Общие сведения о переходных процессах в приводах ЭТУ

Под переходными понимают такие процессы в электро- и гидромеханических системах, которыми сопровождается переход от одного установившегося режима привода к другому, отличному от начального хотя бы одной текущей переменной — скоростью, развиваемым моментом, потребляемым током, расходом жидкости и т. д. В действительности два установившихся режима привода отличаются один от другого более чем одним значением переменных, так как многие переменные привода взаимно связаны. Текущие переменные делятся на зависимые и независимые. Независимые переменные, называемые возмущениями, могут изменяться вследствие отклонений технологического характера — наброса, сброса, колебания нагрузки на валу двигателя. В этом случае говорят о возмущениях по нагрузке. Возмущения по управлению происходят по воле оператора или законам, определяемым системой автоматического управления и регулирования, — изменение напряжения или частоты источника питания, изменение параметров двигателей и т. п. По характеру изменения возмущений в функции времени, имеющих место в приводах ЭТУ, их можно разделить на четыре большие группы.
К первой группе относятся возмущения, возникающие скачком. Графики их приведены на рис. 5.1. На графиках д: —любое возможное возмущение. График рис. 5.1,а соответствует включению двигателя на напряжение питающей сети и последующему отключению, переключению полярности и порядка чередования фаз питающего напряжения, открыванию и закрыванию золотников в гидроприводах, ударному приложению и сбросу нагрузки на валу двигателя.
Ступенчатому изменению, например, напряжения, частоты питающей сети, параметров двигателей, числа пар полюсов асинхронных двигателей, управляющих сигналов в гидроусилителях соответствуют графики рис. 5.1, б, е.
Ко второй группе относятся ограниченные сверху или снизу монотонно возрастающие или убывающие возмущения, приведенные на рис. 5.2. По линейным и экспоненциальным законам изменяются ЭДС, частота преобразователей, управляющие сигналы в системах преобразователь— двигатель. Более сложные кривые возмущений по управлению формируются специальными устройствами для получения требуемого качества переходных процессов в приводе (кривая J на рис. 5.2,в). Кривая 2 на рис. 5.2,в соответствует изменению вентиляторной нагрузки на валу двигателя при постоянном ускорении.
Графики третьей группы возмущений представляют собой периодические функции и характерны для возмущений по нагрузке в механизмах с кривошипно-шатунными, коленчатыми, эксцентриковыми кинематическими парами, а также для поршневых насосов и компрессоров.
Четвертую группу составляют возмущения случайного характера. Особенно резко возмущения по управлению проявляются в приводах перемещения электродов дуговых сталеплавильных печей в период расплавления, когда наблюдаются частые обрывы дуги, эксплуатационные короткие замыкания между электродами через шихту. В меньшей мере, но также довольно часто случайные возмущения по управлению встречаются в приводах перемещения электродов рудно-термических печей и печей переплава, а также в дуговых сталеплавильных печах в период окисления металла. Случайные возмущения по нагрузке имеют место в приводах механизмов шихтоподготовительных отделений, например мельниц, дробилок, грохотов, когда момент нагрузки на валу двигателей зависит от гранулометрического состава и физических свойств готовящихся к плавке компонентов.
На рис. 5.4,6 приведен график случайного изменения переменной х типа «белого шума», который представляет собой случайные отклонения переменной от его среднего значения, обусловленные различного рода неучтенными помехами. Строго говоря, белый шум может иметь место при любом из вышеприведенных возмущений.
Но при любом характере возмущений энергетическое состояние электромеханической системы не может измениться скачком вследствие наличия электромагнитной, механической и тепловой инерции. Перераспределение энергий в системе под действием возмущений происходит в функции времени в строгом соответствии с законом сохранения энергии системы. Характер перераспределения энергии зависит как от числа и параметров ее накопителей, которыми являются индуктивности, взаимоиндуктивные связи, инерционные массы, так и от характера изменения возмущающих воздействий. При этом возможен неоднократный обмен энергией между накопителями, т. е. колебательный переходный процесс.
