/
Автор: Полович М.Г. Лозинський О.Ю. Мацко Б.М. Теряєв В.І. Місюренко В.О.
Теги: електроніка електромеханіка електропривод теорія автоматичного керування
ISBN: 966-06-0362-2
Год: 2005
Похожие
Текст
ЕЛЕМЕНТИ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ
ТА ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ
Системи управлення злектропри водами: Учеб. пособие /
А. П. Голубь, Б. И. Кузнецов, И. А. Попришко. — К.: УМК ВО,
1992. - 376 с.
Соколов М. М., Сорокин Я. К. Злектропривод с линейньїми
асинхронними двигателями. — М.: Знергия, 1974. — 136 с.
Справочник по автоматизированному злектроприводу І Под
ред. В. А. Елисеева, А. В. Шинянского. — М.: Знергоатомиз-
дат, 1983. — 616 с.
Теория автоматизированного злектропри вода: Учеб. посо-
бие для вузов / М. Г. Чиликин, В. И. Ключев, А. С. Сандлер. —
М.: Знергия, 1979. — 616 с.
Теория и практика применения аналогових и цифрових
злектромеханических многодвигательннх систем автоматиза-
ции и ЗП переменного и постоянного тока, оптимальних по
динамичности, точности и бистродействию І/ Отчет по НИР
№ 2256. Зтап 2. - К.: КПИ, 1992. - 108 с.
Теорія електропривода: Підручник / М. Г. Попович, М. Г. Бо-
рисюк, В. А. Гаврилюк та ін.; за ред. М. Г. Поповича. — К.: Ви-
ща шк., 1993. — 494 с.
Терехов В. И. Злементьі автоматизированного злектропри-
вода. — М.: Знергоатомиздат, 1987. — 224 с.
Фещенко В. ТТ, Махмутов Р. X. Токарная обработка. — М.:
Висш. шк., 1990. — 303 с.
Злектротехнический справочник. Кн. 2. Использование
злектрической знергии / Под общ. ред. И. Н. Орлова. — М.:
Знергоатомиздат, 1988. — 616 с.
КЕРУВАННЯ
ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
У техніці існує велика кількість різноманітних систем керування
електроприводами. Виникає необхідність їх доцільної класифікації.
Варіант такої класифікації, коли будь-яку систему розглядати як
таку, що сприймає та переробляє інформацію, наведено в цьому
розділі.
Залежно від кількості використовуваних каналів інформації та їх
структури є такі види систем:
• з розімкненими схемами керування;
• із замкненими схемами керування;
• комбіновані.
Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
Розімкнені електромеханічні системи (ЕМС) з різними видами
електроприводів використовують лише один канал інформації —
канал задання. У таких системах або зовсім не використовуються
зворотні зв’язки за вихідними координатами, або інформація про
реальний стан системи надходить тоді, коли вихідні координати до-
сягають певних значень. Цими координатами можуть бути струми,
момент, швидкість, напруга, шлях переміщення, а також тривалість
перехідного процесу.
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
ОСНОВНІ ГРУШ
ЮЖШШ ШСЇШ
Розімкнені системи можна поділити на дві основні групи.
Системи першої групи широко використовуються в промисло-
вості та побутовій техніці. Вони забезпечують найпростіші операції:
пуск, реверс і гальмування двигуна. Швидкість або інші координа-
ти двигуна, як правило, не регулюються, і двигун працює на при-
родній механічній характеристиці. Апаратура керування релейної
дії контактна або безконтактна.
Представниками першої групи є ЕМС з асинхронними двигуна-
ми з короткозамкненим ротором і живленням безпосередньо від
мережі.
Системи другої групи мають складнішу структуру, а саме: систе-
ми керування і живлення. Вони забезпечують режими пуску, ревер-
су, гальмування, регулювання швидкості або іншої координати зі
значними відхиленнями від заданих значень. Регулювання коорди-
нат може здійснюватися ступінчастим перемиканням резисторів,
реакторів, інших елементів у силових колах двигунів за допомогою
релейно-контакторної або безконтактної апаратури або живленням
двигунів від силових керованих перетворювачів, таких як тирис-
торні й транзисторні перетворювачі напруги (ТПН), перетворювачі
частоти (ТПЧ), широтно-імпульсні перетворювачі (ШІП).
До початку 80-х років XX ст. керування розімкненими електро-
механічними системами здійснювалося переважно за допомогою
релейно-контакторних схем. Цей спосіб дістав назву реостатного
керування. Він досить простий і за правильного вибору пускорегу-
лювальної апаратури високонадійний. Експлуатація схем не потре-
бує високої кваліфікації обслуговуючого персоналу.
Разом із тим реостатне керування має суттєві недоліки:
• незадовільні масогабаритні показники;
• м’які штучні характеристики і нестабільну швидкість при ко-
ливаннях навантаження;
• малоекономічна робота на штучних характеристиках, коефі-
цієнт корисної дії (ККД) прямопропорційний швидкості дви-
гуна на штучній характеристиці;
• за малих навантажень складність, а іноді неможливість забез-
печення заданого діапазону регулювання швидкості.
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
Виходячи з цього зрозуміло, чому застосування систем із реос-
татним керуванням значно скоротилося. Також скороченню спри-
яло введення в експлуатацію комплектних керованих тиристорних і
транзисторних перетворювачів, які мають кращі техніко-економічні
показники порівняно із системою реостатного керування.
Одночасно скоротилося і застосування електроприводів із дви-
гунами постійного струму. Фактично нині розімкнені системи з
двигунами постійного струму застосовуються в тяговому електро-
приводі і електроприводі підйомно-транспортних механізмів. Але,
оскільки в Україні і за кордоном експлуатується багато електропри-
водів, керованих релей но-контактори ими системами, а також ви-
пускаються запасні частини до них, то доцільно вивчати ці схеми,
їх побудову і методи налагодження.
Розглянемо роботу релейно-контакторних схем на прикладі ти-
пових загальнопромислових схем керування двигунами постійного
і змінного струму.
Релейно-контакторні схеми будують, виходячи з таких основних
вимог:
• забезпечення допустимої або заданої тривалості пускогаль-
мівних режимів;
• формування штучних характеристик;
• захист силового обладнання та апаратури керування (опера-
тивного кола) від струмів коротких замикань, недопустимих
довготривалих і короткочасних перенавантажень, перенапруг;
• блокування, які забезпечують певну послідовність пускогальмів-
них операцій і запобігають виникненню аварійних ситуацій;
• мінімальна кількість апаратури в силовому колі і колі керування.
Згідно з цими вимогами в режимах пуску двигунів постійного
струму (ДПС) струм якірного кола /я має змінюватися в таких межах:
/2</я<А.
Тут /2 - (1,1... 1,2)/н — струм перемикання пускових резисторів, де
/н — номінальний струм двигуна (замість /н може бути прийняте се-
реднє значення струму навантаження /сер; Д < /доп — максимальне до-
пустиме значення пускового струму або Д = /зад — задане значення
пускового струму.
У режимах противмикання і гальмування беруть або максималь-
не значення струму /тах < /доп, або задане значення струму з умов
пасу проходження перехідних режимів.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
У режимах пуску асинхронних двигунів із фазовим ротором
струм ротора /р і момент двигуна М повинні змінюватися в межах
/2</р<А; М2<М<М,.
Тут /2 = (1,1...1,2)/рн, і Л/2 = (1,1...1,2)/ИН — відповідно струм ротора і мо-
мент двигуна, при значенні яких відбувається перемикання пуско-
вих резисторів, де /рн, Мн — номінальні значення відповідно струму
ротора і моменту двигуна; Д = /доп, Му = Мдоп — максимально
допустимі значення струму ротора і моменту двигуна, де /Идоп =
= (0,85...0,9)Л/к, Мк — критичний момент двигуна.
ШПОШ ВУЗЛИ СКШ
Керування пуском, реверсом і гальмуванням двигунів постійно-
го й змінного струму здебільшого здійснюється у функції часу,
струму якоря або ротора двигуна, ЕРС двигуна, шляху переміщення
або кута повороту вала двигуна або механізму. Електрична апарату-
ра, яка реагує на вказані координати, залежно від принципу дії,
вмикається в певні кола схем керування або силової частини.
Розглянемо побудову окремих вузлів, які реалізують наведені
вище функції схем керування.
Керування пуском і динамічним
гальмуванням у функції часу
Це керування поширене в схемах із двигунами постійного і
змінного струму
При керуванні електроприводами у функції часу вибір схем
підмикання електромагнітних реле часу КТ визначається необхід-
ним вмиканням контакторів для пуску і гальмування. Сигнал на
відлік витримки часу подається контактором або іншим апаратом.
Це визначається тим, що електромагнітні реле часу створюють вит-
римки часу після зняття напруги живлення з їхніх обмоток, а за по-
дання живлення вони спрацьовують миттєво.
У спрощеній схемі керування пуском і динамічним гальмуван-
ням ДПС з незалежним збудженням (рис. 5.1, а) всі реле часу (прис-
корення) КТ1 і КТ2 ввімкнені в оперативне коло. Вони живляться
через блок-контакти лінійного контактора КМЬ і контактора прис-
корення першої пускової ступені КМ1 при вмиканні рубильника
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
ЗА2. Спрацьовують реле часу миттєво. Вони створюють витримку
часу при вимиканні КМЕ і КМ1, коли їх блок-контакти розмикають-
ся в колі котушок реле часу.
Розглянемо послідовність роботи схеми в режимах пуску і галь-
мування.
У вихідному положенні вмикають рубильники ЗА1, ЗА2, вна-
слідок чого отримують живлення обмотка збудження І.М2, реле ча-
су КТ1, КТ2, контакти яких розімкнуться в колі обмоток контак-
торів прискорення КМ1, КМ2, Для пуску двигуна натискаємо кноп-
ку ЗВ2. Вмикається лінійний контактор КМ1_, який силовими кон-
тактами подає напругу на якір двигуна через резистори /?7, /?2.
Блок-контакти КМІ. блокують кнопку ЗВ2, розмикаються в колі об-
моток реле часу КТ1 і контактора динамічного гальмування КМВ,
замикаються в колі реле часу динамічного гальмування КТ& Після
закінчення витримки часу контакти КТ1 замикаються в колі обмот-
ки контактора КМ1, який силовими контактами шунтує пусковий
резистор /?7, а його блок-контакти розривають коло живлення ко-
тушки КТ2. Після закінчення витримки часу контакти КТ2 замика-
ються і подають живлення на обмотку контактора КМ2, який сило-
вими контактами шунтує резистор /?2 Двигун виходить на природ-
ну характеристику.
Для зупинки двигуна натискають кнопку ЗВЕ Контактор КМЕ
вимикає двигун. Спрацьовує контактор КМВ, який силовими кон-
тактами підмикає резистор /?дг до якоря двигуна. При цьому струм
досягає значення /дгтах. Тривалість динамічного гальмування визна-
чається витримкою часу реле КТй і становить 4.
Пускогальмівні характеристики в координатах со(/я) і в часі со(Г),
/я(ґ) наведено на рис. 5.1, б і в. Час роботи на кожній пусковій сту-
пені і2 визначається витримкою реле прискорення ікт1, іКТ2 і ча-
сом спрацювання контакторів прискорення ікмь ікм2:
^1 — Ікп + ІКМІ1 (2 = ?КТ2 + ^КМ2‘
Є ще комбінований спосіб підімкнення реле, який полягає в то-
му, що тільки реле прискорення першої ступені перебуває в опера-
тивному колі, а решта реле часу підімкнені до пускових резисторів
і живляться спадом напруги на цих резисторах (ир.=
Принцип керування у функції часу має деякі переваги порівня-
но з іншими: він дає можливість уникнути тривалої роботи двигуна
на проміжних швидкостях, що спричинює пошкодження пускових
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
а
Рис 5.1
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
резисторів. Крім того, час пуску двигунів, керованих відповідними
системами, майже не залежить від моменту інерції та напруги жив-
лення, що важливо для механізмів, у яких час пуску і гальмування
регламентований. До переваг таких систем належить однотипність
реле часу незалежно від потужності двигуна.
Недоліком принципу керування у функції часу можна вважати
зростання пускових струмів і моментів при збільшенні моменту на-
вантаження і моменту інерції механізму порівняно з розрахункови-
ми значеннями. Це може призвести до перегрівання двигуна, пере-
вантаження механізму і вимикання схеми максимальним струмо-
вим захистом.
Керування пуском у функції струму
Це керування поширене в схемах тягового електропривода та
електропривода піднімально-транспортних машин.
Спрощені варіанти схем, які здійснюють пуск у дві ступені
(резистори /?7, /?2) у функції струму з двигуном постійного струму
послідовного збудження і асинхронним двигуном, наведені на
рис. 5.2, а, б. У цих схемах контактори прискорення першої та дру-
гої пускової ступені КМ1, КМ2 вмикаються контактами реле струму
КА1, КА2 (реле прискорення), які ввімкнуті у силовому колі двигу-
на. Реле прискорення КА1, КА2 налагоджені так, щоб вони спра-
цьовували при струмі, близькому до Д (/СпрХ4~ А), і відпускали кон-
такти, коли струм спадає до значення /2 (/відп ^= /2), як зображено на
пусковій діаграмі рис. 5.2, в. Оскільки час спрацювання реле стру-
му значно менший за час спрацювання контакторів то
контакти реле КА1, КА2 встигнуть розімкнутися раніше, ніж змо-
жуть спрацювати контактори КМ1, КМ2. Тому пуски ДПС і асин-
хронного двигуна почнуться з повністю введених пускових опорів
/?7, /?2. Зі збільшенням швидкості струм якоря або ротора змен-
шується, і коли він досягає значення /2, реле КА1 відпускає свій
якір, а його контакти замикаються і подають живлення на котушку
контактора прискорення КМ1. Силові контакти КМ1 шунтують пер-
шу пускову ступінь /?7 і котушку реле КА1. У разі збільшення
якірного струму до значення Д спрацьовує реле КА2 і не дає мож-
ливості спрацювати контактору КМ2. Коли струм зменшиться до
значення /2, контакти реле КА2 подадуть живлення на котушку КМ2
контактора, який силовими контактами шунтує пускову ступінь /?2
і котушку реле КА2.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
б
Рис. 5.2
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
Двигун виходить на природну характеристику, як це показано
на рис. 5.2, в, де /2 = /відп М, /, = /спр М.
Перевага схем, які здійснюють пуск у функції струму, полягає в
тому, що перемикання контурів прискорення відбувається при за-
даних значеннях струму і не залежить від коливань напруги мережі,
а також від змін температури. Недоліком можна вважати залежність
часу пуску від зміни навантаження й моменту інерції. При їх зрос-
танні, порівняно з розрахунковими значеннями, час пуску також
зростає, а при значному збільшенні струму навантаження, коли
/> /2, шунтування пускових опорів взагалі може не відбутися.
Керування у функції швидкості
або ЕРС двигуна
Це керування має обмежене застосування для формування ре-
жимів пуску. Що стосується динамічного гальмування та противми-
кання, то ці режими формуються в основному у функції ЕРС двигуна.
Вузол схеми, що забезпечує режим динамічного гальмування
двигуна з незалежним збудженням, наведено на рис. 5.3, а.
б
в
Рис. 5.3
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Вмикання контактора динамічного гальмування КМИ здійснює
реле динамічного гальмування КУО. Обмотка КУП підмикається до
якоря двигуна, ЕРС якого пропорційна швидкості двигуна, блок-
контактами лінійного контактора КМІ_ у момент, коли двигун вими-
кається з мережі.
Реле КУП спрацьовує і вмикає КМИ, який силовими контактами
вмикає якір двигуна на резистор динамічного гальмування /?дг. Про-
цес гальмування проілюстровано характеристиками в координатах
со(/я) і в часі со(Г) і /я(г) на рис. 5.3, б і в.
Вузол схеми для контролю за противмиканням асинхронного
двигуна з фазовим ротором наведено на рис. 5.4, а і б. У схемі ре-
жим противмикання здійснюється у функції ЕРС ротора, для чого в
коло ротора через випрямляч УО і регульований резистор /?д вми-
кається реле напруги КУП. Через контакти цього реле живиться
\кмг\кмн кмп
КУП
до КМ
б
Рис. 5.4
5Л. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
контактор КИП, призначений для введення додаткового опору /?пр в
коло ротора у режимі противмикання для обмеження струму і мо-
менту в цьому режимі. За допомогою резистора /?д реле КУП нала-
годжується так, щоб у режимах пуску, коли ковзання 5 змінюється
в межах 0 < з< 1 і ЕРС, що наводиться в роторі, буде недостатньою
для його спрацювання (£р< £рн), контактор КМП спрацює і зашун-
тує резистор противмикання /?пр. У режимах противмикання, коли
ковзання змінюється в межах 1 < з< 2, реле КУП спрацює і не дасть
можливості контактору КМП зашунтувати опір /?пр. Напруга відпус-
кання реле КУП вибирається так, щоб воно відпускало контакти,
коли ЕРС досягне значення £р = (1,05... 1,1)£рн, як то ілюструється ха-
рактеристикою в координатах со(/Ид) (рис. 5.4, в).
Схеми контролю за режимом противмикання в електроприводах
із двигунами постійного струму будуються за таким самим принци-
пом, як і схеми приводів з двигунами змінного струму.
Керування електроприводом у функції
шляху переміщення або кута повороту
Це керування здійснюється шляховими і кінцевими вимикача-
ми, які:
• забезпечують обмеження руху механізму;
• здійснюють перехід з однієї швидкості на іншу;
• здійснюють робоче або аварійне гальмування;
• забезпечують зміну напряму обертання двигуна.
Керування збудженням при втягуванні
синхронного двигуна в синхронізм
Це керування може здійснюватись у функції:
• струму статора;
• швидкості або частоти напруги ротора;
• часу.
Фрагменти схем контролю за підсинхронною швидкістю наве-
дено на рис. 5.5...5.7.
Контроль за підсинхронною швидкістю здійснює реле струму
№4, яке підімкнене через трансформатор струму ТА до статора СД
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
а
Рис. 5*5
(рис. 5.5, а). Цей спосіб контролю ґрунтується на тому, що за під-
синхронної швидкості стрибком зменшується значення пускового
струму (рис. 5.5, б). У момент кидка струму на початку асинхронно-
го пуску СД реле КА спрацьовує і розмикає свої контакти в колі об-
мотки контактора КМ, який подає напругу на обмотку збудження
СД. За підсинхронної швидкості, коли пусковий струм в обмотці ста-
тора зменшується, контакти реле КА вмикають контактор КМ, який
силовими контактами подає живлення на обмотку збудження СД, а
блок-контактами шунтує обмотку КА. Двигун втягується в синхронізм.
Схему системи контролю підсинхронної швидкості у функції
частоти напруги ротора наведено на рис. 5.6, а. Основним елемен-
том схеми є електромагнітне реле з демпферною обмоткою КУ.
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
б
Рис. 5.6
Реле через діод Уії підімкнено до розрядного опору /?р. У разі пус-
ку двигуна в обмотці збудження наводиться змінна однофазна ЕРС,
частота якої пропорційна ковзанню ротора </з6= 5).
Обмоткою КУ проходить випрямлений струм Іку. На початку
розгону двигуна, коли 3= 1, частота і амплітуда струму Іку високі, і
реле КУ вмикається і не дає можливості спрацювати контактору КМ.
У міру розгону двигуна ковзання і частота зменшуються, інтервали
між імпульсами струму збільшуються. Магнітний потік реле КУ
знижується пропорційно частоті Фду(46) (рис. 5.6, б).
Реле КУ налагоджують таким чином, що при підсинхронній
швидкості, коли частота в обмотці збудження становить 2...2,5 Гц,
якір КУ відпадає і контакти КУ вмикають контактор КМ, який подає
напругу на обмотку збудження.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Контроль за підсинхронною швидкістю у функції часу викорис-
товується в схемах СД з постійним навантаженням, або в разі пус-
ку СД на холостому ході, коли наперед відомий час досягнення
підсинхронної швидкості.
Фрагмент схеми, що реалізує контроль у функції часу, наведено
на рис. 5.7, а. Час пуску ґп до підсинхронної швидкості визначає
електромагнітне реле К1\ яке починає відлік часу після початку
асинхронного пуску.
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
_________ _ _ ___________________ _ > ______ __
Розглянемо типові схеми панелей керування пускогальмівними
режимами двигунів постійного струму (ДПС). Схеми представлені у
спрощеному вигляді. У більшості типових схем керування режима-
ми пуску здійснюється у функції часу і струму якірного кола. Керу-
вання режимами динамічного гальмування здійснюється у функції
ЕРС двигуна, часу, а також шляху переміщення (кута повороту). Режим
противмикання контролюється сигналом, пропорційним ЕРС двигуна.
Схема керування пуском ДПС
у функції часу і динамічним
гальмуванням у функції ЕРС двигуна
Електрична схема керування ДПС з незалежним збудженням
(рис. 5.8, а) забезпечує пуск двигуна у два ступеня з обмеженням
струму резисторами /?7, /?2, динамічне гальмування з обмеженням
струму резистором /?дг, накладання механічного гальма в режимі зу-
пинки двигуна і аварійному зниженні напруги живлення. Для за-
хисту обмотки незалежного збудження І.М2 від перенапруги пара-
лельно цій обмотці підмикається розрядний резистор /?р. Діод Уй
запобігає проходженню струму крізь резистор /?р1 у робочих режимах.
У схемі застосовано комбінований спосіб підмикання обмоток
реле часу (прискорення). Обмотка КТ1 живиться від напруги опера-
тивного кола, а обмотка КТ2 — спадом напруги на пусковому ре-
зисторі /?7.
Схема працює так. У вихідному положенні вмикають рубильни-
ки ЗА1, ЗА2, після чого одержують живлення обмотки двигуна 1_М2
і реле часу КГ7, а також спрацьовує реле обриву поля двигуна КА.
Контакти реле КА замикаються в колі живлення обмотки лінійного
контактора КМЕ, а контакти реле КТ1 розмикаються в колі контак-
тора прискорення КМ1.
Пуск двигуна здійснюється натисканням кнопки ЗВ2. При цьо-
му одержує живлення контактор КМЦ який силовими контактами
подає напругу на якір двигуна через пускові резистори Р1 і Р2. Од-
ночасно блок-контакти КМІ_ блокують кнопку ЗВ2, розмикаються в
і
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
б
Рис. 5.8
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
колі котушки реле часу КТ1 і реле контролю ЕРС двигуна КУй і за-
микаються в колі котушки контактора вмикання гальмівного соле-
ноїда КМУ. В результаті одержує живлення котушка гальмівного со-
леноїда УВ і знімаються механічні гальма.
Від спаду напруги на резисторі /?/ у момент проходження пус-
кового струму реле часу КТ2 спрацьовує і розмикає свої контакти в
колі обмотки контактора прискорення КМ2, Після закінчення вит-
римки часу контакти КТ1 замикаються в колі живлення котушки
контактора КМ1, який силовими контактами шунтує резистор 81
першої пускової ступені і котушку реле часу КТ2. По закінченні
витримки часу контакти КТ2 замикаються в колі живлення котуш-
ки контактора КМ2, який силовими контакторами шунтує резистор
82 другої пускової ступені. Двигун виходить на природну характе-
ристику.
Пускові характеристики режиму динамічного гальмування в часі
со(ґ) і /Я(Г) зображені на рис. 5.8, б.
Для зупинення двигуна з використанням динамічного гальму-
вання натискається кнопка ЗВ1 «Стоп». При цьому припиняється
живлення котушки контактора КМЬ Його силові контакти відмика-
ють двигун від мережі, а блок-контакти підмикають котушку реле
динамічного гальмування КУВ до якоря двигуна, ЕРС якого про-
порційна швидкості обертання.
Реле КУй спрацьовує і вмикає контактор КМй, який силовими
контактами замикає коло якоря двигуна на опір динамічного галь-
мування /?дг, а блок-контактами подає живлення на котушку кон-
тактора КМУ, У результаті двигун переходить в режим динамічного
гальмування без дії механічного гальмування. Реле КУО утримує
свої контакти замкненими доти, доки ЕРС двигуна не буде меншою
за напругу відпускання реле.
По закінченні динамічного гальмування, коли вимикається ре-
ле КУО і контактор КМй, схема повертається у вихідне положення і
накладається механічне гальмо, бо котушка соленоїда УВ втрачає
живлення.
Схема забезпечує максимальний струмовий захист миттєвої дії
за допомогою реле максимального струму РА, захист від втрати збу-
дження — реле обриву поля КА. Захист від перевантажень і корот-
ких замикань оперативного кола здійснюється запобіжниками /7/.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Схема керування пуском ДПС
у функції часу з противмиканням
і динамічним гальмуванням
у функції ЕРС двигуна
Електрична схема керування ДПС є універсальною і дає змогу
керувати пускогальмівними режимами ДПС як з незалежним, так і
з послідовним збудженням. Схема керування двигуном із незалеж-
ним збудженням з протикомпаундною обмоткою 1_МЗ (рис. 5.9, а)
забезпечує:
• пуск двигуна у дві ступені у функції часу;
• противмикання у функції ЕРС;
• динамічне гальмування у функції ЕРС;
• роботу двигуна на штучних характеристиках.
Обмеження струму в пускових режимах здійснюється резистора-
ми першої /?/ і другої /?2 ступеней, у режимах противмикання і
динамічного гальмування — відповідно резисторами /?пр і /?дг.
У разі застосування схеми для керування ДПС з послідовним
збудженням (обмотка !_М2 відсутня) вона дає змогу здійснювати всі
режими, крім режиму динамічного гальмування.
Схема керування пуском ДПС призначена для керування приво-
дами механізмів як із реактивним, так і з активним навантаженням.
Керування здійснюється за допомогою універсального переми-
кача ЗВ (може бути командоконтролер), який має сім положень:
три «вперед» (Г), три «назад» (/?), одне нульове (0) — і відповідно
шість контактних груп.
У схемі реле прискорення КТ1 і КТ2 підімкнені до резисторів
противмикання /?пр і прискорення Р1 і спрацьовують в момент про-
ходження пускових струмів цими опорами.
Щоб підготувати схему до пуску двигуна, перемикач ЗВ слід
поставити в нульове положення, ввімкнути рубильники ЗА1 і ЗА2.
При цьому живлення одержує обмотка збудження 1_М2, реле обри-
ву поля двигуна (реле мінімального струму збудження) КА і реле
нульового захисту АУ, яке шунтує своїми замикальними контакта-
ми першу контактну групу 31 перемикача ЗВ.
Для пуску двигуна «вперед» універсальний перемикач ЗВ став-
лять у третє положення Р. При цьому замикаються контактні групи
32. 33. 35. 36. Потім спрацьовують лінійний контактор КМІ_ і
контактор для напряму «вперед» КМР. на якір двигуна подається
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
14 5-70
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
напруга для напряму «вперед». Від спаду напруги на опорах /?пр і
при проходженні пускового струму спрацьовують реле часу (прис-
корення) КТ1 і КТ2, які миттєво розмикають свої контакти в колі
котушок контакторів прискорення КМ1 і КМ2. Блок-контакти КМР
подають напругу на котушку реле противмикання для напряму
«вперед» КУР, яке своїми контактами вмикає контактор противми-
кання КМ. Силові контакти КМ шунтують резистор /?п і котушку
реле КТ1.
Після закінчення витримки часу контакти КТ1 замикаються в
колі котушки контактора прискорення КМ1, який силовими кон-
тактами шунтує резистор /?7 і котушку КТ2. По закінченні витрим-
ки часу контакти КТ2 замикаються в колі контактора КМ2, який
шунтує пусковий резистор /?2. Двигун виходить на природну харак-
теристику.
Пускові характеристики со(/я) зображено на рис. 5.9, б. Перший
кидок пускового струму /;(/{< !у) діє короткочасно і визначається ча-
сом вмикання КМ.
Для реверсування двигуна слід перевести універсальний пере-
микач ЗВ у третє положення /?. При цьому замикається контактна
група 34, а розмикається група 33 перемикача ЗВ. Припиняється
Рис. 5.9
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
живлення контактора КМР‘\ спрацьовує контактор для напряму «на-
зад» КМР. Також припиняється живлення контакторів КМ, КМ1,
КМ2. На якір двигуна подається напруга для напряму «назад», яка
збігається за знаком з ЕРС двигуна.
Від спаду напруги на опорах /?пр і /?, при проходженні пусково-
го струму спрацьовують реле часу КТ1 і КТ2. Під час противмикан-
ня струм істотно збільшується, а напруга на опорі /?пр спадає. В ре-
зультаті значення напруги на котушці реле противмикання для нап-
ряму «назад» КУР є недостатнім для його спрацювання. Двигун
гальмується, і зі зменшенням швидкості зменшується ЕРС двигуна.
Коли швидкість двигуна наближується до нуля, реле КУР спрацьо-
вує і подає живлення на котушку контактора противмикання КМ.
Далі процес відбувається так само, як при пуску.
Для зупинення двигуна з використанням динамічного гальму-
вання універсальний перемикач 38 переводиться в нульове поло-
ження. При цьому розмикаються всі контактори КМЬ, КМР, КМ1,
КМ2 \ реле КТ1, КТ2. Блок-контакти КМ!_ підмикають котушку реле
КУО до якоря двигуна, ЕРС якого пропорційна швидкості обертан-
ня. Реле контролю ЕРС двигуна КУВ спрацьовує і вмикає контактор
динамічного гальмування КМй, який силовими контактами замикає
якір на опір динамічного гальмування /?дг. Двигун переходить у ре-
жим динамічного гальмування. Реле КУО утримує свої контакти
замкненими доти, доки ЕРС двигуна не стане меншою за напругу
відпускання реле.
По закінченні динамічного гальмування вимикаються реле КУй
і контактор КМй, і схема повертається у вихідне положення.
У схемі передбачена робота двигуна на проміжних штучних ха-
рактеристиках. Для цього універсальний перемикач ЗВ переводять
у перше, друге або третє положення для режиму «вперед» Лабо «на-
зад» Р.
Схема забезпечує максимальний струмовий захист миттєвої дії
за допомогою струмового реле РА. Захист від втрати або зменшен-
ня нижче допустимого значення струму збудження забезпечує реле
обриву поля КА, захист від самозапуску і недопустимого зниження
напруги живлення — реле нульового захисту КУ, захист від пере-
напруги обмотки незалежного збудження — розрядний резистор /?р;
захист від перенавантаження і коротких замикань оперативного ко-
ла — запобіжники Ри.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Схема керування пуском ДПС
з послідовним збудженням у функції струму
і динамічним гальмуванням
у функції ЕРС двигуна
Електрична схема керування ДПС (рис. 5.10, а) забезпечує:
• пуск двигуна у дві ступені у функції струму якірного кола;
• динамічне гальмування у функції ЕРС;
• роботу двигуна на штучних характеристиках;
• послаблення поля двигуна;
• накладання механічних гальмів при зупинці двигуна.
Обмеження струму в пускових режимах здійснюється резистора-
ми /? 1 і /?2, у режимах гальмування — резистором /?дг.
Призначення контакторів КМЦ КМ1, КМ2, КМО, КМУ таке саме,
як і в розглянутих вище схемах.
Схема працює так. Контактор КМЗ вмикає резистор /?шз, який
шунтує обмотку !_М2 в режимі послаблення поля. Реле струму КА1,
КА2 визначають момент перемикання пускових резисторів контак-
торами прискорення КМ1, КМ2. Вони налагоджені таким чином, що
спрацьовують при струмі, близькому до максимально допустимого
значення /І3 і відпускають свої контакти при струмі перемикання /2.
Реле часу КТ визначає момент вмикання контактора КМЗ, У режимі
динамічного гальмування завдяки перекомутації схеми двигун по-
слідовного збудження переходить у стан незалежного збудження.
Якір двигуна вимикається з мережі і шунтується резистором /?д г,
а обмотка послідовного збудження одержує живлення через додат-
ковий резистор /?д ш і пускові резистори /?7, /?2, які обмежують струм
номінальним значенням.
Контроль за ЕРС двигуна в режимі динамічного гальмування
здійснює реле напруги КУО, яке підмикається до якоря двигуна
блок-контактами КМ!_.
Керування двигуном здійснюється за допомогою універсально-
го перемикача 35, який має п’ять положень: нульове «0» і чотири
пускових. Для підготовки схеми до пуску двигуна перемикач 8В
встановлюють у положення «0», вмикають рубильники 34 7, 342.
Спрацьовує реле нульового захисту КУ, яке шунтує контактну гру-
пу 37. Двигун із виходом на природну характеристику запускається
перемиканням 35 у третє положення. Контактні групи 32, 33, 54
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
га
ги
б
Рис. 5.10
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
замикаються, спрацьовує контактор КМІ_ і на якір двигуна подаєть-
ся напруга. Одночасно блок-контакти КМЬ вмикають контактор
КМУ, силові контакти якого подають живлення на соленоїд УВ.
Знімаються механічні гальма, спрацьовує реле КТ.
Від кидка пускового струму /, спрацьовує реле прискорення
КА1, яке розмикає свої контакти в колі обмотки контактора КМ1,
Швидкість і ЕРС двигуна зростають, струм спадає, і коли його зна-
чення досягає значення /2, реле КА1 вимикається, а його контакти
подають живлення на обмотку контактора КМ1. Силові контакти
КМ1 шунтують резистор /?7 першої пускової ступені. Від другого
стрибка струму спрацьовує реле КА2, що розмикає свої контакти в
колі обмотки контактора КМ2. Далі операції пуску повторюються.
Для роботи двигуна на штучній характеристиці з послабленим
полем перемикач встановлюють у положення «4». Замикається кон-
тактна група 55. Після того як спрацює контактор /0И2реле часу КТ
втрачає живлення і по закінченні витримки часу замикає свої кон-
такти в колі живлення котушки контактора КМЗ. Силові контакти
КМЗ підмикають резистор /?шз паралельно обмотці збудження !_М2.
Двигун переходить на штучну характеристику з послабленим полем
(рис. 5.10, б).
Для зупинки двигуна з використанням динамічного гальмуван-
ня перемикач 5Б переводять у положення «0». При цьому припи-
няється живлення всіх пускових контакторів КМЦ КМ1, КМ2, КМЗ,
Двигун вимикається з мережі. Блок-контакти КМІ. підмикають ко-
тушку реле КУй до якоря двигуна, яке своїми контактами вмикає
контактор динамічного гальмування КМВ. Одна пара силових кон-
тактів КМй підмикає якір двигуна до гальмівного резистора /?дг,
інша забезпечує живлення обмотки збудження ТМ2. Двигун перехо-
дить у режим динамічного гальмування з незалежним живленням
обмотки збудження. Однойменні блок-контакти КМй утримують кон-
тактор КМУ в робочому стані, і механічні гальма не накладаються.
Динамічне гальмування триватиме доти, доки ЕРС двигуна не
стане меншою від напруги відпускання реле Після цього нак-
ладаються механічні гальма, оскільки соленоїд УВ втрачає живлення.
Схема забезпечує максимальний струмовий захист миттєвої дії,
що здійснюється струмовим реле ТА, Захист від самозапуску і недо-
пустимого зниження напруги живлення здійснює реле нульового
захисту XV; захист від перенапруги обмотки гальмівного соленоїда —
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
розрядний резистор /?р; захист від перевантаження оперативного
кола — запобіжники еЬ.
ТИПОВІ СХЕМИ КЕРУВАННЯ
ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
З АСИНХРОННИМИ ДВИГУНАМИ
Схеми релейно-контакторного керування асинхронними двигу-
нами (АД) будують за тими самими принципами, що і схеми керу-
вання двигунами постійного струму.
Основна особливість схем релейно-контакторного керування
асинхронними двигунами з короткозамкненим ротором — це міні-
мальна кількість пускової апаратури і їхня простота. Короткозамк-
нені двигуни малої і середньої потужності, як правило, запускають-
ся прямим вмиканням у мережу без обмеження пускових струмів.
Якщо технічними умовами електричне гальмування не передбаче-
но, то керування пусковими процесами здійснюється за допомогою
магнітних пускачів, які одночасно забезпечують основні види за-
хисту. У разі складніших вимог для керування пускогальмівними
режимами асинхронних двигунів з фазовим ротором використову-
ються типові панелі і пульти керування. Схеми керування асин-
хронними двигунами з фазовим ротором мають передбачати обме-
ження струмів у режимах пуску, реверсу і гальмування за допомо-
гою додаткових резисторів у колі ротора.
Керування пуску асинхронних двигунів із фазовим ротором, як
правило, здійснюється у функції часу і струму ротора, режим дина-
мічного гальмування — у функції часу, а режим противмикання —
у функції ЕРС ротора.
Схеми керування асинхронними
двигунами з короткозамкненим ротором
із використанням магнітних пускачів
Принципові схеми керування асинхронними двигунами за до-
помогою магнітних пускачів наведені на рис. 5.11, 5.12.
Схема рис. 5.11, а забезпечує тільки режим пуску. Вона містить
магнітний пускач, реалізований на контакторі КМЦ і два вмон-
товані в нього теплових реле ЕР. Схема дозволяє прямий пуск АД,
відмикання його від мережі, а також захист від коротких замикань
(запобіжниками ЕЦ) і перевантаження (тепловими реле ЕР).
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.11
О
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
Для пуску двигуна натискається кнопка ЗВ2. При цьому одер-
жує живлення лінійний контактор КМЦ який силовими контактами
підмикає статор до джерела живлення, а блок-контактами шунтує
кнопку ЗВ2, Двигун розганяється на природній характеристиці
(рис. 5.11, б).
Схема може бути доукомплектована: електромеханічними галь-
мами і захистом від неповнофазного режиму. У першому випадку в
схему вмикають соленоїд УВ механічних гальмів; у другому — може
бути використаний або трансформатор нульового струму 7340 з ви-
ходом на реле КА§, або реле нульової напруги КИ) для схем ід ро-
бочим нульовим виводом.
Двигуни, що використовуються для механізмів, які працюють з
істотними перенавантаженнями і частими пусками, комплектують-
ся температурним захистом, вбудованим безпосередньо в лобових
частинах обмотки статора. Для цього використовують напівпро-
відникові датчики температури — терморезистори (по одному в
кожну фазу), з’єднані послідовно. Схему керування, що працює в
комплекті з пристроєм температурного захисту ВТЗ, який отримує
сигнал від названих датчиків, підсилює його і подає на вимикання
двигуна за допомогою вихідного реле ЕР за перевищення темпера-
тури статора над допустимим значенням, наведено на рис. 5.11, в.
Схема рис. 5.12, а забезпечує режими пуску і реверсування
швидкості двигуна. Основним елементом схеми є реверсний маг-
нітний пускач, який містить два лінійні контактори КМЕ і КМР, а
також реле теплового захисту ЕР,
Схема дозволяє прямий пуск і реверс АД, а також гальмування
двигуна, що здійснюється накладанням механічних гальм, коли
двигун вимикається з мережі. У схемі передбачено захист від пере-
вантажень і коротких замикань.
Захист від перевантаження здійснює теплове реле ЕР, захист від
короткого замикання в колі статора — автоматичний вимикач ОЕ,
в оперативному колі — запобіжники ЕІ/, Нульовий захист від втра-
ти напруги живлення або зниження напруги нижче допустимого
рівня здійснюють контактори КМЕ Ї КМР, захист від неповнофазного
режиму — реле нульової напруги /ГИ).
Один із можливих варіантів вмикання контакторів КМЕ і КМР
зображено на рис. 5.12, а. Щоб запобігти одночасному вмиканню
контакторів, у схемі застосовано дволанцюгові кнопки керування ЗВЕ
і ЗВР, а також взаємоблокування блок-контактами цих контакторів.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.12
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
Може також використовуватися механічне блокування контакторів
від одночасного вмикання за допомогою важіля.
Пускогальмівні характеристики електропривода в координатах
со(/И) зображені на рис. 5.12, б.
Слід зазначити, що режими пуску й особливо реверсу коротко-
замкнених двигунів супроводжуються значними електричними,
тепловими і механічними перевантаженнями мережі, двигуна і ме-
ханізму. Для мережі — це істотні осідання напруги, які спричиня-
ються стрибками пускового струму; для двигуна — теплові й ме-
ханічні перевантаження.
Для зменшення перевантажень режим реверсу доцільно здій-
снювати у два етапи: спочатку загальмувати двигун, а потім запус-
тити його в іншому напрямі.
Схема керування пуском асинхронного
двигуна з короткозамкненим ротором
і динамічним гальмуванням
у функції часу
Схема електропривода (рис. 5.13) забезпечує режими прямого
пуску і динамічного гальмування у функції часу. Вона складається
з лінійного контактора КМІ і контактора динамічного гальмування
КМО. Оскільки оперативне коло живиться змінним струмом, то як
джерело постійного струму для живлення статора двигуна в режимі
динамічного гальмування і живлення електромагнітного реле часу
в схемі використовується випрямляч УО. Інтенсивність ди-
намічного гальмування регулюється резистором /?д г, за допомогою
якого встановлюється необхідне значення струму в статорі.
Пуск двигуна здійснюється натисканням кнопки ЗВ2, після чо-
го одержує живлення лінійний контактор КМІ, який силовими кон-
тактами подає напругу на статор двигуна, блок-контактами подає
живлення на обмотку реле часу динамічного гальмування і блокує
кнопку ЗВ2. Контакти реле КТО замикаються в колі обмотки кон-
тактора КМО, але контактор не спрацьовує, оскільки блок-контак-
ти контактора КМІ розмикають коло живлення КМй.
Для зупинення двигуна натискається кнопка ЗВ1. При цьому
контактор КМІ втрачає живлення і вимикає статор від мережі. Од-
ночасно блок-контакти КМІ замикаються в колі обмотки КМО Ї роз-
микаються в колі реле КТй. Контактор КМй подає постійний струм
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
о
В
від випрямляча УО на дві фази статора двигуна. Двигун переходить
у режим динамічного гальмування.
Після закінчення витримки часу реле КТО і його контакти роз-
ривають коло живлення контактора КМО. Схема повертається у
вихідне положення.
У схемі керування від коротких замикань двигун захищає авто-
матичний вимикач ОР, від перевантажень — теплове реле РР; від
обриву фази і неповнофазного режиму — реле нульової напруги
КУІЇ, яке вмикається між нулем обмотки статора і нульовою шиною
мережі; оперативне коло і коло динамічного гальмування захищає
запобіжник Ри.
Через неможливість одночасного вмикання статора до джерела
змінного і постійного струму в схемі використовується взаємне бло-
кування за допомогою блок-контактів контакторів КМІ_ і КМВ.
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
Схема керування пуском, противмиканням
і динамічним гальмуванням
асинхронного двигуна
з короткозамкненим ротором
Для двигунів, які працюють у повторно-короткочасних режимах
із великою частотою вмикань, використовують пускогальмівну апа-
ратуру на постійному струмі. Це забезпечує надійнішу й довготри-
валішу роботу приводу порівняно зі схемами з апаратурою на змін-
ному струмі. Варіант схеми з пусковою апаратурою на постійному
струмі наведено на рис, 5.14, а.
Джерелом постійного струму в схемі е випрямляч У£), який жи-
вить оперативне коло і коло динамічного гальмування. Випрямляч
УО одержує живлення від узгоджувального трансформатора ТУ, вто-
ринна напруга якого визначається напругою апаратури керування.
Оскільки контактори постійного струму випускаються з одною па-
рою силових контактів, то для забезпечення пуску, реверсу і галь-
мування застосовуються лінійний контактор КМЕ, контактор для
напряму «вперед» КМЕ, контактор для напряму «назад» КМР. Для
вмикання двигуна в мережу обов’язково мають бути ввімкненими
дві пари контакторів КМЕ, КМЕ або КМЕ, КМР. Контактор КМО по-
дає постійний струм на дві фази обмотки статора в режимі ди-
намічного гальмування. Керування пускогальмівними режимами
здійснюється за допомогою універсального перемикача, який має
три положення: нульове («0»), вперед («/»>), назад («Я») — і три кон-
тактні групи.
У вихідному положенні універсальний перемикач ^встановлю-
ють у нульове положення. Вмикають автомати ОЕ1, ОЕ2 і рубиль-
ник ЗИ. Блок-контакти ОЕ2 підготовляють до вмикання живлення
реле КУ. Одержує живлення реле часу КТ, яке своїми контактами
вмикає реле нульового захисту КУ. Контакти КУ шунтують контакт-
ну групу 31 (точки 1 і 2).
Для пуску двигуна для напряму «вперед» універсальний переми-
кач ставлять у положення Е. Замикається контактна група 32 (точ-
ки 3 і 4), спрацьовують КМЕ і КМЕ. На статор двигуна подається
напруга з чергуванням фаз для напряму «вперед». Від кидка пуско-
вого струму спрацьовує реле максимального струму ЕА1, ЕА2, але
реле КУ перебуватиме в спрацьованому стані на час пуску завдяки
утриманню замкненими контактів реле часу КТ. Одночасно блок-
контакти КМЕ вмикають реле часу динамічного гальмування КТО,
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
б
Рис. 5.14
5Л. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
яке підготовляє коло живлення контактора динамічного гальмуван-
ня КМО.
Схема реалізує режим противмикання після попередньої зупин-
ки двигуна. Це здійснюється завдяки блокуванню кола живлення
обмоток пускових контакторів КМЦ КМЕ, КМР блок-контактами
КМй. Коли перемикач 55 переводять з положення «Е» у положення
«Л», втрачають живлення контактори КМЕ, КМЕ, які силовими кон-
тактами вимикають двигун з мережі, а блок-контактами вмикають
контактор динамічного гальмування КМй. Силові контакти КМО
подають постійний струм на статор двигуна, а блок-контакти вими-
кають коло живлення обмоток пускових контакторів до закінчення
витримки часу реле КТй, живлення якого переривається блок-кон-
тактами КМЕ. Після завершення динамічного гальмування, коли
контактор КМО вимикається, створюється коло для живлення обмо-
ток контактора КМЕ і КМР. Статор двигуна одержує живлення для
роботи в напрямі «назад».
Щоб зупинити двигун динамічним гальмуванням, перемикач ЗВ
переводять у положення «0».
У схемі забезпечено захист від коротких замикань, неповнофаз-
них режимів, самозапусків, пониження напруги нижче допустимо-
го значення. Так, захист від коротких замикань силового та опера-
тивного кіл здійснюють автоматичні вимикачі ОЕ1, 0Е2 і за-
побіжники Щ захист від тривалих перевантажень забезпечується з
витримкою часу і реалізований на струмових реле ЕА1, ЕА2 і реле
часу КТ. Струм спрацювання цих реле налагоджується на величину
^РА\,РА2 ” ( 1 »05... 1,1)/с н.
Витримка часу гкт залежить від часу пуску двигуна. Тепловий за-
хист ЕР певною мірою дублює максимально струмовий захист. Ці
два захисти здійснюють контроль за повнофазністю роботи схеми.
Нульовий захист забезпечує реле КУ.
Пускову діаграму наведено на рис. 5.14, б.
Схема керування пуском і динамічним
гальмуванням асинхронного двигуна
із фазним ротором у функції часу
Електрична схема керування АД (рис. 5.15, а) забезпечує пуск
двигуна у дві ступені і динамічне гальмування. Пускогальмівні ре-
жими формуються у функції часу. Обмеження струму двигуна в
431
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.15
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
пускових режимах здійснюють резистори /?/, /?2, які шунтуються
контакторами прискорення КМ1, КМ2. Задане значення постійного
струму, який подається на дві фази статора в режимі динамічного
гальмування, визначається відповідним вибором напруги вторинної
обмотки трансформатора ТУ,
Оскільки оперативне коло живиться змінним струмом, то для
живлення реле часу КТ1, КТ2 і динамічного гальмування /(ТО у
схемі передбачений випрямляч, реалізований на діодах УО7 і УО2.
Живлення постійним струмом кола динамічного гальмування здій-
снюється через трансформатор ТУ і діодний міст УОЗ.
На відміну від попередніх схем у цій схемі використовується
електронна система захисту ЗЕД (захист електричного двигуна). Ця
система, залежно від вимог, може виконувати різноманітні захисні
функції (наприклад, захист від перевантажень, коротких замикань,
обриву фази і неповнофазного режиму), визначати стан ізоляції
системи живлення безпосередньо двигуна тощо. Блок захисту одер-
жує живлення від загальної мережі, а контроль за станом системи
здійснює за допомогою трансформаторів струму ГД7, 7Д2, ТАЗ, які
вимірюють струм статора. Захист діє на систему керування за допо-
могою реле КУР, контакти якого перебувають у колі живлення ре-
ле нульового захисту КУ. Візуальний контроль за станом здійсню-
ється за допомогою сигнальних ламп /У£7, НЬ2.
Керування пускогальмівними режимами і роботою двигуна на
штучних характеристиках здійснюється за допомогою універсально-
го перемикача ЗВ, який має чотири положення: нульове «0» і три
пускові. У вихідному положенні перемикач ЗВ встановлюють у по-
ложення «0», вмикають вимикачі ОГ7, ОЕ2, ОРЗ. При цьому спрацьо-
вують реле нульового захисту КУ і реле прискорення КТ1, КТ2,
Контакти КУ шунтують контактну групу К1, а контакти КТ1 і КТ2
розмикаються в колі обмоток контакторів КМ1 і КМ2.
Для пуску двигуна з виходом на природну характеристику по-
трібно перевести перемикач ЗВ у положення «З». В результаті через
контактну групу К2 одержує живлення лінійний контактор КМЬ,
який силовими контактами вмикає статор двигуна в мережу. Блок-
контакти КМІ. замикаються в колі котушки реле часу динамічного
гальмування /(ТО Реле КТО замикає контакти в колі котушки кон-
тактора КМО, а реле прискорення КТ1 починає відлік часу. Двигун
розганяється на штучній характеристиці з резисторами Р1, Р2в колі
ротора. По закінченні витримки часу реле КТ1 своїми контактами
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
вмикає контактор КМ1, який силовими контактами шунтує силовий
резистор /?7, а блок-контактами розриває коло живлення котушки
реле прискорення КТ2. Двигун розганяється на штучній характерис-
тиці з резистором /?2 в колі ротора. По закінченні витримки часу
реле КТ2 своїми контактами вмикає контактор КМ2, який силовими
контактами шунтує пусковий резистор /?2. Двигун виходить на при-
родну характеристику. Пускову діаграму наведено на рис. 5.15, б.
Для зупинення двигуна динамічним гальмуванням слід перевес-
ти перемикач ЗВ у положення «0». При цьому розмикаються кон-
такти К1, К2, /С? перемикача 5В; втрачають живлення пускові кон-
тактори КМЦ КМ1, КМ2. Двигун вимикається з мережі. Блок-кон-
такти КМІ. вмикають контактор КМО\\& час витримки часу КТй. Си-
лові контакти подають постійний струм на статор двигуна, а блок-
контакти КМй блокують пускові контактори на час гальмування
двигуна.
У схемі передбачено також захист кола динамічного гальмуван-
ня від перевантажень і коротких замикань, що здійснює реле мак-
симального струму ЕА,
Схема керування пуском, противмиканням
і динамічним гальмуванням асинхронного
двигуна з фазним ротором
у функції часу
X
Електрична схема керування АД з фазним ротором (рис. 5.16, а)
забезпечує:
• пуск у дві ступені у функції часу;
• противмикання у функції ЕРС ротора;
• динамічне гальмування у функції часу;
• роботу на штучних характеристиках.
Обмеження струму в пускових режимах здійснюється резистора-
ми /?7, /?2; у режимах противмикання — резистором /?пр; у режимах
динамічного гальмування — резистором /?дг.
Живлення оперативного кола і кола динамічного гальмування
постійним струмом здійснюється від випрямляча Уй1 через узгод-
жувальний трансформатор ТУ. Живлення реле противмикання КУ2,
яке контролює ЕРС ротора, постійним струмом забезпечує випрям-
ляч УО2, підімкнений до двох фаз ротора двигуна.
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
0Е2
б
Рис. 5.16
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Керування роботою двигуна здійснюється за допомогою універ-
сального перемикача ЗВ, який має сім положень: одне нульове «0»,
три «вперед» («£»), три «назад» («Я»).
Схема працює так. Підготовка до роботи здійснюється вмикан-
ням автоматичних вимикачів О£7, 0Г2 і рубильника 54; перемикач
встановлюється в нульове положення. При цьому одержує живлен-
ня реле нульового захисту КУ1, яке своїми контактами шунтує першу
контактну групу 81 премикача ЗВ. Спрацьовують реле часу (прис-
корення) КТ1, КТ2, розмикаючи свої контакти в колі живлення кон-
такторів прискорення КМ1, КМ2.
Для пуску двигуна в напрямі «вперед» з виходом на природну
характеристику перемикач 5В переводять у третє положення («£»).
Замикаються контактні групи 32, 33, 35, 85; розмикається контакт-
на група 57. Спрацьовують контактори КМІ_, КМП, і двигун запус-
кається в напрямі «вперед». Блок-контакти контактора КМі розми-
каються в колі обмотки контактора динамічного гальмування КМй.
