Выбор ЭД. Режимы работы ЭД. Выбор мощности
Выбор ЭД является ответственным этапом в проектировании ЭП. От правильного выбора ЭД зависит не только экономичность ЭП, но и экономичность и надежность технологической установки (технологического процесса, рабочего механизма). Выбор ЭД предусматривает: 1) выбор рода тока и номинального напряжения, с учетом, что асинхронные двигатели являются самыми простыми, надежными; двигатели постоянного тока – самыми дорогими и сложными в эксплуатации; 2) выбор номинальной частоты вращения; 3) выбор конструктивного исполнения ЭД с учетом: а) защиты его от воздействия окружающей среды, б) способа охлаждения, в) способа монтажа и эксплуатации.
Режимы работы ЭП стандартизованы. Режим работы ЭД определяет характер изменения нагрузки. Режим работы ЭП (ЭД) – это определенный порядок чередования периодов, характеризуемых величиной и продолжительностью нагрузки, отключений, торможения, пуска и реверса за время работы. Для учета изменения нагрузки рассчитывают и строят нагрузочные диаграммы, которые являются зависимостью мощности, тока или вращающего момента двигателя от времени.
Различают следующие основные режимы работы ЭД: продолжительный (S1), кратковременный (S2) и повторно-кратковременный (S3). Продолжительный режим работы ЭД может быть при постоянной (вентиляторы, центробежные насосы, транспортеры) или переменной (ЭП металлорежущих станков) нагрузках. При постоянной нагрузке температура нагрева ЭД постепенно достигает установившегося значения, при котором двигатель может работать долгое время.
2. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ПОМОЩЬЮ ППП. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ДПТ
Основным средством приведения в движение рабочих машин является электрический двигатель, а, следовательно, основным типом привода служит электрический привод или электропривод (ЭП) [1, 4]. Наиболее широко используют системы автоматизированного электропривода (АЭП). Современные АЭП выполняют в виде замкнутых систем автоматического управления.
Основными управляемыми параметрами (координатами) электропривода принято считать частоту вращения, ток, момент, точность позиционирования (положение).
В качестве примера, рассмотрим электропривод с двигателем постоянного тока независимого возбуждения (ДПТНВ). Упрощенная электрическая схема системы управляемого ЭП постоянного тока с двигателем независимого возбуждения, включенного по системе «генератор двигатель» дана на рисунке 2. Якорь двигателя М непосредственно подсоединяют к якорю генератора G. Генератор G приводится в движение приводным (гонным) двигателем (на рисунке не показан). В промышленных условиях при наличии сети переменного тока в качестве приводного двигателя используют асинхронный короткозамкнутый двигатель. В автономных установках в качестве приводного двигателя используют двигатель внутреннего сгорания, паровую или газовую турбины и т. п. Регулируемой координатой является частота вращения wд двигателя М. Регулирование угловой скорости осуществляют изменением напряжения Uя на якоре двигателя. Сигнал по скорости wд измеряют тахогенератором BR, и в виде сигнала обратной связи Uос он поступает на вход управляющего устройства или регулятора, где сравнивается с сигналом задания Uзд, который формирует задатчик частоты вращения RР. На выходе узла сравнения определяют сигнал ошибки Uε = Uзд – Uос, который поступает на операционный усилитель, охваченный обратной связью из R и C элементов. Регулятор формирует управляющее воздействие Uу по определенному закону, которое поступает на усилитель мощности УМ, при этом изменяется напряжение Uв. на обмотке возбуждения генератора и в итогеизменяет напряжение на обмотке якоря двигателя, что в свою очередь приводит к изменению скорости вращения. К примеру, под действием нагрузки (возмущений) wд начинает снижаться, это приводит к уменьшению сигнала обратной связи по скорости Uос, а сигнал ошибки будет увеличиваться Uε = Uзд – Uос. При этом повышается напряжение на выходе регулятора Uу, на выходе УМ Uв и на якоре двигателя Uя, что приведет wд к заданному значению.
Рисунок 2 - Упрощенная принципиальная схема ЭП ДПТНВ с регулятором по скорости
RP - устройство сравнения, Р - регулятор, УМ - усилитель мощности, ОBG-обмотка
возбуждения генератора, G - генератор, М - двигатель, ОВМ - обмотка
возбуждения двигателя, BR – тахогенератор
Для регулирования параметров ЭП используют типовые законы регулирования: П–закон (пропорциональный), И–закон (интегральный), ПИ–закон (пропорционально интегральный), ПИД–закон (пропорциональный интегрально дифференциальный), А–закон (апериодический). Схемы П и ПИ регуляторов приведены на рисунке 3.
Включить выбранный регулятор в систему управляемого ЭП и привести полученную схему в отчете.
Рисунок 3 - Схема П и ПИ регуляторов, DA - операционный усилитель
По принципиальной схеме системы автоматизированного ЭП с ДПТНВ необходимо составить структурную схему (рисунок 4). В структурной схеме каждый элемент электропривода представлен передаточной функцией (ПФ) Wi(s), где s – аргумент преобразования Лапласа.
Рисунок 4 - Структурная схема электропривода с ДПТНВ
2.1 Программа выполнения лабораторной работы
2.1.1 По упрощенной схеме системы ЭП с ДПТ разработать структурную схему (пример – рисунок 4).
2.1.2 Выбрать один из законов регулирования (П или ПИ).
2.1.3 Включить выбранный регулятор в электрическую схему и скорректировать структурную схему.
2.1.4 Из таблицы 1 выбрать соответствующие ПФ для элементов САУ и оформить их в таблицу согласно примеру (таблица 1). Подставить числовые значения коэффициентов и постоянных времени из таблицы 2.
