Базовые элементы автоматики

6.3. Режимы работы и основные уравнения ДПТ

Любая машина постоянного тока обладает свойством обратимости, т.е. она может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме при изменении знака момента нагрузки на ее валу или при изменении напряжения на якоре.

Генераторный режим работы машины – такой режим, при котором ток якоря Iя и ЭДС Ея совпадают по направлению, а электромагнитный момент, развиваемый машиной, противоположен по направлению вращению ротора. Такой режим имеет место, если внешний момент М разгоняет ротор ДПТ до скорости w, а цепь якоря замкнута на сопротивление нагрузки Rн (рис. 64а).

Рис. 64. Схема якорной цепи ДПТ: а) генераторный режим, б) двигательный режим

Определяя по правилу левой руки направление силы, действующей на проводник, найдём, что электромагнитный момент машины в этом случае направлен встречно вращению и, следовательно, встречно внешнему моменту нагрузки М_н .

При работе машины в генераторном режиме ЭДС якоря уравновешивается падением напряжения на нагрузке и падением напряжения от тока якоря на сопротивлении якоря, т. е.

.

Уравнение баланса мощностей при работе машины в генераторном режиме имеет вид

,

где Рмех – механическая мощность, потребляемая машиной от источника механической мощности, Рм – потери мощности в обмотке якоря, Рх – потери холостого хода, состоящие из потерь на трение в подшипниках и потерь на перемагничивание материала ротора, Рн – электрическая мощность в нагрузке, Рв – потери в меди обмотки возбуждения.

Двигательный режим работы машины — это такой режим, при котором электромагнитный момент машины М совпадает по направлению со скоростью, а ЭДС якоря Ея направлена встречно току якоря.

Пусть к щёткам двигателя, ротор которого нагружен моментом М_нподведено от внешнего источника напряжение U (рис.64б). Взаимодействие тока якоря Iя с потоком возбуждения приведёт при неподвижном роторе к появлению электромагнитного момента, называемого пусковым с направлением, определяемым по правилу левой руки.

, где .

Если Мп > М, то якорь двигателя придёт во вращение в направлении действия момента Мп. При этом в обмотке якоря появится ЭДС Ея, направленная встречно току в якоре (противоЭДС). При постоянной скорости вращения напряжение на якоре U будет уравновешено ЭДС Ея и падением напряжения от тока якоря на сопротивление якоря Rя,

При этом Мп = М, и якорь будет вращаться с постоянной скоростью. Уравнение баланса мощности для двигательного режима работы имеет вид:

где Pэл— электрическая мощность потребляемая от сети, Pмех— полезная механическая мощность на валу двигателя.

Что для обычного человека значит термин «автоматика» ?

Современный уровень прогресса неразрывно связан с автоматикой – точной научной дисциплиной, предметом изучения которой являются методы и средства, направленные на частичное или полное исключение человеческого фактора из управления техническими объектами и процессами. В более узком понимании автоматика определяется как совокупность устройств и механизмов, функционирующих без непосредственного участия человека.

Автоматика как наука базируется на теории автоматического управления, в рамках которой исследуются свойства систем автоматизированного управления и разрабатываются теоретические основы их построения и расчета.

Компания Р2С специализируется на разработке решений в области автоматизации силовых установок, вентиляционного оборудования, систем отопления и т.п. Наши инженеры готовы ответить на любые ваши вопросы – обращайтесь с радостью поможем!

Основные понятия автоматики:

• Технический объект – любая машина, прибор, система;
• Управление – воздействие на управляемый объект (объект управления) с целью изменения его свойств;
• Объект управления – технический объект, подлежащий автоматическому управлению;
• Автоматическое управляющее устройство – техническое устройство, осуществляющее воздействие на объект управления в соответствии с выбранным алгоритмом управления;
• Автоматический процесс – процесс, осуществляемый без участия человека;
• Система автоматического управления – совокупное взаимодействие управляющего устройства и объекта управления.

Принцип функционирования системы автоматического управления

Любое автоматическое управляющее устройство включает в себя комплекс отдельных взаимосвязанных элементов, решающих задачу преобразования и последующей передачи энергии, получаемой из окружающей среды или от предыдущего элемента.

Элементы автоматики – это законченные конструктивные устройства, самостоятельно выполняющие функции преобразования сигнала в системах автоматического управления. В качестве сигналов обычно выступают механические или электрические величины: давление жидкости или сжатого газа, напряжение, постоянный ток и другие.

Сигналы могут возникать как следствие протекающих в ходе управления процессов и выражаться в изменении напряжения, силы тока, температуры, давления и других показателей либо вырабатываться чувствительными элементами (датчиками).

Результатом будет являться заранее запрограммированное в системе действие элементов автоматизации.

Сигнал подлежит обработке посредством преобразования по следующим параметрам:

• Значению энергии (усиление);
• Виду энергии (неэлектрический сигнал преобразуется в электрический);
• По виду (дискретный сигнал преобразуется в непрерывный);
• По форме (сигнал переменного тока преобразуется в сигнал постоянного тока).

Обработанный сигнал подается на автоматическое управляющее устройство, которое в соответствии с заданным алгоритмом работы осуществляет воздействие на объект управления.

Сертификация изделий автоматики

Все автоматические устройства подлежат обязательной или добровольной сертификации – процедуре проверки на соответствие заявленным характеристикам, результаты которой отображаются в существующих нормативных документах.

Обязательными являются следующие виды документов:

• Сертификат соответствия ГОСТ Р;
• Декларация о соответствии;
• Сертификат пожарной безопасности;
• Сертификат соответствия техническому регламенту;
• Декларация на технический регламент.

В настоящий момент ситуация с прохождением сертификации в Российской Федерации несколько усложнена вследствие проведения реформы технического регулирования и скорым вступлением в силу наднациональных технических регламентов, связанных с развитием Таможенного союза.

Ведущие производители средств автоматизации

Среди лидеров рынка средств автоматизации можно выделить следующие компании:

Российские производители: компания ОВЕН, ЗАО «ЭКСПОТРОНИКА», НПП «ЭЛЕМЕР», ЗАО «Модульные системы торнадо», НПФ «АГРОСТРОЙ», ОАО «Электромеханика».

Зарубежные производители: Rockwell Automation, Emerson Process Honeywell, Siemens Industry, ABB, Invensys, Yokogawa.

1.2. Структура систем управления: простые и многомерные системы

В теории управления техническими системами часто бывает удобно систему разделить на набор звеньев, соединенных в сетевые структуры. В простейшем случае система содержит одно звено, на вход которого подается входной воздействие (вход), на входе получается отклик системы (выход).

В теории Управления Техническими Системам используют 2 основных способа представления звеньев систем управления:

— в переменных “вход-выход”;

— в переменных состояния (более подробно см. разделы 6…7).

Представление в переменных “вход-выход” обычно используется для описания относительно простых систем, имеющих один “вход” (одно управляющее воздействие) и один “выход” (одна регулируемая величина, см. рисунок 1.2.1).

Рис. 1.2.1 – Схематическое представление простой системы управления

Обычно такое описание используется для технически несложных САУ (систем автоматического управления).

В последнее время широкое распространение имеет представление в переменных состояния, особенно для технически сложных систем, в том числе и для многомерных САУ. На рис. 1.2.2 приведено схематичное представление многомерной системы автоматического управления, где u₁(t)…u_m(t) — управляющие воздействия (вектор управления), y₁(t)…y_p(t) — регулируемые параметры САУ (вектор выхода).

Рис. 1.2.2 — Схематическое представление многомерной системы управленияя

Рассмотрим более детально структуру САУ, представленную в переменных “вход-выход” и имеющую один вход (входное или задающее, или управляющее воздействие) и один выход (выходное воздействие или управляемая (или регулируемая) переменная).

Предположим, что структурная схема такой САУ состоит из некоторого числа элементов (звеньев). Группируя звенья по функциональному принципу (что звенья делают), структурную схему САУ можно привести к следующему типовому виду:

Рис. 1.2.3 — Структурная схема системы автоматического управления

Символом ε(t) или переменной ε(t) обозначается рассогласование (ошибка) на выходе сравнивающего устройства, которое может “работать” в режиме как простых сравнительных арифметических операций (чаще всего вычитание, реже сложение), так и более сложных сравнительных операций (процедур).

