1 Опис систем двухзонного регулювання

Системи двузонного керування знайшли широке застосування в різноманітних сферах вробництва. Такі системи використовуються в електроприводах призначних для механізмів станків, приводах головних механізмів подач металообробних станків, приводах головних та допоміжних механізмів прокатного виробництва!

В системах двузоннго керування зміна швидкості до номінальної забезпечується за рахунок зміни напруги на якорі двигуна при постійному потоці збудження, а регулювання у верхній частині діапазону – за рахунок в дії на поток при постійнїй напрузі чи ЕРС двигуна.

В системах двозонного керування застосовують залежне та параметричне керування полем двигуна.

Функціонально схема системи керування збудженням двигуна представлена на рисунку 1.1, де позначені: Д – двигун, ЗІ – задатчик інтенсивності, ТПЯ, ТПЗ – тиристирной перетворювач в ланцюгу якорю та збудження, РШ, РС, РЕ, РЗ, ДШ, ДС, ДЕ, ДЗ – регулятори та датчики швидкості, струму якоря, ЕРC та збудження відповідно, БВМ – блок виділення модулю.

Рисунок 1.1 – Функціональна схема системи із залежним керуванням полем двигуна

Ця система включає дві взаємозв'язані підсистеми: а) підсистему регулювання швидкості з регулятором швидкості (РШ) і підлеглим контуром регулювання струму якоря (КРС) що впливає на ТПЯ; б) підсистему регулювання ЕРС з регулятором ЕРС (РЕ) і підлеглим контуром регулювання струму (потоку) збудження ( КРЗ) що впливає на ТПЗ.

Для забезпечення нормальної роботи приводу виходи РШ і РЕ повинні бути обмежені: РШ - па рівні, відповідному максимально-допустимому струму якоря двигуна, а РЕ - на рівні, відповідному номінальному струму збудження .

Зв'язок другої підсистеми з першою здійснюється через ЕРС двигуна. Управління швидкістю обертання двигуна у всьому діапазоні проводиться зміною одного сигналу - завдання за швидкістю на вході першої підсистеми.

Поки двигун працює на швидкості нижче основної, значення ЕРС двигуна менше номінального. Задаюча напруга контура ЕРС вибирається рівним вихідній напрузі ДЕ при поминальній ЕРС двигуна. Тому при, регулятор ЕРС знаходиться в насиченні, а струм збудження двигуна підтримується рівним номінальному. Коли швидкість і ЕРС двигуна досягають номінального значення, РЕ виходить з насичення, і контур регулювання ЕДС замикається. З цієї миті система прагне підтримати ЕДС двигуна постійною, а подальше збільшення швидкості відбувається в основному за рахунок ослаблення поля.

Пуск може здійснюватися при контролі струму, тобто в режимі струмообмеження (задатчик інтенсивності відсутній, регулятор швидкості в насиченні) і при контролі швидкості (під управлінням задатчика інтенсивності). При роботі від ЗІ з постійним темпом зміни вихідного сигналу підтримується постійний динамічний момент, а при використанні ЗІ з регульованим у функції потоку темпом зміни вихідного сигналу постійний динамічний струм.

Рисунок 1.2 – структурні схеми задавачів інтенсивності, забезпечуючих розгін системи

а) з постійним динамічним моментом,

б) з постійним динамічним струмом

Тиристорні перетворювачі представляємо у вигляді аперіодичних ланок з однаковою постійною часу , яку при нормуванні приймаємо як базову величину. Відповідно до цього

. (1.1)

Контур регулювання збудження може замикатися по потоку збудження або по його струму.

Датчики струму якоря, потоку збудження і швидкості вважатимемо безінерційними.

(1.2)

а датчики струму збудження і ЕРС - інерційними:

(1.3)

(1.4)

Передавальні функції регуляторів у відносних одиницях (в.о.) відповідно до принципу підлеглого регулювання параметрів мають вигляд:

(1.5)

(1.6)

(1.7)

(1.8)

(1.9)

де , , , , - постійні часу інтеграції відповідних контурів.

Як видно з формул (1.5) - (1.9) передавальні функції регуляторів швидкості, потоку і струму збудження і ЕРС містять змінні параметри.

Для лінеаризації відповідних контурів необхідно ускладнювати структуру регуляторів. У простому випадку змінні параметри замінюють деякими постійними величинами. З умови забезпечення найбільшого запасу стійкості у всьому діапазоні регулювання швидкості приймемо як розрахункових наступні значення змінних параметрів:

, (1.10) Системи з параметричним управлінням полем двигуна використовують в основному в системах непрямого регулювання швидкості (за відсутності ДС).

Рисунок 1.3 – Фунуціональна схема системи з роздільним керуванням полем двигуна

Як видно з рисунку. 1.3, в системі з параметричним управлінням замість контура регулювання швидкості в головному каналі використовується контур ЕРС або напруга. А підсистема збудження має тільки один контур (відсутній контур ЕРС). Наявність задавача інтенсивності - необхідна умова нормальної роботи цієї системи. Перехід в другу зону здійснюється за допомогою зада збудження ЗЗ. Для нормальної роботи необхідний також розділовий підсилювач РП, що обмежує завдання на ЕРС двигуна на рівні, відповідному ЕРС холостого ходу.

Датчики і регулятори в цій системі мають такі ж передавальні функції, як і в системі із залежним управлінням.

Для розуміння роботи системи необхідно розглянути діаграми нелінійних елементів ЗІ, РП і ЗЗ у функції часу, зображені на рисунку 1.4

Рисунок 1.4 – Діаграми роботи нелінійних елементів

Тут - час наростання вихідного сигналу ЗІ до рівня відповідного рівню ідеального холостого ходу на природній механічній характеристиці, тобто при номінальному потоці збудження.

З діаграм видно, що при працює тільки КРЕ при , а при працює КРЗ при .

Для цієї схеми необхідно визначити аналітичний вираз для статичної характеристики 3З.

Вид цієї характеристики залежить від того, який з параметрів при розгоні ми хочемо підтримувати постійним: динамічний момент і прискорення або динамічний струм

Виведемо характеристики 3З для двох варіантів.

a) PP з

Вихідний сигнал задатчик інтенсивності змінюється згідно із законом:

(1.11)

де - прискорення приводу:

(1.12)

З умови постійності ЕРС в другій зоні, тобто при , потік повинен змінюватися згідно із законом:

(1.13)

Якщо нехтувати інерційністю КРПЗ, можна рахувати що і завдання на потік повинне змінюватися приблизно по такому ж закону:

(1.14)

Оскільки ми прагнемо підтримувати якесь задане значення динамічного моменту постійним () то, нехтуючи інерційністю КРЕ. можна вважати, що , тобто система відпрацьовує сигнал ЗІ без запізнювання. Тоді рівняння вихідної характеристики 3З в другій зоні можна записати в наступному вигляді:

(1.15)

В той же час при роботі в першій зоні вихідний сигнал 3З повинен бути постійним і відповідати номінальному потоку збудження. Все це можна записати до виді рівняння:

(1.16)

б) 3З з

Вихідна характеристика ЗЗ в першій зоні відома, - вона постійна і відповідає номінальному потоку збудження. Визначимо вихідну характеристику ЗЗ в другій зоні з умови:

(1.17)

Оскільки динамічний момент пропорційний заданому прискоренню розгону ЗІ , означає відношення прискорення до потоку збудження теж повинен бути постійним:

(1.18)

Прискорення є не що інше, як похідна за часом від швидкості:

(1.19)

Інтегруючи вираз за часом, отримаємо:

(1.20)

Оскільки з рівняння (1.11)

(1.21)

то

(1.22)

Підставляючи останній вираз в рівняння (1.20), одержимо:

(1.23)

З умови постійності ЕРС слідує:

(1.24)

Далі:

(1.25)

Продиферинцюємо обидві частини цього рівняння по :

(1.26)

