Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






ЖИТОМИРСЬКИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОЛЕДЖ

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

ЖИТОМИРСЬКИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОЛЕДЖ

 

В.С. Конишев

 

 

МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА

 

 

Системи автоматизованого електроприводу з двигунами постійного струму

 

Житомир

 

2013р.

 

1 Загальні принципи регулювання електроприводу

1.1Загальні положення

Регульований електропривод є сьогодні основним видом автоматизованого електроприводу. Застосування регульованого електроприводу у складі технологічних машин і агрегатів зазвичай пов'язане з однією з наступних обставин :

 

· необхідністю оперативного управління ходом технологічного процесу (електроприводи вантажопідйомних кранів, екскаваторів, реверсивних прокатних станів і інших машин);

· необхідністю встановлювати і точно витримувати технологічний режим (електроприводи станів безперервного плющення, папероробних машин, обробних агрегатів текстильної промисловості та ін.);

· необхідністю коригування технологічного процесу (електроприводи живильників, дозаторів та ін.);

· автоматичним управлінням режимом обробки матеріалу (електроприводи верстатів з ЧПУ та ін.);

· прагнення оптимізувати технологічний процес за витратами електроенергії (електроприводи насосів, вентиляторів, компресорів).

 

Приведений перелік обставин, що обумовлюють необхідність або доцільність застосування регульованого електроприводу, може бути розширений і доповнений.

 

У міру розвитку робочих машин і механізмів, застосування високих технологій необхідність в регульованих електроприводах істотно зросла, і автоматизований регульований електропривод складає енергетичну і кібернетичну (з точки зору управління) основу більшості робочих машин і агрегатів в усіх технологічних областях.

 

Автоматизований електропривод виконує дві технологічні функції:

· перетворення електричної енергії в механічну, необхідну для здійснення цього технологічного процесу;

· управління технологічним процесом, причому з певною мірою оптимізації цього процесу по ряду критеріїв, таких як: забезпечення максимальної продуктивності, точності і якості обробки, мінімальної витрати енергії і тому подібне; конкретні завдання управління різноманітні і визначаються характером технологічного процесу.

 

Друга функція автоматизованого електроприводу цілком пов'язана з необхідністю регулювання параметрів руху електроприводу (швидкості, моменту, положення робочого органу). Виконання цієї функції можливе тільки за допомогою використання регульованого електроприводу. Використання для цілей регулювання механічних або гідравлічних засобів (варіатори, коробки передач, гідромуфти та ін.) сьогодні являється технічно і економічно невиправданим.

 

Під регульованим електроприводом розуміється електропривод, що забезпечує плавне з необхідною точністю регулювання швидкості (чи моменту) в заданому діапазоні. Проте цим вимоги до регульованого електроприводу не обмежуються. Система управління регульованого електроприводу повинна забезпечувати також заданий характер перехідних процесів при зміні швидкості, моменту або інших параметрів електроприводу.

 

Оскільки за своїми електромеханічними властивостями електродвигуни у звичайних схемах включення не можуть забезпечити регулювання параметрів руху електроприводу з потрібною якістю, для створення регульованого електроприводу доводиться перетворювати електричну енергію, що підводиться до (або відводиться від) двигуна. Перетворення електричної енергії здійснюється за допомогою напівпровідникових перетворювачів.

 

Регулюючи параметри перетвореної електричної енергії (частоту, напругу, форму і тривалість імпульсів та ін.) вдається отримати потрібні для регульованого приводу механічні і динамічні характеристики. Для управління параметрами (напруга, частота та ін.) напівпровідникових перетворювачів, що входять до складу регульованого електроприводу, служать внутрішні контури автоматичного регулювання: це регулятори струму, ЕРС, струму збудження та ін. У цьому сенсі регульований електропривод завжди є автоматизованим, оскільки містить засоби автоматичного управління, які формують характеристики електроприводу.

 

Зовнішні контури регулювання визначають параметри руху електроприводу: швидкість або положення робочого органу. Зазвичай ці контури регулювання є замкнутими, тобто мають негативний зворотний зв'язок по параметру регулювання і відповідний регулятор.

 

 

Рис. 1.1 Типова схема замкнутого контуру регулювання швидкості.

