Системы управления электромеханическими объектами. Однозонный реверсивный тиристорный электропривод постоянного тока с обратной связью по скорости и стабилизацией тока возбуждения двигателя.

Регулятор тока для удобства варьирования параметров представлен последовательным соединением интегрирующего звена и форсирующего.(9.2)Параметры звеньев регулятора тока приведены в таблице 9.2.Таблица 9.2Коэффициент усиления регулятора токаПостоянная времени изодромной части регулятора токаРисунок 9.1 – Схемы трех моделей контура тока с разными предустановленными значениями изодромной постоянной времениПараметры звеньев модели:Задатчик тока:, ;Регулятор тока:;Тиристорный преобразователь:(9.3)Якорная цепь:(9.4)Датчик тока:(9.5)При каждом моделировании в регуляторе тока меняем только коэффициент пропорционального усиления.Результаты моделирования изображены на рисунках 9.2-9.4.Рисунок 9.2 – Осциллограммы тока при :1 - ; 2 - ; 3 - Рисунок 9.3 – Осциллограммы тока при :1 - ; 2 - ; 3 - Рисунок 9.4 – Осциллограммы тока при :1 - ; 2 - ; 3 - Моделирование в ПО MatLabSimulink.Рисунок 9.5 – Схема трех моделей тока с разными предустановленными значениями изодромной постоянной времени в ПО MatLabSimulinkПараметры звеньев модели соответствуют параметрам звеньев в ПО Samsim.Интегрирующее и форсирующее звено объединены в одно, а коэффициент форсирующего звена вынесен отдельно для удобства построения схемы и моделирования, что обусловлено возможностями ПО MatLabSimulink.Результаты моделирования в ПО MatLabSimulink.Рисунок 9.6 – Осциллограммы тока при kрт=kрт (мо):1 – Tиз = 0.5∙Tэ;2 – Tиз = Tэ; 3 – Tиз = 2∙Tэ.Рисунок 9.7 – Осциллограммы тока при kрт=2∙kрт (мо):1 – Tиз = 0.5∙Tэ; 2 – Tиз = Tэ; 3 – Tиз = 2∙TэРисунок 9.8 – Осциллограммы тока при kрт=0.5∙kрт (мо):1 – Tиз = 0.5∙Tэ; 2 – Tиз = Tэ; 3 – Tиз = 2∙Tэ.Из осциллограмм видно, что при увеличении коэффициента регулятора тока уменьшается время регулирования, однако колебательность переходного процесса увеличивается. При увеличении изодромной постоянной времени регулятора тока уменьшается перерегулирование, однако время переходного процесса увеличивается. При настройке на модульный оптимум имеем оптимальные параметры переходного процесса с перерегулированием в 4.3% (рисунок 9.2, 2).9.2 Исследование контура тока при заторможенном двигателеПри исследовании контура тока на его вход следует подать знакопеременный сигнал (меандр), соответствующий максимальному току электродвигателя, построить осциллограммы тока и напряжения на двигателе и проанализировать полученные результаты. Рисунок 9.9 – Схема модели в ПО SamSimпри исследовании контура токаПараметры входных сигналов и звеньев модели:Задатчик тока 1:, ;Задатчик тока 2:, ;Регулятор тока:Тиристорный преобразователь:Якорная цепь:Датчик тока:Результаты моделирования представлены на рисунках 11.6, 11.7.Рисунок 9.10 – Осциллограмма тока двигателя при отработке максимального знакопеременного сигнала задания (меандра)Рисунок 9.11 – Осциллограмма напряжения электродвигателя при отработке максимального знакопеременного сигнала задания (меандра)Моделирование в ПО MatLabSimulinkРисунок 9.12 – Схема модели в ПО MatLabSimulink при исследовании контура токаРисунок 9.13 – Осциллограмма тока двигателя при отработке максимального знакопеременного сигнала задания (меандра)в ПО MatLabSimulinkПараметры звеньев модели соответствуют параметрам звеньев в ПО Samsim.Интегрирующее и форсирующее звено объединены в одно, а коэффициент форсирующего звена вынесен отдельно для удобства построения схемы и моделирования, что обусловлено возможностями ПО MatLabSimulinkИз осциллограммы тока видно, что абсолютное значение перерегулирования при реверсе задающего сигнала вдвое больше. Однако его относительное значение по отношению к изменению выходного сигнала осталось прежним, то есть на уровне 4,3%.Из осциллограммы напряжения можно оценить реальные запасы тиристорного преобразователя по напряжения на статику и динамику и сделать окончательный вывод, что запас на динамику превышает запас на статику.9.3 Исследование внешнего контура скоростиЗадание на цифровое моделирование.