , либо периферийные устройства общего назначения, такие как процессоры событий или менеджеры событий . В последнем случае таймер, работающий в «квадратурном» режиме является базовым для одного из каналов сравнения. Как только двигатель отработает заданный отрезок пути, возникнет прерывание по сравнению. В процедуре обслуживания этого прерывания центральный процессор определит временной интервал с момента предыдущего прерывания и выполнит расчет текущей скорости привода w. Желательно, чтобы таймер, работающий в «квадратурном» режиме допускал начальную инициализацию в соответствии с числом меток на оборот импульсного датчика положения, а также имел режим автоматической коррекции своего состояния по реперному датчику. Эстиматор скорости должен работать с регулируемым разрешением как по числу импульсов на периоде измерения скорости (от 1 до 255), так и с регулируемым разрешением по времени (максимальное разрешение 50 – 100 нс при диапазоне регулирования разрешения 1:128). Если перечисленные выше требования к периферийным устройствам микроконтроллера будут выполнены, то окажется возможным измерение скорости в диапазоне, как минимум, 1:20000 с точностью, не хуже 0,1%. Для измерения электрических переменных микроконтроллер должен иметь встроенный АЦП с разрешением не ниже 10 – 12 двоичных разрядов и временем преобразования не хуже 5 – 10 мкс. Как правило, восьми каналов АЦП достаточно для приема не только сигналов обратных связей по токам фаз, но и сигналов обратных связей по напряжению и току в звене постоянного тока, а также внешних задающих сигналов. Дополнительные аналоговые сигналы используются для реализации защит инвертора и двигателя. Работа АЦП будет более производительной, если микроконтроллер допускает режим автоматического сканирования и запуска процесса преобразования. Обычно это делается либо с помощью отдельного периферийного устройства – процессора периферийных транзакций , либо с помощью режима автозапуска АЦП от процессора событий или генератора ШИМ-сигналов. Желательно, чтобы выборка как минимум двух аналоговых сигналов была одновременной.

В блоке векторной ШИМ-модуляции выполняется сначала преобразование компонент вектора напряжения к полярной системе координат (g, r), связанной с продольной осью ротора, а затем, с учетом текущего положения ротора q, определяется рабочий сектор, внутрисекторный угол и рассчитываются компоненты базовых векторов в абсолютной системе координат, связанной со статором. Формируются напряжения, прикладываемые к обмоткам двигателя U a , U b , U c . Все перечисленные выше преобразования координат (прямые и обратные преобразования Парка и Кларка) должны выполняться в реальном времени. Желательно, чтобы используемый для реализации системы векторного управления микроконтроллер имел встроенную библиотеку функций , адаптированных для эффективного управления двигателями, в том числе функций преобразования координат. Время реализации каждой из этих функций не должно превышать нескольких микросекунд.

Отличительной особенностью системы векторного управления асинхронными двигателями является необходимость использования дополнительного вычислительного блока, в котором производится оценка текущего углового положения вектора потокосцепления ротора. Это делается на основе решения в реальном времени системы дифференциальных уравнений, составленных в соответствии с математической моделью двигателя. Естественно, что подобная операция требует дополнительных вычислительных ресурсов центрального процессора.

6.2.3. Вентильные и бесконтактные
машины постоянного тока

Бесконтактные машины постоянного тока (БМПТ) и вен­тильные машины (ВМ) – это синхронный двигатель в замкнутой системе (рис. 6.30), реализованной с использова­нием датчика положения ротора (ДПР), преобразователя координат (ПК) и силового полупроводникового преобра­зователя (СПП).

Разница между БМПТ и ВМ заключается только в способе фор­мирования напряжения на выходе силового полупроводникового преобразователя. В первом случае формируется импульсное напряжение (ток) на обмотках машины. Во втором случае на выходе СПП форми­руется синусоидальное или квазисинусоидальное напряжение (ток).

Следует заметить, что БМПТ отличаются от шаговых машин тем, что включены в замкнутую систему формирования напряже­ния. В них напряжение формируется в зависимости от положения ротора, и это является их принципиальным отличием от шаговых, в которых положение ротора зависит от числа управляющих им­пульсов.

Рис. 6.30. Функциональная схема БМПТ и ВМ

Особняком в ряду синхронных машин стоят гистерезисные и реактивные двигатели. Эти машины редко используются в электро­приводе.

