билеты привод

конструкций и низкой технологичностью. Однако описанные способы получения программируемых линейных и угловых перемещений не позволяют обеспечить растущие потребности систем мехатроники в разнообразных высокоэффективных исполнительных устройствах, способных обеспечить решение широкого круга задач автоматизации технологических процессов в различных областях техники, медицины и сельского хозяйства. Специалистами в области автоматизации постоянно ведутся работы по созданию самых разнообразных электронноуправляемых исполнительных устройств на базе известных в природе эффектов и явлений.

Пьезоэлектрические приводы

В последние годы широкое распространение в системах мехатроники
получили	исполнительные		устройства,		построенные	на	базе
пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП). В этом классе исполнительных
устройств в качестве электромеханического преобразователя используется
пьезоэлектрическая керамика, которая способна деформироваться при
изменении подведенного электрического потенциала (режим обратного
пьезоэффекта), а также может генерировать					на своих поверхностях электрический
потенциал при деформировании внешней силой (режим прямого пьезоэффекта). Объем
пьезокерамики при этом остается неизменным.
В отличие от традиционных электромагнитных					преобразователей, в основе работы которых
лежит изменение электромагнитного поля, в ПЭП используется электрическое поле, что
значительно повышает надежность и
помехозащищенность исполнительных устройств в условиях внешних
возмущающих		электромагнитных		полей.	Современные		составы
пьезоэлектрической керамики			отличаются высоким к.п.д.,			высокой механической

прочностью, способностью работать в диапазоне температур -273...+35О°С, а составы на основе кобальта — до +700°С, инертностью к агрессивным средам, нечувствительностью к электромагнитным и

радиационным полям. В исполнительных устройствах на базе пьезоэлектрической керамики массогабаритные показатели по сравнению с традиционным электроприводом снижены в 1,5... 100 раз, достигаются высокие динамические и нагрузочные характеристики.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства создаются для двух режимов возбуждения - низкочастотного дорезонансного и резонансного, обычно с низкочастотным режимом возбуждения строятся исполнительные устройства позиционирования. Пьезоэлектрическая керамика, обеспечивая деформацию, пропорциональную величине подведенного электрического напряжения, сама может выступать в роли позиционного исполнительного устройства. С целью уменьшения величины электрического напряжения, необходимого для получения заданного перемещения, керамику обычно секционируют, т.е. исполнительный пьезокерамический элемент создают в виде, установленных механически последовательно и подключенных электрически параллельно с соблюдением полярности, тонких пьезоэлектрических шайб . Такой составной пьезокерамический пакет при управляющем напряжении 400 В и толщине пакета порядка 100 мм способен совершать перемещения до 100 мкм. Точность позиционирования может достигать десятых долей микрометра. При малых величинах нагрузок используют биморфную конструкцию пьезокерамического исполнительного устройства, образованную путем склейки или спайки пьезокерамических пластин и разнополюсного параллельного их подключения к управляющему напряжению (рис.13.1) . Рисунок 13.1.- Биморфное пьезоэлектрическое исполнительное устройство Пластина выгибается за счет того, что управляющее напряжение вызывает сжатие одного из склеенных по плоскости пьезоэлементов и растяжение другого. Величина прогиба

консольно закрепленного плоского биморфного элемента в холостом режиме пропорциональна подводимому напряжению. Пьезоэлектрический привод на основе консольно закрепленной биморфной пластины длиной 60 мм и толщиной 1 мм при напряжении ± 500В при отсутствии нагрузки обеспечивает перемещение ± 0,3 мм. Прочность конструкции достигается за счет армирования плоским центральным электродом. Такие приводы применяются в качестве электромеханического преобразователя в гидроусилителе «сопло-заслонка». В этом случае пьезоэлемент выполняет роль заслонки, изменяющей проводимость регулируемых дросселей в гидравлической мостовой схеме, в диагонали которой установлен силовой распределительный золотник. Приводы в виде составных пакетных и биморфных пьезоэлектрических преобразователей, обладая возможностями тонкого пропорционального или дискретного регулирования, могут выступать в роли быстродействующих приводных элементов гидравлических дросселирующих устройств различного исполнения. Например, на базе биморфных пьезокерамических пластин строятся регуляторы расхода жидкости с дросселями переменной проводимости типа «сопло-заслонка», частота срабатывания которых достигает 1кГц.

12.Пояснить понятие «Технический Оптимум» при настройке регуляторов тока и скорости электропривода постоянного тока и влияние на ток якоря и скорость

Такая настройка применяется для систем второго порядка, ее называют также настройкой на технический оптимум. Термин обусловлен тем, что если характеристический полином системы второго порядка представить в канонической форме, т.е. в виде

(7.5) D ( p ) = T 12p 2+ 2ζ T 1p + 1, то при 2ζ = обеспечивается переходный процесс, близкий к оптимальному, при котором будет небольшое перерегулирование и относительно высокое быстродействие.

Рассмотрим сначала простейшую систему, представленную в предыдущем пункте (двигатель питается от источника тока). В относительных единицах ее структурная схема представлена на рис. 7.3.

Если коррекцию осуществлять путем подбора передаточной функции регулятора W р ( p ) , обеспечивающей оптимальный переходный процесс, то звенья с постоянными

времени T μ и T о можно отнести к неизменной части системы, обозначив ее передаточную функцию через W н ( p ) . Учитывая введенное обозначение, запишем передаточную функцию разомкнутого контура

(7.6)W ( p ) = W р ( p ) W н ( p ) ,где

(7.7),

(7.8)

W о ( p ) – передаточная функция объекта регулирования. В замкнутом состоянии привод будет описываться передаточной функцией

(7.9)

Которая, в соответствии с нашим желанием обеспечить технический оптимум (7.5), за счет выбора передаточной функции регулятора W р ( p ) , должна быть приведена к следующему виду

(7.10)

Из условия тождественного равенства передаточных функций (7.9) и (7.10) справедливы соотношения для передаточной функции синтезируемого регулятора

(7.11) W р ( p ) = T μ T о / T 12 и W р ( p ) = T о / ( T 1), где T 1 – свободная для выбора постоянная времени. Попробуем выбрать её так, чтобы компенсировать влияние большой постоянной времени T о . Для этого введем подстановку T 1= a T μ и перепишем

соотношения (7.11) в виде W р ( p ) = T о / ( a 2T μ ) и W р ( p ) = T о / (		a T μ ).
При a =	, имеем
(7.12)

W р ( p ) = T о / ( 2T μ ) = k р . Такой регулятор называют пропорциональным (П-регулятором). Если прейти от относительных единиц к абсолютным, то согласно (7.3.в) получим

(7.13)

k р = T о / ( 2T μ k п k о k о с ) . Таким образом, если передаточную функцию регулятора выбрать согласно (7.13), мы обеспечим настройку на оптимум по модулю и передаточная функция замкнутой системы, получит вид (7.10). Передаточную функцию настроенной на оптимум по модулю разомкнутой системы получим по выражению

(7.14)

Смысл термина настройки на оптимум по модулю в том, что при этом стремятся в широкой полосе частот сделать модуль частотной характеристики замкнутого контура близким к единице. Переходный процесс в системе при ступенчатом управляющем воздействии показан на рис. 7.5.а, кривая А. Выходная величина в первый раз достигает установившегося значения через время t = 4.7T μ , перерегулирование составляет 4.3 %. Так как влияние постоянной времени

объекта T о было скомпенсировано коррекцией, длительность переходного процесса от нее не зависит, а определяется только малой постоянной времени T μ .

Рис. 7.5. Переходные процессы в приводе при различных настройках регулятора

Теперь предположим, что двигатель питается от преобразователя напряжения. В этом случае, в первом приближении, постоянную времени T я можно не учитывать. Тогда передаточную функцию объекта по управлению можно представить в виде

(7.15) Подставим W о ( p ) из (7.15) в (7.7) и получим передаточную функцию разомкнутой системы

(7.16) Приравнивая правые части выражений (7.14) и (7.16), найдем передаточную функцию регулятора, при которой обеспечивается настройка системы на технический оптимум,

Учитывая полученное выше уравнение для оптимального передаточного коэффициента системы (7.13), представим полученную передаточную функцию стандартным пропорционально-интегральным звеном

(7.17) где τ р = T о , а k р определяется по (7.13). Такой регулятор называют пропорционально-интегральным (ПИ-регулятор). Если двигатель питается от преобразователя напряжения, и мы учитываем постоянную времени якорной цепи, то согласно (2.35.а) передаточная функция объекта по управлению имеет вид

(7.18)

	где k о = 1/ ( K Φ ) , T о 1= T м , T о 2= T я .По аналогии с
предыдущим случаем найдем
(7.19)	где τ р 1= T о 1, τ р 2= T о 2, а k р определяется по (7.13).

Такой регулятор называют пропорционально интегрально дифференциальным (ПИДрегулятор).

13.Структура электроэнергетической системы и основное оборудование

Совокупность электростанций, линий электропередач, подстанций и тепловых сетей, связанных в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии называетсяэнергетической системой (энергосистемой) (рис.1).

Часть энергетической системы, состоящая из генераторов, распределительных устройств, повышающих и понижающих подстанций, линий энергетической сети и приемников электроэнергии,

называется электроэнергетической системой (рис. 2).

14.Выбор двигателей по мощности для кратковременного режима работы

S2

Исходя из определения этого режима, можно ограничиться рассмотрением одного периода работы двигателя. Превышение температуры определяется уравнением

τ = τ у( 1− e − t / T н) .

