ВВЕДЕНИЕ. Электромеханическими называют системы, в основе действия которых лежат явления электромагнитной и механической природы

Электромеханическими называют системы, в основе действия которых лежат явления электромагнитной и механической природы.

Электромеханические системы (ЭМС) получили весьма широкое распространение в промышленности. Так, например, около 60% всей электроэнергии, вырабатываемой в стране, преобразуется в механическую энергию электромеханическими системами [1,2]. Как правило, эти системы являются автоматизированными либо автоматическими системами либо содержат подсистемы указанного типа. В этой связи специалисты в области автоматики должны быть знакомы с принципами построения электромеханических систем и их характеристиками.

Наиболее распространенным типом ЭМС являются так называемые электроприводы.

Электроприводом (ЭП) называют электромеханическую систему, предназначенную для приведения в движение рабочих органов машины (РОМ) и состоящую из механического передаточного (МПУ), преобразовательного (ПУ), электродвигательного (ЭДУ) и управляющего устройств (УУ) [2,с.6; 3,с.8;4].

Дадим еще одно определение. ЭП называют автоматизированным, если оператор, обслуживающий ЭП, дает только команды начала и окончания работы [2,с.53]. В противном случае ЭП называют неавтоматизированным.

Современные ЭП, как правило, являются автоматизированными.

Структурная схема ЭП, в том числе, и автоматизированных ЭП, поясняющая взаимодействие составляющих их устройств, приведена на рис.В.1.

Рис.В.1. Структурная схема электропривода

РОМ предназначены для непосредственного выполнения требуемого технологического процесса. Таким процессом может быть, например, резание металла. В этом случае РОМ представляет собой, например, резец, фрезу, сверло и т.п.

УУ вырабатывает управляющие сигналы, которые определяют законы движения РОМ.

Как правило, выходные сигналы УУ представляют собой низковольтные электрические напряжения малой мощности. В этой связи указанные сигналы подлежат усилению по уровню и по мощности, что выполняет ПУ.

Для преобразования электрической энергии, вырабатываемой ПУ, в механическую энергию, необходимую для обеспечения движения РОМ, между ПУ и РОМ включается ЭДУ. ЭДУ представляет собой электродвигатель того или иного типа.

Как правило, ЭДУ совершает вращательное движение, а РОМ совершает какой-либо иной тип движения, например, возвратно-поступательное. Для согласования типов движения РОМ и ЭДУ между ними включается МПУ.

Для производства высококачественной продукции необходимо, чтобы движение РОМ происходило по определенному заданному закону у _з, т.е. необходимо, говоря математически, чтобы в ходе работы РОМ выполнялось соотношение

. (В.1)

Как известно из теории автоматического регулирования, для обеспечения такого движения РОМ необходимо введение в ЭП датчиков обратных связей и реализация УУ в виде задающего устройства (ЗУ) и регулирующего устройства (РУ) (см. рис.В.2). Построенный по такой структурной схеме автоматизированный ЭП называется автоматизированным замкнутым ЭП (АЗЭП).

Рис.В.2. Структурная схема АЗЭП

В замкнутом электроприводе ЗУ вырабатывает в том или ином масштабе заданный закон у _з движения РОМ. Это означает, что ЗУ вырабатывает выходной сигнал u _з, который связан с законом у _з соотношением

, (В.2)

где – масштабный коэффициент.

Выходной сигнал u _з называется задающим сигналом.

Величины u _р, u _п, u _э, u _м, указанные на рис.В.2, являются выходными сигналами соответственно РУ, ПУ, ЭДУ, МПУ. Для простоты будем полагать, что эти величины являются скалярными. Заметим, что в общем случае их можно считать векторными величинами.

РУ по результатам обработки сигналов обратных связей и задающего сигнала u _з вырабатывает такой управляющий сигнал u _р, который обеспечивает изменение выходной величины по заданному закону y _з.

Из изложенного, таким образом, следует, что АЗЭП в ходе своей работы должен обеспечивать выполнение равенства

. (В.3)

Это обстоятельство позволяет считать, что с точки зрения математики основное назначение АЗЭП заключается в реализации равенства (В.3), т.е. в реализации прямо пропорциональной зависимости выходной величины РОМ от задающего сигнала u _з.

Определим далее те основные свойства АЗЭП, при которых возможна реализация равенства (В.3). Определение этих свойств проведем для простоты при следующих допущениях.

1. АЗЭП содержит только одну обратную связь – обратную связь по выходному сигналу y, т.е. рассматривается упрощенная схема АЗЭП, представленная на рис В.3.

Рис В.3. Структурная схема АЗЭП с обратной связью по выходной величине у:

Д – датчик обратной связи

2. Выходная величина u _э ЭДУ – это угловая скорость ω вращения вала двигателя.

3. Все выходные величины u _з, u _р, u _п, ω, u _м, у, u _д являются скалярными величинами.

4. Рассматривается только статический режим работы АЗЭП, т.е. не учитываются динамические свойства элементов АЗЭП и, следовательно, их свойства описываются соотношениями, не содержащими производных по времени, т.е. так называемыми конечными уравнениями.

5. Предполагается, что РУ – это вычитатель сигнала задания u _з и выходного сигнала u _д датчика Д обратной связи, т.е.

. (В.3)

6. Элементы ПУ, МПУ, РОМ и Д являются пропорциональными звеньями и описываются равенствами

, (В.4)

, (В.5)

, (В.6)

. (В.7)

7. Элемент ЭДУ представляет собой двигатель постоянного тока с якорным управлением, а его математическое описание, как это известно из теории электрических машин, имеет вид:

, (В.8)

, (В.9)

, (В.10)

, (В.11)

где e_a, i_a, r_a – соответственно, ЭДС, ток и активное сопротивление якорной обмотки; k _эм – электромагнитный коэффициент двигателя; М – электромагнитный (вращающий) момент двигателя; М _с – момент сопротивления нагрузки.

Преобразуя соотношения (В.3) – (В.11), нетрудно установить, что выходная величина у и сигнал задания u _з связаны равенством

, (В.12)

где k _дв = 1/ k _эм.

Если коэффициент устремить в бесконечность, т.е. записать, что

, (В.13)

а остальные коэффициенты оставить конечными, то тогда из (В.12), как это нетрудно показать, следует, что

. (В.14)

Если также обеспечить выполнение равенства

, (В.15)

то тогда получим желаемую взаимосвязь (В.2) между величинами у и u _з.

Итак, приходим к ВЫВОДУ: основные свойства, которыми должен обладать АЗЭП для реализации равенства (В.2), т.е. для реализации прямо пропорциональной взаимосвязи с коэффициентом k между выходной величиной у и задающим сигналом u _з, заключаются в следующем:

1) коэффициент передачи k _п ПУ должен быть бесконечно большим (k _п→∞);

2) коэффициент передачи датчика Д обратной связи должен быть абсолютно стабильным (= const) и задаваться равенством (В.15).

Очевидно, что указанные свойства АЗЭП являются физически нереализуемыми. Но они указывают основные пути реализации в АЗЭП желаемой прямо пропорциональной взаимосвязи между выходной величиной у и задающим сигналом u _з. Это – увеличение коэффициента передачи ПУ и стабилизация коэффициента передачи датчика Д обратной связи.

Известно, однако, из теории автоматического регулирования, что увеличение коэффициента ведет в замкнутой системе к потере ею устойчивости и необходимости введения корректирующих устройств.

Кроме названной проблемы при создании АЗЭП возникает также и ряд других. Для их грамотного разрешения требуется изучить более подробно свойства АЗЭП, что и излагается далее.

Изучение свойств АЗЭП начнем с изучения свойств его отдельных частей и, прежде всего, с изучения так называемой механической части АЗЭП, которая включает ЭДУ, МПУ и РОМ [3, с.24]. Следует отметить, что механическая часть любой электромеханической системы состоит из ЭДУ, МПУ и РОМ. Поэтому рассматриваемые в следующем разделе вопросы относятся к любому типу электромеханических систем.

Дата добавления: 2014-01-13