 

- швидкість

- напруга завдання

- напруга зворотного зв’язку

- напруга неузгодженості

- регулююча дія

- передавальна функція регулятору

- передавальна функція електроприводу

- передавальна функція ланки зворотного зв’язку

 

Завдання швидкості може формуватися вручну - машиністом екскаватора, кранівником, оператором та ін., або автоматично - від системи числового програмного управління (системи ЧПУ) в приводі верстатів, від технологічних регуляторів або ЕОМ верхнього рівня автоматизації.

 

Передавальна функція регулятору швидкості вибирається такою, щоб забезпечити необхідну якість регулювання за статичними (діапазон, точність) і за динамічними показниками (швидкодія, перерегулювання, коливання тощо).

 

Двигуни, напівпровідникові перетворювачі електричної енергії, датчики і пристрої автоматичного регулювання параметрів електроприводу у своїй сукупності створюють систему регульованого електроприводу. Ці системи розрізняються, передусім, за видом приводного електродвигуна, а також за видом використовуваних напівпровідникових перетворювачів електричної енергії, що живлять двигун.

 

Регулювання швидкості - це примусова (засобами управління) зміна швидкості, виходячи з вимог технологічного процесу. Таке регулювання здійснюється при подачі на вхід системи регулювання дії, що управляє. Проте регулювання швидкості може здійснюватися і при незмінній дії, що управляє, коли завдання регулювання полягає в стабілізації швидкості при появі обурюючих дій, наприклад при зміні навантаження, що прикладається до валу електродвигуна.

1.2Показники регулювання швидкості

Одним з основних показників, що характеризують регулювання швидкості електроприводу, є діапазон регулювання. Діапазон регулювання D - це відношення максимальної сталої швидкості електроприводу до мінімальної при зміні навантаження на валу двигуна в заданих межах.

 

Рис. 1.2 Визначення величини діапазону регулювання

 

Припустимо, що електропривод має прямолінійні механічні характеристики. Пряма 1 відповідає максимальній механічній (за швидкістю) характеристиці. Тоді при зміні моменту на валу двигуна від до можна гарантувати забезпечення швидкості , відповідно до максимального заданого моменту навантаження (точка a). Припустимо, що регулювальні характеристики приводу пересуваються вниз паралельно характеристиці 1, маючи таку саму жорсткість , що характерно для більшості сучасних систем регульованого електроприводу. Очевидно, що нижня гранична характеристика, яка забезпечуватиме необхідний максимальний момент, буде характеристика 2. Тоді мінімальна гарантована швидкість, яку можна забезпечити при заданих змінах навантаження, буде , що відповідає точці b. Діапазон регулювання буде

 

( 1.1)

З графіків Рис. 1.2 маємо:

Підставляючи ці значення в ( 1.1), отримаємо:

( 1.2)

З цієї формули виходить, що діапазон регулювання залежить від жорсткості механічних характеристик приводу: чім більшою є жорсткість, тим більшим буде діапазон регулювання.

 

Другим важливим показником якості регулювання є точність регулювання швидкості. Статична помилка характеризує реакцію електроприводу на збільшення або зменшення навантаження. Якщо ми аналізуємо регульований електропривод, що має лінійні (лінеаризовані) механічні характеристики, які залежно від дії, що управляє, можуть безступінчато переміщатися вниз від основної з постійною жорсткістю (див. Рис. 1.1), то абсолютна статична помилка дорівнюватиме:

( 1.3)

Відносна величина помилки знаходиться як відношення абсолютної помилки до базової (заданої) швидкості (заданої швидкості холостого ходу).

( 1.4)

Рис. 1.3 Визначення статичної помилки

 

З (1.3) і (1.4) витікає, що величина статичної помилки пов'язана з обуренням за навантаженням й зворотно пропорційна жорсткості механічних характеристик: чим більше жорсткість, тим менше статична помилка.

 

Зазвичай жорсткість механічних характеристик електроприводу з розімкненою системою управління недостатня для досягнення необхідного діапазону регулювання і необхідної статичної точності. Тому в регульованих електроприводах, як правило, використовуються замкнуті за швидкістю системи регулювання.

 

1.3Вплив негативного зворотного зв'язку на механічні характеристики.