Из всех рассмотренных типов синхронных машин в управляе­мых системах наиболее перспективными считаются вентильные машины.

В ряде применений, например, для приводов с вентильно-индукторными и бесколлекторными двигателями постоянного тока, вполне достаточно на интервале коммутации поддерживать в обмотке двигателя заданный фиксированный уровень тока. Структура системы управления при этом заметно упрощается. Особенность схемы (рис. 6.31) состоит в том, что ШИМ‑генератор обеспечивает сразу две функции: автокоммутацию фаз двигателя по сигналам датчика положения и поддержание тока на заданном уровне путем регулирования приложенного к обмоткам двигателя напряжения.

Первая функция может быть реализована автоматически, если генератор имеет встроенный блок управления выходами , допускающий прием команд от процессора событий. Вторая функция традиционна и реализуется путем изменения скважности выходных ШИМ-сигналов. Для оценки положения ротора двигателя можно использовать либо датчик положения на элементах Холла, либо более дорогой импульсный датчик положения. В первом случае сигналы с датчика положения вводятся в микроконтроллер на входы модулей захвата процессора событий .

Отработка двигателем каждого целого шага идентифицируется процессором событий и вызывает автокоммутацию ключей инвертора. Прерывание, возникающее при каждом захвате фронта сигнала с датчика, используется для оценки времени между двумя соседними переключениями и, далее, – скорости привода. Во втором случае можно получить более точную информацию о текущем положении ротора двигателя и о его скорости, что может потребоваться в приводах с интеллигентным управлением углом коммутации в функции скорости. Таким образом, полноценные системы векторного управления приводами переменного тока требуют для своей реализации высокопроизводительных микроконтроллеров с широким набором перечисленных выше встроенных периферийных устройств, допускающих совместную работу и требующих от центрального процессора минимальных ресурсов на свое обслуживание.

Рис. 6.31. Блок-схема системы управления
бесколлекторным двигателем постоянного тока

6.3. Силовые полупроводниковые
преобразователи в системе
автоматизированного электропривода

Силовые полупроводниковые преобразователи в системах автоматики выполняют функцию регулирования скорости и момента электрического двигателя. Они включены между потребителем мощности (как правило, электрическим двигателем) и основным источником питания (рис. 6.32). По принципу действия силовые преобразователи разделяются на следующие базовые типы :

управляемые выпрямители (УВ) , которые преобразуют переменное, обычно синусоидальное напряжение источника питания постоянной частоты (как правило, промышленной
f и = 50 Гц или f и = 400 Гц) и с постоянным действующим значением (обычно U и = 220 В или U и = 360 В), в регулируемое выходное напряжение постоянного тока (U п = var, f п = 0).

широтно-импульсные преобразователи (ШИП) , которые преобразуют постоянное напряжение источника питания
(U и = const, f и = 0) в постоянное регулируемое напряжение постоянного тока на выходе (U п = var, f п = 0).

автономные инверторы (АИ) , которые преобразуют постоянное напряжение питания (U и = const, f и = 0) в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой (U п = var, f п = var).

непосредственные преобразователи частоты (НПЧ ) преобразуют переменное, обычно синусоидальное, напряжение постоянной частоты (f и = 400 Гц или f и = 50 Гц) постоянного действующего значения (обычно 220 В) в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой (U п = var, f п = var).

Рис. 6.32. Базовые способы использования силовых преобразователей

Следует заметить, что здесь постоянные напряжения (f = 0) характеризуются средними значениями U и.ср, U п.ср, а переменные (f ¹ 0) – действующими значениями (U и, U п).

Таким образом, силовые преобразователи УВ, ШИП могут использоваться для управления (напряжением, током, мощностью) потребителями постоянного тока. Причем, последние могут быть не только электрическими двигателями, но и являться потребителями с активной (резистивной) нагрузкой (такие силовые преобразователями применяются в регулируемых источниках питания). Если источником питания является сеть переменного тока, то может быть применен либо УВ, либо сочетание выпрямителя и ШИП.

Для потребителей переменного тока (которым чаще всего является машина переменного тока) применяется АИ, а при питании от источника переменного тока НПЧ, либо сочетания УВ и АИ, либо выпрямителя и АИ.

