Электропривод Часть 2. Электропривод с двигателями переменного тока 3 Электропривод с двигателями переменного тока 3.1 Электропривод с асинхронными двигателями (АД) 3.1.1 Схемы включения и режимы работы АД Электропривод с АД является самым массовым приводом. Это объясняется простотой изготовления, простотой эксплуатации, малыми габаритами и массой, малой стоимостью, высокой надежностью. Выпускаются АД самых различных применений. В связи с прогрессом выпуска тиристорных преобразователей частоты и напряжения стали создаваться и использоваться регулируемые приводы, по своим характеристикам не уступающие приводам с ДПТ. В связи с тем, что выпускаются АД с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором возможны два варианта включения АД. На схеме слева показано включение АД с короткозамкнутым ротором. Справа—включение АД с фазным ротором. Фазный ротор выполняется в виде обмоток соединенных звездой или треугольником. Использование фазного ротора позволяет путем изменения сопротивлений, подключенных к фазам ротора, изменять скорость вращения ротора. Обмотки статора в обоих вариантах также соединены звездой или треугольником. Сопротивления включаются в них для уменьшения тока статора (например, при пуске). Для анализа работы АД используется приведение параметров цепи ротора в цепь статора. Когда ротор неподвижен, АД можно представить трансформатором, в котором первичной цепью является цепь статора, вторичной—цепь ротора. Магнитная цепь имеет воздушный зазор (чего нет в обычном трансформаторе). Поэтому ЭДС первичной обмотки Е1 меньше напряжения U1 первичной цепи: Е1 ≈0, 95 U1. Приведение осуществляется с помощью коэффициента трансформации по ЭДС: 𝐸 k= 𝐸 1 = 0,95𝑈ф ном 2𝑘 𝐸2𝑘 , где все величины выбраны фазными, k- означает короткое замыкание. При пуске АД его ротор неподвижен и двигатель представляет собой трансформатор с короткозамкнутой вторичной обмоткой. По мере разгона ротор приобретает все большую скорость и его индуктивное сопротивление зависит от скольжения 𝑆= ω0−ω ω0 , 1) где ω0—круговая частота сети, ω—круговая частота вращения ротора. Приведенные к цепи первичной обмотки сопротивления ротора по мере разгона увеличиваются. Ток уменьшается. В теории АД для расчетов применяются две схемы замещения—П-образная и Т-образная. Эти схемы позволяют заменить АД элементами, включенными только в первичную цепь. Элементы вторичной цепи представлены в этих схемах приведенными значениями. Эквивалентные схемы позволяют построить электромеханическую и механическую характеристики АД. Интересующиеся могут посмотреть соответствующие материалы в разделе 5.1 книги В.В. Москаленко. Электрический привод. АД может работать во всех энергетических режимах. 1) Режим идеального ХХ, когда S=0, ω = ω0. 2) Режим КЗ: S=1, ω = 0. 1 3)Двигательный режим: 0< S<1, 0< ω< ω0. 4) Генераторный режим, рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть (работа АД параллельно с сетью): S<0, ω > ω0. 5) Торможение противовключением (генераторный режим при работе АД последовательно с сетью): S>1, ω<0. 6) Режим динамического торможения, при котором двигатель отключен от сети, обмотка статора подключена к источнику постоянного тока, а в роторе возникает тормозящий ток. Эти режимы поясняются механической и электромеханической характеристиками АД, которые строятся в результате исследования выражений, полученных из схем замещения. 3.1.2 Электромеханическая и механическая характеристики Для ДПТ электромеханическая характеристика представляет собой зависимость числа оборотов якоря от тока, протекающего в нем. Аналогично электромеханическая характеристика АД должна представлять собой зависимость числа оборотов ротора от тока в нем. На практике , используют зависимость S(𝐼2), где S—скольжение (которое определяет отличие от скорости вращающегося поля), , 𝐼2--приведенный к статору ток ротора. , На рис. приведена электромеханическая характеристика АД S(𝐼2). Для , удобства перехода к характеристике ω(𝐼2) каждому S соответствует свое значение ω, определяемое в соответствии с выражением 1). На электромеханической характеристике можно найти точки режимов , указанные в предыдущем разделе. 1) Режим идеального ХХ, когда S=0, ω = ω0. Ротор вращается со скоростью , поля ω0, приведенный ток 𝐼2=0, вращающий момент не развивается. Режим возможен в случае, когда ротор вращается по инерции ( ранее его скорость была выше ω0) или при вращении другим двигателем. 2) Режим КЗ: S=1, ω = 0. Ротор неподвижен, двигатель напоминает трансформатор с короткозамкнутой вторичной обмоткой. Приведенный ток ротора равен Iкз. , 3)Двигательный режим: 0< S<1, 0< ω< ω0. Наиболее употребляемый режим, приведенный ток 𝐼2 ≠0. 4) Генераторный режим, рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть (работа АД параллельно с сетью): S<0, ω > ω0. Двигатель вращается со скоростью, большей скорости поля сети. В этом режиме имеется точка, в которой приведенный ток имеет максимум Imax . Это происходит при некотором скольжении S1.При дальнейшем увеличении скорости, т.е. ω→ ∞, приведенный ток достигает значения Is=±∞, что определяется индуктивным сопротивлением обмоток и ротора двигателя. 5) Торможение противовключением S>1, ω<0. Этот режим занимает пространство ниже оси . Ротор вращается против вращения поля. При значении S→∞ приведенный ток стремится к определенному значению Is=±∞, больше которого он быть не может. Как при рекуперативном торможении, так и при торможении противовключением приведенный ток стремится к одной и той же величине Is=±∞. Механическая характеристика представляет собой зависимость S(M) или (что удобнее аналитически) M(S). В отличие от ДПТ механическая характеристика АД сильно отличается по начертанию от электромехнической. На механической характенристике так же. как на 2 электромеханической можно выделить следующие энергетические режимы. 1) Режим идеального ХХ, когда S=0, ω = ω0. 2) Режим КЗ: S=1, ω = 0. 3)Двигательный режим: 0< S<1, 0< ω< ω0. 4) Генераторный режим, рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть (работа АД параллельно с сетью): S<0, ω > ω0. 5) Торможение противовключением (генераторный режим при работе АД последовательно с сетью): S>1, ω<0. Для двигательного режима и режима с отдачей энергии в сеть имеются максимумы момента М. Эти точки называются критическими и обозначаются (Мк.Г. , Sк.Г) –критические точки генераторного режима, (Мк.Д. , Sк.Д.)—критические точки двигательного режима. При S→±∞ моменты как генераторного, так и двигательного режимов асимптотически приближаются к нулю. Механические характеристики АД в двигательном режиме часто изображают как М(ω) или М(S). Все обозначения и график соответствуют предыдущему рисунку. В справочниках указаны коэффициенты перегрузки АД по моменту: λМ М = 𝑀𝑚𝑎𝑥 . Существует полуэмпирическая формула, 𝑛𝑜𝑚 связывающая скольжения и коэффициенты перегрузки: 2 Sk =Snom(λМ+ λ𝑀 − 1). Например, для АД серии 4А λМ =1.8…2.6.В соответствии с формулой Sk = (3…4)Snom . В данном разделе показаны естественные характеристики АД. Регулирование координат АД связано с переходом на искусственные характеристики, которые получаются включением добавочных сопротивлений в цепь статора и ротора. 3.1.3 Регулирование координат АД с помощью сопротивлений Сопротивления можно включать в цепь статора и в цепь ротора (в случае фазного ротора). Включение добавочных сопротивлений в цепь статора приводит к 2π𝑓 уменьшению тока статора. Скорость идеального холостого хода ω0= 𝑝 не зависит от R. Все искусственные электромеханические характеристики пройдут через точку ω0. Токи короткого замыкания Iкз тем меньше, чем больше сопротивление в цепи статора. Все искусственные характеристики располагаются ниже естественной. Чем больше сопротивление в цепи статора, тем больше наклон искусственной характеристики, тем меньше жесткость. Практическая возможность использования дополнительных сопротивлений в цепи статора—уменьшение пусковых токов. Механические характеристики также пройдут через точку ω0. Включение в цепь статора дополнительных сопротивлений уменьшает токи статора. Вместе с ними уменьшается момент. Уменьшаются и критические значения моментов. Следовательно, механические характеристики смещаются влево при увеличении включаемых сопротивлений. Искусственные механические характеристики образуют семейство, проходящее через точку ω0, как показано на рис. Способ включения сопротивлений в цепь статора может использоваться для уменьшения моментов АД в переходных режимах. Для регулирования скорости АД способ мало пригоден, так как снижается жесткость, критический момент, пусковой момент и перегрузочная способность. Основное применение—для снижения пусковых токов и токов при переключениях. Например, в двухскоростных двигателях при переходе с высокой скорости на низкую, когда ротор вращается еще с высокой скоростью, а коммутация обмоток 3 произведена на низкую, для ограничения тока в низкоскоростной обмотке последовательно с ней включают сопротивление. Включение добавочных сопротивлений в цепь ротора производят по схеме, приведенной в разделе 3.1.1. Электромеханические характеристики (естественная и искусственные) имеют вид, как показано на верхнем рис. Из этого следует, что включение добавочных сопротивлений в цепь ротора может использоваться для регулирования пускового тока. В теории показано, что добавочные сопротивления в цепи ротора не влияют на критический момент Мк АД. В то же время увеличение добавочного сопротивления ведет к увеличению скольжения. Поэтому электромеханические характеристики АД с фазным ротором в зависимости от добавочных сопротивлений в цепи ротора имеют вид, показанный на рис. Способ имеет следующие показатели регулирования. 