Лекція 25 Принципи побудови замкнених систем керування електроприводом



 

Автоматичні системи керування електроприводом (АСКЕП), які мають головний зворотній зв'язок по регульованій величині, називаються замкненими системами. Такі системи створюються для регулювання та підтримки швидкості руху, отримання найбільш оптимальних перехідних процесів, підтримки усталеності потужності, моменту або іншої величини.

Розглянемо принцип побудови замкненої автоматичної системи керування, наприклад, для підтримки швидкості електропривода. Відомо, що під дією статичних навантажень швидкість більшості електроприводів трохи знижується. Для підтримки її у визначених, заданих межах необхідно вимірювати цю швидкість і при відхиленнях від заданого значення робити її підрегулювання впливом на параметри силових пристроїв живлення і регулювання. Зі сказаного випливає, що система керування електроприводом робочої машини РМ (рис. 13.1) повинна містити в собі наступні елементи і пристрої: задавальний пристрій ЗП, елемент порівняння сигналів ЕПС, проміжний підсилювач П, перетворювач енергії Пр, тахогенератор ТГ (вимірювач кутової швидкості двигуна М). Для безперервного підрегулювання швидкості електропривода необхідно постійно впливати на сигнал керування перетворювачем енергії, тобто система повинна бути замкненою.

Системи підтримки та стабілізації швидкості електроприводів застосовують при великих діапазонах регулювання швидкості або точній її підтримці. При цьому для формування закону регулювання процесів пуску і гальмування електропривода у систему керування вводять додаткові зворотні зв'язки, наприклад по моменту двигуна через датчик моменту ДМ, по похідних та інтегралам відхилення величини, яка регулюється (на рис. 13.1 не показані), додаткові датчики та корегувальні пристрої, які можуть вмикатися як в основне коло регулювання, так і в коло зворотних зв'язків. Сигнали від датчиків і корегувальних пристроїв подаються на вхід проміжного підсилювача, де вони підсумовуються та у виді результуючого сигналу надходять у коло керування перетворювачем енергії.

За характером впливу на схему керування та регулювання, зворотні зв'язки поділяються на позитивні та негативні. Ці зв'язки можуть діяти постійно (жорсткі зв'язки) або тільки при перехідних процесах (гнучкі зв'язки). При збільшенні величини, яка регулюється (швидкості, потужності тощо) позитивний зворотній зв'язок ще більше її збільшує, а негативний, навпаки, зменшує. Зворотні зв'язки, які передають сигнали, пропорційні швидкості, напрузі тощо, отримують назви за відповідними величинами, тобто за швидкістю, напругою тощо. Зворотні зв'язки можуть здійснюватися за допомогою електричних, механічних та інших з'єднань.

Регулювання та автоматична підтримка швидкості електропривода за схемою, наведеною на рис. 13.1, досягається таким способом. Необхідне значення швидкості встановлюється за допомогою задавального пристрою. Пропорційно сигналу Uз на виході перетворювача буде напруга Uпр, під дією якої двигун починає розганятися. По мірі розгону електропривода напруга тахогенератора Uтг збільшується. Ця напруга увімкнена назустріч задавальній напрузі, тобто створений негативний зворотній зв'язок за швидкістю. У результаті загальної дії Uз і Uтг отримується результуючий вхідний сигнал Uкер на перетворювачі, який забезпечує відповідну напругу на двигуні. При незмінному статичному навантаженні після розгону електропривода буде мати місце усталений стан системи регулювання.

Рисунок 13.1 – Структурна схема замкненої системи керування електроприводом

 

Якщо статичне навантаження за якимись причинами збільшується, то кутова швидкість двигуна і напруга тахогенератора відповідно зменшуються. У результаті дії негативного зворотного зв'язку сигнал, який надходить з елемента порівняння, збільшиться, що викличе підвищення Uкер і Uпр. Кутова швидкість двигуна збільшиться майже до заданого значення. Чим більше посилення керуючих сигналів, тим точніше підтримується швидкість електропривода.

