Расчет силового преобразователя

Расчет проводят в следующей последовательности:

а) ориентируясь на постоянную времени якорной цепи двигателя Т _Я и рекомендуемый диапазон частот коммутации транзисторов силовых ключей [2…20 кГц] выбирают период коммутации Т _К < Т _Я;

б) определяют напряжение на выходе силового преобразователя по формуле (3.34);

в) по формуле (3.35) оценивают выходную мощность преобразователя;

г) находят передаточный коэффициент преобразователя.

Пример. Рассчитать параметры импульсного силового преобразователя на транзисторных ключах для управления двигателем СЛ 569. Технические данные двигателя: Р _Д = 175 Вт; U _{Д ном} = 110 В; I _{Я ном} = 1,96 А; R _Я = 3,6 Ом; Т _Я = 0,008 с; М _{Д ном} = 0,465 Н×м; М _Дmax = 0,91 Н×м.

Расчет. Выбираем частоту коммутации силовых ключей f _К = 2 кГц и определяем Т _К = 1/ f _К = 1/2×10³ = 0,0005 с, что значительно меньше Т _Я = 0,008 с. Следовательно, пульсациями тока в якорной обмотке можно пренебречь.

Определяем напряжение на выходе силового преобразователя при

 В.

Выходная мощность

 

 Вт.

 

Передаточный коэффициент силового преобразователя при U _ун = 10 В

 

.

Вопросы для проверки усвоения материала

1 Перечислите основные функциональные элементы исполнительного устройства локальной системы.

2 Как определить потребную мощность исполнительного двигателя?

3 Как проверить правильность выбора двигателя?

4 Какие требования предъявляются к силовым преобразователям?

5 Поясните достоинства широтно-импульсного способа управления двигателем и способы их реализации.

6 Как правильно выбрать силовой преобразователь с широтно-импульсным управлением двигателя?

7 Напишите передаточные функции двигателя с независимым возбуждением с выходом по скорости:

– по управляющему воздействию при моменте сопротивления

– по моменту сопротивления при

8 Какое влияние оказывает момент сопротивления на работу исполнительного
двигателя?

Регуляторы

       Регулятор предназначен для преобразования сигнала ошибки  в управляющий сигнал  таким образом, чтобы удовлетворялись все требования, предъявляемые к качеству локальной системы. В зависимости от законов преобразования  различают регуляторы пропорциональные (П), интегральные (И), пропорционально-интегральные (ПИ), пропорционально-дифференциальные (ПД) и пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД).

       Ниже рассматриваются принципы построения и модификации ПИ- и ПИД-регуляторов, которые наиболее распространены в локальных промышленных системах.

Аналоговые ПИ-регуляторы

    Передаточная функция регулятора, связывающая изображения сигнала ошибки  на его входе и сигнала  на выходе, описывается следующим образом:

                                   (4.1)

 

и может быть приведена к следующему виду:

 

                                          ,                                    (4.2)

 

где k _p – коэффициент передачи регулятора;

T _i  – постоянная времени интегратора.

    Интегральная составляющая повышает астатизм локальной системы, т. е. в установившемся режиме ее работы обеспечивает нулевую ошибку при ступенчатом задающем воздействии и ступенчатом возмущении. Однако в переходных режимах интегральная составляющая вызывает нежелательный эффект, известный как интегральное насыщение. Поясним суть этого эффекта.

    Известно, что любое исполнительное устройство имеет ограничительную скорость изменения регулируемой переменной и ограниченный по амплитуде управляющий сигнал  на входе.

    На рисунке 4.1 показана структурная схема ПИ-регулятора с моделью ограничения сигнала :

                                                    (4.3)       

где  – неограниченный сигнал на выходе регулятора;

   U _max – максимальное значение сигнала  допустимое по условиям при-
             менения и технической реализации исполнительного устройства.  

Рисунок 4.1.

                                                

Пусть , а сигнал ошибки  Интегратор продолжает интегрировать, увеличивая сигнал  на выходе регулятора. Это увеличение сигнала  в зоне насыщения называют интегральным насыщением или накоплением.

Интегральное насыщение приводит к значительному увеличению длительности переходного процесса и росту перерегулирования.

Существуют различные методы защиты локальной системы от негативного влияния интегрального насыщения. На рисунке 4.2 показана структурная схема регулятора с компенсирующей обратной связью.

Рисунок 4.2

 

Регулятор работает следующим образом. Всякий раз, когда сигнал  на входе исполнительного устройства, разность сигналов  становится отрицательной. При этом сигнал на входе интегратора уменьшается на величину  а рост сигнала  в зоне насыщения быстро замедляется. Если  то  и регулятор восстанавливает функции обычного пропорционально-интегрального закона регулирования.

    Противодействовать интегральному насыщению можно также с помощью простого устройства с положительной обратной связью, схема которого представлена на рисунке 4.3.

 

Рисунок 4.3

 

    Действительно, если пренебречь пределами ограничения  и рассматривать звено с насыщением как линейное звено с коэффициентом усиления, равным единице, то согласно структурной схеме, представленной на
рисунке 4.3, передаточная функция будет иметь вид передаточной функции ПИ-регулятора:

 

                                 (4.4)

 

    При  на выходе цепи обратной связи устанавливается постоянное значение сигнала, что соответствует прекращению интегрирования, а следовательно, и интегрального накопления.

   

Аналоговые ПИД-регуляторы

    Передаточная функция идеализированного регулятора представлена в виде:

                                      

                                      ,                             (4.5)     

 

где – коэффициент передачи регулирования;

 – постоянные времени интегрирования и дифференцирования

              соответственно.

    Интегральная составляющая уменьшает ошибки локальной системы в установившемся режиме работы, а дифференциальная составляющая повышает запасы устойчивости системы и уменьшает перерегулирование в переходных режимах. Однако дифференцирование неизбежно сопровождается усилением высокочастотных помех и коротких выбросов. Ослабить их влияние на работу системы удается с помощью фильтра верхних частот с постоянной времени

 

                                             ,                                               (4.6)   

 

где число N выбирают из условия  так, чтобы сопрягающая частота фильтра  лежала за пределами диапазона рабочих частот локальной системы, например  

Реальная передаточная функция ПИД-регулятора при использовании фильтра имеет вид

.                        (4.7)

 

Составляющую реального дифференцирования в выражении (4.7) представим в следующем виде:

 

                                  .                       (4.8)   

 

Тогда структурная схема ПИД-регулятора, построенная в соответствии с формулами (4.7) и (4.8), будет иметь вид, показанный на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4

Работа интегратора в ПИД-регуляторе, как и в ПИ-регуляторе, зависит от того, в каком состоянии находится исполнительное устройство. Например, если амплитуда управляющего сигнала  на входе устройства и/или скорость изменения регулируемой переменной достигли ограниченных значений, выходной сигнал интегратора неограниченно возрастает, затягивается в системе переходный процесс и увеличивается перерегулирование. Устранить этот недостаток можно одним из известных способов, например с помощью компенсационной обратной связи для передачи сигнала о степени насыщения на вход интегратора или путем реализации пропорционально интегральной составляющей в виде схемы с положительной обратной связью как в ПИ–регуляторах.