Задачи и принципы регулирования скорости электроприводов

Регулирование скорости движения рабочих органов механизмов производится обычно с целью увеличения производительности или достижения требуемого качества работы механизма. Вообще регулированием скорости электропривода называется принудительное ее изменение в зависимости от требований технологического процесса. Понятие регулирования скорости не следует смешивать с естественным ее изменением, возникающим в электроприводах при изменении нагрузки на валу производственного механизма.

Наибольшее применение в настоящее время имеют электрические способы регулирования скорости воздействием на электродвигатель. Механическое регулирование скорости имеет ограниченное применение и обычно сочетается с электрическим.

Различают параметрические способы регулирования скорости, связанные с изменением параметров цепей двигателя, и способы, основанные на изменении напряжения источника питания, а для двигателей переменного тока – еще и частоты напряжения или тока. Наиболее просто с точки зрения технической реализации регулирование скорости осуществляется в разомкнутых системах, однако область применения способов, основанных на изменении параметров и управляющих воздействий в разомкнутых системах, постепенно сужается. Все большее значение приобретает автоматическое регулирование скорости по отклонению и по возмущающим воздействиям с использованием обратных связей, т.к. это существенно повышает точность, улучшает динамику системы, улучшает динамические показатели точности и качества регулирования.

Реостатное регулирование скорости

Этот способ регулирования возможен как в случае двигателей постоянного тока, так и АД с фазным ротором. Введение добавочного сопротивления в цепь якоря ДПТ или ротора АД как средство регулирования тока и момента, рассмотренное ранее, может использоваться и для регулирования скорости. Однако иная цель введения и изменения сопротивлений вносит существенные отличия в оценку ряда показателей регулирования. Регулировочные сопротивления должны быть рассчитаны, в отличие от пусковых, на длительное протекание тока.

Регулирование возможно только вниз от основной скорости. Жесткость механических характеристик уменьшается с увеличением R_доб. Вследствие этого диапазон регулирования w сильно зависит от величины нагрузки, уменьшаясь с уменьшением последней, что видно из графика механических характеристик, приведенного ниже. При идеальном холостом ходе в случае ДНВ, ДСВ, АД регулирование вообще невозможно. Точность регулирования снижается при увеличении R_доб. Введение R_доб приводит к снижению средней скорости от w_{ср.макс} на естественной характеристике до w_ср на реостатной характеристике, соответствующей М_с.ср.

Изменение статической нагрузки от М_с.мин до М_с.макс вызывает абсолютную ошибку регулирования ,

где b_и - модуль жесткости искусственной характери­стики.

Относительная ошибка:

. Видно, что по мере уменьшения жесткости абсолютная и относительная ошибки увеличиваются, причем особенно быстро увеличивается , т.к. при увеличении R_доб уменьшается как w_ср так и b_и. Точность регулирования дополнительно снижается вследствие, например, изменения U_сети, температурных изменений сопротивления обмоток двигателя и других факторов.

Плавность регулирования ограничивается числом ступеней регулировочного реостата. Обычное их число на панелях управления 3 – 6.

С точки зрения первоначальных затрат этот способ недорог и отличается простотой реализации, однако, в регулировочном реостате теряется значительная энергия. КПД быстро снижается по мере увеличения R_доб. Потери мощности пропорциональны потребляемой мощности Р и относительному перепаду скорости, а для АД – скольжению, т.е.

∆Р₂=М(w₀-w)=М·w₀·S=P·S.

Действительно, например, потери в якорной цепи двигателя независимого возбуждения:

Это значит, что при P = const и уменьшении скорости w в 2 раза около половины мощности потребленной из сети, теряется в добавочном сопротивлении. С точки зрения потерь мощности ∆Р₂ особенно невыгодным является регулирование при M_с =const.

Что касается cosj АД, то при реостатном регулировании скорости он сохраняется на уровне номинального значения. Действительно, из выражения тока ротора следует или ,

откуда .

Электромагнитный момент, как следует из его выражения, при не зависит от сопротивления роторной цепи.

Без учета намагничивающего тока и ,

где y₂ - угол сдвига по фазе между током ротора и ЭДС ротора.

Анализ этого выражения после подстановки в него значения S показывает, что cosy₂ при реостатном регулировании скорости и M = M_с = const остается неизменным при разных скоростях. Следовательно, не меняется и коэффициент мощности двигателя

.

Что касается допустимой нагрузки при реостатном регулировании w, то в случае двигателей постоянного тока, имеющих независимую вентиляцию, при номинальном токе поток также является номинальным и допустимый момент равен М_доп=кФ_н·I_я.н=М_н=const. То же можно сказать и о допустимой нагрузке АД:

.

Таким образом, реостатное регулирование w при независимой вентиляции двигателя является регулированием при постоянном моменте. Мощность же изменяется пропорционально изменению скорости

Р= М·w º w.

Это значит, что по условиям допустимой нагрузки данный способ регулирования w наиболее целесообразен для механизмов, у которых M_с = const.

Для ДНВ этот способ применяется в тех случаях, когда требования к плавности регулирования невелики, продолжительность работы с пониженной скоростью незначительна. Диапазон регулирования при условии M_с = constД=(2¸2,5).

Регулирование ДПВ и ДСВ этим способом широко применяется в электроприводах подъемно-транспортных механизмов. Обычный диапазон регулирования не превосходит 3:1. То же можно сказать и относительно реостатного регулирования скорости АД. Он ограничивается величиной (2¸3):1.

Отметим, что более благоприятным в отношении потерь мощности в роторной цепи АД является реостатное регулирование при вентиляторной нагрузке, когда подводимая мощность значительно уменьшается по мере снижения w.