1. Регулирование скорости плавное, вниз от скорости на естественной характеристике и определяется плавностью регулирования добавочного сопротивления. 2. Жесткость регулирования падает с увеличением сопротивления. 3.Диапазон регулирования невелик из-за падения жесткости. 4. На добавочных сопротивлениях падает большая доля мощности, экономичность мала. Способ применяется при кратковременных изменениях нагрузки, например, при пуске или в подъемно-транспортных механизмах. 3.1.4 Регулирование координат АД изменением питающего напряжения В отличие от регулирования изменением сопротивлений в цепи статора регулирование путем изменения питающего напряжения позволяет избежать потерь на сопротивлениях. Поэтому способ экономичен и достаточно прост. Изменять напряжения можно с помощью трансформаторов, автотрансформаторов, магнитных усилителей, тиристорных преобразователей. Для регулирования координат привода необходимы трансформаторы с большим количеством выводов вторичной обмотки, что не всегда возможно. Тиристорый же преобразователь позволяет регулировать напряжение с помощью сигнала малой мощности. Он позволяет и реверсировать двигатель. Вместо тиристоров часто используются симисторы. Управление тиристорами (симисторами) осуществляется системой фазо-импульсного управления СИФУ (СФИУ). При управлении тиристорами напряжение на АД не является синусоидальным. Однако первая гармоника имеет наибольшую амплитуду и является определяющей в работе двигателя. Электромеханичееская характеристика имеет вид такой же, как в предыдущем случае, так 2π𝑓 как при изменении напряжения круговая частота вращения двигателя ω0= 𝑝 и неизменна. Уменьшение напряжений ведет к уменьшению тока статора. Механическая характеристика имеет вид, показанный на рисунке. При уменьшении напряжения критический момент Мк уменьшается пропорционально квадрату напряжения. При этом критическая скорость (и скольжение) не изменяется! Однако способ мало пригоден для регулирования скорости, так как при одном и том же моменте сопротивления Мс уменьшение напряжения ведет к большому изменению критического момента Мк (а следовательно, и перегрузочной способности) при малом изменении скорости (см. рисунок). Способ позволяет регулировать вращающий момент АД в зависимости от управляющего напряжения (М пропорционален U2). Угловое ускорение пропорционально моменту. Поэтому с помощью изменения напряжения можно обеспечить заданное ускорение привода. С помощью напряжения можно уменьшить пусковые токи. 4 3.1.5 Регулирование скорости АД изменением числа пар полюсов Из выражения 2π𝑓 ω0= 𝑝 для синхронной скорости вращения следует, что скорость вращения можно регулировать изменением числа пар p полюсов. Для этого необходимо, чтобы двигатель имел такую конструкцию, которая позволяла бы изменять число пар полюсов. Осуществляется эта возможность тем, что обмотки двигателя состоят из секций, которые можно внешними соединениями коммутировать так, что число пар полюсов изменяется. Наиболее простым является двухскоростной АД, в котором обмотки имеют по две секции (полуобмотки). Если p=1,2,3,…, то и скорости отличаются в два, три, … раза. Из этого следует, что скорости можно изменять ступенчато: число пар полюсов может быть только целым числом. На рис. каждая секция обозначена двумя витками: а) секции включены последовательно, б) параллельно, в) последовательно встречно. Конструкция статора выполнена так, что каждая секция может образовать полюс, направленный к ротору. Противоположный полюс секции соединен со статором. На рис. а) токи в обеих секциях текут в одну сторону. Секции образуют одинаковые полюса. Так как магнитный поток должен замыкаться, между секциями создается пространство с противоположно направленным магнитным потоком, т.е. противоположный полюс. На рис. б) и в) токи в секциях текут в противоположные стороны, образуя противоположные полюса. Пространство между секциями не может образовать полюса, так как токи в нем текут в одну сторону. Это пространство делится между полюсами. На рис. показано, что пространство, которое выделено для обмотки фазы А разбито на три сектора. В секторах 1 и 3 расположены полуобмотки фазы А. При последовательном включении полуобмоток (схема а) и левый рис.) токи в полуобмотках 1 и 3 текут одинаково, образуя одинаковые полюса. Направление и расположение магнитных потоков в роторе показаны тонкими линиями со стрелками. В зоне фазы А образуется четыре полюса (р=2). Если токи в полуобмотках текут в противоположные стороны, одной полуобмоткой создается полюс N, другой --полюс S (правый рис). Пространство между полюсами разделяется пополам между S и N. Такая ситуация может быть создана параллельным включением полуобмоток (рис.в)) или последовательно-встречным включением (схема б)). При этом р=1. Для АД с большим количеством секций в одной фазе можно получить различное количество скоростей. На практике для двухскоростных АД применяются две схемы переключения: треугольник—двойная звезда и звезда—двойная звезда ( 3.16 Схемы переключения двухскоростных АД и ). Треугольник –двойная звезда ( ). При соединении треугольником секции соединены последовательно. На рис. это показано для фазы А. При последовательном соединении секций (см. схему а)) р=2, 5 скорость в два раза ниже синхронной. При параллельном соединении секций получается двойная звезда, соответствующая схеме б). В этом случае р=1, скорость соответствует синхронной. Секции должны быть разработаны так, чтобы при максимальном напряжении ток в них не превысил номинального iном. В каждом из случаев мощность равна PΔ =3Uл iномcosφ Pдв.звез.=3 𝑈л 3 2𝑖номcosφ. Если считать, что cosφ в обоих случаях одинаков, PΔ= Pдв.звез.. Так как ω0дв.звез = 2 ω0Δ, то МΔ = 2Мдв.звез. Это же относится и к критическим моментам. Поэтому механические характеристики двухскоростного АД при переключениях треугольник—двойная звезда соответствуют рис. Регулирование называется регулированием при постоянной мощности. Звезда—двойная звезда ( ). При соединении звездой (см. рис.) секции соединены последовательно. В соответствии со схемой а) число пар полюсов р=2, т.е. одинарная звезда соответствует низкой скорости, двойная звезда—высокой скорости. Должно быть выполнено то же условие: ток секции не должен превышать iном. При соединении звездой напряжение секции Uc= мощность АД 𝑈ф 2 = 𝑈л 2 3 , Рзвез = 3Uф iномcosφ=3 𝑈л 𝑖 cosφ. 3 ном При соединении двойной звездой ток фазы равен 2 iном, а напряжение секции Uc=UФ= Pдв.звез =3 UФ2 iномcosφ =3 𝑈л 3 𝑈л 3 . мощность АД 2𝑖номcosφ. При соединении двойной звездой мощность в два раза выше, чем при соединении звездой. Скорость так же в два раза выше. Так как Р= М ω, то момент при регулировании постоянен. Регулирование называется регулированием при постоянном моменте. Постоянство момента говорит о том, что и критические моменты при обоих способах регулирования одинаковы. Указанные рассуждения позволяют изобразить механические характеристики при переключениях звезда—двойная звезда. Способ регулирования путем изменения числа пар полюсов обладает высокой экономичностью, достаточной жесткостью и высокой перегрузочной способностью. Способ треугольник—двойная звезда целесообразно применять при нагрузке, имеющей характер постоянной мощности. Способ звезда—двойная звезда применяют при постоянном моменте нагрузки. Недостатком является ступенчатость регулирования, большие размеры двигателей, сложность внешних коммутаций и относительно небольшой диапазон регулирования (6…8). 3.1.7 Регулирование скорости АД изменением частоты 6 ω0= В основе регулирования лежит зависимость скорости вращения двигателя от частоты сети : круговая частота вращения АД пропорциональна частоте, подаваемой на двигатель. 2π𝑓 𝑝 Способ состоит в том, на двигатель подается частота, соответствующая необходимой скорости. Он обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, высокой жесткостью характеристик и экономичностью. Изменение частоты осуществляется различными способами и устройствами. При изменении частоты изменяется индуктивное сопротивление обмоток. Если частота растет, во столько же раз растет индуктивное сопротивление, и во столько же раз падает ток, а следовательно, вращающий момент. Чтобы сохранить вращающий момент, необходимо при увеличении частоты увеличивать напряжение, при уменьшении частоты—уменьшать напряжение. Второе условие легко выполнимо. При этом критический момент для частот вниз от номинальной частоты так же остается постоянным. Перегрузочная способность АД остается достаточно большой. Регулирование при частотах вверх от номинальной встречает определенные затруднения. Для получения высоких характеристик АД его проектируют для работы на максимально возможных напряжениях, которые являются номинальными. При повышении частоты напряжение приходится оставлять прежним. Следовательно, при повышении скорости вращающий момент двигателя падает. Если нагрузка при этом остается постоянной или падает не столь стремительно, как вращающий момент, регулирование не удастся! Электромашинные преобразователи частоты представляют собой синхронный генератор, который может вращаться с различной скоростью. От скорости его вращения зависит генерируемая частота, поступающая на двигатели АД. В показанной ниже схеме изменение скорости вращения синхронного генератора СГ осуществляется двигателем постоянного тока М, вращение которого производится генератором постоянного тока Г. Скорость вращения двигателя М может регулироваться двумя способами: напряжением генератора Г и током обмотки возбуждения двигателя М ОВ2. Напряжение генератора Г в свою очередь регулируется током обмотки возбуждения ОВ1. Генератор приводится во вращение любым двигателем: двигателем внутреннего сгорания, асинхронным двигателем, турбиной и т.