Электропривод постоянного тока с подчиненным регулированием

Системы электропривода с подчиненным контуром тока получили первоначальное применение в электроприводах постоянного тока (см. рис. 6.20). Токовый контур состоит из регулятора тока РТ, обычно пропорционально-интегрального типа. На его вход через резистор R1 подается сигнал задания тока якоря , а через резистор RS — сигнал отрицательной обратной связи по току якоря двигателя М. Первичным датчиком тока якоря двигателя служат два трансформатора тока ТА1 и ТА2. Датчик тока включает также в себя диодный выпрямитель VD1…VD4, сглаживающий фильтр на конденсаторе С1 и делитель напряжения R3. Назначением датчика тока является преобразование тока якоря в пропорциональное ему напряжение обратной связи по току , соответствующее стандартному напряжению системы управления, а также обеспечение гальванической развязки силовой цепи и схемы управления.

Преобразователь выполнен на тиристорах KS1… KS6. Управление тиристорами осуществляет система импульсно-фазового управления.

Внешний контур осуществляет регулирование скорости двигателя. Регулятор скорости PC в данном случае пропорционально-интегрального типа. На его вход через резистор R4 подается сигнал задания скорости , а через резистор R5 — сигнал отрицательной обратной связи по скорости двигателя. Первичным датчиком скорости является тахогенератор BR. Конденсатор выполняет роль фильтра низких частот, сглаживающий коммутационные и коллекторные колебания напряжения тахогенератора. Резисторы и образуют делитель, обеспечивающий напряжение обратной связи по скорости , соответствующее стандартному напряжению системы управления.

Особенностью системы подчиненного регулирования является равенство количества регуляторов и замкнутых контуров числу регулируемых координат.

Рис. 6.20. Функциональная схема электропривода с подчиненным контуром тока.

Как следует из анализа рис. 6.20, выходной сигнал внешнего контура регулирования скорости является сигналом задания внутреннего контура регулирования тока. Таким образом, каждый внутренний контур оказывается подчиненным внешнему контуру. Это и послужило основанием названия системы регулирования. Кроме того, такое построение системы позволяет осуществлять независимую настройку контуров регулирования.

Структурная схема линеаризованной двухконтурной системы электропривода, соответствующая функциональной схеме рис. 6.20, приведена на рис. 6.21.

Структура двигателя на рис. 6.21 приведена в соответствии с описывающими его уравнениями (3.12). Тиристорный преобразователь представлен апериодическим звеном с коэффициентом передачи и постоянной времени . Датчики тока и скорости также представлены апериодическими звеньями с коэффициентами передачи и и постоянными времени и соответственно.

Отличие схемы рис. 6.21 от классической двухконтурной подчиненного регулирования состоит в наличии сигнала отрицательной обратной связи по ЭДС двигателя, показанной на рисунке пунктиром.

Так как контур тока настраивают исходя из необходимости ограничения тока якоря двигателя на допустимом уровне, то при анализе схемы внутренней обратной связью по ЭДС двигателя пренебрегают, а контур настраивают на оптимум по модулю. При таком подходе регулятор тока получается пропорционально-интегрального типа с передаточной функцией.

(6.32).

где - постоянная времени регулятора, с;

- коэффициент передачи регулятора тока;

- коэффициент настройки на модульный оптимум контура тока;

- стандартный коэффициент настройки.

На рис. 6.21 приняты следующие обозначения:

- коэффициент передачи тиристорного преобразователя;

коэффициент обратной связи по току;

- максимальное напряжение задания на ток двигателя;

- максимально допустимый ток якоря двигателя;

- суммарная малая постоянная времени;

- постоянная времени тиристорного преобразователя;

т — число управляемых полупериодов напряжения за период напряжения питающей сети;

- частота питающей сети.

С пропорционально-интегральным регулятором тока статическая погрешность регулирования тока стремится к нулю, так как такой регулятор теоретически имеет бесконечно большой коэффициент усиления.

Рис. 6.21. Структурная схема линеаризованной двухконтурной системы электропривода, выполненного по принципу подчиненного регулирования.

Рис. 6.22. Графики переходных процессов тока и скорости (а) и динамическая электромеханическая характеристика пуска двигателя при максимальном задающем напряжении (б).

Контур скорости настраивается на модульный (МО) или симметричный (СО) оптимум.

При настройке контура скорости на модульный оптимум регулятор скорости получается пропорционального типа с передаточной функцией.

(6.33).

где - момент инерции электропривода; - стандартный коэффициент настройки на модульный оптимум; - коэффициент обратной связи по скорости; - максимальное напряжение задания скорости двигателя; - номинальная скорость двигателя; с — коэффициент ЭДС и электромагнитного момента двигателя при номинальном потоке возбуждения; - суммарная малая постоянная времени.

