Что такое двухзонное регулирование скорости

В двигателе постоянного тока скорость можно регулировать двумя способами – изменяя напряжение UД или изменяя поток Ф. До номинальной скорости wН регулирование происходит за счет UДВ, выше основной – за счет Ф.

В первой зоне Ф = const, I_МАХ = const; М_МАХ = const, U_ДВ ≅ Е_ДВ ≡ w ≡ Р.

Во второй зоне U_ДВ ≈ Е_ДВ ≈ const, I_МАХ = const, Р_МАХ = М·w = const, .

Рис. 13.1. Параметры ЭП при двухзонной работе.

Вторая зона – работа с постоянной мощностью, то есть при увеличении скорости уменьшается МС. Этот режим реализуется для главного электропривода в токарных станках, где требуется примерно постоянная мощность резания (рис.13.1.).

Наибольшее распространение в двухзонных САР скорости нашел способ зависимого управления потоком двигателя. В 1-ой и 2-ой зоне задается и поддерживается главная величина – скорость. Поток в 1-ой зоне постоянен, во 2-ой зоне регулируется из условия постоянства ЭДС двигателя .

В этом случае переходные процессы при пуске имеют вид, представленный на рис. 13.2 (регуляторы тока и скорости работают с максимально выходным сигналом – в ограничении).

Переходные процессы в САР скорости с задатчиком интенсивности представлены на рис. 13.3.

Рис. 13.2. Переходные процессы при ступенчатом пуске САР скорости с ДПТ и двухзонным регулированием скорости

Рис. 13.3. Переходные процессы при пуске САР скорости с задатчиком интенсивности и двухзонным регулированием скорости.

Рис. 13.4. Структурная схема системы двухзонного регулирования скорости.

Структурная схема системы двухзонного регулирования скорости представлена на рис.13.4. При работе в первой зоне САР скорости превращается в обычную двухконтурную с регуляторами тока и скорости при Ф = const.

Во второй зоне при ЕД = ЕД. МАХ выставляется ограничение регулятора э. д.с. (Б02). Kонтур э. д.с. будет стремиться сохранить ЕД = const, то есть с ростом w уменьшается iВ, Ф.

Каким образом реализовать датчик э. д.с. двигателя – внутренней координаты двигателя?

ЭДС можно определить косвенно:

,

где RЯ, ТЯ – параметры самого двигателя (но не якорной цепи). Для получения информации об э. д.с. нужно брать производную по току двигателя. Это физически не реализуемо. Реально получить сигнал:

(1)

Реализация контуров тока возбуждения и э. д.с. представлена на рис.13.5.

Рис. 13.5. Принципиальная схема реализации контуров тока возбуждения и ЭДС.

Датчики стремятся выполнить так, чтобы номинальным сигналом на входе датчика соответствовал нормализованный выходной сигнал датчика ± 10 В.

Все датчики тока и напряжения силовых цепей должны быть с гальванической развязкой.

Пусть UД = 220 В, RД = 0,015 Ом, IЯН = 1000 А.

Тогда ; А.

Примем Iшн = 2500 А.

.

Отметим, что ,

где ; .

Из принципиальной схемы

Умножим обе части равенства на :

(2)

Чтобы равенства (1) и (2) соответствовали друг другу, необходимо

; ; .

Таким образом ; (как правило, R0Н=RH);

.

Передаточная функция датчика э. д.с. .

На выходе датчика э. д.с. установлен блок выделения модуля. Скорость и э. д.с. двигателя могут менять свой знак, но знак потока (тока возбуждения) неизменен.

Пока w UЭ, регулятор э. д.с. имеет UРЭ ВЫХ. МАХ., определяемое уставкой блока ограничения Б02.

.

При w ³ wН регулятор э. д.с. выходит из насыщения, обеспечивая поддержания ЕД = const.

Выбор параметров регуляторов

Регулятор тока возбуждения

Из структуры рис. 13.4 находим передаточные функции: ,

где .

