|
|
Технические средства автоматизации и управления
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Владимирский государственный университет
Имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
(ВлГУ)
Институт машиностроения и автомобильного транспорта
Кафедра «Автоматизации, мехатроника и работотехника»
Лабораторная работа 1-3.
по дисциплине «Технические средства автоматизации и управления»
Выполнил:
студент группы ЗАуд-119
Гусев А.А.
Проверил:
к.т.н., доцент кафедры АТП
Назаров А.А.
Владимир 2022
Лабораторная работа № 1
«Изучение реле времени»
Предназначены для студентов специальностей 15.03.04 при выполнении лабораторных работ по курсам "Технические средства автоматизации и управления ".
I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Ознакомиться с принципами автоматического управления пуском и торможением двигателя постоянного тока в функции времени и скорости.
2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА
Исследование автоматического управления пуском и торможением двигателя постоянного тока (ДТП) в функции времени и скорости проводится на лабораторном макете, принципиальная электрическая схема которого приведена на рис. I. Пуск двигателя СЛ-369 - в функции времени, а торможение - в функции скорости.
Макет работает следующим образом: в исходном положении тумблеры К1 и К2 разомкнуты, первая и вторая ступень пускового реостата зашунтированы контактами реле 1Р1 и 1Р2, конденсаторы С1и С2. реле времени заряжены, транзисторы Т1, Т2 - закрыты.
Замыкая тумблер К2, подаем напряжение на обмотку возбуждения двигателя. Нажатием кнопки "Пуск" подается питание обмотки реле Р , реле Р включается и своим контактом 4Р подключает якорную цепь двигателя к сети - 110 В. Контакты реле Р2Р, ЗР подключают конденсаторы С1, С2. к цепям разряда. Транзисторы Т1, Т2 открываются, срабатывают реле Р1 и Р2, которые своими замыкающими контактами включают в якорную цепь двигателя пусковой реостат (К1, К2). Блокировочный замыкающий контакт 1Р закорачивает пусковую кнопку, которая после этого может быть отпущена. Следовательно, с момента срабатывания реле Р начинается разгон двигателя в соответствии с первой искусственной механической характеристикой (характеристика "I" на рис.2).
Рис. 2
Через некоторое время, определяемое временем разряда конденсатора С1, срабатывает реле времени 1, транзистор Т1 закрывается. Реле Р1 обесточивается и своим контактом закорачивает первую ступень пускового реостата R1.Начинается разгон двигателя согласно второй искусственной механической характеристике (кривая 2 на рис.2). Через некоторое время, определяемое постоянной времени цепи разряда конденсатора С2, срабатывает реле времени 2(закрывается транзистор Т2 и обесточивается реле Р2), замыкается контакт 1Р2, который закорачивает вторую ступень пускового сопротивления R2. Двигатель начинает работать по естественной механической характеристике, кривая 3рис.2.
Для динамического торможения включается тумблер К1 и нажимается кнопка «Стоп». При нажатии кнопки «Стоп» реле Р обесточивается и своим контактом 4Р отключает якорную цепь от сети; контакты реле Р, 2Р и ЗР подключают конденсаторы С1, С2 к источнику постоянного напряжения.
При включении тумблера К1 подается питание на обмотки реле РЗ и Р4, контакты этих реле ( 1РЗ ,1Р4) закорачивают якорную цепь двигателя, шунтируя сопротивления RЗ и R4. При уменьшении частоты вращения двигателя отключается реле РЗ, и якорная цепь двигателя замыкается на сопротивление R3. При последующем уменьшении частоты вращения двигателя отключается реле Р4, в результате чего якорь двигателя замыкается на сопротивление R = R3 + R4. Механические характеристики двигателя постоянного тока, работающего в режиме динамического торможения, приведены на рис. 2.
Изменение частоты вращения двигателя контролируется по вольтметру V (рис.1), подключенному к сигнальной обмотке тахогенератора (ТГ).
При снятии пусковой диаграммы, диаграммы торможения, графиков изменения тока якоря и частоты вращения двигателя используется электронный осциллограф С1-68.
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Изучить работу лабораторного макета.
Снять механическую характеристику двигателя  .
Снять характеристики  и  при пуске и торможении двигателя для трех значений выдержки срабатывания реле времени 1 и 2.
Определить время срабатывания реле времени.
Вывод: Ознакомился с принципами автоматического управления пуском и торможением двигателя постоянного тока в функции времени и скорости.
Лабораторная работа № 2
Цель работы.
Изучение принципов действия электроприводов с магнитными усилителями (МУ) и экспериментальное исследование привода с МУ.
Приводы серии ПМУ.
Приводы серии ПМУ предназначены для стационарной установки в закрытых помещениях на высоте до 1000м над уровнем моря, при температуре окружающего воздуха от +5 до 40˚С и относительной влажности воздуха до 80%, в условиях свободного теплообмена с окружающим воздухом. Приводы рассчитаны присоединения к сетям переменного тока частотой 50 Гц стандартного напряжения 220 или 380 В. Допустимое отклонение напряжения от номинального – до +5,-15%.
Каждый привод из серии ПМУ представляет собой комплект, состоящий из электродвигателя (постоянного тока), блока питания с выпрямителями, магнитными усилителями и пр. и задатчика скорости.
Блоки питания и задатчики не имеют защитного кожуха или оболочек. При установке в закрытых шкафах, нишах и т.п. должны быть обеспечены такие условия теплообмена с окружающим воздухом, чтобы температура воздуха внутри шкафа или ниши вблизи блока не превышала +40˚С. Такое же требование предъявляется при установке задатчиков в закрытых пультах, нишах и т.д.
Приводы не рассчитаны для работы в химически агрессивной, взрывоопасной или токопроводящей среде, а также при периодических толчках нагрузки (изменениях момента сопротивления).
Кроме описанных выше приводов, промышленностью выпускаются приводы, предназначенные для присоединения к сетям частотой 60 Гц приводы нестандартного напряжения, для работы в условиях тропического климата и т. д.
В серию входят приводы пяти типоразмеров (габаритов) с номинальной мощностью 0,1-0,2-0,5-1-2 кВт.
Технические данные приводов серии ПМУ см. в табл.2. В этих приводах регулирование скорости осуществляется вниз от номинальной скорости вращения, изменением напряжения на якоре двигателя с помощью магнитного усилителя, работающего в системе автоматического регулирования. Структурная схема системы показана на рис.1. Переменное напряжение U - приложено на входе магнитного усилителя МУ. После преобразования в выпрямителе В ток поступает в обмотку якоря двигателя постоянного тока Д. Требуемое напряжение  на якоре двигателя устанавливается с помощью задатчика 3. Магнитный усилитель охвачен отрицательной обратной связью по току якоря  . Совместное действие этих двух обратных связей при выбранных параметрах системы достаточно близко к обратной связи по противо-э.д.с. двигателя.
В приводах серии ПМУ применяют различные схемы управления магнитным усилителем. Схема, показанная рис.2 применяется в приводах 1-3 габаритов (однофазных). В этих приводах используются две обмотки управления магнитного усилителя  и  . К обмотке наводятся (встречно) два напряжения – задающее и обратной связи по напряжению  (с обратной полярностью). Напряжение на концах обмотки составляет
Задающее напряжение снимается с задатчика .
Изменение скорости вращения достигается перемещением движка по торцу кольца потенциометра поворотом рукоятки задатчика.
Обмотка используется для создания токовой обратной связи (положительной).
В сердечниках магнитного усилителя происходит магнитное сложение ампер-витков обеих обмоток управления.
Для расширения диапазона регулирования без нарушения устойчивости системы в схеме применяется автоматическое регулирование токовой связи в зависимости от значения задающего напряжения. Конструктивно такое значение ''зависимое регулирование'' реализуется с помощью двухсекционногозадатчика специальной конструкции.
С одной из секций задатчика- потенциометра снимается задающее напряжение . Другая секция  - переменное сопротивление, включаемое параллельно или последовательно с обмоткой . Сопротивление должно обеспечивать некоторую заданную зависимость тока в обмотке от задающего напряжения . Характер этой зависимости связан с параметрами магнитного усилителя, выпрямителей и двигателя; он различен для приводов разных типов и определяется экспериментально. В однофазных приводах, предназначенных для работы при относительно небольших изменениях нагрузки, либо при сокращенном диапазоне регулирования, ''зависимое регулирование'' не применяется и управление магнитным усилителем осуществляется по схеме рис.3.
В приводах 4 и 5 габаритов (трехфазных) управление магнитными усилителями осуществляется по схеме рис. 4.Вместо магнитного сложения сигналов управления в магнитном усилителе, реализованном в схеме рис.1 происходит электрическое сложение сигналов вне усилителя. Магнитный усилитель МУ имеет только одну обмотку управления, на которую подается суммарный сигнал; положительная обратная связь вводится не непосредственно по току якоря, а косвенно по переменному току на входе питания с помощью трансформатора тока Т. Схема рис.4 создает более широкие возможности для получения устойчивой системы автоматического регулирования, накладывает меньше ограничений на выбор параметров, необходимых для осуществления обратной связи по величине, достаточно близкой к противо-э.д.с. двигателя. ”Зависимое регулирование” токовой связи в этой схеме не применяется.
В некоторых партиях трехфазных приводов серии ПМУ применялась кроме указанных выше, также схема с магнитным сложением сигналов управления, как в схемах рис.2,3 и с косвенной положительной обратной связью с помощью трансформатора тока, как в схеме рис.4. Эта схема применялась как с зависимым регулированием токовой связи, так и без него.
Механические характеристики электроприводов
серии ПМУ, ПМУ- М, ПМУ-П и ПКВ.
Механические характеристики электродвигателя в регулируемом электроприводе существенно отличаются от естественной характеристики того же двигателя. Если система регулирования разомкнутая, без обратных связей, то уравнение механической характеристики привода с двигателем постоянного тока имеет вид
n=
получаемый из основных уравнений электродвигателя постоянного тока
U=I +E;
E= ,
где n-скорость вращения, U- напряжение на якоре, Ф - магнитный поток возбуждения, М - вращающий момент, Р - сопротивление цепи якоря, I-ток якоря, С1 С2-постоянные, связанные с конструктивными данными двигателя.
Графически механическая характеристика двигателя постоянного тока с независимым возбуждением изображается прямой линией, пересекающей ось ординат в точке  и образующей с осью абсцисс угол α.
Здесь - скорость холостого хода двигателя.
При неизменных напряжениях на якоре и потоке возбуждения угол наклона механической характеристики, а с ним и величина перепада скоростей ∆n между двумя значениями моментов вращения (например от о,25Мн до 1,0Мн) тем больше, чем больше сопротивление цепи якоря (кривые 1 и 2 рис.5).
С уменьшением напряжения U, приложенного к якорю угол наклона α не изменяется ( ) но вся характеристика смещается вниз (кривые 2 и 3 рис.5). При этом абсолютное значение перепада скоростей не изменяется, но относительный перепад скоростей
растет в связи со снижением скорости.
Ослабление магнитного потока возбуждения двигателя вызывает изменение обоих членов первой части уравнения (А). Уменьшение знаменателя первого члена приводит к увеличению значения скорости холостого двигателя , а уменьшение знаменателя второго члена к увеличению угла наклона характеристики. Таким образом, перепад скоростей растет.
Применим изложенные выше соображения к приводам серии ПКВ. В этих приводах цепь якоря содержит, кремниевые вентили и обмотки силовых трансформаторов. Регулирование скорости осуществляется введением реостата в обмотку возбуждения, т.е. за счет ослабления магнитного потока. Вследствие этого перепад скоростей на механических характеристиках больше, чем при непосредственном включении двигателя в цепь постоянного тока. Но в связи с тем, что весь диапазон регулирования скорости невелик (до 1:2) и кремниевые вентили имеют малое сопротивление в прямом направлении, снижение жесткости механических характеристик невелико.
В приводах имеющих в цепи якоря магнитные усилители и селеновые выпрямители – нелинейные элементы, сопротивления которых имеет значительную величину, уравнения (А) принимает следующий вид:
где  – напряжение сети (переменного тока),  - индуктивное сопротивление рабочих обмоток магнитного усилителя (среднее значение),  - активное сопротивление рабочих обмоток магнитного усилителя,  -сопротивление селеновых выпрямителей (в направлении проводимости),  -коэффициент формы тока (см. следующий раздел).
Характеристики уравнений (Б) не линейны, угол наклона их к оси абсцисс зависит от скорости и от нагрузки, а перепады скоростей значительно больше, чем при непосредственном включении двигателя в сеть постоянного тока. Несмотря на это приводы серии ПМУ, МПУ-М особенно ПМУ-П имеют механические характеристики с малыми перепадами скоростей, что достигается применением замкнутых систем регулирования с теми или иными обратными связями.
Описание лабораторной установки.
В качестве лабораторной установки используется привод ПМУ-М, принципиальная схема которого представлена на панели стенда рис.6.
Регулирование скорости вращения привода осуществляется вниз от номинальной скорости электродвигателя путем изменения напряжения на якоре, при const напряжении возбуждения. Напряжение к якорю двигателя подается от статического преобразователя переменного тока в постоянный. Для изменения выпрямленного напряжения, служат магнитные усилители, рабочие обмотки ( ) которых включены в плечи выпрямителя 1В, выполненного для приводов серии ПМУ1М и ПМУ2М по однофазной схеме выпрямления, а для приводов серий ПМУ5М, ПМУ6М, ПМУ7М по трехфазной схеме выпрямления.
Изменение величины выпрямленного напряжения происходит за счет изменения реактивного сопротивления рабочих обмоток магнитного усилителя, величина которого определяется током нагрузки и током, протекающим в обмотке управления . Чем больше ток нагрузки и ток управления, тем меньше реактивное сопротивление рабочих обмоток, тем больше значение выпрямленного напряжения, подводимого к якорю двигателя.
