Двигатели с короткозамкнутым ротором - самые распространенные электрические машины - до недавнего времени использовались лишь в нерегулируемом электроприводе поскольку практически единственная возможность эффективно регулировать скорость - изменять частоту напряжения, приложенного к статорным обмоткам, была технически трудно реализуема. Сейчас, благодаря успехам электроники, ситуация кардинально изменилась, и частотно-регулируемый электропривод стал основным типом регулируемого электропривода. Привода такого типа обладают возможностью двухзонного плавного регулирования, стабильной скоростью.

        Способ экономичен в эксплуатации - нет дополнительных элементов, рассеивающих энергию, малы потери в переходных процессах. Несомненное достоинство - гибкость управления координатами в замкнутых структурах.

        Современные методы так называемого векторного управления обеспечивают частотно-регулируемому электроприводу практически те же свойства по управляемости, которые имеет самый совершенный электропривод постоянного тока. Способ требует использования преобразователя частоты (ПЧ) - устройства, управляющего частотой и амплитудой выходного напряжения. Такие устройства, совершенные и доступные, появились в последнее десятилетие. И завоевали лидирующее место на рынке благодаря своей простоте, экономичности и надежности.

        Множество таких приводов способно выполнять задачи управления любого уровня сложности благодаря встроенным или встраиваемым программируемым логическим контроллерам.

        Программируемые логические контроллеры представляют собой микропроцессорные устройства, предназначенные для выполнения алгоритмов управления. Принцип работы ПЛК заключается в сборе и обработке данных по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства.

        ПЛК (PLC) были разработаны для замены релейно-контактных схем управления, собранных на дискретных компонентах: реле, таймерах, счетчиках, элементах жесткой логики. Принципиальное отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что в нем все алгоритмы управления реализованы программно. При этом надежность работы схемы не зависит от ее сложности. Использование программируемых логических контроллеров позволяет заменить одним устройством любое необходимое количество отдельных элементов релейной автоматики, что увеличивает надежность системы, минимизирует затраты на ее тиражирование, ввод в эксплуатацию и обслуживание. ПЛК может обрабатывать дискретные и аналоговые сигналы, управлять клапанами, сервоприводами, преобразователями частоты и другими устройствами.

        Во всех отраслях промышленности применение управляемого электропривода переменного тока играет все большую роль. Раньше существовала возможность использования неуправляемых систем электроприводов, так как стоимость управляемых систем, в которых использовался двигатель постоянного тока, была достаточно велика. В последнее же время из-за повышения требований к выпускаемой продукции и тенденций к увеличению эффективности производства во все отрасли внедряются управляемые системы электроприводов. Благодаря высокому уровню развития техники существует возможность создавать управляемые системы на базе двигателей переменного тока. Такие системы обладают высококачественными характеристиками, простотой управления и низкой стоимостью.

        По данной теме, в связи с интенсивным внедрением подобных систем в промышленности, имеется огромное количество исследований. На базе оборудования различных производителей создаются самые разнообразные системы управления, количество которых постоянно растет.

        В данной работе решаются следующие задачи:

        1) Синтез системы автоматического регулирования положения двигателя переменного тока. В котором будет также рассмотрен Анализ динамических процессов в основных режимах работы.

        2) исследование переходных процессов в двигателе с условием ограничения рывка.

        3)Синтез системы управления применительно к оборудованию фирмы Control Technique.

        Угловое или линейное перемещение – путь, пройденный рабочим органом машины в процессе работы, – всегда является основной координатой электромеханической системы, изменение которой во времени по требуемым законам составляет конечную цель управления ее движением. Однако в большинстве практических случаев необходимости непосредственного контроля этой координаты при работе электропривода не возникает, так как точного дозирования перемещения рабочего органа не требуется. Аналогичные условия характерны и для электроприводов машин с циклическим рабочим процессом, но среди последних широко распространены и такие машины, рабочий орган которых для нормального течения технологического процесса должен либо на отдельных этапах работы, либо в каждый момент времени занимать в пространстве строго фиксированные положения. Такие машины и механизмы называются позиционными; характерной особенностью их электроприводов является необходимость регулирования положения.

        В отличие от других координат регулирование положения требует обязательного дискретного или непрерывного контроля фактического значения регулируемой координаты и чисто параметрическим путем осуществляться не может. При ручном управлении контроль текущего положения осуществляется визуально оператором, который, воздействуя на задание скорости электроприводов машины, обеспечивает перемещение ее рабочего органа по требуемой траектории или установку его в фиксированные позиции в соответствии с технологическим процессом. При этом к электроприводу требование регулирования положения не предъявляется, но электропривод должен обеспечивать регулирование скорости и обладать благоприятными динамическими качествами, облегчающими условия регулирования положения оператором. Как правило, при этом требуется автоматическое ограничение координаты в крайних точках рабочего участка траектории. В простейших случаях оно осуществляется отключением электропривода и наложением механического тормоза по сигналу путевого командоаппарата.