Рис. 6.6. График работы двигателя в кратковременном режиме

Если выбрать двигатель, предназначенный для продолжительного режима работы мощностью P к р , то при кратковременном режиме работы превышение температуры не достигнет допустимого значения τ доп (рис. 1, кривая 1). Поэтому в этом режиме двигатель оказывается недоиспользован по нагреву.

При заданной нагрузке и времени рабочего периода t р в тепловом отношении будет полностью использован двигатель меньшей мощности, превышение температуры которого ко времени t р будет равно τ доп (рис. 1, кривая 2). При этом двигатель будет кратковременно перегружаться, а установившаяся температура для него окажется равной τ у1> τ у= τ д оп . Перегрузка может быть значительной при малых t р .

Соотношение между τ у1 и τ у может быть найдено из выражения

τ у= τ у1( 1− e − t / T нср ) , (1)

где T н ср – среднее значение постоянной времени нагрева в начале и в конце процесса нагрева,

τ у= P н ом / A и τ у1= P к р / A ; P к р – потери мощности в двигателе при нагрузке P к р .

Отношение потерь при кратковременной нагрузке к потерям при номинальной нагрузке при условии одинакового перегрева двигателя называется коэффициентом термической перегрузки. Значение этого коэффициента может быть получено из (1):

p т= P кр / P ном= 1/ ( 1− e − t р / T нср ) . (2)

По коэффициенту термической перегрузки можно найти коэффициент механической перегрузки, равный мощности Pкр и номинальной мощности Pном при продолжительной нагрузке т.е. p м = Pкр / Pном.

Действительно,

p	Pкном PVном PKр / PHом 2			a p2
				M	. (3)
TEPM	Pкном	P		a 1
		Vном

Отсюда	= √(1 + )		−	(4)

Подставляя в (4) из (2) получим:

(5)

По (5) и заданному коэффициенту а может быть построена зависимость допустимого коэффициента механической перегрузки рM от относительного времени работы tP/TH.CP (рис. 2).

Пренебрегая постоянными потерями (а = 0), выражение (4) можно записать в виде

pM					1
	pT						(6)
					t P
			1 e			/ TH .CP

Если нагрузка в рабочий период меняется, то в расчетные формулы вводится вместо Ркр

эквивалентная мощность за время tp.

Выбор мощности двигателей для работы при кратковременной нагрузке номинального продолжительного режима производится из допустимых нагрева и перегрузки, при этом номинальные мощности равны:

PН .ЭКВ РКр / рТ (7)

РН .МАКС РК / ДВ (8)

где λДВ – допустимая перегрузочная способность двигателя, значения которого указаны в табл. 1.

Таблица 1 допустимая перегрузочная способность двигателя

Тип двигателя	λДВ
Двигатель постоянного тока	2-2,5
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором нормального	1,7-
исполнения	2,2
То же с контактными кольцами	2-2.5
Синхронные двигатели	2-2,5

При задании графика нагрузки в виде i = f (t) или М=φ(t) в расчетные формулы вместо мощности РKр вводится соответствующее значение тока или момента.

Из анализа кривых на рис. 2 видно, что уже при tP / TH .CP 0.35 и допустимой перегрузке по нагреву коэффициент механической перегрузки становится равным 2,5.

Двигатели, предназначенные для кратковременного режима работы, выпускаются заводами с нормированной длительностью работы 15, 30, 60 и 90 мин, следовательно, выбранный по каталогу двигатель для кратковременного режима работы может быть загружен номинальной мощностью в течение указанного времени и будет полностью использован по нагреву.

Если же время работы такого двигателя отличается от каталожного, то можно найти нагрузку РKр, при которой двигатель будет полностью использован по нагреву.

Превышение температуры двигателя с номинальной нагрузкой и нормированным временем работы равно:

ДОП	РТ .Н		е	t		/ T		(9)
	А	1			P.KAT		H

где ТH – постоянная времени нагрева в кратковременном режиме работы;

tР.КАТ – время работы, определяемое по каталогу. В течение фактического времени tP с

нагрузкой, отличной от номинальной,

ДОП	РТ .С 1 е tP / TH (10)
	А

здесь РTС – постоянные потери при нагрузке, отличной от номинальной.

По аналогии с предыдущим, коэффициент термической перегрузки

р

РТС

1 е tP.KAT / TH

a PK / PH 2

ТЕРМ

РТ .Н

1 e

t p / TH

1 a

откуда

P

P

1 a

1 e tP.KAT / TH

a (11)

K

H

1 e tP / TH

Если tр > tР.КАТ двигатель должен быть также проверен на допустимую перегрузку.

15. Система подчиненного регулирования с регулятором ЭДС