Порядок виконання роботи

1. Вибрати двигун постійного струму з таблиці 2 відповідно до заданого варіанта.

2. Скласти модель електропривода ТП-Д із розімкнутою і замкнутою за швидкістю системами регулювання в середовищі SIMULINK програмного пакета MATLAB.

3. Дослідити роботу електропривода ТП-Д із розімкнутою за швидкістю системою регулювання.

4. Дослідити роботу електропривода ТП-Д із замкнутою за швидкістю системою регулювання.

5. Проаналізувати отримані результати.

6. Скласти звіт.

Таблиця 2

Параметри двигунів постійного струму

№ варіанта	Pnom,, Вт	Unom, В	Inom, А	ωnom, об/хв	Rя, Ом	С	Lя, Гн	J, кг·м^2
1	9000	230	46	2300	0,27	0,9	0,0013	0,048
2	8000	200	43	2500	0,32	0,71	0,0013	0,042
3	8500	250	49	2000	0,23	1,14	0,0017	0,051
4	9200	270	52	2400	0,24	1,02	0,0013	0,045
5	8800	240	47	2100	0,27	1,032	0,0015	0,049
6	9100	220	45	2200	0,31	0,89	0,0014	0,050
7	9500	260	44	2300	0,28	1,02	0,0015	0,051
8	9200	250	52	2000	0,24	1,138	0,0014	0,042

Лабораторна робота №3 Дослідження двозонного регулювання електропривода постійного струму

Мета роботи:дослідити особливості роботи двозонного електропривода за допомогою математичного моделювання; ознайомитися із синтезом регуляторів для електропривода з двозонним регулюванням.

Основні теоретичні відомості

Двозонний електропривід (ЕП) – це такий електропривід, у якому зміна швидкості здійснюється як нижче, так і вище за номінальну.

Розглянемо двозонне регулювання для електропривода з двигуном постійного струму незалежного збудження (ДПС НЗ).

В електроприводі постійного струму регулювання нижче за номінальну швидкість здійснюється за рахунок зміни напруги на якорі, а регулювання вище за номінальну швидкість - за рахунок ослаблення магнітного поля двигуна. Тому двозонний електропривід складається з двох підсистем: одна змінює напругу на якорі, інша – магнітне поле двигуна. Керування цими підсистемами може бути залежним і незалежним. Сучасні системи електроприводів залежні, тобто ослаблення поля починається при досягненні напруги ЕРС на якорі номінального значення.

Робота електропривода з двозонним регулюванням швидкості в загальному випадку характеризується такою системою рівнянь:

де– сумарний момент інерції, приведений до вала двигуна;

– статичний момент навантаження;

M – електромагнітний обертаючий момент двигуна;

е – ЕРС двигуна;

– ЕРС перетворювача;

ω – швидкість обертання двигуна;

І – струм якоря двигуна;

– струм в обмотці збудження;

– вихрові струми;

– кількість витків обмотки збудження;

Ф – магнітний потік.

На підставі цих рівнянь будується структурна схема двигуна постійного струму незалежного збудження. ДПС НЗ є об’єктом керування.

Структурна схема системи двозонного регулювання, що складається з об’єкта керування і керуючого пристрою, зображена на рис. 13.

Рис. 13. Структурна схема двозонного регулювання

На рис. 13. позначено:

– напруга завдання швидкості;

РШ – регулятор швидкості з передаточною функцією ;

РСЯ – регулятор струму якоря з передаточною функцією ;

ТПЯ – тиристорний перетворювач якоря;

– коефіцієнт підсилення перетворювача якоря;

– постійна часу перетворювача якоря;

ДШ –датчик швидкості з коефіцієнтом передачі ;

ДСЯ – датчик струму якоря з коефіцієнтом передачі ;

ЯЦ – якірний ланцюг двигуна;

– повний опір якірного ланцюга;

– електромагнітна постійна часу двигуна;

– сумарний момент інерції, приведений до вала двигуна;

– напруга завдання ЕРС;

РЕ – регулятор ЕРС із передаточною функцією ;

РП – регулятор потоку збудження з передаточною функцією ;

ТПЗ – тиристорний перетворювач збудження;

– коефіцієнт підсилення перетворювача збудження;

– постійна часу перетворювача збудження;

ДЕ – датчик ЕРС із коефіцієнтом передачі ;

ВМ – виявник модуля (потрібний, тому що ЕП реверсивний за якорем);

ДП – датчик потоку з коефіцієнтом передачі ;

ОЗ – обмотка збудження;

– постійна часу вихрових струмів;

– сумарна постійна часу обмотки збудження;

– повний опір ланцюга збудження;

– струм збудження;

– струм намагнічування (частина струму збудження, що йде на створення магнітного потоку);

– динамічний коефіцієнт, який зв’язує зміну магнітного потоку і струму збудження (крива намагнічування двигуна).

Розглянемо реалізацію даної структури для двигуна постійного струмунезалежного збудження 4ПФ132S потужністю 15 кВт, параметри якого подані в таблиці 3.

Таблиця 3

Параметри двигуна 4ПФ132S

		, А	,	, об/хв	, об/хв	,	, Ом	, Гн	, Ом	, Гн
15	220	87,5	77,9	1400	4000	0,095	0,278	5,15·	58,4	6,03

Керування двигуна здійснюється від електропривода ЕПУ1М-2-4027Д УХЛ4.

Таблиця 4

Параметри електропривода ЕПУ1М-2-4027Д УХЛ4

Параметри ланцюгів				Трансформатор	Двигун
якоря		збудження				, об/хв
, А		, А
100	230	10	220	ТС-25, ТС-40	11-18,5	4500

Сумарний момент інерції приведений до вала двигуна

Оскільки номінальна напруга двигуна 220 В, а електропривід живиться від мережі 380 В, використовується трансформатор ТС-40. Параметри трансформатора наведені в таблиці 5.