Смоделировать работу системы электропривода с задатчиком интенсивности на входе и без задатчика по следующему алгоритму: пуск привода на холостом ходу до скорости , работа на холостом ходу, приложение статической нагрузки , работа под нагрузкой, реверс до скорости , работа на новой скорости под нагрузкой, снятие нагрузки, работа на холостом ходу, останов. Интервалы времени должны быть такими, чтобы изменения задающих и возмущающих сигналов приходились на установившийся режим работы привода. Сначала следует смоделировать работу привода с ЗИ на входе и установить такие интервалы времени, при которых установившиеся режимы не превышают (0,5 - 1) с. Затем с этими же интервалами смоделировать работу без задатчика интенсивности.Относительные значения задающих сигналов для скоростей , , возмущающего воздействия и динамического тока приведены в таблице 11.3.Таблица 11.3ПараметрОтносительное значениеАбсолютная величина1-0,80,70,6Исходные данные для цифрового моделирования внешнего контура однозонного АЭП с подчиненным регулированием параметров.Значения параметров на каждом интервале приведены в таблице 11.4.Таблица 11.4№ интервалаДлительность интервала, сОкончание интервала, сЗадание на скоростьСтатическая нагрузка11,51,520,5231,53,540,54 515Схемы моделей в ПО SamSim приведены на рисунке 11.8.а)б)Рисунок 9.14 – Схемы моделей в ПО SamSimоднозонного АЭП с подчиненным регулированием параметров с П-регулятором скорости с задатчиком интенсивности (а) и без задатчика интенсивности (б)Параметры звеньев модели:1. Ступенчатое воздействие:,;2. Ступенчатое воздействие:,;3. Пропорциональное звено датчика скорости:4. Пропорциональное звено регулятора скорости:5. Ограничение регулятора скорости (ограничение задания на ток):, , ;6. Замкнутый контур тока:где , ;7. Электромеханическая часть 1 электродвигателя:где 8. Электромеханическая часть 2 электродвигателя:;9. Ступенчатое воздействие:,;10. Ограничитель:, , ;11. Усилитель сигнала:;12. Пропорциональное звено задатчика интенсивности (нуль орган):;13. Ограничитель сигнала нуль органа задатчика интенсивности:, , ;14. Интегрирующее звено задатчика интенсивности:, где – относительное значение динамического тока в долях от номинального тока двигателя ; – относительное сопротивление якорной цепи двигателя в долях от номинального сопротивления электродвигателя; – номинальное сопротивление электродвигателя.Результаты моделирования представлены на рисунках 9.15 и 9.16.Рисунок 9.15 – Осциллограмма сигналов скорости (1) и тока (2) при пуске, приложении нагрузки, реверсе, снятии нагрузки, останове электродвигателя с задатчиком интенсивности на входеАнализ осциллограммы.При наличии задатчика интенсивности на входе контура скорости интенсивности процессов разгона и торможения остаются неизменными и не зависят от нагрузки на валу. Длительности переходных процессов увеличиваются, но регулятор скорости не выходит на ограничение, а ток двигателя не достигает максимальных значений.При пуске с задатчиком интенсивности на входе ток двигателя определяется (равен) сумме статического и динамического, а при торможении – их разности. При торможении под нагрузкой привод может продолжать работу в двигательном режиме, если статический ток превышает динамический.Рисунок 11.10 – Осциллограммы сигналов скорости (1) и тока (2) при пуске, приложении нагрузки, реверсе, снятии нагрузки и останове без задатчика интенсивности на входеАнализ осциллограмм.При подаче сигнала на вход регулятора скорости (, соответствующего скорости идеального холостого хода, регулятор скорости выходит на ограничение и задает максимальный сигнал задания на контур тока. Быстродействующий контур тока выводит ток двигателя на максимальный уровень (реально ток двигателя будет чуть меньше из-за влияния внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС). Двигатель разгоняется. При пуске на ХХ весь ток – динамический, поэтому интенсивность разгона – максимальная. При скорости близкой к заданной регулятор скорости «сходит» с ограничения, уменьшая сигнал задания на входе контура тока, что приводит к снижению ток двигателя (на ХХ ток уменьшается до нуля). Приложение нагрузки (статического момента) к валу двигателя приводит с П регулятором скорости к снижению скорости на величину, соответствующую статической посадке скорости. Выходной сигнал регулятора скорости будет формировать такой сигнал задания на ток, при котором ток якоря будет равен статической нагрузке ( =).Реверс сигнала задания приводит к выходу регулятора скорости на ограничение другого знака и формированию максимального сигнала задания тормозного тока, который быстро отрабатывается контуром тока. Начинается торможение двигателя, которое идет под действием тормозного момента, развиваемого двигателем, и статического момента на валу. При изменении направления вращения реактивный момент нагрузки меняет знак, поэтому интенсивность разгона в другом направлении с нагрузкой на валу будет меньше, чем на ХХ. При приближении к заданной скорости другого направления регулятор скорости «сойдет» с ограничения, уменьшая задание на ток. В установившемся режиме выходной сигнал регулятора скорости (сигнал задания на ток) будет соответствовать статической нагрузке на валу ( =).Снятие нагрузки на валу двигателя с П регулятором скорости приведет к увеличению скорости на величину, соответствующую статической посадке скорости. Ток двигателя на ХХ уменьшится до нуля.Снятие сигнала задания на скорость приводит к выходу на ограничение сигнала регулятора скорости и задание максимального тормозного тока двигателя, под действием которого двигатель буде тормозиться. При скорости близкой к нулю выходной сигнал регулятора скорости «сойдет» с ограничения, задавая ток меньше максимального. При полном останове задание на ток и соответственно ток двигателя будут равны нулю.Моделирование в ПО MatLabSimulink:Рисунок 9.17Схема модели в ПО МatLabSimulinkоднозонного АЭП с подчиненным регулированием параметров с П - регулятором скорости с задатчиком интенсивности.Параметры звеньев соответствуют параметрам звеньев в ПО Samsim.Рисунок 9.18 – Осциллограммы сигналов скорости 1 и тока 2 при пуске, приложении нагрузки, реверсе, снятии нагрузки и останове с задатчиком интенсивности на входев ПО МatLabSimulinkРисунок 9.19Схема модели в ПО МatLabSimulinkоднозонного АЭП с подчиненным регулированием параметров с П - регулятором скорости без задатчика интенсивности.Рисунок 9.20 – Осциллограммы сигналов скорости 1 и тока 2 при пуске, приложении нагрузки, реверсе, снятии нагрузки и останове без задатчика интенсивности на входеЗАКЛЮЧЕНИЕВ результате проектирования была разработана статическая система электропривода постоянного тока с подчиненным регулированием параметров с обратной связью по скорости и стабилизацией тока возбуждения. Проведен выбор основного оборудования, разработана функциональная схема электропривода, дано ее краткое описание. Система имеет 2 контура регулирования: внешний контур – контур скорости, и внутренний контур – контур тока якоря. Выходной сигнал регулятора скорости является сигналом задания для контура тока, т.е. в системе реализован принцип подчиненного регулирования координат. Таким образом, за счёт ограничения максимальных значений Uрс(макс), ограничивается максимальное значение тока якоря двигателя в переходных процессах пуска, торможения, реверса.Проведен расчет параметров силовой цепи, рассчитан запас по напряжению тиристорного преобразователя. Запас на динамику оказался преобладающим. Определены предельные значения ЭДС двигателя, при которых нет ограничений ни статике, ни в динамике.Проведена оптимизация контура тока якоря на базе шунта и с реальным датчиком тока. Контур скорости оптимизирован на модульный оптимум, в соответствии с заданием. Оптимизация контура тока возбуждения проведена с реализацией на базе ПИ и П регуляторов с датчиком тока возбуждения на базе шунта и с реальным датчиком на базе трансформатора переменного тока.Проведена оценка влияния внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС на процессы в контуре тока. Результаты аналитического расчета были подтверждены результатами моделирования в ПО SamSimи MATLABSimulink.Проведен расчёт скоростных характеристик и их статизма в замкнутой и разомкнутой системе электропривода. Посадка скорости в замкнутой системе превысила посадку скорости на естественной характеристике, что характерно для статической системы электропривода с регулятором скорости П-типа. Проведен аналитический расчет динамического падения скорости двигателя при набросе момента нагрузки, результаты которого совпали с результатами математического моделирования.На моделях в ПО SamSim была проверена настройка контура тока при отработке скачка задания номинального тока. Отклонения коэффициента пропорциональной усиления части и постоянной времени изодромного звена от расчетных значений приводят либо к повышенному перерегулированию либо к экспоненциальным переходным процессам. Исследование контура тока, оптимизированного на МО, при отработке максимальных сигналов задания позволило получить реальные значения запаса на динамику.Моделирование переходныхпроцессов в замкнутой системе электропривода с задатчиком интенсивности и без него позволило более детально проанализировать работу электропривода и продемонстрировать работоспоспособность разработанной системы. Система электропривода сП–регулятором скорости является астатической по заданию и статической по возмущению.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.Теория и расчет систем электропривода с подчиненным регулированием параметров: учеб. пособие / В. А. Тихомиров, В.Л. Мельников, В.В. Соколов; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е.Алексеева. - Нижний Новгород, 2018. -107 с.2.Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Системы управления электромеханическими объектами» для студентов направления 13.03.02./В.В. Соколов – НГТУ. Нижний Новгород, 2019. –100 с.3. СТП 1-У-НГТУ-2011. Стандарт организации. Общие требования к оформлению пояснительных записок дипломных и курсовых проектов/ - Н. Новгород: НГТУ, 2011. – 26с.4. Копылов И. П. Справочник по электрическим машинам: в 2 т.;под общ. ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова // И.П. Копылов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. Т. 1. – 456 с.5.Комплектные тиристорные электроприводы: справочник / И. Х. Евзеров [и др.]; под ред. В. М. Перельмутера. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 319 с.6.Трансформаторы ТСП. [Электронный ресурс]. URL: https://electro.mashinform.ru/transformatory-dlya-pitaniya-preobrazovatelnyh-agregatov-privoda/transformatory-serij-tsp-tszp-dlja-pitanija-komplektnyh-tiristornyh-preobrazovatelej-jelektroprivodov-postojannogo-toka-obj3353.html (дата обращения: 14.10.2020).7. Реакторы ФРОС. [Электронный ресурс]. URL: http://www.elektrozavod.ru/production/9_6 (дата обращения: 14.10.2020).8. Шунт 75ШС и 75ШСМ. [Электронный ресурс]. URL: www.electra-hvac.ru/shunt-75shsm.html (дата обращения: 14.10.2020).9. Тахогенератор ТМГ-30П. [Электронный ресурс]. URL: http://www.elp.ru/digest/Elektrodvigateli-Elektricheskie-mashiny-Generatory/Tahogeneratory/Tahogeneratory/Tahogeneratory-TMG-30P-TMG-30 (дата обращения: 14.10.2020).10. Автоматический выключатель EKF ВА-99 160/125 3Р [Электронный ресурс]. URL: https://nn.vseinstrumenti.ru/electrika-i-svet/avt-i-uz/avtomaticheskie-vyklyuchateli/trehpolyusnye/ekf-/va-99-160-125a-3p-35ka-proxima-mccb99-160-125/ (дата обращения 5.10.2022)11. Переключатель поворотный ПГК-11П4Н-8А. [Электронный ресурс]. URL: https://eandc.ru/catalog/detail.php?ID=18679 (дата обращения: 14.10.2020).12. Резисторы: Справочник/В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1991. – 528 с.: ил.Приложение П1 – Схема подключения электропривода Приложение П2– Схема внутренних соединенийПриложение П3 – Схема межплатных соединенийПоз. обозн.НаименованиеКол.ПримечаниеДвигательМП142-4к1Pн=125кВт, Uн =440 В,Iн =318А, n=300об/минТиристорный преобразовательU1ЭПУ1М-2-3747-М-УХЛ41Udн=440В, Idн=50 АТокоограничивающий реакторТАРСТАвтоматическийвыключательQF125А С S203 1Uн=380 В, Iн.р=25 АПредохранителиFU1Н520 (ZH214)2Iпл.вст.н.=5АШунтыR175ШСМ1Iш.н.=30АR275ШСМ1Iш.н.= 5АТахогенераторBR1ТМГ30П1nтгмакс= 4000 об/минЗадатчик скоростиSA1Переключатель поворотный 1N=26Rдоб Резистор подстроечный ПП3-11680 Ом