Общая классификация и основные показатели

Глава 4 Регулирование скорости и момента двигателей в электроприводе, тормозные режимы работы

Общая классификация и основные показатели

Выполнение большинства технологических процессов связано с необходимостью изменения переменных, характеризующих движение МЧЭ (положение ее элементов, скорость, ускорение, момент двигателя и т.п.). Под регулированием любой перееменной в электроприводе понимают целенаправленное их изменение в соответствии с требованиями, предъявляемыми к закону движения рабочего органа механизма. При этом к электроприводу приводу обычно предъявляется целый ряд общих для всех технических систем требований по надежности, экономичности, габаритам, массе и т.п. Кроме того, в каждом конкретном случае в зависимости от специфики технологического процесса и используемого для его выполнения оборудования эти требования дополняются необходимыми показателями в статическом и динамическом режимах его работы.

Формирование динамических показателей электропривода, как правило, представляет собой более сложную задачу и для лучшего его понимания предполагает предварительное рассмотрение способов формирования статических характеристик электропривода. Под статическими характеристиками обычно понимают зависимость основной регулируемой переменной от основного возмущающего воздействия в установившемся режиме работы при фиксированном значении управляющего воздействия и отсутствии других возмущающих воздействий. К основным регулируемым переменным в электроприводе наиболее часто относят скорость или момент, причем если скорость является регулируемой величиной, то момент считают возмущением и наоборот. В качестве управляющего воздействия в общем случае может рассматриваться любая физическая величина, характеризующая работу привода, от которой зависит регулируемая величина, например, сопротивление силовой цепи двигателя, амплитуда или частота подводимого к его обмоткам напряжения и т.д.

При управлении движением электропривода изменяют положение рабочих участков статических механических характеристик двигателя за счет соответствующего изменения его параметров или сигналов управления. В результате этого он переходит с одной статической механической характеристики на другую.

Все возможные способы регулирования в электроприводе можно разделить на две большие группы – параметрические и автоматические.

Параметрическое регулирование реализуется в разомкнутых структурах (без обратной связи) и осуществляется за счет изменения значений параметров двигателя, от которых зависят скорость или момент. Поскольку параметрические способы обеспечивают, по сути, косвенное регулирование, они не позволяют компенсировать влияние случайных или не учтенных факторов на характер движения при определении алгоритмов управления. Поэтому они обладают существенно меньшей точностью, однако, как правило, значительно проще в реализации.

Автоматическое регулирование обеспечивается в замкнутых структурах с одной или несколькими обратными связями. Здесь принципиально возможно регулирование любой переменной напрямую. Для этого необходимо с помощью специального устройства – датчика измерить реальное значение этой переменной и сравнить его с заданным или желаемым ее значением и в случае их расхождения соответствующим образом изменить значение какого-либо параметра, функционально связанного с регулируемой переменной.

Как правило, скорость w и момент М являются основными регулируемыми переменными электропривода. Они определяют выходную механическую мощность электрической машины

(4.1)

Поэтому в общем случае можно считать, что регулирование скорости или момента ведет к изменению механической мощности Р _мех, которая, как известно (см. раздел 3), может быть выражена через электромагнитную мощность Р _эм и мощность потерь D P

(4.2)

Представив выделяемые в двигателе потери D P в виде постоянной K и переменной V составляющих, а электромагнитную мощность P _эм как произведение электромагнитного момента М и скорости идеального холостого хода w₀, получаем

(4.2,а)

Отсюда, сопоставляя соотношения (4.1) и (4.2,а) при известных постоянных потерях К, нетрудно сделать вывод о существовании двух принципиально разных с энергетической точки зрения подходов к регулированию выходной мощности и, соответственно, скорости и момента электрических машин: путем изменения электромагнитной мощности Р _эм за счет соответствующего изменения потребляемой от источника питания мощности Р ₁ и посредством изменения мощности потерь V в их силовых цепях. Обратим внимание на то, что, как видно из соотношения (4.2,а), при неизменном развиваемом моменте М регулирование скорости в первом случае всегда связано с изменением скорости идеального холостого хода w₀, во втором же случае скорость w₀ не изменяется.

Очевидно, когда при регулировании скорости или момента происходит изменение потребляемой двигателем из сети мощности Р ₁ в соответствии с необходимым изменением его выходной мощности Р _мех при неизменной мощности потерь V обеспечивается наибольшая энергетическая эффективность работы привода. Однако при этом надо иметь в виду, что практическая реализация способов регулирования скорости или момента за счет изменения Р ₁ предполагает обязательное наличие в структуре привода управляемого силового источника электроэнергии – преобразователя.

Как мы увидим далее, эти способы применительно к любым типам электрических машин не только экономичны (потери практически не увеличиваются), но и при использовании современной элементной базы обеспечивают наилучшие технические показатели. Поэтому эти способы регулирования применяются в наиболее совершенных электроприводах при повышенных к ним техникоэкономических требованиях. Кроме того, очень важное обстоятельство – наличие управляемого преобразователя позволяет необходимым образом формировать динамические показатели привода.

Основное достоинство второй группы способов регулирования скорости (момента), как правило, состоит в простоте реализации. Несмотря на худшие энергетические показатели, а зачастую, и худшие технические показатели, применение этих способов регулирования может быть оправданным только в электроприводах с относительно невысокими требованиями, где на первый план выступают показатели низкой стоимости, простоты и надежности.

Поскольку регулирование скорости или момента двигателя связано с направленным изменением вида и положения механических (электромеханических) характеристик, принято среди их множества выделять одну, с которой сравниваются все другие характеристики. Она получила название естественной механической (электромеханической) характеристики.

В частности, е стественная механическая характеристика устанавливает связь между скоростью и моментом двигателя, обусловленную внутренними электромеханическими процессами в нем при некоторых особо оговоренных условиях для каждого типа двигателя. Соответственно, у каждого двигателя имеется только одна естественная механическая или электромеханическая характеристика. На естественных характеристиках находится точка номинального режима – режима на который обычно проектируется двигатель, т.е. по параметрам этого режима выбираются размеры, материалы, электромагнитные нагрузки и т.д.

При работе в номинальном режиме электрическая машина, как правило, имеет наилучшие удельные показатели (мощность с единицы массы или объема), поскольку обеспечивает наиболее эффективное преобразование энергии. Параметры номинального режима называют номинальными параметрами двигателя, которые обычно и указывают в паспортных данных электрических машин. Важная особенность номинального режима – соответствующие ему значения токов и напряжений не должны длительно превышаться в процессе эксплуатации машины. Все другие характеристики, получаемые в целях регулирования, называют искусственными. Эти характеристики иногда также называют регулировочными характеристиками. Соответственно, в общем случае, у каждого двигателя их может быть много. При этом рабочие участки искусственных характеристик, также как и рабочие участки естественных характеристик, не должны выходить за пределы зон безопасной работы двигателя. Как правило, для каждого типа двигателя указывают зоны безопасной работы при длительных ± М _д и кратковременных ± М _к нагрузках (см. рис. 4.1).

В этом разделе основное внимание уделим параметрическим способам регулирования скорости и момента электропривода с наиболее распространенными типами электрических машин. При этом из рассмотрения вида их механических характеристик (см. главу 2), можно заключить, что при традиционных способах питания все они с тем или иным приближением могут рассматриваться как источники скорости, а не момента. Поэтому параметрические способы

регулирования применяются в основном для регулирования скорости.

Общие принципы автоматического регулирования скорости и момента в электроприводе рассматриваются на примере электропривода постоянного тока с двигателем независимого возбуждения.

а) Регулирование скорости.

Рассмотрим два характерных примера, представленных на рис. 4.2 и поясняющих суть процесса регулирования скорости в электроприводе. Пусть для привода некоторого механизма используется двигатель постоянного тока независимого возбуждения. В первом случае (рис. 4.2,б), из-за изменения момента статической нагрузки от М _с1 до М _с2 скорость изменилась от w₁ до w₂. Однако, здесь в соответствии с данным выше определением регулирования скорости нет, поскольку изменение скорости обусловлено лишь формой механической характеристики используемого двигателя. Обычно снижение скорости под действием нагрузки называют статической ошибкой регулирования или статизмом.

Во втором случае (рис. 4.2,б), при изменении момента нагрузки в тех же пределах с целью компенсации его влияния на скорость некоторым образом (пока неважно как) изменяются условия питания двигателя, в результате чего он переводится с характеристики а на характеристику б. При этом, не смотря на значительно меньшее изменение скорости, чем в первом случае, в соответствии с данным выше определением, имеет место регулирование скорости, точнее, его частный случай – стабилизация скорости.

Для сопоставления различных способов регулирования скорости в электроприводе обычно используют следующие показатели или критерии: направление регулирования, диапазон регулирования, плавность, стабильность скорости при изменении нагрузки, допустимая нагрузка, экономичность регулирования.

Направление регулирования. При увеличении регулируемой величины по отношению к ее значению на естественной характеристике – регулирование однозонное, вверх от основной скорости. При ее уменьшении – регулирование однозонное, вниз от основной скорости. Если же изменение происходит как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, такое регулирование называют двухзонным.

Диапазон регулирования скорости D _w – отношение значений максимальной w_max и минимальной w_min скоростей двигателя

. (4.3)

Значение диапазона регулирования является величиной ограниченной, поскольку ограничены значения максимальной и минимальных скоростей. Максимальная скорость ограничена прочностью машин и элементов кинематической цепи привода. Ограничение минимальной скорости обычно связано со стабильностью ее поддержания при изменении момента нагрузки.

Плавность регулирования r – определяется отношением двух соседних значений скорости w_i и w_i+1, реализуемых при данном способе регулирования

(4.4)

Очевидно, чем ближе этот показатель к единице, тем выше плавность регулирования. При ограниченном числе промежуточных значений скорости используют понятие ступенчатого регулирования.

Стабильность регулирования. Под влиянием изменения нагрузки, а также из-за нестабильности параметров электропривода скорость привода отклоняется от среднего значения. Обычно стабильность регулирования связывают с наклоном механических характеристик электрической машины, который оценивают коэффициентом жесткости или жесткостью, определяемым как

(4.5)

При регулировании скорости, чем больше абсолютная величина этого коэффициента, тем выше стабильность регулирования. Два предельных значения этого коэффициента b = ∞ и b = 0 определяют абсолютно жесткую и абсолютно мягкую характеристики. Соответственно, при сравнении двух или нескольких характеристик получили распространение термины: более мягкая или более жесткая характеристика.

Длительно допустимая нагрузка электропривода при регулировании скорости определяется наибольшим значением момента, который двигатель способен развить длительно при работе на любой искусственной характеристике, не нагреваясь выше допустимой температуры. При работе на естественной характеристике допустимый момент равен номинальному. Если принять, что нагрев длигателя определяется только переменными потерями, то можно считать длительно допустимым током номинальный ток. Тогда, если развиваемый момент двигателя пропорционален произведению тока в силовой цепи и потока (как, например, в машинах постоянного тока), можно утверждать, что при постоянном потоке на любой исскуственной характеристике допустимый момент нагрузки равен номинальному моменту двигателя. Если же поток падает, либо нарушается пропорциональность между током в силовой цепи двигателя и потоком (как, например, в асинхронных машинах), то для исключения перегрева двигателя длительно допустимую нагрузку на двигатель необходимо соответствующим образом снижать.

Кратковременно допустимая нагрузка на двигатель определяет его перегрузочную способность. У машин постоянного тока она определяется условиями безопасной коммутации тока в коллекторе, у асинхронных машин – максимальным (критическим) моментом, у синхронных машин – максимальным синхронизирующим моментом.

Экономичность регулирования можно оценивать по двум основным показателям – капитальным затратам на реализацию данного способа регулирования (затраты на дополнительное оборудование) и эксплуатационными расходами, связанным со стоимостью потерь энергии. Как правило, более дорогие и более совершенные системы электропривода при соответствующих алгоритмах управления позволяют существенно снизить потери энергии.

б) Регулирование момента.

В ряде случаев, например, при регулировании натяжения перематываемого материала (в прокатном производстве, в кабельной или текстильной промышленности и т.п.), а также при необходимости формирования определенного закона изменения ускорения подвижных частей различных механизмов требуется непосредственное регулирование момента двигателя. Кроме того, для механизмов, у которых статический момент нагрузки может изменяться в широких пределах, например, в результате деформации металла в станах горячей прокатки, в экскаваторах и т.п. в целях исключения поломки звеньев кинематической цепи, а также перегрузки двигателя необходимо ограничение его момента на некотором допустимом уровне М _доп.

Наиболее просто все перечисленные выше задачи решаются при условии, что двигатель тем или иным образом переведен в режим близкий к режиму идеального источника момента. Для этого рабочие участки его механических характеристик должны быть близки к вертикальным линиям или, что тоже самое, они должны обладать близкой к нулевой жесткостью (характеристики 1 и 2 на рис. 4.3,а). Тогда, соответствующим образом изменяя положение этих характеристик вплоть до М _доп, можно получить любое значение момента на валу или необходимый закон его изменения в функции какого либо параметра (например, радиуса барабана моталки).

Основным показателем регулирования момента является точность его поддержания на заданном уровне при изменении скорости в некоторых пределах. Однако и по отношению к регулированию момента параметрические способы обеспечивают невысокую точность. Более высокая точность достигается при автоматическом регулировании момента (с обратными связями). Наиболее часто получают механические характеристики, состоящие из двух характерных участков (участки 1 и 2 на рис. 4.3,б). При работе на участке 1 характеристики привод обладает свойствами, близкими к источнику скорости, на втором – близкими к источнику момента. Характеристики такого вида в электроприводе часто называют экскаваторными характеристиками. Подчеркнем, что при современных способах управления на первом участке этих характеристик удается получить практически горизонтальные прямые линии, а на втором – вертикальные.