Шпоры по СУЭП

3.1 Классификация систем электропривода

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

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

I Внешний элемент

Источник питания: 1 постоянного тока; переменного тока. 2 автономный источник; сеть. 3 по мощности; по напряжению; по частоте

II Управление

1 автоматическое (без участия человека – лифт, станок); ручное управление (все переключения 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.

III Исполнительный элемент

По назначению привода и главным стабилизируемым параметрам:

- приводы стабилизации усилия или момента на валу (тяговые, моталки, гл. приводы станков); - стабилизация скорости (краны, насосы, вентиляторы); - стабилизация положения: позиционные (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 условия эксплуатации, режимы работы

1Насосы, вентиляторы, компрессоры; 2 Подъемнотранспортные механизмы – краны, лифты, 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 настройки и структура системы изменяются в зависимости от условий и режимов работы. По типу преобразователя:

- выпрямитель; - инвертор; - преобразователь частоты; - преобразователь напряжения По элементной базе преобразователя: релейно-контакторные схемы, электромашинные, полупроводниковые.

Электромеханические преобразователи:

- тяговые реле; - электромагниты; - электромагнитные муфты и тормоза; - эл. двигатель Тормоза бывают позитивными и негативными (расторможены при подаче питания)

1

Эл. двигатели: постоянного и переменного тока По принципу действия:

синхронные и асинхронные, шаговые

Асинхронные двигатели

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 работает 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 ротора, обеспечивается 90° сдвиг.

Синхронные двигатели

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

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 энергетических 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 двигателя.

2 Вентильные двигатели – в состав входит дополнительно инвертор напряжения и датчик положения ротора. Питание обмоток формируется в зависимости от положения ротора. Регулировочные и механические характеристики соответствуют ДПТ сНВ.

3 Шаговые двигатели – на обмотку статора подается импульсное питание. При переключении обмоток ротор поворачивается. Система разомкнута. Возможен пропуск шагов.

ДПТ

По способу возбуждения:

-от постоянных магнитов;

-электромагнитное (независимое, последовательное, смешанное)

По способу регулирования:

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

2Регулирование напряжения

–плавно (тиристорные преобразователи),

-дискретно (переключение обмоток),

-ШИМ-регулирование (среднее значение соответствует коэффициенту заполнения)

-резистором

По конструктивному исполнению: вращающиеся, линейные, обращенная конструкция

2

По степени защиты: умеренное, тропическое, морское, брызгозащищенное, влагозащищенное, закрытое, взрывозащищенное.

По способу охлаждения: не вентилируемые, самовентилируемые, с принудительной вентиляцией.

Передаточное устройство

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 передаточных отношениях, ударные нагрузки при появлении люфта, малая жесткость, т.е. нарушение соответствия между углом поворота Д. и исполнительным механизмом. Безредукторный привод Используется в механизмах повышенной точности или механизмах со сверхбольшими моментами.

По видам передач ПУ:

ременная, зубчатая, фрикционная Зубчатые передачи бывают цилиндрические, конические, планетарные, волновые, червячные, винтовые.

3

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

Стадии разработки по ЕСКД:

1 Техническое задание (ТЗ)

1.1Наименование и шифр разработки

1.2Цель выполнения работы

1.3Основные технические характеристики. Указываются те характеристики, которые в дальнейшем подтверждаются результатами испытаний.

1.4Состав и структура изделия. Принцип действия. Требования к составным частям.

1.5Требования по помехозащищенности (электромагнитной совместимости), помехи по цепям питания, радиопомехи.

1.6Требования по условиям эксплуатации

1.7Транспортировка и хранение, упаковка и маркировка.

1.8Утилизация

1.9Календарный план. Сроки выполнения этапов.

1.10Финансирование

2 Научно-исследовательская работа

2.1Патентный поиск. Анализ технических решений, применяемых в данных и смежных областях.

2.2Расчет технических показателей, расчет элементов системы.

2.3Разработка эскизной документации (достаточная для изготовления макетного образца)

2.4Изготовление макетного образца, т.е. действующего образца, в котором не реализованы некоторые требования по технологичности, внешнему виду, компановки.

2.5Испытание 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 элементов систем, допуск на контролируемые величины).

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

Виды оптимизации

Любая инженерная задача формулируется как оптимизационная. По уровню различают:

1 Параметрическая оптимизация – в рамках заданной структуры и законов управления выбираются регулировочные параметры.

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

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)<Pзаданной (стоимость, габариты, энергопотребление) 3 Область вариации параметров

Хmin<Xi<Xmax

Область вариации параметров определяется изменяемыми параметрами: эксплуатационными характеристиками, диапазонами рабочих скоростей, нагрузок, вариантов схем, номиналами элементов.

В качестве целевой функции и ограничений выступают технические и техникоэкономические показатели системы (точность, диапазон регулирования, мощность, стоимость, 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.

Основные ограничения в системах ЭП

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 – Uпр = 3 кВ) и номинальное напряжение. Повышение напряжения выше номинального приводит к квадратичному снижению срока эксплуатации. На прочность изоляции дополнительно влияет темп нарастания напряжения и изменения тока (вихревые токи, паразитные индуктивность и емкость). Защита от перенапряжения – разрядники. Защита от Iкз – 10-12 кратная уставка. Тепловая защита – 1,1 кратная уставка от номинального. Защита от Iкз – быстродействующий предохранитель или автоматический выключатель.

2 Ограничение по току.

Предельно допустимый ток определяется максимально рассеиваемой мощностью наиболее слабого элемента, разрушение материала проводника или контакта. Например, при превышении 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). Предельные значения определяются механической прочностью наиболее слабого элемента передачи. Шпонки, ременная передача, фрикционная передача – защита механической части. При расчетах учитывается статическая и динамическая составляющие. Динамическая стойкость ≈ 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 динамическими 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

3.3 Статические и динамические показатели систем ЭП

При решении задач оптимального проектирования рассчитываются зависимости ограничений 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 проводить по предельным условиям эксплуатации, а не по номинальной точке.

Технические ограничения можно разделить на два класса:

статические.

динамические.

Статические показатели удобно представлять в виде желаемой механической и электромеханической характеристики ЭП.

1 Реверс.

2 Наличие торможения вперед и назад.

3 Диапазон регулирования: - скорости

- диапазон изменения момента:

DM M max M2 M min M1

4 Статическая точность поддержания скорости или момента.

∆ωС1 = ω2 ω7 Μ2 Μ1 100 % ω7 Μ2

Относительное отклонение скорости оговаривается по отношению к каждому из возможных возмущений (нагрузка, напряжение питания, температура), дополнительно приводится 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 относительных единицах. За базу принимается минимальное или номинальное значение.

2Установившееся отклонение ωу (установившаяся ошибка).

3Перерегулирование

ζ= ωmax ωy 100 %

ωy

4 Время достижения максимума tm.

5 Время переходного процесса tпп.

Временные параметры определяются по входу сигнала в 5% коридор относительно установившегося 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 значения вынужденной составляющей.

Частота колебаний соответствует частоте среза контура регулирования.

tm = 3,14 , ωс – частота среза, когда контурный коэффициент передачи равен 1. ωс

tпп = m tm

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

3.4 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 взаимосвязь.

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

UB, IB, kФ – не изменяются. Тогда получим:

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

Uя – Ед = ∆ Uя в двигательном режиме

М – Мст = Мдин

М = кФ Uя

R я Lя р

dtd = р - операторная форма записи

ω= Mдин

Ур

Ед = кФω На структурной схеме переменные

обозначаются стрелками, взаимосвязи – прямоугольниками.

8

3.5 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 бесконечного ряда синусоид, причем для каждого момента времени существует единственная составляющая, определяющая выходной сигнал, а сумма остальных составляющих равна 0. Коэффициент усиления звена

Любой элемент может быть описан передаточными функциями, зависимостью коэффициента передачи от частоты в операторной форме. При экспериментальном определении частотных 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 сложением.

При реакции на ступенчатый сигнал коэффициент передачи определяет амплитуду выходного сигнала, а частота – время.

tm = 3,14 , tпп = 3,14

ω2 ω1

Um = kmUвх

9