Классификационные признаки систем

Введение в теорию систем

В последние годы методологию выбора научно обоснованных решений технических и социальных проблем связывают с такими понятиями, как общая теория систем, системный подход, комплексный подход, системный анализ, схемотехника и др.

Создание сложных технических систем, проектирование народнохозяйственных комплексов и управление ими, анализ экологической ситуации и многие другие направления инженерной, научной и хозяйственной деятельности требовали организации исследований, которые носили бы нетрадиционный характер.

Общая теория систем возникла как обобщение именно тех принципов и закономерностей, которые в значительной степени могут быть применимы к объектам разной природы.

Теория систем изучает общность признаков и свойств сложных систем, методы их математического описания независимо от того, объектом изучения, каких научных дисциплин являются эти системы. Именно поэтому общую теорию систем называют междисциплинарным научным направлением.

Фундаментальным понятием теории систем является понятие «система». Несмотря на то, что термин «система» появился в научной литературе давно, он является фактически столь же неопределенным, как и «множество» или «совокупность». Буквально система – целое, составленное из частей. Системой считается объект, обладающий четырьмя свойствами: целостностью, исчислимостью, наличием существенных связей между элементами, наличием организации интегративных качеств.

Элемент – простейшая неделимая часть системы или предел членения системы при решении конкретной задачи.

Подсистема – множество более крупных, чем элементы, но более детальных, чем система в целом, составляющих. Возможность деления на подсистемы связана с вычленением совокупностей взаимосвязанных элементов, способных выполнять относительно независимые цели, т.е. обладающих свойством целостности.

При этом надо иметь в виду, что элементы существуют лишь в системе. Вне системы – это объекты, которые обладают лишь системозначимыми свойствами, дающими этому объекту потенциальную возможность быть включенным в систему.

Система характеризуется тем, что между ее элементами или их свойствами реализуются устойчивые связи, которые по мощности (силе) превосходят связи (отношения) данных элементов с элементами, не входящими в данную систему. Указанное свойство отличает систему от простого набора элементов и выделяет ее из окружающей среды в виде целостного образования.

Связь – физический канал, по которому обеспечивается обмен между элементами системы и системы с окружающей средой. Обмен возможен веществом, энергией, информацией и т.д. По физическому наполнению связи бывают вещественными, энергетическими, информационными, смешанными и физически не наполненными. К физически ненаполненным связям относятся связи типа: равно (=), больше (> ), меньше (< ), принадлежит (Î ), не принадлежит (Ï ) и т.д. По направлению различают связи прямые, обратные и нейтральные.

Виды связей: а – прямая; б – прямая и обратная; в – прямая и контрсвязь;

г – нейтральная

Важной характеристикой связи является ее мощность (сила). Система существует как некоторое целостное образование тогда и только тогда, когда мощность (сила) существенных связей между элементами системы больше, чем мощность (сила) связей этих элементов с окружающей средой.

Наиболее просто оценивается сила (мощность) энергетических связей между элементами по интенсивности потоков энергии. Для этого определяются общие количества энергии, циркулирующие в системе в единицу времени и количество энергии, проходящее через определенный канал связи между элементами за ту же единицу времени. Их отношение и покажет мощность связи.

Управление в системах

Все технические и технологические системы должны быть управляемы. Под управлением будем понимать процесс организации такого целенаправленного воздействия на структуру системы и ее связи, в результате которого изменяется функционирование системы и обеспечивается достижение поставленной цели.

Система, в которой осуществляется процесс управления, называется системой управления.

В общем виде структура управления технической и технологической системами представлена на рисунке.

Схема системы управления

В процессе управления система динамически взаимодействует с внешней средой и может быть количественно оценена через свои входы и выходы. Вектор входных параметров обозначим , а выходных – .

Обычно среди векторов входных параметров выделяются следующие группы переменных параметров.

Входные переменные (контролируемые возмущения) . К этой группе относятся такие переменные, которые измеряются, а следовательно, и наблюдаются, но возможность воздействия на них отсутствует. В связи с этим данную группу входных параметров называют иногда контролируемыми возмущениями.

Управляющие переменные (управляющие воздействия) . Под управляющими переменными понимают такие входные параметры,

с помощью которых можно целенаправленно влиять на вектор выходных параметров. Отметим, что управляющие переменные всегда наблюдаемы и остаются ресурсы управления для их изменения.

Возмущающие переменные (возмущения) – случайным образом изменяющиеся во времени неконтролируемые параметры. Относительно входа выдвигаются обычно лишь определенные предположения, гипотезы, но непосредственно этот вход не измеряется.
В частности – это колебания нагрузки.

Таким образом, объект управления имеет три входа: наблюдаемый, но не управляемый , управляемый, а следовательно, и наблюдаемый и ненаблюдаемый . Все эти входные параметры влияют на выходные, т.е. в любой момент времени выходные параметры объекта управления являются функцией векторов , , .

Измерительные системы, указанные на рисунке, позволяют контролировать некоторые переменные векторы , , или их комбинации. В большинстве случаев размерность этих векторов, характеризующих истинное состояние процесса, больше соответствующей размерности их измеренных значений , , . Последнее связано с тем, что часть переменных невозможно измерить из-за отсутствия необходимых технических средств измерения, а некоторые их них в принципе измерить невозможно. При этом неопределенность вносится погрешностями измерений, случайными возмущениями, действующими на измерительные системы .

Эта информация всегда является неполной вследствие ограниченных возможностей всякой системы сбора информации и необходимости затрат на нее.

В процессе исследования систем обычно приходится рассматривать не систему (чаще ввиду сложности), а формальное описание ее существенных особенностей. В этом случае реальная система заменяется моделью. Разработка моделей и последующее их использование называют моделированием систем. В основе моделирования лежат математические модели.

Математическая модель – система математических выражений, описывающих существенные характеристики моделируемой системы. Вид математической модели зависит как от природы реальной системы, так и от задач исследования и требуемой достоверности и точности решения задач. Поскольку математические модели абстрактны, они широко используются в системных исследованиях.

Математическая модель объекта является его идеализацией. Поэтому приходится применять те или иные допущения, упрощения, значимость которых можно оценить лишь по конечному результату. Возникает задача «настройки» математической модели на реальный объект или идентификации модели. Главная задача идентификации модели – параметрическая идентификация – определение именно таких значений параметров, результаты расчета которых совпадают с экспериментом.

Принципы системного подхода

Принципы системного подхода – некоторые утверждения общего характера, обобщающие опыт разработки сложных систем:

· принцип конечной цели – абсолютный приоритет конечной (глобальной) цели;

· принцип единства – совместное рассмотрение системы как целого и как совокупности частей (элементов);

· принцип связности – рассмотрение любой части совместно с ее связями с окружением;

· принцип модульного построения – выделение подсистем (блоков, модулей) в системе и рассмотрение ее как совокупности модулей;

· принцип иерархии подсистем (элементов) и (или) их ранжирование;

· принцип развития – учет изменяемости, способности к развитию, замене частей, накоплению информации;

· принцип децентрализации – сочетание принимаемых решений и управление централизацией и децентрализацией;

· принцип неопределенности – учет неопределенности и случайностей в системе.

Отметим, что хотя все перечисленные принципы так или иначе затрагиваются практически при любом изложении системного подхода, их формулировки пока не являются общепринятыми.

Рассмотрим введенные принципы более подробно.

Принцип конечной цели означает, что в целенаправленной системе все должно быть подчинено конечной цели. Любая попытка совершенствования, изменения и управления в такой системе должна оцениваться с учетом того, помогает или мешает она достижению конечной цели. Это накладывает особую ответственность на выбор цели и ее четкую трактовку. Расплывчатые, не полностью определенные конечные цели обусловливают неясности в структуре и управлении системой и, как следствие, неверные действия.

В несколько измененной трактовке принцип конечной цели применяют и к системам, которые не являются целенаправленными. В этом случае понятие конечной цели заменяют понятиями основной функции, основного назначения, свойства системы.