д. Напряжение синхронного генератора при изменении частоты регулируется током обмотки возбуждения синхронного генератора ОВ3. Системы с электромашинными преобразователями частоты позволяют регулировать скорость в широком диапазоне, однако имеет существенные недостатки. 1. Большое количество электрических машин, каждая из которых должна быть рассчитана на полную мощность потребителей. 2. Высокая цена и громоздкость. 3. Низкий КПД (произведение КПД каждой из машин). 4. Большая инерционность. 7 5. Использование машин постоянного тока, обладающих относительно низкой надежностью и требующих непрерывного надзора. Статические преобразователи частоты получили широкое распространение в связи с прогрессом полупроводниковой техники. Они преобразуют напряжение одной частоты в напряжение другой частоты и могут быть со звеном постоянного тока (первичное напряжение сначала преобразуется в постоянное, а затем в конечное) и без звена постоянного тока. Принцип действия преобразователя без звена постоянного тока поясняется на примере схемы со средней точкой, показанной на рис. Каждая из фаз АД ZА , ZВ , ZС своим началом соединена через блок тиристоров с фазами трехфазного трансформатора Т. Концы обмоток соединены со средней точкой трансформатора. Тиристоры открываются блоком управления так, что напряжение, подаваемое на каждую из обмоток, содержит составляющие разных фаз напряжения трансформатора (см. рис.). Напряжения фаз обозначены буквами А, В, С. U1, U2, U3 обозначают напряжения на каждой из обмоток ZА , ZВ , ZС . Из рис. видны следующие особенности. 1. Напряжения в обмотках двигателя не являются синусоидальными. Однако можно выделить основную гармонику и высшие гармоники. За счет основной гармоники двигатель вращается. Высшие гармоники в той или иной степени являются помехами. 2. Сформированная частота, подаваемая на двигатель, ниже частоты сети. Поэтому скорость двигателя может регулироваться только вниз от номинальной. 8 3 Управление частотой различается в зависимости от того, сколько фаз напряжения трансформатора (2,3,4,…) попадает в одну фазу напряжения, подаваемого на АД. В показанном примере в один полупериод попадает 3 фазы. 4. Положительный полупериод каждой формируется одними тиристорами группы, отрицательный –другими. Указанные полупериоды сформированы из напряжений разных фаз. Для формирования положительного полупериода напряжения фаза А должна быть включена в точке 1, фаза В—в точке 2, фаза С—в точке 3. На диаграмме длительностям соответствуют отрезки на оси времени. Полупериод исходного напряжения содержит три отрезка, соответствующие 1800. Полупериод сформированного напряжения содержит семь отрезков (см. рис.). Так как фазы должны быть сдвинуты на 1200 (2/3 от1800), в отрезках это представляет 2/3 от 2*7 2 7 , что равно 3 = 4 3 . На практике включение тиристоров производят в точках пересечения 1 синусоид (3, 5, 7, 9…) на расстоянии 4 2 ,что вызывает погрешность, которая несущественно влияет на работу привода. Из диаграмм видно, что последовательность включения тиристоров в каждой фазе меняется. Так для положительных полупериодов первой фазы это следующие последовательности: … --АВС—ВСА—САВ—АВС--…, которые повторяются через три периода. Такую же закономерность можно заметить и в других фазах положительных и отрицательных полупериодов. Из изложенного выше видно, что преобразователи без звена постоянного тока должны иметь достаточно сложное устройство управления, которое зависит от количества открываемых фаз (иначе—тиристоров). Эти преобразователи применяются достаточно редко. 3.1.8 преобразователи со звеном постоянного тока. Инверторы. 9 Преобразователи со звеном постоянного тока состоят из управляемого выпрямителя и инвертора, который преобразует постоянное напряжение в трехфазное. Постоянное напряжение создается любым из известных способов. В транспорте оно подается по сети. В стационарных устройствах постоянное напряжение может регулироваться. Принципиально преобразователь частоты со звеном постоянного тока проще с точки зрения схемы коммутации, но имеет дополнительное устройство—выпрямитель. Ниже рассмотрена работа инвертора, постоянное напряжение для которого получено одним из известных способов. В состав инвертора входят шесть тиристоров. Нагрузка (фазы АД) показана в виде сопротивлений ZА, ZВ, ZС, соединенных в звезду. Возможно соединение треугольником. Тиристоры управляются блоком управления. Тиристоры должны открываться так, чтобы последовательность токов в фазах соответствовала трехфазной сети, т.е. токи в фазах должны быть сдвинуты на 1200. Эта последовательность может быть обеспечена различной длительностью открытого состояния тиристоров. В коммутации, показанной на рис., длительность открытого состояния тиристоров λ в ка ждой фазе равна длительности закрытого состояния тиристора и равна 1 λ= 2 Трег. полупериоду регулируемой частоты: Весь период разбит на шесть равных которых происходит выполнять коммутацию с другое количество открытое состояние тиристора Интересно, что схема промежутков. на краях коммутация. Можно разбиением периода на промежутков. В этих случаях будет меньше полупериода. 1 λ= 2 Трег позволяет при получать токи в фазах АД ближе приближенной к синусоиде, чем прямоугольные импульсы (см. ниже). Пусть на интервале 1 открыты тиристоры VS1, VS5 и VS4. В фазах А и С токи текут в одном направлении (условно в положительном), в фазе В—в другом, отрицательном. Фазы А и С включены 𝑈 параллельно, что соответствует рис.1). Вследствие этого напряжение на фазах А и С равно 3 , на фазе В -- 2𝑈 3 . В интервале 2 в соответствии с рис. в фазе А ток должен быть положительным, а в фазах В и С – отрицательным. Это осуществляется включением тиристоров VS1, VS4 и VS6, что 2𝑈 𝑈 соответствует рис 2). Напряжение в фазе А равно 3 , в фазах В и С --- 3 , что соответствует эпюре напряжений. Для перехода от интервала 1 к интервалу 2 необходимо, чтобы закрылся тиристор VS5 и открылся тиристор VS6. Чтобы тиристор VS5 закрылся, ток через него должен быть равен нулю. При закрытом тиристоре VS6 ток по фазе С течет в прямом направлении (через тиристор VS5), при открытом—в обратном. Ток меняет свое направление, т.е. должен быть момент, когда ток в фазе равен нулю (точка 0 на диаграмме фазы С). В этот момент напряжение на катоде тиристора VS5 равно напряжению на положительном полюсе источника питания, так как тиристор VS1 открыт. Следовательно, при подаче отпирающего импульса на тиристор VS6, тиристор VS5 10 запирается и схема соответствует рис. 2), а токи соответствуют токам второго интервала диаграммы. Описанный процесс переключения несколько упрощен, так как не рассмотрено явление, называемое состязанием контактов, которое заключается в том, что при отпирании тиристора VS6 может возникнуть сквозной ток через тиристоры VS5- VS6, который приведет к КЗ. Это не произойдет, если тиристор VS5 закроется до того, как ток через тиристор VS6 начнет увеличиваться от нулевого значения. Поэтому реальная схема дополнена элементами, основные из которых конденсаторы, ускоряющими подачу на катод тиристора VS5 положительного напряжения. В интервале 3 ток должен быть положительным в фазах А и В, а в фазе С отрицательным, что соответствует соединению фаз по схеме 3) и соответствующим значениям токов. Аналогично можно изобразить схемы соединения обмоток и токи в интервалах 3 и 4. Преобразователи со звеном постоянного тока позволяют плавно регулировать частоту как ниже, так и выше частоты сети, что вызывает их широкое применение. При повышении частоты должно расти и напряжение, так как индуктивное сопротивление обмоток с повышением частоты увеличивается. 3.1.9 Импульсное регулирование координат привода с АД Импульсное управление чаще всего применяется для регулирования скорости АД, хотя оно позволяют регулировать ток и момент. Регулирование осуществляется путем импульсного изменения подводимого напряжения или изменением сопротивлений в цепи ротора или статора. Регулирование путем изменения сопротивлений в цепи ротора осуществляется в соответствии с рис. 1. На рис.1а показано импульсное изменение сопротивлений в фазах ротора путем закорачивания сопротивлений контактами реле. На рис. 1б ток ротора регулируется с помощью сопротивления, шунтируемого контактом. Шунтирование элементов схемы осуществляется так же, как при соответствующем регулировании ДПТ: управляемый ключ (реле, тиристор) включает регулируемый элемент с изменением коэффициента заполнения 0< γ < 1, зависящего от времени замкнутого tз и разомкнутого (открытого) tо состояния ключа в соответствии с соотношением γ = 𝑡з 𝑡з+𝑡𝑜 . В схемах может быть применено и тиристорное управление. Например, для регулирования тока в варианте 1б вместо диодов в одном из плеч можно установить тиристоры. Семейство механических характеристик при импульсном регулировании показано на рис.2. При γ =1 (ключи постоянно замкнуты) АД работает на естественной механической характеристике. При γ =0 АД работает на искусственной механической характеристике, соответствующей номиналам сопротивлений в 11 цепи ротора. Промежуточные варианты располагаются между ними. Импульсное регулирование путем изменения сопротивлений в цепи статора может быть реализовано путем закорачивания сопротивлений (рис.3). Роль ключей могут играть симисторы, управляемые сетью. Механические и электромеханические характеристики подобны характеристикам при соответствующем регулировании изменением сопротивлений в цепи статора. Способ применяется редко из-за низкой жесткости, малой перегрузочной способности и критического момента. Используется для ограничения токов и моментов при пуске, реверсе и торможении. Импульсное регулирование путем изменения напряжения на статоре АД может быть реализовано путем применения регуляторов напряжения, в том числе и тиристорных . Вид механических характеристик подобен показанным на рис.3. Способ мало пригоден в разомкнутых системах управления. При использовании замкнутых систем управления обратные связи позволяют резко увеличить жесткость механических характеристик и вместе с тем экономичность привода. 