ЕЛЕКТРОПРИВОД ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З ПІДЛЕГЛИМ РЕГУЛЮВАННЯМ

Системи електроприводу з підлеглим контуром струму отримали первинне застосування в електроприводах постійного струму (див. Рис. 6.20). Токовий контур складається з регулятора струму РТ, зазвичай пропорційно-інтегрального типу. На його вхід через резистор R1 подається сигнал завдання струму якоря , а через резистор RS - сигнал негативного зворотного зв'язку по струму якоря двигуна М. Первинним датчиком струму якоря двигуна служать два трансформатора струму ТА 1 і ТА2. Датчик струму включає також в себе діодний випрямляч VD1 ... VD4, згладжує фільтр на конденсаторі С1 і дільник напруги R3.Призначенням датчика струму є перетворення струму якоря в пропорційне йому напругу зворотного зв'язку по струму , відповідне стандартному напрузі системи управління, а також забезпечення гальванічної розв'язки силового ланцюга і схеми управління.

Перетворювач виконаний на тиристорах KS1 ... KS6. Управління тиристорами здійснює система імпульсно-фазового управління.

Зовнішній контур здійснює регулювання швидкості двигуна. Регулятор швидкості PC в даному випадку пропорційно-інтегрального типу. На його вхід через резистор R4 подається сигнал завдання швидкості , а через резистор R5 - сигнал негативного зворотного зв'язку по швидкості двигуна. Первинним датчиком швидкості є тахогенератор BR. Конденсатор виконує роль фільтра низьких частот, що згладжує комутаційні і колекторні коливання напруги тахогенератора. Резистори і утворюють дільник, що забезпечує напругу зворотного зв'язку по швидкості , відповідне стандартному напрузі системи управління.

Особливістю системи підлеглого регулювання є рівність кількості регуляторів і замкнутих контурів числу регульованих координат.

Мал. 6.20. Функціональна схема електроприводу з підлеглим контуром струму

Як випливає з аналізу рис. 6.20, вихідний сигнал зовнішнього контуру регулювання швидкості є сигналом завдання внутрішнього контуру регулювання струму. Таким чином, кожен внутрішній контур виявляється підлеглим зовнішньому контуру. Це і послужило підставою назви системи регулювання. Крім того, така побудова системи дозволяє здійснювати незалежне налаштування контурів регулювання.

Структурна схема линеаризованной двухконтурной системи електроприводу, відповідна функціональній схемі рис. 6.20, наведена на рис. 6.21.

Структура двигуна на рис. 6.21 приведена у відповідність з описують його рівняннями (3.12). Тиристорний перетворювач представлений апериодическим ланкою з коефіцієнтом передачі і постійної часу . Датчики струму і швидкості також представлені апериодическими ланками з коефіцієнтами передачі і і постійними часу і відповідно.

Відмінність схеми рис. 6.21 від класичної двухконтурной підлеглого регулювання полягає в наявності сигналу негативного зворотного зв'язку по ЕРС двигуна, показаної на малюнку пунктиром.

Так як контур струму налаштовують виходячи з необхідності обмеження струму якоря двигуна на допустимому рівні, то при аналізі схеми внутрішньої зворотним зв'язком по ЕРС двигуна нехтують, а контур налаштовують на оптимум по модулю. При такому підході регулятор струму виходить пропорційно-інтегрального типу з функцією передачі

(6.32)

де - постійна часу регулятора, с;

- коефіцієнт передачі регулятора струму;

- коефіцієнт настройки на модульний оптимум контуру струму;

- стандартний коефіцієнт настройки.

На рис. 6.21 прийняті наступні позначення:

- коефіцієнт передачі тиристорного перетворювача;

коефіцієнт зворотного зв'язку по струму;

- максимальна напруга завдання на струм двигуна;

- максимально допустимий струм якоря двигуна;

- сумарна мала постійна часу;

- постійна часу тиристорного перетворювача;

т - число керованих полупериодов напруги за період напруги мережі живлення;

- частота мережі живлення.

З пропорційно-інтегральним регулятором струму статична похибка регулювання струму прагне до нуля, так як такий регулятор теоретично має нескінченно великий коефіцієнт посилення.

Мал. 6.21. Структурна схема линеаризованной двухконтурной системи електроприводу, виконаного за принципом підлеглого регулювання

Мал. 6.22. Графіки перехідних процесів струму та швидкості (а) і динамічна електромеханічна характеристика пуску двигуна при максимальному заданому напрузі (б)

Контур швидкості налаштовується на модульний (МО) або симетричний (СО) оптимум.

При налаштуванні контуру швидкості на модульний оптимум регулятор швидкості виходить пропорційного типу з функцією передачі

(6.33)

де - момент інерції електроприводу; - стандартний коефіцієнт настройки на модульний оптимум; - коефіцієнт зворотного зв'язку по швидкості; - максимальна напруга завдання швидкості двигуна; - номінальна швидкість двигуна; з - коефіцієнт ЕРС і електромагнітного моменту двигуна при номінальному потоці збудження; - сумарна мала постійна часу.

Під час прийому симетричний оптимум регулятор швидкості виходить пропорційно-інтегрального типу з функцією передачі

(6.34)

де - постійна часу регулятора швидкості ПІ-типу.

Коефіцієнт підсилення регулятора швидкості ПІ-типу також визначається за рівнянням (6.33).

Електропривод з ПІ-регулятором швидкості має меншу швидкодію при відпрацюванні керуючого впливу, але в ньому теоретично відсутня похибка підтримки швидкості при зміні моменту на валу двигуна. Динамічні провали швидкості при стрибкоподібному зміні навантаження на валу двигуна притаманні обом типам регуляторів.

Графіки перехідних процесів швидкості і струму при відпрацюванні стрибка задає напруги наведені на рис. 6.22, а. На рис. 6.22, б показана динамічна електромеханічна характеристика електроприводу, побудована за результатами розрахунку перехідних процесів. Як випливає з результатів розрахунку, динамічна похибка електроприводу з ПІ-регуляторами швидкості і струму не дорівнює нулю на всіх етапах розгону двигуна. Струм якоря двигуна перевищує значення в перші моменти часу протікання перехідних процесів в електроприводі за рахунок інерційного в контурі струму. Для порівняння на рис. 6.22, б зображена статична електромеханічна характеристика електроприводу, крива 2.

Для виведення рівняння статичної електромеханічної характеристики електроприводу, що працює в режимі стабілізації швидкості, складемо систему рівнянь, що описують елементи і зв'язку в електроприводі. При цьому будемо вважати, що струм