4 Дослідження статичних та динамічних характеристик двигуна постійного струму з незалежним збудженням в режимі джерела моменту на базі керуючо-перетворювального пристрою dcs800 Лабораторна робота № 2

Мета роботи: дослідження статичних та динамічних характеристик ДПС з НЗ в режимі джерела моменту на базі керуючо-перетворювального пристрою DCS800.

Тривалість роботи: 4 години.

4.1 Короткі теоретичні відомості

Системи керування моментом використовуються для реалізації навантажувальних пристроїв випробувальних стендів, систем стабілізації натягу матеріалів при намотуванні, в транспортних електроприводах, механізмах прокатних станів, екструзійних машинах та ін. Найбільш розповсюджений варіант системи керування моментом реалізується на основі одноконтурної системи регулювання струму якоря ДПС з ПІ-регулятором струму РС (рис. 4.1). Враховуючи, що збудження двигуна є сталим і номінальним, керування струмом якоря означає керування моментом. Тому використовується поняття керованого джерела моменту. При цьому величина моменту в статичному режимі не залежить від швидкості обертання двигуна, а однозначно визначається величиною завдання при умові, що вихідний сигнал РС не знаходиться в зоні обмеження.

Рисунок 4.1 ― Функціональна схема

Структурна схема системи керування представлена на рис. 4.2

Рисунок 4.2 ― Структурна схема

На схемі прийнято наступні позначення:

-  - швидкість обертання двигуна (величина швидкості визначається навантаженням і в даній схемі розглядається, як незалежне збурення);

- І – струм якоря;

- Е – ЕРС двигуна;

- сумарний активний опір якірного кола (сума опорів якоря, шунта та згладжуючого дроселя) ;

- сумарна індуктивність якірного кола (сума індуктивностей якоря та згладжуючого дроселя) ;

- стала часу якоря (електромагнітна стала часу) ;

- момент двигуна М;

- U_i – напруга зворотного зв’язку за струмом якоря;

- добуток конструктивної сталої двигуна на номінальний потік .

Номінальний струм якоря двигуна можливо знайти через паспортні дані двигуна (номінальні потужність Р_н, напругу U_н та коефіцієнт корисної дії η)

.

У випадку, якщо немає паспортного значення активного опору якоря, його приблизно можливо розрахувати наступним чином

.

Коефіцієнт передачі перетворювача визначається відношенням максимально-можливої напруги на його виході (як правило 230 чи 460 В) до максимально-можливої напруги його завдання (вхідної напруги системи імпульсно-фазового керування, як правило 10 В)

.

Стала часу перетворювача Т_μ - мала некомпенсована стала часу, яка враховує наявність фільтрів в системі формування керуючих імпульсів тиристорів, а також запізнення при відкриванні тиристорів. Т_μ є плаваючою величиною. З метою спрощення розрахунків Т_μ приймають константою (0.01 с для тиристорних перетворювачів, 0.001 с для транзисторних).

Коефіцієнт зворотного зв’язку за струмом якоря знаходяться наступним чином

,

де λ – перевантажувальна здатність двигуна.

Контуру струму якоря налаштовують на модульний оптимум. При цьому збуренням за ЕРС нехтують, вважаючи його значно повільнішим, ніж перехідні процеси в контурі струму і те що, модель контуру є лінійною.

Структурна схема контуру, приведеного до одиничного зворотного зв’язку, має вигляд (рис. 4.3).

Рисунок. 4.3 ― Структурна схема контуру струму якоря

Тоді передаточна функція регулятора струму при настроюванні контуру на модульний оптимум буде наступною

де , .

Отримано ПІ-регулятор струму.

Оскільки використовується ПІ регулятор струму, то в статичному режимі забезпечується співвідношення

.

Тобто, струм якоря дорівнює

.

_{При постійному номінальному збудженні}

.

Статичні характеристики системи керування не залежать від ω і є абсолютно м’якими (вертикальними). При цьому величина моменту двигуна регулюється напругою завдання струму . Сімейство статичних характеристик системи показано на рис. 4.4.

Рисунок 4.4 ― Статичні характеристики

_{Згідно рівняння динаміки механічної частини електроприводу}

,

де М_с – момент опору на валу двигуна.

Якщо М≠М_с виникає постійний динамічний момент і двигун іде в рознос (розганяється до максимальної швидкості, яка визначається максимально допустимою напругою, яку забезпечує перетворювач). Таким чином, саме кероване джерело моменту є нестійким і повинно використовуватися спільно з системами керування, що регулюють кутову швидкість двигуна, в тому числі з розімкненими.

Динамічні характеристики контуру при зміні завдання струму якоря стрибком при сталій швидкості обертання (підтримується навантаженням системи) та з наступним лінійним наростанням швидкості (збурення) зображені на рис. 4.5.

Рисунок 4.5 ― Динамічні характеристики контуру струму

Структурна схема дискретної системи керування моментом, реалізованої в DCS800, показана на рис. 4.6.

Рисунок 4.6 – Структурна схема дискретної системи керування моментом

Період квантування системи Т₀ обирається принаймні в 10 разів меншим за малу сталу часу Т_μ. Формуючий елемент ФЕ, який реалізується екстраполятором нульового порядку, перетворює дискретний сигнал в неперервний (відповідні величини, які існують лише в дискретні моменти часу, утримуються протягом відповідного періоду квантування). Схема на рис.4.6, на відміну від реальної системи, не враховує ефект квантування сигналів за рівнем.

На відміну від схеми на рис. 4.2 у даній схемі коефіцієнт зворотного зв’язку за струмом якоря є одиничними. Тому величина відповідного завдання контуру вимірюються в абсолютних величинах відповідної координати: - завдання моменту, - завдання струму якоря. Завдання струму визначається як . Завдання струму обмежується на рівні максимально-допустимого струму. Вихідні сигнали регулятора струму та його інтегральної складової обмежуються на рівні максимально-допустимого значення сигналу завдання перетворювача напруги.

У зв’язку з вище зазначеним параметри регулятора системи змінюються наступно. При цьому приймається, що період квантування Т₀ достатньо малий, щоб при синтезі регулятора систему розглядати, як неперервну.

Коефіцієнт підсилення та стала часу регулятора струму якоря (при настроюванні контуру на модульний оптимум)

,

При синтезі системи керування приймалось, що перехідні процеси в контурі струму значно швидші, ніж зміна ЕРС. У певних випадках, при малих електромеханічних сталих привода, таке допущення не виконується, тому перехідні процеси в контурі струму відхиляються від стандартного вигляду. Якщо таке відхилення є неприпустимим, то використовують компенсацію сигналу ЕРС. На рис. 4.6 додатково до виходу регулятора струму підключається сигнал, який компенсує вплив ЕРС на контур струму. Передаточна функція обирається зворотною до передаточної функції перетворювача. При цьому з метою спрощення реалізації та надійності роботи часто залишають лише пропорційну частину, тобто .

Рівняння статичних характеристик системи набуває вигляду

.