Структурная схема асинхронного электропривода с регулированием напряжения статора

Линеаризованная структурная схема системы «тиристорный регулятор напряжения — асинхронный двигатель (ТРН-АД)» с отрицательной обратной связью по скорости, соответствующая функциональной схеме рис. 6.24, приведена на рис. 6.30.

Рис. 6.30. Структурная схема асинхронного электропривода с регулированием напряжения статора.

На рис. 6.30. приняты следующие обозначения:

- передаточная функция регулятора скорости;

- коэффициент обратной связи по скорости, В • с/рад;

- коэффициент передачи датчика скорости, В • с/рад;

- коэффициент согласования, о. с.;

- коэффициент передачи и постоянная времени тиристорного регулятора напряжения;

- момент инерции электропривода.

В качестве расчетного значения коэффициента чувствительности по моменту принимаем его максимальное значение , при котором условия устойчивости контура регулирования скорости наихудшие.

Примем , то есть механическая характеристика асинхронною двигателя в зоне регулирования скорости принимается абсолютно мягкой. Эго допущение может быть приемлемым для синтеза параметров регулятора скорости, так как основной диапазон регулирования скорости расположен в зоне неустойчивых участков механических характеристик двигателя. Однако исследование переходных процессов необходимо производить с учетом максимального положительного значения , при котором условия устойчивости системы также наихудшие.

Разомкнутый контур скорости, настроенный на модульный оптимум, должен иметь следующую передаточную функцию:

(6.55).

где - коэффициент настройки на модульный оптимум контура скорости; - стандартный коэффициент настройки.

Передаточная функция разомкнутого контура скорости рассматриваемой системы (см. рис. 6.30) определяется следующим образом:

(6.56).

С целью упрощения решения задачи синтеза параметров регулятора скорости понизим порядок передаточной функции контура скорости. Для чего найдем суммарную малую постоянную времени , тогда выражение (6.56) преобразуется к виду.

(6.57).

Приравнивая правые части выражений (6.56) и (6.57) и решая полученное уравнение относительно передаточной функции регулятора скорости, получаем.

(6.58).

Если принять равными , то регулятор скорости будет иметь передаточную функцию.

(6.59).

Таким образом, при настройке контура скорости на модульный оптимум, регулятор скорости будет пропорционального типа с коэффициентом передачи

Оценим в первом приближении устойчивость электропривода, выполненного в соответствии со структурной схемой (см. рис. 6.30), для чего найдем передаточную функцию замкнутой системы по управляющему воздействию.

(6.60).

где - коэффициенты характеристического уравнения.

Из критерия Льенара — Шипара для характеристического уравнения третьего порядка следует, что рассматриваемая система будет устойчива при выполнении условия:

(6.61).

Система уравнений (6.61) справедлива для реальных параметров электроприводов как для положительных, так и отрицательных значений жесткости

В тех случаях, когда электропривод с П-регулятором скорости не обеспечивает заданных показателей статической погрешности механических характеристик в принятом диапазоне регулирования скорости, контур скорости следует настраивать на симметричный оптимум.

Разомкнутый контур скорости, настроенный на симметричный оптимум, должен иметь следующую передаточную функцию:

(6.62).

где - коэффициент настройки контура скорости на симметричный оптимум; - стандартный коэффициент настройки.

Передаточная функция разомкнутого контура скорости (см. рис. 6.30) с учетом суммарной малой постоянной времени определяется следующим уравнением:

(6.63).

Приравнивая правые части выражений (6.62) и (6.63) и решая полученное уравнение относительно передаточной функции регулятора скорости, получим.

(6.64).

где - коэффициент усиления регулятора скорости; - постоянная времени интегрирования регулятора скорости, с.

Г рафики переходных процессов момента и скорости электроприводов, настроенных на модульный и симметричный оптимум, определены для различных [15]. Однако для асинхронного электропривода, имеющего участок механической характеристики с положительной жесткостью , проверка переходного процесса на устойчивость представляет практический и теоретический интерес.

Для исследования системы ТРН-АД с отрицательной обратной связью по скорости «в большом» необходимо исследовать переходные режимы с учетом полной модели асинхронного двигателя.

Графики переходных процессов скорости и момента М при пуске электропривода ТРН-АД и последующем набросе нагрузки до приведены на рис. 6.31. На рис. 6.32 построены динамические механические характеристики. При больших скачкообразных задающих напряжениях ( о. е.) сигнал управления регулятором скорости велик и к двигателю прикладывается полное напряжение питающей сети, переходные процессы скорости и момента близки к процессам в разомкнутом электроприводе при его пуске прямым включением в сеть. Возникают колебательные процессы момента и скорости, которые рекомендуется уменьшить увеличением инерционности тиристорного регулятора напряжения, путем введения в цепь управления тиристорами дополнительной инерционности [16] и включением задатчика интенсивности на входе электропривода.

