1. Классификация систем электропривода

Система – совокупность отдельных элементов, объединенная выполнением общей задачи. Эл.привод – система, состоящая из эл/мех. преобразовательного передаточного и управ- ляющего устройств, обеспечивающего преобразование э/э в механическую с требуемыми показателями.

Классификация по особенностям внешних и внутренних элементов и по организации взаимосвязи внутри системы

1. Внешний элемент

Источник питания: 1 постоянного тока; переменного тока. 2 автономный источник; сеть.

3 по мощности; по напряжению; по частоте

2. Управление

1 автоматическое (без участия человека – лифт, станок); ручное управление (все переклю-

чения осуществляет оператор – кран, электровоз); автоматизированное (основные решения

принимает оператор, система частично облегчает работу – автоматическая стабилизация

тока в трамвае). 2 по виду информации – непрерывная (аналоговая); релейная (логическая);

цифровая.

3. Исполнительный элемент

По назначению привода и главным стабилизируемым параметрам:

• приводы стабилизации усилия или момента на валу (тяговые, моталки, гл. приводы стан-

ков); - стабилизация скорости (краны, насосы, вентиляторы); - стабилизация положения: по-

зиционные (перемещение из одной известной точки в другую за минимальное время –

лифт); следящие (закон изменения входного сигнала заранее не известен – станки с ЧПУ,

прицел).

Классификация общепромышленных механизмов и типовых приводов, учитывает ус-

ловия эксплуатации, режимы работы

1Насосы, вентиляторы, компрессоры; 2 Подъемнотранспортные механизмы – краны, лиф- ты, подъемники; 3 Экскаваторы (жесткий режим работы); 4 Станки; 5 Металлургическое оборудование – прокатные станы, рольганги.

Классификация по построению системы:

• разомкнутые (стабилизируют характеристики в пределах естественной)

• замкнутые (только наличие ОС).

По общим признакам привода:

1 по климатическому исполнению; 2 обслуживаемые и не обслуживаемые

По элементной базе системы управления:

• релейно-контакторные системы; - электромашинные;

• полупроводниковые (преобразователь + устройство управления) Замкнутые системы по уровню сложности и элементной базе делятся на:

• аналоговые; - релейные; - цифровые

Аналоговые и цифровые системы могут выполняться адаптивными, когда параметры на-

стройки и структура системы изменяются в зависимости от условий и режимов работы.

По типу преобразователя:

• выпрямитель; - инвертор; - преобразователь частоты; - преобразователь напряжения

Поэлементнойбазепреобразователя: релейно-контакторные схемы, электромашинные, по-

лупроводниковые.

Электромеханические преобразователи:

• тяговые реле; - электромагниты; - электромагнитные муфты и тормоза; - эл. двигатель

Тормоза бывают позитивными и негативными (расторможены при подаче питания)

1

Эл . дви гате л и : постоянного и переменного тока Попринципудействия:

синхронные и асинхронные, шаговые

Ас ин хр онн ые дв ига те л и

В роторе наводится ЭДС, пропорциональная скольжению; под действием ЭДС появляется ток и вращающий момент. На пуске АД из-за преобладания индуктивного сопротивления развивает очень маленький момент, ток смещается относительно напряжения и потока на 90°, что равноценно смещению щеток в ДПТ. Частотное управление АД: скалярное и векторное

При скалярном управлении формируется напряжение и частота на статоре. Двигатель рабо- тает в пределах естественной характеристики.

При векторном управлении – устанавливается датчик скорости и датчик положения ротора. Напряжение на обмотке статора формируется в зависимости от положения вектора поля ро- тора, обеспечивается 90° сдвиг.

Син хр онн ые дв иг ате л и

Преимущества: стабильная частота вращения, возможность работы с опережающим cosθ высокие массоэнергетические и динамические показатели, простая технология изготовле- ния.

