Однозонный тиристорный электропривод постоянного тока

Ом . (5.1.2.2)

Сопротивление в цепи датчика тока

Ом. (5.1.2.3)

Чтобы в установившемся режиме сигнал РТ не изменялся, нужно, чтобы входной ток не поступал в канал ОС. , считаем

Ом. (5.1.2.4)

Коэффициент усилителя датчика тока якоря определён в разделе 3.

Принимаем R1
= 5 кОм, тогда

R2
= R1
∙kудтя
= 5∙66.6=333 кОм. (5.1.2.5)

5.2 Контур ЭДС

5.2.1 Оптимизация контура ЭДС

РЭ – регулятор ЭДС;

ЗКТ – замкнутый контур тока;

ЭМ – электромеханическая часть двигателя;

ДЭ – датчик ЭДС.

Тяц
– постоянная времени якорной цепи двигателя, с которой снимается сигнал обратной связи по ЭДС.

Рисунок 5.4 – Структурная схема контура ЭДС

Допущение:

Ic = 0 (Х.Х.)

В контуре есть два звена с малыми постоянными времени, которые включены последовательно и поэтому могут быть преобразованы к одному звену с малой постоянной времени, равной их сумме

(5.2.1.1)

где Тm
э
– малая постоянная времени контура ЭДС, c.

Тm
э
= Тт
+ Тяц
¢ (5.2.1.2)

Передаточная функция разомкнутого контура ЭДС, настроенного на модульный оптимум

, (5.2.1.3)

откуда

. (5.2.1.4)

Получил пропорциональный регулятор (П-регулятор) ЭДС.

С таким регулятором система будет астатичной по заданию (при отсутствии возмущающего воздействия) и статичной по возмущению.

Передаточная функция замкнутого контура ЭДС

. (5.2.1.5)

Таким образом, в замкнутой передаточной функции контура ЭДС присутствует форсирующее звено.

Из-за наличия инерционности в датчике ЭДС переходный процесс будет идти с большим перерегулированием. Для уменьшения перерегулирования на вход системы включаю фильтр с постоянной времени, равной инерционности датчика.

Передаточная функция фильтра .

(5.2.1.6)

Структурная схема замкнутого контура ЭДС имеет вид:

Рисунок 5.6 – Структурная схема замкнутого контура ЭДС

5.2.2 Расчет параметров регулятора ЭДС с применением датчика напряжения

Рисунок 5.7 – Регулятор ЭДС

Коэффициент датчика напряжения

. (5.2.2.1)

Коэффициент передачи регулятора ЭДС

. (5.2.2.2)

Задаемся ёмкостью в цепи датчика напряжения Сдн
= 1 мкФ.

Сопротивление в цепи датчика напряжения:

если RI
дн
= RII
дн
= 0,5∙Rдн
, то .

Ом. (5.2.2.3)

(5.2.2.4)

Сопротивление в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора напряжения:

Rоэ
= kрэ
×Rдн
= 0.547×= 129.3 кОм. (5.2.2.5)

Сопротивление в цепи задания ЭДС находим из условий установившегося режима:

, Iзэ
= Iдн
, т.е. Uзэ
max
= Uдн
max
= 10 В, следовательно

Rзэ
= Rдн
=129.3 кОм. (5.2.2.6)

Ёмкость фильтра в цепи определяем из условия

если RI
зэ
= RII
зэ
= 0,5∙Rзэ
, то .

При Rзэ
= Rдн
Сф
= Сдн
= 1 мкФ.

Сопротивление резистора токовой компенсации находим из условий режима стопорения двигателя: Ед
= 0 , Uдэ
= 0.

.

