Схема электрическая принципиальная лабораторной установки приведена на рис.1. Исследуемый двигатель М2 получает питание от ЭМУ, состоящего из электромашинного усилителя поперечного поля М1 и приводного асинхронного двигателя М4, сопряженных на общем валу и в общем корпусе. В качестве нагрузочной машины используется двигатель постоянного тока М3. Нагрузка SA5 и регулируется резистором RP6. Резисторы RР3-RР5 и переключатели SA3,SA4 служат для изменения настройки регулятора тока и скорости.
Программа работы
1. Исследование разомкнутой системы при отсутствии обратных связей:
а) снятие характеристики холостого хода ЭМУ;
б) снятие скоростной характеристики разомкнутой системы.
2. Исследование замкнутой системы:
а) отрицательной обратной связью по скорости;
б) отрицательной обратной связью по напряжению;
в) жесткой отрицательной обратной связью по току;
г) отрицательной задержанной обратной связью по току;
д) несколькими обратными связями, например, с обратной связью по скорости и отсечкой по току.
Рисунок 1 – Схема лабораторной установки
Для данной системы:
1. Выполнить статический расчет, обеспечивающий максимальный диапазон регулирования и расчет характеристик ω= f(Iy).
2. Установить расчетные параметры и снять статические характеристики.
3. Экспериментально определить диапазон регулирования скорости для каждого случая.
4. На электронном осциллографе посмотреть и зарисовать кривые переходных процессов при различных коэффициентах обратных связей.
5. Построить расчетные и экспериментальные характеристики системы и оценить влияние обратных связей на статику и динамику замкнутых систем регулирования.
6. Сделать выводы о диапазоне регулирования, статизме и влияние обратных связей на качество переходных процессов.
При расчетах использовать данные, приведенные в табл. 1,2,3.
Таблица 1.1 - Показатели гонного двигателя и ЭМУ
| Мощность, | Скорость | |||
| Тип машины | кВт | Напряжение, В | Ток, А | вращения, |
| об/мин | ||||
| Гонный | 1,68 | 380/220 | 3,15/5,4 | |
| двигатель | ||||
| ЭМУ | 8,7 |
Таблица 1.2 - Обмоточные данные ЭМУ
| Число | Номин. | Длительный | Постоянные | ||||||||
| Элемент | витков | ток, | ток, А | Rкол,Ом | времени, с | ||||||
| мА | |||||||||||
| Якорь | 8,7х5 | 0,565 | - | ||||||||
| Доб.полюс | - | 8,7х5 | 0,096 | ||||||||
| КО | - | 8,7х5 | 0,508 | - | |||||||
| Обмотки | |||||||||||
| упр-ния: | |||||||||||
| ОУ1 | 0,24 | 0,07 | |||||||||
| ОУ2 | 0,35 | 0,06 | |||||||||
| ОУ3 | 0,24 | 0,07 | |||||||||
| ОУ4 | 0,35 | 0,06 | |||||||||
| КЗ виток | 0,07 | ||||||||||
| Компенс. | |||||||||||
| обмотка | 0,14 | ||||||||||
Таблица 1.3 - Электрические характеристики приводного двигателя
| Параметры | Величина |
| Номинальные: | |
| Напряжение, В | |
| Ток, А | 10,4 |
| Скорость, об/мин | |
| Мощность, кВт | 0,95 |
| Напряжение возбуждения, В | |
| Число параллельных ветвей якоря | |
| Ток возбуждения, А | 0,16 |
| Момент инерции якоря, кГм | 0,13 |
| Электромеханическая постоянная | |
| времени Т, с | 0,42 |
| Электромагнитная постоянная времени | 0,03 |
| Т, с |
Теоретические положения
Системы автоматического электропривода с ЭМУ нашли широкое применение благодаря следующим достоинствам:
а) возможности получения больших коэффициентов усиления по мощности (10000 и более) и напряжению (до 1000);
б) значительной выходной мощности (до 10кВт и выше);
в) способности суммирования управляющих сигналов и удобству ведения обратных связей, особенно при использовании нескольких обмоток укрепления.
Однако эти системы обладают рядом недостатков, что является причиной их замены на более современные.
К недостаткам можно отнести: наличие щеточного контакта, нелинейность характеристики намагничивания и внешних характеристик, наличие гистерезисной петли, обуславливающей неоднозначность выходного сигнала [1].
По режиму работы системы управления в ЭМУ делятся на две группы:
1) работающие преимущественно в условиях пуска и торможения;
2) работающие в режиме поддерживания заданной скорости или изменения ее по определенному закону;
В первом случае основной функцией ЭМУ является формирование переходных процессов с целью их формирования или замедления.
Во втором случае ЭМУ выполняет функции регулятора скорости.
Для системы П группы необходимо введение различных обратных связей с целью повышения точности при удовлетворительных показателях качества процесса регулирования [1].
Обратные связи позволяют стабилизировать контролируемые параметры электропривода и получать необходимый диапазон регулирования выходной величины (например, скорости двигателя).
При проектировании систем автоматического управления (СА У) проводятся статический и динамический расчеты.
Для статического расчета обычно указывается требуемая статическая точность при необходимом диапазоне регулирования. Исходя из них, определяются следующие коэффициенты: усиления разомкнутой системы заданной части системы и, при необходимости, той части, которой необходимо дополнить САУ с целью выполнения требований задания.
Расчет динамики заключается в определении условий устойчивости, синтеза типа и параметров корректирующего устройства, а также возможностей улучшения динамических показателей качества процесса регулирования.
Общие сведения
Электромашинным усилителем (ЭМУ) называется генератор постоянного тока, предназначенный для усиления по мощности сигналов, подаваемых на обмотку возбуждения. Обычный генератор тоже является ЭМУ, однако он не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ЭМУ, так как не обладает достаточным быстродействием и имеет низкий коэффициент усиления. Для получения большого коэффициента усиления и малой инерционности схема обмоток и конструкция ЭМУ должны существенно отличаться от применяемых в обычных генераторах постоянного тока.
В автоматических устройствах возникает необходимостьусиления электрической мощности, получаемой от различных маломощных измерительных элементов или преобразователей(температуры, давления, влажности, химического свойства среды и т.д.). Используемые для указанной цели устройства называются усилителями.
В технике применяются различные виды усилителей электрической мощности: электронные(ламповые), полупроводниковые, магнитные и электромашинные. Последние представляют собойспециальную разновидность электромашинных генераторов, которые приводятся во вращение приводными электрическими двигателями с постоянной скоростью. Усиление мощности при этомпроисходит за счет мощности, получаемой от приводного двигателя. Электромашинные усилители(ЭМУ) применяются дляавтоматического управления работой электрических машин в различных производственных и транспортных установках.
Коэффициентом усиления усилителя Кp называется отношениевыходной мощности Рвых к входной мощности Рвх:
Кp= Рвых/Рвх. (1)
Мощность Рвх называется также мощностью управления. Коэффициент усиления мощности ЭМУ достигает значений
Kp=1000 — 10000.
Различают также коэффициенты усиления по току
КI= IВЫХ/IВХ. (2)
и по напряжению
КU= UВЫХ/UВХ.(3)
Очевидно, коэффициент усиления мощности
Кр= КU КI. (4)
От ЭМУ требуется также высокое быстродействие, т.е. быстрое изменение Рвых при изменении Рвх. Быстродействие определяется электромагнитными постоянными времени обмоток ЭМУTоб=Lоб/Rоб.
Быстродействие ЭМУ можно оценить некоторой эквивалентнойпостоянной времени Тэ, учитывающей скорость протекания переходных процессов в ЭМУ в целом. Обычно Тэ= 0,05 - 0,3с.
Во избежание замедляющего действия вихревых токов, индуцируемых при изменении магнитного потока в магнитопроводе,последний изготовляется полностью из листовой электротехнической стали высокого качества. Влияние гистерезиса магнитной цепи сводится к минимуму выбором соответствующей маркистали, а также специальными дополнительными мерами.
Для оценки качества ЭМУ вводится также понятие добротности. Коэффициент добротности(КД) определяется как:
КД=Кр/Тэ. (5)
Желательно, чтобы КД был больше, что возможно при больших Кр и малых Тэ. Однако увеличение Кy обычно приводит кувеличению Тэ и наоборот. Например, при увеличении сечениймагнитопровода ЭМУ, магнитный поток, выходное напряжение, выходная мощность и коэффициент усиления мощности увеличиваются. Однако одновременно увеличиваются также индуктивностии постоянные времени обмоток. Поэтому значения Кр и Тэ приходится выбирать компромиссным образом.
Одноступенчатые ЭМУ с независимым возбуждением. В качестве простейшего ЭМУ можно рассматривать обычный генераторпостоянного тока с независимым возбуждением с расслоенноймагнитной цепью индуктора и якоря. При этом обмотка возбуждения является обмоткой управления, а цепь якоря— выходнойцепью. Так как в таких генераторах Рв=(0,01 — 0,02)Рн, следовательно, Кр= 50 - 100. Ввиду малого значения Ку такиеусилители применяются редко. Впрочем, в качестве подобныхЭМУ можно рассматривать обычные электромашинные возбудителикрупных машин постоянного и переменного тока.
Двухмашинные ЭМУ. Рассмотренные выше простейшие ЭМУ имеют одну ступень усиления мощности— от обмотки возбуждения(управления) к обмотке якоря. Для увеличения Кр ЭМУ изготовляются с двумя или большим числом ступеней усиления. Общийкоэффициент усиления Кy при этом равен произведению коэффициентов усиления отдельных ступеней. Например, в двухступенчатых усилителях
КУ= КУ1*КУ2. (6)
Простейший двухступенчатый усилитель представляет собойкаскадное соединение двух генераторов постоянного тока. Обмотка возбуждения генератора1 является обмоткой управления ОУ. Якорь генератора1 питает обмотку возбуждения ОВгенератора2, цепь якоря последнего(U2, I2) является выходной цепью, подключаемой к управляемому объекту.
Рассматриваемый вид ЭМУ является конструктивным развитием генератора поперечного поля и по принципу действия аналогичен ему. Обмотки управления ОУ создают первоначальный потокФу по продольной оси. Этот поток индуцируетЭДС, которая вызывает токI1= К1ФУ в короткозамкнутой цепиякоря. ТокI1, протекая по обмотке якоря и поперечной подмагничивающей обмотке ПО, создает поток поперечного поля Ф1=КI1. Поток Ф1 индуктирует ЭДС в выходной цепи, в результате чего в цепи нагрузки возникает токI2= IВЫХ и на выходных зажимах – напряжениеU2= UВЫХ.
Продольная размагничивающая сила от токаI2 практическиполностью компенсируется с помощью компенсационной обмоткиКО, чтобы снизить мощность управления и увеличить коэффициент усиления. Если действие КО будет слишком сильным, товозникает опасность самовозбуждения ЭМУ как генератора последовательного возбуждения, в результате чего нормальнаяработа ЭМУ нарушается. Обычно КО выполняется с некоторым запасом (перекомпенсация) и регулирование ее действия (ослабление) производится с помощью шунтирующего сопротивленияRШ.
ЭМУ являются быстродействующими, дают весьма большое усиление, имеют значительную перегрузочную способность и обладают высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями. ЭМУ способен в значительных пределах сохранять пропорциональность между входным сигналом и выходной величиной. Мощность управления(входа) ЭМУ весьма мала. Мощность выхода усилителя, определяющую его габариты, называют мощностью усилителя. Усиление мощности в ЭМУ происходит за счет механической энергии первичного двигателя.
1 и 2 — щётки якоря;
ОУ — обмотка управления;
КО — компенсационная обмотка;
Ф1 — магнитный поток по оси d — d;
Фаq — магнитный поток поперечного
поля;
U1,I1 — напряжение и ток в
обмотке управления;
U2,I2 — напряжение и ток на
выходе;
Fad,Fko — намагничивающие силы якоря и компенсационной обмотки.
Рисунок 2 - Принципиальная схема включения электромашинного усилителя поперечного поля
Основное назначение электроприводов этой группы состоит в автоматическом поддержании заданной скорости или в осуществлении заданного закона изменения скорости с точностью, определяемой требованиями технологического процесса. Типичными примерами подобных систем являются электроприводы механизмов подач металлорежущих станков, обеспечивающие широкий диапазон регулирования, и поддержания заданной скорости, электроприводы непрерывных прокатных станов и бумагоделательных машин, требующие автоматической стабилизации скорости каждого механизма в отдельности и поддержания заданного соотношения скоростей этих механизмов, а также приводы, обеспечивающие постоянно натяжение в устройствах наката.
Большинство промышленных электроприводов выполняется с наиболее простыми статическими системами регулирования. Для этих систем большое значение имеет получение статических характеристик, обеспечивающих требуемую точность в установившихся режимах. В последнее время стали находить достаточно широкое применение астатические системы регулирования и системы, использующие принцип инвариантности.
