Проектирование системы автоматического регулирования для строительных механизмов

Функциональная  схема электропривода.

1.Регулятор скорости

Простейший регулятор  скорости – пропорциональный (П). Его  уравнение:

Mref* = KP (vref* - v*).

Коэффициент регулятора

KP = Ωv Tj.

Здесь Ωv –  полоса пропускания  контура регулирования скорости.  Она определяет быстродействие контура регулирования. П регулятор представлен на функциональной схеме квадратом,  в котором показана переходная характеристика звена.  Функциональная схема – простейший вид схемы автоматической системы. Она поясняет функционирование системы. Линейные звенья представлены на такой схеме их переходными характеристиками,  нелинейные – характеристиками «вход-выход». Переходная характеристика – это процесс на выходе звена при условии, что процесс на входе – единичная ступень. 

Недостаток П регулятора скорости – установившееся падение скорости от нагрузки. Чем больше момент нагрузки Mc*, тем больше необходимое задание момента Mref* и,  следовательно, тем больше отклонение скорости (vref* - v*).

Если привод должен быть астатичным по отношению к нагрузке,  используется  пропорционально-интегральный  (ПИ)  регулятор скорости.  Он также показан на функциональной схеме. В регуляторе имеется дополнительно интегратор.

2.Регулятор   тока

Назначение:

Предназначен для плавного регулирования тока от 0 до 110 А, напряжения от 0 до 220 В, что дает возможность подключать агрегаты мощностью до 25 кВт переменного тока и д 2,5 кВт постоянного тока. На регулятор тока возлагаются также другие функции: ограничение скорости нарастания тока di/dt, улучшение динамики контура тока в зоне прерывистого тока, компенсация влияния ЭДС двигателя на характеристики контура, обеспечение режима стоянки электродвигателя, управление переключением выпрямительных мостов реверсивного ТП.

Описание:

В регуляторе тока имеется  диодный мост, что дает возможность  подключать агрегаты, работающие на переменном и постоянном токе.

Преимущества: 

 К регулятору тока  можно подключать сварочные аппараты, электродвигатели, электротены, ручной электроинструмент, станки, работающие от электросети постоянного и переменного тока. В регуляторе тока предусмотрена защита от перегрузки и короткого замыкания

3. Система импульсно-фазового управления.

Система импульсно-фазового управления (СИФУ) предназначена для  преобразования выходного напряжения системы управления u_у в последовательность подаваемых на тиристоры отпирающих импульсов, момент формирования которых смещен относительно моментов естественного отпирания тиристоров на угол a, зависящий от значения u_у.

В современных электроприводах  СИФУ выполняют как синхронные многоканальные, т. е. в них выполняется отсчет угла a от моментов естественного отпирания для каждого плеча моста (или для каждой пары противофазных плеч). СИФУ состоит из узла формирования опорных напряжений, компараторов, сравнивающих напряжение управления u_у и опорные напряжения u_оп, узлов, преобразующих моменты переключения компараторов в импульсы управления тиристорами, узлов ограничения диапазона изменения угла a и выходных усилителей. В реверсивных электроприводах СИФУ дополняется узлом выбора выпрямительного моста АВ.

4.Тиристорный  преобразователь

Тиристор это электропреобразовательный  прибор с тремя или более p-n-переходами, в вольтамперной характеристике которого имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления.

Тиристорный преобразователь  применяется для преобразования трехфазного тока промышленной частоты  в переменный ток средней частоты  для питания на задаваемых нагрузкой  выходных частотах автономного (колебательного) контура электротехнологической нагрузки. Тиристорный инвертор используется для преобразования выпрямленного  сетевого напряжения в напряжение высокой  частоты.

Материалом для изготовления  служит кремний.

5.Трехфазный трансформатор

Для передачи энергии не применяют однофазный переменный ток. Для этих целей получил широкое  распространение трехфазный ток. Поэтому  большинство трансформаторов являются трехфазными.

