Автоматизация шлифовального процесса путем разработки автоматической системы управления преднатягом, страница 8

После указанных преобразований получают систему дифференциальных уравнений шестого порядка с постоянными коэффициентами, что значительно упрощает описание АД и делает возможным использование этой системы для исследования электромеханических процессов, протекающих в АД. Дальнейшее преобразование полученной системы уравнений сводится к переводу векторов, входящих в уравнение, в различные системы координат (в зависимости от цели решаемой задачи).

При математическом описании АД принят ряд допущений, соответствующих идеализированному представлению АД:

• фазные обмотки симметричны, одинаковы, воздушный зазор по все окружности ротора одинаков;

• не учитываются потери в стали, а также высшие гармоники магнитодвижущей силы и рабочего потока;

• параметры АД постоянны и не зависят от токов в обмотках АД;

Цель проекта сводится к разработке автоматической системы регулирования частоты тока, поступающего на обмотки статора асинхронного электропривода и напряжения питания на базе автономного мостового инвертора тока с трехфазным одно-обмоточным двигателем. При этом автоматическое изменение электрических параметров регулирует механические силы, действующие на привод.

3.3Анализ существующих средств автоматизации

Известные в настоящее время технические устройства для частотного управления асинхронным электроприводом в полной мере не отвечают требованиям, предъявляемым к мощному высоковольтному электроприводу и им присущи следующие недостатки:

• ограниченная низкоскоростными электроприводами область применения, необходимость изготовления специальной машины или переделка серийной, применение специальных устройств для механического сочленения валов, невозможность применения в запыленных и агрессивных средах, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины;

• высокая сложность технической реализации, обусловленная наличием сложных технических устройств: координатного преобразования, векторных фильтров, фазовращателей, функциональных преобразователей, блоков коррекции мгновенного значения частоты;

• наличие большого числа датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку;

• невысокая надежность, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины, высокой сложностью технической реализации блоков АСР, датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку.

3.4Обоснование системы автоматического управления

При частотном управлении асинхронными двигателями наиболее часто используются следующие законы: поддержание постоянства потокосцепления статора (Y₁=const), поддержание постоянства главного потока машины (Y₀=const), поддержание постоянства потокосцепления ротора (Y₂=const), и регулирование величины потокосцепления в зависимости от величины нагрузочного момента (Y₁, Y₀, Y₂) =f(M)).

Первый закон реализуется при поддержании постоянного отношения ЭДС статора к угловой частоте поля. Основным недостатком такого закона является пониженная перегрузочная способность двигателя при работе на высоких частотах, что обусловлено увеличением индуктивного сопротивления статора и, следовательно, снижением потокосцепления в воздушном зазоре между статором и ротором при увеличении нагрузки.

Поддержание постоянства главного потока повышает перегрузочную способность двигателя, но усложняет аппаратную реализацию системы управления и требует либо изменений конструкции машины, либо наличия специальных датчиков.

При поддержании постоянного потокосцепления ротора, момент двигателя не имеет максимума, однако при увеличении нагрузки увеличивается главный магнитный поток, приводящий к насыщению магнитных цепей и, следовательно, к невозможности поддержания постоянства потокосцепления ротора.

Общим недостатком законов с поддержанием постоянства потокосцепления являются: низкая надежность, обусловленная наличием датчиков, встраиваемых в двигатель, и потери в стали при работе двигателя с нагрузочным моментом меньше номинального. Эти потери вызваны необходимостью поддержания постоянного номинального потокосцепления в различных режимах работы.

Существенно повысить КПД двигателя можно путем регулирования магнитного потока статора (ротора) в зависимости от величины нагрузочного момента (скольжения). Недостатками такого управления являются низкие динамические характеристики привода, обусловленные большой величиной постоянной времени ротора, из-за чего магнитный поток машины восстанавливается с некоторой задержкой и сложность технической реализации системы управления.

В то же время существует ряд приводов таких механизмов как насосы, компрессоры, конвейеры и т. д., которые занимают промежуточное положение между динамичными и низко динамичными, и для которых существующие системы не в полной мере удовлетворяют предъявляемым к этим приводам требованиям. Высоко динамичные привода имеют сложную систему управления и повышенные энергетические потери при недогрузе двигателей, а низко динамичные привода не всегда способны отработать быстрые изменения статического момента.

Как уже было отмечено, высокими энергетическими характеристиками обладают системы с регулированием магнитного потока в функции нагрузки. Увеличить их динамические характеристики можно путем форсировки статорного напряжения (тока) во время переходных процессов и частых формирований управляющих воздействий. Получить высокую надежность можно за счет применения упрощенной системы регулирования, отказа от встроенных в двигатель и механически связанных с ротором датчиков.

3.5Схема включения, статические характеристики и режимы работы асинхронного двигателя

Трехфазный АД имеет обмотку статора, под­ключаемую к трехфазной сети переменного тока с напряжением U и ча­стотой f, и обмотку ро­тора, которая может быть выполнена по двум вариантам (рис.3.1).

Рис.3.1 . Схемы включения АД с фазным ротором (а)

и с короткозамкнутым ротором (б)

Первый вариант пред­усматривает выполнение обычной трехфазной об­мотки из проводников с выводами на три кон­тактных кольца. Такая конструкция соответству­ет АД с фазным ротором и позволяет включать в роторную цепь различные электротехнические элементы, например резисторы для регулирования скорости, тока и. мо­мента ЭП, и создавать с той же целью . Специальные схемы включения АД. Другой вид обмотки получают заливкой алюминия в пазы ротора, в результате чего образуется конструкция, известная под назва­нием “беличья клетка”. Схема АД с такой обмоткой, не имеющей выводов и получившей название короткозамкнутой.

3.5.1Регулирование параметров электропривода с асинхронным двигателем изменением напряжения

Изменение величины напряжения, подводимого к статору АД, позволяет осуществлять в статических и динамических режимах регулирование его мощности с помощью относительно простых схем управления.

Д ля регулирования координат короткозамкнутого АД между сетью переменного тока со стандартным напряжением U _1ном и статором (рис.2 , а) двигателя 2 включен регулятор I напряжения, выходное напряжение которого U _1рег изменяется с помощью внешнего сигнала управления U. Из­меняя величину этого сигнала, можно регулировать напряжение на статоре двигателя U _1рег в пределах от величины сетевого напряжения U _1ном и практичес­ки до нуля. При, этом частота напряжения на двигателе не изменяется и равна стандартной (50 Гц).

Рис.3.2 Схема регулирования координат АД изменением напряжения на статоре (а) и механические характеристики(б)

Регулирование напряжения на статоре не приводит к изменению скорости холостого хода w₀=2f₁ /p и не влияет на критическое скольжение s_k, но существенно изменяет величину критического (мак­симального) момента M_k. Как следует из схемы, снижение напряжения приводит к резкому уменьше­нию Мк, пропорционально квадрату напряжения.

В результате при U _1рег =var искусственные характе­ристики (рис.3.2,б) оказываются малопригодными для целей регулирования скорости, так как по мере уменьшения напряжения резко снижаются критический момент АД и тем самым его перегрузочная способ­ность, а диапазон регулирования скорости очень мал. Характеристики 3—6 построены при напряжениях 1;0,8; 0,6 и 0,4 от U _1ном.

Д ля регулирования напряжения на статоре АД могут использоваться различные электротехнические устройства—автотрансформаторы, магнитные усили­тели и тиристорные регуляторы напряжения (ТРН). Последние получили в настоящее время наибольшее распространение из-за высокого КПД, простоты в обслуживании, легкости автоматизации работы ЭП. Рас­смотрим принцип действия ТРН и основанную на его использовании систему ЭП “тиристорный регулятор напряжения — асинхронный двигатель” (ТРН — АД).

Рис. 3.3. Схема (а) я кривые напряжения (б) однофазного ТРН

На рис. 3.3, а показана схема регулирования напряжения на однофазной нагрузке переменного тока Zy. Силовая часть однофазного ТРН образована двумя тиристорами VS1 и VS2, включенными по встречно-параллельной схеме, кото­рая обеспечивает протекание тока в нагрузке в оба полу периода напряжения сети U1. Тиристоры получа­ют импульсы управления U, от СИФУ, которая обеспечивает их сдвиг на угол управления  в фун­кции внешнего сигнала управления Uy.

Осуществляя подачу импульсов управления на тиристоры с некоторой задержкой относительно предельного режима (угол управления О), то к нагрузке будет прикладывать­ся часть напряжения сети (рис. 3.3,6). Изменяя угол управления а от нуля до , можно регулировать напряжение на нагрузке от полного напряжения сети до нуля. На основе однофазной схемы со­здаются трехфазное схемы для регулирования на­пряжения на статоре АД. Такая схема, состоящая из шести тиристоров VS1 — VS6, доказана на рис. 3.4

Рис.3.4 Схема трехфазного тиристорного регулятора-напряжения

Форма напряжения на нагрузке является несинусо­идальной. Несинусоидальное напряжение можно представить как совокупность нескольких синусо­идальных напряжений—гармоник, каждая из кото­рых изменяется с определенной частотой. Частота изменения первой из них (основной гармоники) равна частоте питающего напряжения, а частота других гармоник больше, чем первой. Обычно 1-я гармоника имеет наибольшую амплитуду, и по ней ведутся все основные расчеты.

3.5.2Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением частоты

Данный способ, называемый частотным, является одним из наиболее перспективных, и широко внедря­ется в настоящее время. Принцип его заключается в том, что, изменяя частоту fi питающего АД напряжения, можно в соответствии с выражением ₀ == 2f1/p изменять его скорость ₀ получая раз­личные искусственные характеристики. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в ши­роком диапазоне, а получаемые характеристики об­ладают высокой жесткостью. Для лучшего использования АД и получения высоких энергетических показателей его работы — коэффициентов мощности, полезного действия, пе­регрузочной способности- одновременно с частотой необходимо изменять и подводимое к АД напряже­ние. Закон изменения напряжения при этом зависит от характера момента нагрузки Мc.

При постоянном моменте нагрузки Mc =const напряжение на статоре должно регулироваться про­порционально его частоте: U/f=const.

Для вентиляторного характера момента нагрузки это соотношение имеет вид: U/f²=const.

Таким образов, при реализации частотного способа регулирования скорости АД должен быть использован преобразователь частоты, который по­зволяет также регулировать и напряжение на статоре АД.

3.6Схема включения АД и его характеристики

Необ­ходимым элементом ЭП является преобразователь частоты 1и напряжения, на вход которого подается стан­дартное напряжение сети U ( 380 В.) промышленной частоты f = 50 Гц, а с его выхода снимается переменное напряжение U1per регулируемой частоты f1рег (рис.3.5 , а)

Рис.3. 5. Схема асинхронного ЭП (а) и механические характеристики АД (6) при частотном регулировании