Pankratov_V_V_Uchebnoe_posobie_po_AUEP_Avtorsk

например передача типа «винт – гайка» или шарико-винтовая пара. Информа-

ционными устройствами в системах электропривода являются различного рода датчики и преобразователи физических величин, служащие для замыкания об-

ратных связей как по внутренним координатам электропривода, так и по пере-

менным, характеризующим ход технологического процесса.

Классификация электроприводов.

Все известные системы электропривода (ЭП) классифицируются по функциональному назначению, физическим принципам преобразования элек-

трической энергии в механическую, по структуре и особенностям технической реализации (см. приложение П1). В рамках настоящего пособия рассматрива-

ются только вопросы построения и функционирования довольно узкой, но са-

мой распространенной группы автоматизированных электроприводов – инди-

видуальных однодвигательных систем электромашинного регулируемого ЭП непрерывного вращательного движения.

Обсуждаемые системы электропривода в свою очередь можно классифи-

цировать по следующим признакам.

По роду тока различают:

- ЭП постоянного тока (на базе электрических двигателей постоянного тока с независимым, последовательным, смешанным возбуждением или воз-

буждением от постоянных магнитов);

- ЭП переменного тока (на базе асинхронных электродвигателей с корот-

козамкнутым или фазным ротором, синхронных двигателей с электромагнит-

ным или магнитоэлектрическим возбуждением, синхронных реактивных или вентильно-индукторных двигателей).

По технической реализации современного силового управляемого пре-

образователя электрической энергии можно выделить:

-тиристорные ЭП (на основе «обычных» однооперационных триодных тиристоров, запираемых GTO-тиристоров, модулей IGCT или SGCT);

-транзисторные ЭП (на основе полевых, биполярных транзисторов или модулей IGBT).

11

По используемым принципам автоматического управления различают:

- разомкнутые системы (реализующие временнóе программное управле-

ние координатами);

- системы с управлением по возмущению (реализующие принцип ком-

пенсации возмущений);

-замкнутые системы управления с обратными связями (реализующие принцип управления по отклонению) – основной вид систем управления ЭП;

-комбинированные системы (с управлением как по отклонению, так и по возмущению).

В зависимости от способа управления частотой вращения электриче-

ской машины можно выделить:

- однозонные системы регулирования скорости с постоянством вращаю-

щего момента;

- двухзонные системы ЭП с регулированием скорости в нижней части ра-

бочего диапазона с постоянством момента, а в верхней – с постоянством мощ-

ности.

В зависимости от структуры замкнутой системы ЭП с обратными

связями также нужно различать:

-одноконтурные системы;

-системы с несколькими обратными связями и общим суммирующим усилителем;

-многоконтурные системы ЭП с подчиненным регулированием коорди-

нат.

Для систем управления электроприводов (СУЭП) переменного тока при-

меняются еще более «тонкие» признаки классификации, затрагивающие не только структуру системы регулирования, но и принципы синтеза управляю-

щих алгоритмов, например, используются следующие термины:

-параметрическое (фазовое) регулирование;

-частотное регулирование (скалярное или двухканальное);

-векторное управление;

12

- прямое управление моментом или потоком и т.д.

Функции электроприводов.

Системы автоматизированного электропривода могут выполнять следу-

ющие функции.

1.Управление пуском, реверсом и торможением двигателя. Эта функция реализуется релейно-контакторными СУЭП, которые в данном пособии не рассматриваются.

2.Автоматическое поддержание координат механического движения, ха-

рактеризующих технологический процесс, на заданном уровне с требуе-

мой точностью и быстродействием. Эта функция выполняется так назы-

ваемыми системами стабилизации (с обратными связями), в частности – системами стабилизации (регулирования) скорости.

3.Воспроизведение с требуемой точностью внешних задающих воздей-

ствий, изменяющихся по заранее не известным законам. Выполняется

следящими системами, замкнутыми, как правило, по положению вала двигателя или рабочего органа механизма. Если замкнутая по положению СУЭП предназначена для отработки ступенчатых задающих воздействий,

то она называется системой позиционирования или позиционной систе-

мой. Суть работы последней – перевод исходно неподвижного исполни-

тельного органа рабочего механизма с требуемыми точностью и быстро-

действием из некоторого начального положения в заданное конечное с остановкой в конце перемещения.

Программное управление выходными координатами автоматизированных электроприводов осуществляется внешним управляющим устройством путем изменения входного для СУЭП задающего воздействия.

Требования к ЭП и предмет курса.

Следует заметить, что конкретные технические требования, предъявляе-

мые к электроприводам каждой распространенной группы механизмов схожего назначения, регламентируются соответствующими стандартами. К их числу от-

носится, например, ГОСТ 27803-91 «Электроприводы регулируемые для метал-

13

лообрабатывающего оборудования и промышленных роботов. Технические требования». Самые же общие требования к ЭП можно условно разделить на:

- технологические (обеспечение всех требуемых режимов работы, быст-

родействия, диапазона регулирования скорости, статической точности; функ-

ционирование в заданных условиях окружающей среды и т.д.);

- эксплуатационные (удобство автоматизации и включения СУЭП в си-

стему управления более высокого уровня; удобство монтажа, наладки, эксплуа-

тации; высокие ремонтопригодность и надежность; минимальное число настра-

иваемых параметров);

- технико-экономические (экономическая эффективность; соотношение

«цена – качество»; повышение производительности оборудования и качества изделий; энергосбережение).

Разумеется, многие из перечисленных выше требований к ЭП взаимно противоречивы. Каким из них в каждом конкретном случае следует отдать предпочтение, зависит, прежде всего, от назначения электропривода, и в этом смысле можно выделить две предельные группы систем автоматизированного ЭП:

- высокодинамичные информационные ЭП, к числу которых относятся электроприводы подач металлообрабатывающих станков с числовым про-

граммным управлением, ЭП робототехники, мехатронные системы измери-

тельных установок, приводы рулевых механизмов самолетов и ракет; - силовые системы ЭП, предназначенные для обеспечения длительного

управляемого электромеханического преобразования энергии и работающие, в

основном, в установившихся режимах, например, ЭП конвейеров, насосов,

компрессоров, вентиляционных установок.

Для информационных ЭП первичными являются требования быстродей-

ствия и точности, для силовых – экономической и энергетической эффективно-

сти. Понятно, что большинство промышленных ЭП совмещает в себе признаки обеих предельных групп, поэтому при их разработке принимается во внимание весь комплекс требований – как общих, так и предписанных конкретным ГОСТ.

14

Достижение требуемых показателей автоматизированного электроприво-

да является результатом решения сложной задачи комплексного проектирова-

ния всех составляющих СУЭП, несколько этапов которого – выбор типа преоб-

разователя электрической энергии, способа управления им, синтез закона управления – решаются на основе сведений, составляющих предмет настоящего учебного пособия.

Предмет изучения составляют: математические модели и физические принципы функционирования элементов и систем электропривода; методы ав-

томатического управления координатами ЭП регулируемой скорости, позици-

онных и следящих ЭП; методики структурно-параметрического синтеза кор-

ректирующих звеньев СУЭП.

1.2. Обобщенная структура автоматизированного электропривода

Обобщенная структурная схема системы автоматизированного электро-

привода изображена на рис. 1.1. Здесь: ЭД – электрический двигатель; МПУ – механическое преобразовательное (передаточное) устройство; ИОМ – исполни-

тельный орган рабочей машины (механизма); СУП – силовой управляемый преобразователь электрической энергии; ДОС – система датчиков обратных связей; СИВ – система измерения возмущений; УУ – управляющее устройство;

ЗУ – внешнее задающее устройство (к ЭП не относится); uз (t) – задающее воз-

действие; uу (t) – управляющее воздействие СУЭП; fi (t) – внешние и внутрен-

ние возмущающие воздействия; жирными линиями показаны векторные связи.

Как следует из рис. 1.1, на каждый элемент ЭП действуют возмущения.

Разумеется, главным из них, ради преодоления которого и совершения таким образом полезной работы функционирует ЭП, является момент сопротивления нагрузки, входящий в вектор возмущений f1(t) , действующих на исполнитель-

ный орган механизма. Кроме момента сопротивления, в вектор f1(t) входят и возможные параметрические возмущения, в частности, при одномассовой ки-

15

нематической схеме ЭП – вариации момента инерции ИОМ. В вектор возму-

щающих воздействий на МПУ f2 (t) входят потери энергии, вызванные момен-

том трения, и зазоры (люфты) в передаче. Вектор f3(t) возмущений на двига-

тель включает в себя момент трения и изменения параметров машины – тепло-

вой дрейф активных сопротивлений, изменения индуктивностей при смене магнитного состояния и нагрузки, падения напряжения в щеточно-

коллекторном узле и т.д. В вектор f4 (t) , действующий на СУП, включены воз-

мущения со стороны питающей ЭП электрической сети – дрейф напряжения и частоты, искажения формы напряжения и прочее. Вектор f5(t) содержит пара-

метрические возмущения, возникающие вследствие неидеальности и старения элементов УУ. Векторы f6 (t) и f7 (t) состоят, главным образом, из ошибок из-

мерения и помех. Компенсации в СУЭП с помощью СИВ принципиально до-

ступны лишь компоненты векторов f1(t) … f4 (t) .

					ДОС						M
					f6 (t)
				uу (t)
			УУ		СУП		ЭД	МПУ		ИОМ
ЗУ
	uз (t)
			f5(t)		f4 (t)		f3(t)	f2 (t)		f1(t)

СИВ

f7 (t)

Рис. 1.1 – Обобщенная структурная схема ЭП

Выходными переменными МПУ и ИОМ являются координаты их меха-

нического движения – ускорение, пропорциональное вращающему моменту,

угловая скорость (частота вращения), угол поворота. Структурный выход ЭД,

кроме механических переменных, может включать токи и потокосцепления об-

16

моток, выход СУП – напряжения или токи (для ЭП переменного тока дополни-

тельно – частоту и фазу электрических величин).

1.3. Основные показатели и характеристики систем регулирования

скорости электропривода

В настоящем разделе описаны базовые показатели качества и характери-

стики систем автоматического регулирования (САР) скорости электроприводов,

используемые в данном учебном курсе. Государственные стандарты на техни-

ческие требования, предъявляемые к ЭП каждой конкретной группы механиз-

мов, содержат и другие, не менее важные показатели, которые весьма специ-

фичны и в учебном пособии не рассматриваются.

1. Диапазон регулирования D. Это важнейший показатель САР скорости,

равный отношению максимальной скорости ЭП, достижимой с учетом всех действующих ограничений, к минимальной скорости ЭП, ограниченной требо-

ваниями к другим, описанным ниже показателям САР:

D	max .	(1.1)
	min

Воднозонных системах регулирования максимальная скорость совпадает

сноминальной: max н . Для двухзонных ЭП постоянного тока с двигателя-

ми независимого возбуждения она определяется паспортом двигателя, причем приближенно max н , где – допустимая кратность ослабления пото-

ка, обычно составляющая 1,5…3.

Полезно знать, что по ГОСТ 27803-91 «Электроприводы регулируемые для металлообрабатывающего оборудования и промышленных роботов. Техни-

ческие требования» диапазон регулирования электроприводов подач и главного движения металлорежущих станков составляет до 104 и 103 соответственно. Та-

кие диапазоны достижимы в высококачественных тиристорных ЭП постоянно-

го тока. При бóльших диапазонах применяются транзисторные электроприводы.

17

2. Относительная погрешность регулирования скорости . Этот пока-

затель ограничивает диапазон регулирования снизу в ЭП, имеющих не абсо-

лютно жесткие механические характеристики:

н 100% ,min

где н – статический перепад (просадка) скорости ЭП под номинальной нагрузкой.

Если наложить ограничение на допустимое значение погрешности регулирова-

ния скорости: доп (5...10)% , то становится очевидным, что

D		доп		max .	(1.2)
	100%
				н

В связи с этим диапазоны регулирования ЭП, принципиально обладающих ста-

тической просадкой скорости, обычно не превышают десяти – двадцати.

3. Коэффициент неравномерности вращения Кн характеризует коле-

бания скорости в установившихся режимах работы электропривода, возникаю-

щие вследствие реальных пульсаций динамического момента, и ограничивает диапазон в ЭП с формально абсолютно жесткими механическими характери-

стиками. Введем обозначения min и max для мгновенных значений скоро-

сти ЭП, наблюдаемых в кривой (t) с помощью осциллографа при постоянном задающем воздействии САР на нижней границе диапазона регулирования. То-

гда для положительного направления вращения

Кн 2 max min .max min

ГОСТ 27803-91 ограничивает допустимый коэффициент неравномерно-

сти вращения Кн.доп , измеряемый на холостом ходу ЭП при дополнительной маховой массе на валу электродвигателя, равной моменту инерции ротора, зна-

чениями 0,1 и 0,25 для диапазонов регулирования 103 и 104 соответственно.

Если приближенно предположить, что повторяющиеся пульсации момен-

та имеют прямоугольную форму и низкую частоту, то

18

К2 дин. max ,

нmin

где дин.max – максимальная динамическая просадка (перепад) скорости САР при скачкообразном приложении момента сопротивления нагрузки соответ-

ствующей величины.

Следовательно, имеет место ограничение диапазона регулирования:

D	Кн.доп max	.	(1.3)
	2
	дин.max

4. Прямые показатели качества переходных процессов систем регули-

рования скорости ЭП – время регулирования, перерегулирование, а также вре-

мя нарастания, время первого согласования, число колебаний, декремент зату-

хания и др. – оцениваются по виду переходной характеристики системы при достаточно малом уровне ступенчатого задающего воздействия, не приводящем к выходу ни одного из элементов ЭП за пределы линейных зон их статических характеристик. Стандартами эти показатели не регламентируются.

5. Косвенные показатели качества переходных процессов определяют-

ся по виду частотных характеристик САР. К ним, в частности, относятся т.н.

показатель колебательности и полоса пропускания частот. Эти величины, так же как и прямые показатели качества переходных процессов, заимствованы из классической теории автоматического регулирования и оцениваются при рабо-

те всех элементов системы в линейной области их статических характеристик.

Особого внимания заслуживает полоса пропускания частот, т.к. она косвенно характеризует быстродействие системы и динамическую точность ЭП, а также регламентируется указанным выше ГОСТ 27803-91. Для ЭП с длительным мо-

ментом до 70 Н∙м полоса пропускания частот САР скорости должна составлять не менее 10 Гц – для однофазных тиристорных электроприводов, не менее 30

Гц – для многофазных тиристорных ЭП и не менее 100 Гц – для транзисторных ЭП.

19

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛОВОЙ ЧАСТИ

ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ

НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

В данной главе рассматриваются математические модели двигателя по-

стоянного тока с независимым возбуждением (ДПТНВ) как объекта управления,

которые могут применяться для решения задач анализа и синтеза одно- и двух-

зонных САР скорости ЭП, обсуждаются статические характеристики и способы регулирования скорости ДПТНВ, введено понятие обобщенного управляемого преобразователя электрической энергии (ОП) и описана модель однозонной си-

стемы «обобщенный преобразователь – двигатель» (ОП-Д).

Выбор объекта изучения обусловлен, во-первых, традициями, сложив-

шимися в области автоматизированного электропривода; во-вторых, относи-

тельной простотой математических моделей ДПТНВ, позволяющих наглядно иллюстрировать на его примере все базовые методы построения систем регули-

руемого ЭП; а в-третьих, тем, что ДПТНВ до недавнего времени были самым распространенным типом двигателей в глубокорегулируемом промышленном электроприводе и широко используются по настоящее время.

2.1. Математическая модель двигателя постоянного тока с независимым

возбуждением

При математическом описании процессов в ДПТНВ используем следую-

щую систему наиболее распространенных допущений.

1.Цепь якоря двигателя моделируется как генератор электродвижущей си-

лы (ЭДС) с последовательно включенными активным сопротивлением и индуктивностью, не зависящими от нагрузки. Влияние реакции якоря на магнитный поток возбуждения не учитывается или считается полностью скомпенсированным. Взаимная индуктивность обмоток якоря и возбуж-

дения равна нулю за счет расположения щеток на геометрической

20