Моделирование и анализ систем "выходной каскад - исполнительный механизм"

Рассмотренные способы управления инвертором не позволяют реализовать постоянную структуру силовой цепи инвертора и относятся к типу 2-2 классификационной таблицы [5]. Следует подчеркнуть, что именно это обстоятельство обусловливает отмеченные выше отрицательные особенности работы инвертора при АОП и АГП.

Если реализовать постоянную структуру в инверторе, то отмеченные особенности исключаются. Для этого необходимы дополнительные переключения транзисторных ключей в каждой фазной группе. Пример такого управления для АОП представлен на рис. 2.16 штриховыми линиями. Здесь при запирании ключа ТК2 отпирается ключ ТК5, при запирании ключа ТК3 - отпирается ТК6 и т.д.

При ШИР на основной частоте гармонический состав выходного напряжения и тока резко ухудшается в области малых напряжений и частот. Для исключения этого нежелательного явления используется широтно-импульсное регулирование на несущей частоте. В этом случае в течение периода частоты повторяемости Т_пвт несколько раз с периодом T₀ происходит включение и отключение одного из силовых ключей (рис. 2.17).

Рисунок 2.17 - Управление АИН при ШИР на несущей частоте

При этом обмотки двигателя оказываются подключёнными к источнику питания на интервале гТ₀, а на интервале (1 - г)T₀ они отключены и закорочены. На рис. 2.17 представлен случай, когда Т_пвт = 2T₀. Гармонический состав выходного напряжения при ШИР на несущей частоте улучшается с увеличением кратности:

(2.5)

Однако большие значения k трудно реализовать.

Улучшение гармонического состава выходного напряжения осуществляется при переходе к широтно-импульсной модуляции.

Рассмотрим типичный для ШИМ способ управления АИН. Сущность этого способа поясняется рис. 2.18, где показаны законы управления ключами и выходное напряжение на фазе «А».

Рисунок 2.18 - Управление АИН при ШИМ на несущей частоте

В интервале от 0 до 2р/3 на управляющий вход транзисторного ключа (например, ТК1) подаётся постоянный отпирающий сигнал, а в интервале от 2р/3 до р - широтно-модулированный сигнал - 4 импульса, длительность которых линейно убывает. Аналогичные сигналы, но с соответствующим фазовым сдвигом, подаются на входы остальных ключей. При данном способе управления сигналы подаются поочерёдно то на два, то на три транзисторных ключа. Такой алгоритм управления несет в себе возможность изменения структуры силовой цепи, т.е. относится к типу 2-3. Действительно, исследования показали, что неизменность структуры сохраняется пока .

При запирании ключа ТК1 изображающий вектор переходит из положения 2 в положение 3 (рис. 2.15). В течение импульса 1 (рис. 2.15) ключ ТК1 отперт, поэтому t₁ = Т₀. Три четверти периода импульса 2 ключ ТК1 отперт, а четверть периода он заперт.

Поэтому здесь и .

Длительность импульса 3 будет , а четвертого .

При этом средняя фаза изображающего вектора напряжения принимает последовательно значения 0; 14°; 30°; 47°.

Таким образом, изображающий вектор , перемещаясь между положениями 2 и 3 (рис 2.15), занимает некоторые промежуточные положения, отличающиеся друг от друга средней фазой. Чем больше этих промежуточных положений, тем ближе к синусоиде напряжение на выходе инвертора.

Для того, чтобы построить схемы инверторов с неизменной структурой, относящиеся к группе 1-3 (рис. 2.15 и табл. 2.1), необходимо после запирания очередного ключа, отпирать другой ключ той же фазной группы инвертора. Так, при запирании ключа ТК1, следует отпереть ключ ТК4. При этом электромагнитные процессы не будут зависеть от коэффициента мощности нагрузки.

Схемы инверторов, отнесённые согласно представленной классификации к типу 1-3, отличаются большим разнообразием, но по сути своей сводятся к многократному перемещению результирующего вектора между основными соседними состояниями. Эта особенность осуществляется с помощью оптимального алгоритма управления транзисторными ключами АИН, который заключается в многократном переключении ключей только одной фазы в течение 1/6 периода выходного напряжения инвертора. Действительно, соседние состояния результирующего вектора напряжения (например, 2 и 3 на рис. 2.18) отличаются тем, что во втором состоянии отперт ключ ТК1, а в третьем - ключ ТК4. Поэтому для того, чтобы средняя фаза результирующего вектора могла принимать промежуточные значения между 0 и р/3, необходимо на рассматриваемом интервале переключать только ключи ТК1 и ТК4, на следующем (рис. 2.18) - ключи ТК2, ТК5 и т.д. Для изменения среднего модуля результирующего вектора (формированием паузы в выходном напряжении) следует в состоянии 2 запереть ключ ТК2 и отпереть ключ ТК5; в состоянии 3 запереть ключ ТК3 и отпереть ключ ТК6; в состоянии 4 запереть ключ ТК4 и отпереть ключ ТК1 и т.д. Таким образом, на основании поведения результирующего вектора разрабатывается способ управления транзисторными ключами инвертора, который легко реализуется с помощью цифровой микросхемотехники.

В последнее время в связи со значительными достижениями в технологии изготовления силовых транзисторов, практически повсеместно стали использоваться алгоритмы с синусоидальным ШИМ. Методы широтно-импульсной модуляции напряжения на выходе автономного инвертора реализуются в разомкнутых и замкнутых системах. Разомкнутый способ реализации ШИМ в одной фазе иллюстрирует рис. 2.19.

Рисунок 2.19 - Реализация ШИМ в АИН

Генератор пилообразного напряжения (ГПН) генерирует напряжение пилообразной формы высокой частоты. Это напряжение сравнивается с синусоидальным напряжением, частота и величина которого задается входным сигналом. При рассмотренном способе модуляции инвертор представляет собой регулируемый источник напряжения.

При построении замкнутого электропривода переменного тока часто используется замкнутый способ реализации ШИМ. Этот способ иллюстрирует рис. 2.20.

