^{Теряєв В.І. Текст лекцій «Елементи та апарати електромеханічних систем та електроприводів - 1»}

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Кафедра автоматизації електромеханічних систем та електроприводу

ТЕКСТ ЛЕКЦІЙ

по дисципліні

«ЕЛЕМЕНТИ ТА АПАРАТИ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ

СИСТЕМ ТА ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ - 1»

для студентів напряму підготовки 6.050702 «Електромеханіка» спеціальності «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод»

Укладач:

доц. кафедри АЕМС-ЕП НТУУ «КПІ»

ТЕРЯЄВ В.І.

Київ - 2011 р.

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Кафедра автоматизації електромеханічних систем та електроприводу

ТЕКСТ ЛЕКЦІЙ

по дисципліні

«ЕЛЕМЕНТИ ТА АПАРАТИ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ

СИСТЕМ ТА ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ - 1»

для студентів напряму підготовки 6.050702 «Електромеханіка» спеціальності «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод»

Затверджено

на засіданні кафедри

автоматизації електромеханічних

систем та електроприводу

Протокол № 11 від 15.04.2011 р.

Київ - 2011 р.

ЗМІСТ

с

Вступ ……………………………………………………………………..…. Розділ 1. Перетворювальні пристрої електроприводів ……………..…... Тема 1.1. Електромашинні перетворювачі напруги ………………...…… Тема 1.2. Напівпровідникові перетворювачі напруги ………….…..……. Тема 1.3. Напівпровідникові перетворювачі частоти ……………………. Тема 1.4. Джерела стабілізованого струму ……………………………….. Розділ 2. Керуючі пристрої на аналогових інтегральних мікросхемах .... Тема 2.1. Керуючі пристрої на основі лінійних схем операційних підсилювачів ………………………………………………………………... Тема 2.2. Керуючі пристрої на основі нелінійних схем операційних підсилювачів ………………………………………………………………... Розділ 3. Елементи логічних та цифрових керуючих пристроїв ……...... Тема 3.1. Елементи логічних керуючих пристроїв ………………………. Тема 3.2. Елементи цифрових систем керування електроприводами ….. Розділ 4. Датчики автоматизованих електромеханічних систем ……….. Висновок ….................……………………………………………………… Література ………………………………………………………………...…

4 11 12 23 112 179 187 192 207 214 216 237 278 322 324

ЕЛЕМЕНТИ ТА АПАРАТИ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ

СИСТЕМ ТА ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ - 1

ВСТУП

Лекція 1. Вступ. Задачі по комплексному розвитку автоматизованих електроприводів і засобів автоматизації технологічних процесів. Роль елементів автоматизованого електропривода в автоматизації промислових установок та виробничих процесів. Ціль, завдання, структура та короткий зміст курсу. Призначення і класифікація елементів автоматизованого електропривода. Перелік основної та додаткової літератури.

Завдання на СРС. Історія розвитку електропривода. Електропривод як складова електромеханічної системи автоматичного керування. Роль елементної бази. Особливості термінології та методичні питання вивчення елементів та апаратів автоматизованих електромеханічних систем.

Література: 1, с.3-4; 2, с.3-16; 1а, с.219-223.

Питання для самоконтролю:

1. Роль елементної бази в автоматизованому електроприводі. Призначення, класифікація, області застосування, властивості, вимоги до елементів та апаратів електромеханічних систем.

2. Методологія дослідження елементів електромеханічних систем.

Підвищення технологічних вимог до електропривода, розширення його функцій призводить до зростання складності систем керування і збільшення кількості елементів електроавтоматики.

Сучасний етап автоматизації характеризується переважним застосуванням регульованого електропривода з використанням силових напівпровідникових перетворювачів, високоточних датчиків, а також аналогових, логічних і цифрових інтегральних мікросхем у керуючих пристроях. Подальший розвиток електронних засобів автоматизації пов’язаний з широким використанням мікропроцесорів, а також з переходом від дискретних схем автоматики, що мають незмінну структуру, до вільно програмованих систем керування, головним чином до програмованих контролерів. Усе це свідчить про велике значення елементної бази для автоматизованого електропривода і необхідність особливої уваги до її вивчення з метою правильного вибору та використання.

Метою дисципліни “Елементи електромеханічних систем та електроприводів” є вивчення основ теорії і принципів роботи засобів автоматизації, ознайомлення з побудовою, характеристиками, принципами технічної реалізації та елементною базою керуючих, перетворювальних, інформаційно-вимірювальних пристроїв електропривода.

В процесі вивчення дисципліни студенти набувають: знання принципів роботи, характеристик, статичних та динамічних властивостей, особливостей використання елементів автоматизованого електропривода; вміння здійснювати вибір, налагодження та дослідження засобів автоматизації, навички практичної роботи з елементами автоматизованих електромеханічних систем.

Перелік основної та допоміжної навчальної літератури з дисципліни наведений в кінці курсу лекцій.

В.1 Загальні вимоги та методологія математичного опису елементів

До елементів ЕМСАК та електроприводів відносяться перетворювальні, електродвигунні, передаточні та керуючі пристрої. Незважаючи на різноманітність вказаних пристроїв, яка обумовлена відмінностями призначення, фізичних процесів і конструкцій, можна сформулювати найголовніші узагальнені техніко-економічні вимоги до елементів ЕМСАК:

• мінімальні габарити, маса, вартість, споживання електроенергії, витрати дефіцитних матеріалів;

• висока швидкодія;

• лінійність та симетричність характеристик;

• надійність, довговічність, стабільність параметрів в часі та в процесі експлуатації;

• захищеність від впливу навколишнього середовища та збурюючих дій з боку мережі живлення типу зміни напруги та частоти ;

• стабільність роботи, технологічність виготовлення, уніфікація;

• простота монтажу, налагодження, експлуатації, контролю, придатності та ремонту.

