Начертите схемы пропорционального, интегрального и пропорционально-интегрального регуляторов и их временные диаграммы работы

Регулятор выполняет вычисление рассогласования (разность между сигналом задания и сигналом обратной связи) и его пре­образование в управляющее воздействие в соответствии с опре­деленной математической операцией.

В САУ используются в основном следующие типы регуляторов: пропорциональный (П), интегральный (И) и пропорционально-интегральный (ПИ). В зави­симости от вида преобразуемых сигналов различают аналоговые и цифровые регуляторы.

Аналоговые регуляторы (АР) реализуют­ся на основе операционных усилителей, цифровые — на основе специализированных вычислительных устройств или микропро­цессоров. Аналоговые регуляторы преобразуют только аналого­вые сигналы, являющиеся непрерывными функциями времени. При прохождении через АР преобразуется каждое мгновенное значение непрерывного сигнала.

Для реализации АР операционный усилитель (ОУ) включает­ся по схеме суммирующего усилителя с отрицательной обратной связью. Тип регулятора и его передаточная функция определя­ются схемой включения резисторов и конденсаторов в цепях на входе и в обратной связи ОУ.

Пропорциональный регулятор (П-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ резистора с сопротивлением R_ос. Этот регулятор характеризуется коэффициентом пропорциональности к, который может быть равен как больше, так и меньше единицы.

Интегральный регулятор (И-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ конденсатора С_ос. Этого тип регулятора характеризуется постоянной времени Т.

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ резистора с сопротивлением R_ос и конденсатора С_ос. Такой регулятор характеризуется следующими параметрами: коэффициентом пропорциональности к и постоянной времени Т.

Для всех типов регуляторов в схеме реализации имеется входное сопротивление R_1.

Схемы реализации регуляторов, зависимость напряжения на выходе регулятораU_вых от входного U_вх и их графическое изображение, а также формулы для нахождения параметров регуляторов приведены в таблице 1

Таблица 1 - Регуляторы

Объясните, для чего предназначены датчики тока, какие к ним предъявляются требования. Приведите функциональные схемы электропривода постоянного тока с трансформаторным датчиком тока и датчиком тока на основе шунта.

Датчики тока (ДТ) предназначены для получе­ния информации о силе и направлении тока двигателя. К ним предъявляют следующие требования:

• линейность характеристики управления в диапазоне от 0,1I_ном до 5I_ном не менее 0,9;

• наличие гальванической развязки силовой цепи и системы управления;

• высокое быстродействие.

Датчик координат АЭПструктурно может быть представлен в виде последовательного соединения измерительного преобра­зователя (ИП) и согласующего устройства (СУ) (рисунок 1). Изме­рительный преобразователь преобразует координату х в электри­ческий сигнал напряжения и (или тока i), пропорциональный х. Согласующее устройство осуществляет преобразование выход­ного сигнала и ИП в сигнал обратной связи u_ос, который по ве­личине и форме удовлетворяет САУ.

Рисунок 1 – Структурная схема датчика координат АЭП

В качестве измерительных преобразователей в ДТ использу­ются трансформаторы тока, дополнительные (компенсационные) обмотки сглаживающих дросселей, элементы Холла, шунты.

Широкое распространение для измерения тока двигателей получили датчики тока на основе шунтов. Шунт представляет собой четырехзажимный резистор с чисто активным сопротив­лением R_ш (безындуктивный шунт), к токовым зажимам кото­рого подключается силовая цепь, а к потенциальным — измери­тельная. (рисунок 2)

Для ослабления влияния шунта на прохождение тока в цепи двигателя его сопротивление должно быть минимальным. Номи­нальное падение напряжения на шунте составляет обычно 75 мВ, поэтому его необходимо усилить с помощью усилителя У. Так как шунт имеет потенциальную связь с силовой цепью, датчик тока должен содержать устройство гальваниче­ской развязки (УГР). В качестве таких устройств применяются транс­форматорные и оптоэлектронные устройства.

