01_Абрамкин_ЭМЭиС_2019

Следует отметить, что ЭП как подсистема входит в указанные системы. Очевидно, что для инженера-энергетика электропривод – это потребитель электроэнергии, для инженера-технолога – это источник механической энергии, для инженера по АСУ – это развитой интерфейс, связывающий его систему с ТП или системой электроснабжения [2].

1.2. Структуры и функции систем управления электроприводами

Под управлением понимается совокупность операций по организации некоторого процесса для достижения определенных целей [6]. Эффективность управления повышается при применении систем автоматического управления (САУ). Любая промышленная САУ состоит из трех частей: информационной, алгоритмической и энергетической. Информационная часть получает информацию об объекте и окружающей среде, алгоритмическая – выявляет соответствие текущего состояния объекта цели управления и принимает решение об оказании управляющего воздействия на объект, энергетическая часть исполняет принятое решение.

Суть любого энергетического воздействия – это преобразование по заданному алгоритму (закону) какой-либо первичной энергии (механической, электрической и т. п.) в механическую. Для реализации такого преобразования применяются соответствующие видам первичной энергии типы преобразователей энергии. Преобразователи энергии составляют основу энергетической части.

Электромеханические системы представляют собой разновидность энергетической части САУ, в которых первичной энергией является электрическая [7].

Существует множество типов преобразователей электрической энергии в механическую, однако наибольшее распространение получили ЭД.

Предметом изучения в данном курсе являются электромеханические системы как СУ ЭП1.

Электрический привод состоит из передаточного устройства, преобразовательного устройства и управляющего устройства (рис. 1.2) [8]. Структурная схема ЭП включает следующие элементы: УУ – управляющее устройство, П – преобразователь, ЭД – электродвигатель, ПУ – передаточное устройство, РМ – рабочая машина. В совокупности ЭД, ПУ и РМ представляют собой ОУ. При этом ПУ состоит из механических передач и соединительных муфт, необходимых для передачи, вырабатываемой ЭД механической энергии исполнительной части системы – РМ.

10

Преобразователь П предназначен для управления потоком электрической энергии, поступающим из сети, с целью регулирования режимов работы ЭД и РМ. Перечисленные устройства относятся к энергетической или силовой части СУ ЭП1.

Сеть

От датчиков обратных связей

Рис. 1.2. Структурная схема ЭП

УУ представляет собой информационную слаботочную часть системы, предназначенную для фиксации и обработки поступающей информации о задающих воздействиях, состоянии системы и выработки на ее основе сигналов управления ОУ. Объект управления совместно с УУ представляет собой электромеханическую систему автоматического управления электроприводом (САУ ЭП).

Режимы работы ЭП определяются величинами, характеризующими движение рабочего органа РМ или вала двигателя, т. е. скоростью, ускорением, углом поворота, моментом, мощностью и т. д.

Например, выходная величина y(t) должна изменяться определенным образом, т. е. регулироваться. Тогда задающее, входное воздействие g(t) изменяется в соответствии с основной целью управления ЭП. Часто основная задача САУ ЭП заключается в формировании требуемого закона изменения y(t) в переходных режимах разгона и замедления привода, когда задающее воздействие g(t) = const определяет лишь некоторое конечное значение регулируемой величины или есть просто команда на пуск, торможение или реверсирование ЭП. В этом случае характер изменения y(t) зависит в значительной степени от ограничений на максимально допустимые токи, моменты, нагрев, ускорение ЭП и т. д.

При решении задач управления в системе формируется регулирующее (управляющее) воздействие на ЭП u(t). Каждую САУ ЭП рассматривают как систему, воспринимающую и перерабатывающую информацию для организации необходимого управления. При этом различают системы с одним каналом

11

информации g (разомкнутые СУ), с двумя каналами информации g и y(t) (замкнутые СУ) и с тремя каналами информации g, y(t) и f(t) (комбинированные СУ) [6], [8], [9]. Структурные схемы трех типов СУ представлены на рис. 1.3–1.5.

В структуру на рис. 1.5 добавлено компенсирующее устройство КУ, которое позволяет компенсировать отклонение управляемой переменной, оказывая на объект дополнительное воздействие. В простейшем случае компенсирующее воздействие суммируется с управлением [6].