2.1.5 Запустить программу VisSim; на появившемся рабочем окне набрать все структурные элементы схемы.
2.1.6 Подключить один из генераторов типовых сигналов и блок графопостроителя или осциллографа.
2.1.7 Представить схему на проверку преподавателю.
2.1.8 Запустить программу и получить на плоттере переходной процесс.
2.1.9 По полученной характеристике сделать вывод об устойчивости и определить показатели качества.
2.1.10 В отчете привести «скрины» исследуемой САУ, полученные графики и необходимые расчеты.
Пример структурной схемы в среде VisSim и результаты моделирования показаны на рисунке 5.
Для анализа системы управления ЭП используют аппарат теории управления [2, 3]. Систему автоматического управления ЭП исследуют на устойчивость и определяют показатели качества. Устойчивость и качественные показатели работы системы АЭП определяют по переходному процессу; используют и косвенные методы или критерии для определения устойчивости и качественных показателей.
Передаточные функции типовых элементов ЭП с ДПТНВ приведены в таблице 1.
Выражения передаточных функций Wi(s) Таблица 1
| Wум(s) | Wг(s) | Wд(s) | WBR(s) | Wпи(s) | Wп(s) |
| Kyм |  |  |  |  | Kп |
Значения коэффициентов и постоянных времени ПФ Wi(s) элементов ЭП даны в таблице 2.
Значение коэффициентов и постоянных времени Таблица 2
| № | Kум | Kг | Tг | Tд | Kд | KBR | Kпи | Tпи | Kп |
| 1,4 | 2,8 | 0,15 | 1,4 | 1,0 | 0,75 | 0,6 | 6,0 | 0,7 | |
| 1,5 | 2,0 | 0,025 | 0,4 | 1,5 | 0,79 | 0,8 | 6,0 | 0,75 | |
| 1,08 | 2,0 | 0,18 | 0,9 | 1,4 | 0,88 | 0,03 | 15,0 | 0,9 | |
| 1,51 | 2,6 | 0,04 | 1,2 | 1,22 | 0,8 | 0,68 | 6,0 | 0,7 | |
| 0,98 | 1,8 | 0,18 | 0,8 | 1,1 | 0,58 | 0,6 | 20,0 | 0,87 | |
| 2,0 | 2,4 | 0,10 | 0,10 | 1,8 | 2,2 | 0,06 | 6,0 | 70,0 | |
| 1,2 | 2,6 | 0,16 | 0,12 | 1,1 | 2,0 | 0,01 | 6,0 | 80,0 | |
| 1,4 | 2,8 | 0,14 | 0,14 | 1,0 | 2,5 | 0,06 | 6,0 | 90,0 | |
| 1,2 | 2,0 | 0,20 | 0,20 | 1,2 | 2,7 | 0,10 | 5,8 | 70,0 | |
| 1,5 | 2,2 | 0,12 | 0,16 | 1,8 | 3,5 | 0,08 | 6,2 | 80,0 |
Для построения переходного процесса можно использовать среду программирования VisSim (MathCad, ASOTAR и др.) [3]. По полученному переходному процессу определяют устойчивость системы ЭП (ПП затухающий) и показатели качества.
Рисунок 5 - Структурная схема электропривода с ДПТНВ в среде VisSim
Контрольные вопросы
1. Приведите схему обобщенной структуры ЭП.
2. Назовите основные критерии выбора ЭД для электроприводов.
3. Как осуществляется расчет мощности ЭД?
4. Назовите режимы работы ЭП.
5. Перечислите принципы построения управляемого ЭП.
6. Назовите основные регулируемые координаты ЭП.
7. Перечислите основные способы регулирования частоты вращения ДПТ.
8. Дайте понятие устойчивости системы АЭП.
9. Назовите методы расчета мощности ЭД при продолжительной переменной нагрузке.
10. Назовите типовые законы регулирования.
Список литературы
1. Кацман, М. М. Электрический привод [Текст] : учеб. для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования / Марк Михайлович Кацман. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 384 с. ISBN 5-7695-2060-4
2. Макаров, И. М., Менский, Б. М. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчета и справочный материал) [Текст] : – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1982. – 504 с. : ил. – Библиогр.: с. 496–500. – Предм. указ. : с. 501–502. – 10000 экз.
3. Сазонов, В. В. Анализ и синтез автоматического управление электроприводом постоянного тока [Текст] : учеб. пособие. / Вячеслав Викторовч Сазонов. – Самара: СамГАПС, 2005. – 176 с. : ил. – Библиогр.: с. 170 – 172. – Предм. указ. : с. 173–174. – 150 экз. ISBN5-901267-50-50-8
4. Буштрук Т. Н. Электропривод технологических установок [Текст]: методические указания к контрольной работе по исследованию электропривода постоянного тока по дисциплине «Основы электропривода технологических установок локомотивных предприятий» для студентов специальности «Электрический транспорт железных дорог» всех форм обучения / Т. Н. Буштрук – Самара: СамГУПС, 2009. – 14 с.: ил. Библиогр.: 14 с.– 100 экз.
5. Москаленко, В. В. Электрический привод [Текст] : учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / Владимир Валентинович Москаленко. – М.: Мастерство: Высшая школа, 2000. – 368с. : ил. – Библиогр.: с. 361 – 362. – 30000 экз. (Мастерство).
6. Алиев, И. И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию [Текст] (5-е изд., испр.) / Исмаил Ибрагимович Алиев Серия «Справочники». – Ростов н/Д: Феникс, 2004. – 480 с., ил.