Автоматизация шлифовального процесса путем разработки автоматической системы управления регулируемым натягом

Основной областью применения АД вплоть до недавнего времени являлся нерегулируемый ЭП. В последние годы в связи с разработкой и Серийным выпуском электротехнической промышленностью тиристорных преобразователей частоты и напряжения стали создаваться регулируемые асинхронные ЭП с характеристиками, не уступающими по своим показателям ЭП постоянного тока. Применение таких ЭП в,силу определенных преимуществ АД представляет собой прогрессивную тенденцию развития автоматизированных ЭП не только в нашей стране, но и за рубежом.

С разработкой и освоением серийного производства мощных силовых полупроводниковых приборов появилась возможность широкого применения мощных преобразователей частоты (ПЧ) для питания обмоток высоковольтных АД. Таким образом, появилась возможность создания регулируемых по скорости мощных высоковольтных асинхронных электроприводов.

Известно, что механические и динамические характеристики, энергетические показатели АД в частотно-регулируемом электроприводе определяются: принятым законом частотного управления, способом частотного управления, алгоритмической и аппаратной реализацией автоматической системы регулирования (АСР) электропривода.

Несмотря на большое количество разработанных и исследованных структур АСР для низковольтных электроприводов, применение их для мощных высоковольтных электроприводов не представляется возможным. Это связано с особенностями высоковольтного электропривода, а именно:

значительным усложнением непосредственного измерения параметров электропривода;

условием минимальной асимметрии питающих токов, вытекающей из требования к повышенной энергетике электропривода;

применением трехфазного двух обмоточного АД, питающегося от двухсекционного преобразователя частоты, вытекающим из условия улучшенных энергетических, регулировочных свойств и способа наращивания выходной мощности.

Кроме перечисленных особенностей необходимо отметить, что значительная часть высоковольтных АД рассчитана на высокие скорости вращения (6000 об/мин и выше), что исключает возможность применения вращающихся на валу АД датчиков.

Таким образом, на основании анализа приведенных законов, способов, технических устройств частотного управления асинхронными электроприводами, можно сделать следующие выводы.

Для мощных электроприводов механизмов, работающих с постоянным моментом сопротивления на валу целесообразно применение закона частотного управления с постоянством потокосцепления ротора, отличающегося наивысшей перегрузочной способностью и обеспечивающего наилучшие динамические свойства двигателя.

Для мощных электроприводов механизмов, благодаря своим высоким энергетическим показателем и простоте технической реализации целесообразно использовать закон частотного управления по минимуму потерь.

Для наращивания мощности электропривода и одновременного повышения его энергетических показателей, используются трехфазные одно-обмоточные двигатели с пространственным сдвигом между трехфазными статорными обмотками, питающимися от трехфазного преобразователя частоты токами (напряжениями) с фазовым сдвигом в 60 эл.град.

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

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

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

наличие большого числа датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку;

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

3.2 Техническое описание системы

В основе описания АД при переменной частоте питающей сети лежит общая теория электрических машин.

Основой этого служат уравнения, составленные в фазовых координатах. Особенностью АД является совокупность магнитосвязанных цепей с коэффициентами само- и взаимоиндукции, периодически изменяющимися в функции угла поворота ротора относительно статора. В зависимости от степени насыщения магнитной системы машины, эти коэффициенты могут зависеть еще и от токов во всех обмотках. При записи уравнений в фазовых координатах получают систему дифференциальных уравнений высокого порядка (в трехфазной системе координат число уравнений равно 14) с переменными коэффициентами. Пользоваться такой системой для исследования электромеханических процессов, происходящих в АД не представляется возможным в связи с громоздкостью, наличием переменных коэффициентов, нелинейностью. Дальнейшее упрощение и преобразование исходной системы уравнений основывается на следующем общем методе. При этом уравнения в фазовых координатах преобразуются к уравнениям, выраженным через обобщенные (результирующие) векторы, вводится система относительных единиц для токов, напряжений, потокосцепления, скоростей вращения, частот, моментов, активных, индуктивных сопротивлений. Введение системы относительных единиц упрощает вид уравнений, а выражение переменных через результирующие векторы приводит к виду дифференциальных уравнений, при котором коэффициенты дифференциальных уравнений ненасыщенной машины являются постоянными величинами. Для насыщенной машины необходимо вводить зависимость величин этих коэффициентов от магнитного состояния машины.

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

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

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

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

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

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

3.3 Анализ существующих средств автоматизации

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

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

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

наличие большого числа датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку;

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

3.4 Обоснование системы автоматического управления

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

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

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

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

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

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

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

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

3.5 Схема включения, статические характеристики и режимы работы асинхронного двигателя

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

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

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

3.5.1 Регулирование параметров электропривода с асинхронным двигателем изменением напряжения

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

Для регулирования координат короткозамкнутого АД между сетью переменного тока со стандартным напряжением U 1ном и статором (рис.2, а) двигателя 2 включен регулятор I напряжения, выходное напряжение которого U 1рег изменяется с помощью внешнего сигнала управления U. Изменяя величину этого сигнала, можно регулировать напряжение на статоре двигателя U 1рег в пределах от величины сетевого напряжения U 1ном и практически до нуля. При, этом частота напряжения на двигателе не изменяется и равна стандартной (50 Гц).

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

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

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

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

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

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

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

Рис.3.4 Схема трехфазного тиристорного регулятора-напряжения

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

3.5.2 Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением частоты

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

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

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

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

3.6 Схема включения АД и его характеристики

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

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

Регулирование выходной частоты и напряжения осуществляется с помощью управляющего сигнала Uy, изменение которого определяет в конечном итоге изменение скорости двигателя 2.

Анализ механических характеристик АД U/f =const показывает, что скорость о идеального холостого хода АД изменяется при регулировании f1, а критический момент Mк, остается неизменным.

Так как 0f1 и xкf1 то и момент МU/f

Область частот f1fном. - область регулирования для асинхронного двигателя (характеристики 3--5) соотношение U/f =const может выполняться, так как напряжение, подводимое к АД, регулируется от номинального (сетевого) в сторону уменьшения. Поэтому М=const и АД имеет постоянную перегрузочную способность.

Рассмотрим теперь принципы действия и виды применяемых в этой системе ЭП преобразователей частоты.

3.7 Преобразователи частоты

3.7.1 Принцип действия ПЧ

Различные типы ПЧ, которые нашли применение в области частотного управляемого, асинхронного ЭП, могут быть разделены на две группы, отличающиеся друг от друга по используемым техническим средствам и по структуре.

Рис.3.6. Схема электромашинного ПЧ с синхронным генератором

На рис.3.6. приведена схема ПЧ с синхронным генератором 3, от которого питаются три асинхронных двигателя 5--7. Преобразователь состоит из двух частей: агрегата постоянной скорости, включающего асинхронный двигатель 1 и приводимый им генератор постоянного тока 2, и агрегата переменной скорости, состоящего из регулируемого двигателя постоянного тока 3, приводящего во вращение синхронный генератор переменной частоты. Двигатель 1 питается от сети со стандартной частотой f1 = 50 Гц, а на выводах синхронного генератора 4 частота и напряжение могут регулироваться. С помощью резистора R1 в цепи обмотки возбуждения генератора 2 изменяется напряжение, подводимое к якорю двигателя 3, и тем самым его скорость и скорость генератора 4. При этом меняется частота напряжения на выводах синхронного генератора 4, определяемая выражением fрег=pсг/(2), и на двигателях 5--7. Напряжение на этих двигателях регулируется с помощью резистора R3, включенного в цепь обмотки возбуждения синхронного генератора 4.

Применение ПЧ позволяет плавно регулировать скорость двигателей 5--7 в широком диапазоне, однако процессу регулирования частоты в этой системе свойственны существенные недостатки. Для создания преобразователя необходимы четыре электрические машины, рассчитанные на полную мощность потребителей что определяет громоздкость установки и ее дороговизну, особенно при больших мощностях нагрузки. Двойное преобразование энергии--энергии переменного тока частоты,f1==50Гц в энергий постоянного тока и далее опять в энергию переменного тока регулируемой частоты -- сопровождается выделением потерь энергии во всей цепи преобразования, что определяет невысокий КПД системы, и наконец, процессу изменения частоты в этой системе свойственна инерционность регулирования, связанная с изменением скорости электромашинного агрегата, обладающего механической инерцией

В настоящее время большое распространение получили статические ПЧ. Названные так, потому, что в них используются не имеющие движущихся частей элементы и устройства, такие, как полупроводниковые приборы, реакторы, конденсаторы и т. д. Использование статических ПЧ позволило повысить технико-экономические показатели регулируемого частотного ЭП за счет увеличения его КПД и быстродействия, устранения шума и упрощения обслуживания. Статические ПЧ подразделяются на две группы: без с непосредственной связью питающей сети и нагрузки и с промежуточным звеном постоянного тока.

3.7.2 Преобразователи без звена постоянного тока

Упрощенная функциональная схема ПЧ без звена постоянного тока (рис.3.7).состоит из силовой части 3, с которой связан асинхронный двигатель 4, и блока 2 управления. С помощью указанных блоков осуществляется преобразование электрической энергии переменного тока стандартных напряжений U1 и частоты f1 в энергию переменного тока с регулируемыми напряжением Uрег и частотой fper.

Рис 3.7.. Блок-схема ПЧ с непосредственной связью

Силовая часть 3 выполняется на базе полупроводниковых приборов (тиристоров или транзисторов), управляемых сигналами с блока 2.

Одна из распространенных тиристорных схем трехфазного ПЧ (НПЧ) состоит из трех одинаковых комплектов 2--4 тиристоров (рис.3.8), обеспечивающих питание обмоток статора АД zа,zв,zс.

Рис.3.8. Схема трехфазного НПЧ

Каждый из трех комплектов содержит шесть тиристоров, три из которых анодами подсоединены, а три других катодами к вторичным обмоткам трансформатора 1. В схеме нулевая точка трансформатора 1 соединена с общей точкой трехфазной обмотки статора, поэтому схема называется нулевой. Каждая фаза этой схемы работает независимо от остальных, поэтому ее действия можно рассмотреть работу одной из фаз, например А, управляемую группой 2 тиристоров VS1 -- VS6.

Фазные напряжения на вторичных обмотках трансформатора 1 изменяются по синусоидальному закону (рис.3.9, а), а нагрузка имеет активный характер (если нагрузкой является АД, то ее характер будет активно-индуктивный),

Если тиристоры VS1 -- VS6 закрыты (управляющие импульсы от блока управления на них не подаются). В этом случае все напряжение с выхода трансформатора прикладывается к закрытым тиристорам и напряжение на статоре равно нулю.

Рис 3.9 Графики напряжений сети на входе (а) и на выходе (б, в) НПЧ

Подавая от блока управления импульсы на тиристор VS1 в момент времени t1, на VS2- в момент t2 на VS3--в момент t3. Так как в эти моменты времени потенциалы анодов тиристоров более высокие, чем катодов, то они откроются и к фазе статора будет приложено напряжение, представляющее собой положительные участки трех синусоид вторичных напряжений трансформатора Ua, Ub и Uc (рис.9.б). Если снять управляющие импульсы с VS1- VS3 и подать импульсы на тиристоры VS6, VS4 и VS5 в моменты t5, t6, t7, то на нагрузке также образуется напряжение в виде участков синусоид, но уже противоположной полярности. При поочередном открытии тиристоров VS1--VS3 и VS4-- VS6 в указанном порядке кривая Uрег будет периодически повторяться. Таким образом, к фазе обмотки статора подводится напряжение переменного тока с периодом Tрег и частотой fper=l/Tper.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7