Текущие электромеханические переменные в переходном процессе могут принимать значения, превосходящие допустимые и опасные по своему механическому, электрическому и тепловому действию. Большие токи, например, вызывая интенсивный нагрев двигателей и проводников питающей сети, обусловливают также согласно (2.2) большие моменты электродвигателя, под действием которых возникают большие динамические усилия в элементах привода. Значения ускорения могут превосходить допустимые, вызывая поломки механизмов под действием динамических нагрузок. Однако при малых изменениях тока якоря, ;] следовательно, и момента двигателя ускорения привода получаются малыми, переходный процесс затягивается, что приводит к снижению производительности установки. Поэтому сведения о характере переходного процесса, возможности влияния на него являются актуальными при проектировании и эксплуатации приводов.
В ЭТУ можно выделить большой класс приводов, требования к характеру переходных процессов в которых невысокие и удовлетворяются естественными свойствами двигателей при простейших возмущениях. К ним относятся практически все нерегулируемые по скорости приводы с асинхронными двигателями, а также приводы с асинхронными двигателями и двигателями постоянного тока при параметрическом регулировании скорости.
Другую большую группу приводов ЭТУ представляют приводы перемещения электродов дуговых сталеплавильных печей и печей переплава, в которых к характеру и показателям переходных процессов предъявляются жесткие требования. В первую очередь следует отметить требование к быстродействию приводов регуляторов. Возникающие в приводах дуговых сталеплавильных печей возмущения по управлению носят случайный характер вида рис. 5.4,а и непосредственно связаны с режимом работы печей. Наибольшие возмущения соответствуют двум крайним нежелательным режимам — обрыву дуги, при котором прекращается выделение энергии в печи, и эксплуатационному короткому замыканию, при котором полезная энергия нагрева металла снижается практически до нуля, но резко возрастает значение тока в питающей сети, причем ток имеет индуктивный характер. Это приводит к толчковым "снижениям напряжения питающей сети, достигающим 7—10%, резкому снижению коэффициента мощности питающей сети и КПД всей установки.
Вернуть электроды в положение, при котором в печи будет выделяться требуемое количество энергии при приемлемых энергетических показателях, должен привод перемещения электродов путем отработки возникающих возмущений. Таким образом, быстродействие приводов перемещения электродов оказывает влияние не только на технологический процесс, производительность печи и ее КПД, но и на качество напряжения питающих сетей, их энергетические показатели.
Быстродействие приводов тесно связано с другим показателем качества переходных процессов — колебательностью работы самих приводов, что в приводах перемещения электродов приводит к колебательному характеру изменения длины дуги, т. е. ее сопротивления, а следовательно, к колебаниям полезной энергии, выделяемой в печи, и напряжения питающей сети. Поэтому к переходным процессам приводов перемещения электродов предъявляется требование отсутствия колебаний зависимых переменных в переходном процессе.
Достаточно высокое быстродействие и отсутствие колебательности приводов достигаются специальными средствами автоматического регулирования. Задача исследования переходных процессов в приводах может быть разделена на взаимно связанные задачи анализа, при котором для заданной структуры привода рассчитываются графики изменения переменных во время переходного процесса, и синтеза, при котором по требуемым Яграфикам переходных процессов определяются структура привода и его параметры. Задачи анализа и синтеза приводов решаются с учетом параметров элементов привода и вида возможных возмущений.
Графики переходных процессов представляют собой зависимость переменных от времени y=>f(t), где у может быть моментом, током, скоростью, расходом жидкости и т. д. Широко распространено графическое представление переходных процессов в виде графической зависимости переменных и их производных. В приводах это будут динамические, механические и электромеханические характеристики. Действительно, согласно (1.5) динамический момент пропорционален производной скорости, а согласно (2.2) ток пропорционален моменту, развиваемому двигателем.