 

 

Лекція 26 Елементи і пристрої автоматичного керування електроприводами в замкнених системах

 

Для отримання задавальних сигналів, вимірювання основного та додаткових параметрів, утворення сигналів за похідною та інтегралом величин, які змінюються, і посилення цих сигналів у замкнених системах керування електроприводами використовуються відповідні елементи та пристрої. Всю різноманітність їх можна поділити на чотири групи: 1) підсилювачі сигналів у каналі керування; 2) керуючі та формуючі елементи; 3) датчики та вимірювальні схеми; 4) командні та задавальні елементи.

Підсилювачі. У схемах автоматичного керування електроприводами підсилювачі призначаються для збільшення потужності сигналів у каналі керування. Вони використовуються як вихідні підсилювальні елементи керуючих пристроїв, проміжні підсумовуючі (порівняльні) або фазочутливі елементи. Застосовані підсилювачі можуть бути електронними (ламповими і транзисторними), електромашинними поперечного поля (ЕМП) і магнітними. Принцип дії цих підсилювачів докладно розглядається в предметах електроніки, автоматики та обчислювальної техніки; тут же нагадаємо тільки їхні основні показники: коефіцієнт підсилення за напругою, струмом і потужністю; вхідна потужність; коефіцієнт корисної дії; чутливість; динамічний діапазон; нелінійні частотні та фазові викривлення. Основні показники підсилювачів враховуються і використовуються при складанні замкнених автоматичних схем керування електроприводами для отримання надійної та стабільної роботи. Найбільше поширення одержали електронні підсилювачі постійного струму (ППС).

Керуючі та формуючі елементи. Ці елементи необхідні для формування необхідних законів керування та поліпшення динамічних властивостей системи. До них відносяться пасивні та активні корегувальні елементи (у тому числі операційні або розв'язувальні підсилювачі), функціональні перетворювачі та обчислювальні пристрої. Введення цих елементів у схему автоматичного керування дозволяє одержати необхідні сигнали для усунення коливань у системі при різких коливаннях навантаження, тобто зробити її стабільно працюючою.

У якості пасивних (які не мають внутрішніх джерел енергії) корегувальних елементів звичайно використовуються різні RC-контури та стабілізуючі трансформатори (рис. 13.2), які пропускають або формують сигнали тільки в перехідному режимі системи. Диференційний елемент (рис. 13.2, а) форсує перехідний процес, тому що напруга Uвих, яка поступає в регулюючі пристрої, у початковий момент зміни сигналу Uвх, велика та по мірі заряду конденсатора С знижується за законом експоненти. Інтегруючий елемент (рис. 13.2, б), навпаки, сповільнює перехідний процес, що пояснюється поступовим зростанням напруги Uвих від якогось початкового значення Uвх. Стабілізуючий трансформатор (рис. 13.2, в) має на виході сигнал Uвих тільки при зміні напруги Uвх і струму i1. Конструктивно він представляє собою двообмотковий трансформатор з повітряним зазором у магнітопроводі, який навантажений на досить великий опір Rнавант. До первинного кола підводиться напруга постійного струму, яка змінюється за значенням. З резистора Rнавант. знімається сигнал Uвих, який містить першу похідну від напруги Uвх. Регулюванням зазору в магнітній системі одержують необхідний діапазон частот, у якому повиннo здійснюватися диференціювання сигналу Uвх.

 

Операційні підсилювачі (регулятори) відносяться до активних корегувальних елементів. У схемах керування електроприводами вони не тільки підсилюють сигнали, але і, головним чином, формують необхідні закони керування. За допомогою цих підсилювачів виконуються операції інтегрування, диференціювання, підсумовування, зміни масштабу сигналів тощо. Операційні підсилювачі разом з резисторами та конденсаторами зворотного зв'язку (Rз.з, Cз.з) називаються регуляторами (рис. 13.3). Тип регулятора, а отже, і назва визначаються операціями, які виконуються ними: пропорційний, або П-регулятор (рис. 13.3, а); інтегральний, або І-регулятор (рис. 13.3, б); пропорційно-інтегральний, або ПІ-регулятор (рис. 13.3, в); інтегрально-пропорційний, або ІП-регулятор (рис. 13.3, г); пропорційно-диференційний, або ПД-регулятор (рис. 13.3, д); пропорційно-інтегрально-диференційний, або ПІД-регулятор (рис. 13.3, е). Перехідні характеристики цих регуляторів показані поруч зі спрощеними схемами.