Рис. 1.4. Структурная схема САУ ЭП замкнутого типа

Рис. 1.5. Структурная схема САУ ЭП комбинированного типа

Вообще при исследовании САУ ЭП изучают не конкретные СУ, а методы решения тех или иных задач управления, принципы построения СУ, предназначенных для выполнения определенных основных функций, особенности и свойства этих СУ.

К основным функциям САУ ЭП относятся [8]:

–управление процессами пуска, торможения и реверсирования ЭП;

–стабилизация заданной величины (скорости, мощности и др.) в статике

идинамике;

12

–слежение за вводимыми в систему произвольно изменяющимися входными сигналами (следящее управление);

–отработка заданной программы (программное управление);

–выработка целесообразных режимов работы ЭП (адаптивное управление). Также САУ ЭП выполняют ряд вспомогательных функций:

–защиту ЭД и другого электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ), от недопустимых длительных и кратковременных перегрузок, от перенапряжений и т. д.;

–блокировки, исключающие возникновение аварийных и ненормальных режимов при ошибочных действиях персонала и обеспечивающие определенную последовательность операций включения и отключения отдельных элементов и узлов САУ ЭП;

–сигнализацию о ходе ТП, об исправности или, наоборот, о неисправности механизмов и самих САУ ЭП, о передаваемых операторами сигналах и т. п.

1.3. Классификация электромеханических систем

Для САУ ЭП сохраняется известная из дисциплины «Теория автоматического управления» общая классификация систем управления по различным признакам.

По виду сигналов информации и управления САУ ЭП бывают непрерывными (аналоговыми) и дискретными (импульсными, цифровыми, релейными).

По закону изменения y(t) различают:

–системы стабилизации, когда g(t) = const;

–следящие системы, для которых g(t) является функцией времени;

–системы программного управления, у которых задающее воздействие g(t) изменяется в соответствии с программой управления.

В зависимости от характера уравнений, описывающих динамику изменения управляемых координат y(t), ЭМС как типичные САУ делятся на линейные и нелинейные.

Широко используется классификация САУ ЭП по виду используемых силовых преобразователей. Различают системы: генератор – двигатель, тиристорный преобразователь – двигатель, магнитный усилитель – двигатель, частотный преобразователь – двигатель.

Разомкнутые системы управления чаще всего бывают релейно-контак- торными, т. е. с использованием реле и контакторов, и бесконтактные, с использованием бесконтактных логических элементов.

13

Для САУ ЭП важным является классификация по выполняемым функциям [8]. Перечисленные ранее основные функции САУ ЭП выполняются с помощью семи групп структурной организации.

Первая группа систем выполняется по разомкнутой схеме, как правило, с питанием двигателей от сети. Аппаратура управления обычно релейного действия – контактная или бесконтактная. Системы управления этой группы обеспечивают простейшие операции пуска, останова и реверса без формирования переходных процессов. Такие принципы управления используются для маломощных двигателей постоянного тока (ДПТ), двухфазных асинхронных двигателей (АД) и трехфазных АД с короткозамкнутым ротором. Структурная схема представлена на рис. 1.3.

Вторая группа выполняется также разомкнутой, но УУ представляет собой более сложный блок, поскольку происходит формирование переходных процессов, связанных с необходимостью ограничения токов и моментов за счет использования пусковых сопротивлений и пусковых реакторов. Эта группа используется также для регулирования скорости в небольшом диапазоне и с невысокой точностью, которая определяется жесткостью механической характеристики ЭД.

Рис. 1.6. Структурная схема САУ оптимального процесса запуска и торможения

Третья группа структурной организации также предназначена для реализации процессов пуска, реверса и торможения, но предусматривает при этом решение задач оптимизации этих процессов. Ее структура представлена на рис. 1.6. В структурную схему добавлены следующие обозначения: ДМ – датчик момента; –uДМ(t) – сигнал отрицательной обратной связи по моменту; M(t) – электромагнитный момент, развиваемый ЭД.