Більшість реально існуючих елементів описуються нелінійними диференціальними рівняннями, коефіцієнти яких є функціями змінних (координат) системи, або функціями часу. З урахуванням цього методологія складання рівнянь для окремих елементів полягає у наступному:

1. Обумовлюються необхідні припущення з метою ідеалізації даного елемента і на цій основі складаються вихідні диференційні та алгебраїчні рівняння в кількості, достатній для визначення змінних, які входять в ці рівняння;

2. Нелінійні функції, які входять в рівняння, задаються аналітично або графічно. Потім вони піддаються лінеаризації, наприклад, за допомогою розкладання в ряд Тейлора, в якому відкидаються всі члени, які містять похідні вище першого порядку. Можливо також застосування гармонічної лінеаризації, графічної лінеаризації, а також інших методів;

3. Визначаються початкові та усталені значення змінних;

4. Змінні величини часто замінюються їх відхиленнями від початкових значень, що дає можливість виключити з розгляду початкові умови.

Після цього отримуються диференційні рівняння зі сталими коефіцієнтами, які у загальному вигляді визначаються формулою:

, (В.1)

де Х_вих, Х_вх – вихідна та вхідна змінні, а_n,...а₀ – сталі коефіцієнти; K – коефіцієнт передачі ланки.

Для отримання передаточної функції елемента в якості ланки САК, переходять до зображення рівняння (В.1) згідно перетворення Лапласа при нульових початкових умовах:

, (В.2)

де Х_вих(р), Х_вх (р) – зображення вихідної та вхідної змінних.

Передаточна функція елементу записується у вигляді:

(В.3)

Серед великої кількості складових елементів сучасних ЕМСАК, як було сказано раніше, розрізняються шість основних типових динамічних ланок: безінерційна, аперіодична, інтегруюча, диференціююча, коливальна, запізнювальна.

Розглянемо деякі способи визначення параметрів передаточних функцій елементів ЕМСАК. До таких параметрів відносяться коефіцієнти підсилення, електромагнітні та електромеханічні сталі часу.

Визначення коефіцієнта підсилення (коефіцієнта передачі) ланки базується на тому, що цей коефіцієнт є співвідношенням між приростом вихідної змінної _вих та відповідним приростом вхідної змінної _вх в усталеному режимі. При наявності статичної характеристики “вхід-вихід” (див. рис. В.1) ці прирости визначаються поблизу припускаємої робочої точки (РТ).

Рис. В.1

Розповсюдженими способом визначення сталої часу аперіодичної ланки є обробка осцилограми перехідного процесу змінної при подачі на вхід ланки ступінчастого сигналу Х_вх (див. рис. В.2,а). Існує декілька прийомів знаходження величини сталої часу Т:

• за допомогою дотичної, яку проведено до кривої з початку координат. Ця дотична відсікає значення сталої часу Т на горизонталі Х_{вих.уст};

• за координатою 0.63 Х_{вих.уст} ;

• за відношенням площини S до відповідної координати Х₁.

Рис. В.2

Зокрема, визначаючи повну площину S, обмежену кривою , асимптотою Х_{вих.уст} і початковою ординатою Х_{вих.поч} (у випадку, коли змінна Х_вих починається не з нульового значення), отримуємо:

.

Стала часу ідеальної інтегруючої ланки відповідає часу, за який вихідна змінна змінюється на величину вхідної ступінчастої дії . Сталу часу та коефіцієнт підсилення реальної інтегро-інерційної ланки, яку можна представити двома послідовно з’єднаними ланками – інтегральної і аперіодичної (інерційної) з передаточною функцією виду , також можна визначити за допомогою перехідної характеристики (див. рис. В.2,б). В цьому випадку стала часу Т відповідає точці перетину асимптоти з віссю часу. Коефіцієнт підсилення інтегро-інерційної ланки знаходиться за формулою К = tg , де ‑ кут між асимптотою та віссю часу.

Стала часу реальної диференціюючої ланки з передаточною функцією виду , яку можна представити у вигляді послідовного з’єднання диференціюючої та інерційної ланок, визначається за допомогою осцилограми по інтервалу часу від моменту подачі вхідної ступінчастої дії до моменту досягнення 37% її початкового (при t=0) значення (див. рис. В.2,в). Коефіцієнт підсилення ланки К визначається відношенням і при =1 відповідає початковому значенню вихідної координати.

Визначення параметрів передаточних функцій деяких комбінованих ланок за допомогою перехідних характеристик розглянуто в темі 2.1. Методика розрахунку електромагнітних та електромеханічних сталих часу елементів електропривода наведена в [1а, 1б].

В тих випадках, коли система керування містить негладкі (розривні) нелінійності типу обмеження, зони нечутливості, гістерезису та ін., можливе виділення режимів, в яких ці нелінійності не впливають на її роботу. Так, наприклад, обмеження вихідної напруги регулятора не проявляється при малих значеннях вхідного сигналу, наявність сухого тертя можна не враховувати, якщо в процесі регулювання швидкість двигуна не зменшується до значень, близьких до нуля. В таких випадках система може розглядатись, як лінеаризована.

При дослідженні режимів, для яких неможливо виключити вплив нелінійностей, доцільно використовувати метод гармонійної лінеаризації та моделювання на ЕОМ.

Математичний опис процесів в цифрових системах керування електроприводів здійснюється на основі різнісних рівнянь та Z- перетворень [1а].