3.1.10 Торможение АД Торможение противовключением осуществляется изменением порядка следования фаз. Вращающий момент изменит направление на противоположное, Двигатель начнет резко снижать обороты. При этом необходимо: 1) включение добавочных сопротивлений в цепь статора или ротора для ограничения тока (который без этой меры может возрасти до недопустимых значений) и 2) отключить АД при малой скорости (чтобы не вызвать вращения в противоположном направлении). При изменении порядка следования фаз двигатель переходит на механическую характеристику 2, положительные обороты и момент которой противоположны этим величинам на характеристике 1. При моменте сопротивления МС АД работал в точке А. При переключении фаз в начальный момент скорость сохраняется и АД переходит в точку В механической характеристики 2, что соответствует торможению противовключением (четвертый квадрант). Вторая возможность перехода на торможение противовключением используется в подъемных механизмах при необходимости медленно опускать груз. В этом случае груз создает активный момент, которому противодействует момент АД, действующий на подъем. Используются, главным образом, АД с фазным ротором и большими добавочными сопротивлениями Rn в цепи ротора. Для равномерного движения АД должен развивать момент, равный моменту Мс активной нагрузки. Установится отрицательная угловая скорость ωуст. Из рис. видно, что для создания 12 тормозного момента необходимо, чтобы пусковой момент Мп двигателя был меньше момента сопротивления Мс механизма. Рекуперативное торможение (когда двигатель вращается со скоростью, превышающей синхронную скорость ω0 и работает в генераторном режиме) возникает, например, в двухскоростных двигателях при переходе с высшей скорости на низшую. Двигатель работал на характеристике 1 в точке А со скоростью ω1. При переключении на низшую скорость в первый момент скорость сохраняется и двигатель переходит в точку В характеристики 2 (второй квадрант—рекуперативное торможение). Рекуперативное торможение является наиболее экономичным видом торможения. Оно может использоваться всегда, когда производится переход на низшую скорость (при использовании преобразователей, при спуске грузов и т.д.). Динамическое торможение заключается в том, что когда для останова обмотку статора отключают от сети, одну или две фазы АД подключают к источнику постоянного тока. Обмотками статора создается постоянное магнитное поле, в котором вращаются витки ротора. В них возникает ток, создающий тормозящий момент. Двигатель работает в режиме генератора, используя кинетическую энергию движущихся частей привода. Возникающий в роторе ток создает тепло, которое рассеивается ротором. Интенсивность торможения можно изменять путем изменения постоянного тока. Наибольший эффект регулируемого торможения можно получить в двигателе с фазным ротором, позволяющем с помощью сопротивлений изменять ток ротора. Торможение при самовозбуждении. После отключения двигателя от сети магнитное поле затухает не мгновенно. Остается поддержать его еще некоторое время для того, чтобы ротор, вращаясь в нем, получил тормозной момент.π Конденсаторное торможение. Во вращающемся роторе возбуждаются токи, которые создают магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Это поле в статорных обмотках создает напряжения, которые вызывают протекающие через конденсаторы токи. Токи создают момент направленный против вращения. Конденсаторы могут быть подключены наглухо. Чем больше емкость конденсаторов, тем больше максимальный тормозной момент. С уменьшением скорости двигателя тормозной момент убывает. Конденсаторы можно заменить переключателями. Различие состоит в том, что конденсаторы могут быть присоединены постоянно, а переключатели включаются после отключения АД от сети. Кроме того интенсивность торможения, несмотря на скоротечность, весьма высока. Такое торможение называют магнитным. Часто переключатели заменяют тиристорами. Выпускаемые промышленностью тиристорные пуско-регулирующие устройства обеспечивают различные варианты торможения, а так же безударный пуск (при котором снижаются резкие изменения вращающего момента). 3.2 Электропривод с синхронными двигателями (СД) 13 3.2.1 Регулирование скорости, пуск и торможение СД СД обладает механической характеристикой с абсолютной жесткостью и потому применяются в приводах со стабильной скоростью. КПД η=(96…98)% , cosφ не только не ухудшается, но и улучшается и зависит от тока возбуждения. Статор СД устроен так же, как статор АД. Ротор СД кроме беличьей клетки имеет обмотку возбуждения, используемую в качестве электромагнита. Вращающий момент создается взаимодействием вращающегося магнитного поля и электромагнита ротора. Этот момент может существовать при скорости, близкой к 2π𝑓 синхронной, ω0= 𝑝 . Ротор может по положению отставать от вектора вращающегося магнитного поля на угол Ѳ, но вращаются они синхронно. Номинально отставание составляет обычно (25…30)0. Этому отставанию соответствует номинальный вращающий момент Мном, который в 2…2,5 раза меньше Ммах. Пуск и разгон СД осуществляется с помощью беличьей клетки, имеющейся на роторе. Обмотка возбуждения (ОВ) должна быть отключена, так как постоянный магнит будет мешать разгону. Однако разорвать цепь питания электромагнита нецелесообразно, так как обмотка содержит много витков и в ней при изменении магнитного поля возникает высокое напряжение, которое может вызвать пробой. Поэтому в ее цепь выключателем К1 включают сопротивление R1, вызывающее перераспределение напряжения между R1 и ОВ. Для питания ОВ имеется возбудитель (В)—генератор постоянного напряжения, который вращается СД. Когда СД приобретет достаточно большую скорость (отличающуюся на несколько процентов от ω0), выключатель К1 отключает сопротивление R1, а выключатель К2 подключает обмотку возбуждения ОВ к возбудителю. Ток В можно регулировать путем изменения тока обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ). Связь ОВ с внешними устройствами осуществляется через установленные на валу контактные кольца КК. Иногда возбудитель подключен к ОВ наглухо. Это возможно потому, что его напряжение растет с ростом скорости СД. Возбуждение становится эффективным при ω=0,7 ω0. В беличьем колесе при синхронной скорости ротора токи равны нулю. В качестве возбудителя могут использоваться разные элементы, например, управляемые выпрямители. Пуск СД может происходить с ограничением или без ограничения пускового тока. Это зависит от мощности и конструкции СД. Ограничение осуществляется различными элементами: сопротивлениями, реакторами, автотрансформаторами. Скорость СД регулируется главным образом изменением частоты с помощью преобразователей частоты. Торможение СД осуществляется переводом его в генераторный режим. Наиболее часто при этом используется режим динамического торможения, при котором обмотки статора отключаются от сети и закорачиваются добавочными сопротивлениями, а обмотка ротора (возбуждения) остается подключенной к источнику постоянного тока. 3.2.2 СД как компенсатор реактивной мощности В АД вращающееся магнитное поле вызывает в роторе большие токи, которые создают свое магнитное поле, взаимодействующее с полем статора. Магнитное поле ротора создает в обмотках статора токи, отстающие по фазе от напряжения сети. Этот фазовый сдвиг зависит от нагрузки и тем больше, чем больше нагрузка отличается от номинальной. АД создают существенный сдвиг φ по фазе между током и напряжением, в результате чего при большом количестве АД снижается общий cos 𝑐𝑜𝑠 φ сети. АД является нагрузкой с ярко выраженным индуктивным характером. В больших цехах коэффициент мощности cos 𝑐𝑜𝑠 φ может быть достаточно низким. Это значительно повышает потери мощности в сети. 14 В синхронных машинах, в частности, в синхронных двигателях (СД), основную роль на токи, возбуждаемые в статоре, играет обмотка возбуждения, установленная на роторе, т.е. постоянный электромагнит. В этом смысле процесс происходит так же, как в синхронном генераторе: ЭДС генерируется на обмотках статора от вращающегося электромагнита. Разница заключается в том, что в генераторе ротор вращается сторнним двигателем, а в СД вращение ротора осуществляется токами статора! Ток статора состоит из двух частей: 1) тока, подаваемого из сети, и 2) тока, генерируемого ротором. Вторая составляющая может регулироваться величиной тока возбуждения. . Синхронные двигатели могут существенно изменить cos 𝑐𝑜𝑠 φ нагрузки На рисунке 1 выделена одна катушка (фаза) трехфазного двигателя, так как в каждой из фаз процессы одинаковы. Из рисунка видно, что в проводах статора, мимо которых проходят полюса постоянного магнита, возбуждается ЭДС Е0. На векторной диаграмме, расположенной ниже, показана векторная диаграмма процессов, происходящих СД. На диаграмме изображено напряжение сети Uc и ток в первичной обмотке IZ, возбуждаемый этим напряжением. Ток IZ отстает по фазе от напряжения на угол φ0 так как цепь имеет индуктивный характер. При отсутствии механической нагрузки на валу СД ЭДС Е0, возникающая в обмотке статора, уравновешивает внешнее напряжение Uc, т.