По виду возбуждения:

• двигатели с постоянными магнитами; - с электромагнитным возбуждением; - реактивные

(индукторные).

У индукторных машин явнополюсный ротор, это самые дешевые машины, недостаток –

большая инерционность ротора, требуется очень маленький зазор при высоких энергетиче-

ских показателях.

По способу управления машинами:

1. Классический синхронный двигатель – синусоидальное питание от сети, разомкнутая

схема, в ответственных механизмах добавляются система регулирования возбуждением,

компенсатор (регулирует cosθ и повышает момент при перегрузках), система пуска двига-

теля.

2. Вентильные двигатели – в состав входит дополнительно инвертор напряжения и датчик

положения ротора. Питание обмоток формируется в зависимости от положения ротора. Ре-

гулировочные и механические характеристики соответствуют ДПТ сНВ.

3. Шаговые двигатели – на обмотку статора подается импульсное питание. При переключе-

нии обмоток ротор поворачивается. Система разомкнута. Возможен пропуск шагов.

ДПТ

По способу возбуждения:

• от постоянных магнитов;

• электромагнитное (независимое, последовательное, смешанное)

По способу регулирования:

1. Релейно-контакторное с включением добавочного резистора последовательно или парал-

лельно.

2. Регулирование напряжения

– плавно (тиристорные преобразователи),

• дискретно (переключение обмоток),

• ШИМ-регулирование (среднее значение соответствует коэффициенту заполнения)

• резистором

Поконструктивномуисполнению: вращающиеся, линейные, обращенная конструкция

2

Постепенизащиты: умеренное, тропическое, морское, брызгозащищенное, влагозащищен- ное, закрытое, взрывозащищенное.

Поспособуохлаждения: не вентилируемые, самовентилируемые, с принудительной венти- ляцией.

Переда т оч н ое ус тр ойс тв о

1. Редукторный привод

2. Безредукторный привод

Редукторный привод

Преимущества: снижение массы за счет уменьшения габаритов двигателя, но при установке

передачи момент двигателя снижается.

Передача позволяет согласовать частоту вращения двигателя со скоростью перемещения

исполнительного элемента.

Недостатки: снижение КПД, нестабильность передаточного отношения при больших пере-

даточных отношениях, ударные нагрузки при появлении люфта, малая жесткость, т.е. на-

рушение соответствия между углом поворота Д. и исполнительным механизмом.

Безредукторный привод

Используется в механизмах повышенной точности или механизмах со сверхбольшими мо-

ментами.

По видам передач ПУ:

ременная, зубчатая, фрикционная

Зубчатые передачи бывают цилиндрические, конические, планетарные, волновые, червяч-

ные, винтовые.

3

2. Основные этапы разработки новых устройств, виды оптимизации, ограничения в системах ЭП

Стад и и раз раб отк и п о Е СКД :

1. Техническое задание (ТЗ)

   1. Наименование и шифр разработки

   2. Цель выполнения работы

   3. Основные технические характеристики. Указываются те характеристики, которые в

дальнейшем подтверждаются результатами испытаний.

4. Состав и структура изделия. Принцип действия. Требования к составным частям.

5. Требования по помехозащищенности (электромагнитной совместимости), помехи по це-

пям питания, радиопомехи.

1. Требования по условиям эксплуатации

2. Транспортировка и хранение, упаковка и маркировка.

3. Утилизация

4. Календарный план. Сроки выполнения этапов.

5. Финансирование

1. Научно-исследовательская работа

   1. Патентный поиск. Анализ технических решений, применяемых в данных и смежных об-

ластях.

2. Расчет технических показателей, расчет элементов системы.

3. Разработка эскизной документации (достаточная для изготовления макетного образца)

4. Изготовление макетного образца, т.е. действующего образца, в котором не реализованы

некоторые требования по технологичности, внешнему виду, компановки.

5. Испытание макетного образца. Цель: проверка соответствия технических характеристик

заданным. По результатам испытаний принимаются решения по уточнению тех. задания, по доработке макета или о постановке на серийное производство.

