СКАЧАТЬ:  p-s-u.zip [9,53 Mb] (cкачиваний: 59)

Лабораторная работа

по дисциплине «Проектирование систем управления»

Проектирование систем управления электроприводами

Система управления электроприводом постоянного тока с обратными связями по скорости и току якоря

1. Принципиальная схема электропривода 

Принципиальная схема электропривода с реверсивным вен­тильным преобразователем дана на рис. 1.

Рис.1. Функциональная схема электропривода постоянного тока с подчиненным регулированием

Рис 2. Структурная схема электропривода постоянного тока с подчиненным регулированием

2. Выбор базовых величин переменных 

3. Структурная схема электропривода и параметры звеньев 

Структурная схема электропривода изображена на рис. 2. Звеном Д с передаточной функцией

учитывается механическая инерция привода. Здесь Т_Д - постоянная времени разгона привода (механическая постоянная), равная вре­мени разгона привода до скорости п₀ под действием номинального динамического момента.

Звено ЯЦ с передаточной функцией

учитывает электрические свойства силовой цепи преобразователь - двигатель. Здесь К_ЯЦ и Т_ЯЦ - кратность тока короткого замыкания и электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя, включая силовую цепь преобразователя.

Регулировочные свойства преобразователя учитываются звеном ТП с передаточной функцией

где Т_п - постоянная времени фильтра на входе СИФУ преобразователя; τ - время чистого запаздывания.

Введением звена чистого запаздывания учитывается, хотя и весьма приближенно, влияние на динамические свойства управ­ляемого выпрямителя невозможности запирания проводящего вен­тиля до конца рабочего полу периода.

Каналы обратных связей по току якоря ДТ и по скорости вра­щения двигателя ДС при выбранных базовых величинах имеют единичные коэффициенты усиления.

4. Преобразования структурной схемы 

Выполним некоторые преобразования структурной схемы (рис. 2). Заменим звено чистого запаздывания с постоянной времени запаздывания τ инерционным звеном с такой же постоянной времени.

Описание схемы управления электроприводом постоянного тока с обратными связями по току и скорости якоря

Силовые цепи преобразователя UZ показаны в однолинейном изображении. Выпрямительные группы включены по встречно-параллельной схеме.

Трансформатор ТМ выполняет несколько функций. Прежде всего, он необходим для согласования величин номинальных напряжений преобразователя и двигателя.

Дроссель L предназначен для сглаживания пульсаций тока якоря двигателя и улучшения тем самым условий его коммутации. Снижение пульсаций тока якоря благоприятно также сказывается на уровне вибраций и шума в машине и ее нагреве.

Система управления электропривода содержит два контура регулирования: внутренний контур регулирования тока якоря КРТ и внешний контур регулирования скорости двигателя КРС.

Измерение тока производится с помощью шунта RS и датчика тока ДТ UA. Настройку контура регулирования тока якоря осуществляют АА - регулятором тока РТ.при этом один регулятор воздействует сразу на напряжение обеих групп вентильного преобразователя. В большинстве промышленных схем РТ выполняется пропорционально-интегральным. Наличие интегрального канала позволяет получить вертикальный наклон механической характеристики при работе привода на упор.

Пропорциональный канал дает возможность увеличить быстродействие контура регулирования тока. А это, во-первых, облегчает условия настройки последующего контура регулирования скорости, и, во-вторых, при резких перегрузках привода исключает в переходных режимах выбросы тока якоря сверх допустимых значений.

Наружный контур регулирования скорости настраивается с помощью AR - регулятора скорости РС. Скорость вращения двигателя измеряется тахогенератором BR и датчиком скорости ДС UV, подключенным через потенциометр RP к якорю тахогенератора. Если привод не требует высокой точности поддержания установившейся скорости вращения, то регулятор РС выполняется пропорциональным. Если необходимо поддерживать установившуюся скорость с высокой точностью, - ставится ПИ - регулятор РС.

Статическая характеристика РС выполняется с зоной насыщения. Для этого в цепь обратной связи регулятора РС включают блок ограничения БО А1.

Задатчик интенсивности ЗИ AJ служит для плавного изменения уставки на входе РС при разгоне и замедлении привода. Уровень установившейся скорости вращения двигателя соответствует величине сигнала U_вх. 

Расчет параметров структурных схем

РЭП на базе БТУ-3601

Коэффициент преобразования

К_п=К_нз·К_ув,

где К_нз- коэффициент нелинейного звена

К_ув- коэффициент управляемого выпрямителя

где =10÷15˚ минимальный угол отклонения

значение выпрямленной ЭДС при α=0

Сопротивление трансформатора

Полное сопротивление  

Где

линейное напряжение К.З.

Потери короткого замыкания

       (1.1)

Из уравнение (1) Активное сопротивление

Индуктивное сопротивление

 Ом

т.к  то

Индуктивность трансформатора

мГн

где fc=50 Гц

Коэффициент использование двигателя

Примем

Коэффициент пульсации

По условию компенсации пульсации определяют необходимую индуктивность якорной цепи

  где

- отношение выпрямленной ЭДС первой гармоники к максимальной ЭДС (при α=0) , т.е =f(α)

очевидно, что при , тогда

  тогда

мГн

Получим, что , следовательно, введение якорную цепь дополнительную индуктивность (дроссель) не нужно.

Индуктивность якорной цепи

мГн

Активное сопротивление якорной цепи

   где

Сопротивление преобразователя

Ом

Сопротивление двигателя

Rдоб=0.296 Ом, Rя=0.181 Ом

Электромагнитная постоянная времен якорной цепи [c]

Номинальная угловая скорость[рад/сек]

Коэффициент двигателя

   где

Механическая постоянная времени [c]

Момент стопорения [Н*м]

Так как   то

А

Расчетный ток стопорения выбирается исходя из условия

Рис.1.Электромеханические  характеристики РЭП

1-расчётная ЭМХ

2-реальная ЭМХ

Ограничение тока стопорения до расчётного позволяет  вести дальнейший анализ согласно статистическим характеристикам 1, что значительно упрощает расчёт, чем при работе с реальным ЭНХ 2. Если точке А соответствует максимальное значение ЭДС преобразования

,

то расчётный ток стопорения[А] определяется как

что составляет около 2,4 от номинального тока двигателя т.е.  

В последующих записях расчётный ток стопорения будем обозначать как 

Расчётному току стопорения будет соответствовать расчётный момент стопорения[Н*м]

для измерения угловой скорости в качестве датчика скорости будем применять тахогенератор, выбор которого осуществляется согласно условию

Примем тахогенератор с номинальной угловой скоростью равной , Uвыхмах=100 В

Коэффициент тахогенератора

Коэффициент датчика тока в РЭП < БТУ:

Коэффициент обратной связи по току

Коэффициент обратной связи по скорости

Синтез токового контура для РЭП с БТУ3601 и построение соответствующих ЛАЧХ и ФЧХ

Задаче синтеза является определение передаточных функций корректирующих звеньев, т.е. при синтезе токового канала – определение передаточной функции регулятора тока согласно структурной схеме РЭП.

Объект регулирования

Желаемая передаточная  функция определяется для разомкнутого контура, т.е.

 — интегральное звено

— малая некомпенсированная постоянная времени, при которой тиристорный   преобразователь способен нормально работать.

— определяется отношением периода сети к числу пульсаций ТП m, т.е.

с

Принимаем

Передаточная функция разомкнутого контура:

Так как , то

Передаточная функция регулятора тока

—получили передаточную функцию ПИ—звена, т.е. РТ—ПИ—регулятор, где

 - коэффициент пропорциональности

-постоянная интегрирования

Таким образом, передаточная функция ПИ-регулятора тока будет описываться как

Определим передаточную функцию замкнутого контура тока.

Таким образом, контур тока представляет собой апериодическое звено с некомпенсированной постоянной времени Т₀₁=0,004 с и коэффициентом пропорциональности равному  

 Построение ЛАЧХ (логарифмических амплитудо-частотных характеристик) для контура тока.

ЛАЧХ: L(w)=20lgA(w), [Дб], где

А(w)-амплитудочная характеристика

Желаемая передаточная функция:

-интегральное звено

Частота среза: -точка пересечения

ЛАЧХ вида «1» : L_m1(w)=-20lg(T₀₁w)

Объект регулирования:

-апериодическое звено

Частота сопряжения: w_cопр=-точка излома

Коэффициент объекта регулирования k_op1=3,47, тогда

20lg k_ор1=20lg3,47=10,8 Дб

Регулятор тока:

Так как , откуда

, то

Для определения ЛАЧХ РТ графическим методом, необходимо найти разность графиков L_m1(w) и L_op1(w)

Характерные точки и интервалы:

-интегральная составляющая(«1»)

Точка, в которой L_m1(w)=L_op1(w)=10,4 Дб - точка пересечения т.е.

- что приблизительно сходится с найденным ранее значением

Точка - точка излома

- пропорциональная составляющая.

Найденные ЛАЧХ для токового контура представлены на рис. 14,а

Построение ФЧХ для контура тока

ФЧХ: j(w) = ;

Где   Q-мнимая составляющая;

          P-действительная составляющая передаточной функции W(jw)

Желаемая передаточная функция контура тока

Таким образом,

j(w) =

Критерий устойчивости:

Тогда значение перерегулирования:

т.е. перерегулирование по току отсутствует.

Рис.2. а) ЛАЧХ для контура тока,

б) ФЧХ для желаемой передаточной функции контура тока.

Синтез скорости контура для РЭП  на базе БТУ и ЭПУ 1. Построение ЛАЧХ ФЧХ. Оценка качества и быстродействия привода по логарифмическим характеристикам

    Задачей синтеза скорости контура является определение передаточной функции регулятора скорости.

    Для получения абсолютно жестких статических характеристик синтез скоростного канала будем производить по симметричному оптимуму, когда постоянная времени Т₀₁, Т₀₂, Т₀₃ находится в таком соотношении друг с другом, когда

    т.е.

при Т₀₁=0,004с   Т₀₂=0,008с   Т₀₃=0,016с;

а желаемая передаточная функция разомкнутого контура определяется как

 Объект регулирования:

, т.е.

Передаточная функция РС:

Таким образом, передаточная функция регулятора скорости описывает ПИ-звено, т.е. РС – ПИ-регулятор:

Определим передаточную функцию замкнутого контура скорости.

ТогдаВ числителе ПФ замкнутого контура получили форсирующее звено Т₀₃+1, для его устранения на вход замкнутой системы вводят фильтр:

Постоянную времени фильтра Т_ф выбирают таким образом, чтобы Т_ф=Т₀₃=0,016с, тогда передаточная функция системы определится как

Построение ЛАЧХ (логарифмических амплитудо-

частотных характеристик для контура скорости)

1)    Желаемая передаточная функция:

Т₀₁=0,004с,   Т₀₂=0,008с,   Т₀₃=0,016с

Геометрическая средняя частота

Частота сопряжения:

       точки излома

Частоты среза:

При          наклон:   -40 Дб

При             (lg 125=2,1);   наклон:   -20 Дб 

При           наклон:   -40 Дб.

Получили ЛАЧХ вида  «2-1-2»

2)    Объект регулирования.

Частота сопряжения:

   -  точка излома

Частота среза:

При    ; наклон: -20 Дб

При   наклон: -40 Дб

3) Регулятор скорости.

;

  Частота напряжения:

  точка излома

  Частота среза:

При  - точка среза

Наклон: -20Дб

При ; наклон отсутствует ; ЛАЧХ определяется

          Как 20

 Найденные ЛАЧХ представляет на рис.15 а

  При определении ЛАЧХ РС графическим  путем; исходя из того;

Что   получим тот же

 Результат; что и при аналитическом методе.

Построение ФЧХ для контура скорости

     ФЧХ:    ; где

  Q- мнимая составляющая

  P- действительная составляющая передаточной

  Функции W(jw)

 Желаемая передаточная функция контура скорости

Для определения ФЧХ воспользуемся ЭВМ.

На графике   (рис. 15 б) можно убедиться; что

  при

Критерий устойчивости

Рис.3. а) ЛАЧХ для контура скорости,

б) ФЧХ для контура скорости

Для реализации схемы управления электроприводом воспользуемся каскадной схемой управления.

                Введем следующие динамические звенья:

Передаточная функция якорной цепи            W₁(p) = 0.1 / (0.87 · p + 1);

Передаточная функция двигателя                   W₂(p) = 8.78 / 0,9 · p;

Регулятор по току                                              R₁(p) = 1.78 + 1 / 0,015 · p;

Регулятор по скорости вращения                    R₂(p) = 0,9 + 1 / 0,02 · p;

Коэффициент Кп                                            G₁(p) = 19.48;

Коэффициент обратной связи по току            H₁(p) = 1;

Коэффициент обратной связи по скорости    H₂(p) = 1.

Введем управляющее воздействие

2,     при t < 6

f =

         0,     при t > 6

Введем возмущающее воздействие

Введем возмущающее воздействие

Реализация структурной схемы в программе Electronics Workbench.

Рисунок 4(а)

Рисунок 4(б)

Рисунок 5 Переходной процесс при подачи скачкообразного задающего воздействия.

Рисунок 6 Переходной процесс при подачи возмущающего воздействия: