Разработка лабораторного стенда для исследования электропривода постоянного тока с использованием АЦП и ПК

1) электромагнитная постоянная  времени генератора;

2) электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя;

3) электромеханическая  постоянная времени привода;

4) статические коэффициенты  усиления элементов.

 

Согласно [3] любая динамическая система может быть представлена структурной схемой из типовых линейных и нелинейных безынерционных звеньев, осуществляющих соответствующие функции связи. Большие удобства при исследовании систем дает переход к относительным единицам измерения. В этом случае  нелинейные связи носят универсальный характер и после линеаризации дают безразмерные коэффициенты. При удачно выбранных базовых величинах исчезают многие коэффициенты линейных звеньев, а постоянные времени интегрирующих и дифференцирующих звеньев имеют вполне определенный физический смысл и могут быть определены экспериментально.

Для систем электропривода за базовые величины удобнее принимать: для двигателя – номинальные момент, ток, напряжение якоря и угловую скорость холостого хода; для остальных элементов – такие их значения, которые в установившемся режиме обеспечивают номинальные значения напряжения якоря и потока возбуждения двигателя.

При безразмерной форме  записи уравнений, математически описывающих динамику реального объекта, постоянные времени будут включать в себя базовые значения координат, и поэтому их удобнее называть базовыми постоянными времени.

 

1. Постоянная времени обмотки возбуждения генератора

 

Базовая постоянная времени  контура возбуждения электромагнитной цепи имеет следующий физический смысл: время, за которое магнитный поток измениться от нуля до базового значения при скачкообразном приложении базового напряжения возбуждения и компенсации падения напряжении на активном сопротивлении обмотки возбуждения.

Рассмотрим в качестве примера динамику нелинейной электромагнитной цепи (рисунок 18, а). Электромагнитная цепь является основным звеном целого ряда элементов электропривода, таких, как двигатели и генераторы,  электромашинные и магнитные усилители и т.д.

 

 а)                          б)

 

Рисунок 18. Нелинейная электромагнитная цепь

 

Исходные уравнения  такой цепи имеют вид:

 

                                                       

 

где , – напряжение и ток возбуждения;  – магнитный поток; , – сопротивление и число витков обмотки возбуждения. 

Второе уравнение системы представляет собой кривую намагничивания магнитной  системы (рисунок 18, б). Если записать приведенные  уравнения в относительных единицах, приняв за базовые величины установившиеся значения, связанные между собой соотношениями:

 

   

то после преобразования получим

                                                              

 

где ;      .

Таким образом, постоянная времени контура возбуждения  равна

,                                                  

т.е. постоянная времени  равна площади заштрихованной фигуры на рисунке 19:

 

Рисунок 19. Определение  постоянной времени электромагнитной цепи

интегральным методом

 

На практике данный метод  определения постоянной времени  генератора возможен при использовании специального измерительного оборудования (интегрального Т-метра) [3]. Поэтому был применен косвенный метод определения постоянной времени генератора. Было замерено активное сопротивление обмотки возбуждения генератора Ом и ток в обмотке при подаче в нее переменного напряжения В с зажимов вторичной обмотки трансформатора. Измеренное значение тока обмотки возбуждения составило А. Соответственно, полное сопротивление обмотки возбуждения генератора

 Ом

Из соотношения  индуктивность равна

 Гн,

где с^-1.

Зная значение величины индуктивности обмотки возбуждения генератора, определим постоянную времени генератора

с.

2. Электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя

 

Аналогично определяется постоянная времени якорной цепи электродвигателя, как площадь между графиком напряжения якоря и графиком тока  якоря

,

либо косвенным методом

 

 с,

где  Ом – измеренное активное сопротивление якорной обмотки двигателя;

Ом – сопротивление измерительного шунта, установленного в

   якорной цепи двигателя.

 Гн,

 с^-1,

Ом,

 Ом – измеренное значение сопротивления якорной обмотки двигателя;

 А  – измеренное значение тока в якорной обмотке двигателя.

3. Электромеханическая постоянная времени двигателя

 

Электромеханическая постоянная времени двигателя находится  из соотношения

,

где - механическая постоянная времени двигателя, - кратность тока якоря (по отношению к номинальному)  при неподвижном якоре и приложении номинального напряжения якоря:

.                                                          

Электромеханическая постоянная времени двигателя  определяется из процесса пуска двигателя от нуля до базовой скорости [3]:

                                              

 

В связи со сложностью определения  электромеханической постоянной времени  двигателя указанным методом  её значение было получено косвенно как  треть времени длительности переходного  процесса, т.е.

 сек.,

где сек. – длительность переходного процесса, определенная экспериментально по осциллограмме, полученной с помощью программы Diagnostic.

4. Определение коэффициентов усиления

 

Статические коэффициенты усиления элементов электропривода были определены опытным путем по следующей методике: на вход каждого элемента подавалось фиксированный уровень воздействия и измерялся уровень на выходе, а коэффициент вычислялся как частное от деления выходной величины к входной. Для получения усредненного результата опыт проводился не менее 4 раз для каждого элемента.

 

Электронный усилитель.

Номер опыта	UВХ, В	UВЫХ, В	КЭУ
1	140	6,35	22
2	140	10,3	14
3	120	8	15
4	121	5,5	22
5	142	5,7	25
Среднеарифметическое значение коэффициента усиления электронного усилителя КЭУ = 20

 

 

 

 

 

Тахогенератор.

Номер опыта	ω, рад/с	UВЫХ, В	КТГ
1	104,6	6,76	0,065
2	83,7	4,9	0,058
3	62,8	4,1	0,065
4	39,8	2,75	0,069
Среднеарифметическое значение коэффициента усиления тахогенератора КТГ = 0,065

 

 – статический коэффициент  усиления задающего потенциометра.

 

Генератор.

Номер опыта	UОВ, В	UЯ, В	КГ
1	111,4	58,3	1,91
2	104,6	57	1,84
3	91,8	53	1,73
4	51,5	37,5	1,19
Среднеарифметическое значение коэффициента усиления генератора КГ = 1,6

 

Двигатель постоянного тока.

Номер опыта	UЯ, В	ω, рад/с	КМ
1	59,8	119	19
2	56,7	112,6	19
3	48,6	94,9	18,7
4	27,4	51,7	18
5	5,5	8,1	14,1
Среднеарифметическое значение коэффициента усиления двигателя постоянного  тока КМ = 18

 

Измерения проводились при помощи следующих приборов:

• вольтметр цифровой В7-37;
• блок «Частотомер-генератор» и фотоэлектрический датчик скорости лабораторного стенда по электротехнике ЛСЭ-2.

3. Математическое моделирование электропривода постоянного тока по   системе Г-Д

 

Для выполнения математического моделирования  электропривода постоянного тока по  системе Г-Д с учетом сопротивления на валу приводного электродвигателя составлена его структурная схема, приведенная  на рисунке 20.

Блоки 6, 9 и 11 являются усилителями - ограничителями. Так блок 6 вводит ограничение напряжения на выходе усилителя с гальванической связью в цепи обмотки возбуждения генератора на уровне 140 В,  равном напряжению источника питания цепи возбуждения.

Блок  9 учитывает одностороннюю  проводимость источника питания якорной цепи электродвигателя (выпрямителя), отсекая отрицательные значения тока . Блок 12 учитывает реактивный характер момента сопротивления ,  то есть, что разгон двигателя начинается только когда вращающий момент превысит момент сопротивления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      

Рисунок 20. Лабораторный стенд. Схема  электрическая структурная для  моделирования в программе MDS-PC

 

 

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                 

 

 

1. Сравнительный анализ данных, полученных в ходе экспериментов и моделирования

 

Моделирование проводилось  в программе MDS-PC. [16]

Модель должна быть описана  в виде структурной схемы, состоящей  из типовых блоков, для просмотра  которых используется клавиша F3. Каждому блоку модели присваивается свой номер - целое число от 1 до 999. Номерами блоков не могут быть числа 101 и 102, за которыми закреплены входные сигналы 1(t) и t. При задании очередного блока последовательно вводятся его номер, тип, номера входов (Nx, Ny, Nz), параметры (а, b, с). Ввод каждого из этих чисел осуществляется нажатием клавиши <Ввод>. Пустой ввод эквивалентен вводу нуля. Номер входа - номер блока, выход которого подается на данный вход. Если номер входа равен 0, 101 или 102, то на вход подается соответственно 0, 1(t) или t. Можно производить изменения в уже описанном блоке, повторно введя его номер. Для удаления блока следует задать его тип равным 0. Для временного исключения блока из модели вызовите этот блок, введя его номер, затем нажмите клавиши * и <Ввод>. В этом случае перед типом блока появиться символ *, означающий что блок исключен из модели. Для обратного включения блока в модель введите его номер, затем нажмите клавиши <Пробел> и <Ввод>. Символ * используется таи же для обозначения комментария, если ввести его вместо типа блока (далее можно ввести любую символьную строку). Еспи модель содержит более 20 блоков, то все они одновременно не помещаются на экране. Для сдвига в нужном направлении используйте клавиши ↑, ↓, PgUp, PgDn. Для возврата в режим основного меню следует произвести пустой ввод номера блока.

 

Рисунок 21. Таблица для  моделирования электропривода  в  программе MDS-PC