Министерство общего и профессионального образования

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра “Автоматическое управление промышленными установками и

технологическими процессами”

“Теория автоматизированного электропривода”

Методические указания самара 1999

Составитель: Л.Я. Макаровский

УДК 62-83-52(07)

Теория автоматизированного электропривода: Метод. указ./ Самар. гос. техн. ун-т; Сост. Л.Я. Макаровский. Самара, 1999. 28с.

Методические указания к выполнению контрольной работы по курсу “Теория автоматизированного электропривода”. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения рассмотрен как объект управления. Проведен синтез добавочного сопротивления в якорной цепи машины при различных пуско-тормозных режимах. Приведены программа расчета механических характеристик двигателя на персональной ЭВМ.

Методические указания рассчитаны на студентов специальностей 1801 и 1804 дневной и заочной форм обучения.

Ил. 28. Табл. 1. Библиогр.: 4 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского Государственного Технического Университета.

1. Цель методических указаний по выполнению контрольной работы

Целью методических указаний является формулирование требований к выполнению контрольной работы по плану обучения студентов дневной и заочной формы обучения специальностей 1801 и 1804. Целью методических указаний является также углубление и закрепление знаний, полученных при изучении теоретического курса. Методические указания содержат справочный и расчетный материал для выполнения контрольной работы, а также варианты выполняемых контрольных. Методические указания касаются электромеханических расчетов характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения, как объекта управления. В методических указаниях приведен вариант программы расчета характеристик на ЭВМ.

2. Теоретическая часть

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения является звеном системы автоматического управления, предназначенным для преобразования электрической энергии в механическую. В силу обратимости двигатель постоянного тока независимого возбуждения может работать как в двигательном, так и тормозных режимах.

На (рис. 2.1) представлена схема замещения электродвигателя с учетом параметров преобразователя, от которого получает питание якорная цепь машины, потока рассеяния и вихревых токов. Обозначения на (рис. 2.1) соответствуют: Е_п – э.д.с. преобразователя; R_п, L_п – соответственно активное и индуктивное сопротивления преобразователя; E_д, I_я – э.д.с. и ток двигателя; R_д, L_д – соответственно активное и индуктивное сопротивления двигателя; U_в – напряжение на обмотке возбуждения машины с числом витков W_в;  - поток машины; R_в – сопротивление обмотки возбуждения; L_s – индуктивность рассеяния; I_в – ток возбуждения; R_к – эквивалентное сопротивление контура вихревых токов; M_д и M_с – соответственно (рис. 2.2) момент двигателя и момент статических сопротивлений; J – момент инерции двигателя. Для якорной цепи машины и механической части электропривода имеем соотношения:

E_п(p)-E_д(p)=I_я(p)[R_п+R_д+(L_п+L_д)p] (1)

M_д(p)-M_с(p)=Jp(p) (2)

M_д(p)=kI_я(p) (3)

E_д(p)=k(p) (4)

С учетом реакции якоря с величиной коэффициента K_ря, а также нелинейности кривой намагничивания с коэффициентом пропорциональности между величиной потока  и тока возбуждения I_в уравнения цепи возбуждения, полученного на основании законов Кирхгофа для узла I и контуров IK и 2K (рис. 2.1) имеем соотношения:

I_м(p)=I_в(p)-I_к(p)-K_ряI_я(p) (5)

U_в(p)=I_в(p)[R_s+L_sp]+I_к(p)R_к (6)

I_к(p)R_к-W_вp(p)=0 (7)

(p)=K_I_м(p) (8)

П роводя преобразования (5)-(8), исключая промежуточные переменные, имеем соотношения для тока возбуждения I_в(p) и потока (p)

где: T_вт – постоянная времени вихревых токов

T_в – эквивалентная постоянная времени обмотки возбуждения T_в=T_во+T_s

T_s – постоянная времени потока рассеяния

T _во – постоянная времени обмотки возбуждения

На основании соотношений (1)-(4), (9), (10) на (рис. 2.2) приведена структурная схема двигателя, электромагнитная постоянная времени T_я которого определяется по соотношению

На (рис. 2.3) приведена структурная схема двигателя, полученная без учета влияния реакции якоря. Считая поток  машины постоянным, имеем структурную схему двигателя, представленную на (рис. 2.4) Перенося возмущающее воздействие в виде момента M_с(p) на выход, а также учитывая значение электромеханической постоянной времени двигателя T_эм и коэффициент передачи двигателя K_д

и меем структурную схему двигателя, приведенную на (рис. 2.5), преобразовывая которую получаем передаточные функции машины по управляющему и возмущающему воздействиям

Структурная схема двигателя в динамике представлена на (рис. 2.6) Учитывая, что в статике p=0, связь между моментом M_д и током I_Я двигателя по соотношения (3), а также полагая э.д.с. преобразователя E_п равной напряжению U сети постоянного тока, имеем структурные схемы двигателя в статике, приведенные на (рис. 2.7). Уравнения электромеханической и механической характеристик двигателя соответственно имеют вид:

