close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Билет № 2 36

код для вставкиСкачать
Билет № 2
1. Синтез непрерывной системы управления методом ЛАЧХ.
Синтез САУ
Под синтезом линейных САУ понимается выбор такой структурной схемы, ее параметров, характеристик, которые отвечают с одной стороны заданным показателям качества и простоты технической реализации и надежности с другой стороны.
В качестве динамических характеристик, по которым осуществляется синтез САУ, выбирается ЛАЧХ разомкнутой системы объекта, т.к. по ней достаточно легко определить параметры объекта.
Желаемая ЛАЧХ
При построении желаемой ЛАЧХ выделяют три диапазона частот:
1) участок низких частот ЛАЧХ определяет допустимую установившуюся ошибку в системе, а, следовательно, ее коэффициент передачи в разомкнутом состоянии и порядок астатизма;
2) участок средних частот определяет запас устойчивости системы (на этом участке расположена частота среза ЛАЧХ);
3) высокочастотный участок определяет начало переходного процесса и мало влияет на показатели качества системы.
Wраз(p) = Wрег(p)·Wоу(p)·Wос(p)
Wраз(p)= Wжел(p)
Если система статическая, то на участке низких частот ЛАЧХ должна идти параллельно оси абсцисс и иметь ординату 20lgk. Если система должна иметь астатизм 1-го порядка, то на участке низких частот ЛАЧХ должна иметь наклон -20дБ/дeк (см. полужирную пунктирную линию на рис. 8.8). Если порядок астатизма должен быть выше, то на участке низких частот ЛАЧХ должна иметь наклон -40дБ/дeк или даже -60дБ/дeк (см. полужирную штрихпунктирную линию на рис. 8.8). При ω = 1 ЛАЧХ должна проходить через точку с ординатой 20lgk как статической, так и астатической систем.
На рис. 8.8 приведен примерный вид желаемых ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы (желаемой диаграммы Боде).
С учетом изложенного рекомендуется следующий порядок построения желаемой ЛАЧХ:
1) с учетом требуемой статической ошибки регулирования выбирается коэффициент передачи разомкнутой системы k или порядок астатизма; через точку (20lgk, 1) проводится участок низкочастотной ЛАЧХ с нулевым наклоном к оси абсцисс (для статической системы) или с наклоном -20дБ/дек, -40дБ/дек или -60дБ/дек (для астатической системы 1-го, 2-го или 3-го порядка);
2) исходя из требуемого времени регулирования tр по формуле (8.13) определяется частота среза ωс:
3) через точку (0, ωс) проводится участок среднечастотной ЛАЧХ с наклоном -20дБ/дек;
4) определяются сопрягающие частоты ωк1 и ωк2 по требуемым значениям φ(ωк1) ЛФЧХ на частоте ωк1 и L2(ωк2) ЛАЧХ на частоте ωк2;
5) через точку (L2, ωк2) проводится прямая с наклоном -40дБ/дек или -60дБ/дек, определяющая характер ЛАЧХ в области высоких частот. Наклон ЛАЧХ в интервале частот ω1<ω<ωк1 и ω>ωк2 выбирается из условия наиболее простой практической реализации ЛАЧХ, так как характер ЛАЧХ в этих интервалах частот существенного влияния на переходный процесс в системе не оказывает. После построения желаемой ЛАЧХ системы путем изменения параметров настройки регулятора (корректирующего устройства) добиваются удовлетворительного совпадения фактической ЛАЧХ системы с желаемой.
Показатели качества регулирования (перерегулирование, время регулирования, колебательность и т. д.) после определения структуры и параметров регулятора определяются по фактической ЛАЧХ системы.
2. Электромеханические свойства двигателей постоянного тока независимого и последовательного возбуждения. Естественная и искусственные механические и электромеханические характеристики. Тормозные режимы работы, схемы включения и графики механических характеристик
Электромеханические свойства двигателей.
Известно, что у двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДНВ) обмотка возбуждения питается от независимого источника постоянного тока. Принципиальная схема этого двигателя изображена на рис. Модели ДНВ соответствует включение обмоток двухфазной обобщенной машины по приведенной ниже схеме. Здесь обмотка статора по оси  включена на постоянное напряжение UВ, а обмотка по оси  не используется. Обмотки фаз 2d и 2q ротора питаются переменными токами i2d и i2q от преобразователя частоты ПЧ, осуществляющего коммутацию этих токов(преобразование из постоянного) в функции угла от поворота ротора эл с частотой эл.