,

где: ТВ – постоянная времени обмотки возбуждения, отражающая э. д.с. самоиндукции (ТВ = 0,5 ¸ 4 с);

ТВТ – постоянная времени, отражающая взаимовлияние вихревых токов, наводимых в станине ( для нешихтованной стали, для шихтованной стали).

Параметры КВ, ТВ, ТВТ – существенно нелинейные величины, зависящие от насыщения стали. Обмотка возбуждения обычно рассматривается при пренебрежении гистерезисом и влиянием реакции якоря.

, ,

где КН » 1,1¸1,3 – коэффициент насыщения;

d » 1,18 – учет потоков рассеивания;

; .

Универсальная кривая намагничивания в относительных единицах для двигателей независимого возбуждения задана в табл. 13.1.

Универсальная кривая намагничивания ДПТ. Таблица 13.1

Значения IBH, ФН (одного полюса) даются в каталогах.

Передаточная функция разомкнутого контура тока возбуждения при обычно используемом ПИ – регуляторе

.

Если принять ; ,

то

Передаточная функция замкнутой системы

.

По характеристическому полиному, задавшись качеством переходных процессов, можно определить параметр aВ. Однако можно ослабить форсирующее действие вихревых токов, если в цепи обратной связи по току возбуждения включить фильтр с постоянной времени

Тогда (аВ=2 при настройке на МО);

.

Данная настройка рекомендуется для практического применения.

Если aВ=2, то .

с для тиристорных возбудителей; ;

; ;

(обычно принимают).

Передаточная функция разомкнутого контура Э. Д.С.

.

Обычно к быстродействию контура э. д.с. не предъявляются высоких требований по быстродействию.

Быстродействие контура э. д.с. должно быть значительно меньше, чем в контуре скорости в данной взаимосвязанной САР с мультипликативными связями (рис. 13.6).

Рис. 13.6. Взаимосвязанная САР двухзонного регулирования скорости.

Поскольку быстродействие контура э. д.с. не требуется, то чаще всего применяют И-РЭ. Тогда передаточная функция разомкнутого контура э. д.с.

где

При настройке на МО ,

тогда ; ; .

При расчетах параметров регуляторов следует принимать максимальные значения коэффициентов передачи и постоянных времени объекта регулирования, которые возможны при изменении режимов работы. Если при данных значениях параметров САР будет рассчитана на устойчивый режим работы, при других значениях параметров (меньших по величине) САР будет заведомо устойчива.

Исходя из этого при расчетах постоянной времени ТРЭ следует принять:

; w=wМАХ.

Передаточная функция замкнутого контура э. д.с.

Настройка контура скорости с учетом ослабления магнитного потока

Если магнитный поток уменьшается в 2-3 раза, то уменьшается и общий коэффициент усиления в контуре скорости в 2-3 раза, т. к. КМ=СЕФ. Если применяется П-РС, уменьшение коэффициентов усиление приводит к понижению ЛАЧХ разомкнутой САР, снижению частоты среза (и полосы пропускания), уменьшению колебательности системы.

При применении ПИ-РС САР может стать неустойчивой (рис. 13.6).

Рис. 13.6. ЛАЧХ контура скорости с настройкой на СО при Ф=Фном и Ф=Фмин.

Чтобы этого не произошло, необходимо постоянную времени изодромного звена регулятора скорости увеличить обратно пропорционально ослабления потока, т. е. (ЛАЧХ по прямой 3 рис.13.6). Но происходит соответствующее снижение частоты среза контура скорости.

В ряде случаев снижение быстродействия контура скорости нежелательно. В этом случае нужно компенсировать уменьшение коэффициента усиления контура при ослаблении Ф. На выходе регулятора скорости тогда включается блок деления (см. рис. 13.7), на который подается сигнал, пропорциональный току возбуждения, подаваемый через фильтр с нелинейностью, чтобы смоделировать магнитный поток.

Снижение быстродействия контура скорости в этом случае не происходит. Перенастраивать параметры регулятора скорости также не требуется.

Рис.13.7. Схема компенсации уменьшения коэффициента усиления контура скорости при ослаблении Ф

Источник

Криволапов Павел Павлович

Кафедра электропривод и автоматизация промышленных установок

Специальность: Электромеханические системы автоматизации и электропривод

Тема выпускной работы:

Исследование современных систем электропривода с двухзонным регулированием скорости

Научный руководитель: Толочко Ольга Ивановна

Исследование современных систем электропривода с двухзонным регулированием скорости

Введение

Актуальность темы. Достижения в области силовой электроники и микропроцессорной техники дают новые возможности распространению регулируемого электропривода. Высокая скорость обработки информации современными процессорами дала толчок развитию старых и разработке новых алгоритмов управления системой «преобразователь-двигатель». Двухзонное регулирование используется прежде всего в тех механизмах, статический момент которых с ростом скорости уменьшается (механизмы вращения шпинделя металлорежущих станков, некоторые прокатные станы, наматывающие механизмы и др.), это дает возможность, в сравнении с однозонными приводами, полностью использовать мощность двигателя, ведь при увеличении скорости мощность двигателя будет возрастать и, соответственно, будет возрастать мощность преобразователя, что весьма увеличивает их стоимость. Использование двухзонного регулирования связано, прежде всего, с требованием повышения скорости обработки изделий и тем самым повышения производительности, а, следовательно, и прибыли. Систему двухзонного регулирования можно рассматривать не только в приводах постоянного тока с двигателями независимого возбуждения, но и в приводах переменного тока с асинхронными двигателями при векторном и скалярном управлении, также режим двухзонного регулирования может быть реализован и в приводе с вентильным двигателем.

Цель работи: изучение и описание систем двухзонного регулирования скорости, исследование динамических свойств различных вариантов схем регулирования.

Задача: выполнить сравнительный анализ систем двухзонного регулирования скорости методом математического моделирования, разработать рекомендации по их применению, построение наблюдателя для выделения сигнала скорости в двухзонной системе.

Исследованием этой теми в ДонНТУ занимались: Толочко О.И., Коцегуб П.Х. 4.

Эта тема очень распространена, поэтому ее изучало множество авторов как в Украине так и за ее пределами. Среди них можно выделить: 7.

Основная часть

В режиме холостого хода поток изменяется обратно пропорционально частоте (рис.1 а), а под нагрузкой он снижается тем медленней, чем больше абсолютное скольжение.

При увеличении частоты располагаемый электромагнитный момент двигателя уменьшается обратно пропорционально квадрату α (рис.1 б), а располагаемая мощность – обратно пропорционально первой степени α, т.к. одновременно возрастает скорость вращения поля.

Сочетание двух режимов частотного управления U 1 /f 1 =const и U 1 =const дает возможность получить двухзонное регулирование скорости АД. Особенность заключается лишь в том, что регулирование скорости при частотном управлении осуществляется изменением частоты в обеих зонах, а режим управления потоком определяется законом управления напряжением.

Векторное управление. Если требуется двухзонное регулирование скорости, то в системе предусматривается функциональный преобразователь (ФП). Входной сигнал на нем определяется значением скорости. До тех пор пока скорость не превышает номинальное значение, сигнал на выходе ФП задает номинальный поток и остается постоянным. Когда скорость превысит номинальное значение, сигнал на выходе ФП будет уменьшаться и скорость, большая номинальной, будет достигнута при ослаблении потокосцепления ротора и значении напряжения на статоре, близком к постоянному.

Развитие векторных систем пошло по пути перехода от непосредственного измерения потока к определению его значения с помощью математической модели электромагнитных процессов в асинхронном двигателе (модели потока). Расхождения между изменившимися реальными параметрами двигателя и неизменными параметрами модели приводят к отклонению процессов в приводе от расчетных, не позволяя в полной мере использовать достоинства векторного управления. Поэтому необходима подстройка модели к нестабильным параметрам двигателя. Это одна из важных задач, возникающих при разработке системы.

Вентельный двигатель. При двухзонном регулировании, в диапазоне от нуля до номинальной скорости поддерживается равенство нулю составляющей тока статора по оси d и одновременно изменяются частота и напряжение преобразоваеля частоты, а в верхней части диапазона, когда напряжение достигло номинального значения и дальнейшее его увеличение недопустимо, увеличивается только частота, а ток по оси d равным нулю не поддерживается.

Поскольку потокосцепление от потока ротора с постоянными магнитами не может быть изменено, поддержание напряжения постоянным при увеличении скорости до значения, большего номинального, возможно только путем создания составляющей тока Isd, отличной от нуля. Вектор тока при этом сдвигается в сторону опережения, и угол δ>90°. Для конкретного режима значение Isd может быть найдено в результате решения нелинейного уравнения:

Двигатель постоянного тока. Двухзонное регулирование скорости ДПТ заключается в том, что регулирование скорости от нулевого до номинального значения ω н (первая зона) осуществляется путем изменения напряжения якоря Uя (от нулевого до номинального значения) при постоянном магнитном потоке двигателя равном номинальному Φ=Φн. Регулирование скорости от значения ω н до ее максимального значения ω мах (вторая зона регулирования) происходит за счет ослабления магнитного потока двигателя при номинальном напряжении якоря Uя=Uян. Изменение потока менее энергоемкое, чем изменение Uя, так как мощность цепи возбуждения, по сравнению с цепью якоря, не велика.

Рассмотрим подробно систему двухзонного регулирования ДПТ, так как она будет реализована в условиях лаборатории на базе привода постоянного тока Mentor II, контролера поля FXM5 и инкрементального датчика скорости.

В зависимости от требований к характеристикам электропривода применяют следующие варианты структурных схем систем двухзонного регулирования скорости:

1) когда управление каналами якорной цепи и цепи возбуждения осуществляется независимо друг от друга (раздельное управление);

2) когда работа канала возбуждения осуществляется в зависимости от какой-либо изменяющейся величины, обычно это ЭДС или напряжение двигателя (зависимое управление);

3) cравнивая структурную схему этой системы с двумя описанными выше, можно сказать, что предложенная система представляет собой что-то среднее между ними. А именно: подсистема регулирования до основной скорости такая же, как и у системы зависимого управления, а подсистема регулирования возбуждения как у системы раздельного управления. Но в этом варианте, вследствие того, что основной канал замкнут по скорости, отпадает необходимость в разделительном усилителе.

Рассмотрим более подробно раздельное управление, так как эту тему будет исследовано в ближайшее время (рис.4 и рис.5).

Системы двухзонного регулирования с раздельным управлением потока возбуждения двигателя, – это системы косвенного регулирования скорости. То есть, вместо контура регулирования скорости, как в системе с зависимым управлением, используется либо контур регулирования ЭДС (КРЭ) с регулятором ЭДС (РЭ) либо контур регулирования напряжения (КРН) с регулятором напряжения (РН).

Переход к обратной связи по ЭДС или напряжению в основном контуре исключает использование принципа зависимого управления полем двигателя в обычном варианте, так как в зоне выше основной скорости сигнал обратной связи никогда не сможет достичь сигнала задания вырабатываемого ЗИ. Поэтому и возникает необходимость в разделении режимов управления напряжением преобразователя и полем двигателя.

Переход к раздельному управлению полем двигателя усложняет вопросы резервирования и эксплуатации схем, так как изменения касаются не только основного канала, но и канала управления полем двигателя. Таким образом, возникает задача создания дополнительного узла управления позволяющего и при переходе к регулированию напряжения в основном контуре сохранить принцип зависимого управления полем двигателя.

