9.1 Техническое задание (тз)

Рассчитать систему автоматического регулирования частоты вращения вала с установкой в качестве объекта управления - двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ). Автоматическая система должна иметь сле­дующие технические характеристики:

1. Мощность системы на валу Р_с = 2,5 кВт.

2. Максимальная скорость вращения n_с= 2000 об/мин.

3. Статизм характеристики системы. S_xc= 0,005.

4. Напряжение задания максимальной скорости U_з = 15 В.

5. Момент инерции, приведенный к валу двигателя J = 10 Н∙м².

9.2 Компоновка функциональной схемы

Выбор параметров объекта управления. Так как в техническом задании уже определен тип исполнительного двигателя, то остается только выбрать его каталожные данные и согласовать их с техническими данными системы. Выбор двигателя проведем на основе следующих соображений.

Двигатель должен обеспечить скоростные характеристики системы, поэтому его максимальная скорость вращения должна быть не меньше этого парамет­ра системы. Качество динамических характеристик автоматической системы во многом определяется запасом мощности исполнительной машины, поэто­му двигатель желательно выбирать с превышением мощности системы. В дан­ном случае выбираем двигатель с номинальной мощностью, превышающей мощность системы не менее чем на 30 %. Таким образом, двигатель должен удовлетворять следующим условиям:

N_д.max ≥ n_c,

P_д.ном ≥ 1,3Р_с,

Исходя из этих условий, намечаем для установки в систему двигатель типа 2ПН160LУХЛ4 со следующими параметрами:

1. Номинальная мощность Р_д.н = 4,0 кВт.

2. Номинальное напряжение U_д.н = 220 В.

3. Номинальная скорость вращения n_д.н = 2500 об/мин.

4. Коэффициент полезного действия η = 78,5 %.

5. Активное сопротивление якоря R_a = 0,486 Ом.

6. Индуктивность якоря L_a = 14,7 мГн.

Рассчитаем остальные параметры двигателя:

номинальный ток якоря

A; (9.1)

номинальная частота вращения

с^-1; (9.2)

номинальный момент вращения

Нм; (9.3)

электромагнитная постоянная цепи якоря

с; (9.4)

механическая постоянная системы, приведенная к валу двигателя

с, (9.5)

где Н - коэффициент пропорциональности по трению (в расчетах системы принято Н = 0,01 Нмс).

Выбор способа управления двигателем. Способ регулирования частоты вращения двигателя является одним из важнейших факторов, определяющих конфигурацию будущей системы и ее эксплуатационные характеристики.

Все возможные способы регулирования частоты вращения двигателя оп­ределяются из его скоростной характеристики

, (9.6)

где U - напряжение на якоре двигателя, I_а,I_в- токи якоря и возбуждения,

k_в - коэффициент пропорциональности.

Как известно из теории двигателей постоянного тока, наиболее эффектив­ными способами их регулирования являются якорное регулирование и регули­рование током возбуждения.

Якорное регулирование осуществляется изменением напряжения якоря U при постоянном токе возбуждения. Так как увеличение напряжения выше номинального недопустимо, то согласно (9.6) этот способ регулирования обес­печивает регулирование скорости только "вниз". К достоинствам якорного ре­гулирования следует отнести существование благоприятных условий работы коллекторно-щеточного аппарата и высокая надежность работы машины во всем диапазоне скоростей.

Регулирование током возбуждения основано на уменьшении тока возбуж­дения при постоянном U. Согласно уравнению (9.6), этим обеспечивается регу­лирование "вверх". Существенным недостатком такого регулирования являет­ся ухудшение условий работы коллекторно-щеточного аппарата машины при глубоком регулировании, что связано с возможностью появления кругового огня на коллекторе (это эквивалентно короткому замыканию источника пита­ния). Подробное объяснение отмеченных свойств можно найти в [5].

Исходя из приведенных соображений, выбираем для САР якорное регули­рование частоты вращения двигателя.

Выбор способа управления системой. Следующим фактором, опреде­ляющим общую конфигурацию системы, является выбор способа управления регулируемой величиной (напомним, что в этой системе регулируемой вели­чиной является частота вращения вала (t)). Поскольку в ТЗ не оговарива­ются особые условия по характеру возможных возмущений, то выбираем спо­соб управления "по отклонению". Это универсальный способ, обеспечиваю­щий управление системой при действии на нее любых видов возмущений, как внутренних, так и внешних.

Разработка функциональной схемы САР. Для организации управления "по отклонению" в системе должна быть создана отрицательная обратная связь по регулируемой величине. Для данной системы эта обратная связь является главной. Кроме того, при разработке функциональной схемы следует заложить выполнение следующих операций:

1. измерение регулируемого параметра;

2. сравнение его текущего значения с заданным;

3. отработка рассогласования (ошибки регулирования).

Функциональная схема САР, удовлетворяющая всем перечисленным выше условиям, изображена на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Функциональная схема системы автоматического регулирования частоты вращения вала: U₃ - напряжение задания; - напряжение рассогласования; U_y - напряжение управления; U, I - напряжение и ток двигателя; U_тг - напряжение тахогенератора; Н- коэффициент пропорцио­нальности по трению; М - момент сопротивления нагрузки на валу; J - момент инерции системы.

Регулирование и стабилизация частоты вращения вала в этой схеме осуще­ствляется следующим образом. Задание частоты вращения обеспечивается напряжением задания U_з. Напряжение с тахогенератора U_тг, пропорциональное частоте вращения, поступает по цепи главной обратной связи на вход системы и сравнивается с напряжением задания. Рассогласование сигналов ∆U = U_з - U_тг поступает на вход регулятора скорости, который формирует управляющее напряжение U_y. С помощью этого напряжения, используя, пре­образователь, формируется напряжение на якоре двигателя, определяющее ско­рость его вращения.