5.2 Приводы с замкнутыми системами управления
Повышенные требования, относящиеся к погрешности и быстродействию, которые предъявляются в настоящее время к системам электропривода, обуславливают необходимость применения замкнутых систем. При этом используются приводы с индивидуальными преобразователями: для постоянного тока – это системы с управляемыми выпрямителями (транзисторными или тиристорными), а также с широтно-импульсными преобразователями (ШИП), а для переменного тока – системы с частотными преобразователями (ПЧ). ШИП, как правило, применяются в прецизионных установках с повышенными требованиями к точности стабилизации регулируемой координаты или ее мгновенного значения.
В основном электромеханические системы работают в двух режимах: а) стабилизации скорости или изменении ее по заданной программе, что необходимо для обеспечения требуемого характера протекания технологического процесса и б) в режиме отработки заданного перемещения и стабилизации положения какого-либо рабочего органа механизма.
Для отработки механических перемещений и стабилизации положения какого-либо рабочего органа механизма используются следящие приводы. На их входе должен использоваться измеритель рассогласования, с выхода которого в систему поступает напряжение, пропорциональное разности значений заданного угла поворота (перемещения) и угла поворота отрабатывающей оси механизма. В качестве измерителя рассогласования могут использоваться реостатные датчики, представляющие собой реостаты с подвижным контактом, устанавливаемые на задающей оси и оси механизма (рис5.2), индуктивные датчики в виде сельсинов или вращающихся трансформаторов, фотоэлектрические датчики.
Следящие приводы, как правило, представляют собой астатические системы. При отработке заданного перемещения имеем соотношение ωд = i dθ0/dt, где i – передаточное отношение редуктора; θ0 – угол поворота отрабатывающей оси (выходной оси механизма), на которой установлен один из элементов датчика рассогласования. Следовательно, θ0 = (∫ωдdt)/i, т.е. в структурной схеме двигателя, используемого в следящей системе, появляется дополнительное интегрирующее звено при этом следящая система приобретает свойства астатической системы первого порядка.
Рисунок 5.2 – Следящий привод с реостатными датчиками
рассогласования
РД1, РД2 –реостатные датчики; У – усилитель; П – преобразователь;
Р1, Р2 – механические редукторы; Я – якорь двигателя;
ИМ - исполнительный механизм.
Следящие системы широко используются для обработки изделий по заданному контуру (металлорежущие станки с программным управлением, сварочные установки с непрерывным и точечным швом, газорезательные установки и т.п. Следящие приводы также используются в установках для объемного копирования.
Для некоторых механизмов, работающих в условиях переменной нагрузки, существенной может быть задача стабилизации мощности, развиваемой двигателем, что весьма актуально для автономных установок с двигателями ограниченной мощности. В большинстве случаев системы стабилизации скорости представляют собой статические системы, где общий коэффициент усиления системы определяется максимально допустимой статической погрешностью.
Структура систем управления электроприводами не отличается от структуры систем управления другими объектами. В основе ее построения заложен принцип обеспечения максимальной производительности производственных механизмов. При этом стремятся достичь максимального быстродействия, минимума потерь в двигателе и системе, минимального расхода энергоресурсов, минимальных массо-габаритных показателей и т.д. (следует учитывать ограничения и нелинейность характеристик звеньев системы).
Обобщенная система управляемый преобразователь – двигатель
В данном курсе изучаются наиболее общие закономерности, свойственные разомкнутым и замкнутым системам электропривода, а также общность процессов электромеханического преобразования энергии в различных двигателях.
Проведенный в данной главе краткий анализ особенностей основных разновидностей регулируемого привода – систем Г – Д, ТП – Д и ПЧ – АД – также дает основания для обобщения. Сравнивая 5.4, 5.6 и5.7(б), можно установить их принципиальную аналогию в пределах принятых допущений.
Рисунок 5.3 – Схема (а) и характеристики (б-д) системы Г – Д.
Рисунок 5.4 – Структурные схемы разомкнутой системы Г – Д.
Рисунок 5.5 – Схема
(а) и характеристики (б, в) системы ТП –
Д
Рисунок 5.6 - Структурные схемы системы ТП - Д
Рисунок 5.7 – Схемы (а, б) и механические характеристики асинхронного электропривода (в) при частотном регулировании скорости.
Опираясь на эту аналогию, можно с учетом упругих механических связей в системе электропривода записать дифференциальных уравнений для обобщенной системы «управляемый следующую систему преобразователь – двигатель» (УП - Д):
к’п Uу = (1 + Тпр)ω0 ;
(1 + Тэр)М = βс (ω0 – ω1);
М – М12 – Мс1 = βсТм1р ω1; ( 5.4 )
М12 – Мс2 = βсТм2рω2;
рМ12 = с12 (ω1 – ω2),
где Тм1 = J1/βс ; Тм2 = J2/βс = (γ - 1)Тм1.
Для системы Г – Д: Тп = Тг; Тэ = Тя ; βс = с2/RяΣ.
Для системы ТП – Д : Тп = Ттп; Тэ = Тя; βс = с2/RяΣ.
Для системы ПЧ – АД: Тп ≈ 0; Тэ = 1/ω0эл.ном sк.
Структурная схема обобщенной системы УП – Д, соответствующая (5.4) представлена на рис. 5.7.
Рисунок 5.8 – Структурные схемы обобщенной системы УП - Д
В пределах принятых допущений эти структуры в дальнейшем используются для анализа наиболее общих закономерностей, характерных для регулирования основных координат электропривода. Из приведенных пояснений к формуле (5.4) вытекает, что специфика конкретных систем при рассмотрении свойств системы УП – Д отражается в значениях обобщенных параметров и их связи с конкретными параметрами машин.
Структурная схема системы УП – Д, представленная на рис. 5.8,а, может использоваться при анализе влияния обратных связей на динамику упругих электромеханических систем. Для анализа общих возможностей и свойств электропривода при регулировании тока, момента, скорости и положения в дальнейшем используется обобщенная структура электропривода по системе УП – Д при жестких механических связях (с12 = ∞), представленная на рис.5.8.б.