Обмотки ротора с переменными токами создают вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью эл в направлении, противоположном направлению вращения ротора. Поскольку в качестве ПЧ в машинах постоянного тока используется механический коллектор, то изображенная схема представляет модель двигателя постоянного тока. В рассматриваемой модели МДС статора создается постоянным током возбуждения iв=i1, поэтому она ориентированна по оси  и неподвижна в пространстве. Соответственно и МДС ротора при вращении со скоростью эл должна быть неподвижна относительно неподвижного статора. Это возможно только при условии, что МДС ротора (поле ротора) вращается относительно ротора в противоположном направлении со скоростью - эл. Для этого нужно, чтобы обмотки фаз ротора обтекались переменными токами i2d и i2q, изменяющиеся с частотой эл по закону: Естественные и искусственные эл.механические и механические характеристики двигателя независимого возбуждения Обычно двигатель с независимым возбуждением работает при Ф=const..
При Uя=const и ф=const они представляют прямые, отсекающие на оси ординат величину , соответствующую скорости идеального холостого хода.
Характеристика двигателя, соответствующие отсутствию в якорной цепи добавочного сопротивления при Uя =const и ф=const, являются естественными. Наклон их определяется только величинами .
При изменении параметров двигателя, сети, или при использовании специальных схем включения характеристики двигателя будут искусственными. Так, при изменении сопротивления в якорной цепи уменьшается жесткость характеристик . Семейство механических характеристик, соответствующих различным значениям Rдоб, изображено на следующем рис., причем Rд3>Rд2>Rд1. Из графиков видно, что увеличение сопротивления якорной цепи вызывает уменьшение скорости двигателя. Это объясняется тем, что при этом увеличивается падение напряжения на якоре и при каждом данном моменте сопротивления уменьшается ток, а следовательно и момент двигателя.
При изменении напряжения, подводимого к якорю двигателя, изменяется 0. Жесткость характеристик остается неизменной. Семейство механических характеристик, соответствующих различным напряжениям на зажимах двигателя изображено на рис. Отсюда видна возможность регулирования скорости двигателя изменением подводимого напряжения. Но для этого необходимо питать двигатель от источника регулируемого напряжения
Для обеспечения оптимальных условий работы некоторых производственных механизмов в соответствие с требованиями технологического процесса иногда возникает необходимость повышения рабочей скорости сверх основной. При U=const этого можно достичь путем ослабления магнитного потока двигателя. Его ослабление вызывает увеличение 0, т.к. , но одновременно уменьшается жесткость характеристик . В результате меньшей жесткости характеристик будет иметь место и большее падение скорости при одном и том же значении Мс. Тормозные режимы двигателя независимого возбуждения.
Возможны следующие тормозные режимы электродвигателей:
1. Генераторное с рекуперацией энергии в сеть;
2. Торможение противовключением;
3. Электродинамическое, называемое обычно просто динамическим, торможение.
Все тормозные режимы являются генераторными.
Генераторное торможение с рекуперацией (отдачей) энергии в сеть.
Переход двигателя в тормозной режим с отдачей энергии в сеть будет иметь место тогда, когда скорость двигателя  будет больше скорости идеального холостого хода 0. В этом случае ЭДС двигателя становится больше приложенного напряжения U. Ток якоря при этом меняет направление. Такой режим имеет место при активном моменте сопротивления, например, при спуске груза, когда момент двигателя действует в направлении спуска груза. Под действием момента двигателя и исполнительного механизма система будет ускоряться. При этом противо ЭДС двигателя начнет расти, а ток падать. По достижении якорем скорости =0, ЭДС станет равной напряжению U сети и машина не будет потреблять тока. Дальнейшее повышение скорости под влиянием движущего момента исполнительного механизма сделает ЭДС двигателя по абсолютной величине больше напряжение сети и двигатель, перейдя в генераторный режим, будет отдавать энергию в сеть, поскольку ток Iя изменит направление на противоположное. Момент, развиваемый при этом двигателем, будет тормозным. Двигатель превращается в генератор, преобразующий механическую энергию, подводимую к валу со стороны рабочей машины, в электрическую. Как только растущий тормозной момент двигателя станет равным движущему моменту Мс, создаваемому рабочей машиной, наступит установившийся режим спуска с постоянной скоростью.
