Замкнені системи автоматизованого керування електроприводами

4.7.1 Програмні запитання

 

Призначення, класифікація і способи побудови замкнених систем автоматизованого керування. Зворотні Зв'язки: зовнішні, внутрішні, додатні, від'ємні, жорсткі і гнучкі.

Замкнені системи автоматизованого керування з від'ємним зворотнім зв'язком по напрузі, швидкості і додатнім зворотнім зв'язком по струму. Механічні характеристики приводу постійного струму з перерахованими зворотнім зв'язками. Рівняння механічних характеристик цього приводу.

Структурні схеми та їх перетворення. Структурні схеми послідовно ввімкнених ланок розімкненої системи керування та замкненої системи з регулятором.

Передавальні функції двигуна постійного струму незалежного збудження, асинхронного двигуна, магнітного підсилювача.

Стежний електропривід, його призначення, структурна схема. Стежний привід перервної і безперервної дії.

Автоматична подача долота на вибої свердловини.

Принцип дії системи стабілізації потужності на валу двигуна електробура. Функціональна структура і структурна схема.

Мікропроцесорні системи керування електроприводами. Функціональні задачі. Функціональна схема мікро-процесорного керування.

Мікропроцесорна система керування електроприводом з двигуном постійного струму.

 

Методичні вказівки

При вивченні вказаної теми треба чітко зрозуміти основні властивості замкнених систем автоматизованого керування: з від'ємним зворотнім жорстким зв'язком по швидкості; з додатнім зворотнім зв'язком по струму і від'ємним жорстким зворотнім зв'язком по швидкості; і від'ємним зворотнім зв'язком по напрузі. Треба також знати, яким чином параметри системи, в частості, коефіцієнти підсилення ланцюгів зворотних зв'язків по швидкості, струму і напруги впливають на статичну похибку, стійкість і якість перехідних процесів.

Сучасні замкнені системи автоматизованого керування мають регулятори (швидкості, струму та інші), електро-машинні, магнітні підсилювачі, тиристорні перетворювачі. На відміну від без інерційного тиристорного перетворювача, магнітні підсилювачі (МП) та інші мають значну інерційність. Для потужних МП постійна часу досягає декількох секунд. Регулятори швидкості різних виробничих механізмів часто будуються по принципу підпорядкованого регулювання параметрів, зазвичай з двома контурами: внутрішнім контуром струму і зовнішнім контуром швидкості.

Треба звернути увагу на те, що динамічні властивості системи визначає передавальна функція, тому для її визначення треба знати передавальні функції окремих ланок і їх взаємозв'язки. Критерії оцінки стійкості замкнених систем.

Особливу увагу слід приділити вивченню стежного електропривода і його практичного використання в автоматичних регуляторах подачі долота.

Слід уважно ознайомитись з замкненою системою стабілізації потужності на валу занурювального двигуна, яка дозволяє більш, повно використовувати потужність двигуна електробура під час буріння свердловин на нафту і газ.

Вивчити основні задачі мікропроцесорного керування електроприводами, архітектуру мікропроцесора. Розібратися в аналоговій і мікропроцесорній системі керування електро-приводами з двигуном постійного струму незалежного збудження.

Література: [1.1, с.242-250, 505-508, 512-521; 1.2, с.159-204; 1.3, тема 5; 1.11, с.8-75]

4.7.3 Контрольні запитання

 

1 Сформулюйте основні вимоги, які ставлять до регуляторів швидкості.

2 Основне призначення зворотних зв'язків. Поясніть дію додатних і від'ємних зворотних зв'язків; жорстких і гнучких; внутрішніх і зовнішніх.

3 Як зворотні зв'язки впливають на жорсткість механічних характеристик?

4 Що являє собою передавальна функція системи керування? Які ланки мають передавальні функції двигуна постійного струму, асинхронного двигуна, магнітного підсилювача?

5 В чому полягає різниця між стежним електроприводом перервної і безперервної дії?

6 Яким чином стежний електропривід реалізований в регуляторі подачі долота?

7 Які зворотні зв'язки передбачені в замкненій системі стабілізації потужності на валу двигуна електробура? В чому полягає перевага цієї системи в порівнянні з системою стабілізації струму статора?

8 Що містить архітектура мікропроцесора?

9 Поясніть переваги мікропроцесорного керування електроприводами.

10 Яким чином здійснюється перехід від аналогової системи керування до мікропроцесорної? Поясніть це на прикладі електропривода з двигуном постійного струму.

Контрольні домашні завдання

Загальні вимоги

Контрольні завдання містять 6 задач і виконуються в процесі вивчання курсу. Всі задачі мають практичний характер і, виконуючи їх, студент набуває навички самостійної інженерної роботи.

Під час виконання контрольних завдань повинні бути витримані такі обов'язкові вимоги:

- варіант, що виконується, повинен відповідати трьом цифрам шифрам (останньої, передостанньої і середній);

- текстовий і розрахунковий матеріали слід виконувати ручкою, залишаючи поля; графічний - на міліметровому папері;

- складати зведені таблиці для основних розрахункових даних для однотипних обчислень за однотипних формулами;

- рішення задачі повинно містити відповіді на всі питання у повному об'ємі;

- графіки треба будувати в абсолютних одиницях з вказівкою заданих і розрахункових величин (наприклад, номінальні швидкості, струм, момент);

- при побудові графіків нелінійних залежностей по рівняннях треба виконувати повний числовий розрахунок мінімум для двох - трьох точок, для решта точок треба зробити таблицю з вказівкою вихідних, кінцевих і проміжних даних;

- під час розрахунку перехідних процесів при пуску і гальмуванні електроприводу з двигуном постійного струму незалежного збудження і асинхронним двигуном доцільне використання ЕОМ і програму REAP

Правильність виконаних обчислень є обов'язковою умовою зарахування роботи. Після рішення кожної задачі бажано проаналізувати отримані результати.

Виконані контрольні роботи надсилають на кафедру для перевірки, в термін, що встановлений навчальним графіком.

Розв'яжіть задачу 1

Для заданих, значень привода з двигуном постійного струму паралельного збудження (таблиця 5.1) розрахувати механічну характеристику за паспортними даними, пускові опори, побудувати пускову та гальмівну діаграми.

 

Таблиця 5.1 - Завдання до задачі 1

Остання цифра шифру	Тип двигуна	Uном, В	Pном, кВт	nном, об/хв.	Iном, А	J, кгм2	Вид гальмування
	П-51				65,5	0,09	електродинамічне
	П-51				59,0	0,09	генераторне
	П-52		4.5		50,5	0,1	противмиканням
	П-52				43,5	0,1	електродинамічне
	П-61					0,14	противмиканням
	ДП-31		8.5			0,3	генераторне
	ДП-32					0,43	електродинамічне
	ДП-41					0,8	електродинамічне
	ДП-82					17,0	противмиканням
	ДП-42					1,05	електродинамічне

Методичні вказівки

При побудові механічної характеристики за паспортними даними ω=f(М) треба мати на увазі, що рівняння механічної характеристики

(5.1)

де U - напруга мережі живлення, В;

k_e Ф = Се - коефіцієнт ЕРС;

k_м Ф = См - коефіцієнт моменту;

(5.2)

Ф - магнітний потік обмотки збудження двигуна, Вб;

М - момент двигуна, кГм або Нм;

R - опір якірного кола, Ом.

(5.3)

де r_я - активний опір якоря двигуна, Ом;

(5.4)

де - номінальний коефіцієнт корисної дії ( 0,75 - 0,8).

- додатковий опір в якірному колі, Ом.

Згідно (5.1) механічна характеристика привода є пряма лінія з початком в точці _.

, (5.5)

або

(5.6)

Точка - це швидкість ідеального холостого ходу, яку має двигун, коли М=0.

Таким чином пряму лінію можна побудувати за двома точками:

Перша: М=0; , об/хв, або % *

Друга:

,

або

,

або .

Будуємо характеристику:

Рисунок 5.1 - Природна механічна характеристика привода побудована за паспортними даними.

 

Рекомендується така послідовність розрахунку:

- розрахувати і побудувати за паспортними даними природну механічну характеристику привода;

- використовуючи графо-аналітичний метод побудувати пускові характеристики, виходячи з умови, що мінімальний момент переключення знаходиться в межах , а максимальний момент переключення ;

- визначити кількість секцій пускового резистора;

- визначити опори секцій і повний опір пускового резистора;

- визначити гальмівний момент і гальмівний опір.

Примітка: всі характеристики повинні бути накреслені на одному графіку в абсолютних одиницях.

Література [1.3, тема 2; 2.1, с. 6-7, с. 13-16]

Розв'яжіть задачу 2

Для заданих значень приводу з асинхронним двигуном з фазним ротором (таблиця 5.2) побудувати природну і штучні механічні характеристики і визначити опори секцій пускового резистора та опір цього резистора. Двигун типу МТН, 380/220 В, 50 Гц, тривалість ввімкнення 25 %.

 

Таблиця 5.2 – Завдання до задачі 2	Момент інерції J,кгм	0,2	0,46	1,25	0,27	2,0	5,7	1,1			4,3
U ном, В	380/220	380/220	380/220	380/220	380/220	380/220	380/220	380/220	380/220	380/220
Ротор	Xp1, Ом	0,57	0,66	0,254	0,625	0,23	0,36	0,64	0,13	0,109	0,45
rp1, Ом	0,67	0,47	0,125	0,603	0,08	0,09	0,498	0,03	0,021	0,12
Jрном, А	16,5
Eрном, В
Статор	Xc, Ом	1,7	0,88	0,43	1,14	0,27	0,17	0,84	0,14	0,048	0,23
rc, Ом	2,62	0,84	0,34	1,61	0,22	0,1	0,98	0,06	0,013	0,164
Iсном, A	11,6	24,6		15,3			26,1
	0,72/0,15	0,7/0,11	0,77/0,09	0,76/0,12	0,77/0,08	0,79/0,08	0,74/0,12	0,77/0,06	0,73/0,042	0,77/0,07
	2,2	2,0	2,4	2,0	3,0	3,0	2,0	2,6	2,3	2,3
n0, об/хв
Рном, кВт	3,5	8,2	17,5	5,3
Перед-остання цифра шифру

Методичні вказівки

Механічна характеристика електропривода з асинхронним двигуном або має лінійну і нелінійну частину. Для побудови природної механічної характеристики треба визначити мінімум три точки, а далі розрахунки проводити, використовуючи спрощене рівняння механічної характеристики (рівняння Клосса).

Побудова природної механічної характеристики за паспортними даними проводиться таким чином:

Знаходимо першу точку:

Знаходимо другу точку:

;

;

; ;

Знаходимо третю точку:

; ;

"+" - для двигунного режиму;

"-" — для гальмівного режиму.

Для знаходження нелінійної частини механічної характеристики скористаємось рівнянням Клосса:

(5.7)

Задаємось величиною ковзання від до 1, підставляємо в рівняння (5.7) і отримані результати зводимо в таблицю 5.3.

 

Таблиця 5.3 - Результати обчислень М і п.

S		0.15	0.3	0.6	0.8	0.9

 

За результатами розрахунку трьох точок і таблиці 5.1 будуємо природну механічну характеристику (рисунок 5.2а і 5.26)

Рисунок 5.2 - Природна механічна характеристика привода з асинхронним двигуном побудована за паспортними даними:

 

Рекомендується така послідовність розрахунку:

- розрахувати і побудувати за паспортними даними природну механічну характеристику привода;

- використовуючи графо-аналітичний метод побудувати штучні (пускові) характеристики, вважаючи, що мінімальний момент перемикання , а максимальний - Всі характеристики необхідно креслити на одному графіку в абсолютних одиницях;

- з точки перетину максимального моменту перемикання з природною характеристикою обов'язково слід провести дотичну до перетину її з лінією синхронної швидкості, і потім з цієї точки проводити промені для отримання штучних характеристик;

- визначити кількість секцій пускового резистора в роторному ланцюзі

- визначити опори секцій і повний опір пускового резистора.

Література [1.3, тема 2; 2.1, с. 7-13, с. 36-49].

 

Розв'яжіть задачу 3

Для заданих значень привода з синхронним електродвигуном (таблиця 5.4) розрахувати і побудувати кутову характеристику (напруга мережі живлення 6 кВ, cosφ_ном =0,9).

 

Таблиця 5.4 – Завдання до задачі 3

Третя (середня) цифра шифру (з кінця)	Рном, кВт	n, об/хв.	λ	I с ном, А	rc, Ом	X, Ом	r, Ом
		2,0		71,5	0,57	1,2	0,75
		2,0			0,243	1,122	0,618
		2,0			0,159	1,27	0,755
		2,2			0,109	0,953	0,529
		2,0		90,5	0,412	1,157	0,721
		1,9			0,097	1,113	0,631
		2,0			0,053	1,206	0,713
		2,0			0,044	1,125	0,641
		2,0			0,272	1,147	0,642
		2,1			0,306	1,067	0,655

 

Методичні вказівки

Механічна характеристика електропривода з синхронним двигуном відноситься до категорії незалежних , тобто синхронна швидкість не залежить від моменту двигуна.

Тому для аналізу роботи цього приводу використовують кутову характеристику привода , яка являє залежність моменту двигуна від кута між вектором напруги обмотки статора і ЕРС ротора, що наводиться полем статора.

Рівняння кутової характеристики має вигляд:

, (5.8)

де - кількість фаз статора;

- кутова синхронна швидкість;

ЕРС обмотки статора;

- номінальний кут навантаження;

(5.9)

(5.10)

Повний опір статора СД:

(5.11)

Реактивний опір статора СД:

(5.12)

Реактивні опори по повздовжній і поперечній осях:

(5.13)

Рекомендується така послідовність розрахунку:

- згідно наведених формул провести відповідні розрахунки;

- визначити складові рівняння кутової характеристики для різних значень кута ;

- результати звести в таблицю 5.5.

 

Таблиця 5.5 - Результати обчислень

			М, Нм

 

 

За результатами таблиці 5.5 побудувати кутову характеристику і визначити точку номінального режиму роботи.

Література [1.3, тема 2; 2.1, с. 51-53].

 

Розв'яжіть задачу 4

Для отриманих після рішення задачі 1 даних розрахувати перехідні процеси під час пуску і гальмування і побудувати перехідні характеристики цих режимів.

Методичні вказівки.

На перехідні процеси в електроприводі, які мають місце під час пуску, гальмування, зміни навантаження, реверсування і інше, здійснюють вплив механічна, електромагнітна і теплова інерції. Вплив механічної інерції визначає електромагнітна постійна часу Т_м; вплив електромагнітної - електромагнітна постійна часу Т_е; вплив теплової - постійна часу нагріву Т_н.

Всі види інерції в тій або іншій мірі гальмують перехідний процес, тобто збільшують його час.

Для розрахунку перехідних процесів аналітичним методом складають систему диференційних рівнянь, що описують перехідний процес при заданому збудженні. В результаті їх розв'язку відносно струму, швидкості або моменту будуються перехідні характеристики і(t), (t), М(t).

Якщо зробити припущення, що електромагнітні перехідні процеси в електроприводі з ДПС незалежного збудження швидко затухають, тобто нехтувати впливом електромагнітної інерції, тоді перехідний процес буде розглядатися як механічний і описується він диференційними рівняннями:

для швидкості:

(5.14)

для струму:

для моменту:

(5.16)

де Т_м - електромеханічна постійна часу, с, яка дорівнює

(5.17)

де - момент інерції, кгм

- опір якірного ланцюга, Ом;

С_с, С_м - коефіцієнти ЕРС і моменту.

Момент інерції і маховий момент пов'язані співвідношенням

кГм2. (5.18)

Якщо має одиницю вимірювання [кГм*с²], тоді

кГм²

Рішенням (5.14), (5.15), (5.16) є:

(5.19)

(5.20)

(5.21)

де ω_с, і_с, М_с - сталі значення швидкості, струму, моменту;

ω_поч - початкове значення швидкості. В тому випадку, коли пуск здійснюється з нерухомого стану ω_поч=0;

І_поч, М_поч - початкові значення струму і моменту. Під час пуску привода ці значення дорівнюють пусковим і_поч =і_пуск; М_поч=М_пуск.

Якщо пуск привода багатоступеневий, то рівняння перехідних характеристик привода можна записати:

(5.22)

(5.23)

(5.24)

де - швидкість і-ої ступені, об/хв;

- стале значення швидкості і-ої ступені, с;

- мінімальний струм, А і момент, Нм перемикання;

- початковий (пусковий) струм і момент;

- швидкість попередньої ступені, об/хв.

Коли додатковий опір в якірному колі стає рівним нулю, то

,

Для багатоступеневогу пуску треба знаходити на кожному ступені.

Підчас пуску на 1-му ступені

(5.25)

Теоретично вважається, що перехідний процес закінчується, коли , але практично з невеликою похибкою можна рахувати, що він закінчується .

Інколи для визначення часу перехідного процесу використовується вираз:

(2.26)

де, максимальний і мінімальний струми перемикання, А;

струм в сталому режимі .

 

 

Рекомендується така послідовність розрахунку:

- перевірити по розрахунках задачі 1 кількість ступенів пуску. По пусковій діаграмі визначити початкові значення швидкості, струму (моменту), і максимальний момент (струм) переключення;

- визначити для кожного ступеня електромеханічну постійну часу ;

- вважати що практично перехідний процес на кожному ступені буде закінчуватися через (3-4) цього ступеня;

- розрахувати перехідні процеси за вказаними вище формулами для багатоступеневого пуску і гальмування, яке запропоновано в задачі 1;

- побудувати перехідні характеристики на одному кресленні.

Література [1.3, тема 3; 2.1, с.56-72].

Розв'яжіть задачу 5

Для заданих значень і режиму роботи привода (таблиця 5.6) побудувати графік навантаження і вибрати потужність електродвигуна постійного і змінного струму.

Для тривалого режиму роботи S1 орієнтовно прийняти швидкість двигуна 950 об/хв, коефіцієнти. a=0,5, g=0,3; для короткочасного режиму S2-швидкість 1450 об/хв, коефіцієнти a=0,5, g=0,35; для повторнокороткочасного режиму S3 - швидкість 950 об/хв, a=0,5, g=0,25.

 

Методичні вказівки

Правильний вибір потужності електродвигунів має велике значення, так як визначає першопочаткові витрати і вартість експлуатаційних витрат в електроприводі. Використання електродвигуна недостатньої потужності може привести до порушення нормальної роботи механізму, до зниження його

продуктивності, появи аварій та передчасного виходу двигуна з ладу. Використання електродвигуна більшої потужності погіршує економічні показники установки, веде до підвищення її вартості, великих втрат електроенергії.

 

Таблиця 5.6 - Завдання до задачі 5

Остання цифра шифру

Р1, кВа

Р2, кВа

Р3, кВа

Р4, кВа

М1, Нм

М2, Нм

М3, Нм

М4, Нм

t1, c

t2, c

t3, c

t4, c

t0, c

Tн, хв

Електро-двигун

Режим роботи

-84

71,5

13,1

4,2

ДПС

Тривалий S1

9,7

1,0

9,7

АД

Тривалий S1

ДПС

Короткочасний S2

АД

Короткочасний S2

АД з фазним ротором

Повтор-нокороткочасний S3

ДПС

Повтор-нокороткочасний S3

-13

2,4

3,7

1,0

ДПС

Тривалий S1

-80

-76

АД

Тривалий S1

АД

Короткочасний S2

АД з фазним ротором

Повтор-нокороткочасний S3

Вибір потужності електродвигунів здійснюється з умов допустимого нагріву з наступною перевіркою та перевантажувальною здатністю.

Для тривалого режиму роботи 81 вибір потужності двигуна залежить від графіка навантаження. Для незмінного графіка навантаження вибір потужності двигуна проводиться за емпіричними формулами.

Умова вибору .

Для режиму S1 із змінним графіком навантаження вибір потужності двигуна проводиться за методами середніх втрат і середньоквадратичних еквівалентних величин. Найбільш розповсюджений метод середньоквадратичного еквівалентного струму, потужності і моменту:

(5.27)

(5..28)

(5.29)

Умова вибору:

Перевірка на перевантажувальну здатність:

;

.

Тут - максимальні значення струму, потужності і моменту, які визначаються за графіком навантаження.

Для короткочасного режиму роботи S2 вибір потужності двигуна здійснюється за методом середньоквадратичних еквівалентних величин з рахуванням коефіцієнта механічного і теплового перевантаження:

(5.30)

де - коефіцієнт механічного перевантаження.

(5.31)

- коефіцієнт теплового перевантаження.

(5.32)

де - час роботи двигуна, с;

- постійна часу нагріву, хв.

Умова вибору потужності двигуна: .

Так як під час зупинки двигун цього режиму роботи охолоджується до температури навколишнього середовища, а під час роботи не встигає нагрітися до температури, що встановлена для даного класу ізоляції двигуна, то перевірка на перевантажувальну здатність не проводиться.

Вибір потужності двигуна для повторно-короткочасного режиму S3 проводиться за методом середньоквадратичних еквівалентних величин з врахуванням величини коефіцієнта тривалості ввімкнення (ТВ %).

(5.33)

де - час роботи, с;

- час паузи, с.

Завод виготовлювач для цього режиму роботи випускає двигуни із стандартними ТВ %: 15, 25,40, 60 %.

При визначенні еквівалентних значень слід врахувати коефіцієнти a і g. (Для двигунів постійного струму a=0,75, g=0,5; для асинхронних a=0,5, g=0,25). Тоді

(5.34)

де - час пуску, с;

- час гальмування, с.

Умова Вибору: ;

;

;

Якщо відрізняється від стандартного, то треба провести перерахунок потужності таким чином.

Виходячи з рівняння (5.34) і умови вибору робиться попередній вибір потужності двигуна . Потім визначається за формулою (5.33) і нова розрахункова потужність:

Умова кінцевого вибору потужності двигуна за каталогом. Рекомендується така послідовність розрахунку:

- за даними завдання для відповідного режиму роботи будується графік навантаження;

- за методом середньоквадратичних еквівалентних величин визначається величина потужності або моменту;

- для повторнокороткочасного режиму визначається ;

- проводиться вибір потужності" двигуна за каталогом і перевірка на перевантажувальну здатність.

Література [1.3, тема 4; 2.1, с. 73-84].

Зміст

 

Вступ……………..….....................................................................4

1 Рекомендована література ………………………………...5

2 Перелік методичних матеріалів…...……………………….6

3 Робоча програма курсу…………...………………………..7

4 Зміст курсу……………………….………………………..10

5 Контрольні домашні завдання……...……………………..25