Uдт
= I×kдт
, Uдн
= Uд
×kдн
= I× Ra
×kдн
,

кОм. (5.2.2.7)

Сопротивления резисторов делителя. Считая kпр
= 1 и принимая R3
= 1 кОм, выражаю R4

кОм. (5.2.2.8)

Ограничение выходного сигнала регулятора ЭДС осуществляется двумя встречно включенными стабилитронами VD1 и VD2 . Поскольку выходной сигнал регулятора ЭДС является сигналом задания на ток, то его ограничение приводит к ограничению тока двигателя на уровне максимально допустимого.

Падение напряжения на стабилитронах принимаем ΔUст
= 1 В, максимально допустимое напряжение задания на ток Uзт
max
= 10 В.

Тогда напряжение на стабилитронах будет равным

UVD
1
= UVD
2
= Uзт
max
– ΔUст
= 10 –

6 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРА ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ

6.1 Оптимизация контура тока возбуждения

Так как привод однозонный, то оптимизацию контура тока возбуждения проводим для точки Фн
.

РТВ – регулятор тока возбуждения;

ТПВ – тиристорный преобразователь обмотки возбуждения;

ОВ – электрическая цепь обмотки возбуждения;

МЦ – магнитная цепь обмотки возбуждения;

ДТВ – датчик тока возбуждения.

Рисунок 6.1 – Структурная схема контура тока возбуждения

Проводим оптимизацию контура тока на модульный оптимум. Для разомкнутой системы:

. (6.1.1)

Передаточная функция регулятора тока возбуждения

, (6.1.2)

где kртв
– коэффициент регулятора тока.

Получаем пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) контура тока возбуждения.

6.2 Расчёт параметров регулятора тока возбуждения

Рисунок 6.2 – Принципиальная схема стабилизации тока возбуждения

Коэффициент тиристорного преобразователя цепи возбуждения

, (6.2.1)

где Ed
0В
– максимальная выпрямленная ЭДС преобразователя цепи возбуждения;

α – номинальный угол управления преобразователя.

В. (6.2.2)

. (6.2.3)

. (6.2.4)

. (6.2.5)

Определяем коэффициент регулятора тока возбуждения

, (6.2.6)

где TВ∑
- электромагнитная постоянная времени.

TВ∑
= Tв
+ Tвт
= 0.624 + 0.062= 0.686. (6.2.7)

Задаюсь величиной емкости конденсатора в цепи датчика тока возбуждения

Cдтв
= 5 мкФ.

Определяю сопротивление датчика тока возбуждения

кОм. (6.2.8)

Определяем сопротивление обратной связи регулятора тока возбуждения

Rотв
= kртв
∙Rдтв
= ∙= 321.2 кОм. (6.2.9)

Сопротивление резистора в цепи задатчика тока возбуждения

кОм. (6.2.10)

Задаемся сопротивлением R5
= 5 кОм.

Находим сопротивление R6

кОм. (6.2.11)

7 РАСЧЁТ СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ИХ СТАТИЗМА В РАЗОМКНУТОЙ И ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Механические характеристики двигателя постоянного тока линейны, поэтому их построение произвожу по двум точкам, соответствующим режимам холостого хода и номинальной нагрузки.

Выражение для расчета механических характеристик имеет вид

Ω = Ω0
– Δ Ω, (7.1)

где Ω0
–– угловая скорость идеального холостого хода.

рад/с. (7.2)

Падение скорости при номинальной нагрузке на естественной характеристике

рад/с. (7.3)

Падение скорости при номинальной нагрузке в разомкнутой системе

рад/с. (7.4)

Падение скорости при номинальной нагрузке в замкнутой системе

рад/с. (7.5)

Рисунок 7.1 – Скоростные характеристики электропривода

Статизм естественной характеристики

. (7.6)

Статизм характеристики разомкнутой системы

. (7.7)

Статизм характеристики замкнутой системы

. (7.8)

Напряжение задания на скорость холостого хода Wо

UЗС1
= Wо
×kдн
×Ce
×Фн
= 33.9×0.045×85.94×0.076 = 10 В. (7.9)

Напряжение задания на скорость холостого хода W = 0,7∙Wо
на искусственной механической характеристике при пониженном напряжении

UЗС2
= 0,7×Wо
×kдн
×Ce
×Фн
= 0.7×33.9×0.045×85.94×0.076 = 7 В. (7.10)

Из полученных графиков механических характеристик можно сказать, что естественная характеристика самая жесткая, характеристика разомкнутой системы более мягкая, чем естественная, а характеристика замкнутой системы – самая мягкая.

Большая мягкость механической характеристики – недостаток замкнутой системы, но в то же время система настроена на модульный оптимум и переходные процессы будут идти с малым (4,3 %) перерегулированием и достаточно высоким (8,4Тm
) быстродействием.

При наличие датчика ЭДС, имея соответственную обвязку этого датчика, можно в определенном частотном диапазоне скомпенсировать инерционность датчика, что позволит повысить жесткость механической характеристики.

8 РАСЧЁТ ВЕЛИЧИНЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ПАДЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПРИ НАБРОСЕ МОМЕНТА НАГРУЗКИ

Рисунок 8.1 – Структурная схема контура тока якоря по возмущению

Находим передаточную функцию замкнутого контура ЭДС по возмущению

. (8.1)

Установившейся режим:

. (8.2)

Структурная схема замкнутого контура ЭДС имеет вид:

Рисунок 8.2 – Структурная схема замкнутого контура ЭДС

Падение скорости в разомкнутой системе по Лапласу имеет вид

. (8.3)

Следовательно, падение скорости в замкнутой системе в операторной форме запишется

. (8.4)

Воспользуемся программой Maht Cad для перехода от изображения к оригиналу, падение скорости в замкнутой системе запишется

. (8.5)

На рисунке представлена кривая изменения падения скорости DW в функции времени t, получаемая пересчетом кривой изменения относительного падения скорости dn = DW/DWIн
зс
в функции относительного времени t = t/Tm
э
. Параметры переходного процесса соответствуют настройке на модульный оптимум.

Рисунок 8.3 – Кривая изменение скорости при набросе момента

Переходный процесс идет с перерегулированием 4,3% и быстродействием 8,4Тm
.

9 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО ЭДС

НА ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В КОНТУРЕ ТОКА

Рисунок 9.1 – Структурная схема контура регулирования тока якоря с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС.

При исследовании считаем, что нагрузки на валу нет, т.е. Ic
= 0.

Передаточная функция звена якорной цепи с учетом влияния внутренней обратной связи по ЭДС

. (9.1)

Передаточная функция звена якорной цепи в данном случае обладает дифференцирующими свойствами, следовательно, компенсирует интегральные свойства регулятора.

Определяю передаточную функцию разомкнутого контура тока с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС и регулятором, рассчитанным на режим заторможенного двигателя

(9.1) (9.2)

Передаточная функцию замкнутого контура тока с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС:

(9.3)

В установившемся режиме:

. (9.4)

В контуре тока без учета действия внутренней обратной связи по ЭДС

Структурная схема.

Рисунок 9.2 – Структурная схема

, (9.5)

где (9.6)

. (9.7)

Контур тока, который с ПИ-регулятором был астатическим при заторможенном роторе, становится статическим в переходном режиме (DЕ ¹ 0). Ошибка регулирования тем больше, чем меньше постоянная времени Тм
. Другое следствие влияния ОС по ЭДС это увеличенное перерегулирование. По отношению к новому установившемуся уровню тока перерегулирование увеличивается, но по абсолютной величине остается тем же.

Если ЭП имеет большую Тм
, то за время выхода тока на заданный уровень ЭДС электродвигателя практически не меняется и ее влияние на ток минимально.

В ЭП с высокомоментными ЭД, где Тм
мала, влияние внутренней ОС по ЭДС существенно, что иногда приходится учитывать изменением передаточной функции регулятора.

Для компенсации действия внутренней обратной связи по ЭДС иногда применяют более сложный регулятор, например, (ПИ)2
– типа.

10 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОНТУРЕ ТОКА ЯКОРЯ И ЭДС НА ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ

10.1 Контур тока

Динамический ток Iдин
= 0.5∙Iн
= 0.5∙385 = 192.5 А.

Статический ток Iс
= 0.6 ∙Iн
= 0.6∙385 = 231 А.

Из пункта 7:

– напряжение задания на скорость холостого хода Wо
UЗС1
= 10 В.

– напряжение задания на скорость холостого хода W = 0,7∙Wо
UЗС2
= 7 В.

Рисунок 10.1 – Исследование настройки контура тока

На рисунке 10.1 представлены 9 графиков переходных процессов. Графики расположены слева направо по возрастанию постоянной времени регулятора , и сверху вниз по уменьшению коэффициента передачи регулятора kР
. На центральном графике - переходный процесс при настройке системы на модульный оптимум. Как видно из графиков, при увеличении постоянной времени регулятора уменьшается колебательность переходного процесса, а при уменьшении коэффициента передачи регулятора уменьшается перерегулирование. Оптимальный переходный процесс наблюдается в системе, настроенной на модульный оптимум. Его параметры: длительность процесса 8,4Тµ
, перерегулирование 4,3%.

Рисунок 10.2 – Исследование контура тока

На рисунке 10.2 представлены переходные процессы в контуре тока. Как видно из графика, процессы носят апериодический характер, ток выходит на максимальный уровень в соответствии с сигналом задания с перерегулированием приблизительно 4%, причем при реверсе абсолютная величина перерегулирования больше в 2 раза, чем при пуске, поскольку больше фактическое задание на ток: при пуске фактическое задание с 0 на Iст
, а при реверсе с Iст
на –Iст,
т. е. 2 Iст
– в 2 раза больше.

10.2 Контур ЭДС

Рисунок 10.3 – Осциллограммы переходных процессов в контуре ЭДС

На рисунке 10.3 приведены кривые тока и скорости двигателя.

При разгоне на холостом ходу, без задатчика интенсивности, по якорю двигателя протекает динамический ток достаточно большой величины, идет разгон двигателя. После выхода двигателя на установившуюся скорость, ток в якоре спадает практически до нуля, т.к. разгон окончен и динамический ток равен нулю, а момент нагрузки еще не наброшен и, следовательно, статический ток равен нулю. При набросе момента нагрузки по якорю двигателя начинает протекать статический ток, а скорость двигателя уменьшается на некоторую величину ΔΩ, соответствующую падению скорости при данной нагрузке, что показывает, что система статическая по возмущению. Во время реверса ток в двигателе увеличивается за счет броска динамического тока и одновременно меняет свое направление. Когда переходный процесс реверса заканчивается, ток в двигателе спадает до статического значения, а при снятии нагрузки – уменьшается до нуля.

В последнем случае скорость двигателя увеличивается на величину падения скорости при набросе нагрузки ΔΩ. Далее идет процесс торможения на холостом ходу, при этом скорость двигателя уменьшается до нуля, а в якоре двигателя возникает динамический ток, обеспечивающий переходный процесс торможения.

П-регулятор ЭДС с применением задатчика интенсивности.

Рисунок 4 – Осциллограммы переходных процессов в контуре ЭДС с задатчиком интенсивности

В системе с задатчиком интенсивности кривые переходного процесса качественного имеют тот же вид, но более растянуты во времени, поскольку задатчик интенсивности ограничивает на заданном уровне динамический ток, обуславливающий ускорение.

ЛИТЕРАТУРА

1 Методические указания к курсовому проекту по дисциплине ²Системы управления электроприводами.² / ГПИ. 1983г.

2 Справочник по электрическим машинам/ Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова.- М.: Энергоатомиздат. 1988г.

3 Стандарт предприятия. Общие требования к оформлению пояснительных записок и чертежей. СТП-1-У-НГТУ-98. / НГТУ, Нижний Новгород, 1998 г.