Т.к. переход из двигательного в тормозной режим произошел без изменения параметров двигателя и схемы его включения в сеть, уравнение механической характеристики остается прежним, так же, как и жесткость характеристики. Графически механические характеристики для режима рекуперации энергии в сеть являются естественными продолжением характеристик двигательного режима в область II квадранта (см. рис.).
Режим рекуперативного торможения возможен и при реактивном моменте сопротивления. Если двигатель, работающий, например, при номинальном напряжении, мгновенно переключить на пониженное напряжение (что возможно в системах ГД, ТП-Д), то в 1-й момент в силу инерционности скорость мгновенно не изменится, а двигатель окажется работающим на искусственной характеристике, соответствующей пониженному напряжению (см. рис.) в т.2 в генераторном режиме, развивая тормозной момент. Скорость, так же и тормозной момент, начнут уменьшаться, причем до т. А торможение сопровождается отдачей энергии в сеть, а с т. А до новой установившейся скорости 2 в т.2, начнется замедление с потреблением энергии из сети.
Режим рекуперативного торможения можно получить при реактивном Мс также путем быстрого изменения магнитного потока возбуждения. Если двигатель работал с ослабленным потоком Ф<Фн (см. рис.), то после увеличения потока, например, до Фн в 1-й момент скорость двигателя не изменится, но ЭДС возрастет согласно выражению и станет больше Uc. Ток изменит направление на противоположное, момент машины станет тормозным. Двигатель с т.2 начнет тормозится сначала с отдачей энергии в сеть,(до т. А), а затем с потреблением энергии из сети. В т.3 М станет равным Мс и наступит установившийся режим работы со скоростью, соответствующей новому значению магнитного потока.
Торможение противовключением.
Противовключением называется режим, когда двигатель включен для одного направления вращения, а якорь его под действием внешнего момента или инерции вращается в противоположную сторону. При этом момент двигателя противодействует движению. Такой режим может использоваться при активном моменте сопротивления для тормозного спуска груза. Если в цепь якоря двигателя, поднимающего груз, включить большое добавочное сопротивление, двигатель окажется работающим на искусственной характеристики с большой крутизной, на которой при скорости переключения (т. В см. рис.) момент, развиваемый двигателем, будет меньше статического МС и двигатель будет замедляться и остановится в т. С. А затем под действием груза начнет вращаться в противоположном направлении. Начнется спуск груза. Установившаяся скорость тормозного спуска будет в т. Д. Т.к. направление магнитного потока осталось прежним, ЭДС двигателя изменит свой знак и будет действовать согласно с напряжением сети. Ток, потребляемый двигателем из сети, станет равным: т.е. станет значительно больше, чем в двигательном режиме. Возрастет и величина момента двигателя, который по отношению к вращающемуся в противоположном направлении якорю является тормозным. Для ограничения тока и момента значениями, допустимыми по условиям коммутации, в цепь якоря должно быть включено добавочное сопротивление RД, равное примерно 2-х кратному пусковому.
При реактивном моменте сопротивления для перевода двигателя в режим противовключения необходимо на ходу двигателя изменить полярность напряжения на зажимах якоря. Одновременно в цепь якоря для ограничения броска тока необходимо ввести добавочное сопротивление. Схема включения двигателя и соответствующие этому режиму механические характеристики изображены на рисунках.
При изменении полярности напряжения на якоре, двигатель, работавший до этого со скоростью соответствующей т. А, переходит в т. В для работы на искусственной характеристике и тормозится на ее участке ВС. При =0 двигатель должен быть отключен от сети. Если требуется реверс и если момент двигателя в т. С больше МС, знак которого скачком изменится на противоположный, произойдет изменение направления вращения и разгон двигателя до т. Д, где момент двигателя станет равным МС. Ток, в двигателе в этом тормозном режиме определяется зависимостью:.
Вместе с изменением направления вращения изменит направление и ЭДС двигателя, которая в наступившем двигательном режиме будет снова направлена встречно напряжению сети.