 

 

Рис. 1.4 Структурна схема електромеханічної системи

 

На Рис. 1.4 представлена структурна схема електроприводу з лінійними механічними характеристиками і замкнутою за швидкістю системою управління, що характеризується двома інерційностями: електромагнітною з постійною часу Те і електромеханічною з постійною часу Тм . В цій схемі привод охоплений негативним зворотним зв'язком за швидкістю. У такій схемі величина швидкості холостого ходу визначатиметься різницею заданої і дійсної швидкостей.

 

( 1.5)

 

Якщо до валу приводного електродвигуна прикладається навантаження Мс, то швидкість приводу зменшиться на величину . Для визначення цієї величини знайдемо за схемою Рис. 1.4 передавальну функцію електроприводу при впливі по навантаженню:

 

 

( 1.6)

 

де коефіцієнт підсилення розімкненої системи.

 

У сталому режимі, вважаючи р=0 передавальний коефіцієнт приводу буде:

 

( 1.7)

 

Порівнюючи отриману передавальну функцію з передавальною функцією розімкненої системи, визначимо, що в замкнутій системі жорсткість механічних характеристик підвищується в К+1 раз.

 

( 1.8)

 

Отже, помилка за швидкістю при додатку навантаження Мс буде:

 

( 1.9)

 

тобто помилка зменшиться в (К+1) раз в порівнянні з розімкненою системою.

 

Оскільки діапазон регулювання швидкості приблизно пропорційний жорсткості механічних характеристик (1.2), то в замкнутій за швидкістю системі в порівнянні з розімкненою діапазон регулювання збільшується приблизно в (К+1) раз.

 

Розглянемо механізм дії негативного зворотного зв'язку (див. Рис. 1.5).

 

Характеристики 1-4 - це механічні характеристики приводу з розімкненою системою управління (за напругою U1-U4). Якщо задано значення швидкості , то при Мс=0 привід працюватиме із заданою швидкістю (точка a). При збільшенні навантаження Мс і розімкненій системі регулювання швидкість двигуна знизиться відповідно до навантаження – точка b при навантаженні MC1, точка c при навантаженні MC2 ,точка d при навантаженні MC3. При цьому двигун працює на механічній характеристиці, (див пряму - d), що має жорсткість і зменшення швидкості визначається величиною

 

 

 

Рис. 1.5 Дія негативного зворотного зв'язку за швидкістю

 

У замкнутій системі регулювання процес зміни швидкості є іншим. Після збільшення навантаження до MC1 (характеристика 1)швидкість почне знижуватися до точки b. При цьому зменшується сигнал зворотного зв’язку за швидкістю, збільшиться неузгодженість и, відповідно збільшиться сигнал завдання швидкості (див (1.5). Сигнал завдання збільшиться до величини , і двигун автоматично перейде на механічну характеристику 2 і після завершення перехідного процесу працюватиме в точці e.

 

Таким чином, у розімкненій системі регулювання при статичному моменті навантаження МС = МC2, привод працюватиме в точці c, якщо МСС3, то привод працюватиме в точці d.

Відповідно у замкнутій системі регулювання при статичному моменті навантаження МС = МC2, привод працюватиме в точці f, якщо МСС3, то привод працюватиме в точці h.

Зменшення швидкості у замкнутій системі регулювання значно менше у порівнянні зі зменшенням швидкості у розімкненій системі регулювання :

 

 

( 1.10)

 

Ми бачимо, що механічна характеристика замкнутої системи є сукупністю точок a-e-f-h, що належать механічним характеристикам розімкненої системи з різними значеннями швидкості холостого ходу. Жорсткість механічної характеристики замкнутої системи (пряма 5) буде вища за жорсткість характеристик розімкненої системи

 

Як випливає із структурної схеми (дів Рис. 1.4), передатна функція електроприводу по каналу управління :

 

( 1.11)

Де К=Кп КЗЗ

 

Передавальна функція за обуренням по навантаженню виражається формулою (1.6)

 

Використання негативного зворотного зв'язку за швидкістю дозволяє підвищити швидкодію електроприводу при зміні сигналу управління і при відпрацюванні обурюючої дії. Це витікає з того, що електромеханічна постійна часу Тм, яка характеризує інерційність механічної частини електроприводу, зменшується в замкненої системі в (К+1) раз, тобто

 

 

Це дуже важлива властивість - підвищення швидкодії приводу, яке дає негативний зворотний зв'язок за швидкістю, зв'язано з істотним недоліком зростанням коливальності приводу. Як відомо, якщо Тм>4Те, то перехідні процеси в приводі носять експоненціальний характер без коливань. Якщо ж Тм <4Те, то перехідний процес носить коливальний характер.

