Дементьев Ю.Н., Чернышев А.Ю., Чернышев И.А. Автоматизированный электропривод (учебное пособие)

Подождите немного. Документ загружается.

161

жания тока двигателя, а угловая скорость двигателя представляет собой

основное возмущающее воздействие.

Структурная схема системы автоматического регулирования (рис.

6.2) при действии отрицательной обратной связи по току может быть

представлена в виде, приведенном на рис. 6.7. В цепь отрицательной

обратной связи по току введен нелинейный элемент НЭ с коэффициен-

том передачи, равным единице, и зоной нечувствительности, опреде-

ляемой опорным напряжением

оп

U .

Рис. 6.7. Структурная схема системы автоматического регулирова-

ния тока с отрицательной обратной связью по току

Опорное напряжение

оп

U можно рассматривать как некоторое эк-

вивалентное задающее воздействие при действии отрицательной обрат-

ной связи по току и перенести его на вход системы. Тогда структурная

схема системы будет соответствовать рис. 6.8.

Рис. 6.8. Структурная схема электропривода, работающего в режиме ста-

билизации тока двигателя

Значение требуемого коэффициента усиления

треб

k контура тока

находится по формуле

оп

уп

дв

дт

от



дв

яц

уп

дв

оп

от



дв

яц





162

зт

рт

треб

k , (6.10)

где

рт

δ – статическая погрешность поддержания тока в разомкнутой

системе электропривода, о.е.;

зт

δ – статическая погрешность поддержа-

ния тока в замкнутой системе.

отс

отскз

рт



 , (6.11)

где

яц

зmaxп

кз



 – ток короткого замыкания, определяемый для

верхней регулировочной характеристики, А;

зmax

U – максимальное за-

дающее напряжение.

Статическая погрешность замкнутой системы

зт

δ поддержания

тока при действии токовой отсечки определяется требованиями техни-

ческого задания для

отс

I и

ст

I по выражению

отс

отсст

зт



 . (6.12)

Тогда

отсст

отсяцmax з.п

треб







IRUk

k . (6.13)

Коэффициент передачи обратной связи по току

k , требуемый для

получения заданной электромеханической характеристики в режиме

стабилизации тока при

отс



, в соответствии со структурной схемой

рис. 6.8. равен:

яцп

треб

/Rk

k  , (6.14)

Для окончательного расчета параметров контура токовой отсечки

найдем

оп

U . Значение опорного напряжения можно определить из вы-

ражения (6.7). При

отс



узел токоограничения вступает в действие,

но напряжение обратной связи по току 0

от



U , тогда

отс

оп

IkU





. (6.15)

Пример 6.1.

Рассчитать параметры и электромеханические характеристики

системы «Тиристорный преобразователь – двигатель» с токовой отсеч-

кой. Влиянием режима прерывистого тока пренебречь. Токовая отсечка

вступает в действие при токе

дв.нотс

3 II





. Полная остановка электро-

163

двигателя должна произойти при токе стопорения

дв.нст

4 II





. Тири-

сторный преобразователь имеет симметричную трехфазную мостовую

схему выпрямления. Система импульсно-фазового управления СИФУ

выполнена по вертикальному принципу управления с синусоидальным

опорным напряжением. Коэффициент усиления тиристорного преобра-

зователя 41,32



k . Эквивалентное сопротивление тиристорного преоб-

разователя 202,1



R Ом; Эквивалентная индуктивность тиристорного

преобразователя 0405,0



L Гн; Максимальное задающее напряжение

В10

зmax



U .

Электродвигателя типа ПБСТ-52 имеет следующие паспортные

данные 5,2

дв.н



P кВт; 200

дв.н



U В; 2,13

дв.н



I А;

ω =104,7 рад/с;

Ом248,1

дв.гор



R ;

дв

мкг109,0 J .

Решение:

Функциональная схема электропривода приведена на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Функциональная схема электропривода тиристорный преобра-

зователь – двигатель с токовой отсечкой

2TA

1TA

1С

4...1 VDVD

СИФУ





оп

5VD



1DA

6...1 VSVS

164

Значение необходимого коэффициента усиления

треб

k контура

регулирования тока найдем по выражению (6.13)







 1

отсст

отсяцmax з.п

треб

IRUk

02,61

6,398,52

6,39/2,451041,32









где 45,2248,1202,1

дв.горпяц











RRR – сопротивление якорной це-

пи, Ом; 6,392,1333

дв.нотс











II – ток отсечки, А;

дв.нст

4 II









– ток стопорения, А.

Требуемый коэффициент обратной связи по току

k определим по

формуле (5.14)

Ом4552,0

45,2

41,32

02,6

яцп

треб



Опорное напряжение

оп

U найдем согласно выражению (6.15)







отс

оп

IkU 0,4552·39,6 = 18,026 В.