Электродинамическое торможение.
Суть этого способа торможения заключается в том, что якорь отключается от сети и замыкается на тормозное сопротивление , а обмотка возбуждения остается подключенной к сети, как показано на рис.
В этом случае машина работает генератором. Кинетическая энергия, запасенная в двигателе и вращающихся частях приводимого им механизма, преобразуется в электрическую и рассеивается в форме тепла в сопротивлении якорной цепи.
Вследствие того, что ЭДС двигателя по направлению остается такой же, как и до торможения, а напряжение к якорю не приложено, ток, текущий под действием этой ЭДС, из уравнения равновесия .
Т.к. при динамическом торможении U=0, то и уравнение механической характеристики имеет вид: .
Момент, развиваемый двигателем, является тормозным. Семейство механических характеристик, соответствующих различным сопротивлениям, на которые замкнут якорь, изображено выше. Все они проходят через начало координат. Обычно динамическое торможение осуществляется при номинальном потоке и широко применяется в эл.приводах, где требуется точная остановка. Оно может быть использовано и для тормозного спуска груза. Установившейся режим спуска будет иметь место при скорости определяемой точкой пересечения линии статического момента и механического характеристики (т. С на графике).
(ДПВ)
У двигателя последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и его поток Ф является функцией тока якоря, т.е. зависит от нагрузки машины. Принципиальная схема ДПВ изображена на рис., Естественные и искусственные электромеханические и механические характеристики ДПВ
Точное аналитическое выражение механической характеристики ДПВ дать трудно, т.к. Фconst, сложной является и зависимость момента от нагрузки. При номинальном токе магнитная цепь машины насыщена. Для получения достаточно подробного представления о характеристике двигателя воспользуемся кусочно-линейной аппроксимацией характеристики намагничивания.
Отсюда следует, что при малых нагрузках механическая характеристика ДПВ имеет гиперболический характер При различных расчетах эл.приводов с ДПВ обычно применяются графические и графоаналитические методы с использованием экспериментальных зависимостей его скорости, момента, потока от тока якоря, учитывающих как насыщение, так и влияние реакции якоря. Эти зависимости приводятся в каталогах для каждого типа двигателей в абсолютных, а в справочниках - в относительных единицах в виде универсальных характеристик для двигателей до 10 и выше 10кВт(см. рис.).
Зная номинальные данные двигателя и пользуясь этими универсальными характеристиками можно, задаваясь различными значениями тока якоря, найти  и М по кривым и и построить естественную механическую характеристику двигателя . Однако нужно помнить, что это будет зависимость скорости от момента на валу.
При изменении напряжения на зажимах двигателя характеристики перемещаются вниз или вверх по отношению к естественной. При увеличении сопротивления якорной цепи скорость двигателя уменьшается и характеристики смещаются вниз. Жесткость характеристик при этом уменьшается. Семейства механических характеристик, соответствующих различным напряжениям на зажимах двигателя и различным сопротивлениям якорной цепи изображены на рисунках. Из графиков видно, что скорость ДПВ при работе как на естественной, так и на искусственных характеристиках при увеличении нагрузки резко падает. Характеристики являются мягкими. Поэтому ДПВ непригодны для электроприводов, требующих постоянства скорости при меняющейся нагрузке.
При идеальном холостом ходе скорость двигателя теоретически может возрасти до бесконечности. В действительности всегда имеет место трение в подшипниках, о воздух и т.п. и есть поток остаточной индукции, составляющей (0,020,09)ФН. Поэтому скорость не возрастает до бесконечности, но может в 57 раз превышать номинальную. Однако во избежание опасности разноса двигателя его с приводным механизмом нельзя соединять при помощи ременной и цепной передачи. Реверсирование ДПВ осуществляется путем изменения направления тока в якоре.Схема предшествующая реверсу, и схема реверса изображены на соответствующих рис. Для ограничения первоначального броска тока в якорную цепь должно быть введено добавочное сопротивление.
Тормозные режимы ДПВ
Двигатель последовательного возбуждения позволяют иметь в обычной схеме включения только 2 тормозных режима: противовключение и динамическое торможение. Торможения с рекуперацией энергии в сеть невозможно, т.к. у них ЭДС не может быть больше приложенного напряжения. Даже в идеальном случае, когда ток в якоре станет равным 0, ЭДС может стать лишь равной U сети.
