А. Т. Доманов, А. Я. Красовский, М. К. Хаджинов

А.Т. Доманов, А. Я. Красовский, М.К. Хаджинов

ЛОКАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ

Конспект лекций

для студентов специальности

1-53 01 07 «Информационные технологии и управление

в технических системах»

всех форм обучения

Минск 2012

 

Содержание

                         Стр.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.. 5

1.1. Место локальных систем в иерархии систем управления. 5

1.2. Классификация локальных систем автоматики. 8

1.2.1. Промышленные системы регулирования. 8

1.2.2. Следящие системы. 10

1.2.3. Системы программного управления. 11

1.2.4. Системы автоматического контроля. 12

1.3. Основные требования, предъявляемые к автоматическим системам.. 13

1.4. Порядок разработки и основные этапы проектирования автоматических систем.. 15

2. МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ.. 18

2.1. Математические модели и методы их определения. 18

2.2. Методика аналитического определения математической модели. 19

2.2.1. Одномассовые и многомассовые модели электромеханических систем.. 21

2.2.2. Математическая модель электродвигателя постоянного тока. 21

2.2.3. Математическая модель крана. 29

2.2.4. Математическая модель транспортного робота (робокара) 31

2.2.5. Модели объектов с запаздыванием.. 36

2.2.6. Математические модели четырехполюсников. 36

2.3. Определение математических моделей по экспериментальным данным.. 40

2.3.1. Определение математических моделей по экспериментальным переходным
     характеристикам.. 41

2.3.2. Идентификации наложением экспериментальных и расчетных откликов. 47

2.3.3. Определение математических моделей по экспериментальным частотным
     характеристикам.. 47

2.3.4. Метод узловых частот. 49

3. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
 АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ... 53

3.1. Исполнительные элементы.. 53

3.1.1. Исполнительные механизмы постоянной скорости. 54

3.1.2. Регулируемые исполнительные механизмы. 54

3.1.3. Выбор исполнительных элементов. 56

3.1.4. Выбор исполнительного электродвигателя и редуктора для следящих cистем.. 59

3.1.5. Методы проверки электродвигателей на нагрев. 62

3.2. Усилители мощности. 64

3.3. Датчики. 71

3.3.1. Датчики системы ГСП.. 71

3.3.2. Датчики температуры.. 73

3.3.3. Датчики перемещения. 74

3.3.4. Выбор датчиков. 80

3.4. Усилительно-преобразовательные устройства. 81

3.5. Технические средства для построения промышленных систем регулирования. 81

4. ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА
  АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ... 82

4.1. Анализ точности. 82

4.2. Синтез параметров автоматических систем из условия обеспечения заданной
 точности. 85

4.3. Анализ устойчивости и качества регулирования в переходных режимах. 89

4.4. Синтез параметров систем из условия обеспечения заданного качества регулирования. 92

4.5. Синтез последовательных корректирующих устройств. 97

4.6. Синтез корректирующих обратных связей. 101

4.6.1. Расчет местной корректирующей обратной связи. 102

4.6.2. Расчет глобальной корректирующей обратной связи. 104

4.6.3. Пересчет глобальной корректирующей обратной связи в локальную обратную связь. 106

4.7.1. Управление обычное и с прогнозом.. 106

4.7.2. Регуляторы. 107

4.7.3. Расчет параметров регуляторов обеспечивающий уменьшение
     суммарной инерционности контура управления. 108

4.7.4. ПИД-регулятор. 110

4.7.5. Реализация ПИД-регулятора на операционном усилителе. 111

4.7.6. Микроконтроллерная реализация ПИД-регулятора. 113

4.7.7. И и ПИ-регуляторы.. 114

4.7.8. П и ПД-регуляторы.. 114

4.7.9. Управление с прогнозирующими блоками. 114

4.7.10. Сравнение свойств прогнозирующего наблюдателя и прогнозатора Смита. 116

4.8. Системы управления на базе модели объекта в пространстве состояний. 117

4.8.1. Точная и полная модель объекта управления. 118

4.8.2. Упрощенная модель объекта в пространстве состояний. 118

4.8.3. Модальный регулятор объекта. 118

4.8.4. Наблюдатель для упрощенной модели. 119

4.8.5. Упрощенная модель с встроенными модальными регуляторами
     как основа микроконтроллерного управления. 119

4.8.6. Пропорционально-дифференциальный регулятор. 120

4.8.7. Шепинг фильтр для программного управления. 121

4.8.8. Управление в замкнутом контуре с наблюдателем.. 121

4.8.9. Микроконтроллерная реализация управления на базе модели. 122

4.8.10. Линейно-квадратичные регуляторы.. 123

4.8.11. Введение нелинейностей в модель для предотвращения автоколебаний. 124

4.9. Автоматические системы с комбинированным управлением.. 124

4.9.1. Способы повышения точности автоматических систем.. 124

4.9.2. Автоматические системы с комбинированным управлением.. 126

4.9.3. Оценивание возмущений без установки дополнительных датчиков. 131

4.9.4. Методы расчета систем с комбинированным управлением.. 132

4.9.5. Комбинированное управление в системе с регулятором в обратной связи. 133

4.9.6. Комбинированное управление в системе регулирования с наблюдателем.. 135

4.10. Системы программного управления. 136

4.10.1. Системы программного управления с заданием программы
       функциональным блоком.. 137

4.10.2. Системы программного управления с виртуальной динамической
       моделью объекта управления. 139

4.10.3. Программное управление с шепинг фильтром в замкнутом контуре
       регулирования. 141

5. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.. 142

5.1. Особенности промышленных объектов и систем регулирования. 142

5.2. Типовые законы регулирования и их характеристики. 144

5.3. Особенности расчета промышленных систем регулирования. 150

 

6. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ.. 153

6.1. Одноконтурные и многоконтурные электроприводы.. 153

       6.1.1. Одноконтурный электропривод с ПИД-регулятором скорости. 153

6.1.2. Многоконтурные системы подчиненного регулирования. 154

6.2. Методика расчета электропривода на технический оптимум.. 155

6.2.1. Расчет токового контура на технический оптимум.. 158158

6.2.2. Расчет скоростного контура на технический оптимум.. 161

6.2.3. Расчет позиционного контура на технический оптимум.. 165

6.3. Расчет электропривода методом типовых нормированных уравнений. 167

6.3.1. Нормированные уравнения и их свойства. 167

6.3.2. Типовые нормированные уравнения. 167

6.3.3. Расчет моментого электронривода, состоящего только из токового контура. 169

6.3.4. Расчет скоростного электропривода. 171

6.3.5. Расчет позиционного электропривода. 173

     6.3.6. Типы и свойства эталонных моделей электроприводов. 176

ЛИТЕРАТУРА.. 179

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Исполнительные элементы

 

Основными функциональными элементами автоматических систем являются:

– исполнительные элементы;

– усилители мощности;

– датчики;

– усилительно–преобразовательные устройства;

– корректирующие устройства.

При проектировании и расчете автоматических систем выбор элементов обычно начинают с выбора исполнительных устройств, так как от их выбора во многом зависит выбор других элементов (усилителей мощности, усилительно–преобразовательных устройств).

По роду энергии питания исполнительные элементы подразделяются на три группы:

– пневматические;

– гидравлические;

– электрические.

В настоящее время электрические исполнительные устройства являются наиболее распространенными и область их применения непрерывно расширяется.

Это обусловлено их преимуществами, к числу которых следует отнести:

– практически неограниченное расстояние передачи энергии и сигналов управления;

– простой принцип формирования и передачи сигналов;

– высокая точность регулирования величины и скорости перемещения;

– большой номенклатурой и диапазоном мощности электродвигателей, серийно выпускаемых промышленно.

Пневматические и гидравлические исполнительные устройства применяются в основном там, где наиболее существенными будут их достоинства, к числу которых необходимо отнести:

– работа во взрывоопасных и пожароопасных средах (для пневматических устройств)

– обеспечение больших усилий и жесткости фиксации в заданных положениях при наименьших габаритах (для гидравлических устройств).

Электрические исполнительные механизмы по принципу действия можно разделить на две группы:

– исполнительные механизмы постоянной скорости;

– регулируемые исполнительные механизмы.

