Ограничение нагрузки электропривода в системе подчиненного регулирования с помощью релейного регулятора в контуре тока якоря

Цель. Исследовать систему ограничения нагрузки двигателя в системе подчиненного регулирования с помощью релейного контура. Научиться рассчитывать элементы принципиальной схемы. Смоделировать переходные процессы в данной системе, а также получить скоростную характеристику.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В системах подчиненного регулирования ограничить ток якоря сравнительно просто. Для этого нужно ограничить управляющий сигнал на входе контура тока якоря. Так как выходной сигнал, как правило, не превышает входного, то ток якоря оказывается ограниченным сверху с определенной погрешностью и будет не выше максимального значения. Рассмотрим построение релейных контуров тока якоря. Релейный принцип построения контуров тока в последние годы находит все большее распространение в реальном автоматизированном электроприводе. Это вызвано тем обстоятельством, что в качестве силовых преобразователей широко применяются транзисторные устройства.

Для электрической машины постоянного тока принципиально возможно построить три варианта релейных контуров тока, но мы рассматриваем только один: релейный контур тока якоря при управлении напряжением якоря.

Процессы в релейном контуре регулирования тока можно разделить на процесс «втягивания» в скользящий (автоколебательный) режим работы и собственно автоколебательный режим работы. Процесс «втягивания» в скользящий режим представляет собой реакцию контура тока на скачок управляющего воздействия. Автоколебательный процесс характеризуется, прежде всего, частотой и амплитудой колебаний тока. Амплитуда колебания тока чаще всего определяется шириной петли гистерезиса релейного элемента, а частота - функция сложная и зависит от многих параметров электропривода.

Для релейного контура тока будем прежде всего ориентироваться на его следующие характеристики:

  • частоту автоколебаний;
  • амплитуду автоколебаний;
  • среднее значение тока.

При исследовании принимается одно общее допущение - скорость двигателя на интервале коммутации считается постоянной:

v = Vo = const.

Это допущение позволяет учесть в дальнейшем средний уровень скорости при пренебрежении импульсным характером ЭДС.

Актуальность исследования частоты скользящего режима в контуре тока можно объяснить следующими причинами:

  • 1) необходимостью получать рациональную частоту переключения релейного элемента и силовых элементов ключей преобразователя. Как известно, большая частота приводит к значительным потерям мощности в системе [8], низкая - увеличивает пульсации скорости привода;
  • 2) выбором необходимой ширины петли гистерезиса РЭ для получения требуемой амплитуды пульсаций тока. При большой амплитуде пульсаций тока возрастают потери в меди и стали двигателя, ухудшается коллекторно-щеточный контакт, увеличивается вибрация двигателя;
  • 3) в отдельных случаях необходимостью получать ограниченный спектр электромагнитных помех в процессе работы пары: «импульсный усилитель мощности-двигатель».
Структурная схема контура регулирования тока якоря при управлении напряжением якоря

Рис. 1. Структурная схема контура регулирования тока якоря при управлении напряжением якоря

На структурной схеме (рис. 1) обозначено:

й3 = —— относительная величина задающего напряжения;

Г»

Л Л

Ас/3 =--- - относительная ширина петли гистерезиса релейного

регулятора;

. /3

z3 = — - относительная величина задающего тока якоря;

Аф - коэффициент форсировки, учитывающий степень превышения напряжения на якоре по отношению к номинальному;

v0 - некоторое фиксированное относительное значение скорости.

1 R I

Отмстим также, что а = 1 - р; р =—; р = я н ; ф = 1.

Р ин

Покажем, как зависит частота скользящего режима от напряжения задания ((73) ширины петли гистерезиса (А ?7) и прогивоЭДС (е) двигателя.

На основе дифференциального уравнения, описывающего переходный процесс тока якоря двигателя, имеем

Тя + / = р(Аф-е) при 0+;

Тя + / = Р(-^ф-е) при t+I dt

где t+=yT - время роста тока в автоколебательном режиме (рис. 2); t_ = (1 - у)Т - интервал снижения тока в автоколебательном режиме; у - скважность напряжения на якоре; Т - период колебаний (рис. 2).

Из решения первого уравнения на каждом из участков со своими начальными условиями, проводя припасовывание этих участков, можно получить:

• время роста тока в автоколебательном режиме

U3-AU-^-e

• время снижения тока в автоколебательном режиме

С=-Тя1п

2Д<7

U3 + АС/ + РАф + в

Частота скользящего режима может быть найдена из соотношения

1 t+ + t_

и предыдущих соотношений в виде

fCK= к

In 1 +

2AL7

Щ-ЬЦ-Щ-е,

2ЛЦ

U3 + АС/ + Р^ф + е

Предыдущее уравнение можно записать и по-другому, если сделать подстановку для ЭДС двигателя:

t73 + p-lv02ф2

U3 +?-lv02 -ДСУ + рАф2

ПОРЯДОК РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ

1. Составляем структурную схему (рис. 3). Затем рассчитываем параметры двигателя: номинальный ток, номинальный момент, суммарное сопротивление якорной цепи, суммарную индуктивность якорной цепи, постоянные времени, произведение конструктивного коэффициента на номинальный поток.

Структурная схема

Рис. 3. Структурная схема

2. Настраиваем контур скорости на технический оптимум, желаемая передаточная функция выглядит так:

со

^ж(Р) = 2Г(1р(7’(1р + 1)

Передаточная функция разомкнутого контура скорости:

JpiT.p.n

Передаточная функция регулятора скорости:

wz / ч 1/^со Ж/’ + О R^J

TI7 ( гЛ _ Ж / _ _____________СО__Г Я /______/ _ _______HlL____

’ ^(Р) ” 2Рир(7> + 1) Кп 1/Р^С ” 2ГЯ^Птця.