Торможение противовключением является для ДВП основным тормозным режимом и широко применяется для грузоподъемных механизмов, механизмов передвижения и поворота.
Для перевода из двигательного режима, соответствующего подъему груза, в режим противовключения, соответствующий тормозному спуску, в цепь якоря вводится добавочное сопротивление. Момент двигателя становится меньше статического (см. т. В характеристики), подъем груза прекращается. Под действием МС груз начинает опускаться, вращая якорь двигателя в обратном направлении. При скорости, соответствующей т.С, М двигателя сравняется с МС и спуск будет происходить с постоянной скоростью. При изменении направления вращения ЭДС двигателя изменит знак и станет действовать согласно с напряжением сети. Ток якоря увеличится, а момент М по отношению к моменту МС, создаваемому грузом, будет тормозным.
Для торможения противовключением механизмов с реактивным моментов сопротивления необходимо на ходу изменить полярность питания якоря, оставив без изменения направления тока в обмотке возбуждения согласно следующей схеме. Для ограничения первоначального броска тока и момента в цепь якоря должно быть введено значительное добавочное сопротивление, т.к. без него бросок тока может в 30-40 раз превышать номинальное значение. Переход их двигательного в тормозной режим изображен на графике. При изменении полярности питания якоря двигатель переходит из т.А на характеристику в т.В и тормозится до остановки в т.С. Если после остановки его не отключить и момент двигателя в т.С больше МС, двигатель будет разгоняться в противоположном направлении и новый установившийся режим наступит в т.Д.
Режим динамического торможения ДПВ может осуществляться 2-мя способами: с самовозбуждением и с независимым возбуждением. При торможении с самовозбуждением двигатель отключается от сети и замыкается на тормозное сопротивление. Двигатель работает в качестве генератора с самовозбуждением. Главным условием этого способа является наличие самовозбуждения. При вращении якоря за счет кинетической энергии механизма или груза в якоре от остаточного магнетизма будет наводится ЭДС. При правильном соединении обмотки якоря и обмотки возбуждения и соответствующем сопротивлении цепи якоря, ток, созданный наведенной ЭДС, усилит магнитный поток, а следовательно и ЭДС что приведет к дальнейшему увеличению тока. Это значит, что при переводе машины из двигательного режима в тормозной необходимо во избежания размагничивания машины переключить полярность якоря или обмотки возбуждения таким образом, чтобы ток в последней имел такое же направление, что и в режиме, предшествующему тормозному (см. схемы). Иначе самовозбуждения не произойдет. Кроме того, чтобы возбуждение возникло, скорость двигателя должна быть достаточной и выполнялось условие: ЭДС якоря, определяемая величиной Ф и скоростью вращения была больше падения напряжения в сопротивлении тормозного контура, т.е. .
Возбудившись, машина создает тормозной момент. При некоторой скорости наступит равновесие. Режим работы двигателя определится точкой пересечения кривой при достигнутой скорости вращения с линией, характеризующей падение напряжения . Для каждой данной машины кривая лежит тем выше, чем больше скорость вращения, а наклон прямой тем больше, чем больше (см. рис.). Поэтому выполнение этого условия при данной скорости, а значит и работа в тормозном режиме, возможны лишь при R (а следовательно и Rm), меньших, чем значения, соответствующие прямой, касательной к кривой в начале координат. Для возможности торможения, при больших сопротивлениях цепи якоря необходимо увеличить скорость машины в режиме, предшествующем тормозному.
Наименьшая скорость, при которой машина еще может самовозбуждаться, будет иметь место при ее замыкании накоротко, т.е. при .
Скорость, при которой самовозбуждения уже не произойдет, называется критической. Ей соответствует сопротивление, также называемое критическим: .
Семейство электромеханических и механических характеристик, соответствующих различным значениям тормозного сопротивления, изображено на графиках. Из них видно, что при каждом данном Rm торможение осуществляется в относительно узкой зоне скоростей. С целью торможения до достаточно малых скоростей необходимо по мере снижения скорости уменьшать Rm.