Четвертая группа управления ЭП (рис. 1.7) обеспечивает автоматическую стабилизацию скорости ЭД или другой физической величины, жестко связанной со скоростью вращения вала ЭД . Такие системы выполняются за-

14

мкнутыми по основной физической величине y(t), т. е. работают по отклонению ε = g – uДС = g – kДС . Здесь uДС – сигнал главной отрицательной обратной связи по скорости вращения вала ЭД; kДС – коэффициент усиления датчика скорости вращения вала ЭД. На схеме добавлено обозначение датчика скорости ДС и статического момента, создаваемого нагрузкой и потерями в механической части (трение) Mс(t).

Рис. 1.8. Структурная схема следящей системы

Пятая группа САУ ЭП обеспечивает следящее управление и предназначена для слежения за входным сигналом управления g(t) = var, который изменяется по заранее неизвестному закону. Следящие приводы представлены широкой номенклатурой ЭП, применяемых в промышленности. Например, следящий ЭП для управления движением некоторого входного вала выходным валом привода. Следует отметить, что повторение движения выходным валом ЭП осуществляется с заданной ошибкой. В следящих ЭП регулируемой величиной является угол поворота, а само регулирование – регулированием по положению. Структурная схема следящей системы представлена на рис. 1.8. В схему добавлены датчики Д1 и Д2.

Система работает по отклонению ε(t) = kД1g(t) – kД2y(t) = uвх(t) – uвых(t).

15

На рис. 1.8 устройство Д1 преобразует задаваемую физическую величину g(t) в управляющий сигнал uвх(t), а Д2 преобразует выходную величину в сигнал обратной связи uвых(t).

Шестая группа СУ предназначена для автоматического управления ЭП технологических машин по заранее заданной программе. Программа чаще всего задается в функции времени. Программы могут быть самые разнообразные, например пуска, реверса, торможения, регулирования скорости, других физических величин, регулирования положения и т. д. Реализовываться они могут по замкнутой и разомкнутой схемам. Реализация по разомкнутой схеме требует использования дискретных – шаговых двигателей (ШД). Структурная схема реализации системы с программным управлением представлена на рис. 1.9.

ДС

y2(t)

УУ2 БУ ШД ШД ПУ2 РМ2

Рис. 1.9. Структурная схема системы с программным управлением

Рис. 1.10. Структурная схема адаптивной системы

В представленную структурную схему добавлены следующие блоки: УЗП – устройство задания программы; БУ ШД – блок управления шаговым двигателем; ШД – шаговый двигатель.

Принцип действия разомкнутой системы основан на том, что угол поворота выходного вала ШД на один управляющий импульс БУ ШД равен размеру шага двигателя, который зависит от типа ШД, числа пар его полюсов и способа включения его обмоток.

16

Седьмая группа обеспечивает качественную работу систем с неполной начальной информацией в условиях непредвиденных заранее изменений возмущений и внутреннего состояния системы, осуществляя автоматический выбор наилучших, оптимальных по какому-либо критерию режимов функционирования. Такие системы называют адаптивными или приспосабливающимися. Структурная схема систем седьмой группы представлена на рис. 1.10.

Представленная структурная схема состоит из двух контуров. Контур I является рабочим, обеспечивающим соответствие выходной величины y(t) задающему воздействию g(t). Контур II представляет собой контур адаптации. Вычислительное устройство ВУ этого контура вырабатывает управляющие воздействия z1…z3, обеспечивающие настройку УУ в соответствии с выбранными критериями, реализующими структурную и параметрическую оптимизацию регулирующих устройств блока УУ.

Достоинство такой структуры состоит в том, что даже при выходе из строя ВУ система сохраняет свою работоспособность.

1.4. Электрические схемы электромеханических систем

Электрическая схема ЭМС – это схема электрических цепей входящих в нее элементов и устройств. Электромеханические системы содержат множество отдельных элементов, электрически соединенных между собой проводами, кабельными линиями и шинами.

Приведем несколько примеров электрических схем ЭМС.

Рис. 1.11. Электрическая схема системы стабилизации угловой скорости вращения вала ЭД

Электромеханическая система стабилизации (рис. 1.11) [10]. В данной элек-

трической схеме приняты следующие обозначения элементов: M – электродвигатель (управляемый объект); BR – тахогенератор (ТГ) (измерительное устройство); A – усилитель.

