Реостатное регулирование. Асинхронный электропривод с импульсным регулированием

Лекция 1 Асинхронный электропривод с импульсным регулированием сопротивления в роторной цепи Реостатное регулирование может быть использовано только для асинхронных двигателей с фазовым ротором, когда в процессе управления изменяется значение добавочного R2доп и полного R2 сопротивлений в роторных цепях. Схемы силовых цепей асинхронных электроприводов с реостатным регулированием при ступенчатом и плавном изменении R2доп показаны на рис.1. Рис.1. Схемы силовых цепей асинхронных электроприводов с реостатным регулированием: а — при ступенчатом изменении R2доп ; б — при плавном изменении R2доп На рис.1, а приведена схема реостатного регулирования со ступенчатым изменением значения добавочного сопротивления в роторе, т.е. когда при размыкании (замыкании) контактов K1, К2, КЗ в роторную цепь вводятся или выводятся ступени сопротивления. В этой схеме асинхронный двигатель может работать как на естественной характеристике (при закороченном роторе), так и на одной из трех регулировочных характеристик, когда в роторные цепи включены сопротивления R2 доп 3 , R2доп3 + R2доп 2 , R2доп3 + R2доп 2 + R2доп1 . В схеме, показанной на рис.1, б, изменение добавочного сопротивления в роторных цепях осуществляется плавно, так как на стороне выпрямленного тока неуправляемого трехфазного выпрямителя, подключенного к контактным кольцам ротора, включено неизменяемое добавочное сопротивление R2доп , которое периодически шунтируется силовым полупроводниковым ключом К на тиристорах или транзисторах, выполняющим роль широтноимпульсного преобразователя (ШИП). Частота коммутации ШИП не связана с частотой питающей сети и в рассматриваемой схеме особенно при применении транзисторов достигает 400... 600 Гц. Изменение значения добавочного сопротивления в роторных цепях обеспечивается изменением  = t р Tk относительного времени проводящего состояния ключа К при неизменной частоте коммутации (здесь t р - время проводящего состояния ключа К; Tk = 1/ f k - период коммутации ШИП). Эквивалентное добавочное сопротивление в цепи выпрямленного тока Rдоб.э = Rдоб (1 −  ) , т.е. изменяется от 0 (при  = 1) до Rдоб (при  = 0). Функциональная схема асинхронного электропривода при широтно-импульсном управлении коммутатором и последовательной коррекции контуров регулирования выпрямленного тока ротора и скорости двигателя изображена на рис. 2. Здесь в роторную цепь асинхронного двигателя М включен неуправляемый мостовой выпрямитель В, к выходу которого последовательно с дросселем Ld подключена R- или RC-цепь, периодически шунтируемая коммутатором К. В качестве К может быть использован транзисторный или тиристорный коммутатор. Управление коммутатором осуществляется широтно-импульсным преобразователем (ШИП). Двухконтурная система подчиненного регулирования координат включает в себя регулятор тока РТ и скорости PC с датчиками тока ДТ и скорости ДС. Сигнал отрицательной связи по выпрямленному току ротора ui снимается с шунта, по скорости двигателя uω – с выхода тахогенератора. Задатчик интенсивности (ЗИ) служит для обеспечения заданных значений ускорения и замедления электропривода. Остальные обозначения на рис. 2: Id – выпрямленный ток ротора; Ud – напряжение па выходе роторного выпрямителя; ω – скорость двигателя; uзс -напряжение задания скорости на входе ЗИ; uЗИ, uРС и uРТ – выходные напряжения соответственно ЗИ, PC и PT; uРТ = uу – управляющее напряжение ШИП; kот и kос – коэффициенты отрицательных обратных связей соответственно по току и скорости; ε – скважность работы коммутатора. Рис.2 Функциональная схема электропривода с обратной связью по скорости при широтноимпульсном управлении коммутатором Чтобы произвести стандартную настройку регуляторов РТ и PC, необходимо получить передаточную функцию асинхронного двигателя при широтно-импульсном управлении коммутатором. Поскольку асинхронный двигатель и ШИМ являются существенно нелинейными объектами регулирования, их нужно линеаризовать «в малом». Исходные уравнения асинхронного двигателя «в большом» получены из его схемы замещения по цепи выпрямленного тока ротора при условиях постоянства потока двигателя, равного номинальному, и работы роторного выпрямителя с идеальными вентилями в первом режиме коммутации.     3X   Ed 0 s = U d +  k  R2 +  2 + k  R1  s  I d + Lд p ( kI d ) ;        (1) U d = ( Rдоп + Rd .