6.3.1. Управляемые выпрямители

Источником энергии для управляемых выпрямителей является сеть переменного тока. Принцип управления состоит в том, что в положительный полупериод питающего напряжения электронный ключ (как правило, тиристор) открывается и подает напряжение к потребителю лишь часть этого полупериода. Напряжение и ток на выходе управляемого выпрямителя содержат постоянные и переменные составляющие. Изменяя момент (фазу) открытия электронного ключа, меняют среднее значение напряжения на входе потребителя мощности. Управляемые выпрямители чаще всего используются для управления двигателем постоянного тока по цепи якоря.

Существует большое число различных схем управляемых выпрямителей. По принципу действия и построения они могут быть разделены на две группы: однополупериодные (схемы с нулевым проводом), в которых используют только одну полуволну напряжения сети, и двухполупериодные (мостовые схемы), где использованы обе полуволны переменного напряжения сети.

Рассмотрим работу простейшей двухполупериодной тиристорной схемы с чисто активной нагрузкой R н (рис. 6.33).

К источнику синусоидального напряжения сети U и с амплитудой н через тиристорный мост
VS1 – VS4 . Диагональные тиристоры VS1 , VS4 и VS2 , VS3 открываются попарно, поочередно в момент времени, определяемый углом отпирания a.

В интервал α < wt < 180° к нагрузке подводится напряжение U п = U m sin wt .На рис. 6.35 кривая напряжения на нагрузке закрашена темным цветом.

Так как нагрузка активная (резистивная), кривая тока повторяет кривую напряжения. В момент времени wt = 180° ток уменьшается до нуля и соответствующая пара диагональных тиристоров закрывается. Этот процесс повторяется каждый полупериод. Управление тиристорами осуществляют импульсами малой длительности с достаточно крутым передним фронтом, что уменьшает потери мощности в тиристоре при включении, а следовательно, его нагрев.

Рассмотренный фазовый метод управления может быть реализован с помощью фазосдвигающих способов, одним из которых является вертикальный способ управления, основанный на сравнении опорного напряжения (обычно пилообразной формы) и постоянного напряжения сигнала управления. Равенство мгновенных значений этих напряжений определяет фазу a,при которой схема вырабатывает импульс, затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы aуправляющего импульса достигается изменением уровня напряжения сигнала управления U упр. Функциональная схема управления приведена на рис. 6.34. Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного напряжения ГПН и синхронизированное с напряжением сети с помощью синхронизирующего устройства СУ, подается на схему сравнения СС, на которую одновременно поступает и входное напряжение (сигнал управления). Сигнал со схемы сравнения поступает на формирователь импульсов (ФИ), затем на распределитель импульсов (РИ), на усилители мощности (У), откуда в виде мощного, обладающего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса подается на управляющий электрод.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Курс лекций для студентов специальности

"Металлообрабатывающие станки и инструменты"

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АЭП. МЕХАНИКА АЭП

1.1. Основные понятия и определения

1.1. Механические характеристики рабочих машин и ЭД

1.2. Механические характеристики ДПТ

1.3. Механические характеристики АД

1.4. Механические характеристики СД

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ РАСЧЕТА МОЩНОСТИ И ВЫБОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

2.1. Силы и моменты, действующие в ЭП

2.2. Приведение моментов сопротивления и инерции к валу двигателя

2.3. Общие замечания. Нагрев и охлаждение двигателей

2.4. Метод средних потерь. Эквивалентные методы.

2.5. Серии электродвигателей, применяемых в станках

ГЛАВА 3 ЭЛЕМЕНТЫ СИЛОВОЙ И РЕГУЛИРУЮЩЕЙ ЧАСТЕЙ СЭП

Классификация электронных устройств СЭП

3.1. Тиристорные преобразователи

3.2. Транзисторные преобразователи

3.3. Типовые датчики

3.4. Типовые узлы защиты ЭП

3.5. Типовые регуляторы

ГЛАВА 4 ТИПОВЫЕ СЭП МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

4.1. Принципы построения типовых СЭП

4.2. Одноконтурная СЭП постоянного тока

4.3. СПР ЭП постоянного тока с однозонным управлением

4.4. СПР ЭП постоянного тока с двухзонным управлением

4.5. СЭП переменного тока с АИН и АИТ (схемы с ОС по скорости и току)

4.6. Системы стабилизации технологических параметров при резании металлов

ГЛАВА 5 СЛЕДЯЩИЕ СЭП МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

5.1. Типовые структуры следящих ЭП и их элементы

5.2. Следящий ЭП с подчиненным регулированием параметров

5.3. Следящий ЭП подачи копировально-фрезерных станков

ЛИТЕРАТУРА

1. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. – М.: Издательский центр "Академия", 2004. – 576 с.

2. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / М.П. Белов, О.И. Зементов, А.Е. Козярук и др.; под. ред. В.А. Новикова, Л.М. Чернигова. – М.: Издательский центр "Академия", 2006. – 368 с.

3. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. – СПб.: Энергоатомиздат, 2000. – 496 с.

4. Шестаков В.М., Дмитриев Б.Ф., Репкин В.И. Электронные устройства систем автоматического управления: Учебное пособие. – СПб: Изд. ЛГТУ, 1991.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АЭП. МЕХАНИКА АЭП.

1.1. Основные понятия и определения

Существуют различные виды приводов, но благодаря эффективному аккумулированию, простоте передачи, свойствам суммирования и делимости электроэнергия более широко используется по сравнению с другими видами энергии. В настоящее время наиболее часто используется автоматизированный электропривод (ГОСТ Р 50369-92).

Электрическим приводом (ЭП) называется электромеханическая система, предназначенная для приведения в движение рабочих органов машин, целенаправленного управления этими процессами и состоящая из передаточного, электродвигательного, преобразовательного, управляющего и информационного устройств.

Передаточное устройство предназначено для преобразования форм движения и передачи механической энергии от двигательного устройства к рабочим органам машины.

Двигательное устройство преобразует электрическую энергию в механическую и формирует совместно с передаточным устройством заданные формы движения рабочих органов.

Преобразовательное устройство служит для связи СЭП с источником электроэнергии (промышленная сеть или автономный), для преобразования одной формы электроэнергии в другую (например, выпрямление переменного тока).

Управляющее и информационное устройства предназначены для формирования заданных законов управления потоком энергии и движения рабочих органов машин.

Классификация ЭП

1. По назначению: а) главные (например, главного движения);

б) вспомогательные (например, подачи).

2. По роду потребляемого тока двигателя: а) постоянного тока;

б) переменного тока.

3. По виду силовых ключей: а) тиристорные;

б) транзисторные;

в) микропроцессорные

4. По виду системы автоматического управления (САУ):

а) аналоговые (непрерывные) системы ЭП (СЭП);

б) цифровые (дискретные) СЭП;

в) цифроаналоговые СЭП;

г) линейные или нелинейные СЭП;

д) статические или астатические СЭП;

5. По выполняемым функциям:

а) грубое регулирование скорости (разомкнутые СЭП);

б) точное регулирование скорости (замкнутые СЭП);

в) слежение за произвольно изменяющимися входными сигналами (следящие системы);

г) программная отработка заданий (СЭП с программным управлением);

д) взаимосвязанное регулирование параметров (многодвигательные и взаимосвязанные СЭП);

Функции а)-д) считаются основными. К дополнительным функциям относятся: сигнализация (диагностика) и защита ЭП.

Механические характеристики асинхронных двигателей (АД)

1) Механические характеристики 3-фазных АД

Асинхронный электродвигатель имеет трехфазную обмотку статора. При подаче на неё трехфазного напряжения частотой , образуется магнитное поле, вращающееся с угловой скоростью , где - число10

пар полюсов статора (определяется укладкой обмотки).

Ротор АД чаще всего выполняется короткозамкнутым ("беличья клетка"). В подъёмных и транспортных машинах применяют фазный ротор, где обмотка ротора через контакные кольца выводится на неподвижное основание и соединяется с добавочными сопротивлениями.

В настоящее время АД по умолчанию применяют для привода большинства объектов.

При описании АД электрические параметры двигателя имеют индексы: 1 – статор; 2 – ротор.

При R 1 =0 механическая характеристика описывается формулой

, где - критический момент; - скольжение.

1 – естественная ();

1" – реверс (меняются местами две из трех фаз);

4 – АД с фазным ротором , .

тормозные режимы

5 – динамическое торможение: на обмотку статора подается постоянный ток, тогда раскручиваемый ротор будет тормозиться;

6 – противоток (реверс): (меняются местами две фазы);

7 – рекуперация , реверс момента. Для торможения до нуля требуется ПЧ, который непрерывно снижает .

Пуск АД: Для ограничения пусковых токов АД большой мощности или получения плавного пуска асинхронного привода применяют:

1) включение активных или индуктивных сопротивлений в цепи статора, которые выводятся в конце пуска;

2) "частотный" пуск через преобразователь, плавно изменяющий частоту питания двигателя ;

3) пуск с фазным ротором;

4) реакторный пуск – включение индуктивных сопротивлений в цепь ротора. Вначале пуска частота тока в роторе близка к частоте сети, индуктивное сопротивление велико и ограничивает пусковой ток.

2) Механические характеристики двухфазных АД

Выпускаются на мощность до 1 кВт. Могут выполняться со сплошным или полым ротором. ОВ, ОУ – соответственно обмотки возбуждения и управления; Для сдвига фаз в цепь ОВ последовательно включают конденсатор емкостью 1-2 мкФ на каждые 100 Вт.

При однофазном включении .

Примечание: при частотном управлении характеристики станут линейными и параллельными друг другу, при фазовом – только линейными.

Общие замечания

1) Задачей является грамотный выбор электродвигателя для заданного механизма (агрегата) с учетом допустимого нагрева и перегрузки по току и моменту.

Потери делятся на:

Постоянные – механические и в стали – не зависят от тока двигателя;

Переменные – в меди – являются функцией квадрата тока двигателя.

Связь между потерями и КПД:

, где Р – мощность на валу; Р 1 – потребляемая мощность.

2) Нагрев и охлаждение ЭД при длительном режиме работы.

- количество тепла, выделяемое (генерируемое) электродвигателем;

Теплоемкость двигателя;

- теплоотдача.

При неизменной температуре окружающей среды температура двигателя будет возрастать по закону , где - постоянная времени нагрева, с; , град.

3) Режимы работы двигателей

а) длительный (S1)

б) кратковременный (S2)

в) повторно-кратковременный (S3, S4)

продолжительность включения , где - скважность;

стандартизированы ПВ% = 15, 25, 40, 60 %

4) Классы изоляции и допустимые рабочие температуры двигателей.

В соответствии с международными стандартами различают следующие классы изоляции

В двигателях общего назначения применяется изоляция классов B и F.

5) Климатическое исполнение электрических машин

6) Степени защиты электрических машин (ГОСТ 14254-80 и ГОСТ 17494-72)

Общее обозначение типа защиты (International Protection) – IP, где

1-я цифра: степень защиты персонала от соприкосновения с движущимися частями оборудования и от попадания внутрь оболочки твердых посторонних тел;

2-я цифра: степень защиты от попадания внутрь оборудования воды.

IP	Цифра 1	Цифра 2
Защита от прикосновения	Защита от попадания посторонних предметов	Защита от попадания воды
	Не защищено	Не защищено	Не защищено
	От прикосновения большой площади (рукой)	От предметов размером более 50 мм	От водяных капель, падающих вертикально
	От прикосновения пальцами	От предметов размеров более 12 мм	От вертикально падающих капель и брызг под наклоном до 15 0 к перпендикуляру
	От прикосновения предметами или проволокой диаметром более 2,5 мм *)	От предметов размером более 2,5 мм	От вертикально падающих капель и брызг под наклоном до 60 0 к перпендикуляру
	От прикосновения предметами или проволокой диаметром более 1 мм *)	От малых твердых предметов (более 1 мм)	От капель воды со всех сторон
	От прикосновения вспомогательными средствами любого типа *)	От осаждения пыли внутри	От струй воды со всех сторон
	От прикосновения вспомогательными средствами любого типа	От попадания любой пыли	От волн воды
	-	-	Защиты при погружении в воду
	-	-	Защита при длительном погружении в воду

*) Не относится к вентиляторам электрических машин

Стандартное исполнение защиты двигателей IP 54. По заказу обеспечиваются повышенные степени защиты IP 55 и IP 65.

Приводы, работающие с большим количеством включений

Приводы с дополнительной инерционной массой (инерционной крыльчаткой)

Приводы с управлением от преобразователя с диапазоном регулирования свыше 1:20

Приводы с управлением от преобразователя, сохраняющие номинальный вращающий момент при низкой частоте вращения или в положении останова

Методы расчета мощности

Выбор мощности двигателя при стационарной нагрузке осуществляется по условию (ближайший больший по каталогу). В этом случае двигатель подошел по нагреву.

Рассмотрим выбор мощности двигателей при переменной нагрузке:

1. Метод средних потерь (прямой метод).