 

Зазвичай електромеханічна постійна часу Тм більше, ніж 4Те, і в розімкненій системі регулювання швидкості коливань не спостерігається. Введення негативного зворотного зв'язку за швидкістю зменшує еквівалентну електромеханічну постійну часу ТМЗ, причому, чим більше коефіцієнт зворотного зв'язку за швидкістю КШ, тим менше ТМЗ. Тому в замкнутих системах при використанні негативного зворотного зв'язку за швидкістю ТМЗ стає менше е, і перехідні процеси в системі набувають коливального характеру.

 

Таким чином, введення негативного зворотного зв'язку за швидкістю підвищує жорсткість механічних характеристик приводу, зменшує статичну помилку, розширює діапазон регулювання швидкості, підвищує швидкодію приводу, але веде до коливальності перехідних процесів. Для зниження коливальності в систему регулювання вводять динамічні ланки, що коригують.

 

1.4Основні системи регульованого електроприводу

Розвиток систем регульованого електроприводу історично був пов'язаний з розвитком перетворювальної техніки. Нині усі системи регульованого електроприводу виконуються на основі силових напівпровідникових перетворювачів, побудованих на керованих напівпровідникових приладах. У таблиці 5.1. приведені основні характеристики найбільш поширених систем регульованого електроприводу.

 

Таблиця 1.1 - Основні системи регульованого електроприводу

Тип регульованого електроприводу Потужність кВт Ном. швидкість об/хв Діапазон регулювання Використання
1. Частото регульований асинхронний електропривод (ПЧАД)
1.1. На базі низьковольтних (380В) асинхронних к.з. двигунів загального застосування і транзисторних перетворювачів частоти 0,5-250 До 3000 20:1 Різні технологічні машини і устаткування, насоси, вентилятори та ін.
1.2. На базі спеціальних асинхронних двигунів і транзисторних перетворювачів частоти 1,0-100 До 12000 400:1 Електроприводи головного руху металорізальних і ін. станків
1.3. На базі інтегрованих конструкцій (електрошпинделі, електроверетена) 0,1-60 До 50000 400:1 Металорізальні верстати, текстильне устаткування та ін.
1.4. На базі асинхронних к.з. двигунів напругою до 1150В і транзисторних перетворювачів частоти 400-3000 До 3000 20:1 Насоси, вентилятори, різне технологічне устаткування
1.5. На базі асинхронних двигунів і перетворювачів тиристорів частоти 250-8000 До 3000 20:1 Насоси, вентилятори, різне технологічне устаткування
2. Вентильний двигун (безщіткова електрична машина постійного струму) ВД
2.1. На базі синхронних двигунів із збудженням від постійних магнітів і транзисторних комутаторів 0,150 До 3000 10000:1 і вище Приводи подач металорізальних верстатів, роботи та ін. устаткування
2.2. На базі високовольтних синхронних двигунів і комутаторів тиристорів 400 -10000 До 3000 10:1 Насоси, турбокомпресори, гірське і металургійне устаткування
           

Таблиця 1.1 - Основні системи регульованого електроприводу (Продовження)

3. Електроприводи постійного струму з живленням від керованого напівпровідникового випрямляча (ТПД)
3.1. На базі високомоментних двигунів постійного струму і керованих перетворювачів тиристорів (чи транзисторних широтно імпульсних) 0,5-30 До 1500 10000:1 Електроприводи металорізальних і інших верстатів, різне високоточне устаткування
3.2. На базі двигунів постійного струму загального застосування і перетворювачів тиристорів 1,0-1000 До 1500 100:1 Різне технологічне устаткування, крани, підйомні машини
3.3. На базі двигунів постійного струму індивідуального виконання і перетворювачів тиристорів 1000-10000 До 1000 100:1 Металургійне, гірське і інше технологічне устаткування
4. Асинхронний вентильний каскад (АВК) на базі асинхронних двигунів з фазним ротором і тиристорних перетворювачів 250 - 2000 До 1500 2:1 Електроприводи насосів і вентиляторів

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-29

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...