е. ЭДС Е0 противоположно по направлению к Uc и Uc= Е0 (раз нет нагрузки, нет и активной составляющей). Это происходит при определенном токе возбуждения. Ток от напряжения сети и от обмотки ротора так же равны между собой и уравновешивают друг друга. , Если увеличить ток обмотки возбуждения до значения Е0 (режим , перевозбуждения), в цепи обмотки появится избыточная ЭДС ΔЕ = Е0Uc. Ток ICK, вызванный этой ЭДС, отстает от нее на 900. Он отстает и от Е0. В обмотке протекает ток IC, равный векторной сумме обоих токов. Он отстает от Е0, но опережает от. Угол φ< φ0. Ток статора также меньше. Следовательно, уменьшается реактивная нагрузка и ток. Линия электропередачи разгружается и потеря мощности в ней уменьшаются. Если уменьшить ток возбуждения электромагнита (режим ,, , недовозбуждения) вектор Е0 уменьшится до значения Е0. Ток, вызванный этой ЭДС ΔЕ = Uc - Е0 поменяет свое напрвление. Вследствие этого вектор IСК опередит вектор Е0 и отстанет от Uc, угол φ увеличится, cos 𝑐𝑜𝑠 φ уменьшится, цепь приобретет еще более индуктивный характер. Если параллельно группе АД подключить СД, работающий с перевозбуждением, то возникающая в сети емкостная составляющая частично или полностью компенсирует индуктивную составляющую тока. При этом cos 𝑐𝑜𝑠 φ можно довести до единицы, что уменьшит потери электроэнергии. 15 СД, работающие при перевозбуждении, потребляют большие токи статора. Поэтому, если они используются для компенсации сдвига фаз, их габариты должны быть больше. Для компенсации сдвига фаз часто используют синхронные компенсаторы, представляющие собой СД, работающий без механической нагрузки, т.е. в режиме х.х., и вырабатывающий реактивную мощность, увеличивающую cos 𝑐𝑜𝑠 φ сети. Так как СК работают без нагрузки на валу, то вал можно выполнить малого диаметра, что уменьшает габариты СК. СК можно использовать и для увеличения cos 𝑐𝑜𝑠 φ , так как в некоторых случаях (например, в гальваническом производстве) сеть имеет емкостный характер. 4 Энергетика электропривода 4.1 Энергетические показатели работы электропривода Оценка потребительских свойств привода производится с помощью энергетических показателей, к которым можно отнести: -коэффициент мощности, -коэффициент полезного действия. -потери мощности и энергии, -потребляемую мощность и полезную в том числе. Для каждого конкретного случая этот список можно либо расширить, либо сузить. Как в разрабатываемых, так и в эксплуатируемых приводах стараются улучшить энергетические показатели, которые складываются из показателей электродвигателя и показателей механических передач. Рассматривают показатели в установившемся и в неустановившемся режимах. 4. 2 Потери мощности в электродвигателях представляют в виде двух составляющих: постоянных потерь и переменных потерь. Под постоянными потерями подразумевают потери практически не зависящие от нагрузки: потери в стали, связанные с перемагничиванием и с вихревыми токами; механические потери, связанные с подшипниками и вентиляторами на валу двигателя; потери в обмотках возбуждения ДПТ или СД. Переменные потери зависят от нагрузки двигателя. В этом случае токи якоря, статора, ротора зависят от нагрузки и переменные потери, зная эти токи, можно определить, используя соотношение I2R. Потери ΔРном электродвигателя в номинальном режиме определяют по его паспортным данным из следующих соображений. Из сети забирается мощность, равная сумме мощностей на валу двигателя Рном и потерь ΔРном. С учетом КПД электродвигателя ηном (Рном + ΔРном ) η = Рном, откуда ΔРном= Рном 1−ηном (1) ηном 4.3 Определение потерь энергии в двигателе производится по-разному в зависимости от режима работы. Наиболее просто это осуществляется при постоянной длительной нагрузке и при циклической нагрузке. В первом случае ΔА=ΔРt, (2) 16 где ΔА- потери энергии за время работы двигателя, ΔР-потери мощности, t- время работы электродвигателя. При циклической нагрузке каждый цикл разбивается на участки с длительностью ti в течение которой потери мощности ΔРi постоянны. Если таких участков m, то потери в течение одного цикла 𝑚 ΔА = ∑ Δ𝑃𝑖 𝑡𝑖 (3) 𝑖=1 4.4 К потерям следует отнести потери мощности и энергии в преобразователях и в механической передаче . 4.5 КПД привода определяется как произведение КПД устройств, входящих в привод. (4) η= η1 η2… η n Следует учесть, что на разных участках работы КПД может отличаться от номинального и требует отдельного расчета. Номинальные КПД различных двигателей отличаются. Как правило, двигатели с большей мощностью и более высокой номинальной скоростью обладают более высоким КПД. Максимальное КПД достигается при мощности немного меньшей номинальной. При нагрузках, больших и меньших номинальной, КПД падает. Из этого следует, что двигатель должен соответствовать нагрузке. Чем меньше он работает с недогрузкой или на холостом ходу, тем больше потери мощности и энергии. 4.6 Коэффициент мощности cos 𝑐𝑜𝑠 φ = Ра 𝑆 , (5) где Ра –активная мощность, 2 2 S- кажущаяся (полная) мощность. S = 𝑃𝑎 + 𝑄 , (6) Q—реактивная мощность. Коэффициент мощности в сети уменьшается при включении АД, особенно при недогрузке. На коэффициент мощности могут влиять и ДПТ, особенно при использовании управляемых выпрямителей. Способами повышения cos 𝑐𝑜𝑠 φ являются: замена малозагруженных двигателей двигателями малой мощности; ограничение времени работы АД на холостом ходу; понижение напряжения питания АД при невысоких нагрузках; замена АД на СД, если это возможно и экономически обосновано. 4.2 Расчет мощности при различных режимах работы Основным элементом любого электропривода является двигатель. Поэтому расчету мощности и выбору двигателя выделяется основное внимание. Двигатель должен обеспечить заданный технологический цикл, соответствовать условиям пуска и перегрузки, иметь соответствующую нагрузке мощность (не больше и не меньше), соответствовать условиям перегрева. Основой для выбора двигателя является нагрузочная диаграмма (график зависимости приведенного к валу двигателя статического момента нагрузки Мс(t) от скорости) и диаграмма скорости (иначе тахограмма—зависимость скорости, приведенной к валу двигателя, V(t) движения исполнительного органа от времени) исполнительного органа рабочей машины. Нагрузочная диаграмма представляет собой график зависимости приведенного к валу двигателя статического момента нагрузки Мс(t) от времени. Диаграмма скорости (иначе тахограмма) представляет собой зависимость скорости V(t) или ω(t) движения исполнительного органа, приведенной к валу двигателя, от времени. По этим диаграммам производится определение расчетной мощности двигателя, так как Р= Мω. Если М=Const и ω=Const, расчет не представляет сложности. Если нагрузочная диаграмма имеет несколько участков (т.е. момент меняется), момент сопротивления определяется как среднеквадратическая величина. Расчетная скорость при изменяющейся скорости определяется по 17 специальным методикам. По расчетной мощности с учетом необходимой скорости, момента, конструктивных особенностей и проч. выбирается двигатель, который проверяется по условиям пуска. Выбранный для заданных условий двигатель проверяется по его нагреву. Дело в том, что работающий двигатель нагревается тем больше, чем больше он нагружен. Двигатель, работающий при номинальной мощности, нагревается до определенной температуры, заданной при его проектировании и указанной в паспорте двигателя. При превышении мощности температура нагрева повышается. Превышение температуры ведет к преждевременному разрушению изоляции и сокращения срока службы двигателя. В современных двигателях применяется изоляция следующих классов с допустимой температурой нагрева: кл. А—до 1050С; кл. Е—до 1200С; кл. В—до 1300С; кл. F—до 1550С; кл. H—до 1800С; кл. C—выше 1800С. В основном применяется изоляция классов В, F, Н. При выборе двигателя оценивается не абсолютная температура, а перегрев τ = t-tср , где t-- температура двигателя, tср—температура окружающей среды, которая в тепловых расчетах берется равной 400С. Это значит, что когда температура окружающей среды равна 400С, двигатель можно нагружать до номинальной мощности. При этом температура его нагрева не превысит допустимой температуры по классу изоляции. Проверка правильности выбора двигателя производится по его тепловому режиму, который заключается в том, что перегрев двигателя при работе τраб должен быть меньше допустимого (нормативного) перегрева τдоп, указанного в паспорте (определяемого классом изоляции). Наиболее часто применяемым способом проверки двигателей по нагреву является метод средних потерь, который заключается в следующем. 1 Выбирают двигатель, который по всем требованиям наиболее близко подходит для рабочего механизма. 2 Строят циклограмму его работы, стараясь выполнить ее наиболее циклической, т.е. повторяющейся. В большинстве практических случаев так и получается. Участки циклограммы выбирают так, чтобы мощность на участке была постоянной. Определяют потери мощности на каждом участке, а затем—средние потери ΔРср на всем цикле. 3 Определяют по каталожным данным номинальные потери двигателя ΔР = Рэл –Рном = РНОМ η − Рном = Рном ( 1 η − 1), 3 где Рэл мощность, забираемая от сети, Рном –номинальная мощность на валу двигателя, η – КПД двигателя при номинальной нагрузке. 