Автоматизированный электропривод в современных технологиях


Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



Г.М. СИМАКОВ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
В СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия






НОВОСИБИРСК
2014

УДК 621.34-52(075.8) С 37




Рецензенты: канд. техн. наук, доц. Н.Н Путинцев', д-р техн. наук, профессор В.Н. Аносов




Работа подготовлена кафедрой электропривода и автоматизации промышленных установок для студентов и магистрантов факультета мехатроники и автоматизации всех форм обучения


       Симаков Г.М.
С 37 Автоматизированный электропривод в современных технологиях: учеб. пособие / Г.М. Симаков. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014.-103 с.
         ISBN 978-5-7782-2400-1
         Изложены вопросы расчета систем автоматизированного электропривода. Рассмотрено моделирование систем электропривода.
         Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологичеких комплексов».







УДК 621.34-52(075.8)



ISBN 978-5-7782-2400-1

                     © Симаков Г.М.,2014
© Новосибирский государственный

технический университет, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение.........................................................4
Раздел I. Ограничение нагрузки электроприводов...................5
   1. Исследование системы ограничения нагрузки с помощью задержанной обратной связи по току двигателя (токовой отсечки).....5
   2. Исследование ограничения нагрузки с помощью упреждающего токоограничения.............................................14
   3. Ограничение нагрузки электропривода в системе подчиненного регулирования с помощью релейного регулятора в контуре тока якоря.......................................................21
   4. Исследование динамики контура тока с аналоговым и цифровым ПИД-регулятором.............................................32
Раздел II. Регулирование скорости электропривода................42
   5. Исследование однозонной системы подчиненного регулирования скорости электропривода постоянного тока с независимым возбуждением ..................................................42
   6. Исследование системы двухзонного регулирования скорости электропривода постоянного тока с управляемым потоком двигателя........................................................57
   7. Моделирование динамических режимов работы асинхронного электропривода с векторным управлением......................76
Библиографический список.......................................100
Приложение 1...................................................101
Приложение 2...................................................102

        ВВЕДЕНИЕ

   Настоящее учебное пособие предназначено для магистрантов и студентов факультета автоматизации и мехатроники. Оно должно помочь усвоению таких курсов как «Автоматизированный электропривод в современных технологиях» и «Автоматизация электротехнических и технологических комплексов».
   Структурно учебное пособие состоит из двух частей. Первая часть посвящена исследованию систем ограничения и регулирования нагрузки автоматизированных электроприводов. Здесь рассматриваются системы автоматизированного электропривода с токовой отсечкой и упреждающим токоограничением. Проводится также исследование релейного регулятора тока в структуре системы подчиненного регулирования.
   Вторая часть пособия рассматривает системы регулирования скорости электропривода. Обсуждаются системы однозонного и двухзонного регулирования скорости электропривода постоянного тока и регулируемый асинхронный электропривод с векторным управлением. Все исследования выполняются на компьютере в среде Matlab-Simulink.
   Среда Matlab-Simulink предоставляет исследователю самые различные возможности, начиная от структурного представления системы и кончая макетированием системы в реальном времени.
   Использование современных компьютерных технологий в изучении технической дисциплины требует прежде всего хорошего знания физики протекающих в системе электропривода процессов и математических методов исследования этих процессов. Только при достаточном знании физики процессов можно разработать модель, которая будет адекватна реальной системе, и осуществить модельный эксперимент, который даст необходимые результаты.
   Владение теорией и практикой в области автоматизированного электропривода в настоящее время становится элементом технической культуры инженера-специалиста любого профиля.

            Раздел!. ОГРАНИЧЕНИЕ НАГРУЗКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ








1. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОГРАНИЧЕНИЯ НАГРУЗКИ С ПОМОЩЬЮ ЗАДЕРЖАННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
ПО ТОКУ ДВИГАТЕЛЯ (ТОКОВОЙ ОТСЕЧКИ)
   Цель. Исследовать систему ограничения нагрузки на двигатель с помощью задержанной обратной связи по току. Научиться рассчитывать элементы принципиальной схемы. Смоделировать переходные процессы в данной системе, а также получить скоростную характеристику.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
   Нагрузка электропривода в переходных режимах может быть ограничена с помощью задержанных (нелинейных) обратных связей. Особенно широкое распространение получила задержанная обратная связь по току двигателя, или «токовая отсечка». Этот вид обратной связи уже давно применяется в автоматизированных приводах. Ниже будет дана методика расчета параметров токовой отсечки. Расчет ведется на примере системы «обобщенный преобразователь»-двигатель (ОП-Д). Под «обобщенным преобразователем» подразумевается преобразователь, имеющий внутреннее активно-индуктивное сопротивление, обладающий усилительными свойствами и конкретными динамическими характеристиками, которые могут быть представлены передаточной функцией преобразователя. В качестве «обобщенного преобразователя» может выступать (при определенных допущениях) тиристорный или транзисторный преобразователь, а также различные электрома-шинные устройства автоматики. Упрощенная принципиальная система ОП-Д с задержанной обратной связью по току показана на рис. 1.


5

Рис. 1. Схема токовой отсечки

Pwc. 2. Скоростная характеристика и графики переходных процессов


   Скоростная характеристика данной системы представлена на рис. 2, а. Характер изменения тока якоря двигателя в приведенной схеме при скачкообразном приложении входного напряжения имеет вид кривой 1 (рис. 2, б). Если же обратная связь отсутствует, то ток изменяется по кривой 2. Видно, что с введением задержанной обратной связи улучшается заполнение диаграммы I(t) и снижается максимальное значение тока якоря двигателя. Однако при любых значениях параметров обратной связи всегда будет иметь место некоторое превышение тока двигателя над значением тока отсечки. Ток отсечки -это ток, при котором вступает в действие задержанная обратная связь. Величина этого превышения зависит от параметров системы управления, в том числе и от коэффициента усиления К цепи обратной связи. Поскольку в схеме имеется возможность варьировать этот параметр, задача заключается в выборе рационального значения Ку. Правильный выбор Ку важен, так как чрезмерное его увеличение может при


6

вести к возникновению автоколебаний в системе, а его уменьшение увеличивает погрешность ограничения тока, что требует снижения величины тока отсечки и в конечном итоге ведет к возрастанию времени переходных процессов.


ПОРЯДОК РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ.

    1.    По принципиальной схеме составляем структурную схему. Структурная схема показана на рис. За (эта схема соответствует физике принципиальной схемы). Для удобства расчета параметров «мертвой зоны» можно воспользоваться эквивалентной структурной схемой (рис. Зб), в этом случае «мертвая зона» устанавливается равной величине тока отсечки. Далее рассчитываем параметры двигателя: номинальный ток, номинальный момент, суммарное сопротивление якорной цепи, суммарную индуктивность якорной цепи, постоянные времени, произведение конструктивного коэффициента на номинальный поток.

Рис. За. Структурная схема, соответствующая принципиальной схеме на рис. 1

Рис. Зб. Эквивалентная структурная схема

7

    2.    Определяется ток упора, который характеризует максимальную нагрузку на двигатель:
I? = * 4,


где X - перегрузочная способность двигателя; /н - номинальный ток двигателя.
   3.    Рассчитывается ток отсечки:
4т=4 (1 -х),
где х - коэффициент, характеризующий точность ограничения тока допустимым уровнем:
Х = 0,05...0,2.
   4.     Определяем напряжение пробоя стабилитрона, с помощью которого создается «мертвая зона»; пока стабилитрон не пробит, обратная связь по току не действует. Напряжение пробоя находим из условия:
U < I R
и ст <¹ от Ли,


где R - измерительное сопротивление (в данной работе в роли измерительного сопротивления выступает обмотка дополнительных полюсов).
   Напряжение пробоя стабилитронов берем из справочников по полупроводниковым приборам. Некоторые значения приведены ниже:
2,5; 3; 3,5; 4,2; 4,5; 5; 7 В.
   5.     Чтобы обеспечить точное включение обратной связи при достижении тока якоря равного току отсечки, применяем делитель напряжения Кг. Коэффициент передачи этого делителя можно получить из отношения той части резистора, с которой снимется напряжение, к его полному сопротивлению. Этот коэффициент рассчитывается по формуле

К

и^
I R
¹ОТСЛИ

8

    6.  Рассчитываем коэффициент передачи преобразователя:

К

U

где U₃ - максимальное напряжение задания, равное десяти вольтам; Еп - ЭДС преобразователя, необходимая для достижения номинального напряжения на зажимах двигателя:

—U UH + IR,


где Uₜ,, 1Я - номинальное напряжение и ток двигателя; R - внутреннее сопротивление преобразователя (в данной работе примем его равным сопротивлению якоря двигателя, также индуктивность преобразователя Д примем равной индуктивности якорной цепи).
   7.     Рассчитываем коэффициент усиления в цепи обратной связи К... Этот коэффициент находим исходя из уравнений, составленных по структурной схеме на рис. 3.
U - (IRHKᵣ - Ucт) Ky ] K — IR*₂ + I' в.

