1.2. Описание объекта управления

Якорная обмотка исследуемого двигателя постоянного тока независимого возбуждения М1 подключается к цепи выпрямления реверсивного тиристорного преобразователя ТП1, в системе уни­версального лабораторного стенда (УЛС) через контакт линей­ного контактора КЛЗ, сглаживающий дроссель ДрЗ, реле макси­мального тока РМ1 и шунт Ш1 (рис. 1).

Сам тиристорный преобразователь по цепи переменного то­ка получает питание через контакты линейного контактора КЛ1 и токоограничивающий дроссель (трансформатор) Др1 от трехфаз­ной сети ~220 В.

Обмотка возбуждения двигателя ОВМ1 подключается к посто­янному напряжению =220 В контактами контактора КВ, через доба­вочный резистор Rдоб и имеет в цепи амперметр А5 для контроля тока возбуждения.

Двигатель постоянного тока М2 находится на одном валу с двигателем М1 и используется как нагрузочная машина для формиро­вания момента нагрузки. Его якорная обмотка питается от реверсивного тиристорного преобразователе ТП2, который, в свою очередь, управляется от ячейки регулируемого момента в режиме ре­гулируемого источника тока.

Для испытуемого двигателя М1 могут использоваться в каче­стве обратных связей внутренние координаты: якорного тока, на­пряжения якорной обмотки и угловой скорости вращения. Сигнал обратной связи по якорному току М1 Uот1 формируется с помощью шунта Ш1 и датчика тока ДТ1. Сигнал обратной связи по напряже­нию Uон формируется с помощью делителя напряжения на резисторах R3 и R4, датчика напряжения ДН. Обратная связь по уг­ловой скорости вращения + Uтг1 (- Uтг1) создается с помощью тахогенератора ТГ1 и делителя напряжения на его выходе.

Реверсивный тиристорный преобразователь с раздельным управлением вентильными группами ТП1 описывается передаточ­ной функцией апериодического звена первого порядка [2].

(1)

где: k_П = dE_d/dU_УПР - динамический коэффициент усиления;

Тп = Тф + Тср - постоянная времени тиристорного преобразо­вателя, с;

Тф = (3-8) мс- постоянная времени фильтра на входе СИФУ;

Тср = 1 / (2πf_сm) = 1,66 мс – среднестатистическое время за­паздывания для трехфазной мостовой схемы выпрямления с частотой f_с питающей сети 50 Гц.

Электродвигатель постоянного тока (ДПТ), при подключении обмотки возбуждения к постоянному напряжению, работает с по­стоянным магнитным потоком Ф. При описании работы двигателя приняты следующие допущения:

1. пренебрегают действием реакции якоря;

2. тиристорный преобразователь работает в зоне непрерывного тока;

3. индуктивности сглаживающего и токоограничивающего дросселей не зависят от протекающего тока и остаются постоянными.

В соответствии с этими допущениями, якорная цепь ДПТ описывается передаточной функцией:

(2)

где Rэ = Rп + Ra – эквивалентное активное сопротивление цепи выпрямления, Ом;

Ra = 1,24(Rяо + Rдп) – активное сопротивление якорной це­пи электродвигателя, приведенное к рабочей температуре 80⁰ С, Ом;

Rп = 2(R_2ф + 3Х_2ф/2π) – внутреннее активное сопротивле­ние тиристорного преобразователя, работающего по трехфазной мостовой схеме выпрямления и питающегося или от вторичной обмотки трансформатора со схемой «звезда», или от сети через токоограничивающие реакторы;

Тэ = Lэ / Rэ – эквивалентная электромагнитная постоянная времени цепи выпрямления, с;

Lэ = Lп + La – эквивалентная индуктивность цепи выпрямле­ния, Гн;

Lп = 2Х_2ф/(2πf_C) + Lсд – индуктивность тиристорного преоб­разователя и сглаживающего дросселя (при его наличии), Гн;

La = 0,6U_н/(I_нω_нp_П) – индуктивность якорной обмотки неком­пенсированного ДПТ, Гн;

Еa = КФω – ЭДС двигателя, В;

К = р_П *N/(2πa) – конструктивная постоянная ДПТ, определяемая числом пар главных полюсов p_П, числом активных проводников N и пар параллельных ветвей a обмотки якоря.

Напряжение на якорной обмотке двигателя складывается из падения напряжения на ее индуктивном и активном сопротивлениях и ЭДС, наводимой в якорной обмотке при вращении ДПТ:

(3)

где Тa = La/Ra – электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя, с.

В соответствии с основным уравнением движения электро­привода, поведение угловой скорости вращения описывается передаточной функцией электромеханического преобразователя.

(4)

где J_Σ = Jдв + Jпр – суммарный момент инерции электропривода, кгм²;

Jдв – момент инерции якоря двигателя;

Jпр – момент инерции рабочего механизма, приведенный к валу ДПТ;

М = КФIa – электромагнитный момент ДПТ, Нм;

Мс – момент нагрузки, приведенный к валу ДПТ, Нм.

В соответствии с уравнениями (1) – (4), составлена струк­турная схема объекта управления (рис. 1.2), в которой отмечены входное управляющее воздействие Uу, основное возмущающее воздействие Мс и сигналы обратных связей Uон, Uот и Uос. Вы­ходной координатой объекта управления является угловая ско­рость вращения ω, а промежуточными: якорный ток Ia; ЭДС двига­теля Еa; напряжение якорной обмотки Ua, электромагнитный мо­мент М; магнитный поток Ф. Координаты Ia, Ud и ω можно измерить с помощью датчиков прямого типа.

Рис. 1.2. Структурная схема объекта управления

Коэффициенты обратных связей (коэффициенты пропорциональности между напряжением обратной связи и величиной i-той координаты) рассчитываются по формулам:

где Uуmax = 10 В – максимальное значение напряжения в системе ре­гулирования (выходные напряжения регуляторов, датчиков, и других элементов системы управления);

λ_Т = 2,5 – перегрузочная способность электродвигателя по току;

Iaн – номинальный ток двигателя, А;

E_d0 – максимальная выпрямленная ЭДС тиристорного преобразователя, В;

ω_0max – максимальная скорость идеального холостого хода двигателя, 1/с.