Pankratov_V_V_Uchebnoe_posobie_po_AUEP_Avtorsk

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.В. ПАНКРАТОВ

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Часть I

Регулирование координат электроприводов постоянного тока

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2013

УДК 62-83:621.313.2(316.71):681.51 П 164

Рецензенты:

С.А. Харитонов, д-р техн. наук, профессор Б.М. Боченков, канд. техн. наук, доцент

Работа подготовлена на кафедре электропривода и автоматизации промышленных установок для студентов факультета мехатроники и автоматизации, обучающихся по направлению 140400 – «Электроэнергетика и электротехника» и профилю подготовки «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»

Панкратов В.В.

П 164 Автоматическое управление электроприводами. Часть I. Регулирование координат электроприводов постоянного тока: учеб. пособие / В.В. Панкратов.

– Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. – *** с.

ISBN

В пособии изложены базовые принципы построения и методы синтеза систем автоматического управления однодвигательных электроприводов постоянного тока. Рассмотрены вопросы математического моделирования и особенности квазинепрерывных алгоритмов управления регулируемыми электроприводами с тиристорными и транзисторными преобразователями, позиционных и следящих систем с одномассовой кинематической схемой.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 140400 – «Электроэнергетика и электротехника» и профилю подготовки «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», а также может быть полезным инженерам, аспирантам и научным сотрудникам, специализирующимся в области автоматизированного электропривода или промышленной электроники.

	УДК 62-83:621.313.2(316.71):681.51
ISBN	Панкратов В.В., 2013
	Новосибирский государственный
	технический университет, 2013

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ………………………………………………………………...….….. 7

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КУРСА …………………………………...…….. 10

1.1. Определение, классификация и функции электроприводов.

Предмет изучения …………………………………………………………….... 10

1.2.Обобщенная структура автоматизированного электропривода ...……... 15

1.3.Основные показатели и характеристики систем регулирования

скорости электропривода ………………………………...……………………. 17

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ………………………………………... 20

2.1. Математическая модель двигателя постоянного тока с независимым воз-

буждением ………………………………………………………………….…... 20

2.2.Линеаризация уравнений ДПТНВ ……………………………………...... 25

2.3.Механическая и электромеханическая характеристики,

способы регулирования скорости ДПТНВ ……………………………...…… 29

2.4. Обобщенный управляемый преобразователь электрической энергии ……………………………………………………….... 34

2.5. Математическая модель системы

«обобщенный преобразователь – двигатель» ………………………………... 35

3. ВЛИЯНИЕ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ НА СТАТИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ «ОБОБЩЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ – ДВИГАТЕЛЬ» ……………………………………... 40

3.1. Функциональная схема и уравнения системы «ОП-Д» с общим суммирующим усилителем …………………………………………. 40

3.2.Анализ влияния обратной связи по напряжению ……………………….. 41

3.3.Анализ влияния обратной связи по скорости …………………………… 42

3.4.Анализ влияния обратной связи по току, «токовая отсечка» …………... 43

3

4.СИСТЕМЫ ПОДЧИНЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА ………………………….. 46

4.1.Принцип построения многоконтурных систем с подчиненным регулированием координат ……………………………………………………. 47

4.2.Стандартные настройки контуров регулирования ……………………… 49

4.2.1.Настройка на модульный оптимум …………………………………. 50

4.2.2.Настройка на симметричный оптимум …………………………...... 55

4.2.3.Синтез одноконтурной САР скорости микроэлектропривода постоянного тока ………………………………………………………….... 59

4.3.Синтез однозонной системы подчиненного регулирования скорости электропривода постоянного тока …………………………………………..... 61

4.3.1.Синтез контура регулирования тока якоря ………………………… 62

4.3.2.Синтез контура регулирования скорости …………………………... 64

4.3.3.Ограничение координат в СПР …………………………………...… 70

4.3.4.О влиянии внутренней обратной связи двигателя по ЭДС ……….. 72

4.4.Синтез двухзонной системы подчиненного регулирования скорости … 75

4.4.1.Синтез контура регулирования магнитного потока ……………….. 79

4.4.2.Синтез вычислителя и регулятора ЭДС ……………………………. 81

4.4.3.Особенности построения КРС двухзонного электропривода …….. 85

4.5.О принципах построения СУЭП без датчика скорости ………………… 88

5.ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ТИРИСТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ …………………………….. 91

5.1.Общие сведения о тиристорных преобразователях как объектах

автоматического управления …………………………………………….......... 92 5.1.1. Схемы выпрямления, регулировочные и внешние характеристики тиристорных преобразователей ……................................. 92

4

5.1.2. Реверсивные ТП, скоростные характеристики разомкнутой системы

«тиристорный преобразователь – двигатель» …………………………… 102

5.1.3.Управляемый вентильный преобразователь, техническая линеаризация регулировочных характеристик ………………………….. 108

5.1.4.Особенности вентильного преобразователя как элемента СУЭП . 114

5.2.Ограничение тока в тиристорном электроприводе ……………………. 115

5.3.Методика синтеза САР скорости на основе диаграмм качества ……… 117

5.3.1.Линеаризованные структуры вентильных электроприводов регулируемой скорости …………………………………………………… 118

5.3.2.Ограничения на быстродействие вентильных электроприводов ... 124

5.3.3.Инженерный расчет параметров САР …………………………….. 125

6.СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ТРАНЗИСТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ …………………………………………………… 130

6.1.Силовая схема транзисторного ЭП постоянного тока ………………… 132

6.2.Способы управления и регулировочные характеристики ИУМ ……… 135

6.3.Управляемые широтно-импульсные преобразователи напряжения и ши-

ротно-импульсные модуляторы, их регулировочные характеристики ........	138
6.4. Синтез контура регулирования тока электропривода
с транзисторным ШИП ………………………………………………………. 145
6.4.1. Использование стандартной настройки на модульный оптимум .. 145
6.4.2. Синтез КРТ из условия разделения частот ……………………….. 147
6.5. Методика синтеза контура регулирования скорости по требованиям к ре-
акции на возмущающее воздействие ……………………………………....... 149
6.5.1. Взаимосвязь коэффициентов регулятора скорости с параметрами ча-
стотной характеристики КРС и его быстродействием «в большом» .. 150
6.5.2. Взаимосвязь коэффициентов РС с максимальным динамическим
отклонением скорости ЭП и интегральной ошибкой регулирования …. 151

5

6.5.3.Требуемый ресурс подсистемы управления моментом ………….. 154

6.5.4.Инженерная методика расчета контура регулирования скорости . 156

7.СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ МЕХАНИЗМОВ .. 159

7.1.Общие сведения и допущения …………………………………………... 159

7.2.Принципы построения позиционных систем электропривода ……….. 163

7.2.1.Режим малых перемещений ……………………………………….. 164

7.2.2.Режимы средних и больших перемещений,

синтез параболического регулятора положения ………………………... 167

7.3.Анализ и синтез следящих систем электропривода …………………… 174

7.3.1.Простейшая следящая система на базе ДПТНВ ………………….. 175

7.3.2.Следящая система с подчиненным регулированием координат ... 180

Список литературы ……………………………………………………………... 184

Приложения ………………………………………………………………........... 187

П1. ГОСТ Р 50369-92 ………………………………………………………... 187

П2. Схемы СИП транзисторного электропривода с цепями предварительного заряда емкости фильтра ……………………………….. 208

П3. Математические модели цифровых регуляторов СУЭП …………….. 211

П4. Перечень часто используемых аббревиатур ………………………….. 213

6

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Автоматическое управление электроприводами» является одной из базовых в подготовке студентов, обучающихся по направлению

140400 – «Электроэнергетика и электротехника», модуль «Электротехника»,

профиль «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологи-

ческих комплексов». Она позволяет предметно-ориентированно систематизи-

ровать знания и умения, приобретенные студентами при изучении предше-

ствующих дисциплин профессионального цикла, таких как «Электрические машины», «Электрический привод» («Теория электропривода»), «Элементы си-

стем автоматики и автоматизированного электропривода», «Теория автомати-

ческого управления», «Силовая электроника» и других, а также получить спе-

циальные знания, необходимые инженеру и исследователю в области автомати-

зированного электропривода. Цель изучения курса «Автоматическое управле-

ние электроприводами» – подготовка выпускников к решению ряда профессио-

нальных задач, предусмотренных Государственным образовательным стандар-

том направления, к числу которых относятся: разработка и исследование, рас-

чет и проектирование технических объектов (в частности – систем электропри-

вода различного назначения); монтаж, наладка и испытания электротехниче-

ского оборудования; обслуживание технологических машин и др.

Настоящее учебное пособие представляет собой адаптированный кон-

спект избранных лекций по дисциплинам «Автоматическое управление элек-

троприводами» и «Системы управления электроприводов», в течение двух де-

сятилетий читаемых автором студентам четвертого и пятого курсов факультета мехатроники и автоматизации (ранее – электромеханического факультета) Но-

восибирского государственного технического университета. Оно посвящено исключительно вопросам автоматического управления базовыми координатами электроприводов с полупроводниковыми преобразователями – токами, магнит-

ным потоком, вращающим моментом, скоростью, положением. Пособие не включает в себя многие традиционные для указанных дисциплин темы, доста-

7

точно полно представленные в классической учебной литературе или детально изучаемые в смежных дисциплинах учебного плана: релейно-контакторные и дискретные бесконтактные системы управления электроприводами; системы числового программного управления; программно-аппаратное обеспечение цифровых систем управления электроприводами; автоматизированные элек-

троприводы с упругими кинематическими связями и зазорами; системы управ-

ления натяжением перематываемого материала; многодвигательные и тяговые электроприводы.

Данная, первая часть учебного пособия посвящена системам автоматиче-

ского регулирования координат электроприводов постоянного тока, построен-

ных на основе двигателей с независимым возбуждением, базовым алгоритмам управления и методам их синтеза. В первой главе введены основные понятия дисциплины, рассмотрены классификация электроприводов и их функции, опи-

саны обобщенная функциональная схема однодвигательного электропривода и показатели систем регулирования скорости. Во второй главе обсуждаются ма-

тематические модели двигателя постоянного тока независимого возбуждения как объекта автоматического управления и классические способы регулирова-

ния электроприводов на его базе с постоянством момента или мощности. В тре-

тьей главе анализируются статические характеристики системы «обобщенный преобразователь – двигатель» с общим суммирующим усилителем и обратными связями по напряжению, току и частоте вращения. Четвертая глава посвящена синтезу одно- и двухзонных систем подчиненного регулирования скорости. В

пятой и шестой главах рассматриваются вопросы построения квазинепрерыв-

ных систем регулируемого электропривода с тиристорными и транзисторными преобразователями, в седьмой главе – позиционные и следящие электромеха-

нические системы с одномассовой кинематической схемой.

Автор благодарит рецензентов – доктора технических наук, профессора С.А. Харитонова и кандидата технических наук, доцента Б.М. Боченкова, а

также своих учеников – кандидатов технических наук, доцентов О.В. Носа и Д.А. Котина за внимательное прочтение рукописи и полезные замечания по ее

8

содержанию. Глубокую признательность автор выражает всем сотрудникам кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок Новосибирского государственного технического университета, чьей неоценимой поддержкой он пользовался в течение многих лет, а также коллегам из ЗАО «ЭРАСИБ», сотрудничество с которыми во многом определило его профессиональные интересы.

Учебное пособие подготовлено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, проект № 7.559.2011, гос. рег. номер НИР

01201255056.

Замечания и предложения по содержанию настоящего издания автор просит направлять по адресу: 630092, Новосибирск - 92, пр. К. Маркса - 20, Новосибирский государственный технический университет, издательство НГТУ.

9

1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КУРСА

1.1.Определение, классификация и функции электроприводов.

Предмет изучения

Прежде чем обсуждать какой-либо объект, нужно определиться с терми-

нологией. Согласно действующему на момент написания учебного пособия ГОСТ Р 50369-92 «Электроприводы. Термины и определения», полностью при-

веденному в приложении П1, электроприводом называется «электромеханиче-

ская система, состоящая в общем случае из взаимодействующих преобразова-

телей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей,

управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внеш-

ними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных орга-

нов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса». Не претендуя на строгость, в рамках настоящего учебного пособия мы часто будем вводить свои, по мнению автора более кон-

кретные, либо легче воспринимаемые понятия, определения и термины, стара-

ясь при этом не противоречить указанному стандарту. Примером тому является следующее определение.

Электропривод – это электромеханическая система, состоящая в общем случае из взаимодействующих электрического, электромеханического и меха-

нического преобразователей энергии, управляющего и информационных устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных орга-

нов рабочих машин и целенаправленного управления параметрами этого дви-

жения.

Здесь, как правило, под электрическим преобразователем понимается си-

ловой управляемый преобразователь электроэнергии, под электромеханиче-

ским преобразователем – электрический двигатель, а под механическим преоб-

разователем – редуктор или другое механическое передаточное устройство,

10