Для систем стабилизации скорости большое значение имеют высокие показатели качества переходного процесса при возмущающих воздействиях.
Режим пуска и торможения являются не основными, и к ним в отношении быстродействия не предъявляются повышенные требования.
В особую группу следует выделить электроприводы механизмов, для которых в одинаковой степени важны как режим автоматической стабилизации скорости, так и режим пуска, торможения и реверса. К этой группе относятся механизмы, в которых время пуска, торможения и реверса соизмеримо со временем установившегося движения. При проектировании подобных приводов, помимо перечисленных требований, должны быть учтены и требования к быстродействию системы при задающих воздействиях. Примеров электропривода этой группы может служить электропривод стола продольно-строгального станка.
В системах автоматической стабилизации скорости применяются электродвигатели постоянного и переменного тока. Регулирование скорости ЭП постоянного тока осуществляется преимущественно изменением напряжения на якоре двигателя и в некоторых случаях ослаблением магнитного потока двигателя. В качестве источников постоянного тока используются электромашинные, вентильные и магнитно-вентильные преобразователи.
Регулирующая обратная связь предназначается для обеспечения необходимой стабильности регулирования скорости в установившемся режиме. В неустановившихся режимах, если это обусловлено технологическим процессом, регулирующая обратная связь может быть использована также и для формирования переходных процессов при пуске, торможении и реверса двигателя. Токоограничивающаяо.с. применяется для ограничения тока двигателя в переходных и установившихся режимах. Корректирующаяо.с. используется для улучшения качества регулирования в переходных режимах.
Основные схемы
Среди систем с электромашинными преобразователями большое распространение получили системы Г-Д с ЭМУ в качестве генератора, используемые, например, для привода механизмов металлорежущих станков, требующих стабильнойработы в широком диапазоне регулирования скорости.
Регулирующая обратная связь предназначается для обеспечения необходимой стабильности регулирования скорости в установившемся режиме. В неустановившихся режимах, если этообусловлено технологическим процессом, регулирующая обратнаясвязь может быть использована также и для формирования переходных процессов при пуске, торможении и реверсе двигателя.
Токоограничивающая обратная связь применяется для ограничения тока двигателя в переходных и установившихся режимах.
Корректирующая обратная связь используется для улучшения качества регулирования в переходных режимах.
Главная обратная связь этих систем выполняется обычно поскорости двигателя с помощью тахогенератора или тахометрического моста. В некоторых случаях для уменьшения необходимогокоэффициента усиления отрицательная обратная связь по скорости дополняется положительной обратной связью по току, компенсирующей падение напряжения в сопротивлении главной цепипривода.
В качестве примеров на рис.3 приведены принципиальныесхемы с отрицательной обратной связью по напряжению и положительной по току(а) и отрицательной обратной связью поскорости(б). В схеме (рис.3,б) положительная обратнаясвязь по току может отсутствовать. При набросе нагрузки (см. рис.3,а) увеличивается ток главной цепи и вследствие увеличения внутреннего падения напряжения ЭМУ уменьшается его выходное напряжение. Результирующее напряжение на входе усилителя ПУU1 - γU увеличивается, что приводит к увеличениюнапряжения на обмотке ОН электромашинного усилителя. Напряжение на обмотке токовой обратной связи ОТ также увеличивается,вследствие увеличения падения напряжения в измерительном сопротивленииRи. Совместное действие обмоток ОН и ОТспособствует увеличению ЭДС ЭМУ, и скорость двигателя поддерживается на заданном уровне
Для формирования требуемого переходного процесса системыпри набросе(сбросе) нагрузки применена гибкая отрицательнаяобратная связь по напряжению(обмотка ОС), осуществляемая при помощи емкостного дифференцирующего контура. Отличиесхемы рис.3б от изображенной на рис.3а состоит в том, чтовместо отрицательной обратной связи по напряжению используется отрицательная обратная связь по скорости. При набросе нагрузки ЭДС тахогенератора
еТГ=γе(е–ЭДС двигателя, а γ-коэффициент пропорциональности) уменьшается, а разностьU1–еТГ(U1 -задающее напряжение) увеличивается. При этом увеличивается напряжение на обмотке обратной связи по скорости Оск. Совместное действие обмоток Оск и ОТ приводит к увеличению ЭДС ЭМУ и поддержанию скорости двигателя на заданномуровне.
а) б)
Рисунок 3 - Система Г-Д с ЭМУ в качестве генератора