При настройке на симметричный оптимум регулятор скорости получается пропорционально-интегрального типа с передаточной функцией.

(6.34).

где - постоянная времени регулятора скорости ПИ-типа.

Коэффициент усиления регулятора скорости ПИ-типа также определяется по уравнению (6.33).

Электропривод с ПИ-регулятором скорости имеет меньшее быстродействие при отработке управляющего воздействия, но в нем теоретически отсутствует погрешность поддержания скорости при изменении момента на валу двигателя. Динамические провалы скорости при скачкообразном изменении нагрузки на валу двигателя присущи обоим типам регуляторов.

Графики переходных процессов скорости и тока при отработке скачка задающего напряжения приведены на рис. 6.22, а. На рис. 6.22, б показана динамическая электромеханическая характеристика электропривода, построенная по результатам расчета переходных процессов. Как следует из результатов расчета, динамическая погрешность электропривода с ПИ-регуляторами скорости и тока не равна нулю на всех этапах разгона двигателя. Ток якоря двигателя превышает значение в первые моменты времени протекания переходных процессов в электроприводе за счет инерционностей в контуре тока. Для сравнения на рис. 6.22, б изображена статическая электромеханическая характеристика электропривода, кривая 2.

Для вывода уравнения статической электромеханической характеристики электропривода, работающего в режиме стабилизации скорости, составим систему уравнений, описывающих элементы и связи в электроприводе. При этом будем считать, что ток якоря непрерывный, а активные сопротивления преобразователя, включенные последовательно с обмоткой якоря двигателя, отнесем к якорю двигателя.

На первом участке электромеханической характеристики (ток якоря двигателя ) в электроприводе одновременно действует отрицательная обратная связь по току и отрицательная обратная связь по скорости. Система уравнений для этого режима работы электропривода запишется в следующем виде:

(6.35).

Решим систему уравнений (6.35) относительно угловой скорости , получим.

(6.36).

где - коэффициент передачи двигателя, управляемого по цепи обмотки якоря изменением напряжения; - сопротивление якорной цепи двигателя, равное сумме сопротивлений двигателя и преобразователя.

Остальные параметры обозначены в соответствии со структурной схемой (см. рис. 6.21).

В случае применения в электроприводе ПИ-регуляторов скорости и тока, имеющих в статике коэффициенты усиления, равные собственным коэффициентам усиления операционных усилителей, на базе которых они выполнены, электромеханическая характеристика электропривода в режиме стабилизации скорости стремится к горизонтальной прямой, параллельной оси абсцисс:

(6.37).

Так как собственные коэффициенты усиления операционных усилителей имеют хотя и большую, но все же конечную величину (), скорость двигателя будет падать с увеличением нагрузки на его валу. Эго будет приводить к росту напряжения на выходе регулятора скорости. При некотором значении тока якоря двигателя регулятор скорости входит в режим насыщения и на его выходе устанавливается максимально возможное напряжение насыщения . Дальнейший рост нагрузки на валу двигателя не приводит к изменению напряжения на выходе регулятора скорости. Отрицательная обратная связь по скорости отключается. В электроприводе остается действовать только одна отрицательная обратная связь по току. Электропривод переходит в режим стабилизации тока якоря.

Для вывода уравнения электромеханической характеристики электропривода, работающего в режиме стабилизации тока, составим систему уравнений, описывающих элементы и связи в электроприводе:

(6.38).

Решение системы уравнений (6.38) относительно угловой скорости позволяет получить уравнение электромеханической характеристики электропривода в режиме стабилизации тока якоря:

(6.39).

При больших коэффициентах усиления регулятора тока электромеханическая характеристика (6.39) принимает вид.

(6.40).

Анализ выражения (6.40) показывает, что электромеханическая характеристика электропривода в режиме стабилизации тока якоря — вертикальная прямая со скоростью идеального холостого хода, равной бесконечности, и коэффициентом при аргументе , также равном бесконечности. Так как собственный коэффициент усиления операционного усилителя регулятора тока имеет все же конечную величину (), го скорость двигателя на участке стабилизации тока якоря будет падать с увеличением нагрузки на валу двигателя.

Решим выражение (6.39) относительно тока якоря I, получим.

(6.41).

При больших коэффициентах усиления регулятора тока в статике (6.41) преобразуется к виду.

(6.42).

Электромеханические характеристики электропривода, построенные по уравнениям (6.36) и (6.41) для различных задающих напряжений, приведены на рис. 6.23.

Рис. 6.23. Электромеханические характеристики двухконтурного электропривода с ПИ-регуляторами скорости и тока.

В реверсивном электроприводе с двумя комплектами управляемых выпрямителей статические и динамические характеристики электропривода располагаются в четырех квадрантах.