Такой выпрямитель имеет большое внутреннее сопротивление, обусловленное сопротивлением рабочих обмоток магнитного усилителя и выпрямителей. Большое внутреннее сопротивление является причиной недопустимо большой погрешности привода от колебаний нагрузки, сетевого напряжений и нагрева.
С целью снижения этой погрешности в схеме привода имеются внутренняя обратная связь по току и две внешние связи: отрицательная и положительная по току. Таким образом, схема привода представляет собою замкнутую систему автоматического регулирования скорости вращения электродвигателя.
Внутренняя обратная связь по току достигается включением в плечи выпрямителя 1В рабочих обмоток ( ) магнитного усилителя, через каждую из которых протекает однополупериодный ток, содержащий постоянную и переменную составляющие. Чем больше постоянная составляющая, тем ниже индуктивное сопротивление рабочих обмоток магнитного усилителя. Величина постоянной составляющей тем больше, чем больше ток нагрузки. Благодаря этому внутреннее сопротивление выпрямителя автоматически снижается с ростом нагрузки и наоборот.
Отрицательная обратная связь по напряжению и положительная обратная связь по току достигается питанием обмотки управления от трех источников: от задающего потенциометра Р1, якоря двигателя и трансформатора тока Тт. Результирующий ток в обмотке зависит от алгебраической суммы трех напряжений: задающего- , напряжения на якоре двигателя  и напряжения  токовой связи, снимаемого со сопротивления R5. Сопротивление R5 является нагрузкой выпрямителя 3В. Выпрямитель 3В включен на выходе трансформатора тока Тт. Поэтому, является функцией тока в якоре двигателя. При изменении нагрузки на валу двигателя, например, при ее увеличении ток якоря растет. В первый момент скорость вращения двигателя снижается. Это обусловлено увеличением падения напряжения на якоре и уменьшением подводимого к якорю напряжения.
После этого вступает в действие система автоматического регулирования. Так как задающее напряжение остается неизменным, а напряжение на якоре уменьшается, то разность между ними возрастает. Ток в обмотке управления ( ), включенной на эту разность, увеличится. Кроме того, он увеличивается благодаря действию узла токовой связи, т.к. увеличение нагрузки влечет за собой рост тока в цепи якоря, или то же самое, увеличение тока, потребляемого из сети. В результате этого на выходе выпрямителя 3В увеличивается напряжение, обеспечивающее увеличение тока в обмотке . Нарастание тока в обмотке увеличивает намагничивание сердечников магнитных усилителей, в результате чего их индуктивное сопротивление уменьшается, в итоге растет выпрямленное напряжение , компенсирующее снижение скорости вращения под влиянием увеличения нагрузки. Нарастание напряжения прекращает рост тока в обмотке и система приходит в равновесие до следующего возмущения.
Цепи обмотки возбуждения электродвигателя, обмотки смещения и обмотки управления ( ) питаются от общего выпрямителя 2В, через трансформатор напряжения Т. На выходе выпрямителя, в качестве фильтра включен конденсатор С или дроссель Др.
Скорость вращения двигателя задается положением движка потенциометра Р (задатчика регулятора скорости),включенного последовательно с ограничительными “наладочными” сопротивлениями R1 и R2.Сопротивлением R1 задается минимальная скорость вращения, R2-максимальная. Сопротивлением R3 устанавливается напряжение возбуждения, сопротивлением R4 – ток смещения магнитного усилителя, сопротивлением R5 выбирается коэффициент усиления цепи положительной обратной связи(по току).
Блок-схема исследуемого МУ можно представить в виде рис.7 на котором приняты следующие обозначения:
П- потенциометр задания скорости с передаточной функцией W1(p)
Σ- сумматор W2(p)W3(P)
ОС- обмотка смещения МУ W7(p)
ОУ- обмотка управления МУ W4(p)
ОР- обмотка рабочая МУ W5(p)
Тр- трансформатор
Трт- трансформатор 
В- выпрямитель
ИД- исполнительный двигатель W6(p)
Структурная схема МУ представлена на рис.8, на котором кроме обозначенных, выше передаточные функции
 - обратной связи по напряжению двигателя,
 - внутренней обратной связи по току.
Передаточные функции составных частей привода определяются
Передаточная функция прямого тракта записывается
 ,
где  - передаточная функция цепи рабочих обмоток с учетом внутренней положительной обратной связи (см. приложение).
Положим для простоты, что  и действие этой связи аналогично ОС2, тогда примем, что она отрицательна (на самом деле здесь имеет место функциональная зависимость, т.к.  , тогда передаточная функция системы с учетом обратных связей записывается
 ,
где  ,
 ,
 .
В установленном режиме при передаточная функция системы принимает вид
 .
|
|
|
Скачать 0.58 Mb.