Из этого уравнения выразим коэффициент усиления в цепи обратной связи. При этом следует учесть, что двигатель, работая на упор, не вращается и развивает максимальный момент. ЭДС, развиваемая двигателем, равна нулю, так как она пропорциональна скорости вращения. Ток двигателя равен току упора. Учитывая написанное выше, мы получим формулу для расчета рационального коэффициента усиления в цепи обратной связи:
U₃K - IRz
■у-     -5 П у л^
Лу —                 .
(Iу R.K - Ucт)Кп


ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
   1.   Рассчитать параметры всех звеньев структурной схемы, представленной на рис. 3а и 36.
   2.    В программе Simulink собрать структурную схему с вашими параметрами.


9

   3.    Установить осциллографы (Scope) для снятия переходных процессов тока якоря и угловой скорости электропривода.
   4.    Установить двухкоординатный осциллограф (XY-Graph) для снятия скоростной характеристики.
   5.    Установить напряжение задания 10 В в Step (максимальное значение).
   6.    Снять графики переходных процессов при разгоне двигателя вхолостую, при набросе нагрузки, равной 0,6 от номинальной. Наброс нагрузки следует осуществлять только после полного разгона двигателя с помощью звена Stepl.
   7.    Снять скоростную характеристику при плавном увеличении нагрузки от 0 до максимальной. При этом необходимо отсечь ту часть графика, где происходит разгон двигателя вхолостую. Для начала в Simulation/ Simulation Parameters в Stop time ставим значение более 10. В звене Stepl ставим время шага (Step time) равным 1, в окончательном значении (Final value) ставим момент сопротивления Мс, в остальных 0. Для плавного увеличения нагрузки можно использовать звено интегратора (рис. 4, а). Для отсечения ненужной части графика можно использовать звенья Switch, которые подключат вход осциллографа только по достижении двигателем скорости холостого хода (рис. 4, б), в обоих Switch ставим 1. В звене Step2 ставим время шага (Step time) равным 0,9, а в окончательном значении (Final value) ставим 1, в остальных 0. При этом в звене XY-Graph необходимо правильно выставить минимальные и максимальные значения по осям: минимальные значения равны нулю, максимальное значение по оси X должно быть чуть больше тока упора, по оси Y - чуть больше скорости холостого хода.


Р4С. 4. Моделирование нагрузки

   8.    Составить отчет.


10

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 75 кВт ДИТ
   1.    Сопротивление якорной цепи, дополнительных полюсов, приведенное к рабочей температуре двигателя:
     At - 130 -15 - 115 °C;
     R* = R,₁₅ »с (1⁺ амедИАt) - 0,031 (1 + 0,0042 -115) = 0,046 Ом;
     /А. = Rп,15 вс (1⁺ “медиAt) = 0,02 (1 + 0,0042 -115) = 0,03 Ом.

   2.   Номинальный ток двигателя:

.     Рн    ^н
'll
     Сн ц    R

75-10³
440 - 0,915

— = 172,4 А. 31,5

	

   3.   Номинальный момент двигателя:

               „    Рн    р. - 30 75-10³ - 30
Л/н - —- —-------=------------= 331,6 Нм.
                     ®н   п ин    3,14 - 3150


   4.    Суммарное сопротивление якорной цепи:
RЕ = R + Rw + Rₙ = 0,046 + 0,03 + 0,03 = 0,105 Ом.


   5.    Суммарная индуктивность якорной цепи:

4Е = 4 + Сп = (1,2 +1,2)-10⁻³ = 2,4-10⁻³ Гн.


   6.   Электромагнитная постоянная времени якорной цепи:

Т
¹ яЕ -R Е

2,4-10⁻³ 0,105

- 0,023 с.

   7.     Произведение конструктивного коэффициента на номинальный поток возбуждения:
„ ил -4(Rₐ + Rп) (Ц, -4(Rₐ + Rot))30 _

п А

®

(440 -172,4 - (0,046 + 0,03)) - 30
Г , 2* . .
3,14 - 3150


11