ср ) I d + Ld pI d ; Rd .ср = R (1 −  ) F ;     3x    I d  Ed 0 −  2 + k  R1  I d       M=  ; M − M c = Jp ,  c  где Ed 0 – среднее значение ЭДС роторного выпрямителя при разомкнутой цепи выпрямленного тока X  + X2 ротора и скольжении s = l; Lд – индуктивность фазы двигателя, определяемая как Lд = 1 ; fc 2 f c частота сети; R1, X 1 и R2 , X 2 – соответственно активные и индуктивные сопротивления фаз статора и ротора для Г-образной схемы замещения, приведенные к роторной цепи; Ld – индуктивность дросселя; Rd .ср – средняя величина сопротивления коммутируемой цепи; ε – скважность работы коммутатора, равная отношению времени открытого состояния коммутатора к периоду коммутации; p=d/dt – оператор Лапласа; 1 − при шунтировании коммутатором R-цепи;  F = 1   − при шунтировании коммутатором RC-цепи; где Rдоп – добавочное сопротивление в цепи выпрямленного тока ротора, не шунтируемое коммутатором (например, сопротивление измерительного шунта, дросселя, соединительных проводов); M – момент двигателя; M c – приведенный к валу двигателя момент сопротивлении движению; c – синхронная угловая скорость вращения двигателя; J – суммарный момент инерции электропривода, приведенный к валу двигателя; k – коэффициент, характеризующий изменение внутреннего сопротивления роторного выпрямителя в функции угла коммутации вентилей:    Ed 0 6X2  3 arccos 1 − ; 2 −  при I d   E 12 X  2 d0  2  k = (2)  Ed 0 1,5 при I d  .  12 X 2  Система (1) нелинейна, так как содержит произведения переменных и переменный коэффициент k, определяемый по (2). ШИМ можно аппроксимировать пропорциональным звеном с запаздыванием, входной координатой которого является задание u у , а выходной скважность ε, изменяющаяся от 0 до 1. Коэффициент усиления линейного участка звена kу =  uу , Среднестатистическая постоянной времени запаздывания  = Tk 2 . Где Tk - период коммутации. В системах с последовательной коррекцией принято постоянные времени чистого запаздывания  и фильтра на входе ШИМ Tф относить к суммарной некомпенсируемой постоянной времени T . T =  + Tф . В результате передаточную функцию ШИМ можно представить в виде WШИМ = kу 1 − T p . Далее по полученным уравнениям рассчитываются передаточные функции двигателя как электромеханического преобразователя и синтезируются регуляторы выпрямленного тока ротора и скорости. Настройка, как и случае с приводом УП-ДП производится на технический или симметричный оптимум. На рис.3 изображены электромеханические, а на рис.4 механические характеристики однократно интегрирующей системы для двух значений заданной скорости. Рис.3 Статические электромеханические характеристики электропривода с П-регулятором скорости Рис.4 Статические механические характеристики электропривода с П-регулятором скорости При шунтировании коммутатором RC-цепи статические характеристики, изображённые сплошными линиями, доходят вплоть до оси скоростей (точки ωxx I и ωxx II). В случае шунтирования R-цепи статические характеристики состоят из жестких (I и II, I' и II') и мягких реостатных (III и III') участков и пересекают ось скоростей в одной и той же точке со скоростью ωc . КПД данной системы регулирования зависит от скорости двигателя и развиваемого двигателем момента. На рис.5. приведены зависимости КПД от скорости двигателя при различных моментах. Если считать что при реостатном управлении асинхронный двигатель питается синусоидальным напряжением, значение коэффициента мощности можно определить с R1 использованием Г-образной схемы замещения: cos  = . 2 Rэ + X э2 На рис.6. Приведена зависимость коэффициента мощности при различных значениях добавочного сопротивления в роторе. Рис. 5. Зависимости КПД от скорости двигателя г) = /(со) для двигателя MTF111-6 при реостатном управлении: 1 — при М = Мном; 2 - при М = 0,5Мном Рис. 6. Зависимости cosφ для двигателя MTF111-6: 1 — при r = 1; 2 — при r = 10; 3 — при r = 20 Преимущества импульсного регулированием сопротивления в роторной цепи: 1. Простота схемной реализации с минимальным количеством коммутационного оборудования. 2. Отсутствие вносимых искажений в питающую сеть. Недостатки: 1. Схема реализуема только с асинхронными двигателями с фазным ротором. 2. Чрезвычайно низкие энергетические показатели (КПД и cosφ). 3. Регулирование скорости только вниз от синхронной. Сфера применения: модернизация устаревших РКС крановых электроприводов.