Рисунок 2 – Схема включения датчика тока на основе шунта

ДТ на основе трансформаторов тока в основном используют­ся в АЭП постоянного тока для измерения тока двигателей при питании их от симметричных мостовых однофазных и трехфаз­ных выпрямителей. Для однофазного выпрямителя (рисунок 3) используется один трансфор­матор тока (ТА1), а для трехфазного — три трансформатора, включенных в звезду. Для обеспечения режима работы трансформаторов тока, близкого к режиму короткого за­мыкания, их вторичные обмотки нагружаются низкоомными ре­зисторами R_ТТ (0,2...1,0 Ом). Преобразование переменного напряжения вторичных обмоток осуществляется выпрямителем VD1...VD4.

Рисунок 2 – Схема включения датчика тока на основе трансформатора тока

13. Приведите функциональную схему датчика ЭДС якоря, объясните принцип её действия.

При невысоких требованиях к диапазону регу­лирования скорости (до 50) в качестве главной обратной связи в электроприводе применяется обратная связь по ЭДС. Принцип действия датчика ЭДС якоря основан на вычисле­нии ЭДС двигателя.

Функциональная схема датчика ЭДС представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Функциональная схема датчика ЭДС якоря

Для измерения напряжения якоря используется делитель на резисторах R2, R3. Для измерения тока якоря двигателя используется дополнительная обмотка L1.2 сглаживающего дросселя. Напряжение и_я через делитель, RС-фильтр и повторитель А1 подается на сумматор А2. На вход сумматора А2 подается также сигнал, пропорциональный падению напряжения на обмотке якоря R_я._ц ∙i_я.

Выражение выходного напряжения u_дэ усилите­ля А2 для установившегося режима работы имеет вид

где к _дэ – коэффициент передачи датчика ЭДС,

е _я – ЭДС якоря.

Для получения сигнала пропорционального напряжению на якоре двигателя резистивный делитель напряжения можно также включить по следующей схеме

Рисунок 2 – Схема включения датчика напряжения

Выходное напряжение делителя равно

Датчик напряжения помимо делителя может содержать также устройства гальванической развязки и

усилитель.

14. Начертите схему вертикальной одноканальной системы импульсно - фазового управления, объясните принцип её действия с помощью временных диаграмм.

Для управления тиристорами выпрямителя используется сис­тема импульсно-фазового управления (СИФУ), выполняющая следующие функции:

• определение моментов времени, в которые должны откры­ваться те или иные конкретные тиристоры; эти моменты време­ни задаются сигналом управления, который поступает с выхода САУ на вход СИФУ;

• формирование открывающих импульсов, передаваемых в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристо­ров и имеющих требуемые амплитуду, мощность и длительность.

Рассмотрим работу вертикальной одноканальной СИФУ управляющей тиристорами однофазного мостового выпрямителя (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема однофазного мостового выпрямителя

Генератор переменного напряжения ГПН запускается при поступлении с синхронизатора С напряжения (рисунок 2). Это происходит в тот момент, когда к тиристорам прикладывается прямое напряжение, т.е. в точках естественной коммутации.

Рисунок 2 – Схема вертикальной одноканальной СИФУ

С выхода ГПН напряжение пилообразной формы поступает на устройство сравнения УС, где оно сравнивается с напряжением управления U_у (рисунок 3). В момент равенства пилообразного и управляющего напряжений УС вырабатывает импульс, который через распределитель импульсов РИ поступает на формирователь импульсов ФИ1 или ФИ2 и дальше через выходной формирователь ВФ1 или ВФ2 на тиристоры выпрямителя. Выходные формирователи осуществляют усиление открывающих импульсов по мощности и потенциальное разделение СИФУ от силовой части. В качестве УС используется компаратор, выполненный на базе операционного усилителя.

Рисунок 3 – Диаграммы работы СИФУ

15. Приведите функциональную схему электропривода с трёхфазным нулевым реверсивным выпрямителем с совместным управлением и объясните принцип её действия.

При совместном управлении комплектами тиристоров, открывающие импульсы одновременно подаются на оба комплекта VS1, VS2, VS3 и VS4, VS5, VS6 (рисунок 1). При этом, в зависимости от направления вращения двигателя один комплект работает в выпрямительном режиме, а другой – в инверторном. Ток якоря протекает по комплекту, работающему в выпрямительном режиме.

