Разработка ветроэнергетической установки

                                                                    (2.2)

2.4 Электроприводы постоянного тока

Для получения простейшей модели электропривода постоянного тока, описывающей установившиеся (статические) режимы и позволяющей получить основные характеристики, воспользуемся схемой на рис. 2.3.

Якорная цепь питается от независимого источника с напряжением U, сопротивление цепи якоря R постоянно, магнитный поток Ф определяется лишь током возбуждения и не зависит от нагрузки (реакция якоря не проявляется), индуктивные параметры цепей пока не учитываются, поскольку рассматриваются лишь установившиеся (статические) режимы.

Рисунок 2.3 – Схема электропривода с двигателем постоянного тока

Взаимодействие тока I в обмотке якоря с магнитным потоком Ф, создаваемым обмотками, расположенными на полюсах машины, приводит в соответствии с законом Ампера и возникновению электромагнитных сил, действующих на активные проводники обмотки и, следовательно, электромагнитного момента М:

                                                                                     (2.3)

где k – конструктивный параметр машины.

В движущихся с угловой скоростью ω в магнитном поле под действием момента М проводниках обмотки якоря в соответствии с законом Фарадея наводится ЭДС вращения Е:

                                                                                  (2.4)

направленная в рассматриваемом случае встречно по отношению к вызвавшей движение причине – ЭДС источника питания U.

В соответствие со вторым законом Кирхгоффа для якорной цепи машины справедливо уравнение:

                                                                                  (2.5)

Уравнения (2.3) – (2.5) – простейшая, но достаточная для понимания главных процессов в электроприводе постоянного тока модель. Для решения практических задач они должны быть дополнены уравнением движения с моментом потерь ∆M, входящим в Мс:

                                                                           (2.6)

и уравнениями цепи возбуждения для конкретной схемы электропривода.

Если существовал некоторый установившийся режим М1 = Мс1, а затем Мс изменился, например, возрос до величины Мс2, то для получения нового установившегося режима необходимо иметь средство, которое изменило бы М, приведя его в соответствие с новым значением Мс. В двигателе внутреннего сгорания эту роль выполнит оператор, увеличив подачу топлива; в паровой турбине – специальный регулятор, который увеличит подачу пара. В электрической машине эту роль выполнит ЭДС. Действительно, при возрастании Мс скорость двигателя начнет снижаться, значит уменьшится и ЭДС (полагаем для простоты, что Ф, а также U и R – постоянные). Из (2.5) следует, что:

                                                                                      (2.7)

Следовательно, ток вырастет, обусловив тем самым рост момента в соответствии с (2.3). Двигатель автоматически, без каких-либо внешних воздействий перейдет в новое установившееся состояние. Эти процессы будут иметь место при любых величинах и знаках Мс, т. е. ЭДС будет выполнять функцию регулятора как в двигательном, так и в тормозных режимах работы машины.

2.4.1 Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Режим и параметры электропривода определяют механическая характеристика ω(M) электродвигателя и механическая характеристика ω(Мс) механизма, приведенная к валу электродвигателя.

Различают естественную и искусственные механические характеристики электродвигателей.

Естественная характеристика соответствует основной схеме включения и номинальным (паспортным) параметрам питающего напряжения. Естественная характеристика – единственная для данного двигателя.

Искусственные характеристики определяются схемой включения и параметрами питающего напряжения, отличными от номинальных. Их может быть множество – семейство.

Для получения уравнения механической характеристики необходимо найти зависимость скорости от момента двигателя. Это легко сделать, если учесть, что момент М, развиваемый двигателем, связан с током якоря и магнитным потоком зависимостью (2.3).

Если в (2.5) вместо Е подставим ее значение Е из (2.4), то получим уравнение для скорости двигателя:

                                                                                    (2.8)

Уравнение (2.8) представляет собой зависимость скорости двигателя от тока якоря. Такую зависимость ω=f(I) называют электромеханической характеристикой двигателя.

Рисунок 2.4 – Естественная характеристика и семейство реостатных механических характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Подставив в (2.8) значение тока I, найденное из (2.3), получим выражение для механической характеристики:

                                                                             (2.9)

Коэффициент k принимается постоянным, не зависящим от нагрузки, если у двигателя с независимым возбуждением имеется компенсационная обмотка. Он может считаться неизменным, если для обычных двигателей пренебречь реакцией якоря.

Механическая характеристика (рис. 2.4) двигателя при неизменных параметрах U, Ф и R представляется прямой линией. Изменяя тот или иной параметр механической характеристики, можно при определенном моменте сопротивления на валу двигателя получать различные скорости двигателя, т. е. регулировать скорость электропривода.

2.5 Основные показатели регулирования угловой скорости электроприводов

Как отмечалось выше, основная функция электропривода состоит в управлении его координатами – скоростью и моментом, т. е. в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями технологического обслуживаемого процесса.

Очень важный частный случай управления координатами – регулирование скорости или момента, т. е. принудительное изменение этих величин в установившемся режиме в соответствии с требованиями технологического процесса посредством воздействия на механическую характеристику двигателя. Частным случаем регулирования является поддержание одной из координат на требуемом уровне при независимом изменении другой координаты.

Чаще всего регулируемой координатой служит скорость: необходимо изменять скорость транспортного средства в зависимости от условий движения, состояния дороги и т. п., нужно регулировать скорость насоса, чтобы обеспечивать нужный напор в системе водоснабжения, требуется поддерживать на заданном уровне скорость движения жилы кабеля в процессе наложения на нее изоляции и т. п.

Понятие “регулирование скорости”, когда используются разные характеристики (рис. 2.5, а), не следует смешивать с изменением скорости, даже значительным, которое вызывается ростом или снижением нагрузки и происходит в соответствии с формой данной механической характеристики (рис. 2.5, б).

Рисунок 2.5 – Регулирование (а) и изменение (б) скорости

В ряде случаев оказывается необходимым регулирование момента. Оно потребуется, например, если нужно качественно укладывать на катушку проволоку, получаемую с волочильного стана, если при буксировке судна на больших волнах надо не допустить обрыва троса и т. п. Далее мы будем, в основном, рассматривать регулирование скорости.

Поскольку регулирование скорости связано с направленным формированием механических характеристик, выделим одну из возможных характеристик в качестве основной. Обычно в качестве основной характеристики принимают естественную характеристику двигателя, соответствующую номинальным значениям определяющих ее величин (напряжение, частота, магнитный поток и т. п.).

Все другие характеристики, создаваемые в целях регулирования скорости, будем называть искусственными. Они могут формироваться разными способами, отличающимися как по техническим, так и по экономическим показателям, рассматриваемым ниже.

1. Направление регулирования. Искусственные характеристики, могут располагаться только ниже естественной – однозонное регулирование вниз от основной скорости, только выше естественной – однозонное регулирование вверх от основной скорости, как выше, так и ниже естественной – двухзонное регулирование.

2. Диапазон регулирования – отношение максимальной возможной скорости к минимальной

При заданных изменениях момента нагрузки (рис. 2.6). Одинаковым естественным характеристикам и изменениям момента ∆Mс могут соответствовать сильно различающиеся диапазоны регулирования, что связано с жесткостью искусственных характеристик.

Рисунок 2.6 – К определению диапазона регулирования скорости

С жесткостью характеристик связан также еще один показатель – стабильность скорости на искусственных характеристиках. Она может быть низкая (рис. 2.6, а) и высокая (рис. 2.6, б); иногда требуется абсолютно жесткие характеристики (β = ∞), иногда, напротив, нужны очень мягкие характеристики (регулирование момента).

3. Плавность регулирования – возможность получать искусственные характеристики, расположенные как угодно близко друг к другу, – плавное регулирование или, наоборот, возможность иметь лишь несколько фиксированных характеристик – ступенчатое регулирование.

4. Допустимая нагрузка на искусственных характеристиках – очень важный показатель, определяющий надежность электропривода. Рассмотрим здесь лишь длительно допустимую нагрузку, которая определяется допустимым нагревом двигателя.

Допустимая нагрузка на естественной характеристике известна по определению – это номинальный момент двигателя Мн. Для упрощения задачи будем считать, пренебрегая изменением теплоотдачи, допустимым током в силовых целях при любой скорости номинальный ток двигателя Iн. Тогда допустимый момент для принудительно охлаждаемого двигателя:

                                                                                   (2.10)

будет зависеть от магнитного потока двигателя Ф на соответствующей искусственной характеристике. При регулировании с

Грубая оценка (2.10) дает лишь общее представление о допустимых нагрузках и должна уточняться в каждом конкретном случае.

5. Экономичность регулирования оценивается потерями энергии, сопровождающими тот или иной способ регулирования. Иногда экономичность удается грубо оценить, сравнивая полезную мощность  с потребляемой из сети Р1, т. е. определяя потери ∆P или вычисляя КПД η в некоторой характерной точке:

                                                                             (2.11)

Значительно более серьезные и убедительные оценки экономичности регулирования при сравнении различных способов могут основываться на цикловом КПД ηЦ определяемом с учетом конкретных условий работы привода за время цикла tц.

                                                         (2.12)

Электромеханическое преобразование энергии в ДПТ осуществляется в результате взаимодействия постоянного магнитного потока статора и переменного во времени, но неподвижного в пространстве тока якоря. Благодаря фиксированному положению щеточного механизма векторы потока Ф и тока якоря Iя сдвинуты на постоянный угол /2, что обеспечивает получение максимального момента М.

Рисунок. 2.7 – Механические (электромеханические) характеристики электропривода постоянного тока независимого возбуждения

Анализ уравнений механической и электромеханической характеристик ДПТ показывает три возможных способа регулирования его скорости и момента:

- введение добавочного резистора Rдоб в цепь якоря;

- изменение напряжения Uя питания якорной цепи;

- изменение магнитного потока Ф путем регулирования тока возбуждения.

В различных по способу возбуждения ДПТ по разному проявляется зависимость магнитного потока от тока якоря Ф(Iя) и соответствующим образом отличаются характеристики (рис. 2.7).

Различают однозонное регулирование вниз от основной скорости, однозонное регулирование вверх от основной скорости и двухзонное регулирование, когда имеется возможность получать характеристики выше и ниже естественной. [10]

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения, который используется в имитационной установке, имеет две зоны регулирования (рис. 2.8). Зона I отвечает регулированию с постоянным моментом. Действительно, если регулирование осуществляется изменением сопротивления или напряжения главной цепи при неизменном номинальном магнитном потоке двигателя, то при номинальном токе якоря допустимый момент будет постоянным.

Рисунок 2.8 – Характеристики двух зон регулирования двигателя постоянного тока независимого возбуждения

                                                        (2.13)

Мощность на валу двигателя в этой зоне изменяется по линейному закону, так как она пропорциональна угловой скорости:

                                                                                        (2.14)

Зона II отвечает регулированию с постоянной мощностью, когда оно производится изменением магнитного потока двигателя.

В этом случае при неизменном токе якоря, равном номинальному, магнитный поток с увеличением угловой скорости необходимо регулировать по закону гиперболы. Если решить это уравнение относительно магнитного потока, то получим:

                                                                            (2.15)

Таким образом, становится явной зависимость допустимого момента от угловой скорости в зоне регулирования II, а именно:

                                                             (2.16)

Отсюда следует, что мощность в этой зоне регулирования остается постоянной, так как:

                                                (2.17)

2.6 Принципы построения замкнутых систем регулирования электропривода

Требования высокой точности регулирования и высокого быстродействия, которые предъявляются к современному электроприводу, обуславливают применение замкнутых систем. Только замкнутые системы позволяют осуществить реализацию в электроприводе двух основных принципов:

1. Регулируемая величина на выходе электропривода (скорость, угол, момент и т. д.) должна по возможности точней повторять задающий (входной) сигнал.

2. Регулируемая величина на выходе электропривода по возможности не должна зависеть от возмущающих воздействий на электропривод. Такими возмущающими воздействиями могут быть напряжение питания, температура, момент нагрузки, временные зависимости параметров и т. д.

Поэтому основным принципом управления является принцип обратной связи, позволяющий осуществить контроль качества регулирования по отклонению управляемого параметра от заданного. Каждый элемент функциональной схемы электропривода описывается в статике и динамике передаточной функцией.

В электроприводе в основном применяются три структуры построения:

- с промежуточным суммирующим элементом;

- с независимым регулированием параметров;

- с подчиненным регулированием.

Наибольшее применение получили два типа построения замкнутых систем регулирования:

1) с одним общим суммирующим усилителем (рис. 2.9, а);

2) с n последовательными суммирующими усилителями (рис. 2.9, б) – системы подчиненного регулирования с последовательной коррекцией.

Рисунок 2.9 – Структурные схемы замкнутых систем регулирования: а) с общим суммирующим усилителем; б) с n последовательными суммирующими усилителями

Отличительной особенностью систем построенных по типу структурной схемы, приведенной на рис. 2.9, а, является наличие одного суммирующего усилителя (У), на вход которого подается алгебраическая сумма сигнала задающего и всех обратных связей жестких и гибких (суммирование может быть как электрическое, так и магнитное). Выходной сигнал усилителя, таким образом, зависит сразу от нескольких переменных, что делает практически невозможным регулирование какой-то одной переменной независимо от других.

Для разделения действия обратных связей применяют отсечки (блоки нелинейностей БН1, БН2). Но и в этом случае единственный (общий для всех обратных связей) задающий сигнал не определяет заданного значения выбранной для регулирования переменной. Придание системе требуемых динамических свойств при таком построении системы обычно достигается применением сложных корректирующих устройств, включаемых в цепь сигнала управления при малой мощности управления (блок БК1 – последовательная коррекция) или параллельно некоторым блокам системы (параллельная коррекция – гибкая отрицательная обратная связь, блок БК2). При этом нельзя осуществить независимую настройку качества регулирования всех переменных. В целом получить требуемое высокое или оптимальное качество регулирования в таких системах крайне затруднительно, а в ряде случаев и невозможно.

Но несмотря на указанные недостатки, системы, построенные по типу структурной схемы, приведенной на рис. 2.9, а, находили и еще находят широкое применение либо из-за простоты реализации при использовании громоздких электромашинных, силовых магнитных и электронно-ламповых усилителей, либо в случаях, когда не предъявляются жесткие требования к качеству переходных процессов и не требуется раздельное регулирование переменных, либо когда относительно простыми средствами удается достигнуть требуемого качества процессов.

С появлением малогабаритных и относительно дешевых полупроводниковых, в частности интегральных операционных усилителей и тиристорных преобразователей с малой мощностью управления открылась возможность строить системы подчиненного регулирования с последовательной коррекцией, в которых используется n последовательных суммирующих усилителей (рис. 2.9, б). На эти усилители возлагаются функции не только суммирования и усиления сигналов, но и выполнения некоторых других математических операций над сигналами, поэтому суммирующие усилители в этих системах называют регуляторами.

Система подчиненного регулирования (см. рис. 2.9, б) состоит из ряда контуров, число которых равно числу регулируемых переменных (или числу больших постоянных времени системы, подлежащих компенсации), причем каждый внутренний контур регулирования подчинен следующему по порядку внешнему (по отношению к внутреннему) контуру. Эта подчиненность выражается в том, что заданное значение регулируемой переменной любого внутреннего контура определяется выходным сигналом регулятора следующего по порядку контура. В результате все внутренние контуры работают как подчиненные задаче регулирования выходной координаты системы. Каждый контур строится по принципу регулирования по отклонению (по ошибке) и имеет свою обычно жесткую отрицательную обратную связь по регулируемой переменной и свой регулятор (суммирующий усилитель). Для каждого внешнего контура внутренний контур (или несколько внутренних контуров) входит в состав объекта регулирования.

Показанная на рис. 2.9, б структура системы привода постоянного тока с двигателем независимого возбуждения имеет два контура регулирования: первый (внутренний) контур – контур регулирования тока якоря двигателя, содержащий регулятор тока РТ, преобразователь П, якорную цепь двигателя и жесткую отрицательную обратную связь по току якоря с коэффициентом передачи k1; второй (контур внешний, которому подчинен первый контур) – контур регулирования угловой скорости двигателя, содержащий регулятор скорости PC, первый контур, двигатель М и жесткую отрицательную обратную связь по скорости с коэффициентом передачи kω. Задающим сигналом для второго контура является сигнал задания угловой скорости UЗ,C, а для первого — сигнал с выхода регулятора скорости UЗ,Т.

В системе подчиненного регулирования появляется возможность раздельного регулирования переменных и раздельной настройки контуров (начиная с первого, самого внутреннего контура) и коррекции переходных процессов в каждом контуре, что существенно упрощает как расчетную работу, так и техническую реализацию коррекции и практическую (в наладке) настройку системы.

2.7 Электромеханическая система имитатора ВТ на базе электропривода постоянного тока

Экспериментальный стенд имитатора ветротурбины представляет собой автоматизированный электропривод постоянного тока. Структурная схема автоматизированного электропривода постоянного тока представлена на рис. 2.10, который состоит из: трансформатора (Тр), питающегося от сети, трехфазного мостового управляемого выпрямителя (УВ), сглаживающего фильтра (Ф), электродвигателя (ЭД), датчика тока (ДТ), датчика скорости (ДС), системы управления (СУ) и нагрузкой. Нагрузкой является система электрооборудования ВЭУ (ЭО ВЭУ). УВ создает на валу ЭД механический момент подобный механическому моменту реальной ветротурбины согласно (2.9); а СУ, на основе текущего состояния системы, вычисляет момент задания Мз и осуществляет управление УВ имитатора с целью реализации этого задания.

Данная схема построена по системе подчиненного регулирования.

Рисунок 2.10 – Структурная схема автоматизированного электропривода постоянного тока имитатора ВТ

Благодаря ортогональности двух моментообразующих составляющих – тока якоря и магнитного потока, управление ДПТ однозначно и просто реализуемо: два независимых регулятора в цепи якоря и в цепи возбуждения. Наиболее эффективны для этой цепи силовые полупроводниковые преобразователи (СПП) – тиристорные выпрямители.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5