3. Рабочий проект (опытно-конструкторская работа)

Цель: подготовка серийного производства, сокращение времени на изготовление и отладку,

контроль качества выпускаемой продукции.

Выпуск документации на изготовление в полном объеме.

Ведомости покупных и комплектующих изделий с перечнем замен.

Чертежи сборочных единиц, узлов и деталей.

Монтажные схемы или таблицы соединений.

Методики монтажа, проверки. регулировки.

Технические условия (входной и выходной контроль параметров комплектующих и элемен-

тов систем, допуск на контролируемые величины).

Методики проверки, приборов и аппаратура, применяемые для контроля. Разрабатывается испытательная аппаратура.

В ид ы оп тим и за ци и

Любая инженерная задача формулируется как оптимизационная. По уровню различают:

1. Параметрическая оптимизация – в рамках заданной структуры и законов управления вы- бираются регулировочные параметры.

2. Структурная оптимизация – в рамках заданных законов регулирования и управления из- меняется структура или принцип действия отдельных блоков, затем выбираются параметры (переход с аналогового на цифровое управление; замена релейно-контакторной схемы кон- троллером).

3. Функциональная оптимизация – выбираются законы управления, структура и параметры.

4

Математическое описание: 1 Целевая функция

Цель (min, max, const) [F(x) min] 2 Ограничения

P(x)<P_{заданной} (стоимость, габариты, энергопотребление) 3 Область вариации параметров

Хmin<Xi<Xmax

Область вариации параметров определяется изменяемыми параметрами: эксплуатационны-

ми характеристиками, диапазонами рабочих скоростей, нагрузок, вариантов схем, номина-

лами элементов.

В качестве целевой функции и ограничений выступают технические и технико-

экономические показатели системы (точность, диапазон регулирования, мощность, стои-

мость, срок службы) и их сочетание.

По системе экспертных оценок целевая функция формулируется в следующем виде:

F(x) = k₁C + k₂T + k₃N, где С, Т, N – весовые коэффициенты, которые определяются по

средним значениям оценок экспертов.

Осн овн ые огра н ич е н ия в с ис те м а х Э П

Ограничения влияют на область вариации параметров системы.

1. Ограничение по напряжению

Пробой изоляции, в эл. машинах межламельный промежуток коллектора.

Оговаривается напряжение пробоя изоляции (двигатель на 380 В – U_пр = 3 кВ) и номиналь- ное напряжение. Повышение напряжения выше номинального приводит к квадратичному

снижению срока эксплуатации. На прочность изоляции дополнительно влияет темп нарас- тания напряжения и изменения тока (вихревые токи, паразитные индуктивность и емкость). Защита от перенапряжения – разрядники. Защита от I_кз – 10-12 кратная уставка. Тепловая защита – 1,1 кратная уставка от номинального. Защита от I_кз – быстродействующий предо- хранитель или автоматический выключатель.

2. Ограничение по току.

Предельно допустимый ток определяется максимально рассеиваемой мощностью наиболее

слабого элемента, разрушение материала проводника или контакта. Например, при превы-

шении тока у ДПТ взрываются щетки.

3. Ограничение по нагреву.

Рассеиваемая мощность на участке цепи. Защита – биметаллические контакты.

4. Ограничение по моменту или передаваемому усилию.

Ломается механическая часть (шпонки, зубчатые передачи, шпильки, муфты, валы). Пре-

дельные значения определяются механической прочностью наиболее слабого элемента пе-

редачи. Шпонки, ременная передача, фрикционная передача – защита механической части.

При расчетах учитывается статическая и динамическая составляющие. Динамическая стой-

кость ≈ на 30-50% < статической (ударные нагрузки).

5. Ограничение по скорости или частоте вращения.

Нагрев подшипников, динамические нагрузки из-за дисбаланса и центробежных усилий.