В качестве первичного датчика тока используем два трансформа-

тора тока типа 6ТА с номинальным первичным током I5A. При



Ом трансформатор тока обеспечивает погрешность не бо-

лее 0,5%, а его коэффициент передачи Ом2,0

дт



k . Как показано на

функциональной схеме рис. 6.9, в две фазы вторичной обмотки силово-

го трансформатора

включены трансформаторы тока

, та-

ким образом, что их общий коэффициент передачи при преобразовании

тока якоря двигателя равен

дт

3 k . Диодный мост

...

выпрям-

ляет переменное напряжение вторичной обмотки датчиков тока, а емко-

стный фильтр

служит для подавления переменной составляющей в

выпрямленном напряжении. Тогда структурную схему датчика тока

можно представить в виде, изображенном на рис. 5.10, где приняты сле-

дующие обозначения:

пот

– коэффициент передачи потенциометра

;

– коэффициент передачи фильтра.

Рис. 5.10. Структурная схема датчика тока.

Для обеспечения

k найдем коэффициент передачи потенциомет-

ра

пот

k , учитывая, что емкостный фильтр имеет коэффициент передачи

4,1



дт

пот

165

0,9291.

1,430,2

0,4552

фдт

пот











Обозначим

дтотт

kkk





(6.16)

где

дт

потфот

kkk  – коэффициент согласования обратной

связи по току.

Тогда 276,2

2,0

4552,0

дт

от



k .

Уравнение электромеханической характеристики разомкнутой

системы электропривода

отс



яцдвздвп

ω Rk-IUkk





При подстановке численных значений параметров получим

45,2514,0514,041,32ω









IU , (6.17)

где 514,0

248,12,13220

7,104ω1

дв.горнн

дв











RIUс

рад



Уравнение электромеханической характеристики для участка ста-

билизации тока (

отс



) при подстановке (6.16) в (6.8) преобразуется к

виду

















яц

пдтот

двяцопздвп

1)( ω

kkk

kRIUUkk (6.18)

При подстановке численных значений параметров получим

















45,2

41,322,0276,2

1514,045,2)026,180,514(32,41ω

IU (6.19)

Рассчитанные по уравнениям (5.17) и (5.18) электромеханические

характеристики системы электропривода «тиристорный преобразова-

тель – двигатель» с токовой отсечкой для трех значений задающего на-

пряжения В10

з.max



U , В8

з2



U и В5

з1



U приведены на рис. 6.11.

Рис. 6.11. Электромеханические

характеристики электропривода с

токовой отсечкой

0 20 40

100

150

рад

з.max

з2

з1

166

Пример 6.2.

Рассчитать статическую и динамическую механические характе-

ристики электропривода тиристорный преобразователь - двигатель с то-

ковой отсечкой для максимального задающего напряжения В10

зmax



U .

Функциональную схему, параметры двигателя, преобразователя и сис-

темы управления принять из условия примера 6.1.

Решение:

Электромагнитный момент двигателя постоянного тока определя-

ется уравнением

дв

M  . (6.20)

Подставив (6.20) в (6.5) получим уравнение механической харак-

теристики разомкнутой системы электропривода

яц

двздвп

ω Rk-MUkk  , (6.21)

а после подстановки численных значений параметров

45,2514,0514,041,32ω

 MU .

Уравнение механической характеристики для участка стабилиза-

ции тока (

отс

II  ) можно получить при совместном решении уравнений

(6.20) и (6.18), тогда

















яц

пдтот

яц

двопздвп

1)( ω

kkk

RkMUUkk . (6.22)

Подставив в (6.22) значения параметров, получим

















45,2

41,322,0276,2

145,2514,0)026,180,514(32,41ω

Результаты расчетов механической характеристики электропри-

вода внесем в таблицу 6.1.

Таблица 6.1

мН,



0 76,94 102,59

рад

ω,

166,5 116,64 0

Для расчета динамической механической характеристики элек-

тропривода тиристорный преобразователь - двигатель с токовой отсеч-

кой составим структурную схему электропривода, рис. 6.12.

Тиристорный преобразователь представим апериодическим зве-

ном с постоянной времени

с00167,0

506

5,05,0

1нв











T ,

167

где Гц50



f – частота питающей сети; 6



m – число пульсов вы-

прямленного напряжения.

Определим дополнительные параметры двигателя

 Коэффициент ЭДС















рад

сВ

и электромагнитного момента















мН

при

номинальном потоке возбуждения

943,1

7,104

248,12,13220

дв.гордв.ндв.н













RIU

c .

 Индуктивность обмотки якоря двигателя

033,0

2,13100032

220

дв.ндв.н

дв.н

дв











Inp

Гн.

где

– число пар полюсов двигателя; 86





k для быстроходных не-

компенсированных машин; 128





k для нормальных некомпенсиро-

ванных машин; 65





k для компенсированных машин.

 Индуктивность якорной цепи

0735,00405,0033,0

пдвяц











LLL Гн.

 Электромагнитная постоянная времени якорной цепи

03,0

45,2

0735,0

яц



с.

В соответствие со структурной схемой рис. 6.12 в программной

среде WINDORA составлена схема имитационной модели электропри-

вода и произведены расчеты переходных процессов и динамической ме-

ханической характеристики.

Нелинейный элемент с коэффициентом передачи, равным едини-

це, и зоной нечувствительности, определяемой опорным напряжением

026,18

оп



U , моделируется звеном кусочно-линейной аппроксимации

PGON. Окно ввода параметров звена кусочно-линейной аппроксимации

представлено в таблице 6.2.

Таблица 6.2

X1 X2

x1 0 0

x2 18.026 0

x3 70.026 52.00

Механическая часть электропривода смоделирована одномассо-

вой механической системой с моментом инерции

мН109,0 J , на-

груженной моментом сопротивления мН10





M типа «сухое трение»

и представлено звеном HAFTINT.

168

Рис. 6.12. Структурная схема линеаризованной системы тиристорного

электропривода с токовой отсечкой

Результаты моделирования переходных процессов пуска двигате-

ля при максимальном задающем напряжении В10

зmax



U приведены на

рис. 6.13 в виде кривых

)

(



)

(



Рис. 6.13. Графики переходных процессов )(ω tf



)

(



при

отработке ступенчатого входного сигнала В10

зmax



Динамическая механическая характеристика, построенная по ре-

зультатам моделирования переходных процессов, приведена на рис.

6.14, кривая – 2. Там же показана статическая механическая характери-

стика (ломанная – 1), построенная по результатам расчетов, сведенных в

таблицу 6.1.

Выводы: Получено хорошее совпадение динамических и стати-

ческих механических характеристик, однако, как показали результаты

исследований динамический момент, а, следовательно, и ток якоря дви-

гателя, превышает в переходных режимах допустимые значения по ус-

ловиям коммутации. Возможен выход из строя двигателя из-за порчи

коллектора.

pT

ТП

дв

)(

яц

pT

)(



дт

от

оп

)(

от

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

Mω,

рад

мН

100

150

)(tfM 

)(ω tf

169

Рис. 6.14. Механические характеристики электропривода с токовой от-

сечкой. 1 – статическая характеристика; 2 – динамическая характеристика; ▲ - рас-

четные точки статической характеристики

6.1.3. Система преобразователь – двигатель с отрицательными об-

ратными связями по скорости и току с отсечками

Функциональная схема рассматриваемой системы электропривода при-

ведена на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Функциональная схема электропривода с отрицательными

обратными связями по скорости и току с отсечками

Здесь двигатель

управляется по цепи обмотки якоря от от-

дельного преобразователя

. На валу двигателя находится датчик ско-

рости – тахогенератор

, который формирует сигнал отрицательной

обратной связи

ос

U пропорциональный скорости вращения двигателя.

Сигнал пропорциональный току двигателя вырабатывается датчиком

тока

ДТ

. Опорное напряжение создается стабилитроном

ос

1VD

уп

U M

U



ДТ

от

6R3R

1DA 2DA

2VD

100

150

рад

0 20 40 60 80 100 мН 

170

На первом участке электромеханической характеристики, т.е. при

отс



, электропривод работает в режиме стабилизации угловой скоро-

сти двигателя с отрицательной обратной связью по скорости. Напряже-

ние

уп

U управления преобразователем в соответствии с функциональ-

ной схемой рис. 5.16 определяется выражением

)(

осзрсуп

UUkkU









, (6.23)

где

рс

k – коэффициент усиления регулятора скорости;



k - коэффици-

ент передачи сумматора;

ос

U – напряжение отрицательной обратной

связи по скорости.

ос





kU , (6.24)

где

дсосc

kkk





– коэффициент обратной связи по скорости,

рад

сВ



;

дс

k –

коэффициент передачи датчика скорости,

рад

сВ



;

ос

k – коэффициент со-

гласования, о.е.

Подставляя

уп

U из (6.23) в уравнение (6.5) электромеханической

характеристики разомкнутой системы, принимая, что

зуп



, полу-

чим после преобразований уравнение электромеханической характери-

стики системы с отрицательной обратной связью по скорости

сдвпрс

двяц

сдвпрс

здвпрс

kkkkk

Ukkkk

















. (6.25)

Структурная схема электропривода соответствующая статическо-

му режиму работы на участке стабилизации скорости приведена на рис.

6.16.

Рис. 6.16. Структурная схема электропривода соответствующая

статическому режиму работы на участке стабилизации скорости

На втором участке электромеханической характеристики (

отс



)

вступает в действие токовая отсечка и напряжение управления преобра-

зователя равно:

рс

уп



двп

UU 

дв

ос

)( )()(