В основе метода лежит нагрузочная диаграмма. Рассмотрим прямой метод учета потерь в двигателе

1) Рассчитывается средняя мощность на валу двигателя по формуле

, Закон Джоуля-Ленца

Потери в двигателе пропорциональны активной мощности. Таким образом, нагрев двигателя определяется не , а . Отсюда возникает задача расчета потерь.

2) выбор мощности двигателя ,

где k= 1,2...1,3 – коэффициент запаса, учитывающий пропорциональность потерь квадрату тока;

3) Расчет потерь при различных нагрузках с использованием каталожных кривых по формуле

4) определяются средние потери за цикл ;

5) выбор мощности двигателя по условию , где - двигатель подошел по нагреву;

6) выбранный двигатель должен быть проверен на перегрузку и пусковые условия

ДПТ: , ;

АД: ,

Эквивалентные методы

Данные методы относятся к косвенным, поскольку косвенно учитывают потери в электрической машине.

1) Метод эквивалентного тока.

Рассчитывается некоторый эквивалентный ток, потери от которого равнозначны фактическим при переменной нагрузке т.к.

2) Метод эквивалентного момента при Ф-const

; - двигатель подошел по нагреву.

3) Метод эквивалентной мощности при Ф-const, -const

; - двигатель подошел по нагреву.

Затем выбранный двигатель должен быть проверен на перегрузку и пусковые условия.

Наиболее широкое применение у метода эквивалентного тока, наиболее узкое у метода эквивалентной мощности. Методы эквивалентного тока и мощности не применимы при двухзонном управлении так как содержат блоки произведений в формулах , . Более точным является метод средних потерь (прямой метод).

Замечание: При повторно-кратковременный режиме двигатель выбирается из условия .

;

Здесь методы эквивалентного момента и тока практически не используются. В случае, если нагрузка в разных циклах неодинакова, рассчитывают среднюю ПВ с учетом n циклов.

Тиристорные преобразователи

Достоинства: а) надежность; б) малая масса; в) малая мощность управления; г) высокое быстродействие; д) высокий КПД (0,95-0,97)

Недостатки: а) не выдерживает перегрузок; б) снижение сos при малых нагрузках; в) генерация высших гармонических колебаний в сеть при коммутации вентилей (для борьбы с ними включают ТОР)

1. Схемы ТП и способы управления:

1) Нулевая схема реверсивного привода

m=3 – фазность преобразователя. Достоинства: меньшее количество тиристоров. Применяется в маломощных приводах.

2) Мостовая схема выпрямления реверсивного привода (схема Ларионова)

m=6; Достоинства: а) меньшее количество сглаживающих дросселей; б) меньший класс тиристоров; Применяется в приводах средней и большой мощности.

2. Способы управления реверсивными ТП:

а) раздельное, когда группы тиристоров управляются поочередно.

Достоинства: 1) отсутствие уравнительного тока и, следовательно необходимости включения уравнительных реакторов (УР);

Недостатки: 1) широкая зона прерывистых токов; 2) нелинейность механических характеристик в начале координат; 3) замедленный реверс напряжения преобразователя.

Вместе с тем раздельное управление ТП применяется чаще.

б) согласованное, когда обе группы тиристоров управляются совместно, по условию , причем , ;

Достоинства: 1) линейная характеристика; 2) узкая зона прерывистых токов; 3) быстрый реверс.

Недостатки: 1) наличие статических и динамических уравнительных токов. Для борьбы с ними включают уравнительные реакторы (УР).

3. Математическое описание ТП

1) Система управления тиристорным преобразователем (СУТП) или система импульсно-фазового управления (СИФУ)

а) со стабилизированным пилообразным опорным напряжением . Не содержит высших гармоник в опорном напряжении, обеспечивает четкое открытие тиристоров и применяется в ТП средней и большой мощности.

б) с нестабилизированным синусоидальным опорным напряжением . Применяется в маломощных ТП при широком диапазоне регулирования скорости ТП.

в) если СУТП является цифровой, то угол открытия тиристоров , где - код числа.

2) Силовая часть ТП.

Описывается выражением , где - максимальная выпрямленная ЭДС ТП. Кроме того, ТП имеет запаздывание , среднестатистическое . При m=6 .

а) СУТП со стабилизированным пилообразным опорным напряжением.

Нелинейная зависимость .

б) СУТП с нестабилизированным синусоидальным опорным напряжением.

; - линейная зависимость !