        Автоматическое регулирование положения в зависимости от конкретных требований может осуществляться в трех вариантах:

        1) точное позиционирование электропривода в заданных точках пути по дискретным сигналам путевых датчиков;

        2) непрерывное автоматическое регулирование положения по отклонению для осуществления дозированных перемещений или по заданной программе;

        3) непрерывное автоматическое регулирование положения по отклонению при произвольно изменяющемся сигнале задания (следящий электропривод).

         Для обеспечения высокой точности и скорости позиционирования используют замкнутые системы автоматического регулирования положения по отклонению.

        Системы автоматического регулирования положения (позиционные САР) строятся путем дополнения САР скорости системой автоматического регулирования положения. С этой целью используют замкнутую систему регулирования по отклонению, для построения которой необходимы датчик положения (или угла поворота вала) ДП, регулятор положения РП и командное устройство КУ, которое вырабатывает сигнал задания положения φ^*. Регулятор положения формирует задание ω^* для подчиненной ему САР скорости. Таким образом, для регулирования положения используется трехконтурная структура, содержащая внутренний контур регулирования тока якоря, промежуточный контур регулирования скорости и внешний контур регулирования положения. В зависимости от вида САР положения с её структуру также может входить ЗИ, устанавливаемый на выходе РП, и задатчик положения, устанавливаемый после КУ.

        Различают следующие виды САР положения:

        •система без ЗП, без ЗИ, с линейным или параболическим РП;

        •система без ЗП, с ЗИ, с линейным или параболическим РП;

        •система с ЗП, без ЗИ, только с линейным.

Рис. 5.1 – Структурная схема САР положения.

        При рассмотрении позиционной системы различают:

        а) малые перемещения, при которых ни один из регуляторов не ограничивается и система работает как линейная;

        б) средние перемещения, при которых отработка происходит при ограничении регулятора скорости, т.е. при ограничении якорного тока, но участок работы с постоянной скоростью отсутствует;

        в) большие перемещения, при отработке которых в течение определенного времени двигатель работает на установившейся скорости в результате ограничения РП, а РС ограничивается при разгоне и торможении.

        В большинстве промышленных электроприводов, оснащенных позиционными системами, наилучшим считается такой процесс отработки среднего (большого) перемещения, при которых скорость изменяется по треугольному (трапецеидальному) графику. Это позволяет в полной мере использовать перегрузочную способность двигателя и исключает возникновение перерегулирования по положению. Для рассматриваемой системы к электроприводу предъявляются следующие требования: ограничение величины ускорения и рывка при формировании задания на скорость (может привести к падению перемещаемых тел – рельсов) и недопустимость перерегулирования по положению.

        Для системы без ЗП, без ЗИ, с линейным РП чтобы обеспечить перемещение без перерегулирования по положению, необходимо точно знать величину коэффициента усиления РП. Выражение для него:

        Коэффициент усиления линейного регулятора положения в этой системе зависит не только от величины заданного перемещения, но и от уровня токоограничения и величины статической нагрузки. В связи с этим системы регулирования положением без ЗИ и без ЗП применяют только для перемещения механизмов, работающих с одним и тем же постоянным по величине статическим моментом. Таким образом такая система не обеспечит необходимого качества работы т.к. величины заданного перемещения и статической нагрузки не являются постоянными.

        Если дополнить такую систему ЗИ, то коэффициента усиления РП остается функцией заданного перемещения. поэтому оптимальное протекание переходных процессов можно обеспечить настройкой РП только на один тип перемещений (например большие или средние), но тогда для отработки перемещений другого типа необходимо изменять настройку РП.

        Оптимального качества переходных процессов – без перерегулирования и дотягивания можно добиться с помощью САР положения без ЗП, с ЗИ (или без), с нелинейным (параболическим) РП. При этом значительно усложняется структура РП и могут возникать трудности при его настройке и перенастройке в случае изменения параметров объекта управления.

        Для того, чтобы не усложнять структуру регулятора положения, можно на входе системы установить задающее устройство, формирующее желаемый закон изменения выходной координаты, обеспечивающее ограничение переменных при реакции на управляющее воздействие (рис. 5.2). В этом случае регулятор положения можно настраивать по принципу подчиненного регулирования. Задатчик интенсивности в контуре регулирования положения отсутствует. Ограничение координат от возможных воздействий по возмущающему воздействию выполняется ограничителями выходных сигналов регуляторов.