Спрацьовує реле часу динамічного гальмування КТІУ, через блок-
контакти контактора противмикання КМП і контактора прискорен-
ня КМ1 одержують живлення реле КТ1, КТ2. По закінченні витрим-
ки часу контакти КТ1 замикаються в колі котушки контактора КМ1,
який силовими контактами шунтує пусковий резистор /?7, а блок-
контактами розмикає коло живлення реле КТ2. По закінченні вит-
римки часу реле КТ2 замикає свої контакти в колі контактора КМ2,
який шунтує пусковий резистор /?2 Двигун виходить на природну
характер и ст и ку.
Для реверсування двигуна перемикач ЗВ переводять у третє по-
ложення («Я»). В результаті замикається контактна група 34 і роз-
микається група 33 універсального перемикача ЗВ. Чергування фаз
обмотки статора змінюється для напряму обертання «назад». Втра-
чають живлення контактори КМП, КМ1, КМ2. Оскільки ЕРС ротора в
режимі противмикання збільшує своє значення порівняно з номі-
нальним (£рп> £р.н), то реле КУ2 спрацьовує і розмикає свої контак-
ти в колі обмотки контактора КМП. Реверс двигуна відбувається за
наявності резисторів 81, 82 і /?пр у колі ротора двигуна, які обмежу-
ють струм допустимими значеннями. Спрацьовують реле часу КТ1,
КТ2, розмикаючи свої контакти в колі обмоток контактора КМ1,
КМ2. Двигун гальмується, зменшується його ЕРС. Коли ЕРС ротора
зменшиться до значення контакти реле КУ2 замкнуться
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
в колі обмотки контактора КМП. Силові контакти КМП шунтують
резистор /?пр. Далі процес відбувається аналогічно пуску.
Режим динамічного гальмування здійснюється перемиканням
ЗВ у нульове положення. При цьому втрачають живлення контак-
тори КМЬ, КМП, КМП, КМ1, КМ2. Статор двигуна вимикається з ме-
режі, а в ротор вмикаються пускові резистори 7? 7, Р2, /?пр. Блок-кон-
такти КМЬ вмикаються в колі живлення котушки контактора КМО,
а інші блок-контакти розмикаються в колі реле часу КТП. На період
витримки часу реле АТО контактор КМВ вмикається і подає
постійний струм на дві фази статора. Двигун переходить у режим
динамічного гальмування. Після закінчення витримки реле часу
КТВ розмикає коло живлення контактора КМй. Схема повертається
у вихідне положення.
Схемою передбачена робота двигуна на проміжних штучних ха-
рактеристиках. Для цього універсальний перемикач ЗВ переводять
у перше, друге або третє положення для режиму «вперед» («Т7») або
«назад» («Я»).
Схема забезпечує максимальний струмовий захист миттєвої дії за
допомогою струмових реле РА1, РА2, які вимірюють струм статора
трансформаторів струму ТА\ захист від неповнофазного режиму і
обриву фази — реле нульової послідовності струму КАО\ захист від
самозапуску і недопустимого зниження напруги живлення — реле
нульового захисту АУ7; захист від перевантажень і коротких зами-
кань оперативного кола — запобіжників Ри. Автоматичні вимикачі
ОР7, ОР2 забезпечують захист від коротких замикань. Пускову діаг-
раму наведено на рис. 5.16, б.
Схема керування багатоступінчастим
пуском асинхронного двигуна
з фазним ротором
Електрична схема (рис. 5.17) призначена для керування багато-
ступінчастим пуском АД і забезпечує плавний пуск у функції часу.
Тривалість пуску залежить від кількості пускових ступенів. Схема
має чотири пускові ступені і може забезпечити довготривалість пус-
ку — гпуск = (15...30) с. Її особливістю є те, що після закінчення пуску
всі реле часу і контактори прискорення, крім контактора останньої
ступені, вимикаються. Це забезпечує значну економію електро-
енергії і збільшує тривалість служби електричних апаратів.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.1
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
У вихідному положенні після вмикання автоматичного вимика-
ча ОЕ і рубильника 05 спрацьовує реле часу КТ1 і першою парою
контактів готує живлення лінійного контактора КМЕ, другою — ко-
ло живлення реле часу КТ2. Третя пара контактів розмикається в колі
живлення котушок контакторів прискорення КМ1...КМ4.
За натискання пускової кнопки ЗВ2 спрацьовує контактор КМЕ,
який силовими контактами подає живлення на статор двигуна,
блок-контактами шунтує кнопку ЗВ2, а також подає живлення на
котушки реле часу КТ2, КТЗ, КТ4 і розмикає у колі котушок реле
АТ7. Двигун розганяється при ввімкнених у коло ротора резисторах
/?7, /?2, /?4 Після закінчення витримки часу реле КТ1 відпускає
свої контакти, перша пара з яких замикається в колі котушки кон-
тактора КМ1, а друга — розмикається в колі котушки реле КТ2. Кон-
тактор КМ2 вмикається і шунтує пусковий резистор /?2. Двигун пе-
реходить на другу пускову характеристику. Далі процес повторюється.
Контактор останньої пускової ступені КМ4 силовими контакта-
ми шунтує пусковий резистор /?4, а блок-контактами розриває ко-
ло живлення котушок контакторів КМ1, КМ2, КМЗ і коло живлення
обмоток усіх реле часу. Двигун виходить на природну характерис-
тику, а працювати залишається лише лінійний контактор КМЕ і
контактор прискорення КМ4.
У схемі передбачено захист від коротких замикань, який здій-
снюється реле максимально струмового захисту КА 7, КА2, КАЗ, і за-
хист від перевантажень двигуна, реалізованого на теплових елемен-
тах ЕРІ, ЕР2, ЕРЗ. Для узгодження параметрів теплових реле і стру-
му статора в схемі застосовані трансформатори струму ТА1, ТА2. За-
хист оперативного кола здійснює автоматичний вимикач ОЕ.
Світлова індикація забезпечується сигнальними лампами НЕ 7, НЕ2.
Лампа НЕЇ фіксує наявність напруги в оперативних колах, лампа
НЕ2 сигналізує про ввімкнення двигуна.
З’єднання силових контактів контактора КМ4 в трикутник дає
змогу зменшити струм через контакти в >/з разів, що, своєю чергою,
дає можливість зменшити габарити контактора.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
ТИПОВІ СХШИ КЕРУВАННЯ
СИНХРОННИМИ ДВИГУНАМИ
Загальні характеристики
Синхронні двигуни (СД) широко застосовуються в електроприво-
дах механізмів із довготривалим режимом роботи. Це визначається
високими механіко-економічними показниками СД, основними з
яких є:
. високий ККД (ц = 0,94...0,98);
• високий коефіцієнт потужності созф, який можна регулювати
в широких межах;
• можливості віддавати реактивну потужність, підтримувати созср
і напругу у вузлі підмикання СД, а також здійснення регулю-
вання у функції внутрішнього кута 0, у функції активної скла-
дової струму статора тощо;
• можливість регулювати коефіцієнт перевантаження двигуна за
моментом лг = Мтах/Мн, діючи на струм збудження СД, що
зменшує залежність від коливань напруги живлення Щ двигуна;
• перевантажувальна здатність СД при дії стрибкоподібного на-
вантаження Мс - 1(г) вища, ніж при дії повільно зростаючого
навантаження, що визначається взаємодією магніторушійної
сили обмоток статора і збудження ротора на час перехідного
процесу;
• момент двигуна пропорційний напрузі статора ц.);
• двигун забезпечує абсолютно жорстку (астатичну) механічну
характеристику в робочому режимі;
• значний повітряний проміжок між статором і ротором,
унаслідок чого характеристики і властивості СД неістотно за-
лежать від спрацювання підшипників і неточності монтажу.
Разом із тим СД мають і недоліки, що визначається більшим,
ніж у асинхронного двигуна, повітряним зазором і відповідно знач-
ним розсіянням в асинхронному режимі при пуску:
• великі пускові струми /пуск = (3...8)/сн. Прямий пуск двигунів ве-
ликої потужності, як правило, супроводжується значним
осіданням напруги мережі;
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
• складна технологія пуску і експлуатації СД. Обмежений час
пуску і кількість повторних пусків також обмежена певним часом;
• відносна складність експлуатації СД, що потребує високої
кваліфікації обслуговуючого персоналу;
• відносно малі пускові моменти /Ип = (0,4... 1,5)/Ин, що істотно
ускладнює процес пуску;
• менша, порівняно з АД, експлуатаційна надійність (це стосу-
ється СД з контактними кільцями);
• значні масогабаритні показники.
Пуск синхронних двигунів
Більшість негативних показників синхронних двигунів пов’язані
з їхнім пуском. Тому СД переважно запускаються як асинхронні
двигуни. Для цього в ротор двигуна закладається пускова коротко-
замкнена обмотка типу «біляча клітка». Це, звичайно, ускладнює як
конструкцію двигуна, так і формування режимів пуску.
Асинхронний пуск СД з розімкненою обмоткою збудження (03)
здійснювати не можна. Пояснюється це тим, що під час розгону
обертове магнітне поле індукує в 03 ЕРС £з6 = 4,44ґ2\уз6Фт. Тут /2 =
= — частота зміни струму в 03, де — частота живлення стато-
ра; з — ковзання; %6 — кількість витків 03; Фт — амплітуда маг-
нітного потоку обертового поля. Завдяки великій кількості витків
03 £з6п досягає значної величини, що може викликати пробій ізо-
ляції обмотки, якщо не підімкнути її на час пуску до розрядного ре-
зистора /?р. Значення опору /?р має бути таким, щоб мінімізувати пе-
ренапругу на 03 та зменшити дію одноосьового моменту в діапазоні
зміни швидкостей О,6со0 < (о < О,8о)0. Залежно від типу двигуна і виду
навантаження опір /?р перебуває в межах /?р = (6...10)/?з6, де /?з6 —
активний опір обмотки збудження.
Резистор /?р має бути підімкнений до 03 лише до моменту по-
дання постійного струму в 03, коли двигун втягується в синхронізм
(ю ~ О,95со0). Невідмикання /?р призводить до додаткових втрат по-
тужності в розрядному резисторі /?р і негативно впливає на стійкість
роботи СД.
Отже, процес прямого пуску з виходом двигуна в синхронний
режим містить три етапи:
• режим асинхронного пуску з підмиканням /?р до 03;
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
• режим втягування в синхронізм, що здійснюється при кутовій
швидкості (о ® О,95о>0 з одночасним відмиканням /?р і поданням
струму збудження;
• вихід двигуна на синхронну швидкість.
Характеристики прямого пуску СД в координатах ю(Л/), <о(/с) і
со(/р) зображені на рис. 5.18. Тут /сп — пусковий струм статора; /рп —-
струм в обмотці збудження під час пуску.
Струм /р у діапазоні зміни ковзання 1..Д2 підтримується май-
же на одному рівні. Це пояснюється тим, що індуктивний опір 03
значно більший за активний опір Хз6»(/?з6 + /?р), а струм наближено
можна визначити так:
£ е £
/(з) = _____ зб.п.о_____ зб.п.о
7(Хз6.05)2+(/?з6 + /?р)2 ^.о ‘
Тут £з6по — ЕРС, яка індукується в 03 при ковзанні 1; %зб.о =
= 27г/Д6 — індуктивний опір 03 при ковзанні 5= 1, де £з6 — індук-
тивність 03.
Застосування прямого пуску обмежено потужністю мережі жив-
лення, допустимими межами осідання напруги, міцністю лобових
частин обмотки статора. Якщо конструкція двигуна не допускає
прямого пуску або пускові струми викликають значні коливання
напруги мережі, то застосовують пуск СД або зі зниженою напру-
гою, або з напругою, сформованою за певним законом.
Рис» 5.18
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
У першому випадку застосовують реакторний пуск. При цьому
напруга на статор СД надходить через реактор з індуктивним опором
Хр, а коли пусковий струм зменшується до допустимого значення, ре-
актор шунтується і на статор подається номінальне значення напруги.
Однолінійну схему реакторного пуску і пускові характеристики
в координатах со(Л7) і со(/с) відповідно зображені на рис. 5.19, а— в.
Тут П — природні характеристики; Ш — штучні характеристики, ко-
ли в коло статора введений реактор. Як правило, реакторний пуск
двигунів здійснюється у функції часу. Вибір реакторів здійснюєть-
ся за допустимим зниженням напруги на шинах і за умови забезпе-
чення мінімальної напруги, необхідної для руху двигуна і розгону
його до швидкості, коли пусковий струм не перевищує допустимих
значень. Слід врахувати, що для успішного пуску момент /Идв має
перевищувати момент опору Мс на 10 % 1,1Л7С).
Недоліки реакторного пуску полягають у тому, що пускові ха-
рактеристики можна змінювати лише дискретно, а пусковий струм
і момент двигуна при переході зі штучної характеристики на при-
родну залежать від зміни навантаження і моменту інерції.
У другому випадку застосовують системи м’якого пуску, у яких
використовують тиристорні регулятори напруги (ТРН) або статичні
перетворювачі частоти (ПЧ). Якщо передбачається робота СД тільки
на номінальних обертах і не передбачається регулювання швид-
кості, то використання ПЧ для пуску недоцільно.
Рис. 5.19
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Процес м’якого пуску в електроприводі з ТРН може формувати-
ся як розімкненою, так і замкненою системами.
У разі застосування розімкненої системи формування пускових
характеристик здійснюється за допомогою задавача інтенсивності
Рис. 5.20
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
(ЗІ) (рис. 5.20, а). Задавач має пропорційно-інтегральну (ПІ) харак-
теристику і підмикається до блока задання БЗ. Пропорційна скла-
дова ЗІ визначає початковий пусковий момент, а темп зростання
інтегральної складової сигналу 3! визначається заданим часом роз-
гону двигуна до підсинхронної швидкості. Оскільки під час пуску
струм досягає значення, яке перевищує номінальне, то для обме-
ження пускового струму допустимими значеннями в схемах перед-
бачається затриманий від’ємний зворотний зв’язок за струмом ста-
тора, сигнал якого надходить на вхід регулятора струму РС через
блок відсічки БВ з виходу датчика струму статора ДС (рис. 5.20, б).
Якщо навантаженням Д є вентилятор (рис. 5.20, в), то схема пуску
буде простішою, а на статор подаватиметься знижена напруга.
Для здійснення м’якого пуску широко застосовуються замкнені
системи ТРИ—СД з постійнодіючим від’ємним зворотним зв’язком
за струмом статора. Варіант схеми такої системи зображений на
рис. 5.20, а. Система забезпечує формування режиму пуску із зада-
ним значенням пускового струму (рис. 5.20, г). У схемі можуть
бути використані пропорційно-інтегральні регулятори струму.
Як правило, ТРИ застосовують лише для реалізації пуску двигу-
нів. Після закінчення пуску СД підмикається безпосередньо до
мережі, а пусковий пристрій ТРН вимикається. Відповідно до од-
нолінійної схеми рис. 5.20, а комутація силового кола СД
здійснюється в такій послідовності: вмикаються ключі О0, О01, дви-
гун розганяється до підсинхронної швидкості, подається збудження
і двигун втягується в синхронізм, вмикається ключ О, і вимикають-
ся Од, Одр
За наявності кількох СД використовують лише один пусковий
пристрій ТРН, що почергово здійснює пуск цих двигунів. Одноліній-
ну схему пуску трьох СД за допомогою одного пускового пристрою
ТРН наведено на рис. 5.21.
Системи м’якого пуску дають змогу:
• обмежувати пускові струми;
• підвищувати довготривалість роботи двигуна завдяки суттєво-
му зменшенню електродинамічних зусиль в обмотках двигуна;
• підвищувати довготривалість роботи комутаційної апаратури;
• знімати обмеження на кількість пусків СД.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.21
Робота синхронних двигунів
в синхронному режимі
Обертальний момент СД є результатом взаємодії обертового маг-
нітного поля статора і магнітного поля обмотки збудження. Взаємо-
дія цих полів створить обертальний момент СД тільки тоді, коли ро-
тор обертатиметься зі швидкістю магнітного поля со0 = 2я4/рп, тоб-
то синхронно з обертовим полем. Отже, механічна характеристика
СД со(/И) являє собою горизонтальну пряму з ординатою со0. Якщо
момент навантаження буде більшим за максимальний Мтах(Мс >
> /Итах), це призведе до випадання СД із синхронізма. Максималь-
ний момент /Итах, до значення якого зберігається синхронна робота
СД з мережею, визначається з кутової характеристики Л/(0), яка яв-
ляє собою залежність моменту двигуна М від кута 0 між векторами
ЕРС статора Е і фазною напругою мережі 4/ф:
де Хф Хд — реактивні опори відповідно по поздовжній та попе-
речній осях.
Цей вираз виражає момент явнополюсних машин, а його друга
складова визначає реактивний момент СД явнополюсної машини,
який показує, що явнополюсний СД може створювати деякий
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
момент без збудження. Вираз /И(0) неявнополюсної машини відріз-
няється від наведеного вище відсутністю другої складової.
Залежності /И(0) для неявнополюсного (пряма 1) і явнополюс-
ного (пряма 2) СД зображені на рис. 5.22. Тут крива 3 — реактивна
складова моменту явнополюсної машини.
Кутові характеристики Л/(0) показують, що максимальні зна-
чення моментів Л/тах СД досягають явнополюсної машини при
02 = 75...8О°, неявнополюсної — при 0^90°. Значення характе-
ризує навантажувальну здатність СД. Кратність максимального мо-
менту для більшості СД становить
Хп = Мтах/Л/н = 2...3.
Збільшення кута 0 за максимальне значення призведе до нестій-
кої роботи двигуна і випаданню його із синхронізму.
Важливою величиною є номінальний кут 0Н, що характеризує
можливий довготривалий режим роботи за умови нагріву з номі-
нальним моментом Л/н. Номінальний кут для неявнополюсних дви-
гунів становить 0н1 = ЗО...35°, для явнополюсних — 0н2 = 25...30°.
Якщо не передбачається регулювання швидкості СД, то єдиним
параметром, за допомогою якого можна регулювати вихідні коор-
динати двигуна і змінювати перевантажувальну здатність за момен-
том Хп, є ЕРС двигуна £ Регулювання ЕРС, своєю чергою, здійсню-
ється зміною струму збудження £(/зб).
СД відрізняється від інших машин такою властивістю, як мож-
ливість регулювати споживання реактивної потужності від мережі,
змінюючи струм збудження /з6. Якщо СД недозбуджений, він спожи-
ває реактивну енергію і працює з відстаючим со$ <р. Для роботи
Рис. 5.22
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
з випереджувальним созф, коли реактивна потужність віддається в
мережу, потрібно перезбудити двигун. При СО8 ф = 1 реактивна по-
тужність не віддається і не споживається.
а б в
Рис. 5.23
Векторні діаграми СД при постійному навантаженні на його
валі, незмінній напрузі мережі та різних значеннях струму збуджен-
ня зображені на рис. 5.23. Тут 4 і !д — складові струму статора по
поздовжній і поперечній вісях. На рис. 5.23, а наведено векторну
діаграму для недозбудженого двигуна, коли частину реактивної по-
тужності, яка йде на струм намагнічення, покриває мережа. У цьо-
му випадку двигун працює з відстаючим созф. На рис. 5.23, б наве-
дено векторну діаграму для випадку, коли двигун споживає тільки
активний струм і созф = 1. На рис. 5.23, в наведено векторну діагра-
му, яка відповідає перезбудженому двигунові, коли надлишок реак-
тивної потужності віддається в мережу, а коефіцієнт потужності є
випереджу вал ьн и м.
Траєкторію руху повного струму статора /с при зміні струму
збудження зображено штриховою лінією. Мінімальне значення /с має
місце при СО8ф = 1, КОЛИ ПОВНИЙ струм дорівнює активному /стіп = 4‘
Залежність повного струму статора /с від струму збудження /з6
ілюструють У-подібні характеристики (рис. 5.24). Крива //зображує
регулювальну характеристику двигуна /с (/з6) при созф - 1. Вона є
геометричним місцем мінімумів характеристик, які відповідають
різним значенням навантаження Р\< Р2< Р3< РА.
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
Ліворуч від кривої //двигун недозбуджений, праворуч — пере-
збуджений. Крива / обмежує характеристики /с(/зб) мінімально мож-
ливими струмами /з6гтііп за умови статичної стійкості двигунів, а кри-
ва ///— характеристики /с(/з6) максимально допустимими струмами
/Збтахза умови допустимого нагрівання ротора двигуна.
Властивість СД регулювати споживання реактивної потужності
дає змогу створювати замкнені системи керування вихідними коор-
динатами електропривода, що здійснюється відповідним вибором
зворотних зв’язків. Виходячи з цього системи автоматичного регу-
лювання збудження (АРЗ) СД можуть здійснювати керування у
функції:
• напруги мережі, підтримуючи постійною напругу у вузлі під-
микання СД;
• підтримання реактивної потужності на постійному рівні;
• струму статора;
♦ активної складової струму статора;
• внутрішнього кута 0;
• коефіцієнта потужності созср.
У схемах із розімкненим керуванням СД невеликої потужності,
як правило, застосовують системи релейного керування збуджен-
ням у функції напруги живлення. Така система дає можливість за-
побігати випаданню двигуна із синхронізму, якщо напруга зни-
жується до значення 6/с = (0,8...0,85)//. н.
15 5-70
Рис* 5.24
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Система збудження
синхронних двигунів
Система збудження має:
• забезпечувати автоматичний пуск і синхронізацію СД;
• здійснювати форсування за струмом збудження СД із крат-
ністю > (1,2... 1,4) відносно номінального струму збудження
4 при зниженні напруги живлення статора двигуна до 4/с <
< (0,8...0,85)исм, із тривалістю форсованого режиму 4 = (10...ЗО) с;
• знімати форсування при відновленні напруги живлення до
£/с>(0,9...0,95)і/сн;
• забезпечувати захист обмотки збудження 1-М від переванта-
ження за струмом;
• забезпечувати вимикання струму збудження в разі випадання
СД із синхронізму, а також при ресинхронізації двигуна;
• забезпечувати ресинхронізанію СД при втраті збудження;
• забезпечувати регулювання струму збудження в діапазоні 4 =
= (0,4...1,2)4, Для систем, які працюють в автоматичному ре-
жимі підтримання вихідних координат ЕМС.
На діючих ЕМС із СД для живлення постійним струмом обмоток
збудження !_М застосовують збудники трьох основних типів: елект-
ромашинні, тиристорні і безщіткові.
У схемах з електромашинними збудниками використовують гене-
ратори постійного струму із самозбудженням. У СД із високою швид-
кістю обертання збудник встановлюється переважно на валу двигу-
на. Тихохідні СД використовують окремі установки «двигун—гене-
ратор».
На практиці застосовують три типи збудників із генераторами:
• з жорстким підмиканням збудника СА/до обмотки збудження
• зі збудником ОМ, підімкненим до обмотки збудження 1-М жорст-
ко через розрядний резистор /?р, який шунтується при підсин-
хронній швидкості;
• з підімкненим на час пуску до обмотки збудження ІМ розряд-
ного резистора /?р і ввімкненням збудника ОМ до обмотки
збудження £А/при підсинхронній швидкості.
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
а б
Рис. 5.25
Схему останнього типу збудників із генератором 6М наведено
на рис. 5.25, а. Генератор ОМ із самозбудженням приводить у рух
СД. Обмотка паралельного збудження ЕО2 підімкнена до якоря ге-
нератора через регульований резистор за допомогою якого вста-
новлюється заданий струм збудження СД. Контактор гасіння поля
КМ1 забезпечує вимикання обмотки збудження /_Л7 від збудника ОМ
і вмикання ЕМ на розрядний резистор /?р. Схема передбачає також
релейне форсування струму збудження, що здійснюється контакта-
ми контактора КМ2, який шунтує частину опору резистора /?д. У ре-
зультаті зростає струм збудження в обмотці ЕО2, збільшується ЕРС
генератора £Л/(рис. 5.25, б), і форсоване значення струму подаєть-
ся на обмотку двигуна 1-М.
Загальними недоліками систем збудження з використанням ге-
нератора постійного струму є:
• наявність контактних елементів, передусім колектора і щітко-
вої системи збудника;
• необхідність постійного обслуговування установки;
• висока інерційність системи збудження.
Тому, з появою статичних регульованих перетворювачів, були
розроблені й успішно експлуатуються тиристорні системи збудження.
В одному з варіантів схеми тиристорної системи збудження
(рис. 5.26) тиристорний перетворювач У53, зібраний за трифазною
схемою, забезпечує подання струму в обмотці ЕМ двигуна. Розряд-
ний резистор /?р комутується безконтактним комутатором, реалізо-
ваним на тиристорах У31 і У32, з’єднаних за зустрічно-паралельною
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
схемою. Для вимикання резистора /?р при підсинхронній швидкості
напругу вмикання стабілітронів УО2 і УйЗ вибирають з умови
^402, УйЗ = К
де к3 = 1,05... 1,1 — коефіцієнт запасу; Аф — коефіцієнт форсування за
напругою; 13^ — номінальна напруга збудження.
Уй1 У31 У32 УйЗ + §К
Рис. 5.26
Тиристорний збудник живиться від мережі змінного струму за
допомогою узгоджувального трансформатора ТУ. Керує тиристора-
ми фазоімпульсний пристрій, встановлений в блоці керування БК.
Заданий струм збудження задається плавно або дискретно резисто-
рами /?/ і /?2.
У режимах коливань напруги мережі система керування збуд-
ження передбачає подачу максимально можливого струму збуджен-
ня 4тах. Це здійснюється, як правило, релейним елементом (на
схемі — контакти КУ), що забезпечує встановлення мінімального
кута відкриття атіп БК тиристорів.
Для ЕМС із СД, які не потребують значних пускових моментів,
застосовують спрощені варіанти тиристорних комутаторів. Варіант
схеми з несиметричним комутатором, наведений на рис. 5.27, пред-
ставляє зустрічно-паралельне з’єднання тиристора і діода УОЗ.
Застосування такої схеми, порівняно із симетричною, призводить
до несиметричної форми струму в обмотці збудження під час пус-
ку, що незначно, на рівні 10 %, знижує пусковий момент СД.
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
Рис. 5.27
Основним недоліком системи з тиристорними перетворювачами
є те, що струм збудження подається на обмотку ЬМ через щітки і
контакти кільця ротора СД (так само, як і в системах з електрома-
шинними збудниками). Цей недолік усунули розробкою і впровад-
женням в експлуатацію безщіткових систем збудження, у яких
здійснюється електромагнітний зв’язок між системою керування і
збудником. Це істотно поліпшило надійність системи збудження.
Безщіткові системи збудження з напівпровідниковими випрямляча-
ми, що обертаються і встановлюються в роторі СД, поділяють на
синхронні та асинхронні.
В одному з варіантів схеми безщігпкового збудника (рис. 5.28)
збудником є трифазний синхронний генератор — синхронний збуд-
ник СЗ, у якого обмотка статора вмонтована в ротор синхронного
двигуна, а обмотка збудження 033 живиться постійним струмом від
блока керування БК.
Рис. 5.28
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Напруга від статора генератора СЗ випрямляється випрямлячем
УШ, зібраним за мостовою схемою, і подається на обмотку збуд-
ження ІМ двигуна. На час асинхронного пуску до обмотки збуджен-
ня ІМ безконтактним комутатором, реалізованим на тиристорі УЗ,
підмикається розрядний резистор /?р. Оскільки під час синхронізації
в момент подачі постійного струму на !_М тиристор УЗ може бути
ще не закритим, розрядний резистор /?р залишиться підімкненим
до ЬМу робочому режимі СД. Щоб запобігти цьому, середню точку
на резисторі /?р з’єднують з однією із фаз збудника СЗ. Після
а
ис = уаг
І*
Робоча
зона АЗ
б
Рис. 5.29
5.1. Електромеханічні системи
з розімкненими схемами керування
втягування СД у синхронізм тиристор УЗ закривається і резистор /?р
вимикається.
Безщіткові синхронні збудники забезпечують високий коефі-
цієнт підсилення і не потребують значної потужності для керуван-
ня. Основний недолік таких схем збудження — значна інерційність,
що визначається великою кількістю витків 033.
Більш високу швидкодію мають асинхронні безщіткові збудни-
ки АЗ, схему збудження одного з яких наведено на рис. 5.29, а. Схе-
ма складається з асинхронної машини АЗ, ротор якої вмонтовано в
ротор СД. Струм збудження 4 надходить із ротора АЗ через випрям-
ляч УШ, зібраний за мостовою схемою. Струм збудження регу-
люється тиристорним регулятором напруги ТРН (БК), який живить
статор асинхронного збудження. У режимі асинхронного пуску до
обмотки збудження І.М двигуна безконтактним комутатором, ре-
алізованим на тиристорах УЗ і УЗ', підмикається розрядний резис-
тор /?р. Для отримання найменших масогабаритних показників най-
доцільніше використовувати асинхронний збудник у режимі елект-
ромагнітного гальма — режим роботи в четвертому квадранті з ков-
занням 5= 1,4...2,5 (рис. 5.29, б).
Схеми керування пуском
синхронних двигунів
Схему керування пуском СД з електромашинним збудником на-
ведено на рис. 5.30. Керування пуском здійснюється у функції стру-
му статора — реле струму КА, яке вмикає контактор гасіння поля
КМ1. У схемі передбачено форсування струму збудження в режимах
зниження напруги живлення до ис < (0,8...0,85)С/сн. Це здійснюється
за допомогою реле напруги КУі контактора КМ2. Також передбаче-
ний максимально струмовий захист із витримкою часу — реле стру-
му Е4 7, РА2 і реле часу КТ1. Оперативне коло захищається за-
побіжниками рік
Схему керування пуском СД із тиристорним збудником наведе-
но на рис. 5.31. Фактично оперативне коло схеми таке, як і в схемі
рис. 5.30. Відмінність полягає лише в тому, що підсинхронна швид-
кість контролюється за допомогою частоти струму ротора — реле
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
ОГ2
КУ
Рис. 5.30
КУ1 з демпфером. Розрядний резистор /?р комутується несиметрич-
ним комутатором — тиристором У31 та діодом УШ.
Для керування тиристорами моста У82 використовують такі бло-
ки: блок живлення БЖ та систему імпульсно-фазового керування
СІФК.
5.1, Електромеханічні системи
з розімкненими
схемами керування
Рис. 5.31
Схему керування пуском СД (фрагмент системи) з асинхронним
безщітковим збудником наведено на рис. 5.32. Напруга статора
збудника регулюється тиристорним регулятором У82. Підсинхронна
швидкість контролюється у функції струму статора.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
КУ2
5.2. Електромеханічні системи
Із замкненою схемою керування
5.2
Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
Замкнені системи керування охоплюють широкий клас елект-
роприводів. На відміну від розімкнених вони мають два канали
інформації: канал інформації задання і канал інформації про реаль-
ний стан системи. Інформація про стан системи електропривода
надходить каналами зворотних зв’язків регульованих координат.
Основними вимогами, що ставляться до систем стабілізації, є
забезпечення заданих статичних і динамічних показників. Ці вимо-
ги великою мірою визначають вибір структури систем керування
електроприводами та її параметрів.
У статичних режимах робота більшості систем стабілізації харак-
теризується такими основними показниками, як діапазон О і точ-
ність регулювання. Точність регулювання швидкості визначається
через відносну похибку регулювання 3 %.
Діапазон і відносна похибка відповідно можуть бути визначені
через вихідні параметри приводу:
8 % = (Дшн,/«тіп) 100.
(5.1)
(5.2)
Тут (он — номінальна швидкість двигуна; сотіп — значення мінімаль-
ної швидкості при дії номінального навантаження; Л(онз= со0з - сон ~
статичний спад швидкості, де со0з — швидкість неробочого холосто-
го ходу замкненої системи електропривода.
Для електроприводів із двозонним регулюванням швидкості
діапазон регулювання в зоні вище номінальної швидкості
~ гогпах/сон, (5.3)
де 0)пах ~ максимальна швидкість двигуна.
Спільний розв’язок рівнянь (5.1) і (5.2) відносно Д(онз дає
Д(ом, = (5 % • о\)/(0 100). (5.4)
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Статизм системи Ду, %, можна визначити з виразу (5.4), поді-
ливши його на со *
п
Ду % - (Дсонз/сон) 100 = 8 %/О. (5.5)
У свою чергу статичний спад швидкості і статизм системи виз-
начаються коефіцієнтом підсилення ланок прямого каналу і каналу
зворотних зв’язків контуру регулювання. Така залежність дає змогу
здійснювати вибір параметрів системи регулювання, виходячи з ви-
мог статики.
Статичні характеристики (/ і 2), типові для більшості замкне-
них систем стабілізації швидкості, зображені на рис. 5.33, а. Вони
являють собою залежність швидкості двигуна сод від моменту М,
який двигун розвиває при використанні різних регулювальних та
Рис. 5.33
5,2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
обмежувальних зворотних зв’язків, для випадку роботи приводу в
першій зоні з номінальним потоком двигуна. Характеристика 7
відповідає номінальному сигналу завдання, 2 — мінімальному сиг-
налу, при якому система ще здатна забезпечити стійку роботу дви-
гуна при зміні моменту навантаження до значення моменту відсі-
кання Л7ВІДС. Для порівняння з характеристиками замкненої системи
на рисунку зображені також характеристики розімкненої системи,
позначені відповідно індексами 3 і 4
Статична характеристика замкненої системи складається з двох
відрізків: на відрізку АВ система здійснює стабілізацію швидкості
двигуна, на відрізку ВС — обмеження моменту двигуна допустими-
ми значеннями (М< /Истоп). Якщо відрізок стабілізації швидкості ха-
рактеризується спадом швидкості Дсо3 і етатизмом у3, то відрізок
обмеження моменту має такий самий показник, що і коефіцієнт
відсікання:
к - М /М
г'відс ' 'вІДС/ ' 'стоп*
Граничні показники замкнених систем стабілізації в усталеному
режимі (характеристики наведено на рис. 5.33, г):
• на відрізку стабілізації швидкості АВ — астатизм за швидкістю
(Лсо3 = 0);
• на відрізку обмеження моменту ВС — круто спадна характе-
ристика з астатизмом за моментом (/евідс = 1).
Характеристика з граничними показниками дає змогу здійсни-
ти найповніше використання електропривода в усталеному режимі.
Динамічні властивості систем стабілізації швидкості можуть
оцінюватися за показниками перехідних характеристик при дії
ступінчастих сигналів завдання 1/р 1(^) і навантаження Мс - 1(г).
До таких показників належать: швидкодія, перерегулювання і коли-
вальністпь.
Швидкодія системи характеризується часом регулювання ґр і
часом встановлення перехідного процесу іг Час регулювання —
це інтервал часу, за який регульована координата досягає 95 %
усталеного значення. Час установлення ґу —- це інтервал часу, за
який координата ввійде в зону допустимого відхилення від уста-
леного значення і більше з цієї зони не вийде. У більшості
випадків приймають граничну зону з допустимим відхиленням
а%<±5%:
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
^100
%
(5.6)
де со, соу — відповідно біжуче й усталене значення швидкості..
Перерегулювання під час перехідного процесу оцінюється за
максимальним відхиленням регульованої координати:
от% = ГОтах Юу 100, (5.7)
“у
де сотах — максимальне значення амплітуди швидкості в перехідно-
му процесі.
Для більшості систем перерегулювання не повинне перевищува-
ти 5... 10 %. Стосовно перерегулювання струму ос % у режимах пус-
ку і гальмування, то воно не повинне перевищувати 10 %.
Іноді постає необхідність визначити час досягнення регульова-
ної координатою максимального значення гтах при коливальних пе-
рехідних процесах.
Коливальність перехідного процесу характеризується числом
коливань регульованої координати за час гу. Для більшості систем
число допустимих коливань обмежується трьома.
Перехідні характеристики <о(ґ) при дії сигналів задання из • 1(г) і
навантаження А7С-1(Г) наведені на рис. 5.33. Реакція системи на
ступінчастий сигнал задання й3 1(г) зображена на рис. 5.33, б, а ре-
акція на сигнали /Ис-1(г) — на рис. 5.33, в. Статичні характеристики
зображені на рис. 5.33, г.
Як уже зазначалося найбільш спрощену електромеханічну сис-
тему автоматичного керування (ЕМСАК) можна зобразити як су-
купність технологічного об’єкта (ТО) та регулятора (Р), до складу
якого входять головні елементи електропривода (ЕП). Техноло-
гічний об’єкт визначає загальні вимоги до ЕП (характер зміни
швидкості, швидкодію, точність керування та ін.).
Динамічні характеристики ЕМСАК в основному залежать від
особливостей ТО (моменту інерції, кількості окремих мас в його
складі, виду зв’язків між масами, характеру зміни навантаження то-
що). Це виявляється в знаках коефіцієнта самовирівнювання Кс,
5.2, Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
впливі на характер рівняння динаміки ТО і ЕМС в цілому, знака Кс,
характеру тертя та інших визначальних чинників для динамічних
характеристик ЕМСАК.
Для вивчення впливу різних типів структур і способів керуван-
ня ЕП на статичні характеристики далі використовуватимемо най-
простішу ЕМСАК з одномасовим об’єктом при дії типового наванта-
ження Мс. Враховуючи те, що за таких умов та особливостей ТО
вихідна координата технологічного об’єкта може дорівнювати
вихідній координаті ЕП, далі розглядатимуться замкнені ЕМС як САК,
замкнені за вихідною координатою ЕП. Таке спрощення зроблено
ддя зручності дослідження ЕП і порівняння різних способів керу-
вання ЕП і в жодному разі не може розглядатися як загальний підхід
у дослідженнях ЕМСАК в цілому.
Нині розроблено й успішно експлуатуються типові системи ке-
рування, які відповідають указаним вимогам до електроприводів у
складі ЕМСАК. Системи відрізняються між собою як побудовою, так
і використанням пристроїв, що змінюють структуру системи під час
переходу від режиму стабілізації регульованої координати до режи-
му її обмеження. Але, незважаючи на різницю між наявними сис-
темами, їх можна за принципами побудови і дії регуляторів поділи-
ти на три суттєво відмінні структури керування електроприводів у
ЕМСАК.
Структури з порівнянням сигналів задання і зворотних зв’язків ре-
гульованих координат на одному регуляторі (найпростіші для ре-
алізації). У прямому каналі регулювання систем цього типу можна
виділити лише один регулятор, на вхід якого надходять усі сигнали
непогодження між заданим і дійсним значеннями регульованих ко-
ординат. Один із варіантів такої системи наведено на рис 5.34, а.
Формування статичних і динамічних характеристик електроприво-
да «керований перетворювач—двигун постійного струму (КП—ДПС)»
здійснюється дією від’ємного постійнодіючого зворотного зв’язку
за швидкістю і від’ємного затриманого зворотного зв’язку за стру-
мом якірного кола. Порівняння сигналів зворотних зв’язків і задан-
ня здійснюється на регуляторі Р, Сигнали зворотних зв’язків за
швидкістю і струмом вимірюються датчиками швидкості ДШ та
струму ДС. Сигнал зворотного зв’язку за струмом діє через ланку
«зона нечутливості» (ЗН).
Електромеханічні характеристики, а також характеристику
затриманого зворотного зв’язку за струмом (Узвс = /(/я) наведено на
рис. 5.34, б. Остання показує, що вказаний зв’язок вступає в дію за
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
перевищення струмом якірного кола значення /відс, а до цього харак-
теристику формує (відрізок АВ) зворотний зв’язок за швидкістю
(характеристика Ц>=<(/я)).
Отже, на відрізку АВ (у точці В струм дорівнює /відс) схема пра-
цює з регулятором швидкості, а за перевищення /відс, на відрізку ВС, —
з регулятором струму. Оскільки режими стабілізації швидкості та
обмеження струму здійснює один регулятор, то його налагодження
може бути тільки компромісним, тим більше, що відрізок обмежен-
ня струму ВС формується від’ємними зв’язками за струмом і швид-
кістю, дії яких зовсім протилежні.
б
Рис. 5.34
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
Системи такого типу широко використовувалися в 60—70-х ро-
ках XX ст., але через їхні недоліки пошук ін'ших структур триває.
Системи підпорядкованого регулювання (СПР). Ці системи були
розроблені як альтернативні до наведених вище. У них кожна ре-
гульована координата регулюється окремим регулятором. Усі регу-
лятори окремих координат з’єднані між собою послідовно, а на
вході кожного регулятора порівнюються сигнали, пропорційні зада-
ному і дійсному значенням регульованої координати. Вихідний сиг-
нал регулятора є задавальним для регулятора внутрішнього контуру
регулювання, а обмеження регульованої координати досягається
обмеженням сигналу її задання.
Функціональну схему двоконтурної СПР з електроприводом КП—
ДПС з регулюванням координат струму якірного кола /я та швид-
кості двигуна сод наведено на рис. 5.35, а. Внутрішнім контуром ре-
гулювання тут є контур струму з регулятором РС, зовнішнім — кон-
тур швидкості з регулятором РШ. Вихідна напруга РШ обмежується
значенням 6/РШтах. Оскільки вихідний сигнал РШ є задавальним для
РС, то сигнал 6/РШглах = 6/зРСтах визначає максимально допустимий
струм двигуна /ягпах.
Електромеханічну характеристику сод(/я>, а також характеристики
регуляторів швидкості 6/РШ= /(£/зщ- изв.ш) і струму иРС = /уя) зображе-
но на рис. 5.35, б. Останні характеристики показують, що відрізок
стабілізації швидкості АВ формується одночасною дією контурів
струму і швидкості, а відрізок обмеження струму ВС — тільки кон-
туром струму.
Отже, формування відрізка стабілізації швидкості потребує
компромісного налагодження контурів регулювання як і при фор-
муванні відрізка обмеження струму в структурі першого типу.
Але якщо в системах першого типу проблема розрахунку пара-
метрів регулятора та його налагодження в динамічних режимах
значно ускладнена і не має інженерної методики розрахунку, то для
розрахунку параметрів регуляторів у СПР розроблено таку методи-
ку, що полягає в налагодженні контурів за швидкодією (звичайно,
через те, що контури ввімкнені послідовно, загальна швидкодія
системи зменшується).
Системи з паралельним вмиканням регуляторів. У цих системах,
як і в системах підпорядкованого регулювання, кількість регуля-
торів відповідає кількості регульованих координат. Але, на відміну
від СПР, регулятори тут з’єднані не послідовно, а паралельно, і в
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.35
будь-який інтервал часу може працювати лише один регулятор, ко-
ордината якого перебуває на граничному рівні. Вибір регулятора,
який у певний інтервал часу здійснює керування, забезпечує ланка
вибору режиму (ЛВР). У найпростішому варіанті функцію ЛВР мо-
же виконувати логічна ланка «вибір меншого із сигналів».
Варіант схеми з паралельним з’єднанням регуляторів наведено
на рис. 5.36, а. Схема керування складається з двох контурів — кон-
туру швидкості з регулятором РШ та контуру струму з двома регу-
ляторами РС1 і РС2 для двох напрямів проходження струму і ЛВР.
Ланка вибору режиму пропускає сигнали керування від того регу-
лятора, який має менше значення вихідного сигналу.
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
а
(О
м відс
Рис. 5.36
Електромеханічну характеристику і відповідні вихідні сигнали
регуляторів РШ і РС, які пропускає ЛВР, зображено на рис. 5.36, б.
Характеристики показують, що кожен регулятор формує тільки
свою ділянку статичної характеристики: регулятор РШ — ділянку
стабілізації швидкості, РС — ділянку обмеження струму. Що сто-
сується формування динамічних характеристик, то повної незалеж-
ності в налагодженні регуляторів система не забезпечує. Так, у пус-
когальмівних режимах є необхідність погоджувати роботу регуля-
торів у разі зміни структури системи залежно від режиму роботи. Це
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
потребує налагодження контурів за швидкодією, як і в СПР. Отже,
системи з паралельним з’єднанням регуляторів за цим показником
мають такі самі властивості, як і СПР.
У режимах дії навантаження системи з паралельним вмиканням
регуляторів мають значно ліпші показники порівняно з розглянути-
ми вище системами, що досягається більш високою швидкодією
контуру швидкості.
Слід зауважити, що оскільки кожен регулятор цієї системи фор-
мує динамічні і статичні характеристики незалежно від інших, то
можуть виникнути ускладнення під час їх реалізації. Це може мати
місце завдяки великій складності передаточних функцій синтезова-
них регуляторів.
Досить важливим чинником для практичної реалізації проект-
них рішень на діючих установках є наявність інженерних методик роз-
рахунку і налагодження систем керування. Щоправда, як уже зазна-
чалося, тільки для СПР розроблена і впроваджена інженерна мето-
дика вибору типу й розрахунку параметрів регуляторів контурів регу-
лювання. З деякими уточненнями цю методику можна застосовувати
в ході розрахунків контурів регулювання систем паралельного типу.
Що ж до системи з порівнянням сигналів керування на одному
регуляторі, то застосування такої методики викликає ускладнення.
Це визначається тим, що передаточні функції по каналах задання і
зворотних зв’язків будуть різними, і реалізувати такий регулятор, а
тим більше налагодити його, складно, оскільки потрібно враховува-
ти ненульові початкові умови при зміні структури керування, коли
відбувається перехід від режиму стабілізації до режиму обмеження.
Тому розрахунки параметрів системи такого типу в основному
здійснюються із застосуванням класичних методів.
ЖШШІ ПОШЖШШ ПОБУДОВИ
І РОЗРАХУНКУ шсгш
ПІДПОРЯДКОВАНОГО РЕГУЛЮВАННЯ
Основою побудови СПР, як відомо, є те, що контури регулюван-
ня з’єднані послідовно, а кількість контурів відповідає кількості ре-
гульованих координат. При цьому розподіл системи на контури
здійснюють так, щоб у кожному контурі містилися ланки з однією,
максимум — двома суттєвими сталими часу, які підлягають компен-
сації. Це забезпечує фізичну реалізацію регуляторів контурів.
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
Вибір типу регуляторів та розрахунок їхніх параметрів здій-
снюється за умови зведення передаточних функцій контурів регу-
лювання до стандартних передаточних функцій И/опт(р) із наперед
заданими динамічними показниками при відпрацюванні сигналу
задання. Розрахунок, як і налагодження, проводять, починаючи з
внутрішнього контуру до зовнішнього. У найпростішому випадку
налагодження контурів зводиться до компенсації суттєвих сталих
часу об’єкта керування, а налагодження регуляторів на задані по-
казники динаміки здійснюється з урахуванням як малих некомпен-
сованих сталих часу свого контуру (некомпенсована стала 7-го
контуру), так і сталої часу інтегрування Гм(/_1) внутрішнього кон-
туру, де а,_1 — коефіцієнт оптимізації (/-1)-го контуру. Тому з
віддаленням від внутрішнього контуру його швидкодія зменшується.
Розглянемо основні положення щодо вибору регуляторів на
прикладі триконтурної СПР. Функціональна схема такої системи
(рис. 5.37) містить передаточні функції ланок об’єкта керування, на
які поділили силову частину при розподілі на контури керування
И/01(р), И/02(р), И/03(р); передаточні функції регуляторів контурів ре-
гулювання ^Рі(р), У^з(р); сигнали задання на вході регуля-
торів контурів регулювання %31, %з2, Хз3; вихідні координати контурів
регулювання Х2, Х3.
У схемі всі зворотні зв’язки одиничні і від’ємні.
Рис. 5.37
Відповідно до загальних положень побудови СПР для триконтур-
ної системи типові оптимізовані передаточні функції розімкнених
контурів регулювання обчислюються так:
*£т1(р) = ~п ~г т~
щм=
р • а2Гр2 [р • • Гм0 +1) + 1
(5.8)
(5.9)
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
щм=
______________1_____________
Р ^КЛР а^Р Ги0 + 1) + 1] + 1}’
(5.10)
Тут аи а2, а3 — коефіцієнти оптимізації контурів; = Гр(, + X Гр1к —
еквівалентна некомпенсована мала стала часу першого внутрішньо-
го контуру, де Гм0 — еквівалентна некомпенсована мала стала часу
власне об’єкта першого контуру; — сума малих некомпенсо-
ваних сталих часу прямого каналу і каналу зворотного зв’язку пер-
шого контуру; Гц2 = Т’ці + ^2к — еквівалентна некомпенсована ста-
ла часу другого контуру, де — стала інтегрування першого кон-
туру; “ сума малих некомпенсованих сталих часу другого кон-
туру; Т’цз = ^2 + £ Т'цЗк ~ еквівалентна некомпенсована стала часу
третього контуру, де а2Т^2 — стала інтегрування другого контуру;
Хгц3к — сума малих некомпенсованих сталих часу третього контуру.
Оскільки загальна швидкодія залежить від малих некомпенсова-
них сталих часу окремих контурів, то відповідним вибором апара-
тури намагаються звести до мінімуму ці малі сталі. При цьому мож-
на нехтувати складовими ЕГц1к, ХГм2к, 2Гц3к, а значення сталих часу
інтегрування контурів визначаються як
— Го, ^р2 - Гм3 — Гр2.
(5.11)
Перший внутрішній контур, як правило, охоплює перетворювач
КП для живлення двигуна. Для електроприводів із малоінерційними
перетворювачами, такими як системи тиристорний перетворювач—
двигун, еквівалентна некомпенсована мала стала часу внутрішньо-
го контуру наближено становить
“ Гтп ~ Т* + т, (5.12)
де Гк — еквівалентна стала системи імпульсно-фазового керування;
т = \/(гп/т) ~ час запізнення закриття тиристорів, який наближено
визначається через кратність пульсацій випрямленої напруги т і
частоту мережі живлення 4,.
Для сучасних електроприводів значення еквівалентної сталої ти-
ристорних перетворювачів перебуває в межах (0,003...0,01) с.
Еквівалентна некомпенсована мала стала часу перетворювача Гц0
електропривода за системою генератор—двигун із тиристорним збуд-
женням електричних машин (Г—Д з ТЗГ, ТЗД) має більше значення
порівняно з аналогічною сталою системи ТП—Д. Річ у тім, що до скла-
ду некомпенсованої сталої входить як стала тиристорного збудника
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
електричних машин Гт.3, так і еквівалентні сталі, зумовлені дією по-
току розсіювання та ефекту вихрових струмів (7ВС). У таких систе-
мах Гц0 = Гтз + Гвс> 0,02 с, де Твс = (0,05...0,1) Тз6— еквівалентна стала
вихрових струмів і потоку розсіювання, яка залежить від сталої
збудження Тз6 і шихтування станини електричних машин.
Оскільки в схемі рис. 5.37 застосовано тільки від’ємні одиничні
зворотні зв’язки, то передаточні функції розімкнених контурів да-
ють змогу визначити оптимальні передаточні функції замкнених
систем:
(о)
и/3 (р) = —
оп’' 1+С(Р)
У результаті маємо
=---ІГтГьіУ
Р' а^ЛР • +1) +1
С2(р) =---77------г-;
р о/ 2 р-о^Др-Т^ + ІНІ +1
и£т3(р)=
(5.13)
(5-М)
(5.15)
Р ' {Р ‘ ^2^12 Ер °1^ді(р * 7"м0 + + Я + +
Оскільки контури СПР налагоджуються за швидкодією, то вплив
внутрішнього контуру на зовнішній тим слабший, чим далі він роз-
ташований від зовнішнього. Це дає можливість спростити вирази
(5.14) і (5.15) і записати їх у вигляді вироджених передаточних
функцій:
С2(р) =
^опн(Р) =
(5.16)
(5.17)
Коефіцієнти оптимізації контурів регулювання визна-
чають якість перехідних процесів як окремих контурів, так і СПР в
цілому, а також показники системи в усталених режимах. Най-
простіший спосіб для розрахунку і налагодження СПР — це вибір ука-
заних коефіцієнтів за умови «технічної оптимізації», коли приймають
Л У \
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
= а2 = а3 = 2. При цьому, відповідно до виразів (5.13), (5.16) і (5.17),
перехідні характеристики контурів відрізняються лише масштабом
у часі. Перерегулювання координат контурів є однаковим.
Доведемо це, користуючись логарифмічними амплітудно-час-
тотними характеристиками (ЛАЧХ) розімкнених оптимізованих
контурів. Вирази (5.13), (5.16) і (5.17) дають змогу записати узагаль-
нену передаточну функцію розімкнених контурів, які відрізняються
лише сталими інтегрування:
______і______
р2Тці(р2Т^_^^
(5.18)
де / — 1, 2, 3 — номери контурів регулювання.
Відповідно до наведеної формули ЛАЧХ має такий вигляд:
МИ = 20ІдИ^тД/со) = Ід^-у - 20Іди - 20Ід>/(<о + 1. (5.19)
ЛАЧХ цих контурів наведено на рис. 5.38. Тут 0 — ЛАЧХ об’єкта
зі сталою часу Гц0, який охоплений першим контуром. Частота зрізу
цієї ланки созр0= 1/Ги0; 7, 2, 3 — ЛАЧХ відповідних контурів регулю-
вання. Частоти зрізу цих контурів мають відповідно значення
шзрі ~ 1 /2 7”и1> е)зр2 = 1/2 Гц2 = 1/4 созр3 = 1/2 Гц2 = 1/8 Гц1.