Рисунок 2.20 - Реализация «токового коридора» в АИН

Здесь за счет отрицательной обратной связи по току и релейного элемента (РЭ) ток в нагрузке пульсирует около заданного значения. Амплитуда и частота пульсаций определяется параметрами R, L активно-индуктивной нагрузки и шириной петли гистерезиса релейного элемента. Часто такой способ ШИМ называют «токовым коридором». При реализации «токового коридора» инвертор представляет собой источник тока, а управление электрической машиной в этом случае относится к частотно-токовому.

Устройства управления инвертором должны реализовать способ, который обеспечил бы удовлетворение двух основных требований, предъявляемых к системе преобразователь - машина переменного тока:

а) минимальные потери в двигателе и минимальные пульсации момента, обусловленные воздействием полей первой и высших гармоник;

б) минимальные потери в элементах преобразователя.

Эти требования противоречивы, так как для улучшения работы двигателя следует повышать несущую частоту, а для уменьшения потерь в преобразователе - уменьшать, кроме того, двусторонняя энергетическая связь требует добавочных переключений в преобразователе. Компромисс в удовлетворении отмеченных требований находится на основании анализа электромагнитных процессов.

3 ОПТИМИЗАЦИЯ КОНТУРА ТОКА В SIMULINK

3.1 Расчёт параметров регуляторов тока при идеальном источнике тока

Расчётная схема контура тока показана на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 - Структурная схема контура тока

Контур содержит идеальный инвертор с передаточной функцией:

где K_I = U_фт/U_ymax = (220·)/10 = 31,11 - коэффициент усиления инвертора;

U_s=U_ф - модуль пространственного вектора фазного напряжения статора;

U_ymax =10 В - максимальное напряжение управления инвертором; T_I = 0,5(1/f_i) = 0,0002 c - постоянная времени инвертора;

f_i = 2500 Гц - несущая частота (коммутации) инвертора.

(3.1)

Нагрузка инвертора представлена эквивалентным сопротивлением статорной обмотки R=5,503 Ом и эквивалентной постоянной времени T_s' = 0,0123 c.

Придаточная функция нагрузки (цепи обмотки статора):

(3.2)

Придаточная функция фильтра Filtr1:

(3.3)

где Т_f1 = 0,00002 с - постоянная времени фильтра, которая соответствует периоду опроса данных о реальном тока 40 мкс.

Коэффициент обратной связи по току был вычислен и равен:

(3.4)

Расчет параметров регулятора тока произведем по модульному оптимуму. Все необходимые условия выполнены.

При одной большой постоянной времени рекомендуется применение пропорционально-интегрального регулятора с передаточной функцией вида:

(3.5)

где

T_s' = T_из=0,0123 с - большая постоянная времени, равная времени изодрома Т_из; с эквивалентная малая пистонная времени контура тока; а_к = 2 - коэффициент оптимизации.

Таким образом, рассчитав все параметры контура тока (3.1-3.5), разработаем модель в Simulink и представим ее на рис 3.2.

Рисунок 3.2 - Схема модели контура тока

Модель реализована на элементах библиотеки Simulink, за исключением регулятора тока Current PI Controller, схема модели которого показана на рис. 4.3.

Рисунок 3.3 - Схема модели ПИ - регулятора

В блок Proportional в место параметра P заноситься коэффициент усиления регулятора , в блок Gain в место параметра I подставляем время изодрома , коэффициент интегратора I= вычисляется при инициализации регулятора.

Используемые параметры введены заведомо большого значения, чтобы исключить насыщения и обеспечить работу регулятора в линейном режиме.

Блок Current задает ток преобразователя (инвертора). Ток задаётся в виде напряжения. Для установленных параметров в задающему напряжению в ±10 В соответствует ток статора по осям ±15,13 А =10,7.

Проведем исследование спроектированного контура в линейном режиме без ограничения выходных напряжений регулятора рис. 3.4.

Рисунок 3.4 - Оптимизированный переходной процесс в контуре тока

С целью упрощения процедуры обработки полученных результатов моделирования можно представить переходной процесс в машинных единицах (вольтах). Тогда схема эксперимента принимает вид 3.5.

Рисунок 3.5 - Видоизмененная схема исследования контура тока

Результаты моделирования в машинных единицах (В) представлены на рис. 3.6.

Рисунок 3.6 - Переходной процесс в контуре тока (В)

Имеющиеся в Simulink инструменты обработки диаграмм позволяют с наименьшими затратами времени и с большой наглядностью получить нужные результаты. Например, по диаграмме на рис. 3.6 после использования инструмента определения координаты нужной точки, располагаемой на расчетной кривой, следует, что перерегулирование составляет 4,4% при теоретическом значении 4,3 [6]. Строго говоря, на этот результат влияет фильтр. Этот результат свидетельствует о том что расчет параметров регулятора произведен правильно. Какие-то детальные исследования соответствия полученных результатов не имеют смысла. Необходимые данные, если они требуются для дальнейшего проектирования, можно взять из таблиц приведенных в [6].

3.2 Исследование влияния насыщения регулятора, квантования сигнала токовой обратной связи по уровню и времени

Схема имитационной модели исследования в Simulink показана на рис. 3.7.

Рисунок 3.7 - Схема модели исследования влияния насыщения, квантования по уровню и времени

На диаграмме рис. 3.8 показаны результаты исследования влияний настройки некоторых параметров контура при максимальном запаздывающем сигнале 10В.

Рисунок 3.8 - Результаты моделирования контура при максимальном сигнале

Существенное влияние оказывает насыщение регулятора на уровне 10В, а также влияние оказывает уровень ограничения выходного напряжения интегратора регулятора. Приемлемые результаты получены при выборе ограничения интегратора на уровне 3В.

Особого внимания заслуживает исследования влияния квантования сигнала обратной связи по уровню и времени. Исследования влияния квантования по уровню дает ответ на вопрос: с каким форматом слова по разрядности необходимо применить контроллер при цифровом управлении. При исследовании влияния квантования по времени совместно с задержкой управления на это время позволит оценить требуемое быстродействие применяемого контроллера для цифрового управления. Результаты моделирования приведены для блоков Quantizer (с параметрами Quantization interval: 10/4096; Sample time: 0.00002) и Unit Delay (с параметрами Initial conditions: 0; Sample time 0.00002).