Преобразуємо останній вираз до вигляду зручному для інтеграції:

(1.27)

і проінтегруємо:

(1.28)

Вирішуючи рівняння з однією змінною відносно , одержимо вираз для визначення вихідної характеристики ЗЗ з в другій зоні:

(1.29)

У загальному вигляді (для обох зон регулювання) рівняння вихідної характеристики ЗЗ можна записати таким чином:

(1.30)

Оскільки в цьому режимі рівняння (1.15) порушується, тобто

(1.31)

то стале значення швидкості не відповідатиме вихідному сигналу ЗІ:

(1.32)

Це є недоліком даного варіанту ЗЗ.

У сталому режимі роботи приводу заданий потік рівний:

(1.33)

где: d – діапазон послабшаня поля,

(1.34)

Підставляючи вираз (1.33) в (1.29) і рішаючи його відносно отримаємо:

(1.35)

З виразу (1.35) слідує, що для отримання діапазону ослаблення поля d рівного двом необхідно на вхід ЗІ подати сигнал рівний: . що в абсолютних одиницях відповідає двом з половиною номіналам швидкості.

Щоб уникнути цієї невідповідності, в даній системі необхідно застосовувати ЗІ з темпом зміни вихідного сигналу, залежним від потоку збудження або сигнала завдання на нього. Один з можливих варіантів такого ЗІ приведений на рисунку 1.26.

2 РОЗРАХУНОК СИСТЕМИ ДВУХЗОННОГО РЕГУЛЮВАННЯ ШВИДКОСТІ З ЗАЛЕЖНИМ КЕРУВАННЯМ

2.1 Розрахунок параметрів контуру регулювання струму збудження

Завданням для КРСЗ є напруга, отримана з датчику струму збудження. Коефіцієнт пердачі датчику КРСЗ дорівнює:

(2.1)

де U_ДСЗ =10 В.

Схема заміщення обмотки збудження двигуна має вигляд:

Рисунок 2.1 – Схема заміщення обмотки збудження двигуна

Тут: R_З − повний опір ланцюга збудження, L_З − індуктивність обмотки збудження, R_д − опір контуру, що демпфірує (цей опір ураховує втрати від вихрових струмів у статорі двигуна) , I_З − повний струм ланцюга збудження, I_З’ − струм, що намагнічує, Iд − струм контуру, що демпфірує (вихровий струм).

На основі правил розрахунку електричних ланцюгів можна записати:

(2.2)

де Т_д − постійна часу контуру вихрових струмів, Т_З − постійна часу ланцюга збудження.

(2.3)

Величина струму, що намагнічує, Iз' являє собою частину струму збудження, і перебуває з вираження:

(2.4)

Величина магнітного потоку перебуває із кривої намагнічування по струму намагнічування.

Рисунок 2. Крива намагнічування обмотки збудження

Линеаризуючи цю криву, можна записати:

(2.5)

З урахуванням допоміжних залежностей, структурна схема ланцюга збудження двигуна буде мати вигляд:

Рисунок 2.3 - Структурна схема ланцюга збудження двигуна.

Якщо при аналізі величина струму збудження не використається, то цю структурну схему можна згорнути до більше простого виду:

Рисунок 2.4 - Згорнута структурна схема ланцюга збудження двигуна.

У практичних розрахунках при визначенні чисельних значень параметрів ланцюга збудження, можна скористатися наступними формулами:

(2.6)

де p − число пар полюсів, ∆Ф й ∆I_З збільшення потоку й сили струму збудження, L_s − індуктивність розсіювання.

Індуктивність розсіювання визначається по формулі:

(2.7)

де Ф_sн − потік розсіювання при номінальному струмі збудження. I_ЗН − номінальний струм збудження двигуна. Ф_sн звичайно вказується в формулярі двигуна.

При відсутності цих даних можна використати формулу:

(2.8)

де δ – коефіцієнт розсіювання, , В_δ – індукція в повітряному зазорі, Ф_н – номінальний потік збудження.

Постійна часу контуру вихрових струмів: