5. Основные этапы синтеза сау

1. Исходя из требований к назначению системы и особенностей ее конструкции следует выбрать функционально необходимые элементы (ФНЭ) – объект управления, датчики сигналов, задающее устройство, элеметы сравнения, усилители мощности и исполнительные элементы. При выборе ФНЭ учитывается мощность, необходимая для управления объекта управления, предельные значения скоростей и ускорений выходных величин объекта управления, допустимые ошибки, требуемый порядок астатизма. В результате решения этой задачи основа структуры проектируемой САУ становится известной.

2. На основании сведений о задающих и возмущающих воздействиях, об ограничениях накладываемых на ход процесса управления, требований к точности и быстродействию необходимо определить желаемые динамические характеристики САУ (ЖДХ). Желаемая динамическая характеристика – это график переходного процесса в проектируемой системе. ЖДХ являются компромиссным решением между качеством и точностью с одной стороны, и простотой технической реализации и надежностью с др.

3. На послекднем этапе необходимо выбрать (рассчитать) корретирующие устройства, которые приближают с заданной степенью точности характеристики системы, состоящей из ФНЭ к характеристикам желаемой системы.

В ТАР есть ряд методов расчёта КУ. Это объясняется как разнообразием исходных данных и требований к САУ, так и сложностью задачи синтеза. Необходимо учитывать, что задача не имеет однозначного решения и нельзя ожидать высокой точности результатов.

Широкое распространение получили частотные методы синтеза КУ. При этом желаемые динамические характеристики САУ представляются в виде логарифмических частотных характеристик. Построение желаемых ЛАХ (ЖЛАХ) основано на связи их параметров с показателями качества, которые необходимо обеспечить в проектируемой системе. В этом случае удобно рассматривать (вводить) типовые (стандартные) ЛАХ, параметры, которых однозначно связаны с показателями качества и точностью системы.

5. Основные показатели регулирования скорости в электроприводах — направление регулирования, диапозон регулирования, допустимая нагрузка, к.П.Д.

Основные показатели регулирования скорости

Для количественной оценки и сопоставления различных способов регулирования скорости используются следующие показатели:

Диапазон регулирования скорости - это отношение максимальной средней скорости ЭП к минимальной средней скорости , которые определяются по среднему моменту нагрузки на валу двигателя из их заданных минимального и максимального значений

. (1)

Определение величины диапазона регулирования скорости показано на рис. 29.

Рис 29

Предположим, что ЭП имеет линейную механическую характеристику, причем верхняя (на рис. 29) соответствует максимально – достижимой в данном ЭП скорости. Отметим, что в данном случае регулирование скорости осуществляется только вниз от основной. Пусть в процессе регулирования скорости механическая характеристика перемещается вниз параллельно самой себе, что характерно для большинства современных электроприводов. Тогда на рис. 29 нижняя характеристика – это та предельная характеристика, которая обеспечивает требуемый максимальный вращающий момент двигателя.

Определим средний момент как

.

Учитывая уравнение механической характеристики двигателя

, определим максимальную среднюю скорость как

. (2)

Запишем уравнение нижней механической характеристики (рис. 29) как

, где

.

Тогда

.

Окончательно

. (3)

Подставляя (2) и (3) в (1), получим

. (4)

Из (4) следует, что диапазон регулирования зависит от жесткости механической характеристики: чем больше жесткость, тем больше диапазон регулирования.

В зависимости от диапазона регулирования скорости электроприводы разделяют на:

1. Регулируемые ЭП с ограниченным диапазоном регулирования D = 2;

2. Регулируемые ЭП общего назначения с диапазоном регулирования D = 100;

3. Широкорегулируемые ЭП с диапазоном D = 1000;

4. Высокоточные ЭП D = 10000.

Направление регулирования скорости. В зависимости от способа воздействия на двигатель, и, следовательно, вида получаемых искусственных характеристик его скорость может увеличиваться или уменьшаться по сравнению с работой на естественной характеристике при данном моменте нагрузки. В первом случае говорят о регулировании скорости вверх от основной, во втором – о регулировании скорости вниз от основной. Если используемый способ воздействия на двигатель обеспечивает расположение искусственных характеристик как выше, так и ниже естественной, то говорят о двухзонном регулировании скорости.

Допустимая нагрузка двигателя соответствует такому моменту нагрузки, при котором нагрев двигателя не превосходит допустимого (нормативного). При работе на естественной характеристике такой нагрузкой является номинальный момент, при котором по двигателю протекает номинальный ток и его нагрев равен нормативному. Поскольку нагрев двигателя определяется главным образом протекающим по нему током, то при работе на искусственных характеристиках допустимой будет такая нагрузка, при которой ток в двигателе равен номинальному. Следует отметить, что для двигателей с самовентиляцией при снижении скорости их охлаждение ухудшается и поэтому допустимый ток должен быть ниже номинального.

Важнейшими показателями процесса регулирования являются потери мощности при регулировании и КПД привода . Эти величины связаны соотношением

, где - полезная мощность на валу двигателя.

Поскольку силовая часть ЭП состоит из преобразовательного устройства (тиристорные или транзисторные преобразователи), двигателя и механического передаточного устройства, то кпд электропривода в целом определяется как произведение кпд этих устройств .

Наиболее значимыми в этой формуле являются кпд двигателя и механической передачи.

Потери энергии в полупроводниковых преобразователях малы и их кпд составляет =0,95-0,98.

Потери в механическом передаточном устройстве определяются, в основном, силами трения и существенно зависят от передаваемого момента.

Значения кпд некоторых механических передач при номинальной нагрузке приведены в табл.1.

Таблица 1

Передача	КПД
Цилиндрическая зубчатая	0,96-0,99
Коническая зубчатая передача	0,98
Червячная передача	0,6-0,8
Ременная передача	0,94-0,96
Цепная передача	0,98

При частичной нагрузке кпд передачи можно определить по кривым, приводимым в справочной литературе (рис. 30).

Рис. 30

При работе двигателя в некотором цикле с различными мощностями на валу (рис.31)

Рис. 31

рассчитывается так называемый цикловый (средневзвешенный) кпд . (5)

Здесь - полезная механическая работа (энергия); - потребленная электрическая энергия; - полезная (механическая) мощность на i-ом участке цикла; - потери мощности на i-ом участке цикла; - длительность i-го участка цикла; n – число участков цикла.

При работе двигателя в установившемся режиме формула (1) упрощается . (6)

Потери в двигателях делят на постоянные и переменные , (7) где K – потери в стали магнитопровода, механические потери от трения в подшипниках и вентиляционные. Поскольку они практически не зависят от нагрузки, то их считают постоянными. Обычно это потери холостого хода. Для ДПТ НВ, а также СД к постоянным потерям можно также отнести потери в обмотках возбуждения; V – переменные потери (потери в меди), зависящие от квадрата действующего значения тока в обмотках машины. Величина тока, в свою очередь, определяется моментом сопротивления на валу двигателя.

Для машин постоянного тока .

Для асинхронных двигателей т.е. сумма потерь в обмотках статора и ротора.

Для синхронных двигателей .

С учетом выражения потерь (7) выражение для кпд (6) принимает вид . (8)

Поскольку входящие в (3) переменные потери V зависят от нагрузки, то и кпд двигателя определяется величиной момента сопротивления на его валу. Типичная кривая приведена на рис. 32.

Рис. 32

Максимальный кпд имеет место, когда переменные потери равны постоянным , т.е. когда электрические потери в обмотках равны сумме магнитных, механических и вентиляционных потерь.

Электрические машины проектируют так, что кпд достигает наибольшего значения при .

Это оправдано тем, что в большинстве случаев двигатели работают с нагрузкой, несколько меньшей номинальной.

Если средняя нагрузка двигателя составляет менее 45% от номинальной, то целесообразно его замена на двигатель меньшей мощности.

Если двигатель загружен на (45-70)%, то целесообразность замены на менее мощный должна быть определена дополнительными расчетами.

Если нагрузка более 70% от номинальной, то замена двигателя нецелесообразна.

Регулирование скорости оценивается и таким важным экономическим показателем, как коэффициент мощности . У асинхронных короткозамкнутых двигателей номинальный составляет примерно 0,7-0,9. Недогрузка АД ведет к дальнейшему снижению -рис. 33.

Рис. 33

Для увеличения коэффициента мощности целесообразно: а) замена малозагруженных АД двигателями меньшей мощности; б) ограничение холостого хода АД; в) применение СД вместо АД, если это возможно по условиям технологического процесса; г) применение устройств компенсации реактивной мощности – батарей статических конденсаторов, синхронных компенсаторов.