Можно трансформировать трехфазный ток, пользуясь тремя однофазными  трансформаторами, первичные и вторичные  обмотки которых соединены в  трехфазную систему — в звезду или треугольник. Именно так и  работают мощные однофазные трансформаторы, устанавливаемые на крупных электростанциях. Они подключены к соответствующим  фазам генераторов своими первичными обмотками; вторичные их обмотки, соединенные  в звезду, подключены к соответствующим  фазам дальней линии передачи.

Можно иметь трехфазный трансформатор  и в одной единице. Магнитопровод такого трансформатора состоит из трех стержней, замыкаемых сверху и снизу ярмами (рисунок 1). На каждый из стержней насаживают по одной первичной и вторичной обмотке. Первичные обмотки соединяют в звезду или треугольник, так же соединяют и вторичные обмотки. Стержень с обмотками представляет собой однофазный трансформатор. Поэтому все, что было сказано рапсе об однофазном трансформаторе, целиком относится и к отдельной фазе трехфазного.

Рисунок 1 - Схема трехфазного  трехстержневого трансформатора

В каждом стержне трехфазного  трансформатора возникает магнитный  поток, созданный током первичной  обмотки. Но каждая первичная обмотка  принадлежит одной из фаз трехфазной системы. Поэтому протекающие по обмоткам токи, так же как и приложенные  напряжения, являются трехфазными, следовательно, магнитные потоки тоже трехфазные.

До сих пор мы считали, что магнитный поток обязательно  замыкается, т. е. пройдя по стержню, проходит обратный путь к началу того же стержня. Однако в трехфазном трансформаторе такого обратного пути нет и в  нем (при одинаковой нагрузке фаз) нет  необходимости, как нет нужды  и в нейтральном соединении в  звезду.

Каждый из потоков циркулирует  только по своему стержню, а все вместе они сходятся в серединах верхнего и нижнего ярм — точках D и  Е. В этих точках потоки складываются, но так как они сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол 120°, то складываются геометрически. Как известно, геометрическая сумма таких величин равна нулю. Значит, каждый из магнитных потоков проходит только по своему стержню, не имеет обратного пути, а сумма всех трех потоков равна нулю. Потоки крайних фаз А и С проходят не только по стержню, но и по половине верхнего и нижнего ярм. Поток средней фазы В проходит только по своему стержню. Поэтому и токи холостого хода крайних фаз всегда больше, чем ток холостого хода средней фазы.

6. Двигатель постоянного тока.

Хотя система своременного электроснабжения основана на применении переменного тока, тем не менее машины постоянного находят широкое использование в самых различных отраслях промышленности и в быту.

Основными частями машины постоянного тока (см. рис. 1) являются неподвижная станина, несущая электромагниты, и вращающаяся часть – якорь. Часто их называют по аналогии с  машинами переменного тока статором – неподвижную часть и ротором  – вращающуюся часть. Станина  с электромагнитами служит для возбуждения  главного магнитного поля машины, а  во вращающемся якоре индуктируется  э.д.с. и проходят токи, создающие в генераторе тормозящий момент, а в двигателе – вращающий момент.

Станина изготавливается  из литой стали и представляет собой полый цилиндр, на внутренней стороне которого укреплены сердечники полюсов: главных и дополнительных. На сердечники главных полюсов надеты катушки, составляющие обмотку возбуждения  машины. Сердечники полюсов снабжаются наконечниками, служащими для более  равномерного распределения магнитной  индукции вдоль окружности якоря. Дополнительные полюса имеются имеются только на более крупных машинах. Эти полюса устанавливаются на станине посредине между главными полюсами. Их обмотка соединяется последовательно с обмоткой якоря. Назначение этих полюсов – поддерживать магнитное поле работающей машины относительно постоянным независимо от нагрузки. Это нужно для безыскровой работы щеток на коллекторе.

Сердечник якоря собран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. Он снабжен  пазами, в которые закладывается  обмотка якоря, обычно состоящая  из отдельных секций.

Характерной для машин  постоянного тока деталью является коллектор – полый цилиндр, собранный  из изолированных одна от другой и  от вала машины клинообразных медных пластин. Последние определенным образом  соединяются с витками обмотки  якоря. На коллекторе в щеткодержателях  устанавливаются неподвижные щетки, через которые обмотка якоря  соединяется с внешней цепью. Щетки к коллектору прижимаются  пружинами. щеткодержатели укрепляются на щеточных траверсах. Последние устанавливаются на подшипниках машины и их можно поворачивать, изменяя таким путем положение щеток по отношению к полюсам машины.