Зараз перераховані регулятори об'єднані в уніфіковані блокові системи регуляторів (УБСР), які мають у комплекті різні датчики, функціональні та задавальні елементи і джерела живлення. У цих системах використовуються підсилювачі постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення за напругою, виконані як на транзисторах, так і з використанням інтегральних мікросхем. Регулятори УБСР використовуються для виготовлення комплектних пристроїв керування електроприводами.

Аналогові (безперервно діючі) пристрої керування є вихідними і забезпечують високу якість протікання перехідних процесів.

Для отримання високої точності відпрацьовування сигналів зворотних зв'язків і широкого діапазону регулювання швидкості електроприводів (до 1:10 000) разом з аналоговими пристроями застосовують дискретні пристрої керування та регулювання (УБСР-Д).

Формуючі пристрої. Ці пристрої призначені для перетворення вхідного сигналу в сигнал, який змінюється за визначеним законом. У схемах керування електроприводами вони служать для отримання нелінійних залежностей між вхідними та вихідними сигналами. Схеми таких пристроїв при реверсивних сигналах Uвх і залежності Uвих = Uвх) наведені на рис. 13.4, а, б. При однополярному сигналі в схемах повинен бути тільки один діод VD1.

Схема формуючого пристрою, яка наведена на рис. 13.4, а,працює так: при 0 |Uвх|<|Uпорівн.| (Uпорівн. — напруга порівняння) струм через резистор R2 не протікає і Uвих = 0. При |Uвх| > | Uпорівн. | струм через резистор R2 буде протікати за рахунок різниці напруг |Uвх| — |Uпорівн.|, напрямок його буде визначатися полярністю Uвх.

На рис. 13.4, б представлена схема формуючого пристрою, коефіцієнт підсилення якого залежить від напруги Uвх.

До визначеного значення Uвх, поки | Uвих | < | Uпорівн. | (ділянка 0А), струм через діод VD1 або VD2 і резистор Rз.з.2 не протікає. При |Uвих| > | Uпорівн.| через діод VD1 або VD2 буде протікати струм. Отриманий сигнал підсилюється операційним підсилювачем ОП. З урахуванням прямого падіння напруги на вентилі опору потенціометра R3 та опору резистора Rз.з.1 характеристики вище точки А можуть мати різні нахили. Це дозволяє одержати досить складні нелінійні залежності Uвих =f (Uвх).

Датчики та вимірювальні пристрої.Для отримання сигналів зворотних зв'язків, які пропорційні контрольованим або вимірюваним величинам, служать датчики та вимірювальні пристрої.

Сигнал, пропорційний кутовій швидкості ротора (або якоря) двигуна, знімається з датчика кутової швидкості – тахогенератора, який з’єднується з валом двигуна або іншим валом робочої машини. Залежність ЕРС тахогенератора від кутової швидкості практично лінійна: .

Контроль і вимірювання швидкості можуть здійснюватися також за допомогою тахометричного моста (рис. 13.5, а), напруга , якого пропорційна швидкості двигуна. Плечі моста створені резисторами поділювача напруги R1, R2, обмоткою додаткових полюсів LОДП двигуна з опором Rд.п, якорем двигуна з опором Rя та ЕРС  До однієї діагоналі моста підводиться напруга живлення якоря двигуна Uмер, з іншої діагоналі (між точками 1 і 2) знімається напруга, яка пропорційна кутовій швидкості . Якщо вибрати значення опорів резисторів R1 і R2 так, щоб дотримувалася умова R1 · Rя = R2 · Rд.п, міст буде збалансованим. Тоді напруга