Рисунок 1 – Совместное управление комплектами вентилей трёхфазного нулевого

реверсивного выпрямителя

Система управления тиристорами выпрямителя содержит две СИФУ (СИФУ1, СИФУ2) и аналоговый инвертор А1.

Если VS1, VS2, VS3 работают в выпрямительном режиме, а VS4, VS5, VS6 в инверторном, то двигатель вращается вперед. Если наоборот, то двигатель вращается назад.

Так как открывающие импульсы подаются на оба комплекта, то в схеме через два открытых вентиля, например VS1 и VS6, образуется замкнутый контур двух фаз вторичной обмотки транс­форматора TV1.

В этом контуре действует сумма ЭДС двух фаз вторичной обмот­ки, которая носит название уравнительной ЭДС:

где e₁, е₂ — выпрямленные ЭДС комплектов VS1...VS3 и VS4... VS6 соответственно.

Уравнительная ЭДС е _ур создает уравнительный ток I_ур. По отношению к уравнительному току трансформатор TV1 находится в режиме короткого замыкания, т.к. активное и индуктивное сопротивления трансформатора малы. Поэтому для ограничения уравнительного тока в цепь его протекания включаются уравнительные реакторы L1 и L2.

Помимо включения уравнительных реакторов ограничение уравнительного тока достигается путем согласованного управле­ния комплектами, при котором постоянная составляющая урав­нительной ЭДС Е_ур равна нулю, т.е.

E_ур = E₁ + E₂ = E₀(cosα₁ +cosα₂) = 0, (1)

где Е₁,Е₂ — постоянные составляющие ЭДС е₁ и e₂ соответствен­но; Е₀ — постоянная составляющая выпрямленной ЭДС при α = 0; α₁, α₂ — углы открывания комплектов VS1...VS3 и VS4... VS6.

Условие (1) будет выполняться, когда a₁ + a₂ =p. Данное условие представляет собой условие согласованного управления комплектами тиристоров.

Совместное управление обладает следующими преимуществами:

· Уравнительные токи обеспечивают проводящее состояние обоих комплектов, независимо от величины тока нагрузки двигателей и как следствие линейность характеристик (нет режима прерывистых токов).

· Высоким быстродействием, благодаря постоянной готовности к реверсу тока, которая не связана с какими-либо переключениями в схеме.

Однако, при совместном управлении необходима установка уравнительных реакторов, что увеличивает массу, стоимость и габариты электропривода. Протекание уравнительных токов увеличивает нагрузку элементов силовой цепи и снижает КПД выпрямителя.

16. Начертите структурную схему электропривода с реверсивным выпрямителем с раздельным управлением и объясните принцип её действия.

Вреверсивном выпрямителе с раз­дельным управлением при работе одного комплекта тиристоров в выпрямительном или инверторном режиме другой комплект полностью выведен из работы (сняты открывающие импульсы). Вследствие этого отсутствует контур прохождения уравнитель­ного тока, что исключает необходимость в уравнительных реак­торах.

Структурная схема электропривода с реверсивным вы­прямителем с раздельным управлением (РВРУ) приведена на рисунке 1. Работу РВРУ обеспечивают дополнительные элементы системы управления тиристорами: датчик проводимости венти­лей (ДПВ), логическое переключающее устройство (ЛПУ), пере­ключатель характеристики (ПХ).

Рисунок 1 – Структурная схема электропривода с реверсивным выпрямителем

с раздельным управлением

ДПВ предназначен для определения состояния (открыт или закрыт) тиристоров выпрямителя и формирования сигнала об их запирании, что равносильно отсутствию тока в комплектах.

ЛПУ выполняет следующие функции:

• выбирает нужный комплект вентилей «Вперед» или «На­зад» (КВ «В» или КВ «Н») в зависимости от требуемого направле­ния тока двигателя, задаваемого сигналом U_зт

• запрещает появление открывающих импульсов одновре­менно в обоих комплектах тиристоров посредством ключей «Впе­ред» («В») и «Назад» («Н»);

• запрещает подачу открывающих импульсов на вступающий в работу комплект до тех пор, пока в ранее работавшем комплек­те проходит ток;

• формирует временную паузу между моментом закрывания всех тиристоров ранее работавшего комплекта и моментом пода­чи открывающих импульсов на вступающий в работу комплект.

Переключатель характеристики служит для согласования однополярной регулировочной характеристики СИФУ α = ƒ(u_у) с реверсивным сигналом U_у.

Реверсирование двигателя начинается с изменения знака задания скорости, что вызывает изменение знака задания тока U_зт. Это приводит к уменьшению напряжения управления U_у, увеличению угла открывания α₁ тиристоров комплекта вентилей «Вперед», следовательно, уменьшению ЭДС Е₁ и, в итоге, снижению тока якоря до нуля. Закрывание вентилей фиксируется ДПВ. При получении сигнала с ДПВ, ЛПУ запрещает подачу импульсов на тиристоры обоих комплектов (размыкается «В»)и одновременно начинает отсчитывать временную паузу. После её окончания ЛПУ формирует разрешение на подачу открывающих импульсов на тиристоры комплекта вентилей «Назад» (замыкается «Н») и переключение ПХ. Переключение ПХ приводит к изменению полярности напряжения управления U_у на входе СИФУ. С этого момента на КВ «Н» начинает подаваться открывающий импульс с углом α₂, обеспечивающим работу комплекта в инверторном режиме. Так как ЭДС вращения больше Е₂, то ток якоря протекает в обратном направлении. Двигатель переходит в генераторный режим работы, осуществляя рекуперативное торможение.

Раздельное управление обладает следующими преимуще­ствами:

• отсутствуют уравнительные реакторы, что значительно сни­жает габариты, массу и стоимость реверсивного выпрямителя;

• отсутствует уравнительный ток, что уменьшает потери мощности в выпрямителе и повышает его КПД.

Недостатками раздельного уравнения являются:

• наличие режима прерывистого тока, что требует линеариза­ции характеристик управления выпрямителя;

• более сложная система управления из-за наличия ЛПУ, ДПВ и ПХ;

• наличие бестоковой паузы при переключении комплектов.

Приведите и опишите замкнутые структуры ЭП построенные по принципу компенсации внешних возмущений и принципу отклонения. Начертите структурную схему двухконтурной системы подчиненного регулирования электропривода постоянного тока и опишите ее блоки.

Замкнутые структурные ЭП строятся по принципу компенсации внешних возмущений и принципу отклонения, называемому также принципом обратной связи.

Принцип компенсации рассмотрим на примере компенсации наиболее характерного внешнего возмущения электропривода – момента нагрузки Мс при регулировании его скорости ω (рисунок 1а).

А) б)

Рисунок 1 – Замкнутые структуры ЭП

Основным признаком такой замкнутой структуры ЭП, является наличие цепи, по которой на вход ЭП вместе с задающим сигналом скорости Uзс подается сигнал пропорциональный моменту нагрузки

Uм = Км∙Мс, где Км-коэффициент пропорциональности.

В результате управления ЭП осуществляется суммарным сигналом U_∆, который, автоматически изменяясь при колебаниях момента нагрузки, обеспечивает поддержание скорости на заданном уровне. Несмотря на эффективность, управления ЭП по этой схеме осуществляется редко, из-за отсутствия простых и надежных датчиков момента нагрузки Мс.

Поэтому в большинстве замкнутых схем используется принцип отклонения, который характеризуется наличием цепи обратной связи, соединяющей выход ЭП с его входом. В данном случае при регулировании скорости используется цепь обратной связи по скорости (рисунок 1б), по которой информация о текущем значении скорости (сигнал Uос=Кос∙ ω) подается на вход ЭП, где он вычитается из сигнала задания скорости Uзс. Управление осуществляется сигналом отклонения U_∆=Uзс-Uос (его также называют сигналом рассогласования или ошибки), который при отличии скорости от заданной, соответственно автоматически изменяется и, с помощью САУЭП, устраняет эти отклонения.

В зависимости от вида регулируемой координаты в ЭП используется обратные связи по скорости, по положению, току, магнитному потоку, напряжению, ЭДС.

Система подчиненного регулирования.

Для управления движением ИО, иногда требуется регулировать несколько координат ЭП. Например, ток (момент) и скорость. В этом случае, замкнутые ЭП выполняются по схеме с подчиненным регулированием координат.