Рис. 5.38
5.2. Електромеханічні системи
Із замкненою схемою керування
Отже, можна наближено визначити час досягнення координа-
тою контуру регулювання першого максимуму перехідної характе-
ристики:
и = р/<озр/=3,14аГц/. (5.20)
Підставляючи значення <озр, можна знайти значення іт для всіх
контурів:
Сг?і ~р/^зрі 5,228 7^, Іт2 р/('^зрі 12,567^, р/^зрї 25,127^.
Запас стійкості за фазою всіх контурів однаковий і може бути
визначений так:
Дф = 180° - -90° - У агсїд——
і ^спр і
(5.21)
де П-, — кількість інтеграторів в контурі; созр/ = 1/7Д — частота зрізу
ЛАЧХ; (оспр/-= 1/Т^і) — частота спряження ЛАЧХ.
Підставивши значення до виразу (5.21), знайдемо Дф = 180°-90°-
- агсід 0,5 = 63°.
Максимальне перерегулювання перехідної характеристики, у
відсотках, наближено визначається за виразом
1
5ІП Дф
-1 100 = 10.
(5.22)
Отже, проектуючи СПР, можна наперед встановити показники
системи в динамічних режимах, а для визначення типу й розрахун-
ку параметрів регуляторів контурів СПР слід записати передаточну
функцію розімкненого неоптимізованого контуру И^р) і порівняти
її з типовою передаточною функцією И^Др):
^(р)= = ^р), (5.23)
де — передаточна функція оптимізованого внутрішнього
контуру.
Передаточну функцію регулятора знаходимо з виразу (5.23):
(р) = . (р)
1
едиЄт(,Др)
(5.24)
Далі постає питання фізичної реалізації передаточної функції
регулятора.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
ТИПОВІ ЗШНЕН! систши
КЕРУВАННЯ ШГКТРОПВИВОДАМИ
ПОСТІЙНОГО СТРУМУ
Оскільки більшість сучасних типових систем керування елект-
роприводами побудована за підпорядкованим принципом, то в по-
дальшому основну увагу приділятимемо саме цим структурам. Щоб
надати цілісного уявлення про принципи побудови і роботу систем
керування, надалі враховуватимемо силову частину електроприводів.
Двоконтурна система підпорядкованого
регулювання з електроприводом
«тиристорний перетворювач—двигун
постійного струму»
Схему двоконтурної СПР наведено на рис. 5.39, а. Система здій-
снює регулювання швидкості в першій зоні з номінальним потоком
двигуна (Фд = Фд н) і забезпечує:
• формування пускогальмівних характеристик;
• обмеження струмів (моментів) допустимими значеннями;
• формування статичних характеристик із заданим етатизмом;
• заданий діапазон регулювання швидкості.
Живлення якірного кола двигуна здійснює реверсивний тирис-
торний перетворювач (ТП). Групи ТП зібрані за трифазною нульо-
вою схемою; з’єднання груп — зустрічно-паралельне, із сумісним
керуванням групами. Обмеження зрівнювальних струмів здійсню-
ють зрівнювальні реактори £2; £0 — згладжувальний реактор. Ке-
рування ТП здійснює система імпульсно-фазового керування СІФК.
Система керування ЕМС двоконтурна: внутрішній — контур
струму з регулятором струму РС, зовнішній — контур швидкості з
регулятором швидкості РШ. Сигнал від’ємного зворотного зв’язку
за струмом надходить на вхід РС (резистор /?2с) від датчика струму
ДС, який підсилює сигнал, знятий із вимірювального шунта Ш, і
здійснює потенціальну розв’язку. Сигнал від’ємного зворотного
зв’язку за швидкістю надходить на вхід РШ (резистор /?2ш) від тахо-
генератора Вії через потенціометр Пш. Керування системою здій-
снюється за допомогою сельсинного командоконтролера СКА, який
перетворює кут повороту ± Дф3 на сигнал певної фази і величини.
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
а
б
Рис. 5.39
Цей сигнал випрямляється фазочутливим випрямлячем ФЧВ і з
відповідним знаком надходить через задавач інтенсивності ЗІ на
вхід регулятора швидкості (резистор Задавач інтенсивності за-
безпечує заданий темп зміни швидкості в пускогальмівних режимах.
У системі всі зворотні зв’язки лінійні, і тому, щоб обмежити
струм у пускогальмівних режимах і режимах навантаження допус-
тимими значеннями (/я< /я доп), регулятор РШ виконаний з обмежен-
ням величини вихідного сигналу. Для цього вказаний регуля-
тор охоплено нелінійним від’ємним зворотним зв’язком типу «зо-
на нечутливості». У схемі це реалізовано на стабілітронах УО і
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
потенціометрі ПРШ на виході РШ. Потенціометр ПРШ дає змогу регу-
лювати напругу відкриття стабілітронів і відповідно напругу об-
меження регулятора
М>Ш шах ~ М/о/
(5.25)
де а < 1 — коефіцієнт потенціометра ПРШ.
Характеристику регулятора РШ без урахування інвертування
зображено на рис. 5.39, б. Ця характеристика забезпечує формуван-
ня статичних характеристик сод(/я) електропривода типу «екскаватор-
них». Сигнал задання на вході РШ обирається за умови, щоб у
разі відсутності сигналу зворотного зв’язку £/зв ш регулятор РШ пере-
буває в насиченні (ділянка В—С). У режимі роботи привода на
ділянці стабілізації швидкості (ділянка А—В) сигнал 6/звш діє назуст-
річ сигналу £/зш, і регулятор РШ працює на лінійній ділянці А— В
характеристики £/РШ = ^(£/зш - £/звш). Зі збільшенням навантаження
швидкість двигуна знижується, і відповідно зменшується (7ЗВШ.
Оскільки сигнал £/зш залишається незмінним, то різниця сигналів
^х.ш^ зростає. Також збільшується сигнал на виході регу-
лятора РШ, збільшуючи тим самим жорсткість відрізка стабілізації
А—В. Коли струм двигуна досягне значення /я= /стоп, його швидкість
досягне швидкості відсікання швідс, що відповідає точці В. Подаль-
ше зменшення швидкості переводить регулятор РШ в режим наси-
чення, і ділянка струмообмеження В— Сформується лише контуром
струму, на вхід регулятора якого надходить сигнал С/3.стах = 6/РСтах.
Круто спадний характер ділянки струмообмеження формується
дією інтегральної складової пропорційно-інтегрального регулятора
струму РС (ПІ-регулятора). У разі застосування пропорційного регу-
лятора струму (П-регулятора) ділянка струмообмеження позначена
індексом 4.
Проміжні характеристики 2, 3 відповідають сигналам задання
(/зш3 < Уз.ш2 < ^з.ші * забезпечуються змінною кута повороту Дф СКА.
Характеристика 5 відповідає зменшенню обмеження РШ (а5 > а,).
Вибір типу і розрахунок параметрів
регуляторів контурів регулювання
Відповідно до схеми рис. 5.39, а запишемо в операторній формі
рівняння динаміки силової частини:
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
я.к
Мс(р) ;
(5.26)
им -
/я(Р)<^а(Р)-*д(Р)
Тут с=(6/дн~ /я.нРя.к.д)/сОн ~~ стала двигуна, яка визначається за номі-
нальними параметрами — напруги (/дн, струму /ян, опору якірного
кола двигуна Ря к д і кутової швидкості сон; Тем = 4/?я>к/с2 ~ електроме-
ханічна стала часу приводу, де Л = 4 + 4.м — сумарний момент
інерції, складовими якого є момент інерції двигуна 7Д і зведений до
вала двигуна момент інерції механізму 7ПМ; /?я к = /?я кд + Ртп — актив-
ний опір кола системи ТП—Д, складовими якого виступають актив-
ний опір якірного кола двигуна = Ря.д + Яо + Ядп і еквівалентний
опір силового кола тиристорного перетворювача /?тп = /сг/?Тр + /сДтр +
+ /?д + /?д р + /?3 р; /?яд, /?к0, /?дп — активні опори відповідно якоря дви-
гуна, компенсаційної обмотки і обмотки додаткових полюсів двигу-
на; Аг = 0,48, 1 — коефіцієнти тиристорного перетворювача; /?Тр,
ХТр, ^.р ~ відповідно активний і реактивний опори транс-
форматора, динамічний опір тиристорів, опори згладжувального
дроселя і зрівнювальних реакторів; М — момент навантаження на
валу двигуна; Е^(р) = —^(р), де /стп = ЛОМ — коефіцієнт
рЛп +1
підсилення ТП за напругою; 7*тп = Тк + г — еквівалентна стала часу ТП,
складовими якої є стала часу СІФК Тк і час запізнення т=
Ед(р) = саА(р).
Структурну схему СПР з електроприводом при врахуванні пере-
даточних функцій регуляторів 1%ш(р) і И^РС(р), які потребують
визначення, наведено на рис. 5.40. Тут К3йс = — коефіцієнт
передачі зворотного зв’язку за струмом (В/А), складовими якого є
•ЛВ.Ш
Рис. 5.40
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
коефіцієнт підсилення датчика струму Яд.с = Ц,с.н/^ш.н ’ коефіцієнт
передачі шунта Кш = де ^дсн — номінальне значення вихід-
ної напруги датчика струму; /шн — номінальний струм шунта.
Також схема містить К33 ш = Ц1Шн/содн — коефіцієнт передачі зво-
ротного зв’язку за швидкістю (В-с/рад), де £/пшн — напруга на виході
потенціометра, яка відповідає соднн. Для більшості систем ипшЛІ < 10 В.
Вибір типу і розрахунок параметрів регуляторів здійснюється
переважно за спрощеною схемою без урахування внутрішнього зво-
ротного зв’язку за ЕРС двигуна, тим більше, що при цьому має місце
похибка визначення запасу по фазі контуру струму Аср < (10°...12°).
Загальна теорія синтезу СПР передбачає починати вибір регуля-
тора з першого внутрішнього контуру. Так, у схемі рис. 5.39 внут-
рішнім є контур струму. Суттєвою сталою часу цього контуру, яка
підлягає компенсації, є стала часу якірного кола Гяк системи ТП—Д.
За малу некомпенсовану сталу часу контуру беремо еквівалентну
сталу часу тиристорного перетворювача Грс = Гтп.
Передаточна функція розімкненого оптимізованого контуру від-
повідно до виразу (5.10) у разі заміни = 7“рс має вигляд
і
рос гс (р гмс +1)’
ис.с(р) =
(5.27)
де ас — коефіцієнт оптимізації контуру.
Передаточна функція контуру струму, розімкненому в точці між
входом регулятора РС і датчика струму ДС (одиничний зворотний
зв’язок), як це показано на рис. 5.41, за невідомої передаточної
функції РС, така:
(5.28)
де изс{р) — задання на вході регулятора струму.
Рис. 5.41
5.2. Електромеханічні системи
Із замкненою схемою керування
Порівнюючи передаточні функції (5.27) і (5.28), знайдемо пере-
даточну функцію РС, яка оптимізує контур струму:
и£с(Р) = М»+= 2Д_+_
Р°ЛЛ..ЛтП РТсс РКс
(5.29)
де 7“с = осТцсКзвДтп//?як— стала часу інтегрування регулятора струму.
Отже, для стабілізації контуру струму потрібно застосувати
ПІ-регулятор. Значення його вихідної напруги 1!^ у разі дії сигналів
і можна записати так:
і/рс(р) = ^7^ = [к3си3.с(р) -
рКс
(5.30)
де
з.с
з.с тах
(5.31)
— коефіцієнт зведення сигналу задання до сигналу зворотного
зв'язку. Співвідношення (5.31) описує стан контуру в режимі сто-
поріння двигуна, коли сигнал задання изстах урівноважується сигна-
лом по каналу зворотного зв’язку за струмом.
Вирази (5.30) і (5.31) дають змогу визначити параметри вхідних
елементів і елементів зворотних зв’язків регулятора струму через
коефіцієнти рівнянь
^0с ^0с 4.
^2с^0с “ ^І.с>
^2с/ /?1с = ^з.с-
(5.32)
Задаючи значення ємності СОс, визначимо решту параметрів РС:
^0с - ^я.к/^2с = Т\х/£ос> ^*1с = ^2с/^з.с’
Оптимізована передаточна функція замкненого контуру струму
за вибраних відповідно до виразу (5.29) параметрів РС набуває
вигляду
иЄпт3(р) =
К3./К^
(5.33)
У разі оптимізації контуру за умови «технічного оптимуму» ко-
ефіцієнт ас = 2. При цьому перехідна характеристика струму /Я(Г) має
перерегулювання ас 4,3 % і час регулювання гРС = 4,1 Гмс.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Вибір типу і розрахунок
параметрів регулятора швидкості
Виконаємо це з урахуванням оптимізованого контуру струмуй
(рис. 5.42).
Суттєвою сталою часу контуру, яка підлягає компенсації, є
електромеханічна стала Гем. За некомпенсовану малу сталу часу кон-
туру береться еквівалентна стала Гмс, складовими якої є стала інтег-
рування аГцс оптимізованого контуру струму і малі еквівалентні
сталі часу контуру швидкості. Це можуть бути фільтри на виході та-
хогенератора Гфш або інші інерційні елементи в контурі
(5.34)
Оптимізовану передаточну функцію розімкненого контуру зна-
ходимо, підставляючи у вираз (5.9) Гц2 = і = ^ІС- Тоді маємо
И£.Ш(Р)(Р)=
ррЛш |_р°Лс (р т’мс+1) +1
(5.35)
де аш —- коефіцієнт оптимізації контуру швидкості.
Передаточна функція контуру швидкості, розімкненого в точці
між входом РШ і датчиком швидкості ДШ та невідомою переда-
точною функцією регулятора РШ визначається так:
ио»(р)=
^дщ(р)
ЧАр)
иМр)
К3 с /Кя,с к~ш ,
р°Лс +1)+1 р ?;„с ’
(5.36)
де і/дш = У31 ш — напруга на виході потенціометра Пш.
Порівнюючи передаточні функції (5.35) і (5.36), знайдемо пере-
даточний коефіцієнт регулятора швидкості:
К^‘ЛТ"А"к <5'37)
рш''зв.ш/'з.с
Вираз показує, що для оптимізації системи в пускогальмівних
режимах слід застосувати П-регулятор швидкості.
Запишемо залежність вихідної напруги регулятора швидкості від
вхідних сигналів — задання изш і зворотного зв’язку за швидкістю
^/зв.иг
^РШ ^РшС^пр.ш
(5.38)
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
Рис. 5.42
де Кзш= ^звш/^з.ш — коефіцієнт зведення сигналу задання до сигна-
лу зворотного зв’язку за швидкістю.
Вирази (5.37) і (5.38) дають змогу визначити параметри вхідних
елементів і елементів зворотних зв’язків регулятора РШ:
М)ш/ ~ ^РШЇ
^з.ш*
(5.39)
Задавши значення опору резистора /?Ош, визначимо решту пара-
метрів РШ: /?2ш = /?Ош/КрШ; /?іш=^ш^в.шн/^зв.ш^д.н-
Оптимізована передаточна функція замкненого контуру швидко-
сті за вибраних відповідно до виразу (5.39) параметрів регулятора РШ
И/З (п) - ЮД(Р) -_____________________________________
°ЛТ ш “М рашТ^ [рас7-ис (р гис + 1) + і] + Г
(5.40)
У разі оптимізації контуру за умови «технічного оптимуму», ко-
ли коефіцієнт аш=ас = 2, перехідна характеристика швидкості сод(Г)
має перерегулювання ош = 8 % і час регулювання /^ = 3,57^ = 7,07^.
Для системи стабілізації швидкості одним із найважливіших по-
казників є зміна вихідної координати швидкості сод у разі дії на при-
вод навантаження Мс. Для оцінки цього показника розв’яжемо
структурну схему на рис. 5.42 відносно зміни швидкості Асод у разі
дії на привод стрибка збурення АА/С і незмінності сигналу задання
А^з.ш = 0.
У результаті маємо
1 6 5 70
Ди3 (р) =
Д/Ис/? расГрс(рГцс + 1) + 1
с2 "к Гем раЛДра^р^ + П + 'д + і’
(5.41)
481
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Вираз (5.41) дає змогу визначити статичний спад швидкості Лсо3
при дії на привод навантаження. Для цього підставляємо в нього
р~ 0 ос):
дд/ а Т а Т
Д(о3 = ^/?Я^ = Д%^, (5.42)
С Тен Гем
А А^С О » •
де Дсо =—т^/?як — статичнии спад швидкості в розімкненіи системі
с
тп-д.
Цей вираз дає можливість визначити діапазон регулювання
швидкості £), який забезпечує система з П-регулятором швидкості.
Для цього розв’яжемо спільно вирази для діапазону О і точності ре-
гулювання 8 (5.1), (5.2) і (5.42):
5 Т» ч
100 Д“р ’
(5.43)
На підставі формули (5.43) можна зробити висновок про те, що
діапазон, який здатна забезпечити двоконтурна СПР з П-регулято-
ром швидкості, залежить від співвідношення сталих часу 7"ем і Гмш.
Оскільки максимальне значення Гем, як правило, не перевищує
(0,3...0,4) с, а 7^ > 0,015 с, то при технічній оптимізації контуру ош = 2
і точності регулювання 8 = 10 % діапазон не перевищує значення
£) < 10. Дійсно, системи з П-регулятором швидкості за наявності
постійно діючого від’ємного зворотного зв’язку за струмом нездатні
забезпечити одночасно достатньо високий статизм і задовільні ди-
намічні показники. Щоб одержати більший діапазон потрібно пе-
рейти до двократно інтегрувальних систем, які забезпечують аста-
тизм швидкості при дії навантаження.
Вибір типу регулятора швидкості
у двократно інтегрувальній системі
Виходячи з принципу побудови багатоконтурних СПР, найпрос-
тіший спосіб забезпечити астатизм за швидкістю — додати до дво-
контурної СПР ще один контур швидкості з інтегральним регулято-
ром швидкості. Оскільки суттєві сталі часу вже компенсовані внут-
рішніми контурами струму і швидкості, то додання другого регуля-
тора швидкості РШ2 полягає в забезпеченні астатизму та якості
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
перехідного процесу. Останній показник може бути реалізований
налагодженням другого контуру за швидкодією. У разі налагоджен-
ня системи за умовами «технічного оптимуму» передаточна функція
РШ2 другого контуру швидкості визначається так:
^*РШ2 (р)= ~лї^ •
р • 4/
Фрагмент триконтурної СПР як з’єднання регуляторів РШ1 і РШ2
наведено на рис. 5.43.
б
в
Рис. 5.43
а
с
<9 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Триконтурна СПР забезпечує стандартне для неї перерегулюван-
ня швидкості 5Ш = 6,2 % і запас по куту Дер = 63°. Що стосується
швидкодії при відпрацюванні сигналу задання, то вона зменшуєть-
ся приблизно удвічі і час регулювання становить гр = 7,8 Грш.
Є можливість замість двох регуляторів швидкості РШ1 і РШ2
застосувати лише один. Щоб визначити його передаточну функцію,
виконаємо структурні перетворення схеми рис. 5.43, а. У результаті
дістанемо нову структурну схему (рис. 5.43, б), яка складається з
ПІ-регулятора з передаточною функцією
(Р • 47~мш + 1)ГемСК3,с = р-47^+1
Р 87‘р1Лв.иЛ3С7?я.к Р Кш
(5.44)
(тут ^.ш = (8^з..ЛзС/?..к)/(7’ем^в.с) - стала часУ інтегрування РШ) і
аперіодичної ланки на вході системи з передаточною функцією
™Ф(Р) =
К3.ш
(5.45)
де
Передаточна функція контуру швидкості двоконтурної СПР,
розімкненої в точці між ПІ-регулятором швидкості і сигналом зво-
ротного зв’язку за швидкістю ЦВфШ з урахуванням компенсувальної
дії РШ, має такий вигляд:
(р) =
</звш(р) Р-4Гш+1
Чх.рш(р) Р2 ’ 8ГМШ(Р • 2ГЦС + 1) + Г
(5.46)
Схему регулятора швидкості РШ наведено на рис. 5.43, в.
Залежність вихідного сигналу регулятора £/РШ від вхідних сиг-
налів изт і ї/звш можна записати в операторній формі у функції па-
раметрів опорів резисторів та ємності регулятора РШ:
(р) —
Р^Ош^Ош ^2ш
Р^2 ш^2ш ш
(5.47)
^зш(р) - 4,.ш(Р)
Сигнал £/РШ також може бути поданий відповідно до формули
(5.44):
І/РШ(Р) = Р'47ш + 1[/<зАш(Р) - (5-48)
РТ.Ш
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
При заданому значенні ємності СОш вирази (5.47) і (5.48) дають
змогу визначити опори резисторів регулятора /?Ош = 4Гмш/СОш, /?2ш =
Швидкість замкненої системи становить
<од(р) =
р-Чш+ік3<ш
0(р)
(5.49)
де
а(р) = р 47;ІШ Р 2ГЦШ Гр • 2гмср(гмс +1) +1
поліном знамен-
и3М
ника.
Наявність у чисельнику виразу (5.49) форсувальної складової
спричинює значне за величиною перерегулювання швидкості при
відпрацюванні сигналу задання су = 43 %. Для зменшення перерегу-
лювання на вході системи вмикають аперіодичну ланку, зворотну
до величини форсувальної складової регулятора, з передаточною
функцією (5.45), або ж подають сигнал задання через задавач інтен-
сивності ЗІ.
У разі використання аперіодичної ланки перерегулювання швид-
кості становить о = 8 %, а час регулювання — = 7,8 Гм.
Статична похибка швидкості в разі дії на привод навантаження
теоретично дорівнює нулю: Дсо3 = 0. На практиці, за рахунок неіде-
альності конденсатора СОш, у системі має місце статична похибка
Дсо3, що визначається опором витоку конденсатора, діапазон регу-
лювання швидкості має скінченне значення.
Для деяких промислових механізмів регулювання етатизму швид-
кості має здійснюватися в широкому діапазоні. Для цього достатньо
зашунтувати конденсатор СОш резистором /?ош (див. рис. 5.43, в). Ста-
тична похибка при цьому визначається так:
Дго, = Д(ор^-рш,
(5.50)
Значення коефіцієнта
і точність регулювання 5:
рш визначається також через діапазон О
т 5 1 Ч Гем
ш 0100 дЮр 27;1Ш •
(5.51)
Перехід від триконтурної до двоконтурної СПР з ПІ-регулятором
швидкості супроводжується якісними змінами системи електропри-
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
вода. Якщо контури триконтурної СПР налагоджені за умови «тех-
нічного оптимуму», то контур швидкості двоконтурної СПР нала-
годжений за «симетричним оптимумом», який дає змогу двом інтег-
рувальним ланкам перебувати в цьому контурі, чим і досягається
астатизм швидкості при дії навантаження.
Відповідно до виразу (5.49) запишемо вираз для ЛАЧХ розімкне-
ного оптимізованого контуру швидкості:
со) = 201д|^т ш(/со)| = 20 Ід—X- - 20 Ід со2 +
(5.52)
+ 20Ід7(а)4Гмш)2 + 1 - гОІд^/ї^)2 + 1.
Відповідну ЛАЧХ зображено на рис. 5.44 (а, б).
У виразі (5.52) не врахована складова (рГмс + 1). ЛАЧХ дає змогу
визначити запас за фазою двоконтурної СПР:
Дер -180°- п- • 90° - У агсід^= 180°- 2 - 90°- агсід-^- +
Ч, 2ГЦШ
4Т
+ агсід—— = 37°,
рш
де /?;— кількість інтеграторів; 7, сі — кількість відповідно інерційних
і диференціювальних ланок.
Отже, двоконтурна СПР з ПІ-регулятором швидкості має запас за
фазою у два рази менший порівняно з триконтурною СПР, що не-
гативно впливає на коливальність системи (<тш = 43 %).
Формування пускогальмівних характеристик замкнених систем
електроприводів можна здійснювати:
• у граничних режимах роботи привода;
• у режимах з обмеженням прискорення і відповідно моменту
двигуна.
У граничних режимах струм (момент) двигуна досягає свого мак-
симально допустимого значення /я = /стоп. Такі процеси відбуваються
зі значними прискореннями і супроводжуються перевантаженнями
за моментом у механічних передачах. При цьому значення як при-
скорень, так і моментів у механічних передачах залежать від режи-
му роботи приводу (пуск або гальмування) і виду навантаження
(активне або реактивне). У цьому режимі прискорення становить
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
— г—(С/ + М).
ІЇ , V стоп с)
У режимах з обмеженням прискорення застосовують задавачі ін-
тенсивності ЗІ, які дають змогу формувати пускогальмівні режими
із заданим темпом зміни швидкості. У разі використання ЗІ систе-
ма в пускогальмівних режимах працює як слідкуюча за вхідним сиг-
налом, який надходить на вхід РШ від ЗІ. При цьому ступінь віднов-
лення вхідного сигналу в часі 6/3,(ґ) залежить від швидкодії контуру
швидкості, тобто від значення ашГрш.
Рис. 5.44
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Система двозонного керування
електроприводом ТП—ДПС
Ці системи двозонного керування застосовуються для електро-
приводів, які здійснюють регулювання швидкості як зміною напру-
ги якірного кола, так і зміною потоку збудження. У результаті
суттєво розширюється діапазон регулювання швидкості без збіль-
шення встановленої потужності двигуна. Для забезпечення високих
енергетичних показників електропривода швидкість в діапазоні О
від нуля до номінальної сон регулюється зміною напруги двигуна
при номінальному потоці збудження Фд н, а в діапазоні О, швидкість,
вища за номінальне значення, — зміною потоку збудження при
номінальній напрузі якірного кола £/дн, або ЕРС двигуна.
Зауважимо, що оскільки в номінальному режимі магнітна сис-
тема двигуна насичена, а за умови нагрівання допустимий струм
збудження /з6, можна збільшувати в незначних межах, то регулюва-
ти потік Фд можна тільки в напрямі його зменшення (Фд < Фдн).
Мінімальне значення потоку обмежується значенням Фдтіп, при
якому перебуває на допустимому рівні негативний вплив реакції
якоря і погіршення умови комутації, а швидкість двигуна не пере-
вищує допустиму за умови механічної міцності якоря.
Залежності швидкості у функції струму якірного кола «н(4)
наведено на рис. 5.45, а, а моменту на валу двигуна юд(М) і електро-
магнітної потужності од(Р) замкненої системи двозонного регулю-
вання з пропорційним регулятором швидкості та інтегральним за-
коном формування обмеження струму (/я.доп = /стоп) — на рис. 5.45, б.
Ці залежності зображені для випадку, коли максимально допус-
тимий струм /стоп є незмінним при роботі двигуна в другій зоні ке-
рування ПОТОКОМ, КОЛИ Фд < Фд,.
Щоб забезпечити необхідний режим охолодження, на всьому
діапазоні зміни швидкості довготривалим допустимим струмом має
бути номінальний струм /доп = /н. Оскільки двигун працює в першій
зоні керування напругою з номінальним потоком Фдн, то допусти-
мий момент залишається постійним •— Мд0„ = АФН/Н, а електромаг-
нітна потужність Р ЗМІНЮЄТЬСЯ пропорційно ШВИДКОСТІ — Р- Л/доп(Од.
Робота в другій зоні супроводжується зміною допустимого мо-
менту, значення якого пропорційне потоку двигуна /Идоп = АФД/Н,
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
Рис. 5.45
а допустима потужність залишається постійною і приблизно стано-
вить Рлоп = (Лн/Ян-
ДУ II я, п я.п
Автоматичний розподіл двох зон регулювання найпростіше ре-
алізується в системах із залежним керуванням потоку збудження, у
яких регулювання струму збудження /з6 здійснюється у функції
зв’язувального параметра. Цим параметром може бути напруга або
ЕРС двигуна.
Отже, застосування двозонного регулювання доцільно тоді, коли
моменти навантаження, що діють на механізм на високих швидкостях,
менші за моменти навантаження, які діють на швидкостях, менших
за номінальні. У таких випадках встановлена потужність двигуна
менша, ніж коли двигун забезпечує весь діапазон зміни швидкості
з номінальним потоком.
Структурну схему системи двозонного регулювання швидкості
обертання двигуна із залежним керуванням потоком збудження на-
ведено на рис. 5.46. Схема складається з двох систем: системи ре-
гулювання швидкості і системи регулювання збудження двигуна.
Зв’язок між ними забезпечує ЕРС двигуна. Контури системи побу-
довані за підпорядкованим принципом.
Система регулювання швидкості аналогічна двоконтурній СПР і
містить два контури:
• внутрішній — контур струму якірного кола (з регулятором РСЯ);
• зовнішній — контур швидкості (з регулятором РШ).
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.46
Система регулювання потоком збудження двигуна також скла-
дається з двох контурів:
• внутрішній — контур струму збудження (з регулятором РСЗ);
• зовнішній — контур ЕРС двигуна (з регулятором РЕ).
Слід зауважити, що некомпенсовані сталі часу системи регулю-
вання збудження значно більші від некомпенсованих сталих систе-
ми регулювання швидкості. Це визначається тим, що внутрішній
контур регулювання струму збудження охоплює магнітну систему
двигуна і до некомпенсованих сталих потрібно віднести еквівалент-
ну сталу вихрових струмів Гвс і потоку розсіяння Г5, значення яких
перебувають у межах Гцз = Гвс + = (0,05...0,1) Гз6, де Гз6 — стала
Рис. 5.47
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
часу обмотки збудження. У той же час некомпенсована стала
якірного кола сучасної системи ТП—Д Гмя = (0,003...0,01) с.
Оскільки системи регулювання швидкості і струму збудження
діють відносно незалежно, то і вибір типу регуляторів та розраху-
нок параметрів цих систем може здійснюватися цілком незалежно.
Вибір типу і розрахунок параметрів регуляторів струму якірного
кола РСЯ і швидкості двигуна РШ може здійснюватися за методи-
кою, наведеною раніше. Тому зосередимо увагу на виборі типу і
розрахунку параметрів регуляторів системи регулювання струму
збудження, що здійснюється за спрощеною структурною схемою
(рис. 5.47).
Силова частина системи збудження двигуна описується систе-
мою рівнянь, що в операторній формі має такий вигляд:
4б(р) =
п і-г . -Г \
''зб Р(*зб + *вс) + 1
Фд(р) = ^Ф^4б(Я
£-(р) = 7ГТ7^(р)’ =
г* * т\з'
(5.53)
Тут Гвс = (0,05...0,1) Гз6 — еквівалентна стала часу контуру вихрових
струмів двигуна; Гз6 = Сб/^зб — стала часу обмотки збудження двигу-
на, де £з6 = £зд + /.тз — індуктивність, /?з6 = Рзд + /?тз — активний опір
„ ДФ ...
обмотки збудження і силового кола; л.=---------и/з6 — коефіцієнт,
Цан)*
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
що визначає залежність потоку збудження Фд від струму збудження
двигуна /зб, де — кількість витків обмоток збудження на полюс;
а;.з = з6/Д£/к — коефіцієнт підсилення тиристорного збудника;
Гтз — еквівалентна стала часу тиристорного збудника.
Відповідно до системи рівнянь (5.53) здійснюють вибір типу і
розрахунок параметрів регуляторів РСЗ і РЕ за умови технічної оп-
тимізації контурів регулювання, яка забезпечує якісні динамічні по-
казники і задовільний запас стійкості системи. У контурі регулю-
вання струму збудження стала часу, що підлягає компенсації, є Гз6.
Еквівалентна компенсована стала часу контуру складається з
еквівалентних сталих вихрових струмів Гвс, розсіяння і тиристор-
ного збудника Гтз:
т — т + т + т
1 рз “ 9 ВХ ' 9 5 ~ 9 Т.З'
Виходячи з цього, передаточна функція регулятора РСЗ
ии (р)=
р(7-з6 + 7;с) + і^6
Р^Л^ЗвС
(5.54)
де асз — коефіцієнт оптимізації контуру збудження; Кзвсз — коефі-
цієнт передачі зворотного зв’язку за струмом збудження; Т^сз =
= (расзГцзКтз^всз)//?з6 — стала часу інтегрування регулятора РСЗ.
Пропорційна складова передаточної функції регулятора РСЗ
визначає швидкодію контуру і залежить від сталої часу збудження
Гз6 та некомпенсованої сталої 7рз. Перерегулювання перехідної ха-
рактеристики струму збудження залежить від вибору коефіцієнта
оптимізації асз. Технічна оптимізація контурів забезпечується при
асз = 2, що гарантує перерегулювання < 10 %, час регулювання
Гр= (4...5)Трз.
З урахуванням формули (5.54) передаточна функція замкненого
контуру струму збудження має вигляд
ІУД (р) = -/зб(- =-г—р Гв с-+1----
^.с.з(р) /Сз..„ Р*<л(рт;+1)+1
(5.55)
Наявність аперіодичної ланки з передаточною функцією И/(р) =
= Кзвсз/(рТвс + 1) у каналі зворотного зв’язку за струмом збудження
забезпечує форсування струму, необхідного для компенсації апе-
ріодичної ланки в контурі ЕРС (див. рис. 5.47).
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
Оптимізація контуру регулювання ЕРС базується на тому, що
при роботі в другій зоні ЕРС змінюється в незначних межах:
£д.я = = СОП5Ї.
Регулятор РЕ вибирають за умови «технічного оптимуму» конту-
ру і забезпечення інтегрального закону регулювання:
И£е(р) =
Км.с,3 1
РОЛсз*з.Л Р^.РЕ ’
(5.56)
де ЛРЕ = (ае^с.з^зв.е^з)/^з..е.з — стала інтегрування регулятора РЕ; ае —
коефіцієнт оптимізації контуру; Гмсз = осз Гмз — стала інтегрування
контуру струму збудження; — коефіцієнт передачі каналу зво-
ротного зв’язку за ЕРС; К3 = Кфсоб — передаточний коефіцієнт кола
збудження для базової швидкості двигуна <о6.
За базову швидкість, як правило, приймають максимальне зна-
чення со6 = <лтах. Це дає змогу забезпечити демпфування коливань
ЕРС при зміні потоку збудження.
З урахуванням виразу (5.56) запишемо передаточну функцію
замкненого контуру ЕРС у такому вигляді:
^У3 (р) = ___________________V
^з пп(Р) Рае с [рОс 7мз (р 7-рз +1) +1] + 1
Ч (5.57)
1//Сие
~ раеО,<р Т^с(расз7[,3 + 1) + 1 ’
де Ц = сотах/сод — діапазон регулювання швидкості потоком збуд-
ження; ф = Ф/Фн — відносне значення потоку, 1 >ф> 1/0,.
Стала часу інтегрування контуру ЕРС
7~\.е ~ ^Є^іФ ТрС.З*
Для швидкості ш = штах, що відповідає <р= 1/ОИ стала Тіе має опти-
мальне значення:
' і.е цс.з*
Коли двигун працює з номінальною швидкістю о> = о)н (ф = 1), ста-
ла інтегрування Т-е зростає в О, разів. На стільки зростає і ступінь
демпфування, що сприяє плавному переходу з другої зони в першу.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Відповідно до зміни потоку збудження змінюються і динамічні
властивості системи регулювання швидкості. У першу чергу це
пов’язано зі зміною електромеханічної сталої, яка зростає з послаб-
ленням потоку. Відповідно змінюється і швидкодія системи. Для
систем із високими вимогами до цього показника застосовують
адаптивні системи, які здійснюють зміну коефіцієнтів як системи
регулювання збудження, так і системи регулювання швидкості у
функції зміни швидкості при роботі привода в другій зоні. Стосов-
но впливу зміни потоку збудження на статизм механічної характе-
ристики можна сказати, що в системі регулювання з ПІ-регулятором
швидкості астатизм за швидкістю зберігається, змінюються лише
динамічні властивості системи. У системі з П-регулятором РШ ста-
тизм системи зростає з послабленням потоку збудження. У цьому
випадку значення статичної похибки
Асо3 = Д<о'3 / ф, (5.58)
де Дш' - , М —— статичний спад швидкості в системі при
(ХФн)2 т;м
номінальному зниженні потоку збудження; ф = Фд/Фдм — відносне
значення потоку збудження.
Принципову схему двозонного керування електроприводом за
системою ТП~Д наведено на рис. 5.48.
Система здійснює регулювання швидкості як в першій, так і в
другій зонах. Регулювання швидкості в першій зоні здійснюється
зміною напруги якірного кола Уя при підтриманні потоку збуджен-
ня на номінальному значенні ФД = ФДН. Зміна швидкості в другій зоні
забезпечується регулюванням потоку збудження (Фдн < Фд < Фдтіп)
при підтриманні ЕРС двигуна на постійному рівні. Перехід із пер-
шої зони в другу здійснюється за досягнення ЕРС або напруги дви-
гуна значення Ц = (0,95...1,05)£/н.
Крім того, система забезпечує:
• формування пускогальмівних характеристик;
• обмеження струму двигуна допустимими значеннями;
• обмеження максимальної швидкості;
• формування статичних характеристик із заданим етатизмом.
Живлення якірного кола двигуна здійснює реверсивний тирис-
торний перетворювач У31. Групи У31 зібрані за трифазною нульо-
вою схемою; з’єднання груп — зустрічно-паралельне із сумісним
керуванням групами.
? . Й >' ї'
й-
<• -й* З
5.2. Електромеханічні системи
Із замкненою схемою керування
іал
Рис. 5.48
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Живлення обмотки збудження двигуна забезпечує нереверсив-
ний тиристорний перетворювач У32, зібраний за мостовою одно-
фазною схемою.
Система керування напругою двигуна має два контури:
• внутрішній — контур струму з регулятором РС;
• зовнішній — контур швидкості з регулятором РШ.
Сигнал від’ємного зворотного зв’язку за струмом надходить на
вхід РС (резистор /?2с) від датчика струму ДСЯ, який підсилює сиг-
нал, знятий із вимірювального шунта ШЯ, і здійснює потенціальну
розв’язку. Сигнал від’ємного зворотного зв’язку за швидкістю над-
ходить на вхід РШ (резистор /?2ш) від тахогенератора ТГ через по-
тенціометр 77ш.
Система керування струмом збудження також має два контури:
• внутрішній — контур струму збудження з регулятором РСЗ;
• зовнішній — контур ЕРС з регулятором РЕ.
Сигнал від’ємного зворотного зв’язку за струмом збудження
надходить на вхід РСЗ (резистор /?2з) від датчика струму ДСЗ, який
підсилює сигнал, знятий із вимірювального шунта ШЗ, і здійснює
потенціальну розв’язку. Сигнал від’ємного зворотного зв’язку за
ЕРС надходить на вхід регулятора РЕ (резистор /?2е) від датчика ДЕ
через ланку «вибір модуля» ВМ.
Оскільки зміна напряму обертання двигуна здійснюється змі-
ною полярності тиристорного перетворювача якірного кола У81. то
для узгодження з нереверсивною системою керування збудженням
сигнал зворотного зв’язку за ЕРС надходить також через ланку ВМ.
Для обмеження мінімального значення струму збудження (мак-
симального значення швидкості отах) використовується ланка
«вибір більшого із сигналів» (ланка «АБО»), реалізована на діодах
УОЗ і У04. Через діод УОЗ надходить сигнал задання струму збуд-
ження Цсз через резистор /?13 на вхід РСЗ. Коли напруга (УРЕ на ви-
ході регулятора РЕ стає меншою за С/3.з6(Т1іп, діод УОЗ закривається, і
на вхід РСЗ надходить сигнал £4з6тіп.
Момент переходу системи електропривода в другу зону визна-
чається величиною сигналу задання £/зпп, що надходить на вхід ре-
гулятора РЕ (резистор /?1е). Для цього вихідна напруга регулятора РЕ
обмежена значенням 1/РЕтах. Обмеження регулятора здійснюється
стабілітронами У£>2. Вихідний сигнал регулятора РЕ є заданням для
5.2. Електромеханічні системи
із замкненою схемою керування
контуру струму, а максимальний сигнал 6/РЕтах задає номінальне зна-
чення струму збудження Цхз.н = (/рЕтах- Поки сигнал зворотного зв’яз-
ку за ЕРС буде меншим за (/зпп, доти регулятор РЕ перебуватиме в
насиченні, а система електропривода працюватиме в першій зоні.
Подальша робота системи регулювання ЕРС залежить від типу
регулятора РЕ.
У разі використання інтегрального регулятора він вийде з наси-
чення, коли сигнал І/ДЕ стане більшим за 6/зпп(6/зпп < 1/ДЕ). Напруга на
виході РЕ зменшується, відповідно зменшується і задання 1/зсз на
вході регулятора РСЗ. Система регулювання струму збудження від-
працьовує зменшення сигналу 6/зз6. Послаблюється потік двигуна і
швидкість його зростає. Зростання швидкості і відповідно ЕРС три-
ватиме доти, доки сигнали І/ДЕ і £/зпп не зрівняються. Система забез-
печуватиме стабільне значення ЕРС в усталеному режимі при всіх
значеннях швидкості в діапазоні сон < со < сотах.
ІІЛ.
У разі використання пропорційного регулятора РЕ система не
здатна забезпечити ЕА = сопзї і зі збільшенням швидкості значення
ЕРС буде спадати. Розбіжність ДЕ*= Едз- ЕЛ„ залежить від коефіцієнта
передачі контуру ЕРС.
Система регулювання струму збудження з регулятором РСЗ за-
безпечує:
• форсовану зміну струму збудження;
• стабілізацію струму збудження в усталених режимах.
Магнітна система обмотки збудження являє собою інерційну
ланку, еквівалентна стала часу Тз6 якої може становити кілька се-
кунд. Значення Гз6 залежить від потужності і типу двигуна. Тому для
прискорення електромагнітних процесів у системі збудження пе-
редбачають форсований режим зміни струму збудження. Це забез-
печується значним запасом тиристорного збудника за напругою
^збтах = ^ф^зб.н, ДО = 2...4 — коефіцієнт форсування за напругою,
а також високим коефіцієнтом передачі замкненої системи збуд-
ження.
Важливим чинником нормальної роботи системи регулювання
струму збудження є стабільність її параметрів. Застосування Пі-ре-
гулятора РСЗ забезпечує астатизм струму збудження відносно до
збурювальних чинників, таких як зміна активного опору обмотки
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
при зміні температури, коливання напруги живлення тощо. П-регу-
лятор може тільки зменшити вплив цих чинників на стабільність
заданого значення струму.
Керування швидкістю в першій і другій зонах здійснюється за
допомогою командоконтролера СКА, який перетворює кут поворо-
ту на сигнал певної фази і величини. Цей сигнал випрямляється
фазочутливим випрямлячем ФЧВ і з відповідним знаком надходить
через пасивний задавач інтенсивності на вхід регулятора РШ (резис-
тор Пасивний задавач інтенсивності складається з резисторів
і ємності Сф і забезпечує плавне зростання сигналу задання
на вході РШ.
Для роботи приводу в першій зоні сигнал задання £/зш не пови-
нен перевищувати значення коли ЕРС досягне значення, здат-
ного вивести регулятор РЕ з насичення. Подальше збільшення С/зш
спричинює збільшення ЕРС двигуна, і система переходить в режим
регулювання швидкості в другій зоні.
Щоб забезпечити астатизм швидкості в першій і другій зонах,
слід застосовувати ПІ—РШ.. Значення стопорного струму /стоп регу-
люється потенціометром Пш.
5.3
Електромеханічні системи
з асинхронним електроприводом
при фіксованій частоті живлення
Традиційно розрізняють способи регулювання швидкості, при
яких дія на двигун відбувається або зі сторони статора, або зі сто-
рони ротора. До перших належать: введення в коло статора актив-
них чи реактивних опорів, регулювання амплітуди, підведеної до
двигуна напруги, зміна кількості пар полюсів тощо. До других —
введення в коло ротора активного, індуктивного або активно-індук-
тивного опору, введення в коло ротора додаткової ЕРС та ін. Розг-
лянемо ті з них, котрі знаходять сьогодні застосування.
5.3. Електромеханічні системи з асинхронним
електроприводом при фіксованій частоті живлення
Використовуючи відому П-подібну схему заміщення АД, можна
записати такі вирази для його електромагнітного моменту:
м ~
3^/?'
О05 (/?1+/?2'/з)2 + (х1+Х2)2
3^:
20о (/?, ± 7/?,2 + (х1 + х')2) ’
(5.59)
(5.60)
Критичне значення моменту Л/кр настає при ковзанні
Можна сказати, що при заданому ковзанні з момент двигуна
пропорційний квадрату напруги живлення. Водночас критичне ков-
зання не залежить від напруги живлення. Отже, якщо змінювати
напругу живлення, то це вплине на механічну характеристику дви-
гуна (рис. 5. 49).
На рисунку наведено механічні характеристики механізму для
випадку постійного статичного моменту опору Мс] (штрихова лінія)
і для випадку вентиляторного характеру моменту навантаження Мс2
(суцільна жирна лінія).
Чр "
Рис. 5.49
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Аналізуючи ці характеристики, можна зробити такі висновки.
1. Змінюючи напругу живлення АД, можна керувати моментом
двигуна. Додамо, що напругу можна лише зменшувати відносно
номінального значення, тому що збільшення напруги призводить
до насичення магнітної системи двигуна і різкого зростання струму
статора, що є небезпечним із погляду нагрівання машини.
Плавне регулювання напруги живлення для керування момен-
том може використовуватися для формування пускових і гальмів-
них характеристик асинхронного двигуна. Нині широко відомі так
звані пристрої плавного пуску, де реалізований саме такий спосіб
керування моментом асинхронного двигуна з короткозамкненим ро-
тором.
2. Змінюючи напругу живлення АД, можна регулювати швид-
кість обертання електропривода. Дійсно, якщо двигун приводить у
рух механізм, то точка усталеного режиму роботи електропривода є
точкою перетину механічних характеристик двигуна і механізму.
Координати цих точок (одна з координат — швидкість) залежать від
напруги живлення двигуна.
3. Характер навантаження суттєво впливає на діапазон регулю-
вання швидкості. Якщо навантаження створює статичний момент,
що не залежить від величини швидкості, то регулювати (зменшува-
ти) швидкість можна до значень, які відповідають ковзанню, мен-
шому за критичне. У разі досягнення критичного ковзання настає
явище «перекидання» двигуна. Двигун звичайного виконання має
критичне ковзання Зкр (6... 15) %, тому діапазон регулювання швид-
кості є досить вузьким. Його можна розширити, використавши
асинхронний двигун із фазним ротором і постійно ввімкненим до-
датковим опором у колі ротора.
Сприятливішим є випадок вентиляторного моменту наванта-
ження, за якого можна отримати стійку роботу електропривода при
знаходженні точки усталеного режиму роботи навіть на так званій
нестійкій (зростаючій) частині механічної характеристики двигуна.
4. Одним із принципових недоліків указаного способу регулю-
вання швидкості є те, що при зменшенні напруги живлення і, як
наслідок, збільшенні ковзання зростають втрати в роторному колі
ДРрот, котрі чисельно дорівнюють потужності ковзання Р5:
АРрот = Р5 = Мо0$.
5.3. Електромеханічні системи з асинхронним
електроприводом при фіксованій частоті живлення
Це призводить до зменшення ККД установки і зростання темпера-
тури нагрівання машини. Щоб запобігти надмірному нагріванню
машини, потрібно обмежити час роботи на низьких швидкостях, а
також вибирати машину з надлишковою номінальною потужністю.
Низькі техніко-економічні показники такого способу регулю-
вання швидкості є основним чинником того, що нині цей спосіб
застосовується дуже рідко.
Тиристорний регулятор напруги
Нині для регулювання напруги живлення АД використовуються
тиристорні перетворювачі з фазовим керуванням. їх традиційно на-
зивають тиристорними регуляторами напруги (ТРН). Спрощену схе-
му класичного ТРН наведено на рис. 5.50.
Для регулювання вихідної напруги ТРН використовується фазо-
вий метод керування. Суть методу полягає в тому, що за допомо-
гою системи імпульсно-фазового керування формуються імпульси
керування тиристорами, фазове положення яких відносно відпо-
відної фазної напруги живлення зміщується на кут а. Мінімальний
кут а при керуванні асинхронними двигунами становить 15...20°, а
максимальний — 150°. Відлік кута відбувається відносно моменту
переходу відповідної фазної напруги через нуль.
Основним недоліком ТРН є те, що вихідна напруга і струм дви-
гуна несинусоїдні.
Середнє значення електромагнітного моменту залежить від
першої гармоніки напруги і струму. Вищі гармоніки струму пород-
жують пульсації моменту і спричинюють додаткове нагрівання
двигуна.
Рис. 5.50
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Пристрої плавного пуску
на основі тиристорного регулятора напруги
Прямий пуск АД, особливо двигунів великої потужності, пород-
жує кілька серйозних проблем. По-перше, великий пусковий струм
(кратність пускового струму досягає значень 6...8 /н) створює суттєве
навантаження для мережі живлення, викликаючи істотний спад
напруги. По-друге, пусковий струм створює значні електроди-
намічні й термічні навантаження для обмоток машини, що збіль-
шує ймовірність їх передчасного виходу з ладу. І нарешті, по-третє,
прямий пуск супроводжується різкими коливаннями електромаг-
нітного моменту двигуна, що породжує великі динамічні зусилля в
кінематиці установки. При прямому пуску, наприклад двигуна на-
соса, може виникнути явище гідравлічного удару, що спричинить
розрив трубопроводу.
Отже, при прямому пуску АД мають місце явища, котрі негатив-
но впливають на роботу двигуна, мережі і механізму. Частково
вирішити цю проблему можна, обмеживши пусковий струм маши-
ни. Для цього на початку пуску послідовно з обмоткою статора
вмикається додатковий опір або індуктивність, які після певного
часу шунтуються контактами пускового контактора. Використо-
вується також автотрансформаторний пуск та пуск із перемиканням
обмотки статора із зірки в трикутник.
Основним недоліком таких дій є те, що вони, розв’язуючи зада-
чу обмеження пускового струму, не забезпечують плавність пуску.
Нині ці задачі вирішуються успішно за допомогою пристроїв
плавного пуску, побудованих на основі ТРИ.
Якщо використати ТРИ і забезпечити на його виході плавне
зростання напруги під час пуску, це приведе до плавної зміни та
обмеження пускового моменту і струму двигуна. Плавне зростання
напруги можна одержати, застосувавши на вході системи імпульс-
но-фазового керування ТРИ задавач інтенсивності і(або) обмеживши
струм із використанням замкненого контуру регулювання струму.
Структурну схему такого пристрою плавного пуску наведено на
рис. 5.51.
Блок керування БК містить мікропроцесор, який керує при-
строєм. Для обмеження пускового струму на бажаному рівні фор-
мується зворотний зв’язок за струмом за допомогою трансформа-
торів струму ТС1 і ТС2 та випрямляча В.
5.3. Електромеханічні системи з асинхронним
електроприводом при фіксованій частоті живлення
Рис. 5.51
Використання мікропроцесора дає змогу, поряд із формуванням
процесів пуску і гальмування, реалізувати захист двигуна і перетво-
рювача, а також провести діагностику стану електропривода.
Для формування плавного пуску і гальмування мікропроцесор
реалізує функцію задавача інтенсивності, який задає темп зростан-
ня (при пуску) і спадання (при гальмуванні) напруги на клемах ста-
торної обмотки двигуна. Одночасно мікропроцесор контролює
струм і в разі досягнення ним заданої величини обмеження почи-
нає діяти контур регулювання струму. Обмеження струму спричи-
нює до обмеження пускового моменту двигуна і зменшення спаду
напруги в мережі.
Для механізмів зі значним моментом зрушення з місця в прист-
роях плавного пуску використовується так звана функція бустера.
Суть бустера полягає у тому, що на короткий час, який не переви-
щує кілька періодів кривої напруги, до двигуна прикладається підви-
щена (найчастіше — повна) напруга живлення, що дає змогу зруши-
ти з місця механізм. Потім напруга примусово зменшується і про-
цес пуску триває з темпом, що задається датчиком інтенсивності.
Криві напруги у, струму 7 та швидкості со при пуску двигуна та
при відсутності або наявності функції бустера відповідно зображені
на рис. 5.52, а, б.
Для гальмування можна застосувати або гальмування із заданою
інтенсивністю за допомогою поступового зменшення напруги жив-
лення, або динамічне гальмування шляхом подання в статорну об-
мотку постійного струму, або, нарешті, гальмування вільним вибігом.
До основних функцій захисту, що реалізуються за допомогою мікро-
процесора, належить насамперед захист від перегрівання пристрою
та двигуна. Тепловий захист двигуна реалізується за допомогою роз-
рахунку мікропроцесором температури за тепловою моделлю двигуна.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.52
Пристрої плавного пуску, як правило, оснащені діалоговою па-
нелькою з екраном, за допомогою якої можна налагоджувати при-
стрій під конкретний механізм, а також проводити постійний
моніторинг стану пристрою та двигуна. На дисплей можна вивести
напругу, струм, тепловий стан двигуна, кодові сигнали причин
аварійного вимикання пристрою тощо.
Повертаючись до проблеми плавного пуску, ще раз підкресли-
мо, що процес пуску формується плавним зростанням напруги з од-
ночасним контролем пускового струму. Це класичне рішення, яке
використовують більшість сучасних пристроїв плавного пуску.
Основним недоліком такого рішення є неможливість сформува-
ти лінійний закон зростання швидкості. У кінці розгону прискорен-
ня різко збільшується (див. рис. 5.52) через зростання пускового
моменту в зоні швидкостей, близьких до усталеного значення.
Оптимальним рішенням є пряме формування кривої пускового
моменту. Саме його і запропонувала фірма Зскпеісіег-Еіесігіс у
своєму пристрої Аііїзіагі 46, де використовується замкнена САР мо-
менту (рис. 5.53).
Ця система керування діє під час пуску і гальмування, формую-
чи в часі потрібну криву моменту двигуна. Біжуче значення момен-
ту визначається розрахунковим способом на основі методу балансу
потужностей. Як вихідні дані для розрахунку використовуються
номінальна потужність двигуна Рн, синхронна швидкість двигуна
со0, напруга живлення и, струм статора /, кут керування а (положен-
ня імпульсу керування тиристора відносно фазної напруги), кут ке-
рування у (положення імпульсу керування відносно моменту пере-
ходу через нуль фазного струму статора).
5.3. Електромеханічні системи з асинхронним
електроприводом при фіксованій частоті живлення
Рис. 5.53
У пристрої Аіїізіаії 46 керування напругою здійснюється у функції
кута у. Як показують дослідження, використання кута у замість а дає
змогу отримати стійку роботу двигуна при досягненні робочої швид-
кості, особливо при малих навантаженнях і жорсткій характеристи-
ці двигуна.
Через кут у можна знайти значення кута ф (рис. 5.54) і, отже,
визначити созф:
(р = а - у/2.
Обчисливши кут ф, мікропроцесор послідовно розраховує:
• активну потужність споживання двигуном
Ра = ЗЦУфсо5ф;
• електромагнітну потужність
електромагнітний момент
ш0
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
• момент на валу
/Ие - А/И,
де Д/И — момент втрат неробочого ходу. Момент втрат знаходиться
через номінальні значення електромагнітного моменту та моменту
на валу:
&М = М-М=^-^-.
сп Вп
Ч Ч
Діставши таким чином біжуче значення моменту, його викорис-
товують як сигнал зворотного зв’язку за моментом, який подають
на вхід регулятора моменту. На іншому вході формується сигнал за-
дання.
Отже, маючи систему автоматичного регулювання (САР) момен-
ту, під час пуску і гальмування формують такий закон зміни момен-
ту, щоби при заданому характері моменту опору сформувати
лінійний закон зміни швидкості.
Пристрій А/їізіаії 46, як і інші пристрої плавного пуску, надає
можливість формування пуску і гальмування через обмеження пус-
кового струму і формування лінійного закону зростання чи спаду
напруги на клемах двигуна. Вибір того чи іншого способу форму-
вання пускогальмівних характеристик залежить від конкретних
умов роботи виробничого механізму. Рішення приймає користувач
під час налагодження пристрою Аііізіагі 46.
5.3. Електромеханічні системи з асинхронним
електроприводом при фіксованій частоті живлення
ДСШРОИНО-ВШТШНИЙ
ЇДШАД
У разі використання в електроприводі асинхронного двигуна з
фазним ротором класичним рішенням для регулювання швидкості
є реостатний спосіб, коли в коло ротора вводиться регульований
реостат. Додаючи опір у роторне коло, збільшують величину кри-
тичного ковзання (див. формулу (5.59)) і відповідно нахил робочої
частини механічної характеристики, внаслідок чого при заданому
навантаженні швидкість двигуна зменшується.
Високу плавність регулювання швидкості можна дістати за ви-
користання методу широтно-імпульсного регулювання роторного
опору.
Реостатний спосіб має основний принциповий недолік — знач-
ні втрати потужності на опорах роторного кола. Дійсно, втрати в
роторі дорівнюють потужності ковзання Р5, котра, у свою чергу,
пропорційна ковзанню: Р$=/Исвоз.
Отже, при незмінному моменті навантаження зі зростанням
ковзання пропорційно збільшуються втрати в роторному колі. Так,
якщо при номінальному навантаженні ввести в ротор такий опір,
щоб швидкість обертання становила О,5со0, це відповідатиме ковзан-
ню з = 0,5, а втрати в роторному колі становитимуть приблизно
0,5Рн. Зрозуміло, що допускати такі втрати, особливо в разі елект-
роприводів великої потужності, не можна. Тому альтернативним
рішенням тут є застосування так званого асинхронно-вентильного
каскаду, за допомогою якого потужність ковзання з роторного ко-
ла повертається в мережу.
Принцип побудови схеми асинхронно-вентильного каскаду зоб-
ражено на рис. 5.55.
Знехтуємо для спрощення пояснення електричними втратами у
статорі АД. Тоді машина, споживаючи потужність із мережі Рп од-
ну її частину РД1 - з) перетворює на механічну і віддає на вал, іншу
^1$ ~ через каскад, складений із випрямляча В, інвертора І і транс-
форматора Тр, повертає назад у мережу. Трансформатор тут потрі-
бен для узгодження напруг ротора двигуна і мережі.
Щоб запобігти збільшенню габаритної потужності пристроїв,
які входять до складу каскаду, а також забезпечити досить вели-
кий пусковий момент двигуна, використовують реостатний пуск
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Мережа
Рис. 5.55
асинхронного двигуна. Під час пуску контакт перебуває в замк-
неному стані, у коло ротора вводяться пускові опори і /?2, котрі
в процесі розгону шунтуються послідовно контактами та К2. Та-
ка особливість пуску, звичайно, ускладнює схему керування при-
строєм.
Позначимо через £н фазну ЕРС обмотки при нерухомому роторі
АД, 6/м — фазну напругу мережі, — напругу на виході випрямля-
ча, Е# — вхідну напругу інвертора.
Нехай електромеханічна система перебуває в рівновазі при
швидкості двигуна сор Цій швидкості відповідає ковзання з15 ЕРС
ротора Еу = напруга на виході випрямляча = КиЕи$^ де ки —
коефіцієнт випрямлення схеми випрямляча (наприклад, для мосто-
вого трифазного випрямляча /с„=2,34).
Вхідна напруга інвертора, веденого мережею Едп визначається
напругою мережі 6/м, коефіцієнтом трансформації трансформатора
/стр, коефіцієнтом схеми інвертора ки та кутом керування а:
Е.# =-^Ч/м соз а.
Ар
В усталеному режимі вихідна напруга випрямляча має дорівню-
вати вхідній напрузі інвертора (приймаємо, що статичні перетворю-
вачі ідеальні). Отже,
А3і=-г’{/«СО5 аі-
Ар
5.3. Електромеханічні системи з асинхронним
електроприводом при фіксованій частоті живлення
Звідси ковзання
& = ———соз а1
к Е
лтр
(5.62)
Як видно, зміною значення кута керування а можна одержати
нове значення ковзання з, якому відповідає нове значення устале-
ної ШВИДКОСТІ (О = юо(1 - 5).
Механічні характеристики асинхронного двигуна для різних
значень кута а зображені на рис. 5.56. Вони виходять із точок, що
відповідають швидкості неробочого ходу сод = <о0(1 - 5). Величина ков-
зання визначається згідно з виразом (5.62).
Зі зростанням навантаження величина ковзання збільшується.
Це пояснюється спадом напруги у двигуні й у колі перетворювачів.
Отже, жорсткість механічних характеристик є низькою, що
спричинює значні коливання швидкості при зміні навантаження.
Тому для практичного застосування асинхронно-вентильного кас-
каду використовують замкнені САР швидкості.
Зазначимо, що свого часу широко застосовували двоконтурні
системи підпорядкованого керування з контурами струму та швид-
кості.
Асинхронно-вентильний каскад дає змогу регулювати швидкість
двигуна навіть за відсутності навантаження, чого не можна досягти
при реостатному способі. На відміну від останнього енергія ковзан-
ня не втрачається в роторному колі у вигляді тепла, а її більша час-
тина повертається в мережу, проходячи послідовно через випрямляч,
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
інвертор і трансформатор. Тому габаритна потужність цих прист-
роїв визначається потужністю ковзання
За реальних умов експлуатації діапазон регулювання швидкості
обмежується значенням £) = 1,5...2, що відповідає ковзанню з =
= 0,3...0,5. Тоді усталена потужність усієї установки становитиме
^Уст = ^н.Дв + (0,3...0,5)(Рвипр + РІНВ + Ртр) = (1,9...2,5)РНДВ,
Де ^н.дВ ~ номінальна потужність двигуна; Рвипр — потужність ви-
прямляча; РІНВ —- потужність інвертора; Ртр — потужність трансфор-
матора.
Значна усталена потужність асинхронно-вентильного каскаду і
є, власне, основним чинником, що зумовлює обмеження діапазону
регулювання швидкості.
Враховуючи те, що енергія ковзання може проходити лише в
одному напрямі (від ротора до випрямляча), асинхронно-вентиль-
ний каскад може працювати лише з ковзанням з>0. Тому наведена
вище схема не може забезпечити роботу зі швидкістю, більшою за
синхронну.
Зауважимо, що асинхронно-вентильний каскад знайшов своє
застосування в 70—80-х роках XX ст. для потужних приводів
(сотні—тисячі кіловат) насосів і компресорів. Нині він за техніко-
економічними показниками поступається частотно-керованому
асинхронному електроприводу. Тому в нових розробках асинхрон-
но-вентильний каскад майже не використовується.
ЖЛШИНД ПОДВІЙНОГО
ЖЮШШ
Одним із основних недоліків схеми асинхронно-вентильного
каскаду, як уже зазначалося, є неможливість роботи електроприво-
да зі швидкістю, більшою за синхронну. Позбутися цього недоліку
можна, використавши підімкнення ротора машини до мережі через
перетворювач частоти (рис. 5.57).
Найчастіше як перетворювач частоти використовують цикло-
конвертор — безпосередній перетворювач частоти. У цьому разі
отримують машину подвійного живлення.
Використання безпосереднього перетворювача частоти дає змогу
пропускати енергію ковзання у двох напрямах, забезпечуючи роботу
машини зі швидкістю, більшою або меншою за синхронну. Більш
того, при нульовому ковзанні одержуємо режим синхронної машини.
5.3. Електромеханічні системи з асинхронним
електроприводом при фіксованій частоті живлення
Можливі варіанти роботи асинхронної машини подано в табл. 5.1
Таблиця 5. /
- ... . . — - - Механічна потужність Рмех Потужність статора Р, Потужність ковзання Р1л Швидкість (ковзання)з Режим роботи машини
р >0 ' мех > 0, Р} > Рмех Р15>0 0< з< 1 Двигунний
^мех > 0 Ру > 0, Р} < Рмех Р5з<0 5<0 «
аех < о Р, > 0, Ру > Р„ех, |А| > іАехі Р}5 < 0 л <л А і Генераторний
< 0 Рі < о, Р, > Рцаі, |А| < |Аех| Р,5>0 5 < 0 «
Принциповим недоліком електропривода з машиною подвійно-
го живлення є обмежений діапазон регулювання швидкості. При
діапазоні £)> 2—3 потужність перетворювача стає сумірною з по-
тужністю двигуна. Тому, враховуючи всі техніко-економічні показ-
ники, раціональнішим є використання частотно-керованого елект-
ропривода з асинхронним короткозамкненим двигуном.
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
5.4
Електромеханічні системи
з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Машини змінного струму знайшли широке застосування в про-
мисловості, сільському господарстві та побутовій техніці. Розвиток
напівпровідникової техніки спричинив широке використання
електроприводів із двигунами змінного струму, побудову нових сис-
тем керування цими електродвигунами. Порівняно із системами ке-
рування електроприводами постійного струму системи керування
електроприводами змінного струму більш різноманітні.
Найпоширенішими машинами змінного струму є синхронні та
асинхронні. Для їх регулювання широко застосовують принципи
частотного керування. При цьому використовують два канали дії —
за напругою і частотою. Це дає змогу одержати прийнятні характе-
ристики електроприводів.
Синхронна машина
Синхронна машина розвиває електромагнітний момент М, якщо
поля статора Ф5 і ротора Ф, обертаються з однаковою швидкістю та
мають просторовий зсув на кут V» не дорівнює нулю:
М—Ф5Ф,зіп (5.63)
Поле ротора створюється постійним струмом обмотки збуджен-
ня або постійними магнітами. Відповідно воно є фіксованим від-
носно ротора та обертається з електричною швидкістю <лг = р£Іп де
р — число пар полюсів, а Д - механічна кутова швидкість ротора.
Поле статора створюється струмом статора і має кутову елект-
ричну швидкість со0 = 2тг/, де / — частота струму статора.
їх» Я
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
В усталеному режимі сщ = со0. Якщо через якусь причину синх-
ронізм полів порушується, сог^со0, а просторовий кут ц/ стає функ-
цією часу. При цьому момент становить
М = Ф3Ф/$іп (со0-соЛ)Г + у
(5.64)
і має нульове середнє значення.
Машина сповільнює швидкість під дією моменту опору до зу-
пинки, де вона перебуває в режимі короткого замикання. Отже, має
місце так зване явище перекидання синхронного двигуна.
Втрата синхронізму може мати місце, наприклад, внаслідок
зміни (оЛ під дією швидкої зміни моменту навантаження.
Вона також може наступити при постійній швидкості обертан-
ня ротора під дією плавної зміни навантаження, коли момент на-
вантаження стає більшим за максимально можливе значення синх-
ронізуючого моменту двигуна, тобто коли \р > л/2.
Крім того, втрата синхронізму може мати місце внаслідок швид-
кої зміни ш0, коли ця зміна є бажаною (наприклад, бажають отри-
мати іншу механічну характеристику двигуна, змінюючи частоту
струму статора).
Останній випадок є найцікавішим, оскільки частотне керування
є по суті єдиним способом створення регульованого привода на базі
синхронної машини. Знайти підхід до вирішення проблеми тут
можна за допомогою аналізу роботи машини постійного струму.
Відомо, що ЕРС, наведена в якорі, є знакозмінною величиною,
що має частоту, яка визначається швидкістю обертання якоря.
Відповідно і струм якоря має таку саму частоту зміни напрямку в
секції обмотки якоря. Отже, ці величини синхронні до швидкості
двигуна постійного струму. Дійсно, коли, наприклад, швидкість
двигуна змінюється під дією навантаження, частота електричних
величин якоря слідує автоматично за частотою обертання завдяки
колекторові, жорстко зв’язаному з якорем.
Така особливість роботи машини постійного струму підказує
рішення для випадку синхронної машини. Щоб підтримувати синх-
ронізм машини, тобто мати ш0 = сог = £Іг/р, слід засинхронізувати
частоту живлення машини зі швидкістю обертання ротора. Це мож-
на реалізувати, якщо синхронний двигун живити від автономного
інвертора, частота перемикань ключів якого задається датчиком по-
ложення ротора синхронної машини.
17 5‘70
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Реалізований таким чином процес керування синхронним дви-
гуном називається режимом автокерування, а сама синхронна ма-
шина дістала назву вентильного двигуна.
Повернемось знов до роботи двигуна постійного струму. Заува-
жимо, що машину постійного струму можна розглядати як оберне-
ну синхронну машину з нульовою частотою обертання магнітного
поля. Поле збудження створюється нерухомою обмоткою збуджен-
ня, розміщеною на статорі. Поле можна змінювати, регулюючи
струм збудження. Поле якоря також фіксоване в просторі і спрямо-
ване по осі щіток. Частота пульсацій струму якоря со0 = сол--Ог/р при
будь-якій швидкості обертання якоря. Між полями збудження та
якоря існує незмінний кут л/2; отже, електромагнітний момент ма-
шини має максимальне значення за умови, якщо щітки розміщені
на нейтралі, а реакція якоря є скомпенсованою.
На відміну від машини постійного струму в синхронній машині
кут може бути додатковою змінною для регулювання моменту.
Для цього слід реалізувати автоматичне регулювання положення
поля статора у функції положення поля ротора і забезпечити мож-
ливість регулювання кута зсуву між цими полями.
Для реалізації принципу автокерування потрібно мати датчик
положення з пристроєм, що реалізує фазовий зсув, а також джере-
ло регульованої частоти, яка має бути синхронізованою із задаваль-
ним сигналом.
Використання названого вище принципу усуває проблему
нестійкості синхронної машини. Однак для досягнення високих ди-
намічних властивостей електропривода із синхронним двигуном
слід забезпечити також автоматичне регулювання моменту.
Розглянуті способи такого регулювання (регулювання полів ста-
тора і ротора, тобто струмів статора і ротора, а також кута зсуву між
ними) незалежні один від одного, а також від частоти живлення.
Вони можуть бути реалізовані відповідним керуванням перетворю-
вача частоти, котрий, виступаючи як джерело напруги або струму,
живить синхронну машину.
Асинхронна машина
Асинхронна машина за своїм принципом є індукційною. У ро-
торі наводяться (індукуються) струми, частота яких визначається
5-4. Електромеханічні системи з частотно-керовоними
електроприводами змінного струму
частотою обертання поля статора і частотою обертання ротора. Поле
ротора є рухомим відносно ротора. Частота обертання поля ротора
відносно ротора со5/ = рЛ0з (індекс з/ означає ковзання).
Отже, абсолютна швидкість обертання поля ротора в просторі
дорівнює соз//р + О0з + О0(1 - з) = 0О. Тобто, на відміну від синх-
ронної машини, в асинхронному двигуні поля статора і ротора за-
лишаються синхронізованими завдяки тому, що частота наведено-
го в роторі струму змінюється автоматично зі зміною швидкості ро-
тора, і це для того, щоб компенсувати цю зміну.
Для керування асинхронною машиною використовуються, як і
в разі синхронної машини, два принципи: пряме керування часто-
тою статора та автокерування.
У разі прямого керування задається безпосередньо частота струму
і напруга або струм статора залежно від характеру джерела живлен-
ня (перетворювача частоти).
У разі автокерування частота струму, напруга або струм статора
регулюються у функції швидкості ротора, підтримуючи залежність
<»о = ^р/Р +
Спрощену структурну схему системи автокерування наведено на
рис. 5.58: Р — функціональний перетворювач; ПЧ — перетворювач
частоти; М — електродвигун; ТГ — тахогенератор.
Частота ковзання <оз/ є вхідною змінною системи. На відміну від
синхронної машини в асинхронного двигуна немає проблеми синх-
ронізації напруги та струму статора відносно ротора, оскільки в АД
параметри, що визначають момент, амплітуду двох полів та їхній
зсув, є залежними між собою. Вони залежать також від швидкості.
Справді, три змінні можна звести до двох, тому що поля стато-
ра і ротора зв’язані між собою явищем індукції. Можна, наприклад,
4(4)
«Р/р
Рис. 5.58
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
залишити як регульований параметр поле статора і частоту ковзан-
ня (абсолютне ковзання).
У цьому випадку можна говорити про автокерування АД, адже
частота живлення ео0 автоматично регулюється у функції частоти
ротора сОд = £1р/р-
Розглядаючи такий спосіб керування, можна говорити про ска-
лярне керування, оскільки крім частоти со0 регулюється амплітуда
напруги або струму статора. Якщо ж контролюється і амплітуда, і
фаза векторної величини, то маємо векторне керування.
Поняття про векторне керування
А
Цілком логічним є бажання створити електропривод з асинх-
ронним короткозамкненим двигуном — електричною машиною,
простою і надійною за своєю конструкцією, який мав би високі
статичні й динамічні показники регулювання, наприклад, такі, які
має двигун постійного струму незалежного збудження. Виникає за-
питання: чому двигун постійного струму легко піддається керу-
ванню і дає змогу створити високодинамічний електропривод?
Щоб відповісти на нього, слід нагадати, як створюється й контро-
люється електромагнітний момент двигуна постійного струму.
Відомо, що електромагнітний момент машини постійного струму
М=кФІа.
Тут к = —— — конструктивний параметр машини, де р — число
2ка
пар полюсів; N — число провідників якоря; а — число паралельних
гілок обмотки; Ф — магнітний потік, що охоплюється витком об-
мотки якоря; /о струм якоря.
Зауважимо, що для двополюсної машини потік, охоплений вит-
ком, є максимальний, коли вісь витка збігається з віссю полюсів.
Добуток АФ являє собою потокозчеплення якоря Т, котре зали-
шається незмінним при обертанні якоря, оскільки завдяки колек-
торові витки при обертанні якоря весь час заміняються на інші. Отже,
можна записати, що
Оскільки момент є результатом дії поля, створеного обмоткою
збудження, на струм якоря, то можна зобразити ці величини
як просторові вектори. Вектор поля буде спрямований по осі си-
метрії полюсів ОХ, а вектор струму — по осі симетрії розподілу
струму в якорі ОУ (рис. 5.59, а). Отже, якщо спрямувати вектор
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
потокозчеплення Т по осі ОХ, а вектор струму /по осі ОЕ(рис. 5.59, б),
можна вектор моменту записати як результат векторного добутку:
М = / л 4х.
Напрям вектора М зв’язаний, згідно з відомим правилом правої
руки, з напрямом обертання, що матиме машина під дією
відповідного моменту.
Оскільки вектори струму і потокозчеплення ортогональні, то
керування ними є роздільним (чого немає в асинхронній машині,
де струм статора має складову, яка створює магнітний потік).
Якщо підтримувати магнітний потік незмінним, то електро-
магнітний момент машини стає пропорційним струмові.
Отже, машина постійного струму має два роздільні (і незалежні)
канали керування. Це дає змогу створити систему керування з ви-
сокими статичними й динамічними показниками регулювання.
При застосуванні скалярного керування до асинхронної маши-
ни магнітний потік і електромагнітний момент є функцією напру-
ги, що прикладається до статора (при живленні від джерела напру-
ги), або струму статора (при живленні від джерела струму).
Можна сказати, що керування двома змінними не є роздільним
і це не дає змоги отримати високі динамічні властивості системи
керування й електропривода в цілому.
Подолати цей недолік можна, якщо використати техніку керу-
вання, подібну до тієї, яка має місце в машині постійного струму,
а саме: слід розділити керування магнітним потоком і керування
електромагнітним моментом. Це, власне, і є техніка векторного ке-
рування.
।
Рис. 5.59
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
особливості структур
СИЛОВОГО КОЛА ТА КЕРУВАННЯ
ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ЧАСТОТИ
ДЛЯ МАШИН ЗМІННОГО СТРУМУ
В електроприводах змінного струму використовуються чимало
перетворювачів частоти. Розглянемо найпоширеніші з них.
Безпосередні перетворювачі частоти
Нині клас безпосередніх перетворювачів частоти (БПЧ) об’єднує
так звані циклоконвертори та матричні перетворювачі. Матричні
перетворювачі практично ще «не вийшли» зі стін науково-дослід-
них лабораторій, тому розглянемо застосування циклоконверторів.
Циклоконвертор містить реверсивні тиристорні перетворювачі,
котрі об’єднані так, що на виході формується трифазна система
випрямлених напруг, середнє значення яких змінюється за сину-
соїдним законом. Вихідна частота основної гармоніки може зміню-
ватися майже від нульового значення до 20...25 Гц. Обмеження
верхнього значення для вихідної частоти Г зумовлене необхідністю
обмеження впливу низькочастотних гармонік напруги на роботу
електричної машини.
Нехай тиристорний перетворювач, що входить до складу цикло-
конвертора, виконаний за трифазною мостовою схемою. При не-
змінному куті регулювання а на його виході діє постійна складова
випрямленої напруги та вищі гармоніки напруги рангу б/сА Коли
кут а змінюється з бажаною частотою на виході реверсивного ТП
діє напруга, що має основну гармоніку Г, а також цілу сім’ю гар-
монік 4 = 6Аг/± (2к' - 1)/7, де к' = 1, 2, 3,...
Величина кожної з цих гармонік змінюється у функції вихідної
частоти У7, фазового зсуву струму <рї, глибини регулювання вихідної
напруги г. Глибина г визначається відношенням амплітуди першої
гармоніки вихідної напруги и[У} до середнього значення випрямле-
ної напруги 640, яке має місце при куті а = 0.
Найбільш неприйнятними є гармоніки низьких частот, оскіль-
ки саме вони є основною причиною, яка обмежує вихідну частоту
перетворювача. Якщо частота гармонік близька до нуля, то, навіть
коли їхня амплітуда дужа мала, струм у навантаженні від цих гар-
монік обмежується лише активним опором обмоток машини. Цей
струм і є причиною додаткового нагрівання машини та пульсацій її
5.4. Електромеханічні системи з чостотно-керовоними
електроприводами змінного струму
моменту. Отже, слід обмежити відношення /'//до такого рівня, аби
всі гармоніки напруги, які мають достатньо велику амплітуду, мали
б відносно велику частоту.
Для т = 6 найбільш неприйнятною є гармоніка з частотою
6/...15 /'. Її амплітуда може досягти кількох відсотків від а час-
тота наближується до нуля, коли /' прямує до 0,4/.
Якщо треба, щоб гармоніка 6/...15/' залишалася завжди вищою
за /, потрібно обмежити /' таким значенням /' , що 6/-15Л' =/.
Звідки /т'ах = //3 = 16,3 Гц.
Аналогічна ситуація з гармоніками має місце для вхідних стру-
мів БПЧ. Якщо БПЧ містить шість мостових груп ТП і живить три-
фазне симетричне навантаження, то вхідні струми матимуть:
• основну гармоніку і гармоніки з частотою /„ = /+6/ґ/';
• гармоніки рангу /„ = (6/с± 1) ± Ьк'Г,
При заданому вихідному струмі величина гармонік залежить від
г, <р', але не залежить від /'. Амплітуда гармоніки вхідного струму
спадає зі зростанням к та к’. Найбільш несприятливо діють гар-
моніки низької частоти, оскільки вони відповідають коливанням
низької частоти вхідних струмів.
Циклоконвертор є засобом одержання дуже низьких частот для
електроприводів механізмів великої потужності, які потребують
низької регульованої швидкості. Щоправда, високий рівень і різно-
манітність гармонік вихідної напруги та вхідних струмів, особливо
наявність гармонік низької частоти, робить неможливим їхню
фільтрацію з усіма витікаючими звідси негативними наслідками.
Перетворювачі частоти з проміжною
ланкою постійного струму
Цей тип перетворювачів здійснює двократне перетворення
енергії. Спочатку змінний струм фіксованої частоти мережі вип-
рямляється за допомогою некерованого (діодного) випрямляча або
керованого (тиристорного або транзисторного) перетворювача, а
потім за допомогою автономного інвертора відбувається зворотне
перетворення. При цьому на виході отримуємо регульовані частоту
та напругу або струм.
Принцип роботи перетворювачів частоти такого класу детально
розглянутий у главі 2, тому зупинимося лише на особливостях
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
побудови структури силового кола та керування перетворювачем
частоти відповідно до вимог і стратегії частотного керування елект-
ричних машин змінного струму. Серед цих вимог найголовнішими
є такі:
• формування квазисинусоїдної напруги або струму в широкому
діапазоні вихідної частоти (частота може змінюватися від ну-
ля до 100 Гц і вище);
• регулювання вихідної напруги або струму відповідно до прий-
нятої стратегії частотного керування;
• забезпечення чотириквадрантного режиму роботи двигуна;
• обмеження, за можливістю, впливу гармонік вхідних струмів
на мережу та вихідних струмів на роботу двигуна.
Як відомо, є два великі типи перетворювачів частоти з проміж-
ною ланкою постійного струму: перетворювачі частоти з автоном-
ним інвертором напруги (ПЧ з АІН) і перетворювачі частоти з авто-
номним інвертором струму (ПЧ з АІС). Перший тип перетворю-
вача має властивості джерела напруги. Він формує на виході періо-
дичну криву напруги, а форма струму визначається властивостями
навантаження. Другий тип перетворювача забезпечує на виході
певну, наперед задану форму струму, а напруга залежить від влас-
тивостей навантаження. Вибір того чи іншого типу перетворювача
залежить від прийнятої стратегії керування асинхронною чи син-
хронною машиною.
Перетворювачі частоти з автономними інверторами напруги. Струк-
тура силового кола ПЧ з АІН визначається трьома чинниками: типом
напівпровідникових комутаторів (ключів), що використовуються в
інверторі напруги, способом регулювання вихідної напруги та спо-
собом реалізації чотириквадрантного режиму роботи навантаження
(машини змінного струму).
Зауважимо, що перше покоління автономних інверторів напру-
ги використовувало як ключі одноопераційні силові тиристори:
промисловість у той час не виготовляла повністю керовані потужні
силові напівпровідники, такі як силові тиристори ОТО або силові
транзистори типу ЮВТ.
Структурну схему силового кола перетворювачів з АІН наведено
на рис. 5.60.
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Мережа
Керування і!
Керування ї
а
Мережа
Керування О Керування /
б
Рис. 5.60
Регулювання вихідної частоти АІН відбувається зміною трива-
лості циклу роботи ключів інвертора напруги. Сам інвертор вико-
нується за трифазною мостовою схемою.
Використання одноопераційного тиристора як ключа потребує
застосування додаткових кіл для примусового запирання тиристора.
Такий інвертор найчастіше працює за законом пофазної комутації
(закон я), формуючи на виході знакозмінну ступінчасту напругу,
амплітуда якої визначається вхідною напругою інвертора. Тому для
регулювання амплітуди вихідної напруги потрібно змінювати вхідну
напругу.
У першій структурній схемі ПЧ (рис. 5.60, а) цю функцію вико-
нує вхідний тиристорний перетворювач ТП. Друга схема (рис. 5.60, 6)
Для випрямлення струму використовує діодний випрямляч В, тому
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
для регулювання вхідної напруги інвертора між ним та випрямля-
чем розміщений широтно-імпульсний перетворювач ШІП.
Ступінчаста вихідна фазна напруга містить основну гармоніку з
діючим значенням
(/<1>=
ТІ
(де — середнє значення вхідної постійної напруги) та вищі не-
парні гармоніки, за винятком третьої та кратні трьом,
п
де /7=5, 7, 11,...
Низькочастотний спектр вихідної напруги не дає можливості
індуктивностям обмоток електричної машини змінного струму сут-
тєво згладити струм. Це спричиняє додаткове нагрівання машини
та пульсації електромагнітного моменту, і відповідно не дає змоги
працювати на низьких швидкостях.
Отже, діапазон регулювання швидкості приводи обмежений, а
через додаткове нагрівання також неможливе повне використання
електричної машини за потужністю.
Технологічна революція в силовій електроніці у 80-х роках XX ст.
привела до появи швидкодіючих, повністю керованих напівпровід-
никових ключів — тиристорів ОТО (баІе-Тигп-ОН), тиристорів ЮСТ
(Іпїедгаїесі Оаіе Соттиїаїед ТЬугізіог) та силових транзисторів ЮВТ
(Іпзиіаіесі Оаіе Віроіаг Тгапзізіог). Це дало змогу створити принципо-
во новий тип автономного інвертора, де використовується принцип
широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) вхідної постійної напруги
(див. главу 2). Залишаючи той самий закон керування (закон л),
ключі примушують переривати коло багато разів протягом періоду,
що відповідає заданій вихідній частоті. Частота комутації досягає
значень 12... 16 кГц.
Використання в автономному інверторі принципу широтно-
імпульсної модуляції дозволяє формувати вихідну напругу, основна
гармоніка якої має задану амплітуду і частоту (рис. 5.61).
Застосування АІН з ШІМ, де використовується висока несуча час-
тота, у свою чергу, дає змогу отримати на його виході модульовану
напругу, яка крім основної гармоніки містить також вищі гар-
моніки. Проте частота цих гармонік зміщена в область вищих час-
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
тот порівняно з попереднім типом інверторів. Враховуючи фільтру-
вальні властивості обмоток машин змінного струму, можна сказа-
ти, що струм у статорі машини має практично синусоїдну форму,
суттєво зменшуючи пульсації моменту на низьких швидкостях
обертання. Це дає можливість одержати широкий діапазон регулю-
вання швидкості.
За допомогою сучасних систем автоматичного керування (САК)
електроприводів змінного струму з використанням перетворювачів
частоти з АІН із ШІМ можна одержати діапазон регулювання швид-
кості, який має значення до 1 000 та більше.
Чотириквадрантний режим роботи електричної машини накла-
дає певні умови як на роботу, так і на структуру силового кола ПЧ
з АІН.
Нехай від ПЧ живиться асинхронний двигун. Активна потуж-
ність, яку споживає двигун,
Р = ЗІ/(1)/(1)СО5ф(1\
де 6/(1) — основна гармоніка напруги на виході ПЧ; /(1) — основна
гармоніка струму; <р(1) — фазовий кут між і/(1) та ф{1).
Коли ср(1) < 90°, асинхронна машина споживає активну потуж-
ність, працюючи в режимі двигуна. У разі зменшення частоти на
виході ПЧ синхронна швидкість стає меншою за швидкість ротора,
відносна швидкість ротора змінює знак, що зумовлює фазовий зсув
струму ротора і відповідно статора. Кут ф(1) стає більшим за 90°, дви-
гун переходить у генераторний режим, віддаючи активну енергію у
ПЧ. При цьому АІН переходить у режим керованого випрямляча.
Оскільки вхідна напруга інвертора зберігає знак, то зміна напряму
передавання потужності через інвертор свідчить про те, що вхідний
Мережа
Керування і/,/
Рис. 5.61
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
струм змінює знак. Виникає проблема: куди віддавати потужність у
колі постійного струму? Логічним є рішення рекуперувати цю по-
тужність у мережу.
Якщо ПЧ має керований або некерований випрямлячі, що не
можуть пропускати струм у зворотному напрямі через вентильні
властивості тиристорів і діодів, то для передавання енергії в мере-
жу потрібно підімкнути до випрямляча за антипаралельною схемою
керований ТП (рис. 5.62).
Більшість виробників ПЧ з АІН і використанням ШІМ прагнуть
уникнути такого ускладнення вхідного кола, залишаючи на вході
лише діодний випрямляч. Вони пропонують два рішення для ре-
алізації рекуперативного режиму роботи електричної машини.
У першому випадку рекуперована активна потужність акуму-
люється в буферному конденсаторі. Такий спосіб можливий для ко-
роткочасного режиму гальмування електричної машини, оскільки
він спричинює зростання напруги на конденсаторі, яка може досяг-
ти небезпечних значень як для конденсатора, так і для напівпро-
відникових приладів.
У другому випадку, коли потрібно рекуперувати велику кіль-
кість енергії, до вхідного кола інвертора через напівпровідниковий
ключ підмикається опір, на якому ця енергія і розсіюється (рис. 5.63).
Ключ К, працюючи в режимі ШІМ, регулює струм в опорі /?, тобто,
фактично, гальмівний момент машини.
Зауважимо, що аналіз наведених вище схем проведено для дво-
квадрантного режиму роботи електричної машини, тобто для режи-
му двигуна і генератора.
Керування
Рис* 5*62
5.4, Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Для забезпечення чотириквадрантного режиму потрібно зміню-
вати напрям обертання машини. Це реалізується за допомогою схе-
ми керування інвертором і зміни порядку чергування фаз вихідної
напруги ПЧ.
Нарешті, не можна не згадати так звану симетричну схему си-
лового кола ПЧ, котра забезпечує перетікання потужностей в обох
напрямах: від мережі до двигуна, і навпаки (рис. 5.64).
Ця схема — два керовані перетворювачі, виконані за ідентичною
трифазною мостовою схемою з використанням повністю керованих
ключів. Обидва перетворювачі використовують режим широтно-
імпульсної модуляції для регулювання напруги і (або) струму. Коли
електрична машина працює в режимі двигуна, перший перетворювач
Мережа
Керування
Керування
Рис. 5.64
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
виконує функцію керованого випрямляча, а другий — автономного
інвертора. За генераторного режиму електричної машини режим
роботи перетворювачів змінюється на протилежний.
Така структура ПЧ використовується в електроприводах меха-
нізмів, які працюють у динамічних режимах розгону, гальмування і
реверсування з високими темпами зміни швидкості і в широкому
діапазоні зміни навантаження.
Перетворювачі частоти з автономними інверторами струму. Пере-
творювачі частоти з автономним інвертором струму широко застосо-
вуються в електроприводах змінного струму. Пояснюється це тим,
що одним із відомих принципів частотного керування є так зване
частотно-струмове керування. Цей принцип потребує, щоб одно-
часно зі зміною частоти змінювався за певним законом струм об-
мотки статора електричної машини. Це дає змогу забезпечити не-
залежне регулювання моменту і магнітного потоку машини.
Топологія силового кола ПЧ з АІС, як і в разі ПЧ з АІН, залежить
від деяких чинників, найважливішими серед яких є такі:
• тип напівпровідникового приладу, що входить до складу вип-
рямляча й інвертора, і спосіб його комутації;
• характер і режим роботи навантаження (синхронна чи асин-
хронна машина).
АІС, як і АІН, виконується за трифазною мостовою схемою. Для
надання інвертору властивостей джерела струму на його вході
послідовно вмикається велика індуктивність.
Для регулювання вихідного струму застосовуються кілька спо-
собів, що реалізують або замкнутий принцип регулювання вхідного
струму (амплітуда вихідного струму жорстко зв’язана з величиною
вхідного струму) (рис. 5.65, а, б), або безпосередню дію на АІ,
змінюючи глибину широтно-імпульсної модуляції (рис. 5.65, в).
Перші дві схеми формують ступінчасту форму струму, остання
ж працює в режимі широтно-імпульсної модуляції. В усіх трьох ви-
падках в інверторі струму використовується, як правило, міжфазна
комутація струму («закон» 120°).
Розглянемо особливість режиму роботи інвертора струму залеж-
но від характеру навантаження на прикладі синхронної машини
(рис. 5.66).
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Мережа
а
Мережа
Рис. 5.65
Синхронна машина зображена як трифазне навантаження, що
містить джерело ЕРС еа, еь, ес з послідовно увімкненими індуктив-
ностями Вважатимемо, що ЕРС мають синусоїдну форму, а інвер-
тор формує ступінчасту форму струму, працюючи за законом
міжфазної комутації ключів як тиристорів. Уведемо за аналогією до
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.66
роботи тиристорного випрямляча кут керування а, що враховує мо-
мент вмикання ключа відносно фазної напруги навантаження. Відлік
кута здійснюється так само, як у тиристорних перетворювачах-вип-
рямлячах. Теоретично цей кут може змінюватися в межах 0...3600.
Розглянемо чотири характерні випадки роботи ін-
вертора.
Режим /: 0 < а < 90°. Цей режим відповідає режиму роботи вип-
рямляча з комутацією тиристорів 1—6 (див. рис. 5.66) за допомогою
напруги навантаження. На рис. 5.67, а наведено діаграми фазної
ЕРС і струму для кута а = 30°. Основна гармоніка струму іа відстає
від фазної напруги на кут <р = 30°. Отже, джерело змінної напруги
працює з випереджувальним струмом. У разі синхронної машини
це означає, що вона працює в режимі перезбудженого генератора.
Режим 2. 0 < а < 180° (рис. 5.67, 6). Перетворювач працює в ре-
жимі інвертора, веденого навантаженням. Синхронна машина при
цьому працює в режимі перезбудженого двигуна.
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
ф = 120*»;
б
Рис. 5.67
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Режим 3: 180° < а < 270° (рис. 5.67, б). Це режим інвертора з при-
мусовою комутацією тиристорних ключів. Тиристорний ключ, як
видно з рисунка, починає проводити струм, коли напруга на його
аноді від’ємна, а припиняє пропускати струм при додатній напрузі
на його аноді. Отже, у разі одноопераційного тиристора потрібно
використати вузол примусової комутації. Струм інвертора є випе-
реджувальним. Це означає, що синхронна машина працює в режимі
двигуна з відстаючим струмом (режим недозбудження синхронної
машини).
Режим 4\ 270° < а < 360° (рис. 5.67, г). Значення кута а тут відпо-
відає роботі випрямляча з примусовою комутацією струму. Із часової
діаграми видно, що струм випрямляча є випереджувальним, тому
синхронна машина працює в режимі недозбудженого генератора.
Таким чином, у роботі АІС мають місце два характерні випадки.
Перший випадок відповідає режимам 1 і 2, де АІС працює
в режимі природної комутації. Як ключі тут можна використати
звичайні одноопераційні тиристори. Для забезпечення цього режи-
му роботи навантаження має бути джерелом реактивної енергії (ма-
ти ємнісний характер). Це можливо в разі використання синхрон-
ної перезбудженої машини.
Другий випадок відповідає режимам 3 і 4. Ці режими вима-
гають примусової комутації ключів, тобто слід використовувати до-
даткові вузли комутації тиристорів або повністю керовані ключі
(тиристори СТО, ЮСТ або транзистори ЮВТ). АІС у цьому режимі
віддає в навантаження реактивну енергію. Отже, режими 3 і 4 АІС
слід використовувати для навантаження типу «асинхронна маши-
на», або «недозбуджена синхронна машина». Розглянуті випадки
наведені в табл. 5.2.
Таблиця 5.2
Синхронна перезбуджена машина Синхронна недозбуджена машина, асинхронна машина
Режим Режим
генератора двигуна двигуна генератора
Режим 1 Режим 2 Режим 3 Режим 4
Випрямляч Інвертор Інвертор Випрямляч
Природна комутація Примусова комутація
5,4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Робота ПЧ з АІС
на синхронний двигун
Частотно-керований синхронний електропривод на основі ПЧ з
АІС є одним із перших прикладів використання синхронного двигуна
для регульованого електропривода великої потужності (одиниці—
десятки мегават).
Як показує аналіз, використання режиму перезбудження синх-
ронного двигуна дає змогу побудувати автономний інвертор на од-
ноопераційних тиристорах, що працюватимуть в режимі природної
комутації завдяки ЕРС машини. Спрощену схему такого електро-
привода наведено на рис. 5.68.
Особливістю схеми є її повна симетричність відносно мережі та
навантаження. Однією з основних переваг схеми є ге, що вона ор-
ганічно забезпечує двостороннє перетікання енергії від мережі до
машини і навпаки.
Коли синхронна машина працює як генератор, АІС працює в ре-
жимі випрямляча, керованого машиною, а ТП — в режимі інверто-
ра, введеного мережею.
Під час переходу машини в режим двигуна режим перетворю-
вачів автоматично змінюється на протилежний. У разі зміни режиму
Рис. 5.68
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
роботи постійний струм у проміжному колі не змінює знак. Зміна
напряму потужності в колі постійного струму відбувається завдяки
зміні полярності середнього значення напруги ид.
Для переходу з першого квадранта у другий слід змінити напрям
моменту електричної машини (перевести її з режиму двигуна в ре-
жим генератора).
Електромагнітний момент синхронної машини, як відомо, виз-
начається так:
. л ЗЕІ соз о
М =--------.
2л//р
Отже, щоб змінити напрям моменту, треба змінити знак соз ер,
тобто перейти від малого значення кута <р (рис. 5.69, а) до величи-
ни, близької до 180° (рис. 5.69, б).
За допомогою спрощеної векторної діаграми ці два режими ро-
боти синхронної машини зображено на рис. 5.69: и — вектор
напруги мережі; Е — ЕРС синхронної машини; / — струм статора;
/?/, ]Х! — спад напруги відповідно на активному та індуктивному
опорах машини.
До принципових недоліків такої схеми електропривода слід
віднести те, що в разі зупинки або роботи на низьких швидкостях
ЕРС синхронної машини не є достатньою для того, щоб забезпечи-
ти комутацію вентилів. Тому інвертор має бути дооснащений
пристроєм для штучної комутації вентилів за низьких швидкостей
або слід застосувати пристрій для короткочасного переривання
струму 4 ще до того, як перемикати струм з однієї фази на іншу.
Е /?/ а Г\ \ Е б
Рис. 5.69
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Робота ПЧ з АІС
на асинхронний двигун
Є дві особливості роботи ПЧ.
Перша особливість полягає в тому, що асинхронний двигун яв-
ляє собою навантаження, яке має індуктивний характер. У цьому
випадку, як показує наведений вище аналіз, ключі інвертора стру-
му мають працювати в режимі примусової комутації.
Друга особливість пов’язана з наявністю індуктивностей обмо-
ток машини від потоків розсіяння.
Якщо подати в обмотки машини сформований інвертором
струм прямокутної форми з крутими фронтами, то наявність індук-
тивностей розсіяння спричинить появу імпульсів перенапруги тео-
ретично нескінченно великої амплітуди. Отже, треба обмежити
швидкість зміни струму. Для цього, незалежно від схеми інвертора
і типу ключів, використовують конденсатори. В інверторах із клю-
чами на одноопераційних тиристорах цю функцію виконують кон-
денсатори блока примусової комутації.
Діаграму вихідного струму та вихідної напруги для фази А кла-
сичного інвертора з відсічними діодами і комутувальними конден-
саторами зображено на рис. 5.70.
Рис. 5.70
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
На кривій напруги видно формування імпульсних перенапруг
від фронтів імпульсів струму.
В інверторах із повністю керованими ключами (тиристори СТО,
ЮСТ або транзистори ЮВТ) застосовують обмежувачі рівня напруги
з використанням конденсаторів або підмикають до виходу інверто-
ра батарею конденсаторів, увімкнених у трикутник або зірку.
Таке розміщення конденсаторів дає два позитивні ефекти:
• конденсатори протидіють миттєвій зміні напруги на своїх кле-
мах, обмежуючи таким чином перенапруги на вході асинхрон-
ного двигуна;
• конденсатори відіграють роль фільтра високих частот, шунту-
ючи вищі гармоніки струму і поліпшуючи таким чином фор-
му струму в обмотках машини; можна, розрахувавши відпо-
відно ємність конденсаторів, отримати в зоні номінальної швид-
кості двигуна струм в обмотках, близький до синусоїдної форми.
Використання конденсаторів на виході інвертора є ефективне,
але водночас і делікатне рішення, оскільки конденсатори з індук-
тивностями асинхронної машини формують коливальне коло.
Потрібно тут подбати про те, щоб жодна гармоніка струму не була
близькою до резонансної частоти коливального кола.
Застосування інвертора з ШІМ поліпшує фільтрувальні власти-
вості конденсаторів і дає змогу зменшити їхню ємність.
У частотно-регульованому електроприводі асинхронний двигун
є однією з основних ланок замкненої системи автоматичного регу-
лювання. Як динамічна ланка асинхронна машина дуже складна.
Залежно від вимог, що висуваються до САК, користуватимемося
більш або менш складною математичною моделлю машини, адап-
тованою до обраної стратегії керування.
Основні співвідношення, характерні для асинхронної машини,
ґрунтуються на таких припущеннях:
• слід знехтувати насиченням машини, що дасть змогу визначи-
ти індуктивності;
5»4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
• параметри ротора зводяться до статора;
• вищі гармоніки не враховуються;
• реальна машина заміщується двофазною моделлю.
Є різні форми запису рівнянь, що зв’язують між собою змінні
машини. Нижче застосовуватиметься форма запису з використан-
ням просторового вектора. Це дасть можливість замінити трифазну
систему величин відповідним просторовим вектором.
Отже, вектори С/1? /ь Фп Фо являють собою відповідно напругу,
струм, магнітний потік статора і повітряного проміжку. Всі вони
мають кутову частоту та обертаються відносно статора з кутовою
швидкістю (асинхронна машина зводиться до двополюсної моделі).
Аналогічно в роторі три струми, три магнітні потоки, зв’язані з
обмоткою ротора, і три магнітні потоки, що потрапляють із повіт-
ряного проміжку, зображуються відповідно векторами /2, Ф2, Фо. Во-
ни обертаються відносно ротора зі швидкістю со3/. Якщо швидкість
ротора — о)2, то швидкість обертання цих векторів відносно стато-
ра — СОр
Розрахунки з використанням цих векторів можна здійснювати,
користуючись їхніми проекціями на осі нерухомої а—р або рухомої
д системи координат.
Рівняння струмів і магнітних потоків. Між потоками і струмами є
такий зв’язок:
Фі — + Фо - + £|2/2,
(5.65)
Тут = — циклічна індуктивність від потоків розсіяння ста-
Цг (1 + Оі)(1 - ст2)
сіяння; с?! і а2 — коефіцієнти розсіяння полів відповідно статора і
ротора; І! — повна циклічна індуктивність статора; £12 — циклічна
взаємоіндуктивність; /_2о = о/_2 — циклічна індуктивність від потоків
розсіяння ротора; Д2 — повна циклічна індуктивність ротора.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Якщо з рівнянь магнітних потоків вилучити Фо, можна знайти
вирази струмів статора і ротора у функції відповідних потоків:
(5.66)
Ф2--------Ф
1 + СУ.
Рівняння напруг. Рівняння напруг трьох фаз, що дістають жив-
лення від джерела трифазних напруг, зображених вектором £/, має
такий вигляд:
сй
(5.67)
Аналогічно для кола ротора маємо
О = /?2/2 + ^. (5.68)
Уявивши просторовий вектор, ЩО обертається ЗІ ШВИДКІСТЮ (0
як Х=Хел\ і продиференціювавши його, дістаємо
[ с/Ф
(5.69)
0- /?2/2 + 2 + /«А
с#
Електромагнітний момент. Момент є результатом добутку ортого-
нальних складових магнітного потоку в повітряному проміжку і
струмів ротора або статора. Простіше його виражати через струми
статора, оскільки вони доступні для спостереження (вимірювання).
Зауважимо, що не можна безпосередньо брати векторний добу-
ток Фо і /ь бо він дасть новий вектор, який обертається з подвійною
швидкістю 2со. Тому беруть спряжене значення Фо' від Фо, а для зна-
5.4. Електромеханічні системи з чостотно-керованими
електроприводами змінного струму
ходження добутку ортогональних складових — уявну частину ска-
лярного добутку Фо і Д:
М = /гІт(Фьх/і)- (5.70)
Потік статора Фт є сумою потоків повітряного проміжку Фо і
розсіяння статора £1аД. Уявна частина добутку £1оД х Д' дорівнює ну-
лю; отже, можна замінити у формулі моменту потік повітряного
проміжку потоком статора:
М = АІт^х Д). (5.71)
Увівши поняття перехідних сталих часу відповідно статора і
ротора
(5.72)
можемо записати систему рівнянь, що описують поведінку асин-
хронного двигуна в динаміці:
М = АІт(Ф1'х Д),
Ло2
сіі
(5.73)
М - Мс = 7
де (о2 = о)1-св5/— кутова частота, шо відповідає механічній швидкості
ротора; 7 — момент інерції електропривода.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
СГРА'КШ КШВШШ
ш жтшш ад. вщ т з дш
Для усталеного режиму роботи електропривода,
<7Ф?
”^Г = 05 з перших двох рівнянь системи (5.73) маємо
*
1
коли
сУФ
—-0;
Підставивши Ф2 з другого рівняння в перше, отримаємо
Врахувавши те, що
Фі
ЛХ1 +
1
(1 + ст2)(1 + сг1)
ввівши поняття сталих часу =
- 77/о, дістаємо
(5.74)
Звідси знаходимо для модуля напруги
(1 со^со^ГД т- (<0^+ <л5/7^)
(5.75)
Це — базовий вираз, що визначає основні закони скалярного
керування асинхронної машини за її живлення від ПЧ з АІН.
Як видно, магнітний потік машини залежить не тільки від нап-
руги живлення частоти струму статора (оь а й від абсолютного
ковзання (частоти струму ротора).
Якщо розглянути випадок роботи машини в режимі з малим на-
вантаженням (мале значення абсолютного ковзання, тобто частоти
струму ротора), то вираз (5.75) суттєво спрощується:
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Ц = 1 +
(5.76)
Нарешті, якщо знехтувати опором статора, тобто прийняти 7\ = 0,
то матимемо = Ф^. Цей вираз є відомим законом (///= сопзг,
який визначає умову роботи асинхронної машини з постійним
магнітним потоком.
За зменшення частоти статора і відповідно напруги живлення
спад напруги на активному опорі стає сумірним із напругою
живлення, тому регулювання за законом 6//А=сопз1 зумовлює істот-
не послаблення магнітного потоку. Отже, спад напруги на опорі об-
мотки статора має бути скомпенсований збільшенням напруги від-
носно а^Фр Ця процедура має назву /^-компенсації, або корекції.
адсшдаа-стружові ківтвшш
Визначимо з рівнянь (5.65) струм ротора /2:
/_ /
1_2 £-2
Підставивши цей вираз у рівняння напруг роторного кола (5.68),
після незначних перетворень дістанемо
+ у-Мі = -у-0 + /ЧЛ) + (5.77)
*~2 /2 /2
Для потоку статора отримаємо
Ф, = £,/, + £12/2 = £,/, + - тМ = 1 - ^4 + (5-78)
І 4-2 *-2 / \ Ц? ^2
12
Вираз
— це повна індуктивність розсіяння, зведена
(5.79)
до статора, позначимо її через Тоді потік статора
^2
Для усталеного режиму роботи —- = 0. тоді з формули (5.77)
дістаємо &
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
1 + >Л
Підставивши цей вираз у попередню формулу і виконавши деякі
перетворення, маємо
(5.80)
Звідси струм статора у функції відповідного магнітного потоку
(5.81)
Модуль струму статора
1 + М)2
1 + М1)2
(5.82)
Це співвідношення є основою законів частотно-струмового ке-
рування, коли асинхронний двигун живиться від ПЧ з АІС.
Маючи вираз для струму статора, можна знайти вираз для мо-
менту АД:
М - /сігпГф/х
=АІт
1 +
1+ /ХЛ'
(5.83)
Для заданого значення магнітного потоку статора струм статора
і електромагнітний момент стають функціями абсолютного ковзан-
ня (частоти струму ротора). Графічні залежності цих величин зоб-
ражені на рис. 5.71.
Можна показати, що момент машини досягає свого максималь-
ного значення
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
коли реактивний опір розсіяння ротора стає рівним активному:
о£2со5/= /?2.
Мінімальне значення на кривій струму відповідає значенню на-
магнічувального струму.
Складність фізичних процесів і математичного опису асинхрон-
ного двигуна, велика кількість вхідних змінних, за допомогою яких
можна керувати двигуном, — усе це пояснює, що нині немає типо-
вої структури САК (як, наприклад, в електроприводі постійного
струму), що приводить до великої різноманітності рішень для побу-
дови САК, які адаптовані до конкретних прикладних задач. Тому зо-
середимо увагу лише на кількох рішеннях, що показують викорис-
тання вишенаведених принципів частотного керування.
Додамо, що сучасні принципи частотного керування потребу-
ють використання математичної моделі для розрахунку в реально-
му масштабі часу тих чи інших величин, котрі або недоступні для
вимірювання, або мають недостатню точність вимірювання. Таку
задачу нині розв’язують за допомогою цифрових систем із викорис-
танням потужних мікропроцесорів. Потрібні функціональні залеж-
ності та коректувальні сигнали реалізуються не апаратними засобами,
а за допомогою програмування. За цих умов зображення САК струк-
турними схемами не є коректним. Проте збережемо класичний підхід
до зображення САК структурними схемами, не торкаючись проблем,
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
пов’язаних із дискретизацією й квантуванням сигналів. Це дасть
змогу спростити пояснення принципу побудови систем керування.
Скалярне керування з контролем
частоти статора
Першою (в історичному аспекті) і найпростішою є САК, що ре-
алізує регулювання частоти за розімкнутим принципом із викорис-
танням закону (///=соп$і.
Структурну схему такої САК наведено на рис. 5.72.
Перетворювач частоти з АІН формує ступінчасту вихідну напру-
гу. Вхідний тиристорний перетворювач В забезпечує регулювання
вихідної напруги. Напруга регулюється до номінального значення
за лінійним законом у функції частоти. Регулювання частоти, вищої
Рис* 5.72
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
за номінальну, відбувається за постійної напруги. Для корекції
впливу опору статора використовується так звана бустерна напруга
6/0 (тобто використовується закон и- к?+ Ц).
Частоту задає вихідний сигнал регулятора швидкості РШ. Внут-
рішній контур регулювання забезпечує регулювання струму з від-
січкою (завдання обмеження струму).
Якість регулювання схеми дуже низька, особливо в динамічних
режимах. За стрибкоподібної зміни задавального сигналу швидкість
ротора через механічну інерцію не змінюється миттєво. Це може
призвести до того, що абсолютне ковзання со5/ може досягти кри-
тичного значення, яке відповідає критичному моменту. АД вихо-
дить за зону стійкої роботи. Отже, потрібно обмежити величину
прискорення (сповільнення), обмежуючи, наприклад, струм стато-
ра або використовуючи на вході системи задавач інтенсивності.
Нині ця схема керування в нових розробках практично не вико-
ристовується через низькі статичні й динамічні показники.
Скалярне керування з контролем
частоти ротора
Особливістю структурної схеми САК із контролем частоти рото-
ра (рис. 5.73) є те, що регулювання швидкості двигуна досягається
за рахунок зміни величини абсолютного ковзання со5У, змінної, що
прямо пов’язана з моментом двигуна (див. формулу (5.83)).
Отже, схема реалізує непряме регулювання моменту двигуна М.
Регулятор швидкості РШ формує сигнал со5/ із вхідного сигналу по-
хибки регулювання швидкості ротора. Частота статора визначаєть-
ся на основі закону автокерування: ац = со2 + ш5/. Такий принцип пот-
ребує використання високоточного датчика швидкості ДШ (най-
частіше — це імпульсний, так званий інкрементальний датчик).
Як і в попередній схемі, напруга регулюється за законом
7/7= сопзї. Регулювання напруги здійснюється на виході тиристор-
ного перетворювача В або може бути реалізоване за допомогою АІН
з ШІМ.
На схемі не показані пристрої, що забезпечують перетікання
енергії для випадку, коли АД працює в гальмівному режимі. Ре-
алізація такого режиму роботи описана вище.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.73
Пряме керування магнітним потоком
і моментом
Попередня схема має принциповий недолік — зміна параметрів
машини, наприклад від температури, спричинить зміну магнітного
потоку. Зростання магнітного потоку, своєю чергою, викличе явище
насичення, а його зменшення — зростання абсолютного ковзання.
При цьому максимально можливий момент машини зменшується,
погіршується динаміка системи.
Щоб запобігти вказаному, слід реалізувати автокерування АД з
прямим незалежним керуванням магнітним потоком і моментом.
Серійні промислові асинхронні двигуни не оснащені датчика-
ми, які можуть безпосередньо вимірювати потік і момент. На прак-
тиці для спостереження цих координат використовують естіматори
і спостерігачі. Приймемо, що САК може бути оснащена такими при-
строями. Це дасть можливість реалізувати замкнутий принцип регу-
лювання потоку і моменту. Приклад такої САК наведено на рис. 5.74.
5,4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Мережа
Рис. 5.74
САК використовує принцип підпорядкованого керування з кас-
кадним умиканням регуляторів швидкості РШ і моменту РМ. Регу-
лятори мають структури ПІ-коректора. Вихід регулятора швидкості
містить вузол обмеження, що власне й забезпечує підпорядкування
контуру регулювання моменту контуру регулювання швидкості. Для
регулювання магнітного потоку використовується окремий замкну-
тий контур регулювання РП. На схемі індекс ' означає задавальні
значення змінних.
Естіматор потоку та моменту Е, отримуючи сигнали від датчиків
напруги ДН та струму де, розраховує біжучі значення магнітного
потоку і моменту та видає сигнали зворотного зв’язку за моментом
та магнітним потоком. На схемі чітко видно реалізацію принципу
автокерування двигуна М: частота статора задається у функції
частоти обертання ротора со2 та абсолютного ковзання со5/.
18 5-7°
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
структури ак зд частотно-
СТРУМОВОГО КЕРУВАННЯ АД
Стратегія скалярного керування АД при його живленні від ПЧ як
джерела напруги передбачає, що властивості машини в перехідних
режимах мало відрізняються від характеристик для стаціонарного
режиму при живленні машини синусоїдною напругою. Тому таке
керування не може забезпечити високі динамічні показники систе-
ми. Додамо до цього складність коригування впливу опору статора
на характеристики машини і, як наслідок, значну похибку регулю-
вання на низьких швидкостях. Слід також зауважити, що АД (М)
при живленні від джерела напруги поводить себе на низьких часто-
тах як коливальна ланка з малим коефіцієнтом демпфування.
Подолати частково вказані недоліки можна, якщо реалізувати
регулювання магнітного потоку, задаючи струм статора. Формула
(5.82) встановлює зв’язок між струмом статора і магнітним пото-
ком. Якщо потік постійний, це дає однозначну залежність струму
статора від частоти струму ротора (абсолютного ковзання). Щоб ви-
користати цю залежність ддя регулювання магнітного потоку, слід
контролювати величину абсолютного ковзання. Електромагнітний
момент машини безпосередньо залежить від величини абсолютного
ковзання. За малих значень ковзання він майже йому пропор-
ційний. Отже, через зміну ковзання САК фактично забезпечує регу-
лювання моменту.
Регулювання струму статора для регулювання магнітного пото-
ку (статора чи ротора) і моменту називається частотно-стру.мовим
керуванням.
Реалізувати частотно-струмове керування АД можна за допомо-
гою двох способів.
Перший спосіб передбачає живлення АД від ПЧ з АІН. Для надан-
ня ПЧ властивостей джерела струму вихід перетворювача охоп-
люється зворотним зв’язком за струмом. Таке рішення зберігає
основну перевагу ПЧ як джерела напруги: струм у навантаженні має
форму, близьку до синусоїдної. Це зменшує пульсації моменту на
низьких швидкостях обертання, забезпечуючи отримання розшире-
ного діапазону регулювання швидкості.
Структурну схему САК, що реалізує такий принцип керування
інвертором напруги, наведено на рис. 5.75.
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Вузол керування АІН з ШІМ, виконаний на мікропроцесорі,
одержує інформацію про модуль струму і фазовий кут 013 що потрі-
бен для використання зворотного перетворення Парка, аби визна-
чити фазні значення напруг.
Для формування та регулювання напруги і частоти використо-
вується широтно-імпульсна модуляція. Внутрішній контур струму з
регулятором струму РС діє на вихідну напругу перетворювача, конт-
ролюючи діюче значення струмів статора (блок ^7^).
Сигнал завдання струму /( формується функціональним пере-
творювачем, який відображає залежність (5.82).
САК використовує принцип автокерування двигуном, визначаю-
чи частоту статора у функції частоти обертання ротора й величи-
ни абсолютного ковзання со5/.
Сигнал абсолютного ковзання формується регулятором швид-
кості РШ. Формування со5/ забезпечує непряме керування моментом
Двигуна для ліквідації похибки регулювання швидкості ротора ма-
шини.
Другий спосіб потребує використання ПЧ з АІС, що дає змогу фор-
мувати струм статора необхідного значення й частоти (рис. 5.76).
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.76
Слід зауважити, що з позиції динаміки регулювання швидкості
обидва способи майже еквівалентні. Дійсно, коли примусово за-
дається струм статора, динаміка регулювання визначається сталою
часу кола ротора Г2, а не перехідними сталими часу Т[ та Т*. Стала
часу ротора відносно велика: вона в 5...20 разів більша за значення
перехідних сталих часу.
Як і попередня, схема рис. 5.76 реалізує принцип автокеруван-
ня асинхронним двигуном, регулюючи струм у функції абсолютно-
го ковзання.
Зі збільшенням навантаження машини абсолютне ковзання зро-
стає, збільшуючи значення струму Ід. Струм змінюється відповідно
до кривої А = 7(со5/) (див. рис. 5.71). Крива симетрична відносно со3/,
що забезпечує можливість роботи машини в генераторному режимі.
Основні недоліки скалярного частотно-струмового керування
полягають у тому, що:
• формування струму ґрунтується на залежності /, = 7(со5/), яка за-
безпечує незмінність магнітного потоку АД тільки для статич-
ного режиму роботи системи;
• за перехідного режиму (стрибок задання швидкості чи стрибок
навантаження) через велику інерційність контуру регулюван-
ня втрачається контроль за моментом двигуна;
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
• струми статора аналізуються через постійний струм /Л що є
усередненим відображенням системи з трьох фазних струмів;
за перехідних процесів таке відображення не є коректним.
Таким чином, скалярне керування не може забезпечити високі
динамічні показники системи автоматичного регулювання. Цю за-
дачу може розв’язати векторне керування.
ВЕКТОРНЕК№УВШНЯ
Принцип векторного керування
Високі динамічні показники регулювання можна дістати, якщо
реалізувати пряме керування миттєвим значенням електромагнітно-
го моменту.
Для двигуна постійного струму, як було показано вище, це зро-
бити неважко завдяки тому, що магнітний потік збудження і потік,
створений струмом якоря, перебувають у квадратурі.
Для асинхронного двигуна задача виглядає набагато складні-
шою. Його електромагнітний момент
Л/ = /сІт(Ф;х/1)г
звідки випливає, що для контролю за моментом слід контролювати
два вектори — потоку і струму.
Якщо за допомогою того чи іншого способу можна стабілізувати
модуль вектора потоку, то регулювання моменту вимагає регулю-
вання модуля трьох струмів статора і їхньої фази відносно оберто-
вого поля статора (або обертового поля ротора, бо момент можна
виразити через магнітний потік ротора).
Такий принцип дістав назву векторного регулювання.
Нині є багато різновидів векторного керування. Вони вирізня-
ються технікою реалізації роздільного керування магнітним пото-
ком і моментом машини. Серед них найвідомішими є так зване
векторне керування з орієнтацією за потоком ротора (чи статора) і
пряме керування моментом (ОТС. Оігесі Тогдие СопїгоІ).
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Векторне керування з орієнтацією
за потоком ротора (чи статора)
Розглянемо основні складові цього керування.
Векторне керування з орієнтацією за вектором магнітного потоку.
Ідея такого керування ґрунтується на двофазній математичній мо-
делі асинхронного двигуна і рівняннях моделі, записаних в обер-
товій системі координат Х~ У (найчастіше використовують позна-
чення д—д за аналогією до форми запису рівнянь для синхронної
явнополюсної машини).
Отже, нехай система координат бУ— д обертається зі швидкістю
со3/відносно ротора (тобто зі швидкістю поля статора). Тоді просто-
рові вектори потоків і струмів ротора та статора можна зобразити
проекціями на осі сі і д.
Згідно з виразом (5.73) рівняння для потоку ротора має вигляд
/У (Ц. ^-1 о
^ = -^(і + ;<оГ2) + ^/1,
СІІ /у / 9
або в проекціях на осі <У і д —
^2 37^2^ + = ЛгАс/ї (5.84)
<УУ
^2 37 + ^2? + ^2 03 5/^2^ ~ ^12 Ад’ (5.85)
<УУ
У разі орієнтації потоку Ф2 за віссю д маємо
сі
Фо =0. —Фп -0 і Фо. = ф..
2д 9 ф 2д ** ^2сі
Тому остаточно запишемо
7^ —_ф2 + ф2 = (5.86)
бУУ
^2 С05/Ф 2 = ^-12 ’ (5.87)
Електромагнітний момент машини
М - -А1т(Ф£х /2)
або
М - /с(Ф2бУ/2р
(5.88)
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
У разі орієнтації потоку за віссю д момент дорівнює
М=-АФ2/2д.
З рівняння
/-2/2 - Ф2 £і2/і
можна дістати (пам’ятаючи, що Ф2д = 0)
Отже, остаточний вираз для моменту такий:
Вирази (5.86) і (5.89) показують, якщо відомі струм статора та
його складові на осях д, можливе роздільне керування магніт-
ним потоком ротора й електромагнітним моментом: складова /1б/ ке-
рує магнітним потоком машини, а складова /1(7 — електромагнітним
моментом.
Таким чином, система керування має задавати дві складові стру-
му статора:
(5.90)
^12 Ф?
Асинхронна машина за такого керування зображується простою
структурною схемою (рис. 5.77), що містить блок множення БМ, ме-
ханічний блок електродвигуна МБ.
Такий підхід до керування асинхронною машиною, хоч і здається
простим та привабливим, але має суттєві труднощі при реалізації.
По-перше, поведінка системи та керування нею значно погір-
шуються через зміну параметрів під час її роботи: зміна активного
опору ротора від температури й частоти струму ротора, зміна індук-
тивності і взаємоіндуктивності від ступеня насичення магнітної
системи машини. Сучасні методи векторного керування для подо-
лання цього недоліку, зауважимо, використовують принципи адап-
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.77
тивного керування, що також є непростим завданням для практич-
ної реалізації.
По-друге, принцип векторного керування з орієнтацією за век-
тором потоку використовує параметри і змінні машини, що зведені
до обертової системи координат. Це потребує насамперед визначен-
ня фізичних параметрів машини і їх зведення до двофазної моделі
й наступного послідовного перетворення на основі прямого, а
потім і зворотного перетворення Парка. Такі задачі майже немож-
ливо розв’язати без використання потужного сигнального мікро-
процесора, що працює в реальному масштабі часу. Тому всі сучасні
САК використовують цифрове мікропроцесорне керування.
Векторне керування при живленні АД від ПЧ з АІС. Регулювання
потоку може бути прямим і непрямим.
У разі прямого регулювання створюється замкнутий контур регу-
лювання магнітного потоку. У сучасних системах керування
фактичне значення магнітного потоку визначається за допомогою
естіматора. Частота обертання потоку статора од визначається без-
посередньо за положенням потоку в координатах, прив’язаних до
статора.
У разі непрямого регулювання потоку він не вимірюється: його
значення просто задається. Орієнтування потоку забезпечується че-
рез напруги і струми, а розділення керування реалізується завдяки
динамічній моделі машини.
Структурну схему САК, де реалізовано принцип непрямого ре-
гулювання потоку, наведено на рис. 5.78 (БД1, БД2 — блоки ділення).
5А» Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Рис. 5.78
Значення потоку задається безпосередньо від швидкості обер-
тання ротора машини. У разі регулювання швидкості до номіналь-
ного значення задається номінальний потік машини, а вище за
номінальну швидкість — задане значення потоку зменшується обер-
нено пропорційно швидкості. Отже, реалізується двозонне регулю-
вання швидкості (з постійним моментом — перша зона, з постій-
ною потужністю — друга зона).
Задавальними сигналами для векторного керування є потік Ф' і
момент М'. Величина моменту формується як вихідний сигнал (аб-
солютне ковзання) ПІ-регулятора швидкості, оскільки момент вва-
жається пропорційним абсолютному ковзанню. Складові струму
статора /1<7 та /1іУ визначаються відповідно до рівнянь (5.90).
Схему САК з прямим регулюванням магнітного потоку і момен-
ту АД наведено на рис. 5.79.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Живлення двигуна реалізовано від ПЧ з АІН, замкнутого зворот-
ним зв’язком за струмом статора. Для реалізації прямого регулю-
вання потоку використовуються естіматори потоку ротора Еф, мо-
менту Ем та абсолютного ковзання Е
Для визначення моменту естіматор використовує залежність
М = к
Абсолютне ковзання визначається через розраховане естімато-
ром значення магнітного потоку та виміряної складової струму /1д:
2
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Точність і робастність* схеми естиматорів (відносно зміни пара-
метрів двигуна) суттєво впливає на якість регулювання системи.
Векторне керування АД при його живленні від джерела напруги. Як
і для випадку живлення АД від джерела струму, приймемо, що вісь
сі обертової координатної системи д— д орієнтується за вектором
потоку ротора. Отже, Ф2,= Ф2, а Ф2д = 0.
За використання непрямого методу регулювання потоку поло-
ження осі д можна визначити, інтегруючи (о, = рО2 + со5Л Для прямо-
го методу регулювання потоку при використанні естиматора пото-
ку ротора положення осі сі відповідно до рис. 5.80 визначається за
такою формулою:
05 = агсїд
У разі живлення машини від джерела напруги керуючими змін-
ними є і и^я. Рівняння напруг статора в обертовій системі коор-
динат матимуть вигляд:
= °С
(5.91)
Рис. 5.80
*Якщо змінюється зовнішній вплив на ЕП і є певна нестабільність його пара-
метрів, можна сконструювати такий регулятор, завдяки якому якість роботи не змен-
шилася би нижче допустимого рівня. Такі системи дістали назву робастних.
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
(5.92)
Потік ротора визначається струмом 7І£/:
Абсолютне ковзання
(5.93)
(5.94)
Як видно з рівнянь (5.91), (5.92), має місце зв’язок між діями по
осях с/і д. Напруга иУд впливає як на струм так і на струм /1г Ана-
логічну дію створює і складова напруги иУд. Отже, ці складові впли-
вають одночасно й на момент, і на потік машини.
Є кілька підходів для вирішення цієї проблеми. Одне з рішень
полягає в тому, що вводяться дві нові змінні уУд і и1д:
и,ч = уУд~ ед, (5.95)
де ед — фіктивні ЕРС по осях відповідно с! і д,
(5.96)
+
(5.97)
Тут верхній індекс ' означає задане (бажане) значення потоку ротора.
Рис. 5.81
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Таким чином, створено нову систему роздільного регулювання
потоку і моменту, для якої мають місце такі співвідношення:
(5.98)
[Л/ = р<о5/Ф'Л
Структурну схему об’єкта керування, що описується системою
рівнянь (5.98), наведено на рис. 5.81.
Керуючі дії і у]д формуються відповідними регуляторами по-
току РП і моменту РМ. У реальній системі слід визначити фазні нап-
руги на виході ПЧ із і а]д за допомогою зворотного перетворен-
ня координат сі—д^> а— р -> а— Ь— с.
Отже, потрібно відновити напруги і щд. Для цього викорис-
товують співвідношення (5.95).
Приклад САК із використанням прямого керування магнітним
потоком при живленні асинхронного двигуна від перетворювача
частоти з АІН і застосуванням вищенаведеного принципу побудови
системи наведено на рис. 5.82.
Синтез регуляторів потоку і моменту має справу з лінійною сис-
темою першого-другого порядку й не становить труднощів. Однак
неточність ідентифікації параметрів машини або їхній дрейф при-
водить до появи взаємозв’язку між потоком та моментом і навіть до
нестійкості.
Таким чином, під час практичної реалізації системи потрібно
застосовувати теорію побудови робастних або адаптивних систем.
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Мережа
Рис. 5.82
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Пряме керування моментом АД (РТС)
Методи прямого керування моментом ґрунтуються на керуванні
станом ключів інвертора напруги (замикання чи розмикання
ключів) на основі аналізу обчислених значень електромагнітного
моменту й магнітного потоку статора. Зміна стану ключів пов'яза-
на з еволюцією електромагнітного стану асинхронного двигуна. Для
аналізу такого стану використовується математична (цифрова) мо-
дель двигуна, вхідною інформацією для якої є миттєві значення
фазних напруг і струмів статора машини. Модель здійснює опиту-
вання цих значень із високою частотою (порядку 40 кГц) і розрахо-
вує протягом певного часу квантування дійсні значення магнітного
потоку, електромагнітного моменту й швидкості обертання двигу-
на. Це завдання реалізується за допомогою швидкодіючого сигналь-
ного мікропроцесора.
За допомогою двох релейних регуляторів-компараторів моменту
і потоку знайдені значення моменту і потоку порівнюються із зада-
ними, у результаті чого формуються керуючі логічні сигнали, що
керують станом ключів інвертора. Щоб уникнути нескінченно ве-
ликої частоти комутації, компаратори повинні мати гістерезисну
характеристику.
Використання такого способу керування надає САК властивос-
тей релейної системи, що працює в ковзному режимі, забезпечую-
чи високу швидкодію і точність регулювання.
Структурну схему САК (контурів регулювання моменту і потоку)
асинхронного електропривода з прямим керуванням моменту (ОТС)
наведено на рис. 5.83.
Момент і магнітний потік розраховуються і прив’язуються до
координатної системи а—р за допомогою естиматора (математич-
ної моделі двигуна). За допомогою нескладного алгоритму визна-
чається просторове положення вектора магнітного потоку в коор-
динатній системі а—р (визначається номер сектора л).
Похибка між заданим і реальним значеннями потоку ДФ1 по-
дається на дворівневий компаратор К1, що формує на виході
логічний сигнал ЦД+1,-1). Похибка між біжучим і заданим значен-
нями моменту подається на трирівневий компаратор К2, на виході
якого формується логічний сигнал £/м (+1, 0,-1). Відповідно до цих
трьох сигналів визначається необхідний стан ключів інвертора.
Розглянемо детальніше, як відбувається регулювання магнітно-
го потоку статора й моменту двигуна.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
К5
ДН
ДС
К2
К4
К6
м
Це
<з
Уо
ь
V
{с
Табуляція
станів
ключів
4
Перетворення
координат
я,
м
п
“ф
Ц Розрахунок
сектора п
Розрахунок
модуля
М’
Рис. 5.83
Регулювання магнітного потоку статора і моменту двигуна. Маг-
нітний потік статора змінюється в разі зміни напруги статора згідно
із залежністю
<УФ
(ІЇ '
За допомогою релейного регулятора потоку, змінюючи напругу
статора, можна підтримувати модуль потоку в межах від Ф1тіп до
Ф2тах. Наприклад, якщо потік досягає максимального значення
Ф2тах, змінюють стан ключів інвертора так, щоб нове значення век-
тора напруги иу спричинило зменшення модуля потоку. Коли потік
спадає до значення Ф2тіп, відбувається комутація ключів.
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Р
Рис. 5.84
Еволюцію магнітного потоку статора зображено на рис. 5.84, де
гакож наведено вектор магнітного потоку ротора. Оскільки ротор-
не коло має досить велику сталу часу (від кількох десятків до со-
тень мілісекунд), то протягом комутацій ключів потік ротора зали-
шається майже незмінним. Отже, потік ротора в просторі описує
коло.
Електромагнітний момент двигуна визначається так:
М~ л Ф2 - АФ^зіпу.
Таким чином, якщо підтримувати майже незмінними магнітні
потоки статора і ротора, то регулювати момент можна зміною кута у,
тобто взаємного положення векторів магнітних потоків статора і
ротора. Для швидкої зміни моменту достатньо швидко змінювати
положення вектора потоку статора. Це досягається комутацією
станів ключів.
Визначення станів ключів інвертора (сектора л). Для формування
вихідної напруги інвертора використовується пофазна комутація
(«закон» 180°), за якої в кожній гілці інверторного моста пара
ключів працює в протифазі, тому достатньо розглядати стан ключів
К1, КЗ, К5 (див. рис. 5.83). Загальне число станів дорівнює 23 - 8.
З них замкнутий (111) або розімкнутий (000) стан усіх трьох ключів
визначає нульову вихідну напругу (нульовий вектор). Інші шість
станів ключів дають певні вихідні фазні напруги (певний вектор
напруги статора).
При перетворенні координат із трифазної на двофазну систему
трьом напругам Оа, Оь, 1/с ставляться у відповідність напруги Ц,
Ці згідно з такою матрицею перетворення:
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
(5.99)
Зауважимо, що складова 6/0 = 0 тому, що напруги иа, иь, ис фор-
мують трифазну симетричну систему напруг.
Відповідність векторів напруги статора станам ключів наведено
в табл. 5.3.
Таблиця 5.3
К1 кз К5 (4 (4 <4 (4 ц и
0 0 0 0 0 0 0 0 ц
1 0 0 2(/,/3 -(/уз -(/уз (/„72/3 0 (4
1 1 0 (/,/3 (/уз - 2(/й/3 (/,/7в (/,/72 <4
0 1 0 -(/,/з 2 (/уз -(/УЗ * -(/„/Те (/,/72 (4
0 1 1 - 2 (/./З (/уз (/уз -(/,72/3 0 (4
0 0 1 -(/,/з -(/УЗ 2 (/УЗ -(/,/7б -(/,/72 (А
1 0 1 (/уз - 2 (/УЗ (/УЗ (/,/7б -(/,/72 (4
1 1 1 0 0 0 0 0 Ц
Як видно, вектори 4/0 і 1/7 є нульовими, а решта мають однако-
вий модуль С/^2/3 і зміщені один відносно іншого на кут 2л/6.
Ці вектори, як і вектор потоку для певного інтервалу часу, що
обертається із середньою швидкістю соІ5 зображені на рис. 5.85. Тут
нанесені сектори 1, 2,6. Граниш секторів визначаються через
бісектриси кутів між двома сусідніми векторами напруги.
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Рис. 5.85
Відповідно до положення вектора потоку статора елементарний
алгоритм визначає номер сектора. Маючи сигнали на виході ком-
параторів і знаючи номер сектора, визначають, згідно з табл. 5.4,
стан ключів (положення вектора потоку).
Таблиця 5.4
Логічний сигнал Сектор
<4 <4 1 II III IV V VI
1 1 Уз У. Уз Уз Уу
0 иі Ув У1 % Ц Ув
-1 Уу Уі ц У< Уз
0 1 Уз У» Уз Уз Уу Уз
0 Ув Уі Ц, (Л Ув Уі
-1 Уз Уз Уу Уз У<
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Модель двигуна. Математична модель призначена для визначен-
ня біжучих значень магнітного потоку статора, моменту і швидкості
обертання ротора асинхронної машини.
Магнітний потік розраховується через напруги і струми статора.
Вектор напруги статора може бути одержаний безпосереднім
вимірюванням фазних напруг статора або постійної напруги ид на
вході інвертора та використанням співвідношень, які визначені для
заданого стану ключів інвертора.
Вектор струму знаходять за даними вимірювання фазних
струмів статора.
Магнітний потік розраховують так. Спочатку знаходять проекції
векторів на осі а і р:
с/Ф,
б#
<УФШ
ір
Інтегруючи ці два рівняння, одержують модуль потоку І ЙОГО:
фазове положення (кут 00*
1Р, О^агсід-—
р Ф
а
(5.100)
Електромагнітний момент машини розраховують як векторний
добуток векторів потоку і струму статора:
м = /сФ, л /, = /сігп(ф; X /,) = Л(Ф1а/ір - ф10/1а). (5.101)
Швидкості обертання ротора і поля статора визначаються з по-
ложення вектора потоку ротора відносно нерухомої системи коор-
динат а—р (див. рис. 5.84).
За допомогою формули
одержують вектор Ф2 та його проекції Ф2а і Ф2р на осі а—р і, на-
решті, обчислюють
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
(5.102)
Механічна швидкість обертання ротора машини визначається
естиматором на основі виразу
О = — (оу - <о5І) = — ау-
р р\
(5.103)
Завершаючи розгляд методу ДТС, зробимо такі висновки.
1. На відміну від класичного векторного керування з викорис-
танням АІН з ШІМ, де частота комутації ключів фіксована і досить
висока (2,5...16 кГц), у разі використання методу ОГС частота кому-
тації ключів залежить насамперед від величини вибраного гістере-
зису компараторів потоку і моменту, а також від режиму роботи ма-
шини (швидкості обертання, навантаження тощо). Вона змінюєть-
ся в широких межах і, як правило, має менші значення, ніж при
ШІМ.
2. Регулювання моменту зміною положення вектора потоку ста-
тора відносно потоку ротора дає змогу за рахунок стрибкоподіб-
ності такої зміни досягти високої швидкодії контуру регулювання
моменту (порядку 6... 10 мс). Це основна перевага такого методу.
3. Указаний метод оперує розрахунковими значеннями момен-
ту, потоку та швидкості двигуна. Тобто він не потребує апаратних
засобів для вимірювання цих величин. Це є ще однією з переваг ме-
тоду. Однак для розрахунку застосовують складну математичну мо-
дель асинхронної машини. Вона, по-перше, потребує ідентифікації
параметрів машини (опорів, індуктивностей, коефіцієнтів розсію-
вання потоків тощо), що реалізується прямим тестуванням машини
і наступним розрахунком відповідних параметрів. По-друге, не слід
забувати про те, що такий параметр, як активний опір, залежить від
температури нагрівання машини й частоти (опір ротора), а інші
залежать від стану насичення магнітної системи (індуктивності, ко-
ефіцієнтів розсіювання). Тому математична модель має бути адап-
тивною. Для реалізації цієї задачі, а також задач керування вико-
ристовують цифрові методи із застосуванням цифрових сигнальних
мікропроцесорів швидкої дії (ОЗР).
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
ШМАЇШ ЗШ'ШШ ЄМНУ
асинхронної шшини
Під естиматором розуміють пристрій або алгоритм розрахунку
(останнє характерне для сучасного стану техніки регулювання), що
використовує математичну модель машини у вигляді рівнянь Пар-
ка для статичного або динамічного режиму роботи машини.
Маючи вхідні дані напруги і (або) струму статора машини, пря-
ме розв’язання цих рівнянь дає змогу дістати значення необхідної
змінної. Зрозуміло, що параметри математичної моделі мають бути
заздалегідь ідентифікованими. Такий підхід дає можливість побуду-
вати досить прості й швидкі алгоритми розрахунку. Проте ці алго-
ритми не є робастними (нечутливими) до зміни параметрів маши-
ни (опорів статора і ротора, взаємоіндуктивності, коефіцієнтів
розсіювання і т. д.).
Останнім часом для побудови САК застосовують теорію та тех-
ніку регулювання систем зі зворотним зв’язком за змінними стану.
Цей підхід широко використовує спостерігачі для визначення*
змінних стану, що недоступні для спостереження.
Теорія спостерігачів логічно й природно може бути застосована?
для розв’язання сформульованої вище задачі вимірювання змінний
системи і визначення її параметрів.
Естиматор магнітного потоку
Цей естиматор як невід’ємна частина входить до складу сучас-
ної САК із прямим регулюванням магнітного потоку.
У принципі вимірювання магнітного потоку можливе із застосу-
ванням апаратних засобів. Так, можна розмістити виток під полю-
сом кожної фази машини. Тоді в цьому витку наводитиметься ЕРС,
що в усталеному режимі прямо пропорційна фазній ЕРС обмотки
машини. Підсилена й відфільтрована напруга витка після інтегру-
вання дає сигнал, пропорційний магнітному потокові. Точність та-
кого вимірювання суттєво погіршується за малих швидкостей.
Також для вимірювання магнітного потоку можна використати
датчик Холла. Щоправда, він дуже чутливий до вібрацій і зміни
температури, до того ж використання його потребує зусиль та до-
даткових коштів для дооснащення машини. На практиці перевагу
віддають непрямим методам визначення магнітного потоку, що
5.4. Електромеханічні системи з чостотно-керованими
електроприводами змінного струму
ґрунтуються на використанні математичної моделі машини, адапто-
ваної для розв’язання конкретної задачі. Найчастіше цю функцію
виконують естиматори магнітного потоку.
Є чимало видів естиматорів потоку. Наведемо лише кілька з
них, що найчастіше використовуються в САК.
Естиматор потоку статора у двофазній системі координат а—р.
Рівняння напруг статора в стаціонарній системі координат а—р має
такий вигляд:
Проінтегрувавши це рівняння, дістаємо:
Фіа “ ї
ф,=№ + Фір •
(5.105)
Використання такого естиматора потоку вимагає застосування
як мінімум двох датчиків струму (вважається, шо система є трифаз-
ною симетричною; отже: іа + 4+ 4 = 0) і двох-трьох датчиків фаз-
них напруг. Потрібно також застосувати перетворення координат
а—Ь—с—> а — р.
Аналогічний принцип побудови естиматора потоку запропону-
вав Б. К. Босе. Відмінність його полягає в тому, що синтезується
магнітний потік статора машини за допомогою інтегрування рів-
нянь напруг статора, записаних у фазних координатах а—Ь—с, у
результаті чого знаходяться магнітні потоки фв, фс від кожного з
фазних струмів статора. Потім, використовуючи три- або двофазне
перетворення координат, розраховують складові потоку Фа,Ф(і і,
нарешті, модуль магнітного потоку статора
Фі| = 7Ф1а+Ф1(і-
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Одночасно обчислюється величина електромагнітного моменту
З
М “ ~~ ^Ір^іа )*
Структурну схему естиматора потоку статора наведено на рис. 5.86.
Зауважимо, що цей естиматор слід використовувати за скалярного
керування з прямим регулюванням потоку і моменту.
Рис. 5.86
Загальний недолік естиматорів, котрі використовують пряме
інтегрування напруг статора, полягає в тому, що такий метод вно-
сить істотні похибки розрахунку під час роботи двигуна на низьких
швидкостях, коли напруга живлення статора сумірна зі спадом
напруги на опорі статора, який, до того ж, змінюється в широких
межах при зміні температури нагрівання машини.
Естиматор потоку ротора у двофазній системі координат а—р.
Сучасні методи векторного керування з орієнтацією за вектором
потоку ротора вимагають інформацію про цей вектор (потрібно
знати величину модуля потоку і його просторове положення).
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Під час побудови естиматора використовуються рівняння нап-
руг ротора, записані в стаціонарній системі координат а—р:
^Ф2а
сії
—— г /?2/2р - о)2Ф2а = 0.
(5.106)
(5.107)
Магнітні потоки виражаються через струми ротора:
(5.108)
(5.109)
Додавши до лівої та правої частин рівняння (5.107) член
(/_12/?2//.2)/1р, дістанемо
</Ф2я #2// . / • X
. + , (^12У1р + ^2Х2р) О)2Ф2а ~ . 'ір*
З урахуванням виразу (5.108) після вилучення струму ротора /2р
маємо
(5.110)
^Ф2В Л. . 1
- ~ У“/1Р+ С°2Ф2а - уФ2р-
С/Г >2 *2
Рис. 5.87
и КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
За аналогією до попереднього рівняння для складової потоку
Ф2а одержуємо
(5.111)
де Т2 = /.2/Я2 — стала часу ротора.
Цифровий естиматор потоку на основі рівнянь (5.110), (5.111)
розраховує модуль і положення вектора магнітного потоку (кут його
повороту От = со^ відносно стаціонарної системи координат а—0).
Вхідними даними для розрахунку є фазні струми статора й електрич-
на швидкість обертання ротора о)2-
Структурну схему естиматора потоку ротора наведено на рис. 5.87.
Естиматор потоку ротора з орієнтацією системи координат &— д за
потоком ротора. У системі координат, що обертається синхронно з
потоком ротора, рівняння потокозчеплення мають такий вигляд:
0— д (<о1 ^2)^2?
сії
бУФ?„
0 = — Ь (СО1 — <О2)Ф2^ +
(5.112)
(5.113)
де — електрична швидкість обертання поля ротора; <о2 = рО —
електрична швидкість обертання ротора.
Якщо зорієнтувати вісь сі системи координат еУ—д за напрямом
Ф2(У, рівняння запишуться так:
(5.114)
(юі ^г)Ф2</+
(5.115)
Магнітний потік ротора можна виразити через намагнічуваль-
ний струм /'і2:
Фг ~ ^12 7М2 *
(5.116)
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Тоді рівняння (5.114), (5.115) наберуть вигляду
(со, (02) /ц2 + ^2д ~ 0*
(5.117)
(5.118)
Потокозчеплення ротора виражаються через струми ротора і
статора в координатній системі сі—-у.
(5.119)
(5.120)
З урахуванням виразу (5.116) і з рівнянь (5.119), (5.120) маємо
(5.121)
(5.122)
Підставивши рівняння (5.121), (5.122) відповідно в (5.114),
(5.115), з урахуванням виразу для сталої часу ротора, остаточно
дістанемо
г2^-+|/;2|=/«, (5.123)
СІЇ
Рис. 5.88
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
(5.124)
Маючи як вхідні дані струми статора, записані в координатній
системі а—р, а також знаючи параметри машини Т2 і £12> можна на
основі рівнянь (5.123), (5.124) побудувати естиматор, структурну
схему якого наведено на рис. 5.88.
Естиматор електромагнітного
моменту
Залежно від того, які величини вимірюються або визначаються
через естиматор, електромагнітний момент можна розрахувати, ви-
користавши одну з таких формул:
М - ~к(Ф2(іі2с} - Фгд^)*
^2
м = *-7т-(ФЛ - фіА>’
М —
(5.125)
Естиматори швидкості та ковзання
Розглянемо два приклади реалізації естиматорів швидкості за
векторного керування АД від джерела напруги та струму.
ПРИКЛАД 5.1
Маємо естиматор швидкості при живленні АД від джерела напруги.
Нехай реалізоване векторне керування з орієнтацією за вектором
потоку ротора. Тоді Ф2^= Д12|/р2| та Фг^О-
Якщо знехтувати коефіцієнтом розсіювання с, то вираз для
швидкості ротора набуде вигляду
(5.126)
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
де і' 2задані значення відповідно напруги та струму; — вимі-
ряне значення струму.
ПРИКЛАД 5. 2
Маємо естиматор швидкості при живленні АД від джерела струму.
Швидкість визначається з рівняння автокерування асинхронною
машиною:
С02=СОі-О)з/=—-
б#
де 02 ~• кут повороту поля розора відносно нерухомої системи коор-
динат а—р, зв’язаною зі статором.
Кут орієнтації магнітного потоку ротора 02 в системі координат
а—р:
02 = агс(д—— = агсід——, (5.127)
Ф- /,
2а 2ра
Ф2в . Ф2
де > ,2Иа = —” — струми намагнічування.
^12 ^2
Виберемо обертову систему координат с/—зорієнтовану таким
чином, що Ф2д = 0. Вісь зробить кут 02 відносно осі а (рис. 5.89).
Абсолютне ковзання визначається з рівняння (5.87) з викорис-
танням рис. 5.89:
(5.128)
Рис. 5.89
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Вихідними даними для розрахунку абсолютного ковзання,
потім і швидкості ротора є складові намагиічувального струму /^2а та
/'і2р, що визначаються за допомогою естиматора потоку ротора, а та-
кож складові струму статора 71а, 7ір. Останні отримують вимірюванням
струмів статора і наступного перетворення координат а—Ь—с в а—р,
ЧАСТОТНІШУШШ
Нині сфера застосування синхронних електроприводів із регу-
люванням швидкості досить широка як за діапазоном потужностей,
так і за характером виробничого механізму. В діапазоні потужнос-
тей від сотень кіловат до десятків мегават використовують синх-
ронні двигуни з електромагнітним збудженням для привода потуж-
них вентиляторів, насосів, компресорів, валків прокатних станів
тощо. Синхронні двигуни малої потужності (від кількох кіловат до
десятків кіловат) зі збудженням від постійних магнітів використо*
вуються для сервоприводів верстатів із числовим програмним керу-
ванням, роботів та інших механізмів, де необхідні широкий діапа-
зон регулювання швидкості й високі динамічні показники регулю-
вання.
Як було вже сказано, частотний спосіб керування поєднується за
принципом автокерування, коли частота струму статора, що за-
дається частотою перемикання ключів інвертора, ставиться у
відповідність до частоти обертання ротора машини. Крім того, ім-
пульси керування ключами інвертора синхронізовані до кутового
положення ротора. Такий спосіб керування забезпечує стійку робо-
ту машини в усьому діапазоні регулювання швидкості й дає змогу
досягти високої швидкодії САК.
Для живлення синхронних двигунів використовують ті самі пе-
ретворювачі частоти і принципи керування (скалярне і векторне),
що й для асинхронних двигунів. Проте деякі відмінності в кон-
струкції та принципах роботи потребують застосування дещо інших
стратегій керування.
Розглянемо принципові відмінності синхронної машини від
асинхронної, а також нагадаємо про особливості конструкцій, шо
суттєво впливають на електромеханічні властивості та керованість
синхронного двигуна.
5.4, Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Принципові відмінності синхронного
двигуна від асинхронного
Порівняно з асинхронною машиною синхронний двигун має
такі характерні відмінності:
• швидкості обертання ротора (електрична швидкість со2) і
магнітного поля ротора однакові, тобто немає ковзання;
• поле ротора створюється або обмоткою збудження (аналог ма-
шини постійного струму з незалежним збудженням), або
постійними магнітами, розміщеними на роторі;
• в асинхронній машині поле ротора створюється струмами ро-
тора, наведеними від поля статора, тому струм статора має на-
магнічувальну складову, отже, машина споживає реактивну
енергію і працює з відстаючим созср;
• синхронний двигун з електромагнітним збудженням може
працювати як з одиничним коефіцієнтом потужності, так і з
випереджувальним або відстаючим совф залежно від величини
струму збудження;
• у разі використання постійних магнітів для збудження можна
при конструюванні машини заздалегідь закласти відповідний
СО8(р.
Конструктивні особливості
синхронного двигуна
Статор машини містить трифазну обмотку, що формує р пар по-
люсів. Статор з обмоткою називають якорем. У якорі наводиться
ЕРС якоря, а магнітний потік, що виникає від струмів якоря, нази-
вають реакцією якоря.
За електромагнітного збудження машини використовують два
типи ротора: гладкий і з явно вираженими полюсами.
При гладкому роторі магнітна провідність повітряного проміжку
не залежить від положення ротора.
Якщо обмотку збудження розміщують на явно виражених полю-
сах ротора, то провідність повітряного проміжку ЦИКЛІЧНО ЗМІ-
НЮЄТЬСЯ при обертанні ротора. Це суттєво впливає на параметри і
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
електромеханічні властивості машини. Для дослідження властивос-
тей машини у цьому випадку використовують теорію двох реакцій
(для стаціонарного режиму роботи) і (або) теорію Парка (для
дослідження динаміки машини).
У машині на роторі з явно вираженими полюсами часто роз-
міщують демпферну обмотку, яка протидіє швидким змінам
магнітного потоку, демпфує коливання ротора під час перехідних
процесів.
У машинах з гладким ротором ефект демпферної обмотки про-
являється завдяки масивному ротору, зубцям і клинам.
За збудження від постійних магнітів застосовують два спосо-
би розміщення магнітів.
Перший спосіб (рис. 5.90, а) передбачає, що магніти розміщують
на поверхні ротора. Повітряний проміжок у цьому випадку вико-
нується достатньо великим, завдяки чому магнітна провідність
проміжку є постійною. Машина за своїми властивостями набли-
жається до машини з гладким ротором. Однак крива ЕРС якоря має
трапецієподібну форму. Це дає змогу при живленні від перетворю-
вачів частоти отримати за певних умов мінімальні пульсації елект-
ромагнітного моменту.
Другий спосіб (рис. 5.90, б) передбачає, що магніти заглиблю-
ють у тіло ротора. За такої конструкції провідність магнітопроводу
залежить від положення ротора. По повздовжній осі провідність
є меншою, ніж по поперечній (зворотний ефект порівняно з
Рис. 5.90
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
ротором з явно вираженими полюсами). Це приводить до циклічної
зміни індуктивностей обмотки якоря від потоку намагнічування і
потоків розсіювання.
Розглянемо, як впливають особливості конструкції ротора на
векторні діаграми машини та на її електромагнітний момент. Ці дві
важливі характеристики машини будуть використані для визна-
чення стратегій частотного керування.
Векторна діаграма та електромагнітний
момент синхронного двигуна
з гладким ротором
В усталеному режимі машина з гладким ротором може бути
представлена еквівалентною схемою (рис. 5.91, а), якій відповідає
векторна діаграма (рис. 5.91, б).
При побудові діаграми враховані тільки основні (перші) гармоніки
напруги, струму та магнітного потоку. Зауважимо, що при цьому,
як правило, не враховують спад напруги на активному опорі обмот-
ки статора. Це припущення коректне для потужних машин у разі
їхньої роботи з досить високою частотою живлення. На схемі та
діаграмі позначено: Х^со/-! — синхронний реактивний опір машини;
Е, ~ ЕРС якоря від магнітного потоку збудження Ф^; Фі — підсу-
мовувальний потік статора; — потік реакції якоря; ф — кут зсуву
між струмом і напругою статора; 0 — внутрішній кут між векторами
напруги та ЕРС якоря; у — кут між векторами ЕРС і струму статора.
а б
Рис. 5.91
’/219 5-70
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
З векторної діаграми можна знайти такі співвідношення:
^СОЗф = ЕАСОЗ ф,
Е.зіп 0 = Х^созф.
Синхронний двигун споживає активну Рі реактивну потужності
О, що можуть бути одержані з виразів
зи Е
Р = ЗЦ/^ соз ф = ЗЕГІ} соз ф - —— соз 0; (5.129)
О = 3(7/ зіп ф - ЗЕ^ зіп ф + ЗХ/2. (5.1 ЗО)
У разі нехтування опором і, відповідно, втратами в міді статора
електромагнітна та активна потужності є рівними, отже, електро-
магнітний момент може бути знайдений із таких виразів для актив-
ної потужності:
м ЗбЦ ЗЕ^ ЗЦЕ,
М - ——соз ф - —— соз ф = ——соз 0. (5.131)
О 0 Хр
Оскільки Е^юФ, і Г2 = со/р, Х< = С/у = озФь то вирази для
електромагнітного моменту можна подати в такому вигляді:
М -ЗрФДсозф; (5.132)
М = ЗрФ/Ф1 — соз 0. (5.133)
Вираз (5.132) використовуватимемо для випадку живлення ма-
шини від джерела струму (джерело задає струм 4), а вираз (5.133)
зручно застосовувати під час аналізу роботи машини, коли вона
дістає живлення від джерела напруги (тоді Фт = 6^/со).
Векторна діаграма та електромагнітний
момент синхронного двигуна з явно
вираженими полюсами ротора
Під час побудови векторної діаграми використовують теорію
двох реакцій (по поздовжній і поперечних осях) та вводять понят-
тя про:
• поздовжній поперечний Хд = ^!_д синхронний індук-
тивний опір;
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
• поздовжню Ед і поперечну ЕРС самоіндукції якоря;
• поздовжній і поперечний Фод потоки реакції якоря тощо.
Векторні діаграми потоків і напруг для випадку перезбудженої
машини (випереджувального созір) зображено на рис. 5.92.
На основі загальних виразів для потужностей з урахуванням
співвідношень, що випливають із векторної діаграми, можна запи-
сати вирази для потужностей машини.
Активна потужність, яку споживає машина з мережі,
Р - 36// соз <р;
Р = зиуЕ,
5ІП 0 + Зі/2
(5.134)
(5.135)
(5.136)
Реактивна потужність
0 = ЗСЦзіпф.
(5.137)
Як і в попередньому випадку, приймемо, що втрати в статорі
відсутні. Тоді електромагнітний момент знаходять із виразу (5.136)
для активної потужності:
(5.138)
м . Зр^
Л7 _2—Х2-5ІП О + -і—І
2(і)
Рис. 5.92
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Цей вираз показує, як змінюється момент двигуна для випадку,
коли за допомогою і 0 на вході двигуна задають напругу живлення.
Якщо двигун живити від джерела струму, то зручніше викорис-
товувати такий вираз для моменту (його можна знайти з формули
(5.135), пам’ятаючи, що £>/<о = Ф» Х= соЛ):
М = ЗрФЛ СО5 \|/ -
у (А - Л,)А2 2ІП 2\и.
(5.139)
Цей вираз використаємо при виборі стратегії частотно-струмо-
вого керування синхронним двигуном.
Частотно-струмове керування.
Вибір стратегії керування
Вираз (5.139) для електромагнітного моменту показує, що є?
кілька можливостей для регулювання електромагнітного моменту:
• регулювати струм збудження, тобто потік збудження;
• регулювати струм статора /, і, як наслідок, реакцію якоря,
підтримуючи кут \|/ на певному значенні;
• підтримуючи потік збудження на заданому значенні, змінюва-
ти струм статора таким чином, щоб созф = 1.
Вибір того чи іншого способу має здійснюватися з урахуванням
особливостей роботи інвертора струму, двигуна і в цілому ди-
намічних властивостей системи. Так, коли використовують інвер-
тор із природною комутацією ключів-тиристорів, синхронна маши-
на має працювати з випереджувальним созф, бо лише за цих умов
можливе природне запирання тиристорів інвертора.
З позиції роботи двигуна бажано мінімізувати втрати в машині,
отже, при заданому моменті потрібно мати мінімальні значення
струму якоря і струму збудження.
Крім того, враховуючи якість регулювання і швидкодію систе-
ми, вибір керування між скалярним і векторним залежить від вимог
виробничого механізму до конкретного електропривода, як це було
у випадку асинхронного електропривода.
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Регулювання моменту синхронного двигуна з гладким ротором.
Розглянемо два найпоширеніших критерії регулювання моменту.
1. Робота з максимальним моментом. Цей режим можна отри-
мати при заданих значеннях струму збудження і струму статора,
якщо забезпечити роботу машини з кутом у = 0.
Згідно з векторною діаграмою, режим має місце тоді, коли
струм статора збігається з вектором потоку збудження, тобто
коли є лише поперечна реакція якоря. Машина при цьому спожи-
ває реактивну енергію; отже, вона працює з відстаючим созср
(рис. 5.93).
За цих умов ключі інвертора працюють у режимі примусової ко-
мутації; тому слід використати повністю керовані напівпровідни-
кові ключі: /££ґ-транзистори або ЄГО-тиристори.
Рис. 5.93
2. Робота з созф = 1. У цьому випадку струм і напруга ста-
тора збігаються за фазою, вектори потоку збудження і потоку ре-
акції якоря взаємоперпендикулярні, кути Т і 0 рівні між собою
(рис. 5.94).
Оскільки кут 4у не дорівнює нулю, то й машина не розвиває
максимально можливий момент. У такому разі
М = 3р/,Ф, (5.140)
'/,+19 ^70
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рис. 5.94
Якщо є можливим регулювати потік збудження Фл а також
вимірювати потік статора, то можна реалізувати таку стратегію ке-
рування.