Из рисунков видно, что колебания напряжения сети переменного тока (пунктирная линия) влияют на выходную ЭДС в случае а) и не влияют в случае б).

3) Нагрузка ТП (двигатель). Формирует характер тока преобразователя, который может быть непрерывным, гранично-непрерывным и прерывистым.

Характер тока влияет на характеристики привода. В зоне непрерывного тока характеристики жесткие, поскольку внутреннее сопротивление преобразователя невелико. При прерывистом токе внутреннее сопротивление ТП существенно возрастает, что снижает жесткость характеристик. , где - коммутационное сопротивление. образуется в режиме непрерывного тока при перекрытии фаз. - динамическое сопротивление тиристоров.

Зона прерывистого тока крайне неблагоприятна для регулирования, так как падает жесткость характеристик привода, и появляется нелинейная зависимость (см. рис.).

Типовые датчики

Рассмотрим датчики отечественной универсальной системы блочных регуляторов аналогового исполнения (УБСР-АИ).

1) Датчик тока ДТ1-АИ Применение операционного усилителя (ОУ) позволяет развязать силовую и управляющую цепи привода, что также необходимо по технике безопасности. Коэффициент усиления подбирается так, чтобы максимальному измеряемому току соответствовало .

2) Датчик напряжения ДН1-АИ. Коэффициент усиления подбирается так, чтобы максимальному измеряемому напряжению соответствовало .

3) Датчик ЭДС

3) Датчики скорости. В качестве датчиков скорости используются прецизионные тахогенераторы постоянного и переменного тока .

4) Датчики положения

а) Резольвер (англ. resolver). Работает по принципу синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ). У вращающегося трансформатора ротор состоит из катушки (обмотки), которая вместе с обмоткой статора образует трансформатор. Принципиально резольвер устроен точно так же с той лишь разницей, что статор выполнен не из одной, а из двух расположенных под углом 90° друг к другу обмоток. Резольвер служит для определения абсолютного положения вала двигателя внутри одного оборота. Кроме того, по сигналу резольвера определяется значение скорости и моделируется инкрементный датчик для регулирования положения. Ротор резольвера закреплен на валу двигателя. Для того чтобы можно было передавать переменное несущее напряжение на ротор без щеток, на статоре и роторе размещены дополнительные обмотки. По двум выходным синусоидальным напряжениям и , сдвинутым на 90° (рис. 7), можно определить угол поворота ротора, скорость и инкрементный сигнал по положению (моделирование инкрементного датчика).

б) Фотоэлектрические датчики серии ПДФ. Отсутствие температурного и временного дрейфа. 500-5000 имп/об.

5) Датчики рассогласования. Применяются в следящих системах.

а) Потенциометрические датчики рассогласования

б) Сельсины в трансформаторном режиме. Сельсин имеет 2-фазную обмотку статора и 3-фазную обмотку ротора. Ось сельсина-датчика приводится в движение от задающего устройства, а ось сельсина-приемника – от исполнительного. При разности углов (т.е. ошибке слежения) на статорной обмотке генерируется напряжение . Сельсины работают с углами ошибки до 90 градусов, дальше происходит "опрокидывание" сигнала (см.рис.). Существуют также индуктосины – линейные аналоги сельсинов.

Типовые регуляторы

1) Статика описывается алгебраическими уравнениями (АУ), а динамика – дифференциальными ДУ. Для облегчения исследования динамики сложных электромеханических систем с помощью преобразования Лапласа переходят из временной t-области в р-область изображений, где р (s) – оператор дифференцирования (Лапласа), . При этом ДУ заменяются АУ.

Передаточной функцией (ПФ) W(p) называется отношений изображений по Лапласу выходной переменной к входной (см. курс ТАУ).

2) Показатели качества переходного процесса. Рассмотрим переходный процесс в замкнутой системе:

а) Статическая ошибка ;

б) Время переходного процесса – время последнего вхождения регулируемой величины в 5% зону;

в) Перерегулирование ;

3) Типовые регуляторы. Используются в замкнутых системах для получения требуемых показателей качества. Наиболее часто применяются пропорциональные (П), пропорционально-интергальные (ПИ) и пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы. Выбор типа регулятора определяется передаточной функции объекта управления. Передаточные функции регуляторов

; ;

Реализация аналоговой схемы	Коэффициент усиления
;
; ;

Одноконтурные СЭП