6. Ограничение по мощности.

Для автономных систем мощность источника питания. Обычно оговаривается импульсная

мощность (пиковый режим) и длительная мощность (номинальный режим).

7. Ограничение по ускорению и рывку.

Рывок – темп набора ускорения (вторая производная от скорости). Связано с динамически-

ми нагрузками на элементы привода. В большинстве механизмов ускорение ограничивается на уровне 3 м/с². Для большинства переменных оговариваются не только максимальные значения, но и темпы их изменения. Например, скорость нарастания тока или напряжения.

5

3. Статические и динамические показатели систем ЭП

При решении задач оптимального проектирования рассчитываются зависимости ограниче- ний от каждого из варьируемых параметров и определяется область возможной реализации. При линейной зависимости оптимальное решение всегда находится на одной из вершин, т.е. в точке, соответствующей совпадению ограничений. Вывод: проектирование нужно прово- дить по предельным условиям эксплуатации, а не по номинальной точке.

Технические ограничения можно разделить на два класса:

• статические.

• динамические.

Статическиепоказатели удобно представлять в виде желаемой механической и электроме-

ханической характеристики ЭП.

1. Реверс.

2. Наличие торможения вперед и назад.

3. Диапазон регулирования:

- скорости

^ω = ^ω , Dω = ^ω

Dω_↑ =

max 2 4

↓

^ωmin ^ω1 ^ω3

- диапазон изменения момента:

_{D }M max _^M ₂

^M M min M

1

4. Статическая точность поддержания скоро- сти или момента.

∆ω_С1 =

ω₂ ω_{7 }Μ₂

^Μ1 100 %

ω₇ Μ₂

Относительное отклонение скорости оговаривается по отношению к каждому из воз- можных возмущений (нагрузка, напряжение питания, температура), дополнительно приво- дится суммарная погрешность.

Динамические показатели

Описывают качество переходных процессов в системе.

Рассчитываются и оцениваются при ступенчатом входном воздействии.

1 Максимальное отклонение или динамическая ошибка регулирования – определяется в от-

носительных единицах. За базу принимается минимальное или номинальное значение.

2. Установившееся отклонение ω_у (установив- шаяся ошибка).

2. Перерегулирование

_{ζ =} ^ωmax

ω_y

100 %

ω_y

2. Время достижения максимума t_m. 5 Время переходного процесса t_пп.

Временные параметры определяются по входу сигнала в 5% коридор относительно устано- вившегося или псевдоустановившегося значе-

ния (вынужденная составляющая переходного процесса).

6

При сложном переходном процессе выделяется свободная составляющая sin с затуханием по экспоненте и вынужденная.

Временные показатели определяются по 5% коридору относительно максимального значе- ния вынужденной составляющей.

Частота колебаний соответствует частоте среза контура регулирования.

3,14

t_m =

ω_с

, ω_с – частота среза, когда контурный коэффициент передачи равен 1.

t_пп =

m t_m

6 Число колебаний m

_{m =} ^tпп

t _m

Число колебаний определяется числом полупериодов. В замкнутых системах регулирования число колебаний и перерегулирование зависят от запаса устойчивости по фазе.

7

4. Разработка структурных схем с использованием графов

Граф – графическое представление взаимосвязей переменной в системе.

В вершинах (или узлах) изображаются переменные. Стрелками показывается направление

взаимодействия. Над стрелками располагаются постоянные величины, влияющие на взаи-

мосвязь.

Построение графа – разработка системы обозначений и допущений, принятых в расчете.

Пример: ДПТ НВ

кФ = const ОВ:

Построенный граф позволяет выделить парные взаи-

мосвязи переменных, определить общую структуру сис-

темы, исключить промежуточные переменные.

U

I_B =

B

R _B L_B p

N_a – число активных проводников а – число ветвей

Для упрощения рассмотрим режим работы с посто- ян- ным потоком.