Таким образом, цифровая управляющая система (контроллер) должен обеспечить с периодом в 20мкс подачу информации в цепь обратной связи через 12-разрядный ЦАП.

Исследуем реакцию контура на малое управление в виде сигнала 0,01В. Результаты моделирования рис. 3.9.

Анализ показывает, что ограничение регулятора не влияет на реакцию контура, а квантование вносит погрешность в процесс управления. Это исследование позволяет сделать вывод о применении цифровых средств разрядностью ниже 12. И эти выводы в значительной степени справедливы при проектировании электроприводов с диапазоном регулирования 1000и выше.

Второй важный вывод состоит в том, что при малом управление оптимальные свойства различных реализаций подтверждаются.



Рисунок 3.9 - Реакция контура на малое управление

Третий вывод свидетельствует о том, что преобразователь частоты с такими свойствам реализовать невозможно, но на этом этапе проектирования решена задача определения параметров регулятора тока и сформирован некоторый эталон, к которому необходимо приближать практические реализации.

3.3 Исследование влияния реальных свойств преобразователя частоты на статические и динамические контура тока

Проведем имитационное исследование контура тока с управлением преобразователем частоты по широтно-импульсному способу на несущей частоте и с релейным управлением с переменной частотой, близкой к несущей.

Схема модели контура тока в трех реализациях показана на рис. 3.10.

Рисунок 3.10 - Схема моделей контура тока с различными реализациями

На рис. 3.10 показаны схемы моделей контура тока в трех реализациях:

а) с идеальным преобразователем частоты (эталон) - первый контур;

б) с управлением преобразователя по широтно-импульсному закону - второй контур;

в) с релейным законом управления - третий контур.

Цепи обратной связи всех контуров одинаковы, параметры регулятора тока соответствуют расчетным оптимальным значениям. Параметры регулятора при релейном управлении выбраны таким образом чтобы частота коммутации примерно соответствовала частоте несущей при широтно-импульсном управлении 2500 Гц. Ширина гистерезиса принята ± 0,2 В (при максимальном сигнале ±10 В), выходной сигнал (сигнал преобразователя частоты) двухпозиционный ±311,1 В.

Для управления по широтно-импульсному закону используем блок из состава библиотеки Simulink - Discrete PWM Generator с некоторым изменением. Выбираем управление однофазным мостом преобразователя, вводим значение несущей частоты преобразователя 2500 Гц (при максимальной частоте выбранного типа преобразователя 3000 Гц), рекомендуемый интервал моделирования этого блока 5-6 с оставляем без изменения.

Максимальная амплитуда выходного сигнала ±10 В, амплитуда выходных импульсов ±311,1 В.

Результаты моделирования реакции каждого контура на входной сигнал 10 и 1 В сведены для сравнения на одну диаграмму (рис. 3.11, 3.12).

Рисунок 3.11 - Результат моделирования реакции контура тока на сигнал 10В

Рисунок 3.12 - Результат моделирования реакции контура тока на сигнал 1В

Анализ полученных результатов моделирования позволяет утверждать, что контуры тока с реальными преобразователями выполнили поставленную задачу: на выходе сформирован ток с средним значением 15,2 А. Амплитуда пульсаций не превышает 5% и составляет 0,7...0,8А, частота пульсаций с ШИМ - 2500 Гц, для релейного управления чуть менее 2500 Гц. При входном воздействии 1 В регуляторы не насыщаются, быстродействие стало оптимальным, реальные преобразователи отработали оптимальное быстродействие и формально можно утверждать, что с релейным преобразователем качество управления улучшилось (время переходного процесса уменьшилось и перерегулирование исчезло).

Принимаем такую реализацию контура тока (с преобразователями) при проектировании контуров управления потоком и скоростью.

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ СИСТЕМ «ВЫХОДНОЙ КАСКАД -ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ»

4.1 Моделирование транзисторного электропривода

На рис. 4.1 приведена схема модели транзисторного электропривода постоянного тока.

Рисунок 4.1 - Схема модели транзисторного электропривода

Электропривод реверсивный, так как реализация нереверсивного ничем не отличается от реализации реверсивного. В качестве регулируемого реверсивного источника питания двигателя использован транзисторный широтно-импульсный преобразователь (блок Universal Bridge), управляемый блоком Discrete PWM Generator. Структура блока Discrete PWM Generator представлена на рис. 4.2.

Рисунок 4.2 - Структура блока Discrete PWM Generator

Стоит заметить, что блок двигателя постоянного тока DPT был модернизирован, способен работать с реактивным моментом нагрузки и не выходит в состав библиотек Simulink.

На рис. 4.1 показана разработанная схема модели транзисторного электропривода по структуре, двухконтурная с подчиненным регулированием параметров. Внешним контуром является контур обратной связи по скорости. Задающий сигнал скорости U_z через фильтр Transfer Fcn поступает на Sum3, сравнивается с сигналом обратной связи по частоте вращения, и разность поступает на вход ПИ-регулятора скорости (блок PI Controller1). Выходной сигнал регулятора скорости через блок ограничения Saturation Dynamic задаёт ток двигателя. Максимальное значение ±10В, задаваемое в блоке PI Controller1, соответствует предельному значению тока двигателя. Дополнительное уменьшение максимального входного напряжения регулятора скорости осуществляет контур зависимого тока-ограничения PreLookup, Interpolation (n-D).

Полученный график аппроксимируется линейно-ломаными отрезками, и координаты точек перегиба вводятся в окна настрое блоков PreLookup, Interpolation (n-D), показанные на рис. 4.4.



Рисунок 4.3 - Окна настройки блоков PreLookup и Interpolation (n-D)

В блоке PreLookup вносятся частоты вращения точек перегиба, а в блоке Interpolation (n-D) - максимальные выходные напряжения регулятора скорости, которые будут воспроизведены блоком ограничения Saturation Dynamic. Предлагаемый контур зависимого тока-ограничения работоспособен в реверсивном электроприводе.

Сумматор Sum2 вырабатывает сигнал разности между задающим и действительным значением тока двигателя, который подаётся на вход регулятора тока PI Controller2. Регулятор тока PI Controller2, транзисторный преобразователь Universal Bridge с управлением (Discrete PWM Generator) и двигатель DPT образуют подчиненный (внутренний) контур. Блок единичной задержки Unit Delay1, введенный подчиненный контур, обеспечивает устойчивый процесс моделирования в Simulink.

На рис. 4.4 отображены введенные параметры в блоки Discrete PWM Generator и Universal Bridge.

Рисунок 4.4 - Параметры блоков PWM Generator и Universal Bridge

На рисунке 4.5 показаны окна ввода и числовые значения для двигателя постоянного тока с постоянными магнитами. Для данного двигателя напряжение питания обмотки возбуждения 30 В и активное сопротивление 30 Ом. При этих условиях коэффициент взаимной индукции меду полем возбуждения и обмоткой якоря L_af равен постоянной двигателя С.

Рисунок 4.5 - Окна ввода параметров двигателя постоянного тока

На рис. 4.6 приведены окна ввода параметров ПИ-регуляторов. Следует отметить что рассчитанное время интегрирования регулятора выводиться в виде интегрального коэффициента усиления I=1/T.

Рисунок 4.6 - Окна ввода параметров ПИ-регуляторов

На рис. 4.7 показаны значения введенных коэффициентов обратной связи по скорости и току двигателя.

Рисунок 4.7 - Окна ввода коэффициентов обратной связи по скорости и току

Коэффициент обратной связи по скорости К_с = 10/210 трактуется как: 10 В - максимальное задающее напряжение по скорости, 210 1/с максимальная скорость двигателя. Коэффициент обратной связи по току К_m =10/200, где 200 А - максимальный ток двигателя, 10 В - максимальное выходное напряжение регулятора скорости, действующее на входе задания регулятора тока.

На рис. 4.8 показаны вводимы данные для задания по скорости. На интервале времени 0...0,4с действует задание +0,01 В, на интервале 0,4...0,8с действует задание -0,01 В.

Рисунок 4.8 - Окна ввода задающего напряжения по скорости

На рис. 4.9 изображены введенные параметры трехфазного напряжения выпрямителя, используемого для питания широтно-импульсного транзисторного преобразователя. Следует учесть что напряжение вводится в амплитудном значении.

Рисунок 4.9 - Окна ввода параметров трехфазного напряжения

4.2 Результаты моделирования и анализ полученных данных транзисторного электропривода

Результаты моделирования отработки минимального задания ±0,01 В при постоянной реактивной нагрузке номинального значения 18,5 Н·м показаны на рис. 4.10.

Рисунок 4.10 - Результат моделирования при задающем напряжении ±0,01 В и реактивной нагрузке 18,5 Н·м

Привод отрабатывает частоту вращения ±0,21 1/с. Направление тока двигателя определяется знаком скорости, что справедливо при реактивном характере нагрузке. Задержки при пуске и реверсе обусловлены инерционностью ПИ-регуляторов и реактивным характером нагрузки.

На рис. 4.11 изображены результаты моделирования процессов пуска и реверсирования транзисторного привода на максимальную частоту вращения 210 1/с.

Рисунок 4.11 - Результат моделирования при задающем напряжении ±10 В и реактивной нагрузке 9 Н·м

Характерной особенностью данных процессов (пуска и реверса) является зависимость пускового тока от величины частоты вращения, обусловленная действием контура зависимого тока-ограничения. В связи с этим процесс пуска протекает вяло, но обеспечивается нормальная работа двигателя с допустимым искрением. Наиболее эффективно двигатель используется на частотах вращения, не превышающих 50 1/с. На рис. 4.12 показана работа источника питания с учетом схемы ограничения напряжения источника.

Рисунок 4.12 - Результаты моделирования работы источника питания и схемы управления с резистором, ограничивающим повышение напряжения источника

Из приведенных диаграмм следует:

а) напряжение источника питания не превышает установленного придела в 190 В;

б) мгновенное значения тока источника питания меньше тока двигателя, что обусловлено включением емкости на выход выпрямителя.

На третьей диаграмме рис. 4.12 показан сигнал управления Ug транзистором, блокирующим выход выпрямителя при повышении напряжения на нем. Из диаграммы следует, что частота управления достаточно высокая. Для снижения частоты работы блокирующего транзистора следует использовать в канале управления релейный элемент с возможно большим гистерезисом.

На рис. 4.13 приводятся диаграммы, повторяющие рис. 4.11 но с добавлением картины напряжения на двигателе. Из диаграммы видно, что мгновенные значения напряжения на двигателе не превышают 210 В и что частота коммутации широтно-импульсного преобразователя составляет 1200 Гц.

Рисунок 4.13 - Результат моделирования при задающем напряжении ±10 В и реактивной нагрузке 9 Н·м с добавленной картиной напряжения на двигателе

На рис. 4.14 изображены диаграммы пуска и реверса двигателя на частоту вращения 52,5 1/с.

Рисунок 4.14 - Результат моделирования при задающем напряжении ±2,5 В и реактивной нагрузке 18,5 Н·м

Указанная частота вращения для данного двигателя выбирается в качестве рабочей. Из диаграммы следует, что предельное значение пустого тока незначительно отличается от максимального значения 200А. Это обстоятельство определят высокие динамические свойства привода. Например, реверсирование с номинальной реактивной нагрузкой составляет около 0,1с.

На рис. 4.15 добавлена осциллограмма мгновенных значений импульсного напряжения на двигателе. Мгновенные значения не превышают 200 В. Частота вращения и ток двигателя (момент) имеют значительно меньшую пульсации при заданных значениях приведенного к валу двигателя момента инерции и суммарной индуктивности цепи обмотки якоря.

Рисунок 4.15 - Результат моделирования при задающем напряжении ±2,5 В и реактивной нагрузке 18,5 Н·м с добавленной картиной напряжения на приводе

На рис. 4.16 изображены временные диаграммы мгновенных значений напряжения питания широтно-импульсного преобразователя, тока выпрямителя и сигнала управления блокировочным транзистором (тормозным резистором).