Принимаем регулятор скорости пропорциональным.

3. Определяем уровень ограничения:

хогр=ЧЛ,

где Х = (1,5...2,5) - перегрузочная способность двигателя; 1Н - номинальный ток двигателя; Kt - коэффициент обратной связи по току.

4. Находим относительную ширину петли гистерезиса релейного регулятора:

At/3=XZA/,

где AZ = (1...1O %) от/н.

5. Рассчитываем коэффициент форсировки (Хф), учитывающий степень превышения напряжения на якоре по отношению к номинальному:

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  • 1. Рассчитать параметры всех звеньев структурной схемы, представленной на рис. 3.
  • 2. В программе Simulink собрать структурную схему с вашими параметрами.
  • 3. Установить осциллографы (Scope) для снятия переходных процессов тока якоря и угловой скорости электропривода.
  • 4. Установить двухкоординатный осциллограф (XY-Graph) для снятия скоростной характеристики.
  • 5. Установить напряжение задания 9,5 В в Step (максимальное значение).
  • 6. Задать в звене ограничения (Saturation) уровень ограничения Х<1[р (рис. 4).
  • 7. Задать в релейном контуре тока якоря (Relay) коэффициент форсировки Хф и ширину петли гистерезиса АС3 (рис. 5).
  • 8. Снять графики переходных процессов при разгоне двигателя вхолостую, при набросе нагрузки, равной 0,6 от номинальной. Наброс нагрузки следует производить только после полного разгона двигателя с помощью звена Step 1.

aturatioi

Моделирование ограничения^

Рис. 4. Моделирование ограничения^

Relay

Моделирование релей 1ых элементов

Рис. 5. Моделирование релей 1ых элементов

  • 9. Снять скоростную характеристику при плавном увеличении нагрузки от 0 до максимальной.
  • 10. Составить отчет.

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА МОЩНОСТЬЮ 75 кВт

1. Сопротивление якорной цепи, дополнительных полюсов, приведенное к рабочей температуре двигателя:

Д? = 130-15 = 115 °C;

Яя = Яя, 15 °с 0 + амеди= 0,031(1 + 0,0042 • 115) = 0,046 Ом;

ДдП = 15оС(1 + амедаД/) = 0,02(1 + 0,0042 • 115) = 0,03 Ом:

2. Номинальный ток двигателя:

у _+?. Ц._ 75-Ю3 440 _)72 1Л

<7нт) R„ 440 0,915 31,5

  • 3. Номинальная угловая скорость:
  • 2тшн сон=----
  • 60
  • 3,14-3150
  • 30

= 329,7 1/с.

  • 4. Номинальный момент двигателя:
  • 7], _75-103

= 331,6

Нм.

сон 329,7

п

  • 5. Суммарное сопротивление якорной цепи:
  • 7?яу = + 7СП + Rn = 0,046 + 0,03 + 0,03 = 0,105 Ом.

/1 ,1,1 1 11 ' J '

  • 6. Суммарная индуктивность якорной цепи:
    • ?я1 =А+А1 =(1,2 + 1,2)-10“3 = 2,4 10-3 Гн.

7. Электромагнитная постоянная времени якорной цепи:

Гд = = ~’4'10— = 0,023 с.

  • 0,105
  • 8. Произведение конструктивного коэффициента на номинальный поток возбуждения:

с = Ц, -/н(Д. + /?дп) = 440-172,4(0,046 + 0,03) =, 295 ф

329,'7

сон

9. ЭДС преобразователя, необходимая для достижения номинального напряжения на зажимах двигателя:

Еп = UH + /нАя = 440 +172,4 • 0,046 = 447,9 В.

10. Коэффициент передачи преобразователя:

кп=^=44г9=44>79

и3 Ю

11. Коэффициент обратной связи по току:

К, =-^-=——— = 0,029. 2-172,4

12. Коэффициент ограничения:

Т^огр = ЧЛ = 2 • 172,4 • 0,029 = 10 .

13. Коэффициент обратной связи по скорости:

km = “L=-“L=o,o3.

сон 329,7

14. Пере даточная функция регулятора скорости:

^рс(Р) =------=--------0,105 0,3--------= 0,385 .

2Т^КпКаС 2 • 0,023 • 44,79 • 0,03 • 1,295

15. Относительная велтгпша петли гистерезиса релейного регулятора:

А С3 = К-, М = Kt 0,017н = 0,029-0,1-172,4 = 0,05, А/ = (1-10 %)/„.

  • 16. Коэ(})(})ициснт(|юрсировки:
    • •ф=^=^=1>686.

t/n 264

Структурная схема моделируемой системы, графики переходных процессов и скоростная характеристика показаны на рис. 6-9.

Скоростная характеристика

Рис. 7. Скоростная характеристика

Переходные процессы по угловой скорости и тока якоря при М = М = О

Рис. 8. Переходные процессы по угловой скорости и тока якоря при Мс = Ми = О

Переходные процессы по угловой скорости и тока якоря при Л/ = 0,6Л/

Рис. 9. Переходные процессы по угловой скорости и тока якоря при Л/с = 0,6Л/н

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

  • 1. Цель работы.
  • 2. Исходные данные.
  • 3. Структурная схема.
  • 4. Расчет параметров структурной схемы.
  • 5. Структурная схема моделируемой системы, составленная в программе Simulink. Все параметры и коэффициенты на этой схеме по возможности должны быть видны.
  • 6. Графики переходных процессов с пояснениями.
  • 7. Выводы.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >