Реферат: Методические указания предназначены для студентов спе­циальности "Электропривод и автоматизация промышленных установок"

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Настоящие методические указания предназначены для студентов спе­циальности "Электропривод и автоматизация промышленных установок", выполняющих курсовой проект по системам управления электроприводами.

Цель курсового проекта - закрепить и расширить теоретические зна­ния, полученные при изучении курса "Системы управления электроприво­дами"; развить самостоятельность в принятии решений и приобрести на­выки при разработке конкретных задач; ознакомить студентов с сущест­вующими системами автоматизированного электропривода, изучить ката­логи, государственные стандарты, справочную литературу.

Важнейшей тенденцией в развитии автоматизированных систем управ­ления электроприводами /АСУ ЭП/ является постоянное повышение их эффективности; при этом, если в прежние годы наибольший эффект дости­гался за счет улучшения параметров электродвигателей и наиболее пол­ного использования регулировочных свойств электропривода, то сейчас и в ближайшие годы значительного повышения технических параметров АСУ ЭП можно ожидать, в основном, от применения новых систем управле­ния, в частности, систем со статическими преобразователями на тири­сторах. Поэтому в курсовом проекте по системам управления электро­приводами объектом расчетов и исследований является, как правило, АСУ ЭП с тиристорным выпрямителем, тиристорным преобразователем часто­ты или тиристорным коммутатором.

^ 2. СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Куроовой проект содержит пояснительную записку объемом до 50 стра­ниц формата А4 и 1-2 листа чертежей формата A1


Далее приводится перечень вопросов, изучение и разработка которых должны быть отражены в пояснительной записке /в скобках указаны проценты, ориентировочно характеризующие трудоемкость каждого вопроса/:

1/ введение /3 %/;

2/ выбор двигателя /3 %/;

3/ выбор принципиальной схемы силовых цепей и разработка охемы це­пей управления /7 %/;

4/ расчет параметров и выбор основных силовых элементов системы электропривода /10 %/;

5/ составление структурной схемы АСУ ЭП и определение параметров ее отдельных звеньев /12 %/;

6/ расчет коэффициентов и параметров цепей жестких обратных свя­зей /10 %/;

7/ расчет и построение статических характеристик /10 %/;

8/ расчет параметров и выбор корректирующих устройств /8 %/;

9/ анализ динамических режимов /12 %/;

10/ выполнение специального задания - задания, по НИРС /10 %/;

11/ разработка принципиальной схемы АСУ ЭП с устройствами защиты, блокировки и сигнализации /5 %/;

12/ выбор аппаратуры и составление спецификации на электрооборудо­вание /7 %/;

13/ заключение /3%/.

В зависимости от особенностей темы, исходных данных и пр. перечень вопросов и объем их проработки по усмотрению руководителя может быть изменен, некоторые из указанных вопросов могут быть опущены или замене­ны другими. Например, могут решаться такие вопросы, как оценка надеж­ности системы, технико-экономический расчет эффективности проектируемой АСУ ЭП, программная реализация регуляторов о помощью микропроцессорных средств и др.

^ 3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В задании на курсовой проект приводятся следующие основные исход­ные данные:

1/система электропривода и ее структура, Например, система тиристорный преобразователь частоты - асинхронный двигатель, система тиристорный преобразователь - двигатель с последовательной коррекцией при одно-зонном регулировании скорости и т.п.;

2/ тип электропривода: реверсивный, нереверсивный;

3/ мощность и скорость вращения;


4/ напряжение /линейное/ питающей сети Uc и возможные пределы его колебаний ±ΔU; .

5/ диапазон регулирования скорости. ,где

ωmax иωmin - соответственно максимальная и минимальная угловая

скорость вращения при номинальной нагрузке электродвигателя;

6/ изменение момента нагрузки на валу электродвигателя в относи­тельных единицах ΔМс* ; в дальнейшем будем полагать, что нагрузка изменяется- от величины, равной номинальному моменту электродвигателя, в сторону уменьшений на величину ΔМс* ;

7/ точность поддержания скорости, оцениваемая ошибкой регулирова­ния, %;




где Δω- абсолютное изменение угловой скорости при изменении нагруз­ки на валу электродвигателя от номинальной Мн до минимальной

и минимальной скорости и минимальной скорости

8/допустимое перерегулирование или минимальное время переходного . процесса;

9/ момент инерции механизма, приведенный к валу электродвигателя Imax;

10/ сочетание жестких обратных связей. Например, отрицательная об­ратная связь по скорости и положительная обратная связь по току; отри­цательная обратная связь по напряжению и положительная обратная связь по току и др.;

11/ стопорный ток на электромеханической характеристике электро­привода, работающего на верхней границе диапазона регулирования I*стоп /относительные единицы/

^ 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Выполнение курсового проекта необходимо начинать о подробного ана­лиза технического задания /исходных данных/ и уяснения сути необходи­мых расчетов и исследований, которые должны быть выполнены при проекти­ровании. Необходимо просмотреть рекомендуемую литературу и ознакомить­ся с методами решения задач, вынесенных в курсовой проект. Следует по­пытаться найти собственный путь решения этих задач. Если это затруднительно, необходимо обратиться к рекомендуемым литературным источникам, включая и последующие разделы настоящих методических указаний, состав­ленных применительно к наиболее распространенным АСУ ЭП.


4.1 Система тиристорный преобразователь - двигатель с последовательной коррекцией

Системы автоматизированного электропривода с последовательной коррекцией при подчиненном регулировании параметров, или, как часто их называют, системы подчиненного регулирования /СПР/, в последние годы широко применяются во многих отраслях промышленности. Их преиму­щества по сравнению с системами с параллельной коррекцией:

1/ неизменность структуры для объектов управления с различными параметрами регулирования;

2/ предельная простота расчета, так как расчет СИР сводится к оп­ределению по простейшим формулам сопротивлений и емкостей, подключа­емых ко входу и в цепь обратной связи операционных усилителей, на ба­зе которых реализуются корректирующие устройства;

3/ простота и удобства наладки;

4/ легкость и простота ограничения на требуемом уровне любой ре­гулируемой координаты электропривода /тока якоря, угловой скорости и др./;

5/ возможность использования унифицированной блочной системы - регуляторов /УБСР/,

Наибольшее распространение получили СИР с исполнительными двига­телями постоянного тока.

В соответствии с изложенным в разд.2 содержанием курсового проек­та остановимся кратко на каждом из разделов проекта по рассматрива­емой теме,

4.1.1 Введение. Показать роль АСУ ЭП в деле автоматизации про­мышленного производства, повышения его эффективности. Указать основные преимущества, технические возможности и области применения элект­ропривода по системе тиристорный преобразователь - двигатель /ТП-Д/.

4.1.2. Выбор двигателя. Вопрос о правильном выборе электродвигателя является весьма важным и ответственным. Завышение мощности двигателя приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных расходов, сни­жению КПД и коэффициента мощности электропривода. Недостаточная мощ­ность двигателя ограничивает производительность механизма /установки/ и кроме того, двигатель преждевременно выходит из строя, что влечет за собой простой оборудования и дополнительные расходы на ремонт.

В проекте электродвигатель выбирается, исходя из приводимых в задании данных о его мощности и скорости. Двигатель следует выбирать с таким номинальным напряжением, чтобы исключить из тиристорного преобра-


зователя силовой трансформатор, в результате чего уменьшается масса и габаритные показатели электропривода. Рекомендуется выбирать двига­тель, общепромышленного назначения серии П или 2П. В пояснительной записке необходимо привести тип и технические данные выбранного двига­теля .

4.13. Выбор принципиальной схем силовых цепей и разработка схемы цепей управления. При выборе принципиальной схемы силовых цепей ти-ристорного преобразователя для электроприводов малой и средней мощнос­ти следует придерживаться следующих рекомендаций:

1/ при мощности двигателя р<10кВт необходимо применять трехфаз­ную схему с нулевым выводом; если р > 10 кВт, предпочтение следует отдавать трехфазной симметричной мостовой схеме;

2/ если тиристорный преобразователь выполнен по схеме с нулевым выводом или по перекрестной схеме, применение силового трансформато­ра является обязательным. При использований трехфазной мостовой схемы преобразования необходимо вначале рассчитать требуемое действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2ф если выполняется условие



то силовой трансформатор не требуется; при этом вентильная группа преобразователя подключается к сети через токоограничивающие реакто­ры;

3/ в случае реверсивного электропривода необходимо решить вопрос о способе управления вентильными комплектами преобразователя. Если к реверсивному тиристорному электроприводу предъявляются высокие требо­вания по быстродействию, то необходимо предусмотреть совместное сог­ласованное управление выпрямительным и инверторным вентильными комп­лектами преобразователя. При нежестких требованиях к быстродействию используют раздельный способ управления вентильными комплектами ревер­сивного преобразователя. Более подробно принципиальные схемы силовых цепей тиристорных преобразователей рассмотрены в /5; 6/.

В качестве системы ипульсно-фазового управления /СИФУ/ тиристора­ми силовой цепи можно использовать блоки управления тиристорами /БУТ/ серийно выпускаемых тиристорных преобразователей или комплектных тири-сторных электроприводов /3; 4 и др./.

При выполнении необходимых расчетов можно пользоваться типовой ре­гулировочной характеристикой БУТ /рис.1/. Эта регулировочная характеристика может рассматриваться как универсальная, справедливая для лю­бых БУТ, независимо от особенностей их схемной реализации. Следует


также иметь в виду, что подобный прямолинейный вид этой характеристи­ки справедлив для БУТ, построенных до принципу вертикального управле­ния.







Разработку схемы БУТ следует вы­полнять в два этапа: вначале спроекти­ровать функциональную схему, а затем разработать принципиальную схему каждо­го элемента функциональной схемы.

При схемной реализации БУТ необходимо учитывать следующие факторы: а/ вид силовой схемы тиристорного преобразова­теля - трехфазная мостовая или трехфазная с нулевым выводом; б/ тип электропривода - нереверсивный или реверсивный; в/в случае реверсивного электропривода способ управления отдельными группа­ми тиристоров /"Вперед" и "Назад"/ - совместное управление или раз­дельное управление; г/ в случае реверсивного электропривода с совместным управлением характер согласования работы отдельных групп ти­ристоров - согласованное или несогласованное; д/ мощность электро­привода - в том аспекте, который определяет количество параллельно включенных тиристоров в каждом плече силового блока ТП.

Структура всей системы управления электроприводом зависит от чис­ла регулируемых параметров и зон регулирования. Упрощенная принципи­альная схема двухконтурной СПР с однозонным регулированием скорости /с обратными связями по току и скорости/ имеет вид, изображенный на рис2. Схема включает: ЗИ - задатчик интенсивности, PC - регулятор скорости; РТ - регулятор тока якоря; БУТ1» БУТ2 - блоки управления тиристорами; ТР - разделительный или понижающий трансформатор; комп­лекты вентилей IPB и 2РВ реверсивного преобразователя, ДТ - датчик тока; тахогенератор BR .

Упрощенная принципиальная схема четырехконтурной СПР с двухзонным регулированием скорости /с обратными связями по току якоря, скорости, току возбуждения и ЭДС/ имеет вид, изображенный на рис.3. Эта схема, помимо элементов, указанных на рис.2, включает: РЭ - регулятор ЭДС; РТВ - регулятор тока возбуждения; ТПв– тиристорный преобразователь, питающий обмотку возбуждения исполнительного двигателя.

4.1.4. Расчет параметров и выбор силовых элементов системы электропривода. Рассчитать параметры и выбрать по каталогам силовой трансформатор /или токоограничивающие реакторы/, тиристоры, сглаживающий дроссель и ограничивающие реакторы. В зависимости от приня-








той схемы силовых цепей отдельные элементы могут отсутствовать. Напри­мер, в случае нереверсивного электропривода отсутствуют ограничивающие реакторы, а при определенных численных значениях параметров исходных данных может оказаться излишней установка сглаживающего дросселя.

Расчет параметров основных силовых элементов электропривода подроб­но рассмотрен в /1; 2/.

4.1.5. Расчет элементов двухконтурной системы подчиненного регули­рования с П-регулятором скорости. Такая СПР, называемая однократноинтегрирующей, реализуется в схеме /рис.2/ при замкнутом тумблере Р.

Порядок расчета элементов однократноинтегрирующей системы подчинен­ного регулирования может быть следующим:

1/ составить структурную схему объекта регулирования и определить передаточные функции отдельных звеньев;

2/ составить структурную схему СПР;

3/ рассчитать параметры контура тока /параметры регулятора тока и коэффициент обратной связи до току/;

4/ рассчитать параметры контура скорости /параметры регулятора скорости и коэффициент обратной связи по скорости/.

Рассмотрим более подробно отдельные этапы этого расчета.

4.1.5.I. Структурная схема объекта регулирования и передаточные функции отдельных звеньев. Объект регулирования включает в себя тиристорный преобразователь и двигатель /рис.4/.




Передаточная функция тиристорного преобразователя WТП , на входе которого установлен фильтр, обладающий инерционностью, может быть пред­ставлена в виде




где Кпр– коэффициент усиления тиристорного преобразователя по напряжению; усредненное значение Кпр можно рассчитать по формуле


здесь Кбут- коэффициент передачи блока управления тиристорами, определяется по характеристике вход-выход БУТ /см,рис 1/, Епр0– ЭДС тиристорного преобразователя при нулевом угле управления тиристорами;

статистическое чистое запаздывание

системы управления тиристорами; т - число фаз эквивалентного преоб­разователя /для трехфазной мостовой схемы т = 6, для трехфазной схемы с нулевым выводом т = 3/;

fс= 50 Гц - частота сети; Тф– постоянная времени фильтра.

Выражение для WТП можно упростить, если учесть, что


Тогда

Поскольку Тф и τ являются малыми постоянными, то два апериодических звена можно приближенно заменить одним с постоянной вре­мени, равной сумме двух постоянных. Тогда


где Тм= Тф+τ, для реальных систем составляют Тм=0,008...0,01 с.

Внутренняя обратная связь по ЭДС двигателя /показана штриховой линией на рис.4/ при расчете регулятора тока СПР отбрасывается, что в переходных режимах не вносит существенной погрешности для большин­ства реальных приводов, у которых электромеханическая постоянная времени Тм достаточно большая. Это связано о тем, что переходные процессы в контуре тока протекают намного быстрее, чем изменение ЭДС двигателя, определяемое постоянной Тм . Поэтому ЭДС двигателя Е в первом приближении для замкнутого контура тока можно рассматри­вать как постоянное воздействие, которое по теории автоматического управления не влияет на устойчивость замкнутого контура и характер переходных процессов в нем.

При анализе статических режимов СПР учет внутренней обратной свя­зи по ЭДС двигателя является обязательным.

4.1.5.2. Структурная схема двухконтурной системы подчиненного регулирования при отсутствии задатчика интенсивности, фильтров в це-


пях обратных связей и без учета внутренней обратной связи по ЭДС изображена на рис.5.







На приведенной схеме Wрт и Wрс - передаточные функции соответственно регулятора тока и регулятора скорости.

Расчет СПР следует начинать с внутреннего контура - контура то­ка.

4.1.5.3. Расчет параметров контура тока /при отсутствии фильтра в цепи обратной связи и настройке регулятора на модульный оптимум/. Передаточная функция звеньев контура тока, действие которых должно быть скомпенсировано регулятором РТ







Передаточная функция регулятора тока РТ при настройке регулятор по модульному оптимуму










Передаточная функция оптимизированного контура тока в разомкну­том состоянии




Как следует из полученного выражения, динамические характеристи­ки замкнутого оптимизированного контура тока не зависят от электро­магнитной постоянной Тя объекта регулирования и коэффициента об­ратной /отрицательной/ связи по току якоря КТ. Это достигнуто

благодаря компенсирующему действию регулятора РТ.

Передаточная функция оптимизированного контура тока в замкнутом
состоянии



Учитывая, что Тµ - малая некомпенсируемая постоянная контура тока, в знаменателе /3/ можно пренебречь членом при р2 , так как коэффициент при нем равен произведению малых постоянных. Тогда /3/ приближенно можно представить в виде



Выражение /4/ попользуется при расчете внешнего контура скорости.

4.1.5.3.1. Физическая реализация требуемой передаточной функции
/2/ регулятора тока РТ может быть осуществлена схемой на базе усили­теля постоянного тока /УПТ/ с большим коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии /рис.6/. Передаточная функция приведенной схемы /без учета изменения знака выходного сигнала по отношению к входно­му/ имеет вид






где Zoc(p) и Zвх(p)– полное сопротивление в опера­торной форме соответственно цепи обратной связи и входной цепи УПТ.

Как следует из схемы /см, рис.6/:





тогда







Регулятор с передаточной функцией вида /5/ называется пропорцио-нальноинтегральным или ПИ-регулятором, так как он осуществляет усиление и интегрирование входного сигнала, что видно из /5/, где Wсх.T представлено в виде суммы двух слагаемых.

Из сопоставления выражений /2/ и /5/ ясно, что схема на рис.6 обеспечит реализацию требуемой передаточной функции РТ при выполнений

следующих соотношений:



Система уравнений /6/ содержит три неизвестных. Поэтому одним из параметров регулятора можно задаться произвольно. Обычно задаются ве­личиной емкости СТ, которую принимают равной 0,5...2 мкФ. Тогда из первого уравнения системы /6/ можно определить сопротивление в цепи обратной связи



Для нахождения значения сопротивления Rз.Т., подключенного ко входу УПТ, необходимо вначале определить коэффициент передачи об­ратной связи по току КТ.

4.1.5.3.2. Коэффициент передачи обратной связи по току КТ.
Как следует из структурной схемы контура тока /см.рис.5/ и выражения
для передаточной функции регулятора тока /2/, в установившемся режи­ме выполняется условие *



где Uз.Т. - напряжение задания тока; UОСТ - приведенное к цепи за­дающего сигнала напряжение обратной связи по току.

Условие /8/ выполняется в установившемся режиме вследствие того, что РТ содержит интегральную составляющую /т.е. осуществляет интегри­рование результирующего входного сигнала/. Это условие достаточно


точно выполняется и в переходных режимах благодаря высокому быстро­действию контура тока, что обусловлено малыми результирующими постоян­ными времени оптимизированного контура /см. /3/.

С учетом /8/, как следует из структурной схемы на рис.5 коэффи­циент обратной связи по току



КТ определяют исходя из требуемого значения максимального тока, якоря Iмакс.

Обычно Iмакс должен удовлетворять условию Iмакс ≤ Iдоп,

где Iдоп – кратковременно допустимый/по условиям коммутации/ ток двигателя /берется по каталогу/. Для двигателей общепромышленного назначения Iдоп≈2,5Iн. Если от привода требуеться высокое быстродействие и приводимый механизм не накладывает ограничений на величины ускорений и ускорений и замедлений, то Iмакс следует принимать равным Iдоп.

Для расчета КТ - необходимо задаться также значением

максимального напряжения задания тока UЗТмакс ,которому будет соответ­
ствовать Iмакс.

Поскольку УНТ, используемые в элементах унифицированной блочной
системы регуляторов /УБОР/ для построения регуляторов, имеют рабочий
диапазон изменения выходного напряжения ±24 В и UЗТ представляет
собой выходное напряжение регулятора скорости, то UЗТмакс
должно удовлетворять условию UЗТмакс ≤ 24 В.

В последние годы широкое распространение получила практика построения регуляторов на базе операционных усилителей в интегральном ис­полнении, т.е. в виде отдельных микросхем. Для подобных регуляторов
рабочий диапазон выходного напряжения, как правило, составляет ±10 В
и соответствующее условие для максимального выходного напряжения PC/ UЗТмакс / имеет вид UЗТмакс ≤ 10 В. Практически UЗТмакс целесообразно принимать 15...24 В - при использовании элементов УБСР либо 8... 10 В - при выполнении регуляторов в интег­ральном исполнении; тогда КТ можно определить по формуле



Сопротивление Rзт регулятора тока определяются по второму
уравнению системы /6/


4.1.5.3.3. Расчет цепи обратной связи по току. Электрические схе­мы цепи обратной связи по току изображены на рис.7.

Схема на рис.7.6 является типичной для CПP, построенных на базе УБСР. Она характеризуется непосредственным измерением тока якоря и наличием дополнительного усилителя ДТ с гальваническим разделением входной и выходной цепей.

Схема на рис.7,а стала широко применяться в последнее время в СПР с интегральным исполнением регуляторов. Она характеризуется косвенным измерением тока якоря с помощью трансформаторов тока на входе силово­го вентильного блока, что является ее недостатком. Однако использова­ние трансформаторов тока обеспечивает гальваническую развязку сило­вой цепи и цепей управления, а также позволяет обойтись без промежуточного усилителя. В то же время требуется некоторое усложнение схе­мы в случае реверсивных ТП, так как выходной сигнал трансформатора тока нечувствителен к направлению тока в якоре. Учет направления, тока якоря, который должен определять полярность напряжения обратной свя­зи по току, достигается с помощью попеременного замыкания контактов В и Н и подачи на вход РТ двух сформированных напряжений обратной связи, равных по значению и противоположных по знаку.

Рассмотрим каждую из схем более детально. В схеме на рис.7,б ис­пользованы следующие обозначения: Rш - сопротивление шунта ампер­метра: ДТ – датчик тока, элемент УБСР, выполненный на база УПТ;

U`ост - фактическое напряжение обратной связи по току, поступающее на вход РТ. В общем случае U`ост отличается от Uост на рис.5.

Приведение фактического напряжения обратной связи по току к цепи задания тока осуществляется из условия сохранения неизменным тока обратной связи iост во входной цепи УПТ. Тогда, пренебрегая внутренним входным сопротивлением УПТ, с учетом рис.5 и 6 можно записать:







откуда приведенное напряжение обратной связи по току







На основании рис.7,б U`ост можно выразить через ток якоря




где

соответственно номинальное напря–





жение и номинальный ток шунта /стандартные шунты имеют

UШн = 75 мВ/; Кш - коэффициент усиления датчика тока, Кдт= 200 или 400 в зависимости от используемого входа; ДТ имеет два входа для подключения шунтов с различными параметрами.

Тогда выражение для КТ согласно /9/ с учетом /12/ и /13/ при­мет вид







При выборе шунта и коэффициента датчика тока Кдт следует
помнить, что напряжение на выходе датчика тока не должно превосходить
24 В, т.е. должно выполняться условие



Из выражения /14/ можно определить







В схеме на рис.7,а использованы следующие обозначения: TT1-TT3 -
трансформаторы тока; VD1 – VD3 и VD4 - VD6 - два трехфазных
выпрямителя с нулевым выводом; R4 , R5 - подстроечные делители;
В, Н - контакты реле, которые служат для реализации отрицательной
обратной связи по току при любой полярности напряжения задания тока
Uз.Т. на входе РT; U`ос.Т – фактическое напряжение обратной связи
по току.

Как следует из рис.7,а U`ос.Т можно выразить через ток якоря следующей зависимостью







где КТТ - коэффициент пропорциональности между напряжением на вторичной обмотке трансформатора тока UТТ и током якоря I, КТТ приближенно можно определить, если принять, что резисторы R1-R3 подобраны так, что два максимальном значении тока якоря, равном I٭стоп,

UТТ=10 В, тогда


Iн– номинальный ток двигателя;

КВП - коэффициент схемы выпрямления для катодной группы

VD1 – VD3 /либо анодной группы VD4 - VD6/, КВП = 1,17;


Кдел – коэффициент делителя, выполненного на резисторе R4/R5/, Кдел обычно выбирается иа условия 0,50 ≤ Кдел ≤0,9.

Тогда выражение для КТ согласно /9/ о учетом /12/ и /16/ примет вид



Таким образом, используя приведенные формулы, могут быть опреде­лены все параметры регулятора тока: CТ, Rост, RзТ иRТ.

4.1.5.4. Расчет параметров контура скорости /при настройке регуля­тора скорости по модульному оптимуму и отсутствии фильтра в цепи об­ратной связи/. Оптимизированный контур тока может быть представлен приближенно апериодическим звеном первого порядка /4/. Тогда структурная схема контура скорости с учетом рис.5 будет иметь вид, изображен­ный на рис.8.



Передаточная функция элементов контура, действие которых должен компенсировать регулятор скорости PC



Передаточная функция, регулятора скорости при наотройке на модульный оптимум







или окончательно




где Крс - коэффициент усиления П-регулятора скорости.

После подстановки Wрс из /16/ и сокращений получим





Передаточная функция оптимизированного контура скорости в разомк­нутом состоянии



Как видно из последнего выражения /аналогично контуру тока/, ди­намические характеристики замкнутого контура-скорости не зависят от электромеханической постоянной времени Т и коэффициента, обратной связи по скорости Кс, так как регулятор скорости полностью компен­сирует эти параметры.

Передаточная функция замкнутого контура скорости



4.1.5.4.1. Коэффициент передачи обратной связи по скорости Кс определяют исходя из получения максимальной рабочей скорости привода ωм при заданной нагрузке Iр, задаваясь значением максимального напряжения задания скорости UЗСмакс. При выполнении курсового проекта можно принять ωм =ωн - в случае СПР с однозонным регулированием или ωм= ωн D2 - в случае СПР с двухзоным регу­лированием, где D2- диапазон регулирования скорости во второй зоне /по каналу возбуждения/; Iр=Iн.


При выборе UЗСмакс необходимо учитывать, что, если напряжение задания скорости формируется с помощью задатчика интенсивности, являющегося элементом УБСР, то должно удовлетворяться условие UЗСмаксм ≤ 24 В. Обычно UЗСмакс выбирают равным 15…24 В - в случае реализации СПР на базе элементов УБСР и 5...10 В - при реализации системы на базе интегральных микросхем.

На основании структурной схемы на рис.5 можно записать равенство



Для установившегося режима работы привода UЗТ =I КТ. Тогда выражение для UЗС принимает вид



подставляя в последнее выражение Wрс из /18/ и разрешая получен­ное уравнение относительно Кс, получаем окончательное выражение



Подставив в /20/ UЗС = UЗСмакс,ω=ωм, и I=Iн можно определить Кс для случая СПР с однозонным регулированием. Анализ /20/ показывает, что в частном случае, когда задано значение максимальной скорости при нулевом токе нагрузки, формула упрощается







Формулой /21/ следует пользоваться в случае СПР с двухзонным регулированием. Ею часто пользуются при практических расчетах и в случае СПР с однозонным регулированием при нагрузке, отличной от 0 /Ic≠0/, пренебрегая вторым слагаемым в знаменателе формулы /20/, так как обычно




4.1.5.4.2. Передаточная функция регулятора скорости /16/ соответ­ствует пропорциональному регулятору и может быть реализована с помощью схемы на базе УПТ, изображенной на рис.9.





На приведенной схеме: U`осс– фактическое напряжение обратной связи по скорости.

Передаточная функция схемы ре­гулятора на рис.9 /без учета ин­вертирования знака подводимого напряжения/ ищет вид



Из сравнения выражений /18/ и /22/ следует, что схема на рис.9 реализует требуемую передаточную функцию PC, если правые части /18/ и /22/ равны, тогда



Задавшись RЗС , из /23/ можно определить величину сопротивле­ния в цепи обратной связи RОС.С. При выборе RЗС необходимо учи­тывать, что допустимая сила тока во входной цепи PC не должна превы­шать 10 мА /это справедливо для системы, построенной на базе элемен­тов УБСР/. Поэтому RЗС должно удовлетворять условию



4.1.5.4.3. Расчет цепи обратной связи по скорости. В простейшем случае электрическая схема цепи обратной связи по скорости имеет вид, изображенный на рис.10.

Вначале необходимо выбрать тахогенератор так, чтобы номинальная угловая скорость его ωТГН была больше или равна максимальной рабочей скорости двигателя ωМ, т.е. чтобы выполнялось условие


После выбора тахогенератора следует рассчитать сопротивление RС , подключенное ко входу PC. При этом необходимо руководствоваться следующими соображениями:


а/ фактическое напряжение обратной связи U`ОСС , как видно из рис.10, можно записать так




где КТГ - коэффициент передачи тахогенератора,




б/ напряжение обратной связи по скорости, приведенное к цепи задания скорости,




Приведение осуществляется из условия сохранения неизменным тока обратной связи во входной цепи УПТ PC. Последнее выражение с учетом /25/ принимает вид




в/ как следует из структурной схемы на рис.5

с учетом (26)

г/ разрешая последнее уравнение относительно RС, получим




4.1.6. Особенности расчета регуляторов двухконтурной СПР с

П-регулятором скорости при наличии фильтров в цепях обратной связи. Мате­матическое описание объекта остается неизменным /см.рис.4/, поэтому структурная схема подобной СПР может быть представлена как изображе­но на рис.11.

Наличие фильтра /т.е. апериодического звена первого порядка в цепи обратной связи по току приводит к изменению оптимальной постоянной интегрирования регулятора тока и изменению вида результирующей передаточной функции оптимизированного замкнутого контура тока. Новое выражение для этой передаточной функции совместно с фильтром в цепи


обратной связи по скорости обусловливают изменение выражения для опре­деления коэффициента усиления регулятора скорости. Рассмотрим эти отличия более детально.



4.1.6.1. Расчет контура тока при наличии фильтра в цепи обратной связи. Передаточная функция РТ при настройке на модульный оптимум с учетом фильтра в цепи обратной связи




где Wокт - то же, что и без фильтра /см. п.4.1.5.3/; ТОТ -оптимизированная постоянная интегрирования разомкнутого контура то­ка при настройке на модульный оптимум,


На практике часто выбирают

При подстановке WОКТ в формулу для WРТ получаем


где Тu с учетом /28/ составляет

Таким образом, из сопоставления /2/ и /29/ видно, что введение фильтра с достоянной ТФТ в цепь обратной связи увеличивает посто­янную интегрирования регулятора тока.

На основании структурной схемы рис.11 и выражения /29/ можно получить передаточную функцию оптимизированного контура тока в замкнутом состоянии







Если в выражений /30/ пренебречь в знаменателе членами при старших степенях р , поскольку эти члены представляют собой произведение малых постоянных, то получим



Выражение /31/ используется при расчете внешнего контура –

конту­ра скорости.

Физическая реализация требуемой передаточной функции регулятора тока аналогична рассмотренной ранее для случая отсутствия фильтра в цепи обратной связи /см. п.п.4.1.5.3.1 и 4.1.5.3.2/.

4.1.6.2. Расчет контура скорости при наличии фильтра в цепи обрат­ной связи. Структурная схема контура скорости на основании рис.11 с учетом /31/ будет иметь вид, изображенный на рис.12.



В данном контуре некомпенсируемыми являются форсирующее и апериоди­ческие звенья с постоянными ТФТ , ТОТ, и ТФС. Таким образом, пе­редаточная функция элементов контура, действие которых должен компен­сировать регулятор скорости WРС, имеет такой же вид, как и при отсутствии фильтров /см. п.4.1.5.4/.


Передаточная функция регулятора скорости при настройке на модуль­ный оптимум с учетом фильтра с постоянной ТФС в цепи обратной связи







где ТОС - оптимизированная постоянная интегрирования разомкнутого контура скорости при настройке на модульный оптимум,



При подстановке WОК.С в выражение для WРС окончательно получаем



Физическая реализация П-регулятора скорости аналогична рассмот­ренной ранее для случая отсутствия фильтра в цепи обратной связи

/см. пп4.1.5.4.1 -4.1.5.4.3/.

4.1.7. Расчет электромеханических характеристик в двухконтурной СПР с пропорциональным регулятором скорости при отсутствии фильтров. Уравнение электромеханической характеристики двигателя на рабочем участке вытекает из выражения /20/, если последнее разрешить

относительно ω:




Уравнение /34/ справедливо для токов якоря, удовлетворяющих условию

0≤ I ≤ IМАКС где IМАКС - значение тока, при ко­тором напряжение на выходе регулятора скорости достигает напряжения ограничения UЗТмакс. Из /34/ следует, что статическое падение скорости Δωс , обусловленное приложением нагрузки к валу двигателя, определяется вторым членом уравнения, т.е.




В разомкнутой системе статическое падение скорости

Δωс раз составляет




Тогда Δωс можно представить в виде







Выражение /36/ показывает, что жесткость электромеханических ха­рактеристик в двухконтурной СПР с пропорциональным регулятором ско­рости выше, чем в случае разомкнутой системы, если ТМ > 4Тµ

Для большинства реальных приводов электромеханическая постоянная привода ТМ больше учетверенной эквивалентной некомпенсируемой посто­янной контура тока Тµ. Таким образом, как правило, жесткость электромеханических и механических характеристик двигателя в подобной СПР выше, чем в разомкнутой системе. Однако для многих приводов такая точность поддержания скорости оказывается недостаточной. В этих слу­чаях применяются двухконтурные CПP с пропорционально-интегральным /ПИ/ регулятором скорости. Эти системы называют двукратноинтегрирующими.

При I=IМАКС электромеханическая характеристика претерпевает

излом и совпадает с вертикалью I=IМАКС. Таким образом, электромеханические характеристики привода в СПР с пропорциональным регуля­тором скорости имеют вид, изображенный на рис.13.




4.1.8. Расчет электромехани­ческих характеристик привода в двухконтурной СПР с П-регулятором скорости при наличии фильтров в це­пях обратных связей по току и ско­рости.

Уравнение электромеханической характеристики на рабочем участке /при 0≤ I ≤ IМАКС / как следует из сопоставления рис.8 и рис.12 и уравнения /34/, ан