Рисунок 4.16 - Результат моделирования источника питания

Анализ диаграмм показывает, что мгновенные напряжения источника питания ШИП не превышают 200 В, ток источника не достигает 200 А и блокировочный транзистор интенсивно включен в момент сброса нагрузки (момент времени 0,35...0,4с). В это время часть энергии, запасенной в электроприводе, гасится на резисторе (блок Series RLC Branch3) т.е. энергия переводится в тепло. Это положение, естественно, характеризует негативные черты работы такого привода.

4.3 Моделирование тиристорного электропривода

Схема регулируемого реверсивного тиристорного электропривода представлена на рис. 4.17.

Рисунок 4.17 - Схема модели тиристорного электропривода

Реверсивный тиристорный преобразователь выполнен на базе мостовой трехфазной схемы Universal Bridge, запит от вторичной обмотки силового трансформатора, управление от линейных СИФУ, диапазон управления ±10 В.

Привод состоит из реверсивного тиристорного преобразователя, включенного по нулевой схеме, электродвигателя и схемы управления. Привод выполнен о одноконтурной схеме и имеет обратную связь по частоте вращения. Формирование пусковых токов производится ограничением скорости нарастания выходного напряжения регулятора частоты вращения. Такой способ управления целесообразен с точки зрения исключения аварийных режимов при совместном согласованном управлении.

Для управления частотой вращения применен ПИ-регулятор скорости (Speed PI Controller). Управление группами ведется с помощью блоков Saturation Dynamic, ограничение основного сигнала, проходящего через блок, производится напряжением по входам U_p и I₀.

Ограничению подвергается верхняя часть управляющей диаграммы (положительное напряжение). Это связано с характером управления вентильными группами: при положительном напряжении управления группы работают поочередно в выпрямительном режиме. По этом на входы I₀ блоков Saturation Dynamic подано неизменное напряжение минус 10 В, разрешая проходить отрицательным напряжениям управления без ограничения.

Управление ограничением организовано от двух каналов: первый на основе усилителя Gain2 формирует токовую пусковую диаграмму при пуске, второй - на основе усилителя Gain3 формирует токовую тормозную диаграмму при торможении до нулевой частоты вращения при останове или реверсе. Так как пуск и торможение выполняются на любое направление, то предусмотрен выпрямитель Аbs , позволяющий реализовать каналы ограничения для любого направления движения. Для того, чтобы каналы были подключены нужным образом в зависимости от знака частоты вращения использован блок определения знака частоты вращения Sign и два переключателя Switch. При положительном напряжении сигнала обратной связи блок Sign выдает по выходу 1, при отрицательном -1. Переключатели программируются на 1: при положительном знаке частоты вращения первый канал ограничения подключен к входу U_p блока Saturation Dynamic, а второй - к входу U_p блока Saturation Dynamic1. При нулевой или отрицательной частоте вращения подключение каналов обратное.

Задёт программу управления частотой вращения привода таймер Speed, а таймер Torque - программу управления нагрузкой.

Порядок настройки:

а) на блоке Current выставляется минимальное значение например 1 В, коэффициент усиления первого канала Gain2 - нулевое значение, второго канала Gain3 - например, (2...2,5);

б) управление скоростью осуществляется в «большом», например 5...10 В, блоке Speed даётся указание на пуск и реверс в любом направлении;

в) выполняются сеансы моделирования и настраивается коэффициент усиления первого канала таким образом, чтобы пусковой ток в начале диаграммы не превышал начального значения, заданного блоком Current;

г) коэффициент усиления второго блок настраивается в момент торможения, например при останове или реверсе. Целесообразно настраивать при реверсе, подгоняя значение тормозного тока под уже выставленное пусковое значение.

Здания на частоту вращения и нагрузку представлены на рис. 4.18.

Рисунок 3.18 - Задания на частоты вращения и нагрузку

На рис. 4.19 представлены параметры двигателя и регулятора частоты вращения.

Рисунок 4.19 - Параметры двигателя и регулятора частоты вращения

Двигатель с постоянными магнитами, сопротивление 30 Ом, ток возбуждения 1 А. В этом случае коэффициент Laf=С. Индуктивность обмотки возбуждения отсутствует, что соответствует двигателю с постоянными магнитами. Параметры регулятора частоты вращения представлены коэффициентом усиления Proportional и временем изодрома Integral. Limit Out - ограничение выходного напряжения регулятора, Limit Integr - ограничение интегратора регулятора.

Программа переключения каналов ограничения Gain2 и Gain3 показана на рис. 4.20.

Рисунок 4.20 - Настройка переключателей Switch и Switch1

Все остальные настройки схемы управления приводом показаны на рис. 4.17.

4.4 Результаты моделирования и анализ полученных данных тиристорного электропривода

На осциллографе Scope3 регистрируются четыре сигнала: частота вращения, ток двигателя, напряжение управления первой вентильной группой (Saturation Dynamic) и напряжение управления второй вентильной группой (Saturation Dynamic1).

На рис. 4.21 представлены результаты моделирования управления на ±10 В при реактивной нагрузке 12 Н·м.

Рисунок 4.21 - Управление ±10 В при реактивной нагрузке 12 Н·м

Привод отработал заданную частоту вращения 52,5 1/с, пусковые и тормозные токи составили значение 70...75А, при сбросе нагрузки в момент времени 0,42 с частота вращения достаточно быстро восстановилась до заданного значения.

На рис. 4.22. показаны результаты моделирования управления 10 В при активной нагрузке 12 Н·м.

Рисунок 4.22 -Управление ±10 В при активной нагрузке 12 Н·м

Для работы привода в режиме генераторного торможения, была сформирована программа показанная на рис. 4.23.

Рисунок 4.23 - Программа формирования активного момента нагрузки

До момента времени 0,05 с дествовали нулевое задание по частоте вращения и активный момент 12 Н·м.

Привод отработал это задание: частота вращения увеличилась до 2,955 1/с и вернулась на нулевое значение, а момент двигателя увеличился до минус 12 Н·м, чтобы удержать двигатель на нулевой частоте вращения.