3.1.1. Исполнительные механизмы постоянной скорости. В исполнительных механизмах постоянной скорости используются в основном трехфазные асинхронные электродвигатели, скорость вращения которых не регулируется. Величина угла поворота (перемещения) такого механизма определяется длительностью включения (двухпозиционное или трехпозиционное регулирование). Скорость вращения таких механизмов может регулироваться импульсным управлением, при котором величина средней скорости будет определяться коэффициентом заполнения импульсов.

Основными элементами исполнительных механизмов постоянной скорости являются:

– электродвигатель (в большинстве механизмов трехфазный асинхронный);

– понижающий редуктор;

– выходное устройство для механического сочленения с регулирующим органом (клапаном, вентилем, шибером, задвижкой, заслонкой и т.д.);

– дополнительные устройства, обеспечивающие остановку механизма в крайних положениях (концевые и путевые переключатели) и самоторможение механизма при отключении питания;

– устройства ручного привода на случай выхода из строя системы управления и для наладки;

– датчика положения механизма для обеспечения обратной связи по положению в системах автоматического регулирования, дистанционного указания и сигнализации положения механизма.

Выходные устройства электрических исполнительных механизмов выполняются так, чтобы осуществить вращательное или возвратно–поступа-тельное прямолинейное движение. В свою очередь механизмы с вращающимися выходными устройствами подразделяются на однооборотные (угол поворота менее 360º) и многооборотные, у которых выходной вал совершает несколько оборотов.

3.1.2. Регулируемые исполнительные механизмы. Регулируемые исполнительные механизмы строятся на основе использования электродвигателей постоянного тока или синхронных и  асинхронных электродвигателей переменного тока с векторным управлением [10]. Система векторного управления фактически обеспечивает электродвигателю переменного тока режим электродвигателя постоянного тока. Из перечисленних электродвигателей наилучшими удельными характеристиками обладают синхронные электродвигатели с постоянными магнитами.

До широкого использования систем векторного управления промышленностью выпускались несколько серий исполнительных двухфазных асинхронных двигателей, обеспечивающих регулирование скорости питающим напряжением. Но они имели малую мощность (до 60 Вт) и низкий к.п.д.

В настоящее время промышленностью выпускаются десятки серий двигателей постоянного тока, как общепромышленного назначения, так и специальных, маломощных, малоинерционных, с повышенной перегрузочной способностью по моменту.

– серия 2П предназначена для общепромышленного применения с системах современного регулируемого электропривода в качестве приводов главного движения и привода подачи различных станков. Двигатели рассчитаны на работу с тиристорными преобразователями. Охватывают диапазон мощностей от 0,37 до 200 кВт.

В данной серии выпускаются двигатели и со встроенными тахогенераторами. Возбуждение электромагнитное независимое, имеют компенсационную обмотку, обеспечивающую большие перегрузки ( при  с) и широкий диапазон регулирования частоты вращения.

– серия МИ – двигатели общепромышленного применения с независимым возбуждением. Охватывают диапазон мощностей от 100 Вт до 7 кВт. Предназначены для приводов станков. Имеются со встроенным тахогенератором. Допускают четырехкратную перегрузку по моменту.

– серия ПБС – двигатели общепромышленного применения с независимым электромагнитным возбуждением. Диапазон мощностей от 70 Вт до 17 кВт. Допускают четырехкратную перегрузку по моменту.

– серия ПБВ – высокомоментныедвигатели общепромышленного применения с возбуждением от постоянных магнитов. Охватывает диапазон мощностей от 0,75 до 5,5 кВт. Двигатели допускают 16–кратнуюперегрузку по току при заторможенном якоре в течение 1 с, а при номинальном напряжении в течение 1 минуты допускают 2–кратную перегрузку.

– серия МИГ – высокомоментные двигатели с гладким якорем и возбуждением от постоянных магнитов. Якорь безпазовый, на который наклеена и закреплена бандажами обмотка. Выпускаются на мощности от 10 до 600 Вт. Допускают 10–кратную перегрузку по моменту.

– серия СЛ – двигатели постоянного тока малой мощности с электромагнитным возбуждением охватывают диапазон мощностей от 7 до 250 Вт. Имеют малую перегрузочную способность ().

– серия ДПМ – маломощные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов с пазовым якорем. Выпускаются на мощности от 0,5 до 50 Вт. Допускают значительную перегрузку по моменту . В серии имеются двигатели с таходатчиками и электронными регуляторами частоты вращения.

– серия ДПР – маломощные двигатели постоянного тока с цилиндрическим проволочным полым ротором и возбуждением от постоянных магнитов. Проволочный ротор склеен в виде стакана и обладает малым моментом инерции. В серии имеются двигатели с таходатчиками (ТИ, ТС) и электронным регулятором частоты вращения РС, выполненным в виде отдельного блока спаренного с двигателем. Диапазон мощностей от 0,25 до 25 Вт. Перегрузочная способность .

Были разработаны малоинерционные двигатели с печатным якорем и возбуждением от постоянных магнитов. Наиболее распространенными из них являются электродвигатели с дисковым печатным якорем серий ПЯ, ДПЯ, ДПУ и с полым цилиндрическим немагнитным якорем серий ДПЦЯ, ДСПЯ, ДМПЯ.

Диапазон мощностей таких двигателей от 25 Вт до 9 кВт. Эти двигатели обладают малым моментом инерции и допускают значительные перегрузки по моменту (), что позволяет на их основе создавать быстродействующие высокоточные системы автоматического регулирования и следящие системы.

Современные исполнительные электродвигатели, как постоянного так и переменного тока комплектуются не тахогенераторами, а инкодерами, более удобными в цифровой системе управления.

3.1.3. Выбор исполнительных элементов. Наиболее просто осуществить выбор исполнительных устройств для промышленных систем регулирования. В промышленных объектах регулирование осуществляется изменением подачи энергии, топлива, сырья путем перемещения различных регулирующих органов: клапанов, вентилей, задвижек, заслонок, шиберов и др. Особенностью таких устройств является их малая инерционность. Они создают в основном статическую нагрузку.

В качестве исполнительных элементов в промышленных системах регулирования используются серийно выпускаемые промышленностью исполнительные механизмы постоянной скорости. Выбор такого исполнительного механизма осуществляется путем сравнения требуемого закона перемещения регулирующего органа с паспортными данными механизма:

– вид движения: поступательное или вращательное;

– величина перемещения или угол поворота МЭО, МЭМ;

– развиваемое усилие, момент;

– скорость перемещения;

– конструктивные параметры и монтажные размеры, возможность компоновки на объекте;

– стоимость;

и другие требования, определяемые техническим заданием.

Значительно сложнее выбрать исполнительный электродвигатель для следящих систем.

Из всего многообразия выпускаемых промышленностью электродвигателей требуется выбрать наиболее полно удовлетворяющий требованиям технического задания. Эта задача решается несколькими этапами.

На первом этапе определяется тип электродвигателя (синхронный или постоянного тока) анализируя требования к системе и условия ее работы. Синхронные электродвигатели требуют применения сложного конвертера для обеспечения векторного управления электромагнитным полем электродвигателя. В недалеком прошлом в большинстве автоматических систем использовались электродвигатели постоянного тока.

На втором этапе выбирается серия. При этом руководствуются требуемой мощностью, перегрузочной способностью, инерционностью, динамическими характеристиками, наличием встроенных элементов (тахогенератор, датчик угла поворота и др.), стоимостью и др.

На третьем этапе определяется типоразмер, т.е. конкретный электродвигатель. Эта задача, как и вся задача выбора исполнительного электродвигателя, не имеет однозначного решения. Она решается методом последовательного приближения. При этом одновременно выбирается и редуктор, обеспечивающий согласование скоростей вращения электродвигателя и нагрузки.

При выборе электродвигателя желательно выбрать электродвигатель наименьшей мощности, который бы обеспечил требуемый закон движения нагрузки (скорости, ускорения).

При завышенной мощности электродвигателя возрастают массогабаритные показатели, требуется более мощный усилитель, снижается КПД системы. Выбор же двигателя заниженной мощности приведет к его перегрузке и выходу из строя.

Для определения требуемой мощности электродвигателя производится энергетический анализ объекта, в процессе которого определяются:

– закон движения объекта, скорости и ускорения движения;

– характер изменения и величина статического, динамического и суммарного момента нагрузки, а так же мощности, потребляемой объектом регулирования;

– строится, если это возможно, диаграмма нагрузка и вычисляется значение мощности, потребляемой объектом;

– производиться предварительный выбор исполнительного электродвигателя и передаточного числа редуктора;

– производиться проверка правильности выбора электродвигателя и редуктора по величине развиваемого момента и скорости;

Из всего многообразия законов движения можно выделить несколько их видов, которые с позиции анализа энергетических характеристик можно рассматривать как типовые.

Движение с постоянной скоростью. . Движение с постоянной скоростью характерно для следящих систем лентопротяжных механизмов, следящих систем оси часового ведения оптических телескопов, электроприводов главного движения и приводов подач различных обрабатывающих станков и др.

Особенностью этого закона движения является отсутствие динамического момента сопротивления.

Движение в режиме согласования. В этом режиме движение объекта включает в себя период разгона, период движения с постоянной скоростью и период торможения. Графики изменения угла поворота  скорости  и ускорения  приведены на рис. 3.1.

Режим является типовым для позиционных следящих систем. При движении в режиме согласования нагрузка помимо статического момента  создает и динамический момент , пропорциональный ускорению и изменяющий знак при разгоне и торможении.

Гармонический закон движения является типовым для корабельных и бортовых систем стабилизации установленных на подвижных объектах, систем управления антеннами радиолокаторов секторного обзора и др.

 

 

 

Рис. 3.1

 

 

Угловое положение нагрузки

 

.                             (3.1)

 

Здесь  – начальное положение, относительно которого нагрузка совершает колебательное движение с амплитудой  и частотой .

Скорость движения нагрузки

 

 ,         (3.2)

 

и ускорение

 

.         (3.3)

 

В этих выражених амплитуды скорости и ускорения определяются выражениями:

 

;            .           (3.4)

 

При одинаковых по величине максимальных скоростях и ускорениях для исполнительного двигателя гармонический закон является наиболее тяжелым. Поэтому в тех случаях, когда точный закон движения нагрузки неизвестен, а известны лишь максимальные скорость  и ускорение  расчет обычно ведут на эквивалентный гармонический сигнал, параметры которого вычисляют по выражениям (3.4)

 

        ;        .                (3.5)

 

3.1.4. Выбор исполнительного электродвигателя и редуктора для следящих cистем. Наиболее просто рассчитать требуемую мощность электродвигателя и выбрать передаточное число редуктора для систем стабилизации скорости . Зная величину , или его максимальную величину , рассчитываем мощность нагрузки:

 

,                              (3.6)

 

по которой выбираем электродвигатель. Передаточное число редуктора выбирается из условия обеспечения максимальной скорости нагрузки

 

           .                               (3.7)

 

При расчете следящих систем обычно точный закон движения нагрузки не известен. Не известны и точные значения энергетических характеристик объекта . Сложность выбора электродвигателя и передаточного числа редуктора обусловлена также тем, что требуемая мощность электродвигателя определяется не только объектом регулирования, но и моментом инерции ротора электродвигателя и вращающихся частей редуктора. Поэтому выбор электродвигателя обычно осуществляют из условия обеспечения максимальных параметров нагрузки. В основе расчета коэффициента редуктора лежит принцип выравнивания динамических моментов электродвигателя и нагрузки.

Исходными данными являются: .

Момент требуемый от электродвигателя:

 

.    (3.8)

 

Требуемый момент существенно зависит от передаточного числа редуктора . При некотором  величина требуемого момента будет минимальной. Определим его. Взяв первую производную от  на  и приравнять ее нулю, найдем это оптимальное .

 

,                        (3.9)

 

Вычислить величину  на этом этапе не можем, так как не известны  и . Требуемая мощность электродвигателя определяется произведением момента  на скорость , приведенную к валу двигателя:

 

. (3.10)

 

Подставив в (3.10) выражение  (3.9) получим:

 

.   (3.11)

 

Полученное выражение позволяет ориентировочно определить требуемую мощность электродвигателя и произвести его выбор в такой последовательности

1. Вычисляется максимальная мощность нагрузки

 

 .               (3.12)

 

2. Выбирается электродвигатель из условия

 

                    .                               (3.13)

 

Мощность электродвигателя выбирается меньше , так как эта мощность завышенная (  одновременно не существуют).

3. Определяется максимально допустимое передаточное число редуктора

 

                              .                         (3.14)

 

4. Вычисляется оптимальное по моменту передаточное число редуктора, по выражению

 

     .                    (3.15)

 

При этом задаются величиной . Меньшие значения берут для электродвигателей общепромышленного назначения с тяжелым ферромагнитным ротором, большие для малоинерционных двигателей с печатным якорем.

Если к следящей системе предъявляются требования максимального быстродействия, то для вычисления  следует воспользоваться выражением [2]

   ,                (3.16)

 

которое обеспечивает максимальное ускорение при номинальном моменте двигателя. Следует отметить, что при выборе передаточного числа редуктора с позиций оптимизации по критерию максимума ускорения или минимума требуемого момента оно не должно превышать значения, полученного из условия согласования скоростей двигателя и нагрузки (3.14).

5. Вычисляется максимальный требуемый момент

. (3.17)

 

6. Проверяется перегрузочная способность электродвигателя по моменту

 

        .           (3.18)

 

При невыполнении условий (3.18) выбор электродвигателя следует уточнить. Так при  электродвигатель даже в самом тяжелом случае будет недогруженным, а, следовательно, можно выбрать электродвигатель меньшей мощности. При  электродвигатель будет перегружаться по моменту. При этом ток электродвигателя будет превышать допустимую величину, электродвигатель будет перегреваться. В этом случае следует выбрать электродвигатель большей мощности и для его провести проверку правильности выбора.

3.1.5. Методы проверки электродвигателей на нагрев. При выборе двигателя желательно выбрать такой электродвигатель, который будет использоваться полностью и при этом не будет перегреваться.

Нагрев двигателя определяется потерями в нем. Если потери не превышают допустимых, то электродвигатель будет работать не перегреваясь. Из-за тепловой инерции, постоянная времени которой для двигателей средней мощности составляет от десятков до сотен минут, температура электродвигателя будет определяться не мгновенным, а средним значением потерь за цикл работы.

Одним из методов проверки электродвигателей на нагрев является метод средних потерь.

Сущность метода заключается в том, что нагрев электродвигателя при неизменной теплоотдаче определяется средними потерями за цикл работы

 

                   ,                             (3.19)

 

где – мощность потерь на i – интервале,

– длительность i – го интервала,

– время цикла,

  m – число интервалов в цикле.

Вычисленные средние потери за цикл сопоставляются с номинальными, и если , то двигатель перегреваться не будет.

Действительное максимальное превышение температуры в отдельных точках электродвигателя будет отличаться от среднего значения, но при  и  [13] это отличие будет незначительным.

Рассчитать средние потери в двигателе не всегда возможно, так как для их расчета необходимо знать зависимость КПД двигателя в функции нагрузки при различных угловых скоростях вращения.

Если известен закон изменения тока электродвигателя, то для проверки выбранного электродвигателя на нагрев можно воспользоваться методом эквивалентного тока. Эквивалентный ток – это неизменный по величине ток, который вызывает в электродвигателе те же потери что и фактически протекающий в нем ток.

Для электродвигателей постоянного тока средняя мощность потерь при нагрузке эквивалентным током  равна:

 

                    ,                                      (3.20)

 

где  – мощность постоянных потерь, не зависящая от нагрузки (на возбуждение, трение в подшипниках и др.)

– переменные потери, зависящие от нагрузки.

Электродвигатель не будет перегреваться, если переменные потери не превысят допустимую величину, определяемую номинальным током якоря:

                                            (3.21)

Эквивалентный ток определяется выражением:

 

,                                         (3.22)

 

или при ступенчатом изменении тока как показано на рис. 3.2.

       

.                               (3.23)

 

Вычисленные значения эквивалентного тока сопоставляются с номинальным током электродвигателя. При  электродвигатель перегреваться не будет.

Рис. 3.2

 

При неизменном магнитном потоке , когда момент электродвигателя пропорционален току якоря , для проверки электродвигателя на нагрев можно воспользоваться методом эквивалентного момента:

Следует отметить, что методом эквивалентного момента нельзя пользоваться при анализе электродвигателей с последовательным и смешанным возбуждением, у которых магнитный поток не остается постоянным и зависит от нагрузки.

Методы проверки электродвигателя на нагрев помимо оценки температуры электродвигателя позволяют так же оценить и степень его использования. Чем ближе будет эквивалентная величина к номинальной, тем полнее используется электродвигатель (по нагреву).

 

;        ;     .          (3.28)

Усилители мощности

 

Назначение – усилить сигнал управления по мощности до величины, достаточной для управления исполнительным двигателем или механизмом.

Усилители мощности являются силовыми элементами, поэтому при их выборе существенными является требования экономичности и КПД.

Для управления исполнительными механизмами постоянной скорости используются в большинстве случаев реверсивные пускатели контактные или тиристорные трехпозиционные бесконтактные.

Для управления регулируемыми механизмами и двигателями используются различные усилители с плавным регулированием выходного напряжения.

Широко использовавшиеся ранее, на заре автоматизации,  системы генератор-двигатель (ГД) в настоящее время не применяются из–за наличия скользящего электрического контакта и большой установочной мощности электрических машин, превышающей утроенную мощность нагрузки.

В настоящее время в качестве усилителей мощности наибольшее применение находят тиристорные и транзисторные ключевые усилители, реализующие импульсный способ управления электродвигателем. При этом на электродвигатель подается последовательность импульсов постоянной амплитуды, обычно равной максимальному напряжению двигателя, длительность которых регулируется сигналом управления. Если период следования импульсов  мал, по сравнению с электромагнитной постоянной времени якорной цепи  и электромеханической постоянной времени , то, несмотря на участки разгона, определяемые длительностью импульса  и участки торможения, определяемые длительностью паузы , средняя скорость вращения электродвигателя будет определяться коэффициентом заполнения . Изменение коэффициента заполнения в пределах  позволяет регулировать скорость электродвигателя почти от нуля до максимального значения.

Обязательным условием работы импульсных усилителей с электродвигателем является неразрывность якорной цепи и непрерывность тока якоря. На время разрыва тока якоря управляемый электродвигатель превращается в неуправляемую болванку. Опасность такого режима возникает при большом периоде следования импульсов и малых управляющих сигналах.

Высокий КПД ключевых усилителей мощности достигается при этом за счет того, что силовые ключи (тиристоры и транзисторы в ключевом режиме работы) имеют только два состояния – насыщения и отсечки.

В режиме насыщения ток ключа максимален, а падение напряжения на них мало. В режиме отсечки наоборот, напряжение на ключе равно напряжению источника питания, а ток практически отсутствует. Он определяется током утечки закрытого ключа. В результате тепловые потери на силовых ключах оказываются небольшими, и КПД ключевых усилителей мощности достигает 95 98 %.

Переход силового ключа из режима отсечки в режим насыщения происходит быстро. Обратный переход из режима насыщения происходит с существенной задержкой, связанной с процессом рассасывания неосновных носителей полупроводникового перехода, т.е. ключ быстро включается, но выключается с большей задержкой. Количество неосновных носителей определяется глубиной режима насыщения, т.е. излишками управляющего тока полупроводникового перехода. У транзистора управляющий ток регулируемый, и излишки управляющего тока можно сделать небольшими. У тиристора режим насыщения не регулируемый и очень глубокий.

При выборе усилителя мощности разработчику необходимо руководствоваться как требованиями, определяемыми параметрами конкретного двигателя, так и общими требованиями, предъявляемыми к усилителям мощности. К числу основных требований, предъявляемых к усилителям мощности, следует отнести:

– непрерывность тока якорной цепи элек