Обычно динамическое торможение ДПВ осуществляется с независимым возбуждением. В этом случае якорь двигателя замыкается на тормозное сопротивление, а обмотка возбуждения подключается к сети через сопротивление как изображено на рис., ограничивающее ток в ней до номинальной величины. Т.к. в этом случае двигатель работает генератором с независимым возбуждением, его характеристики подобны характеристикам ДНВ при динамическом торможении и приведены на графике. Все они пересекаются в начале координат.
Следует отметить, что динамическое торможение с самовозбуждением используется как аварийное.
3. Системы подчиненного регулирования координат электроприводов (обобщенная структурная схема системы подчиненного регулирования; основные положения принципа подчиненного регулирования координат; типовые настройки контуров регулирования СУЭП; достоинства и недостатки).
Стуктурная схема многоконтурной СУ ЭП с подчиненным регулированием координат объекта управления приведена на рис. 7.10.
Основные положения принципа подчиненного регулирования координат изложены ниже.
1. Объект управления представляют в виде n последовательно соединенных простейших линейных динамических звеньев с одним-двумя доминирующими полюсами (интегральных, апериодических первого-второго порядка) - Wоу,1(p), Wоу,2(p), ..., Wоу,n(p), где n - число контролируемых переменных).
Рис. 7.10. Стуктурная схема многоконтурной системы с подчиненным регулированием координат объекта управления
2. В передаточную функцию младшего подобъекта управления Wоу,1(p) включают фильтр с эквивалентной малой (некомпенсированной) постоянной времени контура T, определяющей такие важнейшие свойства системы управления, как быстродействие, точность и помехозащищенность.
3. Устройство управления представляют в виде n последовательно соединенных регуляторов класса "вход-выход". 4. Синтез СУ ЭП начинают с младшего (внутреннего) контура регулирования и заканчивают старшим (внешним) контуром, применяя единую типовую методику (см. раздел 7.5).
5. Каждый синтезированный замкнутый контур регулирования аппроксимируют оптимальным звеном первого-второго порядка и после синтеза присоединяют к объекту управления последующего контура.
6. Ограничение координат объекта управления на допустимых уровнях осуществляют ограничением задающих воздействий соответствующих контуров регулирования.
В многоконтурных электромеханических системах подчиненного регулирования координат наиболее распространены настройки отдельных контуров на технический (модульный) и симметричный оптимум.
Настройка на технический оптимум.
При настройке контуров регулирования на технический оптимум (ТО) передаточные функции замкнутых контуров регулирования представляют в виде фильтров Баттерворта второго порядка:
,(9.31)
где i = 1...n.
Передаточная функция оптимального регулятора в этом случае имеет вид:
(7.32)
Переходный процесс в младшем контуре регулирования представлен кривой 1, рис. 7.11. Время регулирования младшего контура составляет около 8 T, в остальных контурах оно будет как минимум в раз больше, Рис. 7.11. Кривые оптимальных переходных процессов
контуров регулирования СУ ЭП
Настройка на симметричный оптимум.
При настройке контуров регулирования многоконтурной СУ ЭП на симметричный оптимум (СО) их передаточные функции представляют в виде оптимальных звеньев третьего порядка. Для этого передаточные функции замкнутых контуров регулирования, настроенных на технический оптимум и соответствующих регуляторов умножают на изодромное звено вида
(7.33)
где i - номер синтезируемого контура регулирования, i = 1,...,n.
Такая настройка контуров регулирования обеспечивает астатизм первого порядка по задающим воздействиям (теоретически нулевую статическую ошибку регулирования выходной координаты). Однако отработка скачкообразных задающих воздействий сопровождается высоким перерегулированием выходной координаты контура, достигающим 56% (кривая 2 на рис 7.11). Для снижения перерегулирования на вход i-го замкнутого контура регулирования устанавливают задатчик интенсивности или апериодическое звено (предшествующий фильтр первого порядка) с постоянной времени . Переходный процесс в СУ ЭП с предшествующим фильтром первого порядка представлен кривой 3 на рис. 7.11.Типовая методика синтеза контуров регулирования по желаемой передаточной функции разомкнутого контура, имеющих, в частности, настройку на технический и симметричный оптимум, приведена ниже.
1
Документ
Категория
Разное
Просмотров
61
Размер файла
810 Кб
Теги
билет
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа