Регулирование координат электропривода

Как отмечалось выше, основная функция электропривода состоит в управлении его координатами — скоростью и моментом, т.е. в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями технологического обслуживаемого процесса.

Очень важный частный случай управления координатами — регулирование скорости или момента , т.е. принудительное изменение этих величин в установившемся режиме в соответствии с требованиями технологического процесса посредством воздействия на механическую характеристику двигателя. Частным случаем регулирования является поддержание одной из координат на требуемом уровне при независимом изменении другой координаты.

Чаще всего регулируемой координатой служит скорость: необходимо изменять скорость транспортного средства в зависимости от условий движения, состояния дороги и т.п., нужно регулировать скорость насоса, чтобы обеспечивать нужный напор в системе водоснабжения, требуется поддерживать на заданном уровне скорость движения жилы кабеля в процессе наложения на нее изоляции и т.п.

Понятие “ регулирование скорости ”, когда используются разные характеристики (рис. 7,а), не следует смешивать с изменением скорости , даже значительным, которое вызывается ростом или снижением нагрузки и происходит в соответствии с формой данной механической характеристики (рис. 7,б).

Рис. 7. Регулирование (а) и изменение (б) скорости

В ряде случаев оказывается необходимым регулирование момента. Оно потребуется, например, если нужно качественно укладывать на катушку проволоку, получаемую с волочильного стана, если при буксировке судна на больших волнах надо не допустить обрыва троса и т.п. Далее мы будем, в основном, рассматривать регулирование скорости.

Поскольку регулирование скорости связано с направленным формированием механических характеристик, выделим одну из возможных характеристик в качестве основной . Обычно в качестве основной характеристики принимают естественную характеристику двигателя, соответствующую номинальным значениям определяющих ее величин (напряжение, частота, магнитный поток и т.п.). Далее мы будем конкретизировать условия получения естественной характеристики для каждого типа двигателя.

Все другие характеристики, создаваемые в целях регулирования скорости, будем называть искусственными . Они могут формироваться разными способами, отличающимися как по техническим, так и по экономическим показателям, рассматриваемым ниже.

1. Направление регулирования . Искусственные характеристики, могут располагаться только ниже естественной — однозонное регулирование вниз от основной скорости, только выше естественной — однозонное регулирование вверх от основной скорости, как выше, так и ниже естественной — двухзонное регулирование.

2. Диапазон регулирования — отношение максимальной возможной скорости к минимальной при заданных изменениях момента нагрузки — рис. 8. Легко видеть, что одинаковым естественным характеристикам и изменениям момента могут соответствовать сильно различающиеся диапазоны регулирования, что связано с жесткостью искусственных характеристик.

Рис. 8. К определению диапазона регулирования скорости

С жесткостью характеристик связан также еще один показатель — стабильность скорости на искусственных характеристиках. Она может быть низкая — рис. 8,а и высокая рис. 8,б; иногда требуется абсолютно жесткие характеристики (), иногда, напротив, нужны очень мягкие характеристики (регулирование момента).

3. Плавность регулирования — возможность получать искусственные характеристики, расположенные как угодно близко друг к другу, — плавное регулирование или, наоборот, возможность иметь лишь несколько фиксированных характеристик — ступенчатое регулирование .

4. Допустимая нагрузка на искусственных характеристиках — очень важный показатель, определяющий надежность электропривода. Рассмотрим здесь лишь длительно допустимую нагрузку , которая определяется допустимым нагревом двигателя.

Допустимая нагрузка на естественной характеристике известна по определению — это номинальный момент двигателя М н . Для упрощения задачи будем считать, пренебрегая изменением теплоотдачи, допустимым током в силовых целях при любой скорости номинальный ток двигателя I н . Тогда допустимый момент для принудительно охлаждаемого двигателя

(5)

будет зависеть от магнитного потока двигателя Ф на соответствующей искусственной характеристике. При регулировании с Ф = Ф н = const М доп є I н Ф н = М н . Грубая оценка (5) дает лишь общее представление о допустимых нагрузках и должна уточняться в каждом конкретном случае.

5. Экономичность регулирования оценивается потерями энергии, сопровождающими тот или иной способ регулирования. Иногда экономичность удается грубо оценить, сравнивая полезную мощность с потребляемой из сети Р 1 , т.е. определяя потери или вычисляя КПД в некоторой характерной точке:

. (6)

Значительно более серьезные и убедительные оценки экономичности регулирования при сравнении различных способов могут основываться на цикловом КПД

, (7)

определяемом с учетом конкретных условий работы привода за время цикла t ц .

6. Затраты на регулирование можно определить как стоимость дополнительного оборудования Ст. Обор ., используемого для осуществления регулирования. Эффективность затрат удобно оценивать сроком их окупаемости Т ок

(8)

где Год.эфф .- цена годового эффекта от использования регулирования.

Так, если взамен нерегулируемого электропривода насоса используется частотно-регулируемый, и стоимость дополнительного оборудования — преобразователя частоты 1500 USD, а экономический эффект за счет сбережения электроэнергии, воды и тепла составляет 2100 USD/год, срок окупаемости составит

года.

Приведенные шесть показателей регулирования позволяют сравнивать в главных чертах и сопоставлять различные способы. Очевидно, что идеальным был бы способ, осуществляющий плавное двухзонное регулирование в широком диапазоне с примерно постоянной допустимой нагрузкой М доп » М н , с малыми потерями, при низкой стоимости дополнительного оборудования. Очевидно, что такого идеального способа нет, и инженеру всегда приходится искать некоторый разумный компромисс. Здесь в последнее время широко используется неформализуемый, но удобный показатель “качество/цена”. В понятие “качество” входит некоторая определенным образом организованная и согласованная с пользователем совокупность перечисленных выше показателей, дополненная такими общетехническими показателями как надежность, ремонтопригодность, помехозащищённость, взаимодействие с сетью и т.п.

Правильно организованный и хорошо обоснованный интегральный показатель “качество-цена”- удобное средство продвижения нового товара на рынок.

Источник

5. Регулирование координат электропривода

5.1 Требования к координатам электропривода и формированию его статических и динамических характеристик

Электрический привод служит не только для приведения в движение рабочих органов механизма, но и управляет его технологическим процессом. При управлении требуется не только поддерживать на заданном уровне такие переменные (координаты), как момент двигателя, скорость и ускорение механизма, или изменять их по заданным законам с требуемой по условиям технологии точностью, но одновременно и ограничивать эти переменные уровнем, допустимым по условиям технологии или прочности механического оборудования.

Управление движением электропривода и технологическим процессом установки, как правило, требует регулирования нескольких координат, различных на разных этапах работы. В зависимости от задач управления регулирование координат может осуществляться с целью:

а) поддержания заданного уровня переменной;

б) изменения переменной по заданному закону;

в) ограничения переменной допустимым значением;

г) отработки законов движения, задаваемых на входе системы с требуемой точностью.

Возможные следующие способы управления переменными:

а) параметрические способы, используемые в разомкнутых системах;

б) способы автоматического управления, основанные на изменении подводимого к двигателю напряжения, а для двигателей переменного тока еще и частоты при использовании обратных связей, что имеет место в замкнутых системах.

Хотя параметрические способы, основанные на изменении параметров цепей двигателей, широко и применяются в современном электроприводе, однако возможности их ограничены, т.к. во многих случаях при таком регулировании нельзя обеспечить требуемые режимы работы и показатели. Поэтому область разомкнутых систем электропривода сужается и они заменяются замкнутыми системами с обратными связями.

Автоматическое регулирование переменных осуществляется по отклонению переменной от заданного значения с помощью отрицательной обратной связи по регулируемой переменной (это основной способ регулирования).

5.2 Основные показатели способов регулирования координат электропривода

Для сопоставления между собой возможных способов регулирования координат используются следующие обобщенные показатели:

Точность (стабильность) регулирования.

Динамические показатели качества регулирования.

Допустимая нагрузка при регулировании.

Точность регулирования или иначе точность поддержания заданной переменной Х определяется возможными отклонениями ее от заданного значения под действием возмущающих факторов, например, изменении нагрузки при регулировании скорости, изменении скорости при регулировании момента и т.п. В разомкнутых системах оценкой точности может служить отношение наибольшего отклонения (рис. 5.2.1) регулируемой величины к среднему значению

Чем жестче зависимость Х от F_в, тем точнее регулирование.

Диапазон регулирования характеризует пределы изменения средних значений переменной Х, возможные при данном способе регулирования (рис. 5.2.2)

Обычно Д обозначается в числах, например .

Верхний предел регулирования переменной ограничивается максимально допустимым или максимально реализуемым значением переменной, а нижний предел – необходимой точностью поддержания заданной переменной и возможностью практической реализации при данном способе регулирования.

Например, верхний предел регулирования скорости двигателя ограничивается механической прочностью якоря или ротора, а для двигателей постоянного тока еще и условиями коммутируемой, т.к. с увеличением скорости возрастает реактивная ЭДС в коммутируемой секции обмотки якоря. Нужно иметь в виду, что снижение среднего значения регулируемой переменной приводит к росту относительной ошибки х*_макс регулирования. Если показанное на рис. 5.2.2 значение х_ср.мин считать минимально допустимым по условиям точности регулирования, то ему при заданной допустимой относительной ошибке х*_доп соответствует соотношение

Плавность регулирования характеризуется числом дискретных (промежуточных) значений регулируемой переменной, получаемых при данном способе регулирования в диапазоне регулирования. Она тем выше, чем меньше скачок переменной при переходе от данного ее значения к ближайшему возможному значению. Иногда для оценки плавности используется понятие коэффициента плавности, под которым понимается отношение двух соседних значений переменной

Чем ближе к_пл к единице, тем плавнее регулирование.

При автоматическом регулировании координат электропривода важное значение имеют динамические показатели качества регулирования, оцениваемые по характеру переходного процесса при скачке управляющего воздействия. Главным показателем быстродействия, непосредственно влияющим на производительность ряда механизмов, является время пуска и торможения электропривода. Быстродействие характеризуется такими показателями, как время запаздывания t_з, время регулирования t_р, за которое переменная первый раз достигает установившегося значения х_уст, время максимума t_макс, общее время переходного процесса t_пп, за которое затухают все его свободные составляющие (рис. 5.2.3).

Перерегулирование представляет собой динамическую ошибку и характеризуется максимальным отклонением х_макс от х_уст при t_макс, отнесенным к установившемуся значению регулируемой переменной

Колебательность характеризуется наименьшим значением логарифмического декремента, соответствующего комплексно–сопряженным корням характеристического уравнения системы или частотным показателем колебательности.

Экономичность регулирования оценивается по первоначальным капитальным затратам, связанным с созданием данной системы электропривода, и по эксплуатационным расходам на электроэнергию, оцениваемым главным образом по таким показателям, как КПД и коэффициент мощности при регулировании скорости.

При оценке экономической эффективности должны учитываться не только указанные факторы, но и то, что дополнительные затраты и эксплуатационные расходы на создание более совершенной системы регулирования должны окупиться повышением производительности и надежности работы системы, а также улучшением качества продукции.

Одной из главных переменных, необходимость регулирования, которой диктуется технологическими требованиями, в большинстве случаев является скорость электропривода. При ее регулировании необходимо знать, какие механические нагрузки могут быть допустимы на валу двигателя. Поэтому одним из важнейших показателей является допустимая нагрузка. Необходимость ее оценки возникает в связи с тем, что М_с приводимого механизма в общем случае также зависит от скорости.

Допустимая нагрузка зависит от метода регулирования скорости, ограничивается нагревом двигателя, вызванным потерями энергии в нем. Они же определяются главным образом величиной потребляемого тока. Обычно считается, что двигатель работает нормально, если при продолжительной нагрузке токи в цепях его обмоток не превышают номинального значения. В этом случае двигатель не нагревается выше допустимой температуры. Для определения допустимой нагрузки (допустимого момента) необходимо найти его величину, соответствующую номинальному току главной цепи двигателя при различных скоростях, и тем самым установить зависимость М_доп=f(ω).

Весьма существенным является обеспечение соответствия закона изменения М_с и характера зависимости предельно допустимого по условиям нагрева момента двигателя от скорости. Рациональное использование двигателя при регулировании скорости будет в том случае, когда эквивалентный по нагреву момент двигателя при изменении рабочей скорости будет меняться по такому же закону, что и М_с. При отсутствии такого совпадения двигатель будет плохо использоваться в тепловом отношении в одной части диапазона изменения скорости и может оказаться перегруженным в другой.

Момент и мощность, развиваемая двигателем, зависит от метода регулирования. Регулирование возможно при постоянстве момента и при постоянстве мощности, т.е. различаются две зоны регулирования (см. рис.5.2.4)

Зона I соответствует регулированию при постоянстве момента. Например, в случае ДНВ при номинальном токе и Ф=Ф_н

Мощность Р₂ на валу двигателя в этой зоне изменяется по линейному закону, т.е. пропорциональна скорости

Зона II соответствует регулированию с постоянной мощностью. В этом случае (применительно к ДНВ при ослаблении магнитного потока) с увеличением скорости момент изменяется по закону гиперболы (нагрузку двигателя необходимо уменьшить так, чтобы при любой данной скорости момент двигателя был равен М_с).

Источник