Графически электромеханические и механические характеристики (рис. 2.8) двигателей представляются на плоскости в 4-х квадратах. Электромеханические и механические характеристики представляют соответственно зависимости =f(I_я), =f(M), где  - скорость вращения двигателя (рад/с); I_я – якорный ток двигателя (A); M – развиваемый момент двигателя (нм). Естественной характеристикой двигателя считается характеристика двигателя, которую он имеет при номинальном напряжении питающей сети, нормальной схеме соединения и отсутствии добавочных сопротивлений R_доб в якорной цепи двигателя. В тормозных режимах машина постоянного тока работает в качестве генератора, а различные виды торможения отличаются друг от друга только ориентацией

Рис. 2.7. Структурная схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения в статике

якорного напряжения относительно сети постоянного тока. Существуют три вида торможения: рекуперативное, динамическое, противовключение.

Из соотношений (13), (14) следует, что управление скоростью вращения  двигателя возможно следующими путями: 1) изменением напряжения U, подводимого к якорной цепи двигателя; 2) введением сопротивления R_доб в якорную цепь двигателя; 3) ослаблением потока двигателя до значения _осл. Управление скоростью вращения двигателя изменением напряжения U, подводимого к якорной цепи двигателя, в области 1 (рис. 2.8) и за счет ослабления потока двигателя до значения _осл в области 2 (рис. 2.8) является двухзонным регулированием. При этом управление напряжением U на зажимах якоря при постоянстве _н соответствует регулированию скорости вращения  при постоянстве момента M двигателя. Управление потоком  двигателя при постоянстве напряжения U на зажимах якоря двигателя соответствует регулированию скорости вращения  при постоянстве мощности двигателя.

На (рис. 2.9) представлена принципиальная схема двигателя M постоянного тока независимого возбуждения, на якорь которого подано постоянное напряжение U. Поток  машины M создается обмоткой возбуждения LM.

Практическое применение получил реверс двигателя (изменение направления вращения), осуществляемый изменением полярности напряжения U на якоре машины. Уравнение электромеханической характеристики двигателя при реверсе будет:

Н а (рис. 2.10) представлен вариант схемы реверса. В качестве ключей S1-S2 могут использоваться как контактные, так и бесконтактные элементы. При срабатывании S1ток якоря I_Я протекает по цепи +, S1, М, S1, -, причем к якорю M приложено напряжение U, обозначенное +,-. При срабатывании S2 ток якоря I_я протекает по цепи +, S2, M, S2, - причем к якорю M приложено напряжение U, обозначенное + и – в кружочках.

В режиме рекуперативного торможения противо–э.д.с. двигателя превышает напряжение U сети постоянного тока и уравнение электромеханической характеристики в режиме рекуперативного торможения будет:

В режиме противовключения противо-э.д.с. двигателя совместно с сетью напряжением U обеспечивают питание якорной цепи двигателя. Двигатель работает генератором последовательно с сетью постоянного тока U, и вся энергия выделяется в виде тепла в якорной цепи двигателя. В этом режиме двигатель вращается в сторону противоположно развиваемого им момента. Уравнение электромеханической характеристики двигателя в режиме противовключения будет:

В режиме динамического торможения якорь двигателя отключен от сети (U=0) и замкнут на тормозное сопротивление. Уравнение электромеханической характеристики в режиме динамического торможения будет:

На (рис. 2.11) представлена схема динамического торможения двигателя.

Крутизна электромеханических и механических характеристик двигателя оценивается величиной ошибки , равной:

г де _с – статическое падение скорости двигателя M, определяемое из соотношений (13) – (14)

Ограничение броска пускового тока двигателя осуществляется путем изменения величины сопротивления в якорной цепи двигателя, регулируемого в функции одного из параметров: тока якоря, скорости двигателя или времени. При правильно построенной диаграмме запуска машины переключение сопротивлений осуществляется при токах якоря, соответствующих максимально-возможных и минимально-возможных значениях. Максимально-возможное значение якорного тока соответствует значению _II_н, а минимально-возможное значение (1,051,1)I_н, где

I_н – номинальное значение якорного тока двигателя

_I – коэффициент перегрузки двигателя по току.

Анализ передаточных функций двигателя W_у(p) и W_в(p) соответственно по управляющему и возмущающему воздействиям по соотношениям 11-12 показывает, что в зависимости от вида корней характеристического уравнения двигатель может быть представлен одним из звеньев: колебательным, двойным апериодическим, апериодическим. При этом переходные процессы =f(t) по управлению имеют соответственно различный характер:

• при комплексных корнях – колебательный переходный процесс;

• при вещественных корнях – переходный процесс в виде двух экспонент выпуклого и вогнутого типа с явно выраженной точкой перегиба;

• при соотношениях между постоянным временем двигателя T_эм>>T_я – экспоненциальный переходный процесс.

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения имеет хорошие регулировочные свойства. Появившиеся в последнее время частотные электроприводы с микропроцессорным управлением определяют асинхронную короткозамкнутую машину конкурентноспособной в сравнении с двигателем постоянного тока.