Так как y₁(t) = y(t)*k₁, где k₁ — коэффициент усиления, то ==> ε(t) = x(t) — y₁(t) = x(t) — k₁*y(t)

Задача системы управления состоит в том (если она устойчива), чтобы “работать” на уничтожение рассогласования (ошибки) ε(t), т.е. ==> ε(t) → 0.

Следует отметить, что на систему управления действуют как внешние воздействия (управляющее, возмущающее, помехи), так и внутренние помехи. Помеха отличается от воздействия стохастичностью (случайностью) своего существования, тогда как воздействие почти всегда детерминировано.

Для обозначения управляющего (задающего воздействие) будем использовать либо x(t), либо u(t).

1.3. Основные законы управления

Если вернуться к последнему рисунку (структурная схема САУ на рис. 1.2.3), то необходимо “расшифровать” роль, которую играет усилительно-преобразующее устройство (какие функции оно выполняет).

Если усилительно-преобразующее устройство (УПУ) выполняет только усиление (или ослабление) сигнала рассогласования ε(t), а именно: , где – коэффициент пропорциональности (в частном случае = Const), то такой режим управления замкнутой САУ называется режимом пропорционального управления (П-управление).

Если УПУ выполняет формирование выходного сигнала ε1(t), пропорционального ошибке ε(t) и интегралу от ε(t), т.е. , то такой режим управления называется пропорционально-интегрирующим (ПИ-управление). ==> , где b – коэффициент пропорциональности (в частном случае b = Const).

Обычно ПИ-управление используется для повышения точности управления (регулирования).

Если УПУ формирует выходной сигнал ε₁(t), пропорциональный ошибке ε(t) и ее производной, то такой режим называется пропорционально-дифференцирующим (ПД-управление): ==>

Обычно использование ПД-управления повышает быстродействие САУ

Если УПУ формирует выходной сигнал ε₁(t), пропорциональный ошибке ε(t), ее производной, и интегралу от ошибки ==> , то такой режим называетсято такой режим управления называется пропорционально-интегрально-дифференцирующим режимом управления (ПИД-управление).

ПИД-управление позволяет зачастую обеспечить “хорошую” точность управления при “хорошем” быстродействии

6.6. Механические характеристики ДПТ с последовательным и смешанным возбуждением

В ДПТ с последовательным возбуждением поток возбуждения создаётся током якоря машины, для чего обмотка возбуждения и якорь двигателя включаются последовательно относительно источника питания, как показано на схеме рис. 72.

Рис. 72. ДПТ с последовательным возбуждением

Обычно при токах якоря Iя < 0,9 Iном магнитная цепь машины не насыщена и поток возбуждения пропорционален току возбуждения. При больших токах якоря Iя > Iном магнитная цепь машины насыщена, и поток возбуждения можно считать постоянным.

Подставив в уравнение

значение R=R_я+R_в значение M=С*Ф*I и значение Ф=К1*I, получим

,

причем M=С₃*I2. Здесь С₁, С₂, С₃ – постоянные коэффициенты.

Поскольку в установившемся режиме М = М_н, тогда

и уравнение механической характеристики ДПТ с последовательным возбуждением в диапазоне нагрузок М < М_н принимает вид (рис. 73.)

.

Рис. 73. Механические характеристики ДПТ с последовательным возбуждением

Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент, пропорциональный квадрату тока якоря, обеспечивает этим двигателям хорошие пусковые свойства, т. е. большой пусковой момент при сравнительно малом токе якоря. Поэтому такие двигатели применяют в грузоподъёмных и тяговых приводах. Недопустимо, чтобы ДПТ с последовательным возбуждением работал в режиме холостого хода или с нагрузкой, менее 25% от номинальной – это приводит к разносу двигателя. Регулирование скорости вращения в этом случае, производится теми же способами, что и для двигателей с независимым возбуждением.

