Распределяя нагрузку

Для многодвигательных электроприводов механизмов, имеющих жесткие кинематические взаимосвязи, существует задача управления загрузкой каждого электропривода при одинаковой скорости их движений, т. е. необходимость распределения нагрузки равномерно или в соответствии с заданными соотношениями. Решение этой задачи зависит от варианта подключения преобразователя частоты: один преобразователь частоты на группу двигателей или индивидуальный преобразователь частоты на каждый двигатель.

Если все двигатели подключены к одному преобразователю частоты и у них поддерживается определенная статорная частота, то отклонение в распределении нагрузки возможно только при разных характеристиках скольжения у двигателей.

Двигатель с жесткой характеристикой будет принимать на себя большую нагрузку. Допустимы небольшие отклонения в распределении нагрузки. Например, в соответствии с DIN VDE 0530, допустимо отклонение до 20% (2). В этом случае необходимо выбирать двигатели с одинаковыми характеристиками скольжения.

Проблемы с распределением нагрузки могут возникнуть также из-за передаточных механизмов (ПМ). Несовпадение скоростей узлов передаточных механизмов приводит к тому, что двигатель с меньшей скоростью принимает на себя большую нагрузку. И это происходит, несмотря на то что двигатели имеют одинаковые характеристики скольжения.

Как правило, вариант многодвигательного электропривода с групповым преобразователем частоты применяют для двигателей одинаковой мощности, с близкими друг другу характеристиками скольжения и стабильными передаточными механизмами. В иных случаях для выравнивания нагрузки и управления соотношениями моментов нагрузки механически взаимосвязанных электроприводов применяют индивидуальные преобразователи частоты на каждый двигатель. В такой структуре многодвигательного электропривода имеется несколько возможностей решения задачи управления соотношением моментов электроприводов.

На рис. 1 (а, б, в) показаны основные функциональные схемы систем управления тремя электроприводами, раскрывающие эти возможности. В общем случае число электроприводов может быть и большим На рис. 1 (а) показана система, в которой первый привод выбирается ведущим, и в нем реализуется типовая система регулирования скорости с блоком управления моментом БУМ1 и регулятором скорости РС, имеющем ограничение выходного сигнала. С учетом задания υ_мз или ω_мз привод обеспечивает скорость υ_м или ω_м движения исполнительного органа ИО1.

Ведомые электроприводы с ИО1 и ИО2, совершающие движения с той же скоростью, управляются только по заданиям моментов М_з2 и М_з3. Задания устанавливаются с помощью устройств заданий моментов так, как это выполнялось в случае независимого управления соотношением скоростей многодвигательных электроприводов. Устанавливая конкретные значения коэффициентов соотношения моментов k_смj, обеспечивают соответствующие им нагрузки электроприводов. При суммарной нагрузке электроприводов, превышающей допустимое значение, т. е. при перегрузке электропривода, происходит ограничение значения выходного сигнала РС и наступает режим стопорения механизмов.

Каждый из приводов развивает предельный момент с учетом коэффициента k_смj , но механизмы останавливаются. Для варианта привода "ведущий/ведомый" нагрузка равномерно распределится в полном диапазоне скорости после передачи задания на моменты с регулятора скорости ведущего привода на регуляторы моментов ведомых приводов. Ведущий привод должен оснащаться датчиками скорости (ДС), например, импульсным энкодером, если предусматривается широкий диапазон регулирования скорости (более 50) производственного механизма. При ограниченном диапазоне возможно использование обратной связи по оценке скорости двигателя, выполняемой в БУМ1.

Варианты подобной оценки рассматриваются в [1, 2].

Недостатком рассматриваемого варианта электропривода является режим ускорения ведомых электроприводов при нарушении механической связи ИОi, например, в случае обрыва полотна, связывающего ИОi отдельных приводов. Этот недостаток устраняется в вариантах систем, показанных на рис. 1 (б, в). В варианте рис. 1 (б) все три привода выполняются одинаково, по структуре ведущего привода с регуляторами скорости. Режимы ускорения и замедления параметрируются одинаково средствами каждого электропривода с помощью функционального модуля "задатчик интенсивности". Возможно использование одного модуля на все приводы. Управление соотношением моментов приводов выполняется на уровне регулируемых ограничений, по величине момента ведущего привода. Управление ограничениями моментов выполняется аналогично схеме рис. 1 (а). Процессы управления здесь очевидны и особых пояснений не требуют.

Значительно большие возможности выравнивания нагрузки и управления соотношениями моментов нагрузки имеются в варианте системы, показанной на рис. 1 (в). В системе применяются регуляторы соотношения моментов (РСМ1, РСМ2), с помощью которых корректируются значения частот индивидуальных преобразователей частоты с целью получения нужных соотношений, в том числе и равных значений моментов. Как и в предыдущих вариантах систем эти соотношения устанавливаются коэффициентами k_см1, k_см2 по значению момента задания ведущего привода.

В системе управления имеется несколько подвариантов. Рассмотрим их.

Подвариант 1. Цифровое задание подается в виде статорной частоты f₃ [3]. Для всех преобразователей частоты параметрируется одинаковое время разгона и время торможения. При использовании управления по u/f характеристике или при замыкании контура регулирования частоты не должна применяться компенсация скольжения двигателя. Все преобразователи частоты должны обеспечить заданную скорость производственного механизма. Если, например, предусматривается одинаковое распределение нагрузки, то это достигается сравнением заданного момента на первом приводе с заданным моментом на каждом из других приводов и частотной коррекцией преобразователя частоты, с помощью РСМ1, РСМ2 и регуляторов частоты Р1, Р2, Р3. Значение коррекции должно быть ограничено 300–400% от частоты скольжения двигателя. Управление распределением нагрузки можно использовать, если замкнутые контуры регулирования частоты быстродействующие. При технической реализации такой системы задание частоты, момента и управление командами осуществляется с первого преобразователя частоты на все остальные через информационную сеть.

Недостатком этого подварианта является низкая стабильность скорости υ_м или ω_м при больших изменениях нагрузки, так как регулирование скорости производится косвенно по частоте преобразователя.

Подвариант 2. В системе используется задание скорости механизма, и в качестве регуляторов Р1, Р2, Р3 используются регуляторы скорости. Информация о скорости поступает по оценке скорости двигателей с блоков БУМ1–БУМ3 или с датчиков скорости (энкодеров), установленных на каждом двигателе. Выполняется общее задание скорости υ_мз или ω_мз и одинаковые времена разгона и времена торможения. При прочих равных условиях работы системы по сравнению с подвариантом 1 сигналы коррекции моментов и частоты преобразователей поступают с РСМ1 и РСМ2, соответственно, на блоки БУМ2 и БУМ3. На схеме рис. 1 (в) это показано пунктиром. Очевидно, что в таком варианте при использовании ПИ-регуляторов скорости можно получить высокую стабильность скорости υ_м или ω_м при больших изменениях нагрузки приводов в соответствии с заданными соотношениями.

Подвариант 3. При определенных условиях подвариант 2 можно использовать, формируя сигнал коррекции моментов на выходе РСМ1 и РСМ2 и подавая его не на БУМ2 и БУМ3, а на регуляторы скорости Р2 и Р3.

Исследование трех рассмотренных выше подвариантов систем выполнено в среде Matlab Simulink по обобщенной динамической модели систем, представленной на рис. 2.

На рис. 3 и 4 показаны динамические процессы для двух приводов подвариантов 1 и 3 систем управления. На рис. 3 (а) и 4 (а) – динамические процессы при управляющих воздействиях, на рис. 3 (б) и 4 (б) - при возмущающих. Исследования проводились при следующих параметрах приводов: f_нi=50 Гц, p_пi=3, М_нi=50 Нм, S_нi=0,05, J_Σ=10кгм², ω_cfi=ω_cωi=10c^-1, ω_ymini=110c^-1, ω_cмi=500с^-1, k_см1=0,7.

В системе управления с регуляторами частоты при подаче управляющего или возмущающего воздействия на систему моменты и частоты распределяются в соответствии с коэффициентами соотношения моментов. При одинаковых коэффициентах соотношения моментов нагрузка распределяется равномерно, регулятор распределения нагрузки не работает, так как поступающие к нему сигналы друг друга компенсируют. Недостатком этого подварианта является низкая стабильность скорости υ_м или ω_м при изменении нагрузки, так как регулирование скорости производится косвенно по частоте преобразователя.

В системе управления с регуляторми скорости происходят аналогичные процессы. Но данный вариант лучше, так как здесь регулирование осуществляется напрямую. Очевидно, что в таком варианте при использовании ПИ-регуляторов скорости можно получить высокую стабильность скорости υ_м или ω_м при изменении нагрузки приводов в соответствии с заданными соотношениями.

Список литературы.

1. Белов М. А. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов технологических комплексов: учебники для вузов/М. П. Белов, В. А. Новиков, Л. Н. Рассудов.- М.: Изд. центр "Академия"-2007.
2. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебники для вузов /Г. Г. Соколовский - М.: Изд. центр "Академия" 2006.
3. Siemens Simovert Masterdrives Application Manual. V. A. Novikov, I. D.Trizna

Владислав Новиков, д. т. н., СПбГЭТУ "ЛЭТИ", кафедра РАПС; Иван Тризна, инженер, ООО "Драйвика"