U_B, I_B, kФ – не изменяются.

Тогда получим:

По упрощенному графу составляется структурная схема – определяются передаточные функции между парными взаимодействиями и уравнения для узлов.

U_я – Е_д = ∆ U_я в двигательном режиме М – М_ст = М_дин

М = кФ

ΔU_я

R _я L_я р

^d = р - операторная форма записи

dt

_{ω =} ^M дин

У р

Е_д = кФω

На структурной схеме переменные

обозначаются стрелками, взаимосвязи – прямоугольниками.

к

W_яц = ^я

, Т_я =

L

^я , к_я =

кФ / R _я

; W_яц 

к_ф / R _я

Т_я р 1 R _я

1 Т_я р

L_я / R _я р 1

8

5. Анализ динамики систем с использованием метода ЛАЧХ

Метод справедлив для линейных систем. В основе метода преобразования Фурье и Лапласа. Преобразование Фурье: Ступенчатая функция может быть представлена в виде бесконечно- го ряда синусоид, причем для каждого момента времени существует единственная состав- ляющая, определяющая выходной сигнал, а сумма остальных составляющих равна 0. Коэффициент усиления звена

_{к =} ^ΔUвых

ΔU_вх

₌ ^Авых

^Авх

Любой элемент может быть описан передаточными функциями, зависимостью коэффици- ента передачи от частоты в операторной форме. При экспериментальном определении час- тотных характеристик на вход элемента подается синусоидальный сигнал, изменяя частоту определяется коэффициент передачи и фазовый сдвиг в зависимости от частоты (АЧХ и ФЧХ).

Для линейных минимально-фазовых звеньев АЧХ и ФЧХ однозначно связаны – единичный наклон 90°.

В нелинейных системах амплитуда и фаза определяются по первой гармонике сигнала.

Частотные характеристики строятся обычно в логарифмическом масштабе, что позволяет

снизить ранг математических операций. Например, заменить операцию умножения сложе-

нием.

При реакции на ступенчатый сигнал коэффициент передачи определяет амплитуду выход-

ного сигнала, а частота – время.

t_m =

3,14

ω₂

, t_пп =

3,14

ω₁

U_m = k_mU_вх

_{W =} 1

Тр 1

р = jω

1

=

j 0,1 1

1 ₌

j 1

1

2

9

Построение частотных характеристик:

В передаточную функцию вместо р подставляют jω, сравниваются вещественные и мнимые

части для разных значений частот. Меньшая часть при построении аппроксимированных

характеристик отбрасывается. Определяются коэффициенты передачи во всем диапазоне

частот. В точках излома погрешность аппроксимированной характеристики 

изменение наклона.

Для последовательно включенных звеньев погрешности перемножаются

N = N_B – N_Н

2 ^N, где N –

6. Типовые звенья. Построение частотных характеристик, расчет показателей пе- реходных процессов. Влияние на точность расчетов аппроксимации характеристик и запаса устойчивости.

Т ип о вые зве нь я

1. Пропорциональное звено

ЛАЧХ Переходная функция

Во входной цепи и в канале обратной связи усилителя включены резисторы R₁ и R₂.

R

W_P = ²

R₁

= k, W_P – передаточная функция.

2. Интегрирующее звено

1

W_Р _Тр

ЛАЧХ Переходная функция

3. Пропорционально-интегральное звено

W_ПИ =

Т₁р 1 ₌

Т₂ р

К_П 

1

Т_И р

ЛАЧХ ПИ-регулятора Переходная функция ПИ-регулятора

4. Дифференцирующее звено

L

+1

Uвых

1/Тд

 ^t

Тд



W_P Tp

4. Апериодическое звено

W_A 

k

Tp 1

t T

– соответствует переходному процессу в виде экспоненты:

^Uвых

k

k * e

L

k/T



-1

6 Реально-дифференцирующее звено

W_P 

T₁p

T₂p 1

(T₁p) 

1