Рисунок 2 – Структурная схема двухконтурной системы подчинённого регулирования

В данной схеме регулирование каждой координаты осуществляется собственными регуляторами (тока РТ и скорости РС), которые вместе с соответствующими обратными связями с коэффициентами К_ост и К_осс, образуют замкнутые контуры. Эти контуры располагаются таким образом, что входным (задающим) сигналом для контура тока Uзт является выходной сигнал внешнего по отношению к нему контура скорости. Таким образом, внутренний контур тока будет подчинен внешнему контуру скорости – основной регулируемой координате ЭП. Сигнал U_∆ с выхода РТ подаётся на тиристорный преобразователь ТП. Электродвигатель ЭД представлен двумя частями: электрической (ЭЧД) и механической (МЧД).

Основное достоинство такой схемы заключается в возможности оптимальной настройке регулирования каждой координаты. Кроме того, подчинение контура тока к контуру скорости позволяет упростить процесс ограничения тока и момента, для чего необходимо лишь поддерживать на соответствующем уровне сигнал на выходе регулятора скорости (сигнал задания) уровня тока.

Объясните, для чего предназначены статические преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока (СПЧ ПЗПТ). Приведите структурные схемы СПЧ ПЗПТ, отличающиеся способом регулирования напряжения на статоре АД.

СПЧ ПЗПТ предназначены для преобразования переменного напряжения с постоянной амплитудой и частотой в переменное напряжение с регулируемой амплитудой и частотой.

Существуют три вида СПЧ ПЗПТ в зависимости от способа регулирования напряжения:

1. СПЧ ПЗПТ с управляемым выпрямителем

В этой схеме напряжение по амплитуде регулируется на выходе выпрямителя (рисунок 1).

Рисунок 1 - СПЧ ПЗПТ с управляемым выпрямителем

УВ – управляемый выпрямитель, преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока.

Ф – фильтр, служит для сглаживания пульсации тока и напряжения.

И – инвертор, служит для преобразования постоянного тока в переменный ток.

СУВ – система управления выпрямителем.

СУИ – система управления инвертором.

ФП – функциональный преобразователь, служит для преобразования сигнала задания частоты U_з.f. в сигнал задания напряжения U_з.u. в зависимости от реализуемого закона частотного управления.

В зависимости от вида фильтра Ф в звене постоянного тока, автономный инвертор И делиться на АИ тока и АИ напряжения. В СПЧ на основе АИ тока, фильтр представляет собой реактор L с большой индуктивностью (рисунок 2а). Такой инвертор является источником тока, поэтому в этой схеме управляющим воздействием на двигатель является частота и ток статора.

Рисунок 2 - Схемы фильтров

АИ напряжения является источником напряжения, для чего фильтр кроме индуктивности L содержит конденсатор C большой ёмкости (рисунок 2б). Управляющим воздействием на двигатель в системе СПЧ с АИ напряжения являются амплитуда и частота напряжения.

2. СПЧ ПЗПТ с неуправляемым выпрямителем и преобразователем с широтно-импульсным управлением (ПШИУ) в звене постоянного тока (рисунок 3).

Рисунок 3 - СПЧ ПЗПТ с неуправляемым выпрямителем и ПШИУ

В этом случае регулирование напряжения осуществляется в ПШИУ, который устанавливается между неуправляемым выпрямителем НВ и инвертором И. Нерегулируемое постоянное напряжение с НВ поступает на ПШИУ, где регулируется по величине преобразовываясь в последовательность прямоугольных импульсов, фильтруется фильтром Ф и поступает на вход инвертора И.

3. СПЧ ПЗПТ с неуправляемым выпрямителем и с широтно-импульсной модуляцией напряжения в инверторе (рисунок 4).

Рисунок 4 - СПЧ ПЗПТ широтно-импульсной модуляцией напряжения в инверторе

В этой схеме регулирование амплитуды напряжения и частоты совмещено в И. Широтно-импульсная модуляция достигается с помощью сложного алгоритма переключения вентилей и может реализовываться только в преобразователях с управляемыми ключами: с силовыми транзисторами или с тиристорами с искусственной коммутацией.