Нехай приймається умова созф- 1. Потік статора фіксується на
номінальному рівні Ф^Ф^. Тоді М=ЗрФ1л/1.
Отже, якщо потрібно регулювати момент двигуна, підтримуючи
созір ~ 1, це потребує регулювання одночасно і потоку збудження
Ф,= ^(0, і кута Т- фф
Закони регулювання мають такі залежності:
(5.141)
Т - агсзіп
іА2;
(5.142)
Як і в попередньому випадку, ключі інвертора струму працюють
із примусовою комутацією, оскільки синхронний двигун не віддає
реактивної енергії.
Регулювання моменту синхронного двигуна з явно вираженими по-
люсами. Як видно з виразу (5.138), електромагнітний момент являє
собою суму синхронізованого й реактивного моменту. Останній існує
завдяки різній провідності повітряного проміжку по поздовжній
і поперечній осях машини. Наявність явно виражених полюсів
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
приводить до того, що відношення синхронних індуктивностей
/1_]д залежно від конструкції перебуває в межах від 1,2 до 1,8.
Як і для випадку гладкого ротора тут можна застосувати вище-
розглянуті способи й критерії, за якими регулюється момент машини.
Стратегія керування при живленні
синхронного двигуна з гладким ротором
від інвертора струму
Частотно-струмове керування синхронного двигуна, що працює
в режимі перезбудження, дає змогу реалізувати просту та надійну
схему силового кола електропривода.
Під час вибору стратегії керування таким електроприводом слід
враховувати те, що ключі-тиристори автономного інвертора струму
мають працювати з природною комутацією під дією напруги стато-
ра синхронного двигуна. Для надійної роботи інвертора без виник-
нення явища перекидання струм двигуна повинен на певний кут
випереджати напругу статора машини.
Векторну діаграму для цього випадку зображено на рис. 5.95.
На діаграмі струми двигуна та автономного інвертора перебува-
ють у протифазі. Це зумовлено тим, що напрями струмів двигуна
Рис. 5.95
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
і перетворювача прийняті додатними, коли струми спрямовані до
об’єкта (двигуна або перетворювача).
Якщо нехтувати явищем комутації, то кут керування аи є кутом
фазового зсуву першої гармоніки струму відносно напруги Як
відомо, надійна робота інвертора, уведеного джерелом напруги, за-
безпечується, коли кут керування а не перевищує 150°. Цій умові
відповідає випереджувальний кут зсуву струму статора ф = 30°.
Треба зауважити, що автокерування легше організувати, якщо
контролювати кут ае, зафіксувавши його значення відносно ЕРС
якоря. Із векторної діаграми витікає, що
ае = аи- 0,
причому кут ае > 90° для режиму двигуна і ае < 90° для режиму ге-
нератора.
Ввівши кут ре = ае-л/2, з векторної діаграми знаходимо такі
співвідношення:
8ІП Ре 8ІП 0 8ІП(Я - Ре - 0)
(5.143)
Прийнявши до уваги, що Х1 = = с^Ф,, £х= ссцФ,, вираз
(5.143) запишемо так:
Фі ц ф,
8ІП Ре 8ІП0 8ІГі(Ре+0)
(5.144)
З діаграми також можна знайти співвідношення між иу і £/
^ = Е^ + (Х^)2-2Е,Х^соз^
Розділивши цей вираз на дістанемо
Ф2 = Ф2 + (і,/,)2 - 2ФЛА 5іп ае. (5.145)
На основі виразу (5.145) можна сформулювати дві стратегії
керування.
Перша стратегія керування передбачає незмінність потоку ста-
тора, тобто приймаємо Ф! = Ф1н. У цьому випадку слід адаптувати
потік збудження до зміни навантаження двигуна, тобто до зміни
струму статора.
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
З формули (5.145) маємо
Ф, = зіп ае + ^Ф^-^Дсоза^2. (5.146)
Електромагнітний момент синхронного двигуна становить
М = Зр^-соз Фя = ЗрФ^соз Фі- ЗрФ/соз (я,- ае- 0). (5.147)
Отже, за такої стратегії кут керування ае залишається незмін-
ним, а внутрішній кут 0 змінюється при зміні навантаження.
З виразу (5.144) знаходимо
зіп 0 = —^-зіп (3 =——созае. (5.148)
Фін Фін
Графіки залежностей потоку збудження та електромагнітного
моменту від струму статора (криві, наведені тонкими лініями) зоб-
ражені на рис. 5.96.
За другої стратегії слід зафіксувати незмінним потік збудження.
Це — характерний випадок для роботи машини зі збудженням від
постійних магнітів.
Отже, нехай Ф,= Ф1к. Тоді реакція якоря спричинить зміну пото-
ку статора при зміні струму статора.
З урахуванням залежностей ре + 0 = ае - л/2 + 0 = тг/2 - ер та з ви-
разу (5.144) дістанемо:
Ф^зіп ре = Ф^іп (ре + 0) = Ф^озф. (5.149)
М
А
Рис. 5.96
с
и КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Електромагнітний момент машини для заданого значення Ф,= Ф1н
М= ЗрФ^созср = ЗрФ^зіп ре. (5.150)
Залежності моменту і потоку статора для цього випадку (наве-
дені товстими лініями) зображені на рис. 5.96.
Як видно, при Ф,= Ф1м електромагнітний момент двигуна суттєво
менший порівняно з першим випадком. Тому при електромагнітно-
му збудженні машини перевагу має перша стратегія керування, ко-
ли підтримується незмінним потік статора, а кут керування ае є
постійним. Ця умова потребує роботи машини із перезбудженням.
Система автоматичного керування
синхронним електроприводом
при живленні двигуна від ПЧ з АІС
Функціональна схема САК синхронного електропривода при
живленні двигуна від ПЧ з АІС (рис. 5.97) реалізує стратегію керу-
вання, описану вище: регулювання із заданим кутом ае і заданим
(номінальним) потоком статора. Ця схема не використовує пряме
керування моментом, тому і не забезпечує високих динамічних по-
казників системи. Однак її можна використовувати для таких ме-
ханізмів, як потужні вентилятори, компресори, екструдери тощо.
Нагадаємо, що на низьких швидкостях обертання ЕРС машини
є дуже малою і сумірною зі спадом напруги на опорі обмотки. Тому
вона не може забезпечити природну комутацію. Для примусового
запирання тиристорів слід використовувати додаткові засоби.
Залежно від потужності двигуна природна комутація можлива,
починаючи від 2...10 % номінальної швидкості.
На поданій схемі вузли для примусової комутації не зображені.
САК за своєю структурою близька до структури системи послі-
довної корекції, що широко використовується в електроприводах
постійного струму.
САК містить три контури регулювання: контур регулювання
струму збудження СД, контур регулювання струму статора і контур
регулювання швидкості.
На відміну від двигуна постійного струму, де потоки збудження
і реакції якоря ортогональні, у синхронного двигуна слід підтри-
мувати векторне співвідношення (5.63). Якщо нехтувати наси-
ченням, то залежність Ф,= 7(4) (див. вираз (5.141)) можна замінити
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Мережа
Мережа
Рис. 5.97
залежністю /з6 = ф,), яку відтворює функціональний блок ФП. Сигнал
із виходу ФП є задавальним для регулятора струму збудження РСЗ.
Блок керування БК формує імпульси керування ключами інвер-
тора струму. Ці імпульси синхронізовані й сфазовані з імпульсами
датчика положення ротора ДПР таким чином, щоб підтримувати не-
змінним кут ае.
Регулювання струму статора СД забезпечується контуром регу-
лювання струму 4 Нагадаємо, що між /, і 4 є пропорційна за-
лежність.
Задавальним для струму 4 є сигнал із виходу регулятора швид-
кості РШ. Отже, САК являє собою типову структуру системи послі-
довної корекції.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Особливості керування СД зі збудженням від постійних магнітів.
Синхронний двигун зі збудженням від постійних магнітів має
незмінний потік збудження Ф,.
Якщо СД живити від ПЧ з АІН, то немає, у принципі, жодних об-
межень стосовно фазового зсуву між напругою і струмом статора.
Отже, можна розглянути дві стратегії керування.
Робота з созф= 1. Цей випадок ілюструє векторна діаграма, зоб-
ражена на рис. 5.94. З урахуванням того, що = 0^ і £><оФл маємо
ф, = 7ф*-(М)2-
Електромагнітний момент двигуна тоді становить
м = ЗрФ,/, = Зрд/ф? “
(5.151)
(5.152)
Криві залежності магнітного потоку статора та електромагнітно-
го моменту від струму статора зображені на рис. 5.98 (криві, наве-
дені напівжирними лініями). Як видно, момент двигуна має кри-
тичне значення. Це пояснюється тим, що згідно з виразом (5.152)
магнітний потік статора зменшується зі зростанням струму статора.
Тому ця стратегія керування для СД зі збудженням від постійних
магнітів майже не використовується.
Робота з ф = 0 (робота з максимальним моментом). Для цього ви-
падку струм статора збігається за фазою з ЕРС статора.
Рис. 5.98
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
З векторної діаграми (рис. 5.93) знаходимо, що
Ц = 7^г + (соМ)2. (5.153)
ЗВІДКИ
= № + (5.154)
З виразу (5.131) маємо (за умови, що кут \|/= 0, а СД має глад-
кий ротор)
Л/ = 2А£ = ЗрФ,/1. (5.155)
Отже, при незмінному потоці ротора, що має місце при збуд-
женні від постійних магнітів, і нульовому значенні кута V машина
розвиває максимальний момент, пропорційний струму статора.
Потік статора при цьому зростає зі збільшенням струму статора
(див. рис. 5.98).
Ця стратегія широко застосовується для керування синхронни-
ми двигунами зі збудженням від постійних магнітів. Її можна ре-
алізувати при живленні як від ПЧ з АІС, так і від ПЧ з АІН. У друго-
му випадку ПЧ має бути охоплений зворотним зв’язком за струмом,
дія того щоб забезпечити пряме регулювання моменту відповідно
до виразу (5.155).
За першої і другої стратегії ключі інвертора мають працювати з
примусовою комутацією.
Додамо, що при використанні СД з трапецієподібним роз-
поділом магнітного потоку (трапецієподібна ЕРС статора) і жив-
ленні від АІС, що працює за законом комутації 120°, крива момен-
ту двигуна має мінімальні пульсації. Це дає змогу отримати широ-
кий діапазон регулювання швидкості. Ось чому такі двигуни широ-
ко застосовуються в приводах верстатів і роботів.
У разі застосування АІН з ШІМ можна використати принцип век-
торного керування, ідентичний тому, що був застосований до асин-
хронного двигуна, з урахуванням, звичайно, конструктивних особ-
ливостей синхронної машини.
АІН, замкнений зворотним зв’язком за струмом по осях сі— д,
дає можливість реалізувати пряме керування моментом, забезпечу-
ючи високу швидкодію контуру регулювання моменту; використан-
ня ж принципу автокерування синхронною машиною забезпечує
Умову = £ї/р.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Принцип векторного керування СД
зі збудженням від постійних магнітів
Якщо зорієнтувати обертову систему координат сі—д за векто-
ром потоку ротора, то рівняння електричної рівноваги для статора
матимуть вигляд
иУд " + .. Ц)Ф1д>
сії
</Ф1
= 7“ + ^Оф1сО
СІЇ
(5.156)
(5.157)
де Фт — потокозчеплення статора; со0 — кутова частота обертання
поля ротора.
У разі збудження від постійних магнітів
Фід, = ^/ід, + Фл, (5.158)
<Ч=Ч'’ц- (5.159)
З виразів (5.156), (5.157) з урахуванням (5.158), (5.159) дістанемо
~ ~~7 (5.160)
с/г
с//*
С/і = 7?^ + Цц ~~~ + “* Ц)ФГ ’ (5.161)
сії
Електромагнітний момент двигуна для цього випадку становить
М = р((4_ - + Ф,/Д. (5.162)
Отже, якщо ротор має характеристику з явно вираженими по-
люсами, то електромагнітний момент машини залежить водночас
від обох складових струму /1б/ та /1г
У разі використання машини з гладким ротором момент зале-
жить лише від складової струму /1<7.
Зазначимо, що можна мінімізувати споживання потужності ма-
шиною для заданого значення моменту, якщо прийняти 71б/=0.
Як видно з рівнянь (5.160), (5.161), складові напруг і за-
лежать водночас від складових струмів за осями д—д.
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
Отже, як і у випадку живлення асинхронного двигуна від дже-
рела напруги, має місце зв’язок змінних за осями с/—д. Щоб позбу-
тися цього зв’язку, можна використати ту саму техніку, що й для
реалізації керування асинхронного двигуна, а саме, ввести додатко-
ві штучні ЕРС:
Мережа
Рис. 5.99
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Тоді
(5.163)
(5.164)
Структурна схема, наведена на рис. 5.99, ілюструє принцип по-
будови векторного керування СД з постійними магнітами у разі
живлення від АІН із замкненим контуром регулювання струму.
Для конструкції з поверхневим розміщенням магнітів на роторі
можна вважати, що ротор гладкий. У цьому разі, як було сказано
вище, приймається = 0. Складова струму задає, згідно з вира-
зом (5.162), величину моменту двигуна.
На схемі знаком ' позначено задавальні значення змінних вели-
чин.
Структура позиційної САР
на базі синхронного двигуна
з постійними магнітами
Синхронні позиційні електроприводи (часто їх називають синх-
ронними сервоприводами) нині широко застосовуються у верстатах
із числовим програмним керуванням і в роботах. Вони мають вели-
кий діапазон регулювання швидкості та високу швидкодію. Як дви-
гун використовують синхронну машину зі збудженням від
постійних магнітів. Найчастіше застосовується конструкція з по-
верхневим розміщенням магнітів, за якої ефект явно виражених
полюсів майже не виявляється, і, отже, можна прийняти, що маши-
на має гладкий ротор. Звідси £1д.
Дія забезпечення максимального моменту векторне керування має
реалізувати умову /1<у=0. Векторна діаграма, зображена на рис. 5.100,
відтворює цей випадок. При орієнтації осі сі за потокозчепленням
ротора Ч7, вектор ЕРС статора £) збігається з віссю д. Вектор струму
в усталеному режимі за виконання умови /1(/=0 також збігається з
віссю д. Під час перехідного процесу ця умова порушується і век-
тор струму /, займатиме положення (стрілка, позначена штриховою
лінією), що визначається кутом V відносно осі сі і кутом у відносно
осі а. Положення обертової системи координат сі— д відносно неру-
хомої системи координат а—р визначається кутом 0е.
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму
р
\
Рис. 5.100
Електромагнітний момент машини відповідно до векторної діаг-
рами визначається так:
М— рЧ\/х$іп V.
Кут у = у-0е набуває значення 90° в усталеному режимі, забез-
печуючи максимальне значення моменту машини.
Одну з можливих структур САР положення на основі частотно-
керованого синхронного електропривода, що реалізує розглянутий
вище принцип векторного керування синхронним двигуном з по-
стійними магнітами, наведено на рис. 5.101.
В електроприводі використовується ПЧ з АІН з контуром регулю-
вання струму, завдяки чому реалізується частотно-струмове керу-
вання синхронним двигуном. Для регулювання струму використо-
вуються релейні регулятори. Така структура регулятора струму забез-
печує високу швидкодію контуру регулювання. Частота комутації
ключів залежить як від ширини гістерезису релейної характеристи-
ки регулятора, так і від величини струму. У той же час пульсації стру-
му мають незмінну амплітуду, що зумовлюється шириною гістере-
зису характеристики регулятора.
Цей принцип дістав назву ШІМ з адаптивним регулюванням
струму (Асіарііуе сиггепі сопігої РММ).
Структура САР за своїм класом належить до систем із послідов-
ною корекцією. Вона містить три контури регулювання з каскад-
ним увімкненням регуляторів моменту, швидкості й положення.
Для формування зворотного зв’язку за моментом використовується
естіматор моменту. Вихідним сигналом контуру моменту є модуль
вектора струму. Його положення визначається кутом у. Проекції
ДОЗ
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Мережа
* зідп -» 90“
Естиматор моменту
Рис. 5.101
5.5. Адоптивне керування електричними
машинами
цього вектора на нерухомі осі а—р (/1а = /созу і /1Ь = /зіпу) дають
змогу шляхом дво- та трифазного перетворення координат визна-
чити задавальні значення фазних миттєвих струмів (як і раніше,
задавальні значення змінних позначаються знаком *). При визна-
ченні фазового положення вектора струму враховується знак мо-
менту, тобто режим роботи машини. Це реалізується зміною знака
кута 90°.
5.5
Адаптивне керування електричними
машинами
Реалізація алгоритмів керування ЕМСАК вимагає знання пара-
метрів електричної машини. Частково параметри двигунів можуть
бути розраховані на основі каталожних даних або отримані експе-
риментально за допомогою спеціальних тестів, шо потребує спе-
ціального обладнання та кваліфікованих спеціалістів, а також знач-
ного часу. Тому однією із сучасних вимог до електроприводів, що
випускаються серійно, є автоматична ідентифікація параметрів
електричної машини. Ця процедура виконується на непрацюючому
обладнанні, а розрахунок параметрів — не в реальному часі, а в так
званому режимі «оП-Ііпе».
Деякі параметри електричної машини, а також параметри, зу-
мовлені специфікою технологічного об’єкта, можуть змінюватися в
процесі роботи (зміна активних опорів обмоток електричної маши-
ни внаслідок їх нагрівання, масоінерційних характеристик, ко-
ефіцієнтів в’язкого тертя та ін.). Типовими прикладами парамет-
ричних збурень є ті, що виникають у системах відпрацювання по-
ложення при транспортуванні тіл із невідомою масою або зміни ма-
си під час руху, наприклад за рахунок вигоряння палива в аеро-
космічних об’єктах. Параметричні збурення не змінюють структури
моделі об’єкта керування, але можливі і складніші випадки, коли в
процесі роботи ця структура змінюється (наприклад, при контакті
промислового робота із зовнішнім середовищем).
Розглянемо випадок адаптивної компенсації параметричних
збурень.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Проблема компенсації параметричних збурень в умовах вико-
нання головної технологічної задачі є більш складною порівняно з
тією, що пов’язана з початковою ідентифікацією параметрів. При
цьому неможливо організувати спеціальні тести, а процес іден-
тифікації має виконуватись у реальному часі (режимі «оп-ііпе»), що
потребує значної обчислювальної потужності керуючого пристрою.
Узагальнену структурну схему адаптивної САК, що завжди міс-
тить блок ідентифікації параметрів із вихідним вектором Д наведе-
но на рис. 5.102.
Як і під час побудови алгоритмів керування при відомих пара-
метрах об’єкта керування, тут визначають дві задачі: адаптивне ке-
рування за повним вектором змінних стану, а також адаптивне ке-
рування за вимірюваним виходом.
Перша задача формулюється так. Для нелінійного об’єкта, що
містить вектор невідомих параметрів р і заданий рівняннями
X = Г(г, х, р) + Ь(р}и;
у = Л(ґ, х),
слід сконструювати адаптивний алгоритм керування
у = а(х,х*, р);
р = д(х,х‘,р),
(5.165)
(5.166)
(5.167)
такий, що гарантує асимптотичність відпрацювання заданого век-
тора х*, тобто забезпечити
(5.168)
Рис. 5.102
5.5. Адаптивне керування електричними
машинами
при асимптотичності оцінення вектора невідомих параметрів
Ііт р = 0, р = р - р.
(5.169)
При адаптивному керуванні за вимірюваним вектором в адап-
тивному алгоритмі (5.166), (5.167) використовується лише вектор
вимірюваних змінних, тобто
и = а(у,х,р)-, (5.170)
р = у(угх\ р). (5.171)
Алгоритм, заданий рівняннями (5.167), (5.171), називають алго-
ритмом ідентифікації невідомих параметрів, які визначені вектором
р. Зауважимо, що адаптивні регулятори (5.166), (5.170) у загальній
постановці прямого адаптивного керування не є такими, що спро-
ектовані для випадку відомих параметрів. Адаптивне керування за
повністю вимірюваним вектором змінних стану є набагато
простішою задачею порівняно з керуванням за вимірюваним вихо-
дом.
Сучасний рівень розвитку теорії керування дає змогу розв’язати
першу задачу, до якої належать ДПС та СД без демпферних обмоток,
при повній параметричній невизначеності. Для об’єктів із частково
вимірюваним вектором змінних стану (АД з короткозамкненим ро-
тором та СД з демпферними обмотками) проблема адаптивного ке-
рування лише розробляється.
Зауважимо, що наявні на сьогодні методи адаптивного керуван-
ня загально вирішують проблему за умови, що р^сопзї або їх по-
вільної варіації, коли припустимо вважати, що р = 0.
Розглянемо два приклади конструювання адаптивних алгорит-
мів керування: синхронним неявнополюсним двигуном, вектор
змінних стану якого вимірюваний, та АД з короткозамкненим ро-
тором при вимірюванні лише струмів статора та кутової швидкості.
.ф* •»
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
ДДАПШВНі К^УВАИШ НЯЯЮЮГіОЯЮШШк
СД ПРИ ШДПЯДЦКЖАЛНІ КУТ0ВОШ
палажшия
Рівняння динаміки неявнополюсного СД зі збудженням від по-
стійних магнітів, за умов симетричного живлення, записані в сис-
темі координат статора (а—-д), мають такий вигляд:
0 = а),
со = 5ІП р„0 + іьсоз р„0) - 4со-
(5.172)
Де (4, 4)? (Ц» ~ компоненти векторів струму та напруги статора;
/?, £ — активний опір та індуктивність статорної обмотки; V > 0 —
коефіцієнт в’язкого тертя; кт = рпЬті{^ сопзї — коефіцієнт моменту.
Розглянемо наступну задачу адаптивного керування. Нехай у
моделі СД (5.172) усі додатні параметри /ст, У, V, /?, £ — невідомі і
сталі, як і момент навантаження Мс. Задана траєкторія зміни куто-
вого положення 0* має обмежені три перші похідні за часом. За цих
умов потрібно синтезувати керуючі дії и = (иа, иь)г, що гарантують
асимптотичність відпрацювання заданого кутового положення, тобто
Ііт 0 = 0, 0 = 0-0*
(5.173)
при обмеженості всіх внутрішніх змінних алгоритму керування.
Додатково вважатимемо, що діапазони змін моменту інерції У та
коефіцієнта моменту кт відомі. Для розв’язання цієї задачі викорис-
таємо принцип векторного керування СД в координатах ротора.
Змінні СД в системі координат ротора мають вигляд:
СОЗ рп0 8ІП рп0
~ 5ІП рл0 СОЗ рп0
(5.174)
5.5. Адаптивне керування електричними
машинами
У координатах ротора модель СД (5.172) набуває вигляду
0 = 0),
2 У " / /
: /?. . и. (5.175)
Я . . к
Визначимо задані закони зміни кутової швидкості та струмів
статора як Тоді відповідні похибки відпрацювання запи-
шуться так:
•ґ
6) ~ СО — 0) ,
4 = і(5.176)
• •
~ ~ *
Розглянемо перше рівняння в (5.175) в похибках відпрацювання:
0 = со* + 6> - 0*. (5.177)
Алгоритм регулятора кутового положення має вигляд
со* = -/со0 + 0\ (5.178)
де /с0 > 0 — коефіцієнт пропорційного регулятора положення.
Рівняння динаміки похибок відпрацювання механічних коорди-
нат СД згідно з виразами (5.175) та врахуванням (5.178) набувають
вигляду
(5.179)
Рівняння (5.179) містять три невідомі константи, які визначимо так:
^1 = -—; = ^3 = ^- (У 180)
3 4,, 7 7
З урахуванням визначень (5.180) рівняння (5.179) запишуться у
вигляді
0 = -Ао0 + со,
л 1-х а- ч А-х (5.181)
И = —(/ + / ) - \|/2со - Уз - 0 + /гн(0) - 0 ).
ЧЛ
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Нехай V; та = 1 </< 3 визначають відповідні оцінки па-
раметрів та похибки оцінювання. Сформуємо адаптивний алгоритм
регулятора швидкості у такому вигляді:
ід = ФДФ203 + Уз + 6* - /ге(со - Є*) - к^Ь),
(5.182)
де км > 0 — коефіцієнт пропорційного регулятора швидкості.
Підставивши (5.182) в (5.181), дістанемо диференціальні рівнян-
ня похибок відпрацювання механічних координат СД
~ . - 1 7 Жі -* ~ ~ А » — 1 7
« = -Ае)со + — /----------—І - С0\|/2 “ Уз = + — 'д
4>і 4/і4гі 4>і
и/21 и/23
г ф?
4>і
4'2
(5.183)
де и/2; — відомі функції 1 < /< 3.
З рівнянь (5.183) встановлюємо, що за умов Ііт(/ ,ф,) = 0 забез-
печується асимптотичне відпрацювання кутового положення і куто-
вої швидкості згідно з асимптотично лінійним диференціальним
рівнянням другого порядку.
Для рівнянь динаміки струмів у (5.175) визначимо такі невідомі
константи:
/? к
¥4 = 7, 4'5 = —> 4'б = /-
(5.184)
З урахуванням цього, визначення
статора набувають вигляду
рівняння динаміки струмів
*
= -V?; - - 4^ + —и - /
• + л а
¥і
(5.185)
Ч>1
іч- з (*е+А<.1-Ч'2),
।
4>6
5.5. Адаптивне керування електричними
машинами
Визначивши оцінки к = 4,5,6, невідомих констант \|/А та від-
повідні похибки оцінювання запишемо рівняння (5.185) у формі
ід = 4 "УЛ - Уі“ - — + К - Уг)', -
4^1
1
-ЧіІК+К- У2)(У2“+Уз) +—ид>
Уб
7,1
Ч = ^ + —
У6
(5.186)
де
= “У?, ~ Рп^Ч ~ У5" ~ -гЧ + (К + К - 'І>2+ (К + К ~ У2)<, ~
V,
А
ф2<о + Фз + 9’ + (К + К)0* - /г,„/гв (-Ле9 + й>) +
(5.187)
+ (*„>+^-У2)(Уг“ + Уз) ;
^ = -4^ + РптІ'д~ ід-
(5.188)
Зауважимо, що функції та містять лише відомі компоненти.
Сконструюємо нелінійний алгоритм керування струмами:
ид=Чь(-Гд~Кід)>
ид=
(5.189)
Після підстановки алгоритмів (5.189) в (5.186) об’єднані рівняй-
ня похибок відпрацювання механічних та електричних координат
СД запишуться так:
0 = -/сй0 + Й),
V '
Й = -/СмЙ + \|/?\ + [и/21/\И1 *22 "бзіЧ-Р
ід = ~Кід ~ — (К +К>~ Ч'г)7, - Ф2 46“ (К + К ~ 'Р2) -
V,
- <ЙзМ> 1 (*.„ + К - Уг) - УЛ - у5“ - ~ид =
Уб
= -А,4 + [и<3і/Уі И<32 ^зз и/34 іу35 і*36/к|/6]ч»,
їд = -КЇд-^АІд-~ ид=~КІд+[_^М "бй/У^Уй-
(5.190)
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
де и^т„ — відомі функції, а вектори похибок оцінення параметрів ви-
значені як ч/,,,ЧФ1,'і'2>Фз)Г; У = (Фі> Уг-Уз Фд» <Й5> Ч'б-)З * * * 7: Ф</ = (У4.'ї'б)Г-
Система (5.190) в матричній формі є такою:
-л 1
0
о
о
і = Ах + ІУ(Г)О ’у, А =
VI
-Л; о
о
(5.191)
0
о
о о
де х = (0, т,ід,іа)г; О = сііад[уі, 1,1,1, ту6, >р6] > 0, ИФ)
ця регресії, задана виразом
— відома матри-
0 0 0 0 0 0
0
Иф) =
^21
^31
^22
^32
^23
^33
о
^34
ИАц
0 0
"35 И'зб
0 ^46
(5.192)
0 о
З рівняння (5.191) можна побачити, що матриця А є матрицею
Гурвіца для усіх (/с0, км, к() > 0. Для синтезу алгоритму адаптації
розглянемо додатно визначену функцію
V = (хтРх + угА 'О 1у), (5.193)
де Р, А — додатно-визначені діагональні матриці,
\>0, і = 1,2,..., 6.
(5.194)
Похідна за часом від (5.193) становить
V = хт(АтР -т РА)х + 2хлРИф)О1ф + 2уА 1О 1ф. (5.195)
Оскільки невідомі параметри у і постійні, то \р= ф, тому виз-
начимо алгоритм адаптації як
у = -ф = -АІУгРг. (5.196)
Підставивши його у вираз для V, дістанемо
V = хг (Ат Р + РА}х\ (5.197)
5.5. Адаптивне керування електричними
машинами
^9
1
2
1
2
(АТР +РА) =2
1_2У
= -а
(5.198)
2у
О
~7*, О
О -7*,
Матриця О, що є розв’язком рівняння Ляпунова (5.198), завжди
може бути спроектована так, що О > 0 за рахунок визначення
коефіцієнтів регуляторів положення /с0, швидкості к^ та струму к;.
Використовуючи правило Сільвестра, знаходимо умови, коли О є
додатно визначеною:
(5.199)
Де + к„2.
Отже, з нерівностей (5.199) робимо висновок, що для відомої об-
2 У л
ласті х|/1тіп< >!/,< іИітах> ^1 =-> завжди можуть бути визначені у > 0,
з*т
к-> 0 такі, що умови (5.199) будуть задоволені.
Оскільки похідна V (5.197) є тільки напіввід’ємно-визначеною,
то для аналізу стійкості використаємо лему Барбалат. При сформо-
ваних обмеженнях на траєкторію руху 0*(г) з (5.193) та (5.197),
(5.198) при виконанні умов (5.199) з основної теореми Ляпунова
про стійкість встановлюємо, що вектори х та у обмежені для всіх
г> 0. Тому 9, <о, 4 обмежені, що з (5.190) гарантує обмеженість
0, со,
З (5.193) та (5.197), (5.198) за умов (5.199) встановлюємо, що
вектор х є квадратично інтегрованим і тому пряме використання
леми Барбалат гарантує асимптотичність положення рівноваги х = 0,
тобто Іітх = 0. Таким чином встановлюємо, що асимптотичне від-
працювання заданої траєкторії кутового положення забезпечується.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Рівняння похибок відпрацювання координат СД (5.191) та оці-
нення параметрів (5.196) мають стандартну форму:
х - Ах + ІУЛ 1у,
у = -АИЛРх.
(5.200)
З результату теореми про персистність збудження встановлю-
ємо, що при існуванні додатної константи Т, такої, що матриця
розміром 6x6
') ИГг(тЖг)Л (5 2О1)
є додатно визначеною для всіх г>0, умови персистності збудження
виконуються, і тоді х = 0; у = 0 є глобально експоненційно стійким
положенням рівноваги системи (5.200).
Отже, якщо умови персистності збудження забезпечуються, то
оцінка невідомих параметрів також досягається, тобто Ііту = 0.
Алгоритм адаптації (5.196) матиме вигляд
ф2 = -Х2 сосо + ушу1(\і,+А0
(5.202)
де 7* визначений в (5.182), а ия. — в (5.189).
У тому разі, коли адаптація відносно деяких параметрів у,- не
потрібна, в адаптивному алгоритмі керування (5.182), (5.189) вико-
ристовуються значення параметрів у,—у,-, а в алгоритмі адаптації
параметрів (5.202) приймається у, = 0. Так, якщо невідомими пара-
5.5. Адаптивне керування електричними
машинами
метрами є лише активний опір статора /? і постійний момент наван-
таження Мс, адаптивний алгоритм керування набуває вигляду
- к.кА-к$ 4- бо) -
О €0 ' о •
< Зкт . V . V V |
<27? ’-7“~ Узд 0
Ч, = НУаЧ - Рп^Ч - Кч +
Ч'4=-^4ї(/Уд+/й^)>
(5.203)
а система (5.190) спрощується до
0 ~ -к$ + со,
- М> + у4 “ Уз,
(Л
.7 . . \Ч 2 7 „
-/г,/ - /с +Л -- Ч»з-у4/,(
І 43 Д,
(5.204)
При цьому умови персистності збудження (5.201) мають такий
вигляд:
що еквівалентно
Т^(т) + /;2(т)>>о, у?>о.
Тобто, за усіх умов, коли СД живиться струмом, положення рів-
новаги х = 0, (тц/3,у4)г = О є глобально експоненційно стійким. Від-
працювання кутового положення та оцінка невідомих Мс//та /?/£.
відбувається асимптотично з експоненційним рівнем збіжності
похибок у нуль.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Зауважимо також таку особливість СД зі збудженням від постій-
них магнітів. Якщо в алгоритмі керування (5.189), (5.188) встановити
у,(0) = 0, і = 1,2,3, 5, а також 0*(О) = О(О), тоді у,(Г) = 0, 0(г) = 0(0), со(г) =
= 0; 4(0 = 0 при початкових умовах ш(0) = /ДО) = /ДО) = 0. Це означає,
що електромеханічна система СД не працює для усіх /ДО, тобто про-
цес електромеханічного перетворення енергії відсутній. Рівняння
(5.190) при цьому мають вигляд
- Ул - — (ФЛ - + і’Л
ЧЧ
ф6 = - Фб = - к^ + >«)•
з алгоритмом керування
Ц,(Г) = О,
^и) = Фб(Ф4^-\Ф-|-О-
(5.205)
(5.206)
Якщо 7>0, наприклад 4 є гармонічною функцією, то Ііт(/Дф4>
Г—>х
у6) = 0, а параметри СД у4 =
у6 = £ автоматично ідентифікуються
на стоячому двигуні. Оскільки індуктивність статора £ за подальшої
роботи двигуна не змінюється, то оцінка значення ф6 = \р6 = далі
використовується в алгоритмі керування без її ідентифікації.
Параметри адаптивного алгоритму керування налагоджують так.
Коефіцієнти пропорційних регуляторів положення /ге, швидкості /го,
струму кі вибирають так, щоб оптимізувати динамічну поведінку
лінійної системи в (5.191):
х = Ах,
наприклад, аналогічно типовому підходу в системах із підпорядко-
ваним керуванням параметрів, з внутрішніми контурами, вдвічі
швидшими порівняно з наступним зовнішнім. При вибраних зна-
ченнях к^ та к, параметр у розраховується згідно з виразом (5.199) з
відомої нижньої границі у1тах. Коефіцієнти адаптації 7= 1, 2,6,
формулюються на основі результатів моделювання системи. Заува-
д А. д
5.5. Адаптивне керування електричними
машинами
> Рівняння (5.187)
О
•_ *
(Ф4, М. Ід, Ід)
-
Рівняння (5.188)
Рис. 5.103
V/
Алгоритм
ідентифікації
(5.202)
жимо, що за умов виконання (5.199) адаптивна система є асимпто-
тично стійкою для всіх 0.
Структурну схему адаптивної системи керування кутовим поло-
женням СД зображено на рис. 5.103.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Алгоритми векторного керування АД з короткозамкненим рото-:
ром, що ґрунтуються на принципі орієнтації за полем машини, ви-
користовують властивість пасивності (натуральної стійкості) ротор-
ного кола електричної машини. Для визначення кутового положен-
ня є0 системи координат (<У—д), яка асимптотично орієнтована за
вектором потокозчеплення ротора, потрібні оцінені за допомогою
спостерігача значення потокозчеплення ротора в разі прямого век-
торного керування, або його задане значення, згідно з рівнянням
для ковзання АД при непрямому орієнтуванні. У кожному з ви-
р
падків для цього слід знати параметри роторного кола АД а = — та
індуктивність намагнічування Ьт. Якщо розглядати АД із малим
рівнем насичення, то ~ сопзі і при роботі АД через нагрівання
електричної машини змінюється лише параметр а, що є оберненою
сталою часу роторного кола. При цьому варіації активного опору
роторного кола значні і можуть досягати + 100 %/- 50 % відносно
його номінального значення. Оскільки цей опір безпосередньо не
вимірюється, то його опосередковане визначення є не простою за-
дачею. Активні опори статорного кола також змінюються при ро-
боті АД, але їхній вплив незначний, а діапазон змін менший. Біль-
ше того, активний опір обмоток статора може бути розрахований з
інформації про температуру статора, використовуючи його термічну
модель.
У задачах векторного керування короткозамкненими АД вважа-
ється, що варіації активного опору роторного кола є головною па-
раметричною збурювальною дією. Через зміну параметра а в елект-
ричній машині, значення а, що використовується в алгоритмі век-
торного керування, відрізняється від його реальної величини. Виз-
начимо вплив різниці
Да = а - а (5,207)
на процеси орієнтації за вектором потокозчеплення ротора в систе-
мах векторного керування.
Для прикладу розглянемо випадок непрямого векторного керу-
вання при роботі З ПОСТІЙНИМ заданим потокозчепленням К|/* = СОП5І.
5.5. Адаптивне керування електричними
машинами
Задані значення кутового положення вектора потокозчеплення ро-
тора та прямої компоненти струму статора становлять
£о = ®о = Рпм+
V (5.208)
З урахуванням (5.208) рівняння похибок відпрацювання пото-
козчеплення набувають вигляду
У,= -ач^+ю2ф,+ а£„,/’і<о (5.209)
V, = “«Ф, - + Ла 4Л.
де ~ похибки відпрацювання потокозчеплення
ротора.
В усталеному режимі роботи при ш* = сопзї, Мс - сопві, завдяки
дії інтегральної складової регулятора струму, похибка відпрацюван-
ня струму по осі с!дорівнює нулю, тобто /^ = 0 в рівнянні (5.209). Ці
рівняння через присутність збурення Да більше не є однорідни-
ми, тобто асимптотичність орієнтації за полем АД і асимптотич-
ність відпрацювання модуля потокозчеплення ротора порушуються
Зауважимо, що моментна компонента струму статора залежить
від моменту, що розвиває електрична машина. У результаті порушен-
ня асимптотичності відпрацювання вектора потокозчеплення ротора
погіршується якість процесів відпрацювання кутової швидкості, мож-
лива навіть втрата стійкості системи. При цьому, коли система
залишається стійкою, порушена орієнтація за вектором потоко-
зчеплення ротора призводить до додаткових втрат потужності в
електричній машині в процесі електромеханічного перетворення
енергії.
Компенсація негативного впливу варіацій активного опору ро-
тора на показники векторно-керованих АД являє одну з актуальних
проблем сучасного електропривода змінного струму. Можливі два
принципові підходи до вирішення цієї проблеми: методами адап-
тивного керування з ідентифікацією активного опору ротора на ос-
нові вимірюваної інформації про струми статора і кутову швидкість,
а також методами теорії грубих (робастних) алгоритмів керування.
5 КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Використовуючи алгоритм ідентифікації, який має глобальні
властивості асимптотичного оцінювання при виконанні умов ідей
тифікованості, можливою є побудова адаптивних алгоритмів век-
торного керування АД (прямого та непрямого) на основі принципу
розділення. За цим принципом в алгоритмах, що подані в розділах
векторного керування АД, параметр а замінюється на його оцінене
значення, отримане за допомогою ідентифікатора а. Алгоритм іден-
тифікації активного опору роторного кола визначається так.
Розглянемо рівняння динаміки електричної частини АД, запи-
сані в системі координат статора (о—Ь):
'о =---'а + -71РЧ'а+ РРл«Ч'і-
а >
’ь + -Г^ІЬ-^РпЮ^о-
(5.210)
'т а і
а
V ь = - ~г + ~гі-тІь’
де (4, 4); (^о, (у0? V*) — відповідно компоненти векторів струму
та напруги статора, а також потокозчеплення ротора.
Під час побудови ідентифікатора активного опору ротора вико-
ристовуються такі припущення.
1. Всі параметри моделі АД (5.210), крім активного опору рото-
ра /?2, відомі і сталі.
2. Струми статора, кутова швидкість, а також напруги статора
відомі (вимірювані сигнали) і є обмеженими функціями часу.
Визначимо в рівняннях (5.210) параметр а--- /?2/Л2, що є зворот-
ною сталою часу роторного кола. Він може бути записаний так:
0 = 0^ +До, (.\211)
2 . Д /?2 .
де ал/ = -^£ — номінальне значення; Да = —- — невідома стала час-
Ц ^2
тина а > 0.
5.5. Адаптивне керування електричними
машинами
З урахуванням визначення (5.211) перші два рівняння (5.210)
матимуть вигляд
іа =--- + а^РС іа + сіл/0+ РРлЮУь + -Ц, + АаР(~С4 + ЧЛТ
ь
---1 + «яРС 4 + ал/0у4 - 0р„®уо + + Л«Р(~С4 + V*)-
З системи рівнянь (5.212) встановлюємо, що за умов
уД'НАЛЮ (5.213)
параметр Да є таким, що не ідентифікується, оскільки рівняння
(5.212) не залежать від нього. Фізично це відповідає умовам роботи
АД, коли його момент дорівнює нулю, а також модуль потокозчеп-
лення ротора незмінний. При цьому струм ротора нульовий і тому
активний опір ротора не може бути ідентифікованим.
Теоретична проблема задачі ідентифікації, що розглядається,
полягає в структурі рівнянь потокозчеплень ротора (5.210), у яких
невідомий параметр /?2 входить у праву частину, а змінні потоко-
зчеплення не вимірюються. Цей факт не дає можливості викорис-
товувати стандартні методи побудови адаптивних спостерігачів.
Сформуємо алгоритм оцінювання струмів статора у вигляді
4 + «Л/РПа + РРЛ“П. + -ио +
4 = 4 — + «Л/РС і 4 + «л/РПл - Рр/0По + -ч, +
( ст , а
+ М4 - 4) + «Р(-С4+пй) +
П, = -а«П0 - Р„а>% + ««С4 - ^(4 - 4) - -- а(-С4 + По).
= -а^пь + Рп"по + а«С4 - у(4- 4) - - «(-С4 + пЛ
(5.214)
де Па» Пь — допоміжні змінні; кь к2 > 0.
Для подальшого синтезу визначимо похибки оцінювання:
струмів статора
(5.215)
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
ДОПОМІЖНИХ змінних
= Пь = Жь“П^ (5.216)
параметра До = (Д/?2/£2) = сопзГ
а = Да - а. (5.217)
З урахуванням визначень (5.215)...(5.217) рівняння динаміки по-
хибок оцінювання запишуться з (5.210) і (5.214) так:
4 = + °Фпо + РРл«Пь + «Р(“4п4 + Па) “
4 = -Л4 + аР*4 - Ря^Па + аР(“4и4 + Пь) -
= -аПа - - а("4и4 + Па) + (5.218)
п* = -ап* “ рп«Па + ^-4 - «(-АЛ + Пь) +
Виконаємо лінійне перетворення координат у вигляді
2а = 'о + Рпо; гь='б + РПь- (5.219)
Зауважимо, що нові змінні і — невідомі, оскільки змінні
Пь ~ невимірювані (див. вираз (5.216)).
У нових координатах рівняння (5.218) запишуться так:
і а = - (*1 + - Рп^іь + ага + Рп^2Ь + “0(- 4Л + По) - >
4 = -(*,+ а)4 + Рп^іо + °-гь - рп(£>га + аР(-ДЛ + Пь) - уь, (5.220)
•?о = -(*1-*2)/аг
Зміст перетворення координат (5.219) стає зрозумілим із форми
рівнянь (5.220), у яких нові змінні невідомі, але мають відому по-
хідну. Подальшим кроком визначимо коректуючі сигнали уа і уь в
(5.220):
= ^ = -Рп<°^> (5.221)
де іо, гь — оцінки невідомих змінних га, гь.
Визначивши відповідні оцінки
г= га-га, гь= гь-гь, (5.222)
5.5. Адаптивне керування електричними
машинами
перепишемо рівняння (5,220):
Іо = -(*,+ а)/о - Р„(ЛІЬ + аг0 + рлагь + аЩ-V» + По),
’ь = ~(V а)4 + р„и/0 + ахь - рл<ога + ар(-4Л + П Д> (5.223)
Для конструювання алгоритму ідентифікації в (5.223), тобто
визначення динамічних рівнянь для а, розглянемо наступну
невід’ємну функцію з у1 > 0, у2 > 0, ку- к2> 0:
Похідна від Уа через рівняння (5.223) має вигляд
(5.225)
+ пД + + Пь)
Визначивши
а = -Уі£
(5.226)
*
^ = у2р^4>
^-ІгРп^а
і підставивши (5.226) в (5.225), дістанемо У, що є від’ємною
функцією
К = (5.227)
тобто Уа в (5.224) — це функція Ляпунова.
Оскільки а =-а(Да = сопзі), 2о = гст-2о, з (5.226) знахо-
димо явну форму для оцінок а, іа, хь\
а = УіР[Ч(-4л+пД + 4(-44+ п6)_|,
5 = -(*1-*2)4-ї2Рп®4>
^=-(*і-*2)4 + У2Рлш4.
(5.228)
и КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
де коефіцієнти уоу2 > 0 — налагоджені коефіцієнти алгоритму іден-
тифікації.
Внутрішні сигнали 4, іь, щ в (5.228) задаються рівняннями
(5.218), (5.223).
З (5.223), (5.227) та відповідно до теореми Ляпунова про
стійкість встановлюємо, що сигнали іа, а, га1 2Ь1 іь є обмеже-
ними і тому оцінки 2О, також обмежені. Оскільки параметр а > 0,
то в алгоритмі ідентифікації необхідно передбачити умову ал/ + а>0,
яка може бути забезпечена за допомогою так званої процедури про-
екцій із реініціалізацією а в зону, де а^-а>0, якщо оцінка а стає
рівною а = При цьому з двох останніх рівнянь (5.214) випли-
ває, що змінні та щ є функціями обмеженими, а з (5.223) вста-
новлюємо, що похідні /а, 4 також обмежені. Оскільки з (5.227)
маємо умову
}(/7(т) + /Дг))Л = (0)) <
і /с + а к< + о
то сигнали 4(0 та 4(0 є такими, що квадратично інтегруються. До-
датково встановлено, що вони обмежені і мають обмежену першу
похідну за часом; тому згідно з лемою Барбалат робимо висновок,
що
Ііт /0 = 0, Ііт іь ~ 0.
Рівняння динаміки похибок оцінювання (5.223) та (5.226) мо-
жуть бути записані в такій загальній формі:
-(*і + а) -р„о>
рлсо ~(М<
-я® 1414а 0
~(4 + с0 ^4^ 1^0 а
а 0 0
0 а -р/о
Рп^ VI
0 4*2,
(5.229)
і = А(і)ї + Гг р;
5.5. Адаптивне керування електричними
машинами
О О
а~'к О
0 Уг
О О
о о
де / = (4,4)г; р = (го, 2Ь, 2„, а); к = А,- кг > 0;
ч'і=Р(~4„4+по).
У2 = Р(-4л+ Пь)-
(5.230)
(5.231)
Якщо для системи (5.229)...(5.231) умови персистності збуджен-
ня виконуються, тобто матриця
| Г(т)Гг(т)<Ут
(5.232)
є додатно визначеною для деякого Т> 0 і всіх ?> 0, то положення
рівноваги
(Л Р) = 0
(5.233)
є експоненційно стійким, оскільки Ґ(г) у рівняннях (5.229), (5.230)
є обмеженою функцією, що випливає з фізики роботи АД.
Виконання умов персистності збудження потрібне для того,
щоб повний вектор оцінок р збігався в нуль. Дослідження показа-
ли, що це вимагає роботи АД з непостійною швидкістю 6^0. При
о) = сопзї умови персистності збудження порушуються; але якщо
*0, в (5.229), тобто параметр о є таким, що ідентифікуєть-
ся, з рівнянь (5.223) випливає, що
Ііт а = 0,
X
Ііт(аго + рл<пгд) = 0,
/-+ х
(5.234)
Ііт(агд-рпсо2(,) = 0.
Г-> X
Отже, ідентифікація а відбувається асимптотично, хоча оцінки
(г0, га, гь), залишаючись обмеженими, в нуль не збігаються.
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Повні рівняння алгоритму ідентифікації активного опору рото-
ра (оберненої сталої часу роторного кола) мають такий вигляд:
По = -а«П0 - Р««Пь + - у('„ - 4) - ^Р„«2й - а(до - Ьтіа},
к - 1
Пь = -Ид/Пь + Рл/«р0 + а^іь - -^-(4 - 4) - -р„со20 - а(д6 - 1^),
(5.235)
4 = - (*і - *2)(4 - 4) - у2р„М4 -
Л, = -(*,- /с2)(4 - 4) + у2р„ш(4 - 4).
Налагоджені параметри алгоритму ідентифікації у2 > 0;
(Лі ~ к2) > 0 вибираються на основі моделювання або експериментально.
Рис. 5.104
Контрольні запитання та завдання
Зауважимо, що алгоритм є глобально стійким для усіх додатних
значень цих параметрів.
Структурну схему використання розглянутого алгоритму іден-
тифікації активного опору ротора наведено на рис. 5.104.
Як показують дослідження, побудова адаптивних до змін актив-
ного опору роторного кола алгоритмів векторного керування АД,
що ґрунтуються на принципі розділення, дає практично реалізовані
результати для стандартних використань АД.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
1. Сформулюйте основні вимоги до ре-
лейно-контакторних схем.
2. Поясніть принцип керування пуском
електродвигуна у функції часу.
3. Поясніть принцип керування пуском
електродвигуна у функції струму.
4. Поясніть принцип керування пуском елек-
тродвигуна у функції швидкості або ЕРС.
5. Поясніть принцип керування пуском
електродвигуна у функції шляху пе-
реміщення.
6. Поясніть роботу схеми керування пус-
ком ДПС у функції часу та з дина-
мічним гальмуванням.
7. Схема керування пуском, противми-
канням та динамічним гальмуванням
АД наведена на рис. 5.14. Знайдіть
вузли схеми, які призначені для забез-
печення режимів гальмування.
8. Схема пуску СД наведена на рис.
5.20, а. Поясніть призначення резис-
тора, який відмикається до ротора СД.
9. У чому полягає різниця пуску двигунів у
нормальному та форсованому режимах?
Ю. Які умови треба виконати для забез-
печення динамічного гальмування
електродвигуна постійного струму з
послідовним збудженням?
11. У чому полягає різниця розрахунку
опорів пускогальмівних резисторів
для АД з фазним ротором за приблиз-
ною та уточненою методикою?
12. Перелічіть основні структури схем
стабілізації швидкості в замкнених
системах керування.
13. Поясніть різницю систем із паралельним
і послідовним вмиканням регуляторів.
14. Поясніть призначення елементів у
схемі СПР на рис. 5.39.
15. Поясніть поняття «технічного та си-
метричного оптимуму» в СПР.
16. Який вигляд мають механічні характе-
ристики АД при зміні напруги живлення?
17. Поясніть принцип дії тиристорного
регулятора напруги.
18. Поясніть призначення асинхронно-
вентильного каскаду.
19. У чому полягає різниця скалярного та
векторного керування?
20. Які є структури САК при частотно-
струмовому керуванні АД?
21. У чому полягає суть адаптивного ке-
рування?
22. Спроектуйте адаптивний до активно-
го опору статора спостерігач пото-
козчеплення ротора.
23. Спроектуйте алгоритм ідентифікації
активного опору та індуктивності ста-
тора синхронного двигуна.
24. Спроектуйте алгоритм ідентифікації
опору якоря та постійного невідомого
моменту навантаження для двигуна
постійного струму, що збуджується
постійними магнітами.
20 5-70
КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Список рекомендованої літератури
Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. Управление
злектроприводами. — Я.: Знергоиздат, 1982. — 392 с.
Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в злектро-
приводе. — М.; Я.: Знергия, 1977. — 472 с.
Лебедев Б. Д., Неймарк В. Е., Пистрак М. Я. и др. Управле-
ние вентильними приводами постоянного тока. — М.: Знер-
гия, 1970. - 199 с.
Москаленко В, В. Злектрический привод. — М.: Вьісш. пік.,
1991. - 450 с.
Пересада С. М. Обобшенная теория косвенного векторного
управлення асинхронним двигателем: В 2 ч. — Ч. II, Синтез ал-
горитми отработки модуля потоки и угловой скорости // Техн.
злектродинамика. — 1999. — № 4, с. 26—31.
Справочник по автоматизированному злектроприводу / Под
ред. В. Я. Елисеева, А. В. Ильинского. — М.: Знергоиздат,
1983. - 616 с.
Справочник по проектированию автоматизированного
злектропривода и систем управлення технологичсскими процес -
сами / Под ред. В. И. Круповича, Ю. Г. Барьітина, М. Я. Са-
мовера. — М.: Знергоиздат, 1982. — 416 с.
Теорія електропривода: Підручник / М. Г. Попович,
М. Г. Борисюк, В. А. Гаврилюк та ін: за ред. М. Г. Поповича. —
К.: Вища шк„ 1993. — 494 с.
Чиликин М. Г., Ключев В. И, Сандлер А. С. Теория автома-
тизированного злектропривода: Учсб., пособие для вузов. — М.:
Знергия, 1979. — 616 с.
ВіМег Н. Еіесігопіцие де ге£Іа§е еі де соттапде // Тгаііе
д’еіесігісііе. Едйіопз Сеог§і, 8иі$§е. — 1979. — Уоі. 17.
Возе В. К. Ро\уєг ЕІЄСІГОПІС8 апд АС Огіуєз, Еп§1е\уоод СІіЯк —
N3.: Ргепіісе-Наїї, 1986.
Магіпо Я., Регезасіа 5., Тотеі Р. ІЧопІіпеаг Адарііуе Сопігої оГ
Регтапепі Ма&пеі 8іер Моіогз // Аиіотаііса. Репіатоп. — 1995. —
Уоі. 31, № 11, р. 1595-1604.
Магіпо Я., Тотеі Р. Мопііпеаг Сопігої Оезі^п: Сеотеігіс,
Адарііуе апд К.оЬи8і. Епаїеиоод СІіГГз. — N3: Ргепіісе-Наїї, 1995.
Магіпо Я., Регезасіа Б., Тотеі Р. Опірні ГеедЬаск сопігої оҐ
сиггепі-Гед іпдисііоп тоіогз \уЬііН ипкпохуп гоіог гезівіапсе //
1ЕЕЕ Тгапз. Сопігої Зузіетз ТесИпоІ. — 1996. — Уоі. 4. №. 4,
р. 336-347.
ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ,
МОНІТОРИНГУ ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ
В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Процес одержання високих показників ефективності викорис-
тання електричної енергії в промисловості, на транспорті,
підприємствах сільського господарства тощо, який дістав досить по-
ширену назву — «енергозбереження» (точніше — «ефективність ви-
користання електроенергії»), багато в чому залежить від техніко-
економічних показників електромеханічних систем автоматизації
(ЕМСА)
Головними показниками оцінки якості сучасних ЕМСА є:
• ефективність використання електричної енергії, що визначається
витратами цієї енергії на одиницю відповідної продукції;
• надійність, що характеризується тривалістю безвідмовної роботи системи;
• якість продукції у виробничих системах;
• якість виконання транспортних процесів тощо;
• техніко-економічні показники, що залежать від наведених вище та
низки інших чинників, з урахуванням особливостей функціонування
конкретної системи; в найзагальнішому вигляді вони визначаються
як вартість усіх необхідних витрат на одиницю продукції. Щоб до-
сягти високих техніко-економічних показників функціонування елект-
ромеханічних систем автоматизації різного призначення, потрібно
більше уваги приділяти питанням моніторингу, діагностики та захисту.
Важливим питанням для надійного функціонування окремих видів
електромеханічних систем (ЕМС) є проблема електромагнітної сумісності.
6.1
Енергозбереження
Як відомо, близько двох третин електричної енергії, що вироб-
ляється у світі за допомогою ЕМС (як із некерованим, так і з керо-
ваним електроприводом ЕП), перетворюється на енергію механічного
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
руху технологічних об’єктів у різних галузях народного господар-
ства. Більшість одержаної механічної енергії (приблизно в рівних
частинах) споживається в промисловості та на транспорті. Зростає
споживання електричної енергії в комунальному й сільському гос-
подарствах та в інших галузях.
Через обмеженість природних енергетичних джерел і невпинно
зростаючий обсяг використання електричної енергії питання енер-
гозбереження є одним з актуальних завдань загального технічного
розвитку, у тому числі енергозбережних ЕМС.
Енергозбереження в електромеханічних системах є комплекс-
ним, багатоплановим, а в окремих аспектах — досить складним пи-
танням. До головних напрямів його розв’язання належать:
• організаційні — забезпечення електромеханічних установок не-
обхідними приладами фіксації споживання електричної
енергії; недопущення тривалих режимів холостого ходу, не пе-
редбачених технологічними умовами, та ін.;
• організаційно-технічні — забезпечення ЕМС електроприводами,
розрахованими на основі якісних методик, що досить точно
відповідають технологічним умовам; узгодження із загальним
графіком навантаження підприємства, моменту і тривалості
ввімкнення потужних ЕМС та ін.;
• науково-технічні — розробка і впровадження енергозбережних
електродвигунів, пристроїв і ЕМС із високими техніко-еко-
номічними показниками; дослідження і впровадження най-
вигідніших за даних умов (за чинником енергозбереження)
установок, режимів, електродвигунів та ін. Залежно від особ-
ливостей технологічних об’єктів (наприклад, у разі їх багато-
вимірності), при ЕМС з кількома взаємозалежними електро-
приводами, за різних умов навантаження електроприводів
може виникати потреба в компромісних рішеннях і розробках
оптимальних систем автоматизації.
Розглядаючи питання енергозбереження, слід враховувати, що
економія електричної енергії є важливим, хоч і не єдиним чинни-
ком, що визначає високий техніко-економічний рівень розвитку
електромеханічних систем. Важливе значення має надійність (на-
працювання на відмову) окремих складових і ЕМС в цілому. Цим
визначається продуктивність установки, витрати на її ремонт і
експлуатацію. У більшості випадків домінуючим чинником є безпе-
ка роботи установок і обслуговуючого персоналу.
6,1. Енергозбереження
ШЕРГ&З^РШ&Ш В ШС
О НЖ£РОВДНИЛШ
Функціонально-енергетична схема ЕМС з некерованим електро-
приводом, зображена на рис. 6.1, має такі позначення: ЕЕ, МЕ —
відповідно потоки електричної та механічної енергії; МЕО — ме-
ханічна енергія, що використовується в об'єкті для виконання ко-
рисної роботи, згідно з його технологічним призначенням; ЕТП,
ЕМП ~ відповідно електротехнічний та електромеханічнийФеретво-
рювачі; ПП — передаточний пристрій; О — технологічний об'єкт
(робоча машина).
Енергетичні особливості кожного елемента функціональної схе-
ми визначені коефіцієнтом корисної дії (ККД) т|, який характеризує
частку втрат енергії у відповідному елементі:
Д^ = 0-Пх)Д.х. (6. і)
де ^.вх ~ потужність, що надходить на вхід елемента х.
Особливістю ЕМС із некерованими ЕП є майже стала величина
моменту навантаження (опору) М ~ сопбі.
Енергетичні рівняння ланок системи, які складають математич-
но-енергетичну модель некерованої ЕМС, такі:
(6.2)
З урахуванням рівнянь (6.2) потужність на виході об’єкта
(6.3)
Рис. 6.1
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Тут г|емс — ККД некерованої електромеханічної системи, що визна-
чається як добуток ККД всіх ланок, що входять до складу ЕМС:
Пемс = ПетПемПппПо’ (6.4)
Позначивши ККД електропривода через т|еп, запишемо вираз
(6.4) у вигляді
Пемс = ПетПо* (6.5)
При Мс » сопзі для некерованих ЕМС можна вважати, що ККД
об’єкта також буде сталою величиною г|0 = соп5і.
Максимальне значення можна дістати у разі тривалого, некеро-
ваного режиму роботи ЕМС за рахунок зростання ККД ЕП до макси-
мально можливого значення (г|еп->тах). Для цього слід:
• використовувати складові ЕП із високими значеннями ККД
(наприклад, застосування спеціальних типів електродвигунів із
підвищеним значенням ККД). При цьому слід враховувати, що
досягнення підвищеного значення номінального ККД елект-
родвигуна приблизно на 5 % потребує збільшення витрат міді
та сталі до 25...30 %, що відповідно впливає на вартість двигуна;
• зменшення кількості елементів у складі ЕП (наприклад, засто-
сування безредукторних ЕП; живлення електромеханічного пе-
ретворювача безпосередньо від електричної мережі тощо).
ЕМ с некерованими ЕП більш поширені в технічно розвинутих
країнах. Завдяки своїй надійності та невеликій вартості вони широ-
ко використовуються на потужних вентиляторних, насосних і
транспортних установках.
Водночас при застосуванні некерованих ЕП у ході технологічно-
го процесу можливі тривалі відхилення Мс від номінального значен-
ня, що можуть досягати десятків процентів. У цьому разі при пере-
вантаженнях ЕП можливе спрацьовування електричного захисту, а
при недовантаженнях об’єкт разом з ЕП виходить із зони номі-
нального ККД, що спричинює додаткові витрати електричної енергії.
За значної потужності технологічних об’єктів і відповідних сис-
тем ЕП (на насосних установках великих міст можуть досягати кіль-
кох тисяч кіловат) непродуктивні втрати електричної енергії можуть
бути досить суттєвими. Це, у свою чергу, може бути обґрунтуван-
ням для застосування хоч і складніших, але економічно вигідніших
ЕМС із керованими ЕП.
Нині цей напрям розвитку ЕП є пріоритетним, а широка сфера
застосування некерованого ЕП постійно звужується.
6.1. Енергозбереження
Головними напрямами реконструкції ЕМС із некерованими ЕП за
тривалих відхилень Мс від номінального значення можна вважати:
• ступеневу зміну швидкості (для цього використовуються спе-
ціальні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором і по-
люсоперемикальними обмотками статора, що приводить до
ступеневої зміни кількості пар полюсів Р і відповідної зміни
синхронної швидкості п = 60//Р);
• застосування додаткового енергозбережного пристрою (ЕЗП) у
колі статора двигуна, завдяки якому електродвигун працює
(при зміні Мс) у зоні максимуму ККД на новій характеристиці.
Рішення про застосування ЕЗП має бути детально обґрунтовано
з урахуванням вартості пристрою, його ККД і впливу на загальні
ККД ЕМС порівняно з вартістю збереженої електроенергії (само-
окупність ЕЗП не повинна перевищувати 2—3 роки).
Функціональну схему розімкненої ЕМСА з ЕЗП, що містив/еле-
менти розімкненої ЕМС, наведено на рис. 6.2. Вимірювальний еле-
мент ВП контролює зміну моменту збурення Мс і залежно від його
величини відповідно діє на енергозбережний пристрій ЕЗП (або на
ЕЗП', якщо функції енергозбережного елемента ЕЕ і електротехніч-
ного перетворювача ЕТП об’єднуються в одному елементі ЕЗП).
Величини номінальних ККД окремих пристроїв, що входять
до складу ЕМС, залежать від типу, потужності та деяких особливос-
тей сучасних елементів системи і вказані у відповідних технічних
паспортах.
Наведемо деякі приблизні значення ККД головних складових ЕМС.
Електротехнічні перетворювачі. В цих перетворювачах широко
використовують сучасні тиристори при різних варіантах схемних
рішень. їх ККД є досить високим і перебуває в межах 0,95...0,96.
Рис. 6.2
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Електромеханічні перетворювачі. Найбільші номінальні значення
і] за приблизно рівної величини інших параметрів (наприклад, швид-
кості та потужності) мають асинхронні електродвигуни з коротко-
замкненим ротором.
Величина ККД є такою:
• для двигунів загальної серії 4А при потужності 0,55...30 кВт та
номінальної швидкості п = 1000 об/хв ц = 0,7...0,9;
• для кранових асинхронних двигунів із короткозамкненим ро-
тором серії МТКЕ при потужності 2...40 кВт та п = 1000 об/хв
г| » 0,6...0,82;
• для двигунів потужних піднімальних машин серії АКН при по-
тужності 800...2 000 кВт та п = 750 об/хв г| = 0,935...0,948.
Передаточні пристрої. Призначені вони для узгодження швид-
кості валів електродвигунів та об’єктів. До передаточних пристроїв
належать такі редуктори:
• циліндричні та зубчасті за наявності мастил, для яких г| =
= 0,95...0,96;
• черв’ячні за однозахідного черв’яка, для яких т] = 0,7...0,75; за
багатозахідних черв’яків г| = 0,82...0,92;
• передаточні муфти, для яких ц = 0,99.
Технологічні об’єкти. Для деяких із них номінальні значення
ККД приблизно такі:
• відцентрові насоси: при тиску до 40 кПа г|м = 0,3...0,6, при тис-
ку понад 40 кПа г|м = 0,6...0,8;
• відцентрові вентилятори: т]н = 0,4...0,6;
• осьові вентилятори: г|н = 0,5...0,85;
• піднімальні машини: т]м = 0,65...0,7,
Питання енергозбереження в керованих ЕМСА та ЕП зумовлю-
ється головним технологічним завданням і визначається вимогою
забезпечення розрахункових параметрів технологічного об’єкта при
мінімальних витратах електричної енергії Ді/Ина одиницю продукції:
ДИ/ =
IV
а
д
ГПіП
(6.6)
6.1. Енергозбереження
де IV — загальні витрати електричної енергії в ЕМС за деякий час ро-
боти; Од —- дійсна продуктивність технологічної установки (об’єкта
керування) за такий самий інтервал часу.
У більшості технологічних установок номінальний режим уста-
новки за правильного розрахунку і вибору елементів ЕП має відпо-
відати номінальному режиму роботи електропривода. При цьому
електродвигун і технологічний об’єкт працюють у зоні максималь-
ного значення відповідних ККД, що забезпечує номінальний ККД
ЕМСА в цілому і номінальну продуктивність технологічної установки.
Водночас у деяких складних технологічних установках при бага-
товимірних електромеханічних системах автоматичного керування
(ЕМСАК) з багатодвигуновою системою ЕП можливе виникнення
потреби в компромісних рішеннях щодо доцільності збереження
номінальних режимів із енергозбереження одночасно в ЕП і техно-
логічному об’єкті. Так, у деяких вугледобувних машинах,
роторних екскаваторах, складних обробних верстатах із багатодви-
гуновими ЕП, виходячи з особливостей технологічної установки і
зовнішніх умов, для одержання мінімуму витрат електричної енергії
на одиницю продукції слід узгоджувати швидкості руху окремих ЕП
та об’єкта при деяких їх співвідношеннях, залежно від зміни зов-
нішніх чинників. (Наприклад, оптимальне співвідношення швид-
костей різання вугілля виконавчим органом деяких вугледобувних
машин і подачі машини вздовж вугільного масиву залежить від ха-
рактеристик вугілля. Тому зі зміною характеристик вугілля для
підтримання оптимального співвідношення швидкостей може ста-
тися, що один з ЕП має відходити від свого номінального режиму
по швидкості (тим самим і від номінального значення свого ККД),
забезпечуючи оптимальний режим по енергозбереженню ЕМСАК в
цілому.) Аналогічна задача може виникати під час роботи роторно-
го екскаватора, коли швидкість обертання роторного колеса (швид-
кість різання) має узгоджуватися зі швидкістю руху роторного ко-
леса вздовж лінії забою.
При цьому питання технічної економічності роботи кожного
окремого електропривода замінюється вимогою одержання опти-
мального режиму по енергозбереженню технологічної установки в
цілому, що потребує компромісного рішення, виходячи із загальних
інтересів всього комплексу (установки).
Пошук компромісних енергозберігаючих рішень у відповідних
системах ЕП—технологічний об’єкт достатньо складне, вони визна-
чаються особливостями конкретного об’єкта, прийнятим способом
керування, властивостями ЕП та характером зміни зовнішніх умов.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Пріоритетним питанням під час розробки ЕМСАК є визначення
способу керування продуктивності об’єкта. Наприклад, якщо мова
йде про ЕМСАК турбомеханізмів, то можливе використання двох
варіантів керування продуктивністю:
• технологічне — за допомогою напрямних апаратів для венти-
ляторів; поворотом лопаток робочого колеса (вентилятори,
насоси); зміною положення засувок на нагнітальному трубо-
проводі (для всіх турбомеханізмів);
• електричне (точніше електромеханічне) — реалізується завдяки
керуванню швидкості руху електродвигуна, від якої залежить
продуктивність технологічної установки.
Дослідження показали, що найефективнішими є електромеха-
нічні способи керування.
Вибір методу плавного керування ЕП, як відомо, залежить від
типу двигуна, особливостей поставленого завдання, техніко-еко-
номічних показників відповідної системи керованого ЕП. Найбільш
поширеними є:
• системи ЕП на основі асинхронних електродвигунів із корот-
козамкненим ротором при частотному керуванні;
• системи ЕП змінного струму з векторним керуванням;
• системи керування за напругою статора двигуна при незнач-
ному діапазоні керування ЕП та відсутності особливих вимог
відносно точності;
• системи на основі асинхронно-вентильного каскаду.
Крім методів плавного керування ЕП, застосовується також дис-
кретне керування двигунів змінного струму за стрибкоподібної
зміни навантаження (наприклад, за рахунок перемикання числа пар
полюсів обмотки статора).
Остаточний вибір електричного методу керування потребує
техніко-економічного порівняння варіантів відповідно до конкрет-
них умов роботи ЕМСАК.
Головними критеріями оцінки є:
• капітальні та експлуатаційні витрати;
• надійність;
• ефективність енергозбереження.
6.1. Енергозбереження
ШСРШЗВГРШШ СИСТШИ Ш
З АСИНХРОННИМИ ДВИГУНАМИ,
КЕРОВАНИМИ ЗА НАПРУГОЮ СТАТОРА
Розглянемо енергозбережну ЕМСАК з ЕП на основі асинхронно-
го електродвигуна з короткозамкненим ротором, керованим за нап-
ругою статора при тривалому режимі роботи та навантаженні, що
може повільно змінюватись.
Втрати електричної енергії в асинхронному двигуні мають
магнітну АРСТ, електричну АРМ, механічну ДРмех складові та додаткові
втрати АРДОД.
Механічна складова АРмех визначається втратами на тертя в під-
шипниках, опором повітря при обертанні ротора.
Додаткові втрати АРДОД, зумовлені дією вищих гармонік магніто-
рушійної сили, пульсацією магнітної індукції в зубцях магнітопро-
воду електродвигуна, є незначними і становлять близько 0,5 % йо-
го потужності.
При вказаних особливостях роботи ЕМС можна вважати, що на
час дії енергозберігаючої системи статичний момент Мс~соп8і.
Загальні (сумарні) втрати електроенергії у двигуні АРЕ можна
визначити при номінальному значенні частоти /н ^вигляді такої за-
лежності:
/ \2 < V / \2
ЛЯ. = АРСТ + АРМ + ДРмех = А/’ — + АРМН І І + ДРмех (6.7)
д ст м мех стн > л мн л л * мех О ч’
\ <“'н у \ У \ 7 1 °Н
де АРСТН, АРМН, Мн — відповідні номінальні значення магнітних втрат
у сталі, електричних втрат та моменту електродвигуна; (/, і/н ~
відповідно фактична та номінальна напруги на статорі двигуна;
Зн — відповідно фактичне та номінальне ковзання двигуна.
З наведеного виразу видно, що у зв’язку з тим, що при змен-
шенні величини и/и, втрати в сталі зменшуються, а в міді зроста-
ють, функція АР^ = Г(и/Щ має екстремум.
Мінімізацію витрат в електродвигуні та ЕМС в цілому в цьому
разі можна забезпечити за допомогою екстремальної системи авто-
матичного керування побудованої на основі тиристорного перетво-
рювача напруги (ТПН). Структурну схему такої системи наведено на
рис. 6.3.
я* з >
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Момент двигуна
З Ц2Р>2/3
со0 + /?'3)2 + х2
= ФДЗ),
де <о0 — синхронна швидкість асинхронного двигуна; К2 — зведений
опір ротора; — активний опір статора, х — загальний реактив-
ний опір статора і ротора.
Ковзання двигуна
З - 0)
0)
Динамічний момент
М-Мс = ]—
сії
На рис. 6.3 також позначено:
ф,«/) = иг\
Ф3 (Ч > У) = р».
р р
А = в = —соп5ї.
V* Ч
Оскільки екстремальна система забезпечує керування за мініму-
мом втрат електричної енергії в асинхронному двигуні, який при-
Об'єкт з екстремальною характеристикою
Рис. 6.3
6.1« Енергозбереження
водить у рух технологічний об’єкт із майже сталою величиною Мс,
то після його стрибкоподібної зміни електричний двигун — техно-
логічний об’єкт можна розглядати як загальний складний енерге-
тичний об’єкт з екстремальною характеристикою. Тиристорний пе-
ретворювач напруги вважається безінерційною ланкою.
Алгоритм роботи екстремальної системи полягає в тому, що
спочатку регулятор подає сигнал який забезпечує номінальне
навантаження на статорі двигуна. Через деякий час Аг, достатній
для завершення перехідного процесу в ЕМС, визначаються і запам’я-
товуються підсумкові втрати потужності після чого визначають-
ся втрати що відповідають зменшенню напруги на величину А(Л
Якщо - Р^2 - &Р > 0, то система робить крок у тому ж напрямі,
знаходячи відповідне значення АР. Якщо АР<0, що означає про-
ходження точки екстремуму, то система робить крок у зворотному
напрямі.
Прийнятий алгоритм роботи системи передбачає можливість
виникнення автоколивань.
Підвищення якості екстремальної системи потребує зниження
частоти її кроків. Система найбільш придатна для технологічних ус-
тановок, що працюють у тривалому режимі з приблизно сталим на-
вантаженням при значній потужності, коли витрати на ускладнен-
ня схеми керування досить швидко компенсуються економією вит-
рат електроенергії.
Прикладами таких установок можуть слугувати вентиляторні,
насосні, транспортні та інші установки великої потужності з відпо-
відним режимом роботи.
В ЕМС, які за технологічними умовами потребують зміни швид-
кості а) залежно від величини навантаження Мс, витрати електрич-
ної енергії визначаються функціональною залежністю
= С/Ис),
де / — частота; Мс — статичний момент із невизначеними парамет-
рами.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Для кожного значення фіксованої частоти технологічна уста-
новка—електродвигун як об’єкт у системі автоматичного керування
втратами електроенергії за частотного керування має свої екстре-
мальні характеристики.
Структурну схему екстремальної системи з частотним керуван-
ням наведено на рис. 6.4. На схемі ТПЧ — тиристорний двоканаль-
ний перетворювач напруги. Один канал забезпечує керування за
напругою К2ОС, другий — за частотою Куит.
Об'єкт з екстремальною характеристикою
Рис. 6.4
Екстремальна система з частотним керуванням забезпечує робо-
ту з мінімумом втрат у сталі Рс, міді Рм та механічних втрат Рмех,
згідно з їхніми функціональними залежностями.
Значення функцій такі:
Ф2((Л 3, ю0) =
Зр 1/^/3
2ттА (/?,+ /?^/^)2 + (2ттАС)2 ’
<р3иО)-рс.н
6.1, Енергозбереження
<^мс,и2,п = р^
Ф5(Л$) = ^.
(і - зу
(1 - ’
Принцип дії алгоритму пошуку екстремуму подібний до схеми
рис. 6.3, з урахуванням особливостей, пов’язаних із наявністю час-
тотного каналу керування.
Дослідження екстремальної САК показують, що з її допомогою
можна зменшити втрати електричної енергії приблизно на 12 % від-
носно відповідних втрат за некерованого режиму роботи.
Питання енергозбереження в ЕМСА здебільшого обмежуються
дослідженнями втрат електричної енергії в ЕП, точніше — в елект-
ромеханічному перетворювачі (електродвигуні). При цьому недос-
татньо враховується вплив зміни режиму роботи технологічного
об’єкта та електродвигуна з позицій енергозбереження на можливі
зміни ККД ЕМСА в цілому.
У загальному випадку необхідними для розгляду є питання
енергозбереження в ЕМСАК, виходячи із загального системного
підходу і враховуючи витрати енергії в технологічному об’єкті, а та-
кож можливості «технологічного» керування.
Розглянемо такі енергоємні технологічні об’єкти як насоси (на-
сосні установки).
Насосні установки
Насосні установки дістали поширення в комунальному місько-
му господарстві, на підприємствах, електростанціях тощо. Особли-
ва функція належить насосним установкам на підприємствах видо-
бувної промисловості та комунального господарства. Кількість спо-
живаної ними електричної енергії становить близько 20 % енергії,
що виробляється в усіх країнах СНД, а втрати від неекономічних ре-
жимів роботи в системах водопостачання та водовідведення — від
5...15 до 20...25 % всієї споживаної ними електричної енергії.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Потужність одного насосного агрегата (насос, електропривод та
передаточний механізм) на сучасних насосних станціях досягає
3,5... 15,0 тис. кВт. Потужність одного насосного агрегата у великих
системах водозрошення може досягати 12 тис. кВт.
Потужність насоса, кВт, визначається так:
рдон к
000т|
(6.8)
де р — густина рідини, кг/м3; д=9,81 — прискорення вільного
падіння, м/с2; О — подача насоса, м3/с; Н — напір насоса, м; т|н —
ККД насоса; К3 — коефіцієнт запасу.
Потужність насосного агрегата, кВт,
N удОН к.
ЮООтіиПе,,
(6.9)
Коефіцієнт корисної дії насоса залежить від його типу, по-
тужності, режиму роботи згідно з його фактичним навантаженням.
Значення коефіцієнта запасу К3 насоса залежить від потужності
електропривода. Рекомендованими є такі значення К3:
Потужність ЕП, кВт К3
До 50 1,20
50...250 1,15
Понад 250 1,10
Для некерованого ЕП т|еп = цдвтіп, де цп — ККД механічної передачі
між електродвигуном та насосом.
Формула (6.9) дає можливість знайти потужність насосного аг-
регата, що працює при номінальному режимі роботи за каталож-
ними даними, враховуючи Он та /Ум.
Витрати електричної енергії, кВт • год, за деякий час ї
Рі. (6.10)
У разі відхилення від номінального режиму значення ККД насо-
са і двигуна зменшуються, що призводить до зменшення ефектив-
ності роботи насосного агрегата за рахунок підвищення витрат
електричної енергії на одиницю об’єму перекачуваної рідини.
Крім того, витрати електричної енергії на роботу насосного аг-
регата не враховують наявність трубопроводу, запірної та керуючої
6»1» Енергозбереження
апаратур — необхідних елементів насосної установки, які визнача-
ють опір мережі транспортуванню робочого тіла (рідини) і зумов-
люють відповідні додаткові витрати електричної енергії.
Системи автоматизації насосних установок
Перш ніж розглядати питання, пов’язані з роботою насосних
установок, зупинимося на деяких загальних термінах.
Насос (Н) — гідравлічна машина, яка забезпечує необхідне пе-
реміщення речовини (рідини).
Насос + ЕП — насосний агрегат (НА).
Насосна установка (НУ) — комплекс НА (одного або кількох) +
+ трубопроводи + запірна та регулювальна (керуюча) апаратура.
Насосна станція (НС) — один або кілька НУ + допоміжна систе-
ма + будівля.
Схему насосної установки наведено на рис. 6.5. На схемі
позначено: Н — насос з електроприводом; ВС — всмоктувальний
трубопровід; НГ — нагнітальний трубопровід.
Крім того, на схемі зображено такі фізичні величини: О — по-
дача насоса (об’єм рідини, який перекачує насос в одиницю часу);
Н ~ напір (тиск) (різниця питомих енергій рідини в напірному та
всмоктувальному трубопроводі, необхідна для підйому рідини на
задану висоту та подолання сил тертя в трубопроводі).
Напір становить
Н= Н&с + Ннг + ЛН, (6.11)
Рис. 6.5
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
де Т/вс — висота всмоктування, м; 7/нг — висота нагнітання, м; \Н —
втрати напору в магістралі, що визначаються її опором транспорту-
ванню рідини, м.
Також слід зазначити, що Т/вс + 7/нг становлять геодезичну висоту.'
Режим роботи насосних установок залежить від їх функціональ-
ного призначення і зазвичай змінюється протягом доби від ОФах до
От(П, що визначається відповідними графіками (характеристики О—Н).
На рис. 6.6 також позначено: 7/01, Нсз — початкові (фіктивні)
напори.
Залежність ККД насоса т| = /(О) в межах робочої зони насоса (а~б)
відповідно до характеристики насоса 3 наведено на рис. 6.6.
При зростанні водоспоживання збільшуються подача насоса та
втрати тиску в мережі. Для компенсації втрат тиску збільшують
тиск насосної установки.
Вид характеристик О—Н залежить від конструктивних особли-
востей насоса (7 — пологі характеристики; 2 — крутоспадаючі; З —
з наростаючими та спадаючими частинами) та його швидкості со
(1 — характеристики при со = соном; Г — при со < сон).
Значення величини Н при 0=0 називають фіктивним та позна-
чають Т/ф. У межах рекомендованих подач О існує залежність
НИ = Нф-8фО2, (6.12)
де 5Ф — фіктивний гідравлічний опір насоса.
Цей опір можна знайти за заводською (або експериментальною)
характеристикою О— Н\ за двома її точками (наприклад, А та В
Рис. 6.6
6.1. Енергозбереження
з відповідними значеннями напору НА та Нв і продуктивності ОА, 0в
характеристики /):
При цьому фіктивний напір
Нф=НА+8фО2А.
(6,13)
Відношення фіктивного значення Нф до номінального Нф/Н^ =
= Нф визначає крутість напірної характеристики насоса.
Для більшості відцентрових насосів 77^ — 1,25 (для чистої води) і
1,45 (для стічної води).
Для осьових насосів (крутість характеристик найбільша) Нф = 2,0.
Для них характеристики О—Н мають точки перегину (характерис-
тика 5).
Залежність між подаванням рідини через трубопровід і напором
(тиском), який потрібно мати для забезпечення необхідної подачі,
називають характеристикою трубопроводу. Рівняння цієї характе-
ристики таке:
Нй = Нг_1 + ЗО\ (6.14)
де /70 — напір на початку трубопроводу; Нсг — статичний напір, який
зумовлюється геодезичними параметрами; 3 — гідравлічний опір
трубопроводу.
Перетин характеристик О—Н насоса та трубопроводу визначає
робочу точку насоса (рис. 6.7).
При характеристиці трубопроводу робочою точкою насосно-
го агрегати є
На рис. 6.7 позначено: //ст1, //.т2, /Уо2 — початкові (фіктивні) на-
пори відповідних характеристик трубопроводів Ти Т7 і насоса.
Найекономічнішим є режим роботи насоса, коли подача і напір
у робочій точні характеристики відповідають максимальному зна-
ченню ККД (цтах). Практично припустимим також є вибір робочої
точки в межах деякої зони, шо відповідає незначним відхиленням
ККД від ПтаХ- На характеристиці О—//вона обмежена вертикальни-
ми штриховими рисками.
Вихід за межі даної зони призводить не тільки до різкого змен-
шення ККД, а й. до можливості виникнення неприпустимих ре-
жимів — кавітації та помпажу.
Ік#
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Рис. 6.7
Кавітація полягає в порушенні суцільності потоку рідини,
появі «пухирів», заповнених парами рідини, газів або їх сумішшю,
шо спричинює додаткові витрати електричної енергії і може при-
звести до механічних пошкоджень лопаток робочого колеса і корпуса
насоса.
Помп аж виникає за наявності в характеристиці насоса О—Н
зростаючої і спадної частин. Так, за характеристики трубопроводу
Т2 маємо дві точки перетину А і В з характеристикою насоса.
У разі помпажу режим роботи насоса зі змінними параметрами,
які відповідають переходу з точки А в точку В або у зворотному на-
прямі, буде нестійким.
На практиці може виникати потреба в зменшенні або збіль-
шенні продуктивності насоса залежно від витрат. Керування про-
дуктивністю зумовлює відповідну зміну напору (рис. 6.8). На цьому
рисунку позначено: 1 — характеристика О— //насоса; 2— початко-
ва характеристика трубопроводу; 3 — характеристика трубопроводу
при зменшенні його перерізу засувкою; 4 — проміжна характерис-
тика О—Н насоса.
Керування насосом можна виконати двома основними шляхами:
• зміною ступеня відкриття засувки в напірній лінії, що веде до
зміни її опору та характеристики і відповідної зміни режиму
роботи насоса (перехід з робочої точки А} у точку А2 при зрос-
танні величини напору від до //2);
6.1. Енергозбереження
• зміною частоти обертання робочого колеса насоса. Наприк-
лад, якщо зменшити відповідно частоту обертання насоса,
то можна одержати його характеристику О— Ну вигляді харак-
теристики 4 При цьому робоча точка А, що визначається ха-
рактеристикою 2, дасть змогу одержати необхідну продук-
тивність насоса О2 при значно меншій величині напору (//4),
Враховуючи те, що потужність двигуна насоса і відповідні вит-
рати електричної енергії пропорційні добутку продуктивності й на-
пору, при керуванні режиму роботи насоса за допомогою засувок у
трубопроводі величина необхідної потужності буде пропорційною
площі прямокутника 0—О2—А2—Н2. При керуванні частотою обер-
тання насоса необхідна потужність буде істотно меншою і визнача-
тиметься величиною, пропорційною площі прямокутника 0—О2~
Отже, керування продуктивності насоса за допомогою зміни
частоти обертання приводного двигуна є економічним, тому саме
йому надається перевага на практиці. Крім того, режим роботи
відцентрових насосів може керуватися напрямними апаратами, які
встановлюють на вході в насос, та за допомогою інших способів.
Осьові насоси керують за допомогою зміни кута нахилу робочих
лопаток. Для окремих типів установок є технічні рішення, які да-
ють змогу виконувати керування продуктивністю за допомогою
зміни кута нахилу робочих лопаток під час роботи відповідної уста-
новки.
З
Рис. 6.8
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Споживання енергії
насосними установками
Витрати електричної енергії при роботі насосної установки зу-
мовлюються необхідністю:
• переміщення рідини;
• переборення гідравлічного опору в трубопроводі.
Крім того, частина енергії, що споживається насосною установ-
кою, витрачається на подолання сил тертя в самому насосі (під-
шипниках, сальниках); у складових електропривода, особливо в
електродвигунах (на покриття втрат у міді та сталі), та ін.
Втрати енергії в насосному агрегаті визначають його коефіцієнт
корисної дії, який, залежно від потужності та типу насосного агре-
гата, може становити від 0,3 до 0,9.
Напір /Уо (тиск) насоса на початку трубопроводу залежить від
статичного напору НС1, який визначається геодезичними показника-
ми рівнів рідини та її подачі, а також динамічним напором рідини
Чин, Щ° залежить від подачі О та характеристики (гідравлічного
опору) трубопроводу 5:
Ч=Ч + Чин=Чт+5О2. (6.14а)
Гідравлічний опір залежить від наявності засувок, вигинів труб,
їх обробки, наявності зварних швів тощо. Крім того, під час робо-
ти установок на нього впливає корозія.
Оптимальним режимом роботи насосної установки вважають
режим, за якого насос працює при номінальному розрахунковому
значенні подачі 0^ Оном, напору Н= Л/ном і максимальному значенні ККД.
Реальні режими роботи насосної установки зазвичай відрізня-
ються від оптимальних.
Енергоспоживання насосних станцій з насосними агрегатами
потужністю 800... 1 000 кВт характеризується тим, шо ці агрегати
споживають 90...95 % всієї споживаної станцією електричної енер-
гії. За насосних агрегатів потужністю до 160 кВт ця величина змен-
шується до 50...75 %.
Споживання електричної енергії насосними агрегатами визна-
чається переважно витратами енергії на технологічний процес
транспортування рідини.
Розглянемо детальніше процес втрат електричної енергії в на-
сосних установках.
6,1. Енергозбереження
Найбільші втрати електричної енергії виникають через те, що
досить часто насосні установки працюють із підвищеною величи-
ною Н, що зумовлюється зростанням гідравлічного опору трубопро-
водів, коливанням рівня рідини в приймальних та напірних ємнос-
тях (резервуарах), а також зміною величини О.
У разі зростання рівня рідини збільшується тільки статична
складова характеристики трубопроводу. При цьому крутість харак-
теристики О—Н залишається попередньою і вона переміщується
вгору в системі координат.
Зміна гідравлічного опору залежно від величини О спричинює
зміну динамічної складової напору Н насоса і крутості характерис-
тики, а також зменшення його пропускної здатності та необхідність
збільшення напору при тій самій величині О.
Аналогічний ефект дає низька якість монтажу труб та іншого
обладнання.
У разі зменшення подачі ©відносно розрахункової (див. рис. 6.8)
виникає невідповідність між дійсним напором Н2 працюючого на-
соса і напором, що потрібен для транспортування зменшеної кіль-
кості рідини О2. При цьому виникає перевищення дійсного напору
на деяку величину ДНІ зростають непродуктивні витрати електричної
енергії.
Графіки спільної роботи насоса і трубопроводу показують, що
при характеристиці насоса і трубопроводу 2 величина ДН = Н2 ~ Н4
(див. рис. 6.8).
Крім того, величина ДН збільшується зі зростанням крутості ха-
рактеристики насоса і зменшенням фактичної подачі.
У деяких насосних установках під час роботи можлива зміна
статичної складової напору НС1 за рахунок зміни рівня рідини в
приймальному середовищі (системи водовідведення — осушення,
каналізації та ін.). У цьому разі установка вмикається при верхньо-
му рівні, вимикається при нижньому і працює в циклічному режимі.
На рис. 6.9 наведено технологічну схему (а) та характеристики
(б) насосної установки. На рисунку позначено: 7 — характеристика
трубопроводу, що відповідає нижньому рівню (НР) рідини в прий-
мальному резервуарі 4; 2 — характеристика трубопроводу, що
відповідає верхньому рівню (ВР) рідини; 3 —- характеристика насо-
са 5; 6 — верхній нагромаджувач рідини; 7 — трубопровід.
У разі вмикання насосної установки при верхньому рівні і ста-
тичному початковому напорі Нх (НХ<Н2) робочий режим відповідає
точці А перетину характеристики трубопроводу та насоса (напір НА,
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ,АХ
а
Рис. 6.9
продуктивність ОД. За поступового зниження рівня рідини у во-
дозбірнику і відсутності регулювання цього процесу статична скла-
дова //збільшуватиметься до Н2і що відповідатиме переходу насоса
в робочу точку В характеристики 2 і спричинить збільшення напо-
ру НА> Нвт<\ непродуктивних витрат електричної енергії.
Найвигіднішою, з економічного погляду, є стабільна робота ус-
тановки з меншим напором, який відповідає стабільному верхньо-
му рівню у водозбірнику. Такий режим можливий при встановленні
рівноваги між надходженням рідини до водозбірника 4 і характе-
ристикою подавального насоса. Для цього останній повинен мати
керований електропривод, який відповідно змінював би швидкість
обертання (продуктивність насоса) залежно від зміни надходження
рідини у водозбірник.
6,1, Енергозбереження
б
Рис. 6.10
Щоправда, слід мати на увазі, що при сталому рівні рідини у во-
дозбірнику забезпечується Л/Ст = сопзі, але залежно від зміни швид-
кості обертання (продуктивності насоса) відповідно змінюватиметь-
ся загальна величина Н за рахунок його динамічної складової.
У разі забезпечення стабільної роботи насоса зникає потреба в
частих пусках насосного агрегата.
Надмірний тиск у трубопроводі також є причиною збільшення різ-
них непродуктивних втрат рідини в розподільчій мережі, які можуть
досягати 2...5 % від загальної продуктивності насосної установки.
Одна з важливих причин неекономічної роботи насосних уста-
новок — невідповідність робочих режимів насосних установок їхнім
номінальним режимам (рис. 6.10, а).
Розрахунковий (номінальний) режим роботи установки відпо-
відає точці N перетину розрахункової характеристики трубопроводу
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
2 з характеристикою насоса 4 за номінальної продуктивності Он.
При цьому номінальне значення ККД насосної установки (кри-
ва 5) відповідає цн (рис. 6.10, б).
При фактичних характеристиках трубопроводу 1 або 3 насосна
установка працюватиме з підвищеним або зниженим гідравлічним
опором і меншими значеннями ККД — г|3 або гц.
Кількість енергії, що витрачається в результаті відхилення фак-
тичного значення ККД цфакт від номінального Лн, можна визначити
за формулою
(6.15)
де у — питома вага рідини; і — тривалість роботи установки при
П — Лфакт-
Якщо параметри вибраного електроприводного двигуна точно
відповідають номінальному режиму роботи насоса, то при відхилен-
нях режиму роботи насоса від номінального виникають додаткові
втрати електричної енергії у двигуні, які за точних розрахунків
енергетики насосної установки слід враховувати.
Отже, для економічної та ефективної роботи насосної установ-
ки найважливішим є підтримання:
• відповідності подачі насоса витратам рідини в мережі (Онас =
— О )
^витр/ 5
• напору насоса, рівного втратам напору в мережі і статичному
напору (геодезичній висоті подачі рідини).
Невідповідність параметрів насоса і мережі (трубопроводу) при-
зводить до того, що не забезпечується подача необхідної кількості
рідини споживачам або подача її виконується із перевитратами
електричної енергії. Усунення такої невідповідності зумовлює не-
обхідність керування режимами роботи насосних установок.
Розглянемо деякий некерований насос із характеристикою /
(рис. 6.11) та характеристику трубопроводу на якій лежить роз-
рахункова (номінальна) робоча точка Л/н, що визначається номі-
нальною продуктивністю О„ і номінальними значеннями напору //н.
Витрати електричної енергії на забезпечення такого номінального
режиму насосної установки будуть пропорційними площі прямо-
кутника 0—Он—/Ун—//н.
Рис. 6.11
Якщо насос вибраний із деяким «запасом за продуктивністю»,
його характеристика //лежатиме вище розрахункової характеристи-
ки /, і фактична робоча точка Л/ф відповідатиме більшому значенню
продуктивності С?ф, напору Нф. Фактичні витрати електроенергії
в цьому разі будуть істотно вищі (пропорційні прямокутнику
Оф-Л/ф-Нф-0).
Щоб одержати необхідну продуктивність при некерованому на-
сосі, слід змінити характеристику трубопроводу за рахунок збіль-
шення опору (дроселюванням). У результаті матимемо характерис-
тику ///з робочою точкою /V///. При цьому внаслідок збільшення на-
пору на величину А//необхідні додаткові витрати електроенергії.
Економічнішими можуть бути такі технічні рішення:
• використання обточування робочого колеса насоса у разі га-
рантованого, тривалого, стабільного існування розрахункового
режиму; якщо така гарантія відсутня і при вод некерований, то
використовують дроселювання трубопроводу;
• перехід на керований електропривод насоса при зменшенні
частоти його обертання (особливо при частій зміні необхідної
величини витрат рідини 0).
В обох випадках можна дістати характеристику насоса, яка від-
повідатиме розрахунковій характеристиці /, що забезпечить мінімаль-
ні витрати електричної енергії при заданій продуктивності насоса 0к.
Розглянемо також інші варіанти технічних рішень керування
продуктивністю насосних агрегатів. Одним із них є керування про-
дуктивністю насоса зміною кута повороту робочих лопаток або ло-
паток напрямного агрегата, що встановлюється на вході в насос.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Деякі типи насосів, що випускаються серійно, мають поворотні
лопатки з електричним або гідравлічним приводом. Завдяки цьому
є можливим керування насосною установкою під час її роботи при
некерованому основному електроприводі, а також розв’язання
більш складних задач з оптимального керування ЕМС в цілому.
Звичайний діапазон зміни кута робочих лопаток відносно їх по-
чаткового положення становить від -(4... 10) до + (2...6).
Керуванням кута повороту робочих лопаток можна змінювати
крутість характеристики О—Н насоса, що дає змогу забезпечити
незначні відхилення ККД від номінального значення при відхиленні
режиму роботи насоса від номінального.
Для потужних вертикальних насосів використовують також по-
воротно-лопастні напрямні апарати (НА), що встановлюються на
вході в насос. Такий апарат має конічний або циліндричний кор-
пус, на якому розміщується обтічник і до 12 поворотних лопаток,
що мають можливість синхронного повороту на деякий кут за до-
помогою допоміжного електропривода.
Зміна кута повороту лопаток НА приводить до відповідної зміни
крутості напірних характеристик насоса (рис. 6.12). При цьому ви-
никає можливість керування подачею насоса без перевищення на-
пору і зниження ККД установки. На рисунку: 1 -- характеристика
О—Н насоса при початковому положенні лопаток напрямного апа-
рата; 1" — характеристики насоса при повороті лопаток напрям-
ного апарата на деякий кут відповідно + а та - а відносно їх почат-
кового положення.
За початкового (номінального) положення лопаток НА насос
забезпечує необхідну продуктивність Он при напорі Щ (робоча
точка Н).
Рис. 6.12
6.1. Енергозбереження
Якщо необхідно зменшити продуктивність до О2, то при роботі
насоса на початковій характеристиці 7 він працюватиме з переви-
щенням напору на величину Л/У2 відносно напору /4.
У разі збільшення продуктивності насосу до напір зменшува-
тиметься на величину Д//3.
У разі керування продуктивністю насоса за рахунок повороту
лопаток НА, переходячи на характеристику 1', необхідну продук-
тивність О2 або О3 можна дістати при незмінному значенні напору
/4-
Спосіб керування за рахунок зміни кутів повороту робочих ло-
паток насосів і НА дає змогу одержати необхідні значення продук-
тивності та напору при деякому зменшенні витрат електричної
енергії і незначному відхиленні роботи установки від номінального
режиму.
Найефективнішим вважається керування насосної установки за
рахунок зміни частоти обертання робочого колеса відцентрового
насоса, що дає змогу забезпечити керування робочими параметра-
ми насосного агрегату в необхідному діапазоні.
Для визначення характеристик насоса при відхиленні дійсного
значення швидкості обертання насоса п від номінального пн послу-
говуються такими залежностями (формулами зведення):
О-Он —, або О = п;
Н^Н
, або Н = п2, М = п2;
(6.16)
; М = МИ
Р = Р.
, або Р = п\
У насосних установках із статичним напором при змінній час-
тоті обертання насоса слід враховувати характеристику трубопрово-
ду, на який працює насос, У цьому разі напірна характеристика
відцентрового насоса
н = нф
де Т/ф, — фіктивні параметри насоса.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Слід зазначити, що важливе значення має залежність ККД насо-
са від частоти обертання:
п = і-ЬХ
п/п„
(6.17)
Залежність ККД від О при сталій номінальній частоті обертання
для насосів середньої та великої потужності можна визначити за до-
помогою емпіричних залежностей:
(6.18)
Залежність
г п л
згідно з формулою (6.18), при т|н = 0,7 характеризується даними, що
наведені в табл. 6.1, і відповідною характеристикою (рис. 6.13).
Таблиця 6.1
л/лн п л/лн п
0,3 0 0,7 0,57
0,4 0,25 0,8 0,63
0,5 0,40 0,9 0,67
0,6 0,50 1,0 0,7
Дійсні робочі параметри насоса мають визначатися на основі
реального режиму роботи насосної установки та мережі трубопро-
водів із врахуванням крутості їхньої характеристики. Вони значною
мірою можуть відрізнятися від значень, що можна отримати на ос-
нові формул зведення (6.16).
Механічна характеристика насоса має таку залежність:
N
/И =9 569—,
п
(6.19)
де Мс — момент опору насоса, Н м; N — потужність, кВт; п — час-
тота обертання, об/хв.
Реальні значення Мс істотно відрізняються від величини момен-
ту, обчисленого за формулою зведення, яка має вигляд квадратич-
ної гіперболи.
Залежність моменту двигуна насоса М від частоти обертання є
такою:
(6.20)
де к=^ 2...5.
Зауважимо, що менші значення А беруть для одиничних насосів,
що працюють без статичного напору, а більші — для насосів, що
працюють із значними статичними напорами. Так, для систем во-
допостачання А=3...5.
Коли фіктивний напір насоса Нф дорівнює статичному Нст, його
подача Ота ККД т| дорівнюють нулю. Частота обертання, що відпо-
відає такому граничному режимові,
/?гр=/7н
(6.21)
де — практично існуючий напір при роботі насоса.
Однією з основних задач автоматичного регулювання режимів
роботи насосних агрегатів є визначення необхідної частоти обер-
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
тання насосного агрегату для одержання потрібного режиму робо-
ти без перевищення напору.
Формула необхідної частоти обертання насоса залежно від його
характеристик і потрібної продуктивності, за якої будуть забезпе-
чені мінімальні напори на виході насосної установки при необхід-
ному діапазоні зміни подачі, має такий вигляд:
(6.22)
де Нь — статична складова напору; Нф — фіктивна висота підйому
рідини (при нульовій подачі); От — найбільш можлива для даних
умов подача.
Статична складова подачі визначається як різниця геодезичних
позначок насосної установки і споживача та вільного напору у спо-
живача.
Під час розрахунків дійсних витрат електроенергії в керованих
насосних установках слід враховувати витрати електричної енергії,
що мають місце у процесі керування в керованому електроприводі.
З позицій особливостей енергозбереження можна виділити три
головні принципово відмінні види керованих електроприводів.
1. Електроприводи з втратами енергії ковзання: системи ЕП з
реостатом у колі ротора, ЕП з гідравлічними або електромагнітними
муфтами ковзання.
2. ЕП з рекуперацією енергії ковзання: різні каскадні системи,
наприклад асинхронно-вентильні каскади.
3. ЕП, що працюють без втрат енергії ковзання: частотні, вен-
тильні та з багатошвидкісними електродвигунами.
Як показали дослідження, втрати потужності ковзання в ЕП
суттєво залежать від механічної характеристики насоса і частоти
обертання.
Втрати потужності ковзання у відносних одиницях в цьому разі
становлять
=(і - «')(лу,
(6.23)
де гі = п/п„ — відносна частота обертання; к — показник ступеня в
механічній характеристиці насоса.
6.1. Енергозбереження
При /с=2...5 максимальне значення втрат потужності ковзання
становить 8... 15 % Рмом насосного агрегату. Цим втратам відповідає
частота обертання 65...80 % лмом. При цьому втрати потужності ков-
зання відносно невеликі і становлять близько 4...8 % Рном насоса, що
визначає (при простоті таких систем ЕП) досить широке їх викорис-
тання в практиці.
Крім втрат енергії ковзання 1УКОВЗ, у системах ЕП є втрати на вен-
тиляцію, тертя в підшипниках тощо, які становлять 1...3 % Рн.
Отже, загальні втрати електричної енергії тут можна вважа-
ти рівними
= (1,01...1,03) И/ковз.
(6.24)
Втрати електричної енергії в ЕП, що працюють із рекуперацією
енергії. У сучасних каскадних системах одна частина електричної
енергії ковзання повертається в мережу живлення, а інша — губить-
ся в ЕП.
Втрати енергії ковзання в ЕП можна визначити за формулою
ИСхеп* И/ковз(1-щ), (6.25)
Де — загальні втрати енергії ковзання; гц — ККД каскаду
(для сучасних систем цей коефіцієнт досить високий і становить
0,9...0,95).
У каскадних системах є сталі втрати енергії, що не залежать від
енергії ковзання. Вони становлять до 3 % споживаної потужності.
Враховуючи це, підсумкові втрати енергії в ЕП з рекуперацією
приблизно такі:
И1ЕП« (0,02...0,05)И(омЕп. (6.26)
Втрати в ЕП, що працюють без втрат електричного ковзання.
Прикладом такого електропривода можна вважати частотно-керо-
вані електродвигуни.
Вказані втрати зумовлені втратами енергії в частотних перетво-
рювачах, а також зниженням ККД частотно-керованих електродви-
гунів за рахунок появи вищих гармонік струму та відхилення фор-
ми струму від синусоїдної форми. Так, ККД частотного перетворю-
вача г|чп становить 0,9...0,95.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСП В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Втрати за рахунок несинусоїдності перетвореного струму ста-
новлять 3...5 %.
Загальні втрати енергії можна обчислити за формулою
И4 - Л4Г(1 -ь - Лмп), (6.27)
де А/6 — базова (номінальна) потужність насосного агрегату, кВт; Т —
розрахунковий час роботи електропривода, год; £ — коефіцієнт, що
враховує втрати, які не залежать від ковзання.
При ступеневому керуванні швидкості електродвигуна ця швид-
кість змінюється за рахунок перемикання обмоток статора, що
змінює кількість пар полюсів р:
607
п ----.
де п — синхронна швидкість асинхронного двигуна; 7 — частота
струму мережі..
Завдяки зміні характеристики двигуна можна одержати робочі
точки насоса при зменшенні О, значно менших напорах і витратах
електричної енергії. При цьому слід мати на увазі, що ККД бага-
тошвидкісного електродвигуна на 2...З % менший за ККД одно-
швидкісного двигуна.
Основні схеми керованих електродвигунів змінного струму (насос-
них установок). Для керування насосними установками використо-
вують переважно двигуни змінного струму. При потужності до
600...800 кВт іноді застосовуються двигуни постійного струму.
Є два види частотного ЕП: з проміжною ланкою постійного
струму і без неї.
Перетворювач із проміжною ланкою постійного струму будують
на основі автономних інверторів як струму (АІС), так і напруги
(АІН).
За рахунок несинусоїдності струму при роботі з частотами обер-
тання, близькими до номінальних, ККД зменшується на 1...4 %,
соз<р — на 5...6 %.
У разі звичайного діапазону керування (1 :2 або 1 : 3) погіршен-
ня умов охолодження (вентиляції) при низьких обертах суттєво не
впливає на умови роботи електродвигуна, оскільки зменшуються
напір, подача насоса та потужність двигуна.
6.1. Енергозбереження
Потужність ЕП зумовлюється потужністю частотних перетворю-
вачів, що випускаються (є частотні перетворювачі до 3 500 кВт із
проміжною ланкою постійного струму).
Перетворювач без проміжної ланки постійного струму має си-
нусоїдну форму кривої напруги на риході, де частота струму не пе-
ревищує 25...33 Гц.
Електроприводи із цим типом перетворювачів більш прості та
дешеві і використовуються при потужності насосних агрегатів при-
близно 250...2 600 кВт.
Керування введенням опору в коло ротора. Цей спосіб використо-
вується в електроприводах із двигунами з фазним ротором. При
цьому виникають втрати ковзання. Тому цей метод не досить еко-
номічний.
Керування за допомогою асинхронно-вентильних каскадів (рис. 6.14).
При цьому методі керування змінюється ЕРС в роторі двигуна.
Енергія ковзання двигуна Д рекуперується в електричну мережу за
допомогою спеціального інвертора І (можливе використання транс-
форматора ТР). У коло ротора ввімкнено згладжувальний дросель
ЗД, а також випрямляч ВП.
Під час роботи у двигуновому режимі зі швидкістю, нижчою за
синхронну, струм ротора двигуна Д випрямляється за допомогою
вентильних випрямлячів ВП, а потім тиристорів, що працюють як
інвертори, та перетворюється на змінний струм із частотою мережі.
При цьому випрямлений струм у первинній обмотці трансформатора,
Рис. 6Л4
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
що зумовлюється напругою ротора, перебуває у протифазі з напру-
гою мережі. В результаті активна енергія надходить у мережу.
Змінюючи випрямлену напругу ротора, можна регулювати час-
тоту обертання двигуна Д та насоса Н.
Головні особливості використання асинхронно-вентильних кас-
кадів на насосних установках: г
• потрібний діапазон зміни швидкості для багатьох насосних
установок незначний (20...30 %);
• в АВК перетворюється лише потужність ковзання, яка рекупе-
рується в мережу і становить до 15 % потужності двигуна;
• незначний діапазон регулювання швидкості дає змогу вико-
ристовувати відносно прості перетворювачі.
Регулювання зміною кількості пар полюсів в обмотці статора.
Низьковольтні двигуни з перемиканням обмоток статора мають по-
тужність до 100 кВт, а високовольтні — 500... 1 400 кВт.
Приводи з варіаторами частоти обертання. У цих приводах ви-
користовуються некеровані асинхронні або синхронні електродвигу-
ни. Швидкість обертання насоса змінюють за допомогою механіч-
них варіаторів, гідравлічних або електромагнітних муфт ковзання.
ЖЯЮ ОСОБЛИВОСТІ
ПОБУДОВИ ВНБРГОЗБСРШНИК
ШСТРШАЛШИХ ШСАН
Розглянуті питання енергозбереження при різних системах ке-
рованого електропривода на основі енергозбережних екстремальних
САК, а також можливі способи підвищення ефективності енерго-
збереження технологічних об’єктів на прикладі таких енергоємних і
досить складних об’єктів, як керовані насосні установки, дають
змогу зробити такі висновки.
1. Розробка і впровадження спеціальних енергозбережних, у
тому числі екстремальних за чинником енергозбереження, систем
автоматичного керування електроприводами є ефективними при:
• системах керованого електропривода, які мають можливість
забезпечення його незалежного керування, завдяки додатково-
му каналу, незалежному від основного силового каналу керу-
вання швидкості (такі незалежні канали керування можуть
6.1. Енергозбереження
бути забезпечені за частотного, векторного керування ЕП
змінного струму);
• потужностях електропривода, коли додаткові витрати на роз-
робку енергозбережної САК, враховуючи відносно незначну
потужність додаткового каналу керування, виправдовуються
отриманою економією електричної енергії в ЕП.
В енергозбережній екстремальній САК електропривод є об’єк-
том керування, а саму систему можна розглядати як систему стабі-
лізації внутрішніх витрат електроенергії на мінімально можливому
(екстремальному за певних умов) рівні.
2. Відносно загальної ЕМСАК насосної установки енергозбе-
режна екстремальна САК ЕП є внутрішньою замкненою системою,
що безпосередньо не впливає на виконання основної технологічної
задачі. Для насосних установок такими задачами є:
• робота ЕМСАК на підтримання сталого тиску в контрольних
точках мережі водопостачання при зміні витрат рідини;
• підтримання сталого рівня рідини в нагромаджувані за раху-
нок керування продуктивністю насоса залежно від її витрат.
Керування режимами роботи насоса (його продуктивністю)
здійснюється за допомогою таких принципово відмінних способів:
• зміною частоти обертання робочого колеса насоса завдяки
зміні частоти обертання електродвигуна;
• за допомогою засувок у трубопроводі;
• зміною кута нахилу лопаток робочого колеса насоса або нап-
рямного апарата, що встановлюється на вході в насос.
Виходячи з розгляду характеристик О—//насоса і трубопроводу,
зазначимо, що перевага надається першому способу, який дає змо-
гу забезпечити економічно вигідне керування роботою насосної ус-
тановки.
За другого способу керування насосними установками за раху-
нок зміни опору трубопроводів (зміною положення засувок) потре-
бує використання спеціальних сервоприводів з відповідними САК і
не забезпечує прийнятого ККД.
Особливістю третього способу є принципова можливість зміню-
вати кут повороту лопаток під час роботи насоса за допомогою
спеціальних пристроїв, забезпечуючи цим можливість переміщення
робочої точки насоса в зону збільшення його ККД без зміни часто-
ти обертання робочого колеса насоса (його продуктивності), яку за-
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
безпечує приводний електродвигун. Цей спосіб технічно можливий
і використовується в деяких серійних установках.
Слід також зазначити, що використання як керуючого парамет-
ра кута повороту лопаток дає можливість отримати додатковий ка-
нал керування енергетичними процесами в насосній установці, без-
посередньо незалежний від силового (основного) каналу керування
продуктивності за рахунок швидкості потужного приводного елект-
родвигуна. Керування кутом повороту лопаток забезпечується ма-
лопотужною екстремальною системою керування.
Об’єднання двох локальних малопотужних екстремальних САК —
втрат енергії в електроприводі та технологічному об’єкті — дає змо-
гу побудувати загальну енергозбережну екстремальну ЕМСАК, яка
може слугувати додатковим засобом підвищення техніко-еконо-
мічних показників керованих технологічних об’єктів і відповідних
силових ЕМСАК.
Діагностика, захист і моніторинг
електромеханічних систем
ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ
При роботі будь-якої електромеханічної системи виникають
аварійні ситуації, зумовлені дією різних внутрішніх та зовнішніх
чинників. Цілком зрозуміло, що для забезпечення тривалої праце-
здатності електромеханічної системи, а також для попередження
тяжких наслідків від розвитку аварійної ситуації система автоматич-
ного керування має виконувати функцію діагностики стану облад-
нання і в разі появи нештатної або аварійної ситуації виконувати
низку дій, зокрема вимикання електрообладнання від мережі жив-
лення.
Технічно грамотно виконана система діагностики стану облад-
нання та апаратура захисту дають змогу збільшити час між плано-
во-запобіжними ремонтами обладнання та уникнути істотних
витрат на усунення наслідків аварії.
У практиці широке застосування мають схеми релейно-контак-
торного керування електроприводами, де застосовується типова
апаратура діагностики та захисту.
ДО
6.2. Діагностика, захист і моніторинг
електромеханічних систем
Нині на електротехнічному ринку пропонується нова і більш
досконала, надійна апаратура, що розширює функціональні можли-
вості для діагностики та захисту електрообладнання.
Особливу увагу слід звернути на організацію захисту замкнених
систем автоматичного керування з електроприводами. По-перше,
це пояснюється складністю електромеханічної системи та різно-
манітністю її компонентів. По-друге, широке застосування в елект-
роприводах силових перетворювачів на базі повністю керованих ти-
ристорів СТО і транзисторів ЮВТ потребує застосування нових
принципів та засобів захисту таких напівпровідників. По-третє, ці
сучасні системи використовують мікропроцесорні засоби для керу-
вання і діагностики обладнання. Потужна мікропроцесорна техніка
в поєднанні з принципово новими пристроями для вимірювання
дають змогу проводити постійний контроль за станом як силового
обладнання, так і пристроїв керування із постачанням необхідної
інформації обслуговуючому персоналу.
Такий новий підхід до діагностики стану обладнання дістав наз-
ву моніторингу системи. Постійний моніторинг системи дає мож-
ливість передбачити виникнення нештатних ситуацій і запобігти
розвитку тяжких аварійних ситуацій, а також проводити аналіз ста-
тистичних даних, одержаних після аварій і несанкціонованих від-
микань електрообладнання від джерела живлення
ОСНОВНІ ФУНКЦІЇ
ТА ЗАХИСТУ
ІЗ ЮШ№Ш ШУШНМ
Відомо, що під час роботи електропривода можуть виникати
аварійні ситуації, причини яких мають механічну або електричну
природу.
Аварійні ситуації механічного походження виникають у разі:
• блокування ротора електричної машини;
• механічного перевантаження (короткочасного або тривалого).
Ці ситуації спричинюють зростання струму двигуна і, як на-
слідок, небезпечне нагрівання обмоток. Якщо таке перевантаження
не ліквідувати, це може призвести врешті-решт до виходу з ладу
двигуна, розплаву ізоляції силових провідників, небезпеки загорян-
ня і пожежі.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГ/
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТ1 В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Аварійні ситуації електричного походження виникають у разі на-
явності:
• перенапруги, низької напруги, нерівномірного навантаження
фаз, обриву фази, що спричинюють зростання струму живлен-
ня і струму обмоток двигуна;
• струмів короткого замикання, що можут ь перевищити комуту-
вальну здатність контактів комутувальної апаратури (контак-
торів).
Отже, апаратура захисту від перевантажень та коротких зами-
кань має захистити мережу живлення (кабель або провідники),
пристрій комутації двигуна (наприклад, контактор) і сам двигун, за-
бороняючи його роботу протягом тривалого часу зі струмом, що пе-
ревищує номінальне значення. У той же час ця апаратура має за-
безпечити нормальний пуск двигуна, враховуючи наявність пуско-
вих струмів під час подачі напруги живлення. Крім того, апаратура
захисту має бути спроможною захистити себе (залишатися в пра-
цездатному стані після усунення аварійної ситуації). У протилежно-
му випадку її слід поєднати з іншим захисним пристроєм.
В електроприводах із релейно-контакторним керуванням для
виконання функцій захисту застосовується така апаратура та
пристрої:
• для захисту від незначних тривалих перевантажень — теплове
реле, зонди-термістори (РТС) (останні встановлюються всере-
дині електричної машини для контролю температури
нагрівання);
• для захисту від значних перевантажень — електромагнітні
реле;
• для захисту від коротких замикань — запобіжники;
• для захисту від обриву фази — диференціальне теплове реле,
секціонер із відповідним механізмом і запобіжниками;
• для захисту від зникнення напруги живлення — контактор з
автоживленням або реле мінімальної напруги;
• для захисту від затяжного пуску або частих пусків — пристрій
із термісторами РТС, теплове реле і спеціальна схема його
підмикання, що не дає змоги передчасному спрацьовуванню
реле.
Крім цих пристроїв, нині широко використовують апаратуру
багатофункціонального призначення. До неї слід віднести
6.2. Діагностика, захист і моніторинг
електромеханічних систем
насамперед автоматичні вимикачі, що виконують три основні
функції:
• секціонування двигуна, тобто його електричне вимикання від
мережі, що дає можливість безпечного доступу і роботи з дви-
гуном під час профілактики;
• подачу живлення;
• функціональне керування двигуном (операції «пуск—стоп»).
Пристрій реалізує функцію електричного захисту від переванта-
жень та коротких замикань: вимикання струмів перенавантаження
у функції часу, а також ліквідування в найкоротший час струмів ко-
роткого замикання. Крім того, пристрій може забезпечити захисне
вимикання, що є обов’язковим у разі виникнення небезпеки для
обслуговуючого персоналу (аварійна зупинка або відсутність напруги).
Останнім часом з’явилися автоматичні вимикачі спеціального
виконання, які інтегрують у собі всі необхідні функції для керуван-
ня і захисту двигунів:
• секціонування;
• керування;
• захист від коротких замикань із великими струмами;
• захист від перевантажень, нерівномірних завантажень фаз;
• захист від коротких замикань із малими струмами;
• сигналізація і діалог із засобами автоматизації (промисловими
контролерами або комп’ютерами).
Ці вимикачі поєднують у собі найкращі характеристики спеціа-
лізованих апаратів:
• повну видимість електричного розмикання кола;
• високу розривну здатність із властивістю обмеження струму
короткого замикання;
• надійність і високу механічну стійкість контактора;
• вдосконаленість і точність спрацьовування сучасного теплово-
го реле захисту.
Прикладами таких автоматичних вимикачів для прямого пуску
асинхронних короткозамкнених двигунів слугують пристрої типу
РК22 виробництва МоеІІег для двигунів із потужністю до 20 кВт при
напрузі живлення 380 В і пристрої серії ІпІедгаІ 18, 32, 63 (ЗсЬпеідег
ЕІесїгіс) для двигунів із потужністю до 33 кВт при напрузі живлення
також 380 В.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГ/
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
До класу багатофункціональних пристроїв захисту слід віднести
і спеціальні мікропроцесорні реле захисту. Такі реле забезпечують
захист від перевантаження двигуна, несиметрії або випадання фаз.
Крім того, при використанні термісторів РТС забезпечується захист
двигуна від перегрівання, а при застосуванні спеціального транс-
форматора, що дає змогу контролювати суму миттєвих фазних стру-
мів, — захист від короткого замикання на землю. Прикладом
розглянутого реле є реле типу 2ЕУ (виробництва МоеІІег) на струми
1...800 А.
Схему підімкнення мікропроцесорного реле типу 2ЕУ до схеми
керування асинхронним двигуном наведено на рис. 6.15.
Перевагою цього реле є те, що воно дає можливість захистити
двигуни з різними умовами пуску шляхом вибору відповідної кри-
вої спрацьовування теплового захисту (пропонується вісім стан-
дартних класів кривих спрацьовування: клас 5, 10, 15,40).
Використовуючи дисплей реле, можна за допомогою меню на-
лагодити відповідні параметри. На дисплеї з’являються відобра-
ження несправності та причини, що її викликали.
Рис. 6.15
6.2. Діагностика, захист і моніторинг
електромеханічних систем
Крім того, за допомогою двох додаткових контактів можна ви-
вести на зовнішнє коло інформацію про перевантаження, замикан-
ня на землю, термісторне вимикання, внутрішню несправність при-
ладу.
Іншим прикладом електричного захисту може слугувати багато-
функціональне мікропроцесорне реле типу И6-Р (виробництва
ЗсЬпеідег-ЕІесїгіс) для захисту та керування асинхронним двигуном.
Це реле розраховано на напругу 380...400 В і струми до 800 А (за ви-
користання додаткових трансформаторів струму).
Реле ЬТб-Р забезпечує такі додаткові функції захисту, як захист
від низької напруги живлення, від роботи двигуна з недозаванта-
женням, контроль за часом пуску. Реле надає можливість проведен-
ня моніторингу напруги живлення, струму фаз статора, созср. За
його допомогою можна реалізувати керування прямим пуском дви-
гуна, реверсом двигуна, пуском за схемою зірка—трикутник.
За допомогою спеціального програмного забезпечення, вико-
ристовуючи послідовний порт, можна підімкнути реле до мережі та
організувати обмін інформацією з комп’ютером (програмування ре-
ле та постійний моніторинг двигуна: контроль за миттєвими зна-
ченнями напруги, струму, частоти, созср, тепловим станом двигуна;
надання статистики про причини та характер спрацьовування за-
хисту тощо).
ЖОЖВО ФУНКЦІЙ
При реалізації схеми розімкненого керування приводним елект-
родвигуном слід виконати електричне ізолювання або секціонуван-
ня двигуна від мережі (для захисту обслуговуючого персоналу), за-
хистити силове коло (двигун і кабель живлення) від перевантажень
та короткого замикання й реалізувати керування двигуном (пуск,
стоп, реверсування і т. д.).
Функціональні можливості апаратури керування і захисту наве-
дено в табл. 6.2.
Наявні національні й міжнародні норми потребують певної ко-
ординації в роботі апаратури в разі виникнення режиму короткого
замикання. Так, норми країн Європейського Союзу визначають три
типи координації в роботі комутувальної та захисної апаратури.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Таблиця 6.2
Функція Пристрій
Вимикач Вимикач під навантаженням Секціонер із запобіжниками Контактор Теплове реле Автоматичний вимикач з електромагнітним розщепленням Автоматичний вимикач з електромагнітним і тепловим розщепленням Автоматичний вимикач інтегральної дії
Ізолювання — —|—
Розмикання під навантаженням —|—
Захист від короткого замикання
Захист від перевантажень —|—
Керування —
Координація типу 1. При коротких замиканнях контактор або ав-
томатичний вимикач не повинен створювати небезпеки для персо-
налу чи обладнання.
Якщо ж ця апаратура спрацювала, то для її відновлення не-
обхідно відремонтувати чи замінити окремі вузли.
Після виникнення короткого замикання електричний двигун
ізолюється від мережі.
Координація типу 2. Ця координація при виникненні коротких
замикань також вимагає, щоб контактор або автоматичний вимикач
не створював небезпеки для персоналу чи обладнання.
Апаратура має залишатися в працездатному стані. Якщо
відбулося зварювання контактів контактора, то для приведення
контактора у робочий стан необхідно виконати дії, наведені у
відповідній інструкції.
Після виникнення короткого замикання двигун відмикається
від мережі.
6.2. Діагностика, захист і моніторинг
електромеханічних систем
Зазначимо, що використання такої апаратури, як запобіжники,
секціонер, контактор, теплове реле, дає змогу отримати коорди-
націю типу 2.
Асоціація таких апаратів, як автоматичний вимикач з електро-
магнітним і тепловим розщеплювачем, контактор або автоматичний
вимикач з електромагнітним розщеплювачем (контактор—теплове
реле забезпечує координацію типу 1 або 2, залежно від величини
струму короткого замикання).
Координація типу 3. Цю координацію забезпечує автоматичний
вимикач багатофункціональної дії, котрий поєднує в собі функцію
автоматичного вимикача, теплового реле і контактора. Цей при-
стрій забезпечує миттєву готовність до роботи після усунення при-
чини виникнення короткого замикання.
Як приклад, на рис. 6.16 наведено схему прямого пуску асин-
хронного двигуна АД з використанням автоматичного вимикача
серії Іпїедга) 32 типу Ю4. Цей вимикач забезпечує як ручне (за
допомогою поворотної ручки), так і автоматичне (за допомогою
А
Ручне
керування
Рис. 6.16
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
подачі напруги живлення на котушку контактора КМ1) керування.
Автоматичне керування можливе лише тоді, коли контакт А1 замк-
нений. Апарат захищає двигун від струмів короткого замикання
(комутаційна здатність становить 50 кА при напрузі 380 В), а також
від незначних тривалих перевантажень, обриву і нерівномірного за-
вантаження фаз двигуна.
Основна проблема захисту тиристорного електропривода по-
стійного струму полягає в захисті тиристорного перетворювача. Це
пояснюється тим, що тиристори дуже чутливі до перенапруги та
аварійних струмів.
Розглянемо причини та чинники, що зумовлюють існування пе-
ренапруг та аварійних струмів.
Джерела перенапруг і способи захисту від них. Внутрішньою при-
чиною існування так званих комутаційних перенапруг є висока
швидкість спаду струму при запиранні вентиля: проблема розсмок-
тування нагромаджених у р—^-переходах носіїв зарядів. Загально-
прийнятим способом захисту від таких перенапруг є застосування
/?—С-ланок, підімкнених паралельно до тиристора.
Є ще зовнішні джерела перенапруг. Це насамперед перенапру-
ги, які виникають у мережі живлення внаслідок спрацьовування ко-
мутаційної апаратури, перенапруги від вмикання чи вимикання не-
навантаженого трансформатора, і, нарешті, перенапруги, джерелом
яких є грозові розряди. Ці перенапруги мають різну потужність
імпульсу (тривалість та амплітуду) і для захисту від них використо-
вують поєднання кількох засобів.
Так, для захисту від перенапруг, що породжуються комутацією
трансформатора, ефективним є застосування /?—С-ланок із елект-
ролітичними конденсаторами, ввімкненими на виході мостового ді-
одного випрямляча малої потужності. Для захисту від комутаційних
та атмосферних перенапруг найчастіше використовують обмежувачі
перенапруг на основі варисторів.
6.2. Діагностика, захист і моніторинг
електромеханічних систем
Крім того, перенапруги виникають на стороні випрямленого
струму під час розриву кола навантаження (якоря або обмотки збу-
дження двигуна). Для захисту від перенапруг якірного кола вико-
ристовують нагромаджувальні електролітичні конденсатори або об-
межувачі перенапруг на основі варисторів чи дугових розрядників.
До вибору засобів захисту від перенапруг слід підходити дуже
відповідально, оскільки тиристори чутливі до дії перенапруг. Вра-
ховуючи це, для підвищення надійності роботи вибирають клас ти-
ристорів за напругою з великим коефіцієнтом запасу — порядку
1,3... 1,5.
Захист від аварійних струмів. Причини, що породжують на-
явність аварійних струмів, різноманітні: зовнішні та внутрішні ко-
роткі замикання, перекидання інвертора, поява значних зрівнова-
жувальних струмів у реверсивних перетворювачах із сумісним керу-
ванням, несанкціоноване відпирання тиристора в непрацюючій
групі реверсивного перетворювача з роздільним керуванням.
Враховуючи різноманітний характер названих вище причин, ви-
користовують різні способи захисту. Основна вимога, що висува-
ється до системи захисту, — забезпечити високу швидкодію, оскіль-
ки тиристор дуже чутливий до величини та тривалості протікання
аварійних струмів.
Системи захисту будуються з врахуванням характеру аварійного
струму, потужності та призначення перетворювача. Найчастіше по-
єднують використання електричних та електронних засобів захисту.
До електричних засобів захисту належать плавкі запобіжники та
автоматичні вимикачі. Плавкі запобіжники вибирають, виходячи з
діючого значення першої півхвилі струму короткого замикання та
допустимого для тиристора значення /*2Л
Тому для захисту використовують швидкодіючі запобіжники,
спеціально розроблені для захисту напівпровідникових вентилів.
Зауважимо, що сучасні автоматичні вимикачі мають досить ви-
соку швидкодію (час повного вимикання становить порядку 10...20 мс).
Електронна система захисту діє на момент формування керую-
чих імпульсів, зсуваючи його в зону, близьку до інверторного режи-
му, або взагалі блокує появу імпульсів керування.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Рис. 6.17
Для зменшення наслідків дії аварійного струму і переривання
аварійного процесу використовують індивідуальні запобіжники в
колі кожного тиристора, швидкодіючі автоматичні вимикачі на
стороні постійного й змінного струмів та електронну систему
захисту.
Структура системи захисту, як правило, ускладнюється зі зрос-
танням потужності тиристорного електропривода.
Приклад структури організації захисту від аварійних струмів ти-
ристорного електропривода типу КТЕУ з двигуном М на робочий
струм до 200 А наведено на рис. 6.17.
Тиристорний перетворювач містить два зустрічно-увімкнені тири-
сторні мости. Тиристори захищені швидкодіючими запобіжниками
/7/. Перетворювач отримує живлення через автоматичний вимикач
ОГ1. За допомогою трьох трансформаторів струму формується сиг-
нал зворотного зв’язку за струмом, який уводиться в коло системи
імпульсного фазового керування (СІФК). Цей сигнал входить до
складу електронної системи захисту від аварійного струму.
На стороні випрямленого струму захист виконується за допомо-
гою автоматичного вимикача 0Р2. Контактор КМ слугує для частої
комутації двигуна (за необхідності), 1_Р є реактором обмеження струму.
Перетворювач містить також електронні вузли для контролю та
індикації стану запобіжників, контролю струму навантаження та
напруги живлення тощо.
6.2, Діагностика, захист і моніторинг
електромеханічних систем
ЗАХИСТ. ДІАШССМКА
ТА МОНІТОРИНГ ЧА.СТ&ТНО-Х№ОВАНИХ
ЖТРОШЮДШ ЗШШОТО СТР'УШ
Сучасні частотно-керовані електроприводи змінного струму є
дуже складною електромеханічною системою, що містить велику різно-
манітність електричних та електронних елементів і вузлів. Незважа-
ючи на це, ЕМС характеризується високою надійністю в роботі, про
що свідчить світовий досвід успішної експлуатації таких систем.
Одним із основних чинників, що забезпечує високу надійність,
є розвинена система захисту, діагностики та моніторингу системи.
Побудувати таку систему вдалося завдяки застосуванню датчиків
нової генерації для вимірювання фізичних величин і використання
мікропроцесорної техніки регулювання, вимірювання та діагностики.
Розглянемо типові рішення і принцип реалізації захисту, діаг-
ностики та моніторингу таких електроприводів.
Захист двигуна. Основні чинники, від яких слід захищати дви-
гун, — це механічне перевантаження двигуна, перегрівання двигу-
на від перекосу або обриву фаз, замикання обмоток двигуна і кабе-
лю живлення на землю.
Зауважимо, що при живленні двигуна від перетворювача часто-
ти на статорних обмотках двигуна виникають значні перенапруги,
зумовлені так званим явищем довгого кабелю. Ця проблема не на-
лежить до проблеми захисту, оскільки є і використовується низка
рішень, що обмежують указані перенапруги на допустимому рівні
(обмеження довжини кабелю, використання дроселів і фільтрів на
виході перетворювача частоти тощо).
Щоб захистити двигун від перегріву, перевантаження та пош-
кодження ізоляції, використовують багатоступеневий, різно-
манітний захист. Так, нагрівання двигуна контролюється за допо-
могою теплової математичної моделі двигуна, що міститься в
мікропроцесорній системі керування перетворювача частоти. Крім
того, передбачена можливість теплового захисту з використанням
термісторів РТС, розміщених в обмотках двигуна. Термістори під-
микаються до відповідних входів перетворювача частоти. Мікро-
процесорна система аналізує величину опору термісторів і блокує
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМ.ІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
а
б
Рис. 6.18
живлення двигуна, коли опір термісторів перевищує значення, що
відповідає певному порогу температури нагрівання обмоток машини.
Для уникнення перевантаження двигуна (запобігання так звано-
му явищу перекидання асинхронного двигуна) контролюється та
обмежується струм статора і величина ковзання.
Контроль за пошкодженням ізоляції на землю жил кабелю жив-
лення чи обмоток двигуна реалізується найчастіше за допомогою
підсумовувального (диференціального) трансформатора (рис. 6.18).
Трансформатор може бути ввімкнений як на виході перетворю-
вача (рис. 6.18, о), так і в проміжному колі постійного струму
(рис. 6.18, б). Він контролює та вимірює суму миттєвих значень
струмів. У разі пошкодження ізоляції на землю і відповідно появи
струму витоку на землю ця сума не дорівнює нулю і на вихідній
вимірювальній обмотці трансформатора з’являється сигнал, що об-
робляється мікропроцесорною системою. Ця система блокує перет-
ворювач і видає інформацію на дисплей.
Захист силового кола перетворювача частоти. У перетворювачі
частоти з проміжною ланкою постійного струму слід захищати си-
лове коло як автономного інвертора, так і вхідного випрямляча.
Трифазний інвертор містить, як правило, силові модулі на базі
транзисторів ЮВТ. Захистити транзистори від аварійних струмів
звичайними апаратними засобами (запобіжниками, автоматичними
вимикачами) неможливо. Транзистори дуже чутливі до переванта-
ження, мають малу теплову інерцію і тому потребують надшвидко-
діючих засобів захисту від аварійних струмів. Тому виробники для
їх захисту пропонують різноманітні рішення з використанням
6.2. Діагностика, захист і моніторинг
електромеханічних систем
і --** _-_в, _ . _ - — , їм» в-а *, V чи П-Г і і Ч—ЛЛ •• V (-- — — -
електронних швидкодіючих засобів захисту. Цей захист контролює
температуру нагрівання охолоджувальних радіаторів або безпосе-
редньо температуру кристала за допомогою напівпровідникового
датчика температури. Використовуючи швидкодіючі датчики стру-
мів, дія яких ґрунтується на ефекті Холла, або інші принципи ви-
мірювання, контролюють струми транзисторів. При перевищенні
допустимої температури транзистора або струму навантаження мікро-
процесорна система захисту блокує роботу автономного інвертора.
Для інверторів малої потужності використовують так звані інте-
лектуальні силові модулі ІРМ, шо в одному корпусі об’єднують си-
лове коло, драйвери керування і систему захисту транзисторів.
Для забезпечення нормальної роботи перетворювача здійсню-
ється постійний контроль за напругою проміжного кола постійно-
го струму. Якщо ця напруга перевищує допустимий рівень (причи-
ною чого може бути перезарядження буферного конденсатора в ре-
жимі гальмування двигуна), то спрацьовує захист від перенапруги,
блокуючи інвертор. Контролюється також мінімальна напруга (за-
хист від мінімальної напруги).
Якщо автономний інвертор має надійну розвинену систему за-
хисту, то для захисту вхідного випрямляча від вхідних перенапруг,
аварійних струмів, що виникають у разі внутрішніх та зовнішніх
пошкоджень, можна застосовувати лише традиційні методи і засоби.
Для захисту вентилів від перенапруг внутрішнього та зовніш-
нього походження використовують /?—С-ланки, обмежувачі пере-
напруг на основі варисторів тощо.
Для захисту від надструмів при виникненні коротких замикань
застосовують швидкодіючі запобіжники та (або) автоматичні вими-
качі. Вибір типу та калібру (габариту) захисного апарата є дуже від-
повідальним завданням. Тому виробники перетворювачів частоти
або пропонують комплектні поставки разом із засобом захисту, або
дають рекомендації щодо вибору захисного апарата.
Захист кіл керування перетворювачів частоти. Електронна
мікропроцесорна система керування і регулювання дуже чутлива
до зовнішніх збурень типу перенапруг або електромагнітних завад.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
У той же час система керування має численні зв’язки із зовнішніми
пристроями через аналогові та дискретні входи і виходи. Крім того,
для задавальних і дискретних сигналів керування використовують-
ся внутрішні джерела живлення (± 10 В, ± 24 В). Тому для підвищен-
ня надійності роботи і захисту електроніки внутрішні джерела жив-
лення захищені від перевантаження та короткого замикання, а всі
входи та виходи перетворювача мають комірки для гальванічного
розмежування потенціалів зовнішніх кіл і кіл мікропроцесора.
Використання мікропроцесорних засобів дає змогу реалізувати
розвинену систему тестування та діагностики працездатності вузлів
електроніки.
Організація діагностики та моніторингу стану перетворювача час-
тоти. Найчастіше вся інформація щодо діагностики та моніторингу
видається на дисплей панелі керування.
Як правило, на дисплей виводиться:
• інформація про стан електропривода (робота, блокування,
розгін (гальмування) тощо), біжучі значення деяких фізичних
величин (частота, струм, напруга, потужність, момент двигуна
та інші параметри);
• попереджувальна інформація про виникнення нештатної ситу-
ації (наприклад, про перевищення температури нагрівання пе-
ретворювача чи двигуна); це дає змогу персоналу реагувати на
подію ще до того, як спрацює захист;
• інформація про спрацьовування захисту (видається сигнал про
блокування перетворювача частоти, найчастіше в кодовому
вигляді, про причину блокування перетворювача частоти (пе-
ренапруга, коротке замикання тощо)).
Для пошуку несправностей, що спричинили спрацювання за-
хисного вимикання (блокування) перетворювача частоти, та для їх
статистики створюється і зберігається в постійній пам’яті мікропро-
цесора журнал аварійних подій. Його можна ввести на дисплей і
проаналізувати подію. Таку ідеологію має, наприклад, перетворю-
вач частоти типу АІїімаг 68 (фірми ЗсЬпеісіег-ЕІесігіс). У його журналі
зберігаються останні 16 подій. З журналу можна встановити причи-
ну несправності і визначити числові значення параметрів основних
величин, що мали місце за 10 мс перед спрацьовуванням захисту.
6.3. Проблема електромагнітної сумісності
електромеханічних систем
При кожному вмиканні перетворювач автоматично виконує різ-
ні тести апаратної та програмної частин. Крім того, під час роботи
проводяться інші тести.
Практично всі сучасні перетворювачі частоти можуть бути інтег-
ровані в автоматизовані системи керування технологічними проце-
сами через спеціальний порт та інформаційну мережу. У такому ви-
падку діагностична інформація про стан електропривода може над-
ходити на монітор центральної операторської станції і вже там
аналізується. -
6.3
Проблема електромагнітної сумісності
електромеханічних систем
сушшаь
Електромагнітна сумісність — можливість використання прист-
рою або системи в електромагнітному середовищі без створення не-
допустимого для оточення або будь-якого конкретного іншого
пристрою електромагнітних перешкод.
У разі виникнення проблеми електромагнітної несумісності
різко зростають витрати на її подолання.
Кожен пристрій чи система, з одного боку, повинен мати такий
рівень імунітету (нормалізований рівень електромагнітних переш-
код), щоб він міг нормально функціонувати. З іншого — рівень
електромагнітних перешкод, що створюються самим пристроєм,
має бути досить низьким, аби не порушити роботу інших при-
строїв, які перебувають у його електромагнітному середовищі.
Кожне електромагнітне явище, котре може погіршити якість ро-
боти пристрою, називається електромагнітною перешкодою. Згідно
з визначенням, електромагнітна перешкода породжується елект-
ричним полем, яке виникає через різницю потенціалів, та
магнітним полем, що існує завдяки проходженню електричного
струму.
Г::
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Електромагнітна перешкода є по суті ні чим іншим, як небажа-
ний електричний сигнал, що накладається на корисний. Цей пара-
зитний сигнал може розповсюджуватися провідниками або за допо-
могою випромінювання.
Сучасна електромеханічна система являє собою потужне джерело
електромагнітних перешкод, що можуть порушити роботу як сусід-
ніх пристроїв, так і пристроїв, що входять до складу самої системи.
До найпотужніших джерел перешкод належать:
• електричні машини, особливо двигуни постійного струму;
• напівпровідникові перетворювачі, у яких комутуються з висо-
кою швидкістю струми напівпровідниковими вентилями-клю-
чами;
• силові провідники або кабелі;
• комутувальна апаратура (контактори, автоматичні вимикачі,
реле тощо).
Перешкоди, що виникають у результаті роботи названих дже-
рел, мають широкий спектр частот (від десятка кГц до гГц). Низько-
частотні паразитні сигнали (частотою до 1...5 мГц) розповсюджу-
ються провідниками. їхня енергія досить велика і може зумовити
вихід з ладу обладнання.
Якщо чутливий до перешкод пристрій (наприклад, будь-який
електронний пристрій) дістає живлення від мережі, спільної для
інших споживачів, то породжувані потужним обладнанням переш-
коди передаються до такого пристрою через кабель (провідники)
живлення.
Є також інший тип зв’язку — через провідність кіл мас та зазем-
лення. Так, спільна нульова шина електронних плат підмикається
до маси установки, а потім заземлювальним провідником із повним
опором 2 — до контуру заземлення.
Отже, існує різниця потенціалів між нульовою шиною та зазем-
ленням. Вона має місце і між різними точками заземлення та спри-
чинює появу паразитних струмів у різних колах.
Високочастотні сигнали перешкод розповсюджуються випромі-
нюванням: їхня енергія невисока, тому вони можуть лише спричи-
нити порушення в роботі обладнання.
Розповсюдження електромагнітних перешкод зображено на
рис. 6.19. На схемі позначено: ПЧ — перетворювач частоти; М —
електричний двигун; 7 — еквівалентні опори шляхів розповсюд-
ження перешкод, що зображені кривими та хвилястою лініями.
6.3. Проблема електромагнітної сумісності
електромеханічних систем
Мережа
Датчики
С-паразитна
ємність
Рис. 6.19
Отже, електромагнітні перешкоди, що розповсюджуються елек-
тричними провідниками, можуть передаватися:
• внутрішніми провідниками живлення або електропостачаль-
ною мережею;
• кабелями керування;
• інформаційною мережею;
• кабелями, провідниками заземлення (РЕ, РЕН)\
• контуром заземлення;
• паразитними ємностями.
За наявності двопровідного зв’язку можуть існувати перешкоди
двох типів: диференціальні і синхронні. У першому випадку струм
протікає в протилежних напрямах провідниками (рис. 6.20, а), у
другому — він має один напрям в усіх провідниках (рис. 6.20, б).
Слід зауважити, що при синхронній перешкоді заземлення при-
строю (наприклад, металевий корпус) діє як опорний потенціал для
корисних сигналів і як базовий потенціал для струмів перешкоди.
Цей струм, протікаючи кабелем, потрапляє в ізольований прилад і
знову виходить через інші кабелі. Коли заземлення виконано не-
якісно, кабель, через який протікає струм перешкоди, впливає на
інші кабелі.
Перешкоди, зумовлені наявністю спільного зв’язку (корпус,
спільна нульова шина, заземлення), є основною проблемою елект-
ромагнітної сумісності, оскільки дуже важко ідентифікувати шлях,
за яким вони розповсюджуються.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
б
Рис. 6.20
Для високочастотних перешкод, що розповсюджуються випро-
мінюванням, є два принципові способи зв’язку: індуктивний і
ємнісний.
Силові струми, протікаючи кабелем, створюють навколо нього
електромагнітне поле. Якщо в цьому полі перебуває, скажімо, ка-
бель керування, що формує петлю певної площі 3, то завдяки навіть
невеликому індуктивному зв’язку в цьому кабелі наводиться змінна
електрорушійна сила.
Ємнісний зв’язок між електричним (кабель, електричний еле-
мент) та іншим колом, розміщеним поряд, існує завжди. Змінна
різниця потенціалів між цими колами породжує ємнісний струм,
що протікає через ізолюючий простір від одного кола до іншого.
Чим вища частота напруги між обкладинками паразитного конден-
сатора, тим більший струм.
Якщо на частоті 50 Гц ємнісний зв’язок відсутній, то на високих
частотах він суттєвий і є одним із чинників порушень нормальної
роботи установки.
Як було сказано, причини виникнення перешкод і способи їх
передачі різноманітні. Тому вирішення проблеми електромагнітної
сумісності є дуже складним завданням. Для цього потрібно вжити
спеціальні заходи щодо конструктивного виконання системи,
6.3. Проблема електромагнітної сумісності
електромеханічних систем
монтажу та прокладення кабелей, виконання системи заземлення
та застосування додаткових пристроїв. Щоб забезпечити норми
електромагнітної сумісності, слід зменшити ефект зовнішніх пе-
решкод, які можуть потрапити в систему, а також запобігти виник-
ненню або послабити рівень перешкод, що породжуються самою
системою.
Ідеологія прийняття рішень ґрунтується на природі виникнення
і способах розповсюдження перешкод.
Розглянемо на прикладі частотно-керованого електропривода
деякі основні заходи і засоби, що приймаються для забезпечення
вимог електромагнітної сумісності.
Для захисту перетворювача частоти від проникнення зовнішніх
перешкод (атмосферні й комутаційні перенапруги, радіоперешко-
ди), що розповсюджуються кабелем живлення, на вході перетворю-
вача частоти використовують обмежувачі перенапруг і радіофільтри.
Останні виконуються симетричними, з тим щоб запобігти проник-
ненню перешкод у мережу від перетворювача. Задача фільтрів по-
лягає у створенні бар’єра для розповсюдження перешкоди (за допо-
могою послідовного вмикання індуктивності) та (або) обхідного шля-
ху для неї (за допомогою паралельного вмикання конденсаторів).
Для високих частот функцію фільтра часто виконує кільцевий
ферит (рис. 6.21), який має дві властивості: створює індуктивний
бар’єр для перешкод, що розповсюджуються за схемою спільного
зв’язку, та акумулює у вигляді теплових втрат від наведених у ньо-
му струмів Фуко.
Перетворювач частоти ПЧ є потужним джерелом низькочастот-
них гармонік струму (5, 7, 11 і т. д. гармонік). Ефективним засо-
бом їх придушення є використання вхідного дроселя. Так, якщо
рівень 5-ї гармоніки становить порядку 55 % без дроселя, то за
наявності дроселя рівень перешкод зменшується приблизно до ЗО %.
Рис. 6.21
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГ/
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Суттєво зменшується і діюче значення вхідного струму. Наприклад,
для перетворювача частоти виробництва ЗсЬпеісІег-ЕІесиіс із
вихідною потужністю 4 кВт діюче значення струму становить 15 А
без дроселя і 9,5 А з дроселем.
Вхідний дросель виконує й додаткові функції: обмежує величи-
ну струму коротких замикань та рівень перенапруг.
Для зменшення дії високочастотних перешкод, що випроміню-
ються перетворювачем та силовим кабелем, використовується екра-
нування кабеля, розміщення перетворювача в металевій заземленій
шафі тощо.
Для зменшення перешкод у кабелях керування їх також викону-
ють екранованими. Кабелі керування та силові кабелі мають
розміщуватися в різних каналах на відстані не менше за ЗО...40 см.
Важливою й водночас важкою для вирішення є проблема екві-
потенціальності мас пристроїв, що входять у систему. Використан-
ня класичного заземлення за допомогою заземлювального про-
відника (жовто-зелений провідник) не є ефективним на високих
частотах через його великий опір. Заземлювальний провідник ви-
конуватиме тут лише функцію захисту персоналу від потрапляння
під напругу на металевих корпусах пристроїв, що може з’явитися
внаслідок пошкодження електричної ізоляції.
Отже, заземлення виконує обмежену функцію відносно явищ,
які стосуються проблеми електромагнітної сумісності. І навпаки,
маса, що перебуває безпосередньо біля електронного пристрою,
відіграє роль бази, відносно якої проявляються високочастотні яви-
ща. Тому слід так з’єднати маси між собою, щоб досягти еквіпо-
тенціальності між ними на високих частотах.
Еквіпотенціальність мас може бути досягнута лише за багато-
кратного з’єднання мас і створення багатьох контурів. Для цього
потрібно зменшувати площу контурів, збільшуючи число з’єднань
між масами; беззастережно уникати радіального з’єднання мас
(з’єднання зіркою) з подальшим заземленням в одній точці.
Слід також зазначити, що проблема електромагнітної сумісності
є досить складною для вирішення, оскільки, в принципі, універ-
сального розв’язку немає. Але навіть якщо вказана проблема та її
вирішення є конкретними для Певної системи, то, базуючись на ос-
новних принципах боротьби з електромагнітними перешкодами та
правилах виконання монтажу і прокладання кабелей, можна
одержати нормальну роботу установки й системи в цілому.
Контрольні запитання та завдання
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
1. Якими є загальні особливості та шля-
хи енергозбереження в ЕМС з неке-
рованими електроприводами?
2. Назвіть особливості енергозбережен-
ня в ЕМС з керованими електропри-
водами.
3. У чому полягає принцип дії екстре-
мальних ЕМСАК за чинником енер-
гозбереження при частотному керу-
ванні ЕП і керуванні за напругою ста-
тора?
4. Назвіть особливості та задачі екстре-
мальних енергозберігаючих ЕМСАК
при векторному керуванні ЕП.
5. Яким є вплив режимів роботи техно-
логічного об'єкта на енергозбере-
ження в ЕМСАК?
6. Назвіть особливості енергозбережен-
ня в ЕП і технологічному об'єкті на
прикладі насосних установок.
7. Назвіть технологічні способи керуван-
ня продуктивністю насосних устано-
вок. У чому полягає проблема енер-
гозбереження?
8. Назвіть особливості вибору видів ке-
рованого ЕП для насосних установок.
9. Назвіть особливості комплексної оцін-
ки енергозбереження ЕМСАК насос-
них установок.
10. Яким є загальне призначення захисту,
діагностики та моніторингу ЕМС?
11. Назвіть особливості захисту ЕМС при
розімкнених системах керування.
12. Які є задачі узгодження функцій апа-
ратури керування та захисту?
13. Які є шляхи захисту тиристорних елект-
роприводів постійного струму?
14. Розкажіть про перенапруги та захист
від них.
15. Які є особливості струмів захисту при
різних видах аномальних режимів ро-
боти електропривода?
16. Назвіть загальні особливості захисту,
діагностики та моніторингу частотно-
керованих електроприводів.
17. Розкажіть про захист силового кола
перетворювача частоти.
18. Які є шляхи захисту кіл керування пе-
ретворювачів частоти?
19. У чому полягає проблема електро-
магнітної сумісності?
20. Які є головні види електромагнітних
перешкод та їх особливості?
21. Назвіть особливості дії головних видів
електромагнітних перешкод.
22. Назвіть шляхи забезпечення електро-
магнітної сумісності в ЕМС.
Список рекомендованої літератури
Закладной А. Н., Праховник А. В., Соловей А. И. Знергосбе-
режение средствами промьішленіюго злектропривода. — Киев:
Дія, 2001. - 343 с.
Ключев В. И. Теория злектропривода. — М.: Знергоатомиз-
дат, 1985. — 560 с.
Комплектньїе тиристориьіе злектроприводьі: Справ. / Под
ред. В. М. Перельмутера. — М.: Знергоатомиздат, 1988. —
319 с.
6 ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГ/
ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ
Лезнов Б. С. Зкономия злектрознергии в насосньїх установ-
ках. — М.: Знергоатомиздат, 1991. — 143 с.
Луговой А. В. К теории знергосбережения средствами про-
мьішленного здектропривода // Злектротехпика. — 1999. —
№ 5. - С. 62-67.
Обзорньїй каталог продукции «Шнейдер Злектрик»
(Зсйпеідег Еіесігіс), 2003.
Попович М. Г., Борисюк М. Г., Гаврилюк В. А. та ін. Теорія
електропривода. — К.: Вища шк., 1993. — 494 с.
Попович М. Г., Печеник М. В., Кіселичник О. І. Екстремальні
енергозберігаючі електромеханічні системи автоматичного ке-
рування насосними установками. Проблеми автоматизованого
електропривода. Теорія та практика // Вісник НТУ «ХПІ». —
2002. - Вип. 12. - Ч. 1. - С. 37-41.
Попович М. Г, Печеник М. В., Кіселичник О. А, Ковальчук О. В.
Електромеханічні енергозберігаючі екстремальні системи при
векторному керуванні асинхронних двигунів // Електромаши-
нобудування та електрообладнання. Міжвід. наук.-техн. зб. —
К.: Техніка, 2001. — Вип. 57. — С. 3—11.
Попович М. Г., Печеник М. В., Ковальчук О. В., Кіселичник О. І.
Екстремальні енергозберігаючі електромеханічні системи з
асинхронним електроприводом / Вісник НТУ «ХПІ». — 2001. —
Вип. 10. - С. 314-318.
Попович Н. Г, Печеник И. В. Злектромеханические системи
и задача знергозбережения. Проблеми автоматизированного
здектропривода. Теория и практика // Вісник ХГПУ. — 2000. —
Вип. 113. - С. 297-300.
Устройства автоматизации и распределения знергии // Ка-
талог. — Кібскпег Моеііег, 1995.
СаИіег (есИпідие п° 149. ЕМС: е1есігота§пеііс сотраїіЬіІіїу.
3. ОсІаЬаІІс. Зсіїпеісіег Еіесїгіс. 2001.
:й. £ й §
•5* Я Й §
^£3* :$ £
ч
Передмова................................................................З
1. ЗАГАЛЬНІ ОСОБЛИВОСТІ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО
КЕРУВАННЯ ТА ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ.............................................4
1.1. Електромеханічні системи автоматизації...........................4
1.2. Електропривод як складова електромеханічної системи
автоматичного керування...............................................7
1.3. Види електромеханічних систем автоматичного керування
та електроприводів...................................................10
1.4. Методичні питання вивчення та особливості термінології
електромеханічних систем автоматичного керування
й електропривода.....................................................13
2. ОСОБЛИВОСТІ МАТЕМАТИЧНОГО ОПИСУ ДИНАМІКИ ЛАНОК
ТА ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ.
ПЕРЕДАТОЧНІ ФУНКЦІЇ, ЧАСОВІ Й ЧАСТОТНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ................21
2.1. Типові ланки та їхні характеристики.............................22
2.2. Зворотні зв'язки в системах автоматичного керування.............29
2.3. Особливості математичного опису електромеханічних систем
автоматичного керування............................................. 31
2.4. Використання передаточних функцій при дослідженні систем
автоматичного керування..............................................38
2.5. Технологічний об'єкт як головна складова електромеханічної
системи автоматичного керування..................................... 42
2.6. Загальні особливості нелінійних систем автоматичного керування .... 65
2.7. Принципи побудови фазі-систем керування........................ 70
2.8. Нейронні сітки й генетичні алгоритми в керуванні
електромеханічними системами.........................................80
А й /
3. ДОСЛІДЖЕННЯ Й СИНТЕЗ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ...................................................93
3.1. Дослідження статики та динаміки систем автоматичного керування ... 93
3.2. Коректувальні ланки в системах автоматичного керування............96
3.3. Особливості й методи дослідження стійкості лінійних систем
автоматичного керування...............................................98
3.4. Показники якості систем автоматичного керування
й методи їх поліпшення...............................................116
3.5. Дослідження електромеханічних систем автоматичного керування
із від'ємним в'язким тертям..........................................130
3.6. Синтез електромеханічних систем автоматичного керування..........164
4. ЕЛЕМЕНТИ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ
ТА ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ.......................................................219
4.1. Зо гальні вимоги до елементів ЕМСАК та методологія
їх дослідження.......................................................219
4.2. Електротехнічні перетворювачі....................................223
4.3. Керуючі та вимірювальні елементи електромеханічних систем
автоматизації........................................................298
4.4. Датчики автоматизованих електромеханічних систем.................314
4.5. Процеси електромеханічного перетворення енергії
в електричних машинах................................................320
4.6. Перетворення координат узагальненої електричної машини...........345
4.7. Моделі типових електричних машин.................................351
4.8. Передавальні пристрої електроприводів............................370
5. КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ.......................................... .399
5.1. Електромеханічні системи з розімкненими схемами керування........399
5.2. Електромеханічні системи із замкненою схемою керування...........459
5.3. Електромеханічні системи з асинхронним електроприводом
при фіксованій частоті живлення......................................498
5.4. Електромеханічні системи з частотно-керованими
електроприводами змінного струму.....................................512
5.5. Адаптивне керування електричними машинами.......................595
6. ПИТАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ, МОНІТОРИНГУ ТА ЕЛЕКТРОСУМІСНОСТІ
В ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМАХ.............................................619
6.1. Енергозбереження.................................................619
6.2. Діагностика, захист І моніторинг електромеханічних систем........654
6.3. Проблема електромагнітної сумісності електромеханічних систем. . . . 669
Навчальне видання
Попович Микола Гаврилович
Лозинський Орест Юліанович
Клепіков Володимир Борисович та ін.
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО
КЕРУВАННЯ ТА ЕЛЕКТРОПРИВОДИ
Художник О. Г. Григір
Художньо-технічне редагування Т. О. Щур
Коректори А. А Барак А. В. Бородавко, Л. В. Дрожжіша
Комп’ютерна верстка О. В. Новоселі
Підп. до друку 27.01.05. Формат 60 х 84/16. Папір офсет. № 1.
Гарнітура Тайме. Друк офсет. Ум. друк. арк. 39,53.
Обл.-вид. арк. 36,75. Тираж 5 500 прим. Вид. № 4156. Зам. № 5-70.
Видавництво «Лнбідь»
01004 Київ 4, вуя. Пушкінська. 32
Свідоцтво про державну рссстранію № 404 від 06.04.2001 р.
Віддруковано на ВАГ "білоцерківська книжкова фабрика",
09117, м. Біла Церква, вуя. Леся Курбаса. 4.
Електромеханічні системи автоматичного керування та елек-
Е50 троприводи: Навч. посібник І М. Г. Попович, О. Ю. Лозин-
ський, В. Б. Клепіков та ін.; За ред. М. Г. Поповича, О. Ю. Ло-
зинського. — К.: Либідь, 2005. — 680 с.
І8ВИ 966-06-0362-2.
Викладено особливості електромеханічних систем автоматизації та їх най-
важливішого виду — електромеханічних систем автоматичного керування; об-
ґрунтовано необхідність застосування системного підходу під час вивчення
цих систем на основі врахування особливостей технологічних об’єктів керу-
вання, властивостей різних видів електроприводів.
Розглянуто особливості взаємовпливу технологічних об’єктів та електро-
приводів у системі автоматичного керування; сучасні керовані електроприво-
ди із застосуванням новітніх методів керування; загальні техніко-економічні
та експлуатаційні питання: енергозбереження, застосування екстремальних
енергозбережних систем, захисту, діагностики та моніторингу, електро-
магнітних перешкод і сумісності.
Для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом
« Еле ктромехан і ка».
ББК 32.965.3я73