Рис 5.2 – Структурная схема позиционной системы с задатчиком положения.

        С увеличением производительности контроллеров появляется возможность формирования с их помощью управляющих воздействий, обеспечивающих более сложные законы изменения скорости, чем традиционно используемые треугольные или трапецеидальные тахограммы, например, можно реализовать ЗП, который обеспечит ограничение величины не только ускорения но и рывка.

        С целью уменьшения ударов в кинематических передачах в системах управления электроприводами предусматривают ограничение не только скорости и ускорения, но и рывка. Одним из способов ограничения рывка является установка на входе системы автоматического управления задающего устройства, формирующего эталонные сигналы задания на изменение основных координат электропривода. Для позиционных электроприводов такими координатами являются положение φ, скорость ω, ускорение ε и рывок ρ.

        Рассмотрим методику формирования диаграмм отработки заданного перемещения Δφ_з за заданное время t₀ , с учетом ограничений на скорость ω₀, ускорение ε₀ и рывок ρ₀. При реализации приведенных диаграмм достаточно сформировать сигнал задания на ускорение, а оставшиеся координаты (скорость и перемещение) получить его последовательным интегрированием.

        Приведем пример расчета характерных точек сигналов задания на ускорение. При отработке различных перемещений возможны два случая работы двигателя: без достижения максимальной скорости при отработке перемещений – треугольная диаграмма (рис. 5.3) и работа по трапецеидальной диаграмме с участком работы на установившейся скорости при отработке больших перемещений (рис. 5.4). В обоих случаях наложено ограничение на рывок.

        Минимально возможное время отработки заданного перемещения t_0min, которое обеспечивается при трапецеидальной или треугольной тахограмме, можно определить по формуле:

        Время работы с ограничением рывка для них будет рассчитываться по формуле:

Рис. 5.3 – Треугольная диаграмма с ограничением рывка

        Рассмотрим формирование треугольной диаграммы. Перемещение для нее определяется из выражения:

        После математических преобразований получаем следующее квадратное уравнение:

        Решение этого уравнения дает значение времени разгона при работе по треугольной диаграмме:

Рис. 5.4 – Трапецеидальная диаграмма с ограничением рывка

        Таким образом, минимальное время отработки по такой диаграмме определяется по формуле:

        t₀=2t_p

        Работать по треугольной диаграмме следует в случае выполнения следующего условия:

        Для трапецеидальной диаграммы запишем выражение для определения максимальной скорости:

        Откуда получаем время разгона привода:

        Время работы привода с установившейся скоростью:

        t_y=t₀-2t_p

        Для перехода от ускорения к динамическому току можно воспользоваться следующим выражением:

        На рисунке 5.5 представлен алгоритм формирования тахограммы для ЗП.

Рис. 5.5 Алгоритм формирования тахограммы для ЗП

        Моделирование будем производить в относительных единицах при помощи пакета MatLab и его приложения Simulink. На рис. 5.8 представлена структурная схема СУ в относительных единицах.

        На схеме представлен САР положения с задатчиком положения, формирующим задание на ускорения без учета ограничения по рывку – блок Position profile, и задатчик положения, обеспечивающий заданное значение рывка. Этот за датчик состоит из двух блоков – блок расчета характерных точек диаграммы Calculation t, реализующий алгоритм, представленный на рис. 5.5 и блока формирования заданного рывка Position profile with jerk limit. Структуры этих блоков представлены на рисунках 5.9 и 5.10 соответственно. Последовательным интегрированием сигнала задания на ускорение Mz получаем задание на скорость wz и перемещение fz. В зависимости от величины желаемого перемещения задатчик положения рассчитывает минимально возможное время отработки перемещения с заданными ограничениями по рывку, ускорению и скорости. Если величина граничного перемещения больше величины желаемого перемещения – формируется треугольная тахограмма, в противном случае – трапецеидальная. На рисунке 5.11 представлены переходные процессы при реализации треугольной диаграммы движения. Наиболее характерная для рассматриваемого механизма – трапецеидальная тахограмма представлена на рис. 5.12. Из рисунков видно, что ограничение рывка приводит лишь к незначительному увеличению времени отработки перемещения. Но, при этом, ограничение производной по ускорению позволяет плавно выбрать зазоры в кинематических передачах, тем самым увеличить надежность и долговечность механического оборудования рассматриваемого механизма.

Рис. 5.8 – Структурная схема в блоках Simulink

Рис. 5.9 – Структурная схема блока Calculation t.

Рис. 5.10 – Структурная схема блока Position profile with jerk limit.

Рис. 5.11 – Переходные процессы при реализации треугольной и трапециидальной тахограммы (2 кадра, 64 кБ, 10 циклов обновить страницу для проигрывания.)