Коллектор в генераторах  постоянного тока служит для выпрямления  переменной э.д.с., индуктируемой во вращающейся обмотке якоря, а в двигателях постоянного тока – для получения постоянного по направлению вращающего момента. Одна и та же машина постоянного тока может работать в режимах генератора и двигателя, т.е. она обратима, как все электрические машины.

В режиме генератора машина работает тогда, когда ее вращает  какой-либо первичный двигатель (паровая  или гидравлическая турбина, двигатель  внутреннего сгорания и т.д.), главное  магнитное поле возбуждено, а обмотка  якоря через щетки замкнута на нагрузку. В этой обмотке индуктируется  э.д.с. и возникает ток, протекающий через якорь и нагрузку. Ток в якоре, взаимодействуя с главным магнитным полем, создает тормозящий момент, который должен преодолеть первичный двигатель. В режиме двигателя внешний источник электроэнергии посылает электрические токи в цепи якоря и возбуждения машины, а ток якоря, взаимодействуя с главным магнитным полем, образует вращающий момент. Под действием этого момента якорь вращается, а машина преобразует электрическую энергию в механическую

7. Шунт

Шунт — устройство, которое позволяет электрическому току протекать в обход какого-либо участка схемы, обычно представляет собой низкоомный резистор, катушку или проводник.

Шунт (от англ. shunt — ответвление), электрический проводник или магнитопровод, присоединяемый параллельно электрической или магнитной цепи для ответвления части электрического тока или магнитного потока, когда нежелательно либо невозможно весь ток (поток) пропустить через данную цепь. Например, при использовании шунта для расширения пределов измерений амперметров измеряемый ток Ix распределяется между шунтом и амперметром обратно пропорционально их сопротивлениям Rш и RA;

Шунтирование — процесс параллельного подсоединения электрического элемента к другому элементу, обычно с целью уменьшения итоговогосопротивления цепи.

Например, шунты применяются  для изменения верхнего предела  измерения у амперметров магнитно-электрической системы

Применение шунтов позволяет  расширить пределы показаний  амперметра (за счёт ухудшения разрешающей способности и чувствительности прибора).

В зависимости от сопротивления  шунта в качестве этого элемента могут быть использованы медный провод на катушке, металлическая пластина, нормализованный (стандартный) резистор с малым допуском отклонения сопротивления.

Шунт может быть в виде пластины, ленты или проволоки, преимущественно из манганина, константана и магнитно-мягких материалов.

8. Тахогенера́тор (от др.-греч. τάχος — быстрота, скорость и генератор) — измерительный генератор постоянного или переменного тока, предназначенный для преобразования мгновенного значения частоты (угловой скорости) вращения вала в пропорциональный электрический сигнал.

Величина сигнала (ЭДС) прямо пропорциональна частоте вращения.

Сгенерированный сигнал подаётся для непосредственного отображения  на специально проградуированный вольтметр (тахометр) либо на вход автоматических устройств, отслеживающих частоту вращения.

Принцип действия

Действие тахогенератора основано на пропорциональности угловой  частоты вращения ротора генератора его ЭДС при постоянном значении потока возбуждения.

Различают тахогенераторы переменного  тока (синхронные и асинхронные) и  постоянного тока.

• Тахогенераторы постоянного тока — небольшие коллекторные машины, поток возбуждения в которых создаётся постоянным магнитом или независимой обмоткой.
• Тахогенераторы синхронного типа представляют собой небольшие синхронные машины с постоянным магнитом в качестве ротора.
• Асинхронные тахогенераторы (получили наибольшее распространение) по конструкции подобны асинхронным электродвигателям с полым короткозамкнутым ротором. На статоре такого тахогенератора расположены под углом 90° две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) питается переменным током постоянной частоты и постоянного напряжения, а вторая является выходной, и к ней может быть подсоединён измерительный прибор (вольтметр, отградуированный, например, в об/мин).