В ДПТ со смешанным возбуждением магнитный поток Ф создаётся в результате совместного действия двух обмоток возбуждения – параллельной и последовательной (рис.74), поэтому механическая характеристика (кривая 3 на рис. 75) располагается между характеристиками двигателя с независимым возбуждением (кривая 1) и двигателя с последовательным возбуждением (кривая 2).

Рис. 74. ДПТ со смешанным возбуждением

В зависимости от соотношения намагничивающих сил параллельной и последовательной обмоток возбуждения можно приблизить кривую 3 либо к кривой 2, либо к кривой 1. Достоинство двигателя со смешанным возбуждением является то, что он обладает мягкой механической характеристикой , но может работать и в режиме холостого хода. Рис. 75.

Рис. 75. Механические характеристики ДПТ

6.4. Характеристики ДПТ с независимым возбуждением

В зависимости от способа возбуждения различают ДПТ с независимым (или параллельным) возбуждением, с последовательным возбуждением и со смешанным возбуждением. Разновидностью независимого возбуждения является возбуждение от постоянных магнитов. Характерной особенностью таких двигателей является независимость тока возбуждения (и потока возбуждения) от тока якоря машины.

Рис. 65. ДПТ с независимым возбуждением, а) параллельным, б) от постоянных магнитов

Подставим в основное уравнение ДПТ в двигательном режиме работы выражения для тока якоря и ЭДС.

, и .

В результате получим:

.

Разрешив последнее уравнение относительно w, получим уравнение механической характеристики ДПТ с независимым возбуждением. С_е = С_м.

.

Так как в этом случае Ф=const, то обозначим к = СФ и получим:

.

Здесь w_xx скорость идеального холостого хода машины; а Dw — изменение скорости, обусловленное моментом нагрузки двигателя. Сама механическая характеристика ДПТ с независимым возбуждением приведена на рис.66 и представляет собой прямую линию, наклон которой к оси абсцисс зависит от величины потока возбуждения и сопротивления якоря Rя. Чем меньше величина потока возбуждения и чем больше сопротивление Rя, тем круче механическая характеристика.

Порядок построения механическая характеристика ДПТ с независимым возбуждением по паспортным данным двигателя.

Вычисляем значение k из соотношений , и получим:

Рис. 66. Механическая характеристика ДПТ с независимым возбуждением

Вычислим w_xx скорость холостого хода (точка 1). .

Определим положение рабочей точки 2: для этого возьмем паспортное значение w_ном и вычислим значение момента: .

Проведем прямую линию через две точки; она пересечет ось моментов в точке пускового момента. М=М_п.

Как следует из уравнения механической характеристики, скорость двигателя при постоянном моменте нагрузки можно регулировать тремя способами:

1. Изменением напряжения на якоре двигателя,
2. Изменением сопротивления в цепи якоря двигателя,
3. Изменением потока возбуждения машины.

При регулировании скорости первым способом, напряжение на якоре изменяется либо с помощью реостата, либо с помощью усилительно – преобразовательного устройства, при этом поток возбуждения остаётся постоянным. Семейство механических и регулировочных характеристик, соответствующих данному способу регулирования, приведено на рис.67.

Рис. 67. Семейство механических (а) и регулировочных (б) характеристик ДПТ с независимым возбуждением

С изменением напряжения U пропорционально изменяется и скорость холостого хода при этом угол наклона (или жестокость) механических характеристик остаётся неизменной. Регулировочные характеристики линейны при напряжении на якоре U > Uтр; у них есть имеет зона нечувствительности при напряжении на якоре U < U тр, где U тр – напряжение трогания двигателя. Двигатель не будет вращаться до тех пор, пока М<М_н, а для создания такого момента необходимо иметь при скорости вращения w=0 ток якоря I_тр и соответствующее напряжение U_тр..

Несмотря на то, что рассмотренный способ регулирования требует довольно сложного оборудования, его широко применяют в современных электроприводах, т.к. он обеспечивает плавное и экономичное регулирование скорости в широких пределах при сохранении высокой жесткости механических характеристик. Лучшие современные системы при данном способе обеспечивают диапазон до 1:100000.