Следующие три принципа тесно взаимосвязаны, их иногда даже объединяют в один принцип – единства связи. Но имеются причины, по которым их полезно рассматривать отдельно. Во-первых, принцип единства – ориентация на «взгляд вовнутрь» системы или ее части, а принцип связности – на «взгляд изнутри». В разные моменты исследований полезна либо та, либо другая ориентация. Во-вторых, рекомендуемое в принципе единства расчленение системы с сохранением целостных представлений о ней на практике отличается от процедуры выявления возможных связей, рекомендуемой в принципе связности. Принцип модульного построения указывает на возможность рассмотрения вместо части системы совокупности ее входных и выходных воздействий. Он утверждает полезность абстрагироваться от излишней детализации при сохранении возможности адекватного описания системы.

Принцип иерархии акцентирует внимание на полезности отыскания или создания в системе иерархического (доминирующего) характера связей между элементами. Исследователь должен решать, в каком порядке он будет рассматривать части системы, а наладчик начинает поиск неисправностей в системе с тестов, определяющих наиболее типичные отказы. Этот принцип широко используется при проектировании, проведении исследований технических систем.

Понятие развития, изменяемости при сохранении качественных особенностей или усовершенствования систем закладывается, как правило, в основу создания системы. При модульном построении такое развитие обычно сводится к замене и добавлению модулей (частей), с этим связаны, в частности, модернизация, усовершенствование оборудования, технологии.

Принцип децентрализации рекомендует, чтобы управляющие воздействия и принимаемые решения исходили не только из одного центра. Ситуация, когда все управления исходят из одного центра, называется полной централизацией. Такое положение считается оправданным лишь при особой ответственности за все происходящее в системе. Однако система с полной централизацией будет негибкой, приспособляющейся, не обладающей «внутренней активностью». Кроме того, чем выше степень децентрализации решений в системе, тем сложнее они согласуются для достижения глобальной цели. При этом естественно возникает вопрос об оптимальной степени централизации системы. Общий принцип такого сочетания прост: степень централизации должна быть минимальной, обеспечивающей выполнение поставленной цели.

Принцип неопределенности утверждает, что можно иметь дело и с системами, в которых нам не все известно или понятно. Это может быть система с невыясненной структурой, с непредсказуемым ходом процессов, с неизвестными внешними воздействиями. Существует несколько способов учета неопределенности в системе. В частности, можно оценивать «наихудшие» или в каком-то смысле «крайние» возможные ситуации. Этот способ обычно называют методом гарантированного результата (оценки); по информации о вероятностных характеристиках случайностей (математическому ожиданию, дисперсии и другим оценкам) можно оценить вероятностные характеристики выхода систем.

Все эти принципы обладают очень высокой степенью общности, т.е. отражают отношения, сильно абстрагированные от конкретного содержания прикладных проблем. Интерпретация принципов для данного частного случая может приводить и к обоснованному выводу о не значимости какого-либо из принципов или об отсутствии условий для его применения. Так, в системе может не быть иерархии, она может считаться полностью определенной. Связи могут быть настолько очевидны, что не требуется специального их рассмотрения. Многократное применение исследователями принципов системного подхода в разных ситуациях приводит к тому, что у них вырабатывается особый тип мышления, который принято называть системным. Такое мышление характеризуется умением более правильно ставить и решать задачи, связанные с разработкой систем. Использование этих принципов будет показано позднее при решении задач моделирования систем.

Определения, назначение и состав ЭМС

Под электромеханической системой следует понимать совокупность электромагнитных, электрических и механических устройств, элементов, в которых электромагнитные и механические процессы взаимосвязаны и не могут протекать независимо друг от друга.

Понятие ЭМС весьма широко и включает в себя как различные электромеханические преобразователи энергии, электромеханические механизмы и приборы, так и совокупность электропривода и рабочей машины.

Всякое движение в электромеханических системах определяется взаимодействием электромагнитных и механических элементов и сопровождается преобразованием механической энергии в электромагнитную либо электромагнитной энергии в механическую.

Области применения ЭМС разнообразны – от миниатюрных с мощ-ностью в несколько милливатт до крупных энергосистем мощностью до 1200 МВт. Широкое многообразие ЭМС приводит к необходимости изучать и общие принципы, а также особенности отдельных устройств и конструкций.

Наиболее общий подход к решению задач в ЭМС (ЭМП) состоит в определении взаимодействия тел, несущих ток или заряд, в электромагнитном поле. Этот подход опирается на решение уравнений электродинамики, в классическом варианте – уравнений Максвелла. Однако необходимость определения граничных условий делает этот подход весьма трудоемким.

Практический метод решения задач в ЭМС заключается в том, что электромеханическое устройство рассматривается как совокупность электрических и магнитных цепей с сосредоточенными параметрами. Это возможно, если скорости протекания физических процессов и частоты изменения величин относительно невелики, что позволяет формулировать динамические уравнения движения на основе параметров, определенных с помощью измерений или расчетов статистического поля. На этой основе строятся различные обобщенные модели электромеханической системы.

И, наконец, определив процесс создания магнитного поля за счет энергии электрического поля, установив понятие силы, момента и ЭДС на основе законов электромеханики, изучают взаимодействие между электрической и механической частями системы.

И тогда в уравнения электрической цепи войдут ЭДС, зависящие от механических скоростей (ЭДС движения), наряду с ЭДС, зависящими от электрических токов и их производных от времени, а уравнения механического движения содержат составляющие, являющиеся функциями электрических величин.

Составы электромеханических систем: различные электромеханические преобразователи энергии, электроприводы, взаимосвязанные процессы в них, специально построенные системы для технологических процессов.

1.2. Процесс преобразования энергии

Любой процесс преобразования энергии подчинен закону сохранения энергии. С позиций преобразования энергии ЭМС выглядит следующим образом:

Подводимая энергия

Энергия на выходе

Запасенная энергия

Потери энергии

Преобразование электрической и механической энергий происходит посредством энергии, запасенной в преобразователе (системе).

В любом ЭМП имеются взаимодействующие электромагнитные контуры, часть которых может быть неподвижна, а некоторые имеют возможность перемещаться. В основе принципов работы ЭМП находятся физические законы электромагнетизма: полного тока, электромагнитной индукции и электромагнитных сил.

Закон полного тока определяет создание магнитного поля в ЭМП при наличии тока в контурах. Закон электромагнитной индукции обеспечивает восприятие действия магнитного поля путем создания при изменении потокосцепления какого-либо контура ЭДС. При этом, поскольку потокосцепление y может изменяться как из-за изменения величины во времени t, так и вследствие перемещения контура, т.е. изменения по пространственной координате х, то для единичного контура следует:

Первое слагаемое в уравнении определяет ЭДС, возникающую в проводнике, движущемся со скоростью (м/с) в магнитном поле с индукцией (Тл) и может быть приведено к виду

где – элемент длины проводника, откуда следует хорошо известное выражение e = Blv, если В – const, v – const и вектора и взаим-но перпендикулярны.

Второе слагаемое описывает процесс в неподвижном проводнике (контуре) при и изменении магнитного потока, сцепленного с данным контуром, и определяет трансформаторную ЭДС:

ЭДС возникает всюду: в замкнутых контурах, в том числе и в воображаемых, и вызывает в них вихревые токи.

Закон электромагнитных сил устанавливает связь между электро-магнитным полем и движущимися зарядами или током. На элемент проводника с током в магнитном поле действует механическая сила

[н],

где d – плотность тока, А/м²; ds – элемент площади поперечного сечения проводника, м².

Если ток равномерно распределен по проводнику, то сила

где – вектор, перпендикулярный плоскости векторов и .

Энергии

Общее представление процессов в ЭМП выглядит (см. рисунок).

I – электрическая система, II – поле связи, III – механическая система;

1 – электрический вход, 2 – электрические тепловые потери, 3 – тепло-

вые потери поля, 4 – механические тепловые потери, 5 – механический

вход, 6 – механический вход поля связи, 7 – электрический вход поля

связи

Закон сохранения энергии справедлив в течение всего процесса преобразования энергии, несмотря на то, что энергия существует в различных формах.

Распределение запасенной энергии между различными частями ЭМП будет отражаться как на статических, так и на динамических характеристиках ЭМП. Однако рассмотрение только энергии не дает в общем случае всей информации, необходимой для описания работы устройства. Такие факторы, как особенности поля связи между электрическими и механическими переменными, полные сопротивления устройств (например, отношение напряжения к току или момента к скорости), являются основными при описании характеристик и режимов устройства, но они не могут быть найдены из принципа сохранения энергии.

Когда изучают процесс, используя обобщенные координаты и уравнения Лагранжа, систему описывают через ее энергетические параметры, которые должны удовлетворять закону сохранения энергии. Этот подход по сравнению с подходом, основанным на принципе сохранения энергии, более эффективен и систематизирован. Поэтому применение уравнений Лагранжа широко распространено при анализе физических процессов.

В этом случае при анализе процесса преобразования энергии должен учитываться закон для сил между электрическими зарядами или закон для сил между электрическими токами, так как только они являются известными независимыми соотношениями между механическими силами и электрическими величинами.

Результирующее поле связи может быть электрическим или маг-нитным, но для преобразования энергии, согласно, Пойнтингу должны присутствовать и электрическое и магнитное поля. Однако преобразователь классифицируется как магнитный, если физическая структура его преимущественно ферромагнитная, или как электрический, если структура образована электрическим проводником в соответствующей диэлектрической среде.

Все эти соображения положены в основу разработки обобщенных моделей ЭМП.

Электродвигатели для ЭМС

Тип исполнительного двигателя и способ управления им в значительной мере определяют как структуру управления эмс, так и достигаемые при этом показатели.

Некоторые особые требования к исполнительным двигателям:

– низкие значение номинальной угловой скорости при повышенных значениях вращающего момента (так называемые низкоскоростные моментные двигатели );

– возможность реверса;

– способность длительной работы в непрерывных динамических режимах;

– высокие удельные показатели (отношение вращающего момента к массе и т.п.);

– совместимость с автономными источниками питания по роду электрической энергии и параметрам напряжения;

– бесконтактность (при работе в агрессивных средах);

– функциональные специальные возможности;

– длительный срок службы;

– невысокая стоимость.

Традиционно в ЭМС используются двигатели постоянного тока (ДПТ), двухфазные асинхронные двигатели (ДАД), трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АД), шаговые двигатели (ШД), синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ).

Двигатели постоянного тока используются в ЭМС несколько десятков лет. Основными достоинствами ДПТ принято считать принципиальную устойчивость в переходных режимах, удобство управления изменением питающего напряжения, хорошие массогабаритные показатели (особенно при возбуждении от постоянных магнитов), широ-кую номенклатуру типов, мощностей, размеров, детально развитую теорию.

Недостатком в данном случае являются пониженная надежность вследствие износа и искрения коллекторного узла и неприменимость в некоторых установках, работающих во взрывоопасных и пожароопасных средах, в вакууме. Гарантированное время наработки на отказ у большинства современных типов ДПТ составляет не более 2000 часов, что на порядок меньше того, что требуется во многих автономных установках, не предполагающих ремонта и обслуживания.

Поэтому наряду с дальнейшим совершенствованием ДПТ наблюдается тенденция перехода в соответствующих ЭМС к двигателям переменного тока. Статистические данные говорят о том, что в последние годы в мире снижалось потребление ДПТ почти на 10 % в год, и увеличивались продажи электродвигателей и ЭМС переменного тока на 8 % в год.

Двухфазные асинхронные двигатели (короткозамкнутые и с полым ротором) являются вторыми по применяемости в ЭМС, так как долгое время были единственной альтернативой ДПТ. Достоинствами ДАД являются их бесконтактность, малоинерционность (особенно двигателей с полым ротором), способность работать на больших скоростях, совместимость с индукционными датчиками углового положения на основе сельсинов, вращающихся трансформаторов и других электрических микромашин.

В классических следящих системах ДАД управляются изменением амплитуды напряжения обмотки управления. Однако высокие номинальные скорости осложняют применение ДАД в низкоскоростных ЭМС ввиду необходимости использовать редукторы с большим передаточным числом, т.е. низким КПД и ощутимыми погрешностями.