4 Сравнивают ΔРср и ΔР. При выполнении условия ΔРср ≤ ΔР двигатель выбран правильно. В противном случае необходимо выбрать другой двигатель и проделать для него тот же расчет. Детальный расчет по методу средних потерь учащимися производится в практической работе по данной теме. Имеются и другие методы проверки по нагреву двигателей. Различают несколько различных режимов работы двигателя, отличающихся по порядку включения его нагрузки, и требующих иногда двигателей специального исполнения. Типичными среди них являются следующие номинальные режимы. Продолжительный номинальный режим работы (S1) характеризуется такой нагрузкой, при которой перегрев τ всех частей двигателя достигает установившегося значения. Работа двигателя в режиме S1 при постоянной продолжительной нагрузке не требует дополнительных расчетов по определению нагрева двигателя. Кратковременный номинальный режим работы (S2) характеризуется чередованием неизменной нагрузки с отключением ее; за время работы tр перегрев τ не успевает достигнуть установившегося уровня, а за время паузы двигатель охлаждается до температуры окружающей среды. Выбор двигателя для режима S2 сложен. Если выбирается двигатель, 18 предназначенный для продолжительного режима работы, перегрев к концу рабочего участка не достигнет установившегося значения, т.е. двигатель будет недогружен по мощности. Промышленность выпускает специальные электродвигатели для кратковременного режима работы, обладающие повышенной перегрузочной способностью с временем работы 10, 30, 60, 90 мин. Такие двигатели не могут использоваться в продолжительном режиме даже вхолостую. Повторно-кратковременный номинальный режим работы (S3) характеризуется периодами работы tр с периодами отключения tо. При отключении температура не успевает достичь температуры окружающей среды. При следующем включении температура поднимается выше, при следующем еще выше и т.д. Режим характеризуется относительной продолжительностью включения (ПВ). ПВ= 𝑡р 𝑡р+𝑡о 100% Промышленностью выпускаются специальные двигатели для повторно-кратковременного режима работы. С номинальной мощностью Рном они могут работать при нормативной продолжительности включения ПВном = 15, 25, 40, 60, 100% . Длительность рабочего цикла для них не должна превышать 10 мин. Если мощность и ПВ двигателя близки номинальным, проверка по нагреву не производится, так как она гарантируется заводом-изготовителем. Для повторно-кратковременного режима работы можно использовать двигатели, предназначенные для продолжительного режима работы. При этом обязательна проверка по нагреву. Режимы S1, S2, S3 являются основными и наиболее характерными. Классификацией предусмотрено еще пять режимов, встречающихся реже. На практике можно встретить режимы. отличающиеся от каждого из восьми режимов. Наиболее рациональная проверка по нагреву производится по методу средних потерь. 5 Системы автоматизированного управления электроприводов 5.1 Общие вопросы управления электроприводов Управление приводов может быть замкнутым или разомкнутым. К разомкнутым относятся электрические системы без обратных связей по управляемым параметрам. Эти системы, отличаясь простотой своей реализации, широко применяются там, где не требуется высокое качество перемещений. Несмотря на простоту, схемы обеспечивают простоту, защиту при возникновении ненормальных состояний как самого оборудования, так питающей сети. В замкнутых системах используются обратные связи по регулируемым параметрам. Эти системы применяются при необходимости высокого качества регулирования (стабильности поддержания скорости, точности позиционирования и проч.). 5.2 Разомкнутые системы управления электроприводов 5.2.1 Принципы управления. Обозначение элементов В разомкнутых системах главным образом используется релейно-контакторная аппаратура с ручным и дистанционным управлением, а так же устройства защиты. Схема обычно разделяется на две части: силовую и управления. В силовой части обычно изображаются контакты и другие коммутирующие устройства. включающие нагрузку. В управляющей части изображаются катушки этих устройств с необходимыми для их включения контактами. Иногда силовые и управляющие цепи изображаются в одной, силовой части схемы. Управление осуществляется в функции определенных физических величин, например, в функции времени, в функции напряжения, в функции ЭДС, в функции скорости и т.д. Такое словосочетание показывает, какая величина должна достигнуть заданного значения для включения определенных устройств. Управление может быть в функции нескольких величин (например, времени и скорости). 19 В разомкнутых системах обычно используются релейно-контактные элементы, которые имеют стандартные буквенные обозначения. Обозначения комбинируют из следующих букв. Q—cиловые цепи, S—ручное переключение, F—автоматическое переключение, В—цепи управления, М—переключатели в силовых цепях. А—переключатели в цепях управления. В таблице показаны комбинированные обозначения элементов. Кнопки в цепях Переключатели Пускатели (КМ) Универсальные управления (SB) силовые переключатели (SA, SM) Q—общее обозначение катушки QS--ручные QF--автоматические контакты контакты с дугогашением Имеются и другие обозначения. Примеры показаны в следующих разделах. 5.2.2 Управление в функции времени. Реостатный пуск Для примера схемы реостатного пуска выбрана схема пуска ДПТ. При включении автомата QF напряжение подается на обмотку возбуждения ОВД двигателя. ОВД имеет большое количество витков тонкого провода, большое сопротивление, расходует мало мощности, поэтому может быть включена как угодно долго. При пуске в цепь якоря двигателя включаются добавочные сопротивления R. Количество сопротивлений определяет количество ступеней пуска. Сопротивления ограничивают пусковой ток ДПТ до допустимого значения. По мере разгона ток якоря уменьшается и при некоторой скорости добавочное сопротивление можно уменьшить так, чтобы ток не превысил допустимого. В некоторых случаях достаточно одной ступени, в других необходимо несколько. Для простоты выбран случай с одной ступенью. Логично для определения момента отключения ступени сопротивления измерить ток якоря и когда он достигнет некоторого расчетного значения, ступень можно отключить. Иногда так и делают. Сложность составляет определение этого расчетного тока, необходимость датчика тока, необходимость реле, которое сработает при уменьшении тока до расчетного значения. Все эти сложности устраняются при управлении в функции времени: если приблизительно известно время, в течение которого должна быть включена ступень, переключение производит реле времени, которое регулируется на заданную уставку времени. При нажатии кнопки ПУСК включается пускатель КМ1 и своим контактом КМ1.1 становится на самоблокировку. Силовой контакт КМ1.3 включает цепь двигателя с пусковым сопротивлением R. Контакт КМ1.2 включает 20 реле времени КТ1, которое с выдержкой времени на замыкание контактом КТ1.1 включает пускатель КМ2. Этот пускатель замыкает свой контакт КМ2.1, шунтируя сопротивление R . При количестве ступеней пуска более одной придется установить несколько реле времени, каждое из которых должно быть запрограммировано на длительность работы соответствующей ступени. При нажатии кнопки СТОП цепь пускателя КМ1 размыкается. схема приходит в исходное состояние. Реостатный пуск можно осуществить и в функции ЭДС двигателя: по мере увеличения скорости двигателя его ЭДС увеличивается. По достижении ЭДС определенного значения можно отключить соответствующую ступень сопротивления. Фрагмент схемы с реостатным пуском в функции ЭДС изображен на рис. В качестве измерителей ЭДС использованы реле (контакторы) КМ1 и КМ2, которые настраиваются на срабатывание при помощи регулируемых сопротивлений. 5.2.3 Типовые узлы схемы пуска и торможения ДПТ Ниже изображена схема, обеспечивающая пуск в функции времени и динамическое торможение ДПТ. Диодный мост VD1…VD4 служит для выпрямления переменного тока. Обмотка возбуждения двигателя включается сразу после включения автоматического выключателя QF. Пуск осуществляется в две ступени. При нажатии кнопки ПУСК замыкается контакт КМ1..1 пускателя КМ1. На якорь двигателя с двумя последовательно включенными сопротивлениями подается напряжение. Отключение пусковых сопротивлений осуществляется в функции времени. Время отключения первой ступени задается реле времени КТ1, второй – КТ2. Включение контакта КТ1.1 осуществляется с выдержкой времени (выдержка на срабатывание). Включается контактор КМ2 и закорачивает сопротивление R3 первой ступени контактом КМ2.1. Включение пускателя КМ2 вызывает срабатывание реле времени КТ2, которое с выдержкой времени включит пускатель КМ3, контакт которого КМ3.1 зашунтирует сопротивление второй ступени R2. Двигатель переходит на естественную механическую характеристику. При нажатии кнопки СТОП двигатель должен резко затормозиться. Применено динамическое торможение: закороченный якорь вращается в магнитном поле. Возникающий в якоре ток создает сильный тормозной момент. Схема обеспечивает закорачивание якоря, как только выключится пускатель КМ1. Следовательно, нажатие кнопки СТОП вызывает отключение пускателя КМ1 и дальнейшее динамическое торможение. Интенсивность торможения можно устанавливать с помощью сопротивления R1, ограничивающего ток якоря. При пуске пускатель КМ1 включается, его нормально замкнутый контакт КМ1.3 размыкает цепь закорачивания якоря, происходит пуск. С помощью таких же аппаратов можно создавать и другие схемы управления: реверс, торможение противовключением, регулирование скорости и т.д. Рекомендуется разработать подобные схемы самостоятельно. 21 5.2.4Типовые узлы схемы пуска и торможения АД Принципы построения этих узлов остаются такими же. Схема реверсивного включения АД. Прямое включение АД осуществляется нажатием кнопки ПУСК В. Пускатель КМ1 включается, замыкает свои контакты КМ1,1, запускающие АД, КМ1.2, устанавливающий пускатель на самоблокировку, и размыкает контакт КМ1.3, предотвращающий включение двигателя в обратном направлении. При нажатии кнопки ПУСК Н двигатель запускается в обратном направлении за счет того, что на силовых контактах пускателя КМ2 изменено подключение фаз А и С. Кнопкой СТОП схема и двигатель отключаются. Цепи управления схемы питаются напряжением 220В за счет того, что напряжение берется между фазой и "землей". В две фазы питания АД включены тепловые реле КК, которые могут быть выполнены по-разному: в некоторых реле имеются контакты для управляющих цепей, включенные последовательно с кнопкой СТОП; в других –таких контактов нет. В этих случаях при срабатывании теплового реле фаза отключается, двигатель перегружается, срабатывает второе реле, АД отключается. Если же этого не произойдет, сработает автоматический выключатель QF и двигатель все равно отключится. Управляющие цепи защищены плавкими предохранителями. Схема динамического торможения На рис. показаны фрагменты схемы, необходимые для динамического торможения, которое заключается в том, что при отключении АД от сети в одну обмотку статора (или две) подается постоянное напряжение. Возникает постоянное магнитное поле, в котором по инерции вращается ротор. В нем создаются тормозящие движение токи. Длительность торможения задается реле времени КТ1. Постоянное напряжение должно подаваться на статор только во время торможения. На схеме не показаны элементы защиты, элементы подключения к сети и т.д. Для разнообразия выбрано реле времени КТ1, срабатывающее при отключении. Постоянное напряжение подается на статор от отдельного источника постоянного тока, для создания которого может использоваться выпрямитель в цепи управления. Более того, управляющие цепи на постоянном токе дают более широкие возможности. Поэтому всю цепь управления можно выполнить на постоянном токе. В данном случае это значения не имеет. При нажатии кнопки ПУСК включается контактор КМ1, который контактами КМ1.1 включает АД. В то же время контактом КМ1.2 отключается цепь динамического торможения. 22 Контактом КМ1.4 включается реле времени КТ1, которое замыкает свой контакт КТ1.1, включая контактор КМ2. Контакт КМ2.2 замыкается, но цепь постоянного тока не включается, так как разомкнут контакт КМ1.2. Двигатель работает в обычном режиме. При нажатии кнопки SB1 СТОП пускатель КМ1 отключается, размыкая все свои нормально разомкнутые контакты. Выключается реле времени КТ1, контакт которого КТ1.1 с выдержкой времени на размыкание при отключении реле некоторое время, установленное при наладке, остается замкнутым. Это время есть длительность динамического торможения. Во время динамического торможения контакты КМ1.2 и КМ2.2 замкнуты. По истечении времени, установленного на реле КТ1, контакт КТ1.1 разомкнется, катушка пускателя КМ2 отключится и контакт КМ2.2 разомкнется. Схема управления двухскоростным АД. Как известно, при соединении полуобмоток треугольником АД настраивается на меньшую скорость, двойной звездой—на большую. Силовые цепи показаны толстыми линиями, цепи управления –тонкими. При нажатии кнопки SB2 ПУСК Н (низкая скорость) включается катушка пускателя КМ1 и становится на самоблокировку. Силовые контакты пускателя КМ1.1…КМ1.3 включают АД по схеме треугольника и контактом управления КМ1.5 запрещают включение пускателя КМ.2. Вследствие этого контакты КМ2.6…КМ2.8 разомкнуты. Для включения высокой скорости необходимо нажатие кнопки SB1 СТОП. Пускатель КМ1 отключится, давая возможность включения кнопкой SB3 ПУСК В (высокая скорость) пускателя КМ2. При этом замыкаются силовые контакты КМ2.1…КМ2.3 и КМ2.6…КМ.2.8, включая АД по схеме двойная звезда. Особенностью схемы является необходимость выключения двигателя для переключения с одной скорости на другую. Ниже показан фрагмент схемы управления, лишенной этой особенности. Для простоты применены кнопки с одним нормально разомкнутым (НР) и одним нормально замкнутым (НЗ) контактами. Вследствие этого нажатие кнопки SB3 ПУСК Н при включенном пускателе КМ1 отключит его от сети и включит пускатель КМ2. Подобное переключение произойдет и при нажатии кнопки SB2 ПУСК В. Одновременное включение пускателей КМ1 и КМ2 невозможно, так как в цепи каждого из них установлен НЗ контакт второго пускателя. 23 Схему можно дополнить пускателями реверса, как это было показано выше. Недостатком схемы является большое количество силовых контактов (шесть !) у пускателя КМ2. Обычно у пускателей имеется 3…4 силовых контакта. Если невозможно использовать в качестве силового контакт управления, приходится устанавливать параллельно второй пускатель. 5.2.5 Узлы электрической защиты. Аппараты управления и защиты должны соответствовать условиям работы электропривода и номинальным параметрам двигателя. Защита по току в силовых цепях и в цепях управления отличаются. В цепях управления обычно используются предохранители. Они служат для защиты от КЗ. Плавкие вставки предохранителей выбираются по количеству включенных элементов. Ток плавкой вставки Iпв выбирается из условия Iпв=2,5I, где I –суммарный ток максимального количества потребителей одновременно включаемых в цепь управления. Плавкие предохранители редко применяются в силовых цепях, так как с одной стороны не должны перегорать при больших пусковых токах, а с другой должны обеспечить защиту. Поэтому при выборе плавких вставок учитывают время пуска: при времени пуска до 5с плавкая вставка не успевает перегореть и ее ток выбирают в 2,5 раза меньше пускового тока двигателя, но больше номинального тока; при времени пуска более 5с, ее ток выбирают в (1.6…2) раза меньше пускового тока. Применяются плавкие вставки с дугогашением. Обозначение на схемах Защита от КЗ в силовых цепях встраивается в силовую пускорегулирующую аппаратуру, например, в автоматические выключатели. Обычно это электромагнит, в катушке которого протекает ток нагрузки. Уставка по КЗ выбирается в 2…2,5 раза больше Iпуск пускового тока. Тепловая защита встраивается в автоматические выключатели, в мощные пускатели и другую пускорегулирующую аппаратуру, либо выпускается в виде тепловых реле. Тепловая защита предназначена для защиты от перегрузок, действующих в течение длительного времени. При этом, чем больше перегрузка, тем быстрее срабатывает защита. Тепловая защита не должна срабатывать при пуске двигателя. Уставка тепловой защиты берется в пределах (1,2…1,4)Iном номинального тока двигателя. Тепловые реле могут иметь контакты, встраиваемые а цепи управления. Применение и обозначение тепловых реле было приведено в предыдущем разделе. Реле максимального тока (обозначаются FA) срабатывают при достижении током заданного значения. Для АД выбирают уставку тока, равную (1.2…1,3) Iпуск. Так как при пуске двигателя такое реле может сработать, на время пуска его закорачивают. Реле минимального тока (обозначаются FA) применяют тогда, когда отсутствие тока или его малое значение может привести к недопустимым ситуациям. Например, при пуске ДПТ в обмотке возбуждения должен быть ток, иначе двигатель может уйти вразнос. Второй пример: при затянувшемся пуске АД ток не достигнет номинального значения и двигатель будет перегружен. Защита от несанкционированного включении (нулевая защита) необходима для защиты персонала при несанкционированной подаче напряжения на неработающее оборудование. Такая ситуация возможна, например, в результате отключении сети при работающем оборудовании. Если выключатели остались включенными, подача напряжения приведет к движению рабочих органов, что недопустимо. Нулевая защита осуществляется применением пускателей, которые выключившись по любой причине, не включатся без нажатия кнопки ПУСК. Защита от перенапряжений осуществляется с помощью реле напряжения (обозначается FV). Такая защита применяется значительно реже токовой защиты и применяют ее в других видах защит, например, в нулевой защите. 5.3 Замкнутые системы автоматизированного управления электроприводами 24 5.3.1 Управление по отклонениям и управление по компенсации возмущений Замкнутые системы обеспечивают более высокое качество регулирования (диапазон, точность, закон поддержания скорости, точность останова и т.д.) . В замкнутых системах применяется два принципа регулирования—регулирование с компенсацией возмущений и регулирование с обратной связью по отклонениям. В первом случае измеряют отклонение возмущения от номинальной величины. Регулирование строят с учетом этого отклонения. Во втором случае определяют отклонение регулируемой величины от заданной с помощью обратной связи (ОС). Регулирование строят по величине отклонения: чем больше отклонение, тем больше `воздействие на объект регулирования. На рис. показан случай регулирования скорости привода ЭП методом компенсацией возмущения. Привод регулирует скорость ω нагрузки. Возмущающим фактором является момент сопротивления Мс, который может меняться. Пусть независимо от момента Мс нагрузки скорость должна быть постоянной и соответствовать заданной величине Uз. Чтобы добиться этого измеряется Мс и сигнал, пропорциональный Мс, подается на вход системы. Суммарный сигнал U∑ поступает на привод. Выходная величина ω будет выдаваться с учетом изменения возмущения. Несмотря на кажущуюся простоту, способ имеет много недостатков. Во-первых, для каждого возмущения необходимо иметь датчик. Даже в указанной системе возмущение не одно: момент нагрузки; условия, при которых работает привод; место приложения силы; состояние исполнительного механизма и т.д. Возмущение сложно, да и не всегда возможно измерить. Во-вторых, привод обладает усилительными свойствами, погрешность задания величины на входе может вылиться в большую ошибку на выходе. По этим причинам, регулирование по отклонениям применяется редко. Лучше измерить регулируемую величину на выходе и определить ее отклонение от заданной. Регулирование по отклонениям осуществляется в соответствии со структурной схемой слева. Выходная величина ω измеряется и через цепь обратной связи (ОС) сравнивается с входной величиной Uз. Входная величина Uз обычно задается в виде напряжения. Элемент ОС служит как для измерения выходной величины, так и для преобразования ее в напряжение Uос для сравнения с входной. На вход привода поступает величина Δ= Uос - Uз, которая называется отклонением. Чем больше отклонение, тем больше воздействие на привод. При отсутствии отклонения воздействие равно нулю. Достоинство регулирования по ОС в том, что измеряется только выходная величина и независимо от количества возмущающих факторов выходная величина соответствует входной. ОС может быть жесткой и гибкой. Жесткая ОС действует во всех режимах. Поэтому может быть перерегулирование, колебательность и другие недостатки. Гибкая ОС вырабатывается только в переходных режимах, т.е. с учетом скорости или даже ускорения изменения измеряемой величины, в результате чего улучшается качество регулирования. Часто совмещают жесткую и гибкую ОС так, что при больших отклонениях действует жесткая ОС, при малых (т.е. при приближении к заданному значению) включается гибкая. Для управления технологическими комплексами широко используются микроконтроллеры и микроЭВМ. Это обусловлено высоким быстродействием при обработке поступающей информации, возможностью обработки большого объема информации, возможностью постоянного улучшения управления путем перепрограммирования. 5.2.2 Управляющие и силовые элементы 25 Современные электроприводы используют, как правило, полупроводниковые элементы, позволяющие по сравнению с релейно-контактными увеличить функциональные возможности, быстродействие, надежность, автоматизацию, улучшить диагностику, понизить стоимость и проч. Но это не значит, что релейно-контактные элементы полностью вытеснены. Подключение к сети, некоторые виды защиты, а иногда и управление, осуществляется ими. Принято разделять элементы электроприводов на силовые и управляющие. Даже схема разделяется на две части: силовую и управляющую. Однако многие элементы включают в себя оба типа. Например, магнитный пускатель имеет катушку и контакты небольшой мощности, которые входят в управляющие цепи. В то же время силовые контакты, включаемые той же катушкой, входят в общую конструкцию. Разделение производится по величине тока или напряжения, которые может выдержать элемент. Ниже перечислены и описаны устройства, используемые в силовых цепях. Силовые диоды преимущественно применяются в выпрямителях и выпускаются на токи до нескольких кА (!) и напряжения до нескольких кВ. Могут выпускаться в виде диодных сборок, содержащих по два и более диодов. Тиристоры (тринисторы), симисторы, оптотиристоры используются в управляемых выпрямителях и преобразователях. Могут использоваться для бесконтактного включения нагрузок для включения потребителей как переменного, так и постоянного тока. Мощные тиристоры рассчитаны на рабочие токи до нескольких кА и напряжения до нескольких кВ. Выпускаются также тиристорные модули, которые могут содержать элементы, обеспечивающие управление и защиту силовых элементов. Такие модули называют интеллектуальными силовыми модулями. Силовые транзисторы наиболее часто используются в цепях постоянного тока. В большинстве случаев силовые транзисторы работают в ключевом режиме.В настоящее время наибольшее распространение имеют кремниевые полевые транзисторы. Однако вследствие совершенствования технологии полупроводникового производства получают распространение транзисторы, обладающие положительными качествами как биполярных (низкие потери мощности в открытом состоянии), так и полевых транзисторов (высокое входное сопротивление). Во многих случаях транзисторы выпускаются в виде модулей, содержащих элементы диагностики, защиты, управления. В управляющих цепях используются самые разнообразные элементы: регуляторы, преобразователи, программные (задающие) устройства, датчики регулируемых координат. согласующие элементы и т.д. Начинался регулируемый привод с того, что в большинстве приводов использовались дискретные элементы. Приводы даже одинакового назначения сильно отличались друг от друга. В настоящее время основное направление разработок электроприводов заключается в создании унифицированных комплектных электроприводов. Суть таких разработок заключается в том, что разрабатываются отдельные комплекты унифицированных приводов, способных работать с приводами определенного диапазона требований к ним. В таких комплектах используются и унифицированные составные части, в которые входят унифицированные блоки. В результате можно собирать привод из комплектов, удовлетворяющих необходимым требованиям. Применение унифицированных комплектных составляющих позволяет упростить разработку, наладку и эксплуатацию приводов. Системы управления электроприводами разделяются на системы с жестким алгоритмом управления и программируемым алгоритмом. Системы с жестким алгоритмом применяются в случаях, когда перенастройка привода нецелесообразна на протяжении всего периода эксплуатации привода. Системы с перепрограммируемым алгоритмом используются в экспериментальных приводах, в случаях, когда может быть изменена технология, в случаях, когда условия работы привода меняются. Современные системы управления электроприводами построены на использование микроконтроллеров и микропроцессоров. 5.3.3 Замкнутые системы 26 В тех случаях, когда требуются большие диапазоны регулирования и высокая точность требуются жесткие характеристики, которые возможно обеспечить замкнутыми системами. Приводы постоянного тока обычно строятся по системе "преобразователь-двигатель", в которых преобразователь служит для преобразования энергии сети переменного тока в энергию постоянного тока с необходимыми параметрами. Разомкнутая система "преобразователь-двигатель" не дает ни точности, ни жесткости регулирования. Вследствие этого в зависимости от назначения привода применяются отрицательные обратные связи (ООС) по скорости, по току, моменту, или сочетанию их. ОС по скорости обеспечивает регулирование скорости с высокой точностью за счет увеличения жесткости характеристик. Датчиками ОС служат тахогенераторы или другие устройства, подходящие по условиям. Регулирование по скорости не может обеспечить защиты привода от перегрузок по моменту или току. Для достижения эффекта защиты применяют нелинейную ОС по току. Сигнал ОС (например, от тахогенератора) обрабатывается узлом токоограничения (иногда его называют узлом токовой отсечки УТО). УТО обеспечивает при малых токах (моментах) низкое воздействие ОС на систему (или даже отсутствие ОС), при больших моментах включается ОС и обеспечивается необходимая жесткость регулирования, при токах выше предельно допустимых включается ограничение тока, и наступает режим стопорения двигателя. Необходимое качество привода получается при использовании ОС по скорости и по току. Эффективное и качественное регулирование обеспечивает принцип подчиненного (многоконтурного) регулирования. В этих случаях каждая координата регулируется в своем замкнутом контуре. Контуры могут входить друг в друга и влиять на определенные величины другого контура. Такие системы организуются более простыми средствами. В системах с ОС необходимым условием является устойчивость при переходных процессах. Промышленностью выпускаются серийные электроприводы, предназначенные для различных производств. В большинстве случаев управление приводом осуществляется с использованием микроконтроллеров. В связи с высокой надежностью, малыми габаритами, простотой конструкции и обслуживания асинхронных двигателей электропривод с их применением является предпочтительным. Однако сложности регулирования координат АД до сих пор тормозят процесс создания замкнутых систем на основе АД. В последнее время за счет разработки и создания полупроводниковых силовых преобразователей регулируемый привод переменного тока стал быстро развиваться. В основе таких приводов лежат тиристорные регуляторы напряжения. В замкнутых системах применяются известные способы регулирования: с помощью сопротивлений в цепи ротора (в двигателях с фазным ротором) и с частотным управлением. Замкнутые системы с частотным регулированием применяются преимущественно в связи с тем, что используются АД с короткозамкнутым ротором. Применяемые в замкнутых системах преобразователи частоты обеспечивают синхронные частоты от 5 до 80 Гц при номинальной частоте 50 Гц. К замкнутым электроприводам условно можно отнести и электроприводы с программным управлением, в которых обеспечивается движение исполнительного органа по определенной программе. Наилучшее воплощение программного управления в системы управления осуществляется в системах ЧПУ—числового программного управления. В системах ЧПУ все технологические данные (скорость, координаты позиционирования, контуры перемещения и проч.) задаются программой, которая может оперативно изменяться. Системы ЧПУ позволяют существенно увеличить производительность, точность, качество обработки деталей. Мало того, с помощью систем ЧПУ можно изготавливать серийно такие детали, которые при ручном управлении могут быть произведены лишь "умельцами". 27