Пуск и реверс произведен с таким знаком активного момента нагрузки, что двигатель работает в режиме генераторного торможения. Привот отработал задание четко. Недостаток привода состоит в значительных пульсациях тока, вызванных применением нулевой трехфазной схемы выпрямления. Наиболее существенно пульсации сказываются при управлении в «малом». На рис. 4.24 продемонстрированы результаты моделирования управления на ±0,05 В при реактивной нагрузке 12 Н·м.

Рисунок 4.24 - Управление ±0,05 В при реактивной нагрузке 12 Н·м

Электропривод отработал поданное задание достаточно четко, но пульсации частоты вращения весьма ощутимы.

В заключение можно отметить, что электроприводы с совместным управлением обеспечивают диапазон регулирования около 500.

5 ОХРАНА ТРУДА И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧЕРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

5.1 Анализ условий труда в научно исследовательской лаборатории

Аттестационная работа выполняется в научно исследовательской лаборатории, в которой находится 4 рабочих места. Рабочее место включает в себя рабочий стол, расположенный на нем компьютер (монитор, принтер, системный блок, клавиатура и мышь) и стул.

Размеры помещение, в котором будет проводится исследование, составляют 8х7х3 м (площадь 56 м^2). Размеры помещения соответствуют установленным нормам: производственная площадь, которая приходится на одного работника, составляет 14 м^2, а объем помещение на одного человека - 42 м^3, по ДСанПін 3.3.2-0.07-98 «Державні санітарні правила і норми роботи з візуальними дисплейними терміналами електронно-обчислюваних машин» эти параметры равны соответственно 6 м^2 и 20 м^3.

В помещении есть электросеть - трехфазная четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью переменного тока частотой 50 Гц и напряжением в сети 380/220 В.

Так как рабочим устройством является компьютер, его функциональная схема взаимоотношения оборудования и исследователя изображена на рисунке 4.1, то определяем вредные факторы возникающие при работе конкретно с каждым элементом оборудования таблица 5.1.



Рисунок 5.1 - Функциональная схема взаимодействия оборудования

Таблица 5.1 - Вредные факторы возникающие при работе с компьютером

Источник фактора	Фактор
Системный блок	-Повышенная температура воздуха рабочей зоны; -Шум издаваемый системой охлаждения, системой оповещения об ошибках.
Ж.К. монитор	-Прямая и отраженная блесткость; -Зрительное напряжение размер объектов наблюдения 5-1,1мм более чем 50% времени наблюдения.
Манипулятор	-Мелкие стереотипные движения кистей и пальцев рук.
Принтер	-Шум издаваемый движением каретки принтера; -Повышенный уровень вредных веществ.
Аудио колонки	-Интеллектуальные нагрузки; -Нагрузки на слуховой анализатор.
Клавиатура	-Мелкие стереотипные движения кистей и пальцев рук.

В целях осуществления анализа условий труда в помещении лаборатории были рассмотрены все существующие связи в системе «Человек-Машина-Среда». В процессе функционирования системы «Человек-Машина-Среда» (Ч-М-С) за счет взаимодействия составляющих ее элементов изменяется внутреннее состояние системы.

Входной информацией для системы является информация о состоянии предмета труда, управляющей - из вышестоящей системы. Выходом системы - воздействие на предмет труда. Так как в процессе функционирования системы изменяется ее внутреннее состояние, то необходимо рассмотреть и этот фактор, а также проанализировать одну из составных частей внутреннего состояния системы - здоровье персонала, работающего в системе. Безопасность человека зависит в первую очередь от его взаимодействия с окружающей средой.

«Человек» - это коллектив людей, работающих одновременно, в одном производственном помещении. В системе рассматривается в качестве нескольких элементов с соответствующими видами связей:

Ч1 - оператор ЭВМ, выполняющий управление машиной;

Ч2 - человек, рассматриваемый с точки зрения непосредственного влияния на окружающую среду;

Ч3 - психофизиологическое состояние человека.

«Машина» - комплекс оборудования для осуществления технологического процесса. В системе рассматривается в качестве нескольких элементов с соответствующими видами связей:

М1 - выполнение основной технологической функции;

M2 - функционирование аварийной защиты;

М3 - элемент влияния на окружающую среду и человека.

«Среда» - внутренняя среда помещения: освещение, шум, микроклимат.

ПТ - предмет труда: разработка проекта.

На рис. 5.2 представлена структурная схема «Ч-М-С». На ней указаны внешние связи: управляющее воздействие вышестоящей системы, воздействие машины на предмет труда, а также внутренние связи, указанные в таблице 5.2.



Рисунок 5.2 - Структурная схема «Ч-М-С»

Таблица 5.2 - Описание связей в системе «Ч-М-С»

№	Направление	Описание связи
1	Ч2-С	Влияние человека как биологического объекта на среду: потребление кислорода, тепло- влаговыделение и т.д.
2	С-Ч1	Влияние окружающей среды на качество работы оператора: повышенный шум, плохое освещение
3	С-Ч1	Информация о состоянии среды, которая обрабатывается человеком
4	С-Ч3	Влияние среды на состояние организма человека: температура, влажность, освещение, электромагнитные излучения и т.д.
5	М1-Ч1 М2-Ч1 М3-Ч1	Информация состояния машины, которая обрабатывается человеком
6	Ч1-М1	Влияние человека на управление техникой
7	Внешняя система управления Ч1	Управляющая информация о технологическом процессе из внешней системы управления
8	С-М1 С-М2	Влияние среды на работу машины: запыленность, температура
9	M3-C	Влияние машины на среду: шум, температура, электромагнитные излучения
10	Ч1-Ч3	Влияние работы человека на его психофизиологическое состояние: усталость и т.д.
11	Ч3-Ч1	Влияние психофизиологического состояния организма на качество его работы
12	Ч3-Ч2	Влияние психофизиологического состояния организма на степень интенсивности обмена веществ между человеком и средой
13	ПТ-Ч3	Влияние предмета труда на состояние человека
14	М1-ПТ	Влияние машины на предмет труда
15	М2-М1	Аварийное управляющее воздействие
16	М1-М2	Информация, необходимая для выработки аварийного управляющего воздействия
17	Ч1 - ПТ	Влияние человека на предмет труда
18	Ч1 - Ч2	Влияние интенсивности труда на обменные процессы
19	Ч3 - Ч3	Влияние психологического состояния людей друг на друга

В представленной системе "Ч-М-С" имеют место, как и физические, так и психофизические опасные и вредные производственные факторы, которые могут воздействовать на человека.

Согласно ГОСТ 12.0.003-74 при работе в лаборатории персонал подвержен воздействию физических факторов, таких как: повышенный уровень шума на рабочем месте; повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека; недостаточная освещенность рабочей зоны; повышенная температура поверхности оборудования, материалов. К химическим вредным и опасным факторам относятся. воздействие химических веществ на кожные покровы и слизистые оболочки Биологические вредные и опасные производственные факторы при работе на участке сборки отсутствуют. К . психофизиологические факторам относятся: умственное перенапряжение, эмоциональные перегрузки, монотонность труда, перенапряжение зрительных анализаторов. Факторы производственной среды и трудового процесса представлены в табл. 5.3.

Таблица 5.3 - Факторы производственной среды и трудового процесса

Факторы производственной среды и трудового процесса	Значение фактора (ПДК, ПДУ)	3 класса - опасный и вредные условия, характер труда	Продолжительность действия фактора, в % за смену
	Норма	Факт	1ст	2ст	3ст
1. Шум, дБ	60	57				80
2. Микроклимат: 2.1. Температура воздуха, °С	Х.п. 23-25	24				100
2.2. Скорость движения воздуха, м/с	Х.п. 1	0				100
2.3. Относительная влажность %	Х.п. 60-40	58				100
3. Освещение: 3.1. Естественное освещение КПО%	1,5	2				80
3.2. Искусственное освещение, лк	300-500	200	Х			80
4. Тяжесть трудового процесса: 4.1. Мелкие стереотипные движения кистей и пальцев рук (количество за мену)	До 40000	25000				90
5. Напряженность трудового процесса: 5.1. Интеллектуальные нагрузки 5.1.1. Восприятие информации и ее оценка	Восприятие сигналов с последующей коррекцией действий	Восприятие сигналов с последующей коррекцией действий				80
5.1.2. Распределение функции по степени сложности	Обработка информации и выполнение задания	Обработка информации и выполнение задания				80
5.1.3. Характер выполняемой работы	Работа по установ. графику	Работа по установ. графику				100
5.2 Сенсорные нагрузки: 5.2.1 Плотность сигналов, и сообщений	75-175	100-150				80
5.2.2. Количество объектов одновременного наблюдения	5-10	9				80
5.3. Нагрузка на зрительные анализаторы: 5.3.1. Размер объекта различения в мм/% времени наблюдения	5,0-1,1мм больше 50% времени	5,0-1,1мм больше 50% времени				80
5.3.2. Напряжение анализаторов зрения (категория работ)	Точная	Высокой точности	Х			80
5.4. Режим работы 5.4.1. Фактическая длительность рабочего дня	8-9	6				80
5.4.2. Сменность работы	Двух сенной работы (без ночной смены)	Двух сенной работы (без ночной смены)				80
5.4.3. Наличие регламентированных перерывов	Перерывы 3-7% от времени смены	Перерывы 3-7% от времени смены
Общее количество факторов			2

Рабочее место относиться к 2 классу опасности 1-й степени. Доминирующим фактором в лаборатории является недостаточная освещенность рабочей зоны.

5.2 Промышленная безопасность в иследовательской лаборатории

Предусмотрены следующие меры электробезопасности:

- конструктивные меры электробезопасности;

- схемно-конструктивные меры электробезопасности;

- эксплуатационные меры электобезопасности;

- использование зануления нетоконесущих частей.

Конструктивные меры электробезопасности обеспечивают такое конструктивное решение, которое предотвращает возможность прикосновения человека к токопроводящим частям приборов и оборудования.

Для устранения возможности прикосновения к токоведущим частям, все рубильники устанавливаются в закрытых корпусах, соединительные кабели и шины электропитания подведены к задней панели аппаратуры и недоступны человеку. Применяется блочный монтаж.

Согласно ГОСТ 12.2.007.0-75 принимаем 1 класс защиты от поражения электрическим током работающего.

5.3 Производственная санитария и гигиена труда в лаборатории

Лаборатория характеризуется:

а) площадь на одного производственного рабочего составляет 14м2, что превышает минимальную норму 6м2 установленную ДСанПін 3.3.2-0.07-98;

б) объем помещения на одного производственного рабочего 42м3, при норме 20м3 установленную ДСанПін 3.3.2-0.07-98;

в) в научно исследовательской лаборатории применяется искусственное освещение, при этом освещенность составляет не менее 200лк, что не соответствует требованиям ДБН В.2.5-28-2006;

г) шумовое загрязнения в лаборатории составляет 57 дБ что не превышает норму;

Рабочие места характеризуются следующими микроклиматическими условиями, которые приведены в табл. 5.4

Таблица 5.4 - Микроклиматические условия на рабочем месте

Климатические фактор	Оптимальный	Допустимый
Относительная влажность воздуха	40-60%	40-60%
Температура в холодный период	22-24 °С	21-25 °С
Температура в теплый период	23-25 °С	22-28 °С
Скорость движения воздуха	?0,1м/с	0,1-0,2м/с

Рабочие места соответствуют эргономическим требованиям ГОСТ 12.2.032-78..

Работы, выполняемые в помещении, относятся к работам высокой точности. Разряд зрительных работ (III), подразряд зрительных работ (В), контраст объекта с фоном средний, фон светлый. Минимальная освещенность для данных работ 300 лк.

Для освещения помещения с размерами 7х8 м, высотой h=3 м будут использованы потолочные светильники типа. ПВЛМ4х20 с двумя люминесцентными лампами типа ЛБ-20.

Определим необходимое число светильников при общем равномерном освещении методом коэффициента использования светового потока [1].