Высокие номинальные скорости приводят к малым срокам службы подшипников самих ДАД, которые в результате даже при отсутствии скользящих электрических контактов имеют гарантированное время безотказной работы немногим большее, чем ДПТ – порядка 5000 час. В бытовых и частично общепромышленных установках, получающих питание от однофазной сети, используются двух- и трехфазные конденсаторные асинхронные двигатели.

Трехфазные асинхронные двигатели, обладая такими же преимуществами, что и ДАД, также применяются в ЭМС сравнительно часто, но существуют дополнительные сложности управления ими, в частности, обеспечение реверса.

Шаговые двигатели находят широкое применение в современных ЭМС, обладая многими достоинствами: отсутствие скользящих контактов, способность работать в разомкнутых системах, удобство сопряжения с цифровыми управляющими устройствами.

ШД – единственные электромеханические преобразователи энергии, обеспечивающие непосредственное цифроаналоговое преобразование кода в угловое положение. Недостатком ШД является их неспособность к плавному вращению на малых скоростях из-за импульсного характера работы, худшие, по сравнению с другими типами двигателей, удельные показатели (момент на единицу массы и т.п.).

Синхронные двигатели с постоянными магнитами получили значительное распространение в ЭМС как альтернатива одновременно ДПТ, ДАД и ШД. Наибольшее распространение находят СДПМ в режиме бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ), что приближает их характеристики к таковым у ДПТ, которые считаются эталонными. Многие СД могут работать также в режиме ШД, что расширяет область их применения.

Достоинствами их служат хорошие массогабаритные показатели и низкие номинальные скорости, что позволяет уменьшить передаточное отношение редуктора. Недостатком является невысокая равномерность вращения при работе на малых (ползучих) скоростях, сравнительно высокая стоимость, возможность размагничивания постоянных магнитов с соответствующим ухудшением характеристик.

Индукторные двигатели с электромагнитной редукцией частоты вращения получили распространение в последние 20–25 лет. Обладают всеми достоинствами СДПМ и существенно более низкими скоростями при высокой равномерности вращения. Недостаток – высокая стоимость.

Сравнение различных двигателей осуществляется по следующим показателям:

· масса и габариты;

· минимальная скорость;

· способность работать в управляемых системах;

· срок службы.

1.7. Преобразовательные устройства

Получают энергию от ИП, в качестве которых могут быть электрические сети однофазного и трехфазного тока, синхронные генераторы по системе «Д-СГ», генераторы постоянного тока, т.е. системы «Д-ГПТ», различные аккумуляторы и системы «Тр-В».

Используютсяпреобразовательные устройства:

1) для ЭМС с двигателями постоянного тока: управляемый вы-прямитель (УВ), широтно-импульсный (ШИП), частотно-импульсный (ЧИП), широтно-частотный преобразователь (ШЧИП);

2) для ЭМС с двигателями переменного тока: автономный инвертор,

или циклоконвертор, т.е. непосредственный преобразователь частоты, на вход которого подается неизменное напряжение, а на выходе имеем переменную частоту огибающей импульсного напряжения.

В ПУ используют транзисторы и тиристоры.

Транзистор – полностью управляемый полупроводниковый элемент. В тиристоре прерывание тока осуществляется естественной или искусственной коммутацией. В связи с различными свойствами применяют оба элемента.

· Для транзистора I_max = I_ном; для тиристора I_max > I_ном

Управляющие устройства.

Способы управления ЭМС

Простотасистемы управления ЭМС зависит от нескольких факторов: числа каналов управления, числа регулируемых переменных, наличия обратных связей и вид регуляторов (линейные, нелинейные, с эталонной моделью и др.). Очевидно, что тип двигателя влияет на сложность систем управления (СУ) с учетом возможных способов управления. Наиболее простыми являются двигатели с одноканальным управлением, возбуждение которых осуществляется постоянными магнитами.

Для управления исполнительных двигателей переменного тока преимущественно используются частотные способы: частотно-независи-мое, частотно-токовое, частотно-векторное и частотно-зависимое уп-равление.

Частотно-независимое управление (ЧНУ) реализуется изменением частоты синусоидального питающего напряжения. В электрических двигателях угловая скорость ротора однозначно связана с частотами тока питания.