У системах електропривода на постійному струмі датчиками напруг є найчастіше потенціометри (реостатний перетворювач, який увімкнений в електричне коло як поділювач напруги), а датчиками струму — окремі шунти або обмотки додаткових полюсів і компенсаційні обмотки електричних машин. В електроприводах, які виконані за системою КВ-Д,датчики струму іноді вмикають у кола змінного струму. Для отримання сигналів керування за струмом в цьому випадку використовують вимірювальні трансформатори змінного струму, які навантажені на резистори R1,і випрямний міст UZ1 (рис. 13.5, б). На виході випрямляча вмикаються фільтр Сф і регулювальний резистор R2, з якого і знімається сигнал Uвих. Випрямленa напруга Uвих практично пропорційна струму первинного кола І1, який протікає через силовий перетворювач.

Датчиком прискорення електропривода (датчиком динамічного струму), у найпростішому випадку може бути диференціювальне RC-коло, яке увімкнене на вихід тахогенератора (рис. 13.5, в). Напруга Uвих буде з'являтися тільки при зміні значення напруги тахогенератора, тобто при прискоренні або уповільненні електропривода.

 

Командні та задавальні елементи. Для введення в систему керування електроприводом сигналів, які необхідні при отриманні необхідного регульованого параметра, служать командні та задавальні елементи — задавачі швидкості та інтенсивності.

Найбільш простими задавачами швидкості є потенціометри з плавною або східчастою зміною напруги на виході. В електроприводах з двозонним (зони І і ІІ) регулюванням швидкості такі потенціометри здвоюються і при повороті регулювальної рукоятки спочатку змінюється напруга на першому потенціометрі, а при подальшому обертанні рукоятки — на другому потенціометрі (рис. 13.6, а). З першого потенціометра знімається сигнал Uз.я, який впливає на зміну напруги на клемах якоря двигуна, а з другого Uз.з. — на зміну магнітного потоку (збудження). До недоліків потенціометричного задавача відноситься той факт, що при швидкому переміщенні рухомого контакту (для збільшення магнітного потоку двигуна) виникає перенапруга на клемах якоря, тому що його швидкість не встигає знижуватися слідом за зростанням магнітного потоку.

Якщо рухомі контактні пристрої (повзунки) потенціометрів переміщати за допомогою серводвигуна, то такий потенціометричний задавач буде виконувати також функції задавача інтенсивності.

В електроприводах великих потужностей замість потенціометрів з ковзним контактом застосовуються безконтактні задавачі швидкості, які виконані на основі безконтактного сельсина, що працює в трансформаторному режимі (рис. 13.6, б). Однофазна обмотка сельсина ОС підключається до однофазної мережі змінного струму, а до двох фаз його трифазної обмотки Р1 і Р2 підключені фазочутливий підсилювач ФЧП та випрямляч UZ1 з конденсатором фільтра Сф. При повороті ротора сельсина лінійна напруга Uл, яка знімається з обмоток Р1 – Р2, змінюючись у часі за синусоїдальним законом, знаходиться в фазі або протифазі з напругою однофазної обмотки в залежності від напрямку повороту ротора від деякого початкового положення. Напруга Uл змінюється від нуля (у початковому положенні) до максимуму (при повороті ротора на кут p/2). Пропорційно зміні Uл змінюється і випрямленa напруга Uвих2. Напруга Uвих1 за рахунок підбору параметрів фазочутливого підсилювача повинна змінюватися від 0 до ± U1 при повороті ротора на кут ± p/6, а при великих кутах повороту повиннa залишатися незмінною. (рис. 13.6, в). Напруга Uвих.1 у системах керування електроприводами на постійному струмі використовується як сигнал для регулювання напруги на якорі, а напруга Uвих2 — для керування полем двигуна.

 

Задавачі інтенсивності в замкнених системах керування електроприводами служать для отримання закону зміни в часі задавального сигналу або для отримання, наприклад, оптимального процесу розгону або гальмування.


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1013;