Один из вариантов реализации таких систем представлен на рис.4. и рис.5.

В этой структурной схеме БО (блок ограничения) или РУ – разделительный усилитель, предназначенный для разделения зон регулирования. Его выходное напряжение ограничено на уровне соответствующем номинальной ЭДС (напряжению) двигателя. Назначение РУ заключается в ограничении сигнала задания поступающего с ЗИ, так как ЭДС и напряжение, в отличие от скорости, остаются постоянными при изменении потока.

Переход системы управления во вторую зону осуществляется при помощи задатчика возбуждения – ЗВ при соответствующем сигнале ЗИ. При выходном сигнале ЗИ соответствующем сигналу задания скорости больше номинального ЗВ снижает сигнал задания на возбуждение.

При ω>0 работает только КРЭ при Φ=const, а при ω≤1 работает КРВ при Eд=const.

Для этой схемы основным является вопрос определить аналитическое выражение характеристики ЗВ, то есть определить как должно изменяться выходное напряжение ЗВ в зависимости от сигнала ЗИ.

Вид характеристики ЗВ зависит от того, какой из параметров при разгоне мы хотим поддерживать постоянным Mj или Ij.

Выведем характеристики ЗВ для двух вариантов. При этом не имеет значения, каким будет основной контур КРЭ или КРН. Будем считать, что основной контур замкнут по ЭДС.

При работе в первой зоне исходный сигнал ЗВ должен быть постоянным и отвечать номинальному потоку возбуждения. Все это можно записать в виде уравнения:

Наблюдатель состояния. В системах регулирования скорости промышленных механизмов в качестве датчиков скорости применяются либо тахогенераторы, либо импульсные датчики скорости, имеющие недостатки. Использование систем косвенного регулирования скорости с датчиками ЭДС или напряжения во внешнем контуре приводит к ухудшению динамических свойств привода. Особенно большие проблемы возникают в системах двухзонного регулирования, где при отсутствии датчика скорости приходится применять системы раздельного управления преобразовательными агрегатами в якорной цепи и в цепи возбуждения двигателя.

Будет рассмотрена возможность применения в системах двухзонного регулирования в качестве датчика скорости наблюдателя состояния (НС). В качестве входных сигналов для НС используем сигналы, пропорциональные напряжению якоря и потоку возбуждения двигателя.

При моделировании необходимо получить следующие графики (рис.6).

К моменту написания данного автореферата магистерская работа еще не была закончена. Окончательное завершение работы: январь 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

1. Толочко О.І. Системи непрямого регулювання швидкості зі спостерігачами стану /Толочко О.І., Песковатська О.В., Кудокоцев С.М.; Наукові праці ДонНТУ. Серiя “Електротехніка i енергетика”. – Донецьк: ДонНТУ. – 2003. – №67. – С. 168-173.

2. Толочко О.И. Сравнительный анализ систем двухзонного регулирования скорости /О.И. Толочко, П.А. Максаев; Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ. – Кременчуг. – 1999. – №2 – С. 32-35.

3. Толочко О.И. Системы двухзонного регулирования скорости с наблюдателями состояния /Толочко О.И., Максаев П.А., Мариничев В.Ю.; Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ. – Кременчуг: КГПИ. – 2000. – №1(8). – С. 53-56.

4. Толочко О.И. Системы двухзонного регулирования скорости /О.И. Толочко, П.А. Максаев/ Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ. – Кременчуг: КГПИ. – 1998. – С. 28-31.

5. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». Иваново, 2008. 298с.

6. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями/Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, – 94с.

11. Walter N. Alerich Electricity 4: Ac/Dc Motors, Controls, and Maintenance. еdition:7, Cengage Learning, 2001, pp: 360

12. Dale R. Patrick Rotating electrical machines and power systems. edition:2, The Fairmont Press, Inc., 1997 pp: 399

Источник