Рис. 6.31. Графики переходных процессов скорости о> и момента М при пуске и набросе нагрузки в электроприводе ТРН-АД.

Увеличение инерционности тиристорного регулятора напряжения достигается введением на его вход дополнительного фильтра с постоянной времени . Эти меры позволяют улучшить качество переходных процессов, снизить влияние свободных составляющих момента и обеспечить отработку управляющих сигналов с минимальными перерегулированиями момента и скорости, однако точность поддержания скорости уменьшится, так как уменьшится коэффициент усиления регулятора скорости.

Рис. 6.32. Динамическая механическая характеристика при пуске и набросе нагрузки в электроприводе ТРН-АД.

Статические механические характеристики электропривода ТРНАД с отрицательной обратной связью, но скорости возможно построить через установившиеся значения скорости и момента, полученные по результатам расчета переходных процессов. Механические характеристики электропривода ТРН-АД для задающих напряжений и приведены на рис. 6.33. Анализ механических характеристик показывает, что погрешность поддержания скорости электропривода на нижней механической характеристике с составляет %.

Рис. 6.33. Механические характеристики электропривода ТРН-АД с П-регулятором скорости.

В тех случаях, когда укатанная погрешность не удовлетворяет требованиям технологического процесса, необходимо параметры регулятора скорости выбирать по симметричному оптимуму, то есть регулятор скорости должен быть пропорционально-интегральным.

Графики переходных процессов скорости со и момента М при пуске электропривода ТРН-АД с отрицательной обратной связью по скорости и ПИ-регуляторескорости при скачкообразном изменении задающего напряжения о. е. и последующем набросе нагрузки до приведены на рис. 6.34.

Рис. 6.34. Графики переходных процессов скорости со и момента М при скачкообразном изменении задающего напряжения о. е. и набросе нагрузки.

На рис. 6.35. построены динамические механические характеристики электропривода.

Рис. 6.35. Динамические механические характеристики пуска двигателя скачкообразным изменением задающего напряжения о. е. и последующем набросе нагрузки до .

Графики переходных процессов скорости и момента М при пуске электропривода ТРН-АД с ПИ-регулятором скорости от задатчика интенсивности при задающем напряжения о. е. и последующем набросе нагрузки до приведены на рис. 6.36.

При пуске электропривода от задатчика интенсивности рассчитанные переходные процессы практически совпадают с желаемыми типовыми процессами регулируемого электропривода, колебания скорости и момента при пуске и набросе нагрузки не проявляются.

Рис. 6. 36. Графики переходных процессов скорости и момента М при пуске электропривода ТРН-АД с ПИ-регулятором скорости от задатчика интенсивности при о. е. и набросе нагрузки до .

Использование ТРИ для пуска АД позволяет снизить пусковые потери на 10−15% при условии выбора оптимального времени нарастания напряжения. Установлено [17], что рациональное время нарастания напряжения составляет с. (соответствует о. е.). Увеличение времени нарастания напряжения приводит к росту пусковых потерь энергии, которые могут превысить потери прямого пуска. Однако при однократных пусках АД этими потерями можно пренебречь, а основным критерием выбора времени нарастания напряжения следует считать отсутствие значительных колебаний электромагнитного момента двигателя на начальных участках переходных процессов. В этом случае время нарастания напряжения может быть увеличено до с.

Динамические механические характеристики, рассчитанные по результатам переходных процессов пуска электропривода с задатчиком интенсивности и моментом сопротивления о. е. и последующим набросом нагрузки до момента сопротивления о. с., приведены на рис. 6.37.

В отличие от электропривода с П-регулятором скорости переходные режимы электропривода ТРН-АД с ПИ-регулятором скорости характеризуются большим временем отработки возмущающего воздействия ( о. е.). Установившиеся значения скорости для двух различных моментов сопротивления о. е. и о. е. отмечены на рис. 6.37 треугольниками и они практически равны.

Рис. 6.37. Динамические механические характеристики при пуске электропривода ТРН-АД с ПИ-регулятором скорости от задатчика интенсивности при о. е. и набросе нагрузки до .

Механические характеристики электропривода ТРН-АД с ПИрегулятором скорости для задающих напряжений и приведены на рис. 6.38.

Статические механические характеристики электропривода ТРНАД с ПИ-регулятором скорости построены через установившиеся значения скорости и момента, полученные по результатам расчета переходных процессов.

Рис. 6.38. Механические характеристики электропривода ТРН-АД с ПИ-регулятором скорости.

Анализ механических характеристик показывает, что погрешность поддержания скорости электропривода на нижней механической характеристике с составляет %, то есть механические характеристики замкнутой системы электропривода с ПИ-регулятором скорости близки к астатическим.

Выбор типа регулятора скорости в электроприводе ТРН-АД определяется в конечном итоге требованиями технологического процесса.