Таблиця 5

Параметри трансформатора ТС-40

			S, кВА
130	0,026	0,3	25

Знаходимо розрахункові параметри об’єкта керування і керуючого пристрою.

Номінальну кутову швидкість двигуна знаходимо за формулою

де – номінальна швидкість двигуна.

Конструктивний коефіцієнт двигуна

де – номінальна напруга двигуна;

– номінальний струм двигуна.

Струм збудження

де – напруга збудження;– опір збудження.

Повний опір якірного ланцюга

де – опір якірного ланцюга;– опір трансформатора;– опір перетворювача;

Повна індуктивність якірного ланцюга

де – індуктивність обмотки якоря;– індуктивність трансформатора.

Коефіцієнт підсилення тиристорного перетворювача якоря

де2,34 – коефіцієнт схеми випрямляча якоря (трифазна мостова);– фазна напруга трансформатора;– максимальне значення напруги керування.

Виконаємо синтез регулятора струму. Структурна схема контуру струму представлена на рис. 14.

Рис. 14. Структурна схема контура струму

Передаточна функція регулятора струму якоря

де – постійна часу перетворювача якоря.

Коефіцієнт передачі датчика струму якоря

де – напруга керування;– номінальний струм.

Електромагнітна постійна часу двигуна за формулою (3)

Відповідно до формули (28)

Виконаємо синтез регулятора швидкості.

Структурна схема внутрішнього контуру швидкості представлена на рис. 15.

Рис. 15. Структурна схема регулятора контура швидкості

Передаточна функція регулятора швидкості

Еквівалентна постійна часу контура струму

Максимальна кутова швидкість двигуна

де – максимальна швидкість двигуна.

Коефіцієнт передачі датчика швидкості

Жорсткість механічної характеристики

де – повний опір ланцюга якоря.

Електромеханічна постійна двигуна

де – момент інерції приведений до вала двигуна.

Згідно з формулою (30)

Синтез регулятора швидкості здійснюється відповідно до симетричного оптимуму.

У двозонному ЕП при зменшенні потоку зменшується коефіцієнт в об’єкті регулювання контура швидкості (за рахунок ослаблення поля двигуна). Якщо контур швидкості був оптимізований на модульний оптимум, то ці зміни викликають зменшення частоти зрізу і зменшення швидкодії, тобто контур стає більш демпферним. При існуючому зменшенні поля може відбутися навіть утрата працездатності контура. Для того щоб коефіцієнт у контурі швидкості залишався незмінним при будь-якому значенні поля двигуна, на виході регулятора швидкості встановлюють ділильний пристрій, як показано на рис. 16.

Рис. 16. Ділильний пристрій на виході РШ

Виконаємо синтез регулятора потоку. Структурна схема контура потоку представлена на рис. 17.

Рис. 17. Структурна схема контура потоку

Для визначення коефіцієнта , що пов’язує зміну магнітного потоку і струму збудження, використовуємо характеристику намагнічування. Вона являє собою залежність магнітного потоку Ф від струму збудження. Характеристика намагнічування двигуна подана на рис. 18.

За характеристикою намагнічування визначаємо =1,05·.

Рис. 18. Характеристика намагнічування двигуна 4ПФ132S

За характеристикою намагнічування визначаємо =1,05·.

Передаточна функція регулятора потоку

де – постійна часу перетворювача збудження;

– повний опір ланцюга збудження;

– коефіцієнт тиристорного перетворювача збудження.

Постійна часу обмотки збудження

де – індуктивність обмотки збудження;

– опір обмотки збудження.

Сумарна постійна часу обмотки збудження

Динамічний коефіцієнт

де ,– визначаються за характеристикою намагнічування двигуна.

Коефіцієнт передачі датчика потоку

де – номінальний потік.

Згідно з формулою (36)

Передаточна функція замкнутого контура потоку

Оптимізація відбувається на модульний оптимум, враховуючи наявність датчика потоку. Одержимо ПІ-регулятор потоку.

Виконаємо синтез регулятора ЕРС. Структурна схема контура ЕРС представлена на рис. 19.

Рис. 19. Структурна схема контура ЕРС

де РЕ – регулятор ЕРС інтегрального типу.

Передаточна функція регулятора ЕДС

Еквівалентна постійна часу контура потоку

Коефіцієнт передачі датчика ЕРС

Відповідно до формули (42)

Оптимальне налаштування контура ЕРС буде виконуватися тільки в одній розрахунковій точці, тобто при швидкості, при якій була проведена оптимізація. Для збереження коефіцієнта підсилення в контурі ЕРС незмінним при зміні швидкості на виході регулятора ЕРС включаємо ділильний пристрій, як показано на рис. 20.

Рис. 20. Ділильний пристрій на виході РЕ

Розглянемо два випадки роботи електропривода: коли керування швидкістю здійснюється нижче за номінальну і вище за номінальну.

На моделі рис. 21 блок Look-Up Table і Look-Up Table3 видає завдання швидкості з обмеженням прискорення; блок Look-Up Table1 та Look-Up Table4 використовується для завдання моменту навантаження; блок Look-Up Table2 відтворює криву намагнічування двигуна.

Рис. 21. Модель двозонного регулювання ЕП постійного струму

Рис. 22. Графіки, отримані при моделюванні в режимі до номінальної швидкості

Рис. 23. Графіки, отримані при моделюванні в режимі, вищому за номінальну швидкості