Тахогенератор BR вырабатывает напряжение U1, пропорциональное управляемой величине – угловой скорости вращения вала ЭД . С помощью

17

потенциометра задающего устройства устанавливается напряжение U0, которое соответствует желаемому значению . Сигнал рассогласования U2 = U0 – U1 подается на усилитель A. С его выхода в обмотку управления ЭД M подается напряжение U3, являющееся управляющим воздействием. Таким образом ЭД устраняет создавшееся отклонение . Изменение создаваемого нагрузкой момента Mс представляет собой возмущающее воздействие.

Электромеханическая следящая система (рис. 1.12) [10].

~

Рис. 1.12. Электрическая схема следящей ЭМС

Произвольный закон изменения угла поворота во времени на входе системы θ1 = θ1(t) задается вращением командной оси КО извне. Он же должен автоматически воспроизводиться на ОУ, ось которого – исполнительная (ИО). Датчик угла рассогласования, состоящий из потенциометров RP1 и RP2, сравнивает углы поворота КО и ИО. В настоящее время вместо потенциометров используются синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ) или сельсины. Если углы поворота различны, то возникает рассогласование, или ошибка = θ1 – θ2. Соответственно на выходе датчика появляется напряжение, пропорциональное этой ошибке: U1 = k1 . Проходя через усилитель A напряжение U1 усиливается до значения U2 и поступает на обмотку управления ЭД M, который начинает вращаться, поворачивая через редуктор Р ИО в сторону уменьшения ошибки.

Подобная следящая система при незначительной мощности, требуемой для вращения КО, позволяет управлять мощными или тяжелыми объектами (орудийными башнями, антеннами радиолокаторов и т. п.). Кроме того, она может обеспечить дистанционное управление, т. е. КО может находиться на некотором удалении от ОУ и силовой части системы. При использовании радиоканалов расстояние между КО и ОУ может быть значительным. Это позволяет, например, управлять с Земли подвижными объектами, находящимися на Луне.

18

Следует учитывать, что полностью устранить ошибку следящая система, как и любая другая САУ, не может. Во-первых, это обусловлено наличием трения в осях, зонами нечувствительности и т. п., из-за чего ЭД останавливается при несколько отличающемся от нуля напряжении U2. Тогда и напряжение U1 должно отличаться от нуля. Однако U1 = k1 , таким образом должна существовать ошибка = и. Она называется инструментальной ошибкой.

Во-вторых, если со стороны ОУ к M через Р прикладывается возмущающее воздействие (момент нагрузки Мс), то для его компенсации сам ЭД должен создать момент противоположного знака. Для этого к его обмотке управления подается напряжение U2, пропорциональное Мс. В связи с этим появляется ошибка м, называемая моментной ошибкой. В результате, если повернуть КО на некоторый угол θ1 = θ10, то ИО повернется на угол

θ2 = θ10 – м – и.

В-третьих, если КО вращается с постоянной угловой скоростью ω1, то, очевидно, и ИО после завершения переходных процессов должна вращаться с той же скоростью, т. е. ω2 = ω1. Однако, чтобы ИО вращалась, к ЭД должно быть приложено напряжение U2, пропорциональное угловой скорости. Это возможно только при наличии скоростной ошибки ск, пропорциональной ω1. Таким образом, полная установившаяся ошибка в этом случае уст = ск + м + и.

Наличие моментной м и скоростной ск ошибок обусловлено самим принципом действия замкнутой системы, которая реагирует не на задающее и возмущающие воздействия, а на отклонение управляемой величины от ее желаемого значения.

1.5. Задачи анализа и синтеза электромеханических систем

Анализ – это исследование существующей (функционирующей или спроектированной) ЭМС [7]. Важно, чтобы все параметры системы были известны. При этом рассчитываются координаты ЭМС в процессе ее функционирования.

Задачи анализа ЭМС могут быть различными. Однако в целом они сводятся к определению значений управляемых координат при заданных управляющих координатах с учетом статического момента и момента инерции.

При анализе ЭМС определяются следующие характеристики:

– значения управляемых координат в статическом и динамическом режимах, например изменение скорости в процессе пуска ЭД;

19