Расчет сводиться к выражению

, (5.1)

где E_m - минимальный уровень освещенности, E_m = 300лк;

S - площадь помещения, S=56м2;

К_з - коэффициент запаса, учитывающий запыление светильников и износ источников света в процессе эксплуатации, Кз=1,1 при условии чистки светильников не реже четырех раз в год;

Z - коэффициент неравномерности освещения, который из условия создания равномерного освещения Z=1,1;

n - количество ламп в светильнике, n=4;

N - число светильников;

Ф_л - световой поток, излучаемый лампой, Ф_л=1250 лм;

- коэффициент использования светового потока, излучаемого светильником.

Коэффициент определяется по светотехническим таблицам в зависимости от показателя помещения i, коэффициентов отражения потолка и стен.

Определим высоту подвеса светильников над рабочей поверхностью по формуле

, (5.2)

где h - высота помещения, h=3м;

h_p - высота рабочего места, h_p =0,8м.

(м).

Найдем коэффициент помещения i по формуле

, (5.3)

где i - показатель помещения;

a,b - длина и ширина помещения соответственно.

.

При i=1,75 (1,69 нет данных в таблице), с_п=70%, с_ст=50%, для светильника ПВЛМ 4х20 коэффициент использования равен з = 0,59.

Подставим имеющиеся данные в формулу (5.1) и определим необходимое число светильников

Равномерность освещения достигается при соответствующем соотношении расстояния между светильниками и высотой их подвеса. Найдём рекомендованое расстояние между рядами светильников

где L - расстояние между рядами светильников

Расстояние между рядами светильников и стенами принимаем как

l=0,5L=1,05 (м).

При ширине помещения b=7 м имеем число рядов светильников

Светильники будут расположены по 2 в ряд , как показано на рис. 5.3.

Рисунок 5.3. - Схема размещения светильников

Схема расположения рабочих мест и план эвакуации при пожаре показана на рисунке 5.4

Рисунок 5.4. - Схема расположения рабочих мест и план эвакуации при пожаре

5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

Актуальным примером чрезвычайной ситуации в лаборатории является возникновение пожара.

Согласно ДБН В.1.1.7-2002 здание имеет II-ю степень огнестойкости. Данное помещение расположено в кирпичном здании, при работе применяются твердые сгораемые материалы, так же в помещении находятся твердые и волокнистые горючие вещества, значит, пожароопасность помещения относиться к категории В (согласно СНиП 2.09.02 -85). Помещение по пожароопасности относится к классу П-IIа согласно ПУЭ-85.

Пожарная безопасность обеспечивается соответственно ГОСТ 12.1.004-91. ССБТ. “Пожарная безопасность. Общие требования” системами предотвращения пожара и противопожарной защиты. Система предотвращения пожара представляет собой комплекс организационных мероприятий и технических средств, направленных на исключение условий возникновения пожара.

Основным оборудованием, применяемым в помещении, являются ЭВМ. Замыкание, которое сопровождается искрением, ведет к недопустимым перегрузкам элементов, которые перегреваются и сгорают. Источниками пожара также могут быть устройства электропитания, электронные схемы ЭВМ, в которых возможен перегрев некоторых элементов. Кабели для подачи электропитания могут быть наиболее пожароопасными. Для уменьшения опасности воспламенения, кабели покрывают огнезащитными покрытиями.

Для тушения пожара в рабочем помещении используют первичные средства пожаротушения, к которым относятся водяные и воздушно-пенные пожарные стволы, песок, огнетушители. Однако следует ограничивать применение воды для тушения дорогостоящего электронного оборудования, которое при воздействии воды приходит в полную негодность, а также недостатком при тушении пожара водой является то, что вода обладает высокой электропроводностью и может привести к короткому замыканию.

Противопожарная защита достигается применением первичных средств пожаротушения. Согласно НПАОП 0.00-1.28-10 “Правила охорони праці при експлуатації ЕОМ” в данном помещении размещается: 4 углекислотных огнетушителей ОП-5, так как углекислота обладает плохой электропроводностью (из расчета два огнетушителя на 20 м2); телефон, установленный в легкодоступном месте; 3 пожарных извещателя (1 на 100 м2, но не менее 2-х на одно помещение) автоматическая пожарная сигнализация, которая реагирует на появление дыма, противопожарное покрывало, ящик с песком с объемом 0,25 м3.

В соответствии с ГОСТ 12.1.004-91. ССБТ. “Пожарная безопасность. Общие требования” для предотвращения пожара предусмотрено:

а) Системы предотвращения пожара:

1) Предотвращение образования горючей среды обеспечивается максимально возможны применением негорючих и трудно-горючих веществ и материалов;

2) Предотвращение образования в горючей среде источников зажигания реализуется: применением электрооборудования, соответствующего пожароопасной и взрывоопасной группе в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.011 ; использованием молниезащиты задания и оборудования;

б) Системы противопожарной защиты:

1) Противопожарная защита достигается: применением средств пожаротушения; применением автоматических установок пожарной сигнализации;

2)Ограничение распространения пожара за пределы очага достигается за счет устройств аварийного отключения;

в) Организационно - технические мероприятия:

1) обучать персонал противопожарным правилам;

2) проводить инструктаж по пожарной безопасности;

3) наличие плана эвакуации (рис 5.4.).

ВЫВОДЫ

В магистерской аттестационной работе в соответствии с поставленным заданием разработаны: информационные модели, математическое описание работы каскадов а так же достоинства и недостатки тех или иных способов исполнения каскадов, проведена оптимизация контура тока в среде моделирования Simulink, разработаны компьютерные модели систем (каскад - исполнительный механизм). Проведены исследования на базе полученной информации из моделей.

В первом раздели магистерской работы были детально рассмотрены источники литературы описывающие предметную область исследования. После был выбран объект и предмет исследования (выполнена постановка задачи).

Во втором разделе магистерской аттестационной работы, были рассмотрены информационные модели выходных каскадов, проанализирован принцип их работы, рассмотрены самые распространенные методы построения каскадов.

В третьем разделе приведены: математическая модель контура тока, компьютерная модель контура тока, на базе этих моделей были проведены исследования: влияние насыщения регулятора, квантование сигнала токовой обратной связи по уровню и времени; влияние реальных свойств преобразователя частоты на статические и динамически контура. На базе моделей получены осциллограммы по которым был проведен анализ исследования.

...