Увеличение частоты уменьшает максимальный момент двигателя, т.е. снижает его перегрузочную способность и устойчивость в переходных режимах.

Уменьшение частоты приводит к перераспределению токов в обмотках, насыщению отдельных участков магнитопровода, изменению индуктивностей, дополнительным потерям и перегреву.

В связи с этим при ЧНУ используется одновременное изменение амплитуды питающего напряжения, т.е. те или иные законы частотного управления.

В настоящее время синтезировано несколько законов частотного управления двигателей по различным критериям для установившихся режимов, в частности из условий максимального КПД и минимальной мощности потребления, постоянства перегрузочной способности и минимума тока ротора.

Частотно-токовое управление (ЧТУ) первоначально было разработано для СД, а затем и для других двигателей переменного тока. Суть ЧТУ сводится к формированию в обмотках синусоидальных токов заданной амплитуды с частотой, соответствующей частоте вращения ротора, т.е. при ЧТУ в двигателе формируется вращающий момент, а не скорость, как при ЧНУ.

Частотно-векторное управление (ЧВУ) первоначально было разработано для АД с короткозамкнутым ротором, а затем нашло применение для всех других типов электрических машин переменного тока. Суть ЧВУ сводится к построению системы управления на базе математического описания электродвигателя в системе координат с взаимно неподвижными обмотками.

Выбором системы координат (привязкой ее к тому или иному обобщенному вектору тока, напряжения или потокосцепления) обеспечивают оперирование с сигналами постоянного тока, что существенно упрощает построение и настройку системы. Переход от управляемых величин в модели к реальным величинам в двигателе, а от реальных управляемых величин в двигателе к преобразованным в модели осуществляется с помощью соответственно прямого и обратного координатных преобразований.

Частотно-зависимое управление (ЧЗУ) первоначально было разработано для СД с постоянными магнитами по схеме бесконтактного двигателя постоянного тока, а впоследствии нашло некоторое применение для АД с короткозамкнутым ротором. Суть его сводится к тому, что частота питания обмоток определяется текущей угловой скоростью ротора, т.е., если при ЧНУ частота питания определяет скорость, то при ЧЗУ скорость двигателя определяет частоту питания. Управление скоростью осуществляется изменением напряжения постоянного тока, от которого питается зависимый инвертор.

Фазовое управление заключается в том, что обмотки подключают к многофазным напряжениям одинаковой частоты, обеспечивая тем самым режим синхронного стояния, а потом тем или иным способом изменяют фазы питающих напряжений.

Преимущественное распространение получили различные варианты ЧВУ, отличающиеся опорным вектором, к которому осуществляется привязка системы координат, а также датчиками обратных связей и цепями задания регулируемых величин.

Измерительные устройства,

Согласования в ЭМС

Датчики скорости (ДС), тахогенераторы, фотометрические уст-ройства – измеряют величины.

Датчики положения (ДП), измеряют углы, фиксируют положение – это вращающиеся трансформаторы, сельсины, потенциометры, фазовращатели.

Выбор разомкнутой или замкнутой системы определяется требова-ниями к выходному параметру. Например, для системы регулирования ско-рости может быть применена разомкнутая система, если Dw_вых< Dw_треб..

Если Dw_выхкомплекса преобразователь-двигатель (Пр-Д) больше Dw_треб, то необходимо применить замкнутую систему.

Необходимые согласования в ЭМС:

1) звено «ИП-Пр» – по качеству электроэнергии (влияние колебаний частоты и напряжения ИП на выходное напряжение Пр, влияние Пр на ИП);

2) звено «ИП-Пр-Д» – по качеству энергопреобразования (коэф-фициенту мощности cosj, коэффициенту формы тока К_ф_i);

3) звено «Пр-Д» – по принятому способу регулирования скорости, возможных рабочих и тормозных режимов.

4) звено «Пр-Д-Р» – по энергодинамическим характеристикам силовой части приводов;

5) звено «Д-Р-ИМ» – по скорости и ускорениям, допускаемым люфтам, прочностным характеристикам.

Электромеханические

Преобразователи

Общие принципы работы

12 3 4 5 6 7 8 Следующая ⇒