2.4 Опис лабораторного стенду для проведення експериментальних досліджень

Для проведення лабораторних досліджень використовується стенд, наданий компанією АВВ-Україна. Загальний вигляд стенду представлений на рис. 2.19.

Рисунок 2.19 ― Загальний вигляд стенду компанії АВВ

Стенд складається з монтажної шафи виробництва компанії АВВ, в якій розміщено комутаційно-силове та перетворювальне обладнання виробництва АВВ. Комутаційно-силове обладнання включає рубильник АВВ 100А, автоматичні вимикачі АВВ серії С 50 (50А) та С 16 (16А) в кількості 4 та 6 штук відповідно, дроселі з номінальним струмом 18А та плавкі запобіжники в корпусах з номінальним струмом 50А. Перетворювальні пристрої представлені чотирма перетворювачами напруги постійного струму ABB DCS 800 та двома перетворювачами частоти АВВ ACS 550 та ABB ACS 850. Всі з’єднання в шафі виконані мідними кабелями ПВ 3х6 мм² та ПВ 3х2.5 мм².

Спрощена функціональна схема частини стенду, яка використовується в даних лабораторних роботах, представлена на рисунку 2.20. На схемі позначені: QF7 – QF10 – автоматичні вимикачі; М1,М2 –двигуни постійного струму з незалежним збудженням, що живляться від перетворювачів АВВ DCS800 №3 та №4 відповідно; BR – енкодер.

Рисунок 2.20 ― Спрощена функціональна схема стенду

3 ДОСЛІДЖЕННЯ СТАТИЧНИХ ТА ДИНАМІЧНИХ РЕЖИМІВ ДВОКОНТУРНОЇ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ШВИДКІСТЮ ДВИГУНА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З НЕЗАЛЕЖНИМ ЗБУДЖЕННЯМ НА БАЗІ КЕРУЮЧО-ПЕРЕТВОРЮВАЛЬНОГО ПРИСТРОЮ DCS800

Лабораторна робота №1

Мета роботи: вивчення можливостей перетворювача DCS800, дослідження статичних та динамічних характеристик системи керування швидкістю двигуна постійного струму з незалежним збудженням (ДПС з НЗ) зі зворотним зв’язком за швидкістю та з непрямим вимірюванням швидкості.

Тривалість роботи: 4 години.

3.1 Короткі теоретичні відомості

Функціональна схема двоконтурної системи підпорядкованого керування швидкістю ДПС з НЗ показана на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 ― Функціональна схема двоконтурної СПР швидкістю ДПС з НЗ

Обмотка якоря двигуна М живиться від керованого випрямляча, напруга на виході якого у статичному режимі пропорційна напрузі завдання перетворювача .

Система керування включає два контури:

- внутрішній контур струму якоря з регулятором струму РС;

- зовнішній контур швидкості з регулятором швидкості РШ.

Вихідний сигнал регулятора швидкості є завданням контуру струму U_зі. Це дозволяє за рахунок обмеження вихідного сигналу РШ обмежувати струм якоря під час перехідних процесів.

Настроювання системи здійснюють послідовно, починаючи з внутрішнього контуру. Тобто, спочатку настроюють контур струму без урахування контуру швидкості, а потім настроюють контур швидкості з урахуванням оптимізованого контуру струму.

Структурна схема системи керування представлена на рис. 3.2

Рисунок 3.2 ― Структурна схема двоконтурної СПР швидкістю ДПС з НЗ

На схемі прийнято наступні позначення:

-  , - напруги завдання швидкості та струму;

-  - швидкість обертання двигуна;

- І – струм якоря;

- Е – ЕРС двигуна;

- сумарний активний опір якірного кола (сума опорів якоря, шунта та згладжуючого дроселя) ;

- сумарна індуктивність якірного кола (сума індуктивностей якоря та згладжуючого дроселя) ;

- стала часу якоря (електромагнітна стала часу) ;

- сумарний приведений до валу двигуна момент інерції J;

- момент двигуна М;

- момент опору на валу двигуна М_с;

- добуток конструктивної сталої двигуна на номінальний потік .

Номінальний струм якоря двигуна можливо знайти через паспортні дані двигуна (номінальні потужність Р_н, напругу U_н та коефіцієнт корисної дії η)

.

У випадку, якщо немає паспортного значення активного опору якоря, його приблизно можливо розрахувати наступним чином

.

Коефіцієнт передачі перетворювача визначається відношенням максимально-можливої напруги на його виході (як правило 230 чи 460 В) до максимально-можливої напруги його завдання (вхідної напруги системи імпульсно-фазового керування СІФК, як правило 10 В)

.

Стала часу перетворювача Т_μ - мала некомпенсована стала часу, яка враховує наявність фільтрів в системі формування керуючих імпульсів тиристорів, а також запізнення при комутації тиристорів. Т_μ є плаваючою величиною. З метою спрощення розрахунків Т_μ приймають константою (0.01 с для тиристорних перетворювачів, 0.001 с для транзисторних).

Коефіцієнти зворотних зв’язків за швидкістю і струмом якоря знаходяться наступним чином

,

,

де λ – перевантажувальна здатність двигуна.

Як видно зі схеми, контур струму є зв’язаним з контуром швидкості через ЕРС двигуна. Проте, оскільки струм змінюється значно швидше, ніж ЕРС, яка змінюється синхронно з ω, то на час перехідних процесів в контурі струму ЕРС можна вважати постійною. Математична модель контуру струму є лінійною, тому синтез контуру можна проводити при Е=0.

Розглянемо процедуру синтезу контуру струму якоря.

Структурна схема контуру струму, приведеного до одиничного зворотного зв’язку, має вигляд (рис. 3.3).

Рисунок. 3.3 ― Структурна схема контуру струму якоря

Тоді передаточна функція регулятора струму при настроюванні контуру на модульний оптимум буде наступною.

де , .

Отримано ПІ-регулятор струму.

Рисунок 3.4 ― Структурна схема оптимізованого контуру струму якоря

Передаточна функція замкненого оптимізованого контуру струму (рис. 3.4) записується у вигляді

При спрощенні враховано, що , а також введено нову малу сталу часу .

Розглянемо процедуру синтезу контуру швидкості.

Вважаємо, що на час перехідного процесу в контурі швидкості М_с=const і, враховуючи лінійність моделі контуру швидкості, при синтезі приймаємо М_с=0.

Тоді структурна схема контуру швидкості, приведеного до одиничного зворотного зв’язку, матиме вигляд (рис. 3.5).

Рисунок 3.5― Структурна схема контуру швидкості

Налаштуємо контур швидкості на модульний оптимум. Тоді передаточна функція регулятора швидкості

.

У результаті отримано П-регулятор.

При настроюванні контуру швидкості на симетричний оптимум отримують ПІ-регулятор

,

де Т_рш=4Т_ν.

Одержимо статичні характеристики системи керування.

При П-регуляторі швидкості згідно з рис.3.5 струм якоря буде визначатися наступним співвідношенням

Статичне значення струму (при р=0)

З останнього рівняння отримуємо рівняння статичної характеристики системи

Підставивши значення k_рш, розраховане при настроюванні на модульний оптимум, отримуємо

Електромеханічна стала двигуна

Механічна характеристика двигуна описується рівнянням

,

де - жорсткість природної механічної характеристики двигуна.

Очевидно, що

.

Тому рівняння статичної характеристики системи в кінцевому вигляді

.

Сімейство статичних характеристик системи при настроюванні на модульний оптимум зображено на рис. 3.6

Рисунок 3.6 ― Статичні характеристики системи при настроюванні на модульний оптимум

Жорсткість характеристик у даному випадку не залежить від параметрів регуляторів і зворотних зв’язків, а визначається співвідношенням сталої часу перетворювача, електромеханічної сталої привода та жорсткості природної механічної характеристики двигуна.

Розглянемо характеристики системи з ПІ-регулятором швидкості. При використанні ПІ-регулятора статичний режим наступає тоді, коли на його вході сигнал дорівнює нулю

.

Тоді

.

Тобто, отримуємо характеристики, паралельні осі моментів (див. рис. 3.7). Величина статичної швидкості не залежить від навантаження, а однозначно визначається величиною завдання. Звісно, що регулятори системи не повинні попадати в зони обмежень, оскільки це викличе появу статичної похибки.

Рисунок 3.7 ― Статичні характеристики системи при настроюванні на симетричний оптимум

Перехідні процеси в системі з П-регулятором швидкості показані на рис. 3.8.

Рисунок 3.8― Перехідні процеси в системі з П-регулятором швидкості

На рисунку показано пуск без навантаження з подальшим накиданням моменту навантаження в момент часу стрибком. При цьому враховано обмеження вихідних сигналів регуляторів та інтегральної складової регулятора струму.

В момент часу стрибком подається напруга завдання . Сигнал на вході регулятора швидкості через її нульове початкове значення дорівнюватиме . Через великий коефіцієнт підсилення регулятора швидкості його вихідний сигнал попаде в зону обмеження. Це означає, що завдання контуру струму буде максимальним і тому через деякий час в контурі струму встановиться статичне значення струму рівне . Оскільки наростання струму на ділянці було нелінійним, то наростання швидкості буде нелінійним також. На ділянці , незважаючи на зростання швидкості, вихідний сигнал регулятора швидкості все ще перебуває в зоні обмеження через велике значення , тому

та .

Тобто, швидкість наростає лінійно у функції часу

.

В момент часу вихідний сигнал регулятора швидкості виходить із зони обмеження і поступово зменшується. Це призводить до зменшення інтенсивності наростання швидкості. Згідно другого закону Ньютона . Очевидно, що швидкість матиме максимальне значення, коли , тобто . Далі струм приймає від’ємне значення і зменшується до нуля за модулем, поки швидкість не прийме статичне значення.

В момент часу відбувається накидання стрибком моменту навантаження . В результаті збільшується струм якоря, а швидкість зменшується.

Мінімальне значення швидкості під час її просідання буде, коли

,

тобто .

Після перерегулювання струм встановлюється на величині , а швидкість дещо збільшується, але не досягає попереднього значення.

У випадку ПІ-регулятора швидкості в порівнянні з П-регулятором дещо повільніше відбувається вихід вихідного сигналу регулятора швидкості із зони обмеження. Тому картина перехідних процесів під час пуску буде приблизно такою ж (рис. 3.9), лише можливе більше перерегулювання за струмом та швидкістю. Після накидання навантаження швидкість повертається до попереднього значення.

Рисунок 3.9― Перехідні процеси в системі з ПІ-регулятором швидкості

Структурна схема двоконтурної СПР при дискретному виконанні регуляторів, яка реалізована в DCS800, має наступний вигляд (рис. 3.10). Показано випадок з ПІ-регуляторами швидкості та струму якоря. Період квантування системи Т₀ обирається принаймні в 10 разів меншим за малу сталу часу Т_μ. Ефект квантування по рівню, який є у реальній системі керування, в структурній схемі на рис. 3.10 не враховується. Формуючий елемент ФЕ, який реалізується екстраполятором нульового порядку, перетворює дискретний сигнал в неперервний (відповідні величини, які існують лише в дискретні моменти часу, утримуються протягом відповідного періоду квантування). Сигнал зворотного зв’язку за швидкістю формується або за вимірюванням швидкості, або за вимірюванням ЕРС.

На відміну від схеми на рис. 3.2 у даній схемі коефіцієнти зворотного зв’язку за струмом якоря та швидкістю є одиничними. Тому величини відповідних завдань контурів вимірюються в абсолютних величинах відповідних координат: - завдання швидкості, - завдання моменту, - завдання струму якоря. Завдання струму визначається як . Вихідні сигнали регулятора швидкості та його інтегральної складової обмежуються на рівні максимально-допустимого моменту, а завдання струму – максимально-допустимого струму. Вихідні сигнали регулятора струму та його інтегральної складової обмежуються на рівні максимально-допустимого значення сигналу завдання перетворювача напруги.

Рисунок 3.10 ― Структурна схема дискретної двоконтурної СПР швидкістю ДПС з НЗ

У зв’язку з вище зазначеним параметри регуляторів системи модифікуються наступним чином. При цьому приймається, що період квантування Т₀ достатньо малий, щоб при синтезі регуляторів систему розглядати, як неперервну.

Коефіцієнт підсилення та стала часу регулятора струму якоря (при настроюванні контуру на модульний оптимум)

, .

Коефіцієнт підсилення та стала часу регулятора швидкості (при настроюванні контуру на симетричний оптимум, при настроюванні на модульний оптимум залишається лише пропорційна складова)

, .

При синтезі системи керування приймалось, що перехідні процеси в контурі струму значно швидші, ніж в контурі швидкості. Внаслідок цього нехтувався зв’язок контурів через ЕРС. У певних випадках, при малих електромеханічних сталих привода, таке допущення не виконується, тому перехідні процеси в контурах відхиляються від стандартного вигляду. Якщо таке відхилення є неприпустимим, то використовують компенсацію сигналу ЕРС. На рис. 3.10 додатково до виходу регулятора струму підключається сигнал, який компенсує вплив ЕРС на контур струму. Передаточна функція обирається зворотною до передаточної функції перетворювача. При цьому з метою спрощення реалізації та надійності роботи часто залишають лише пропорційну частину, тобто .

Рівняння статичних характеристик при П-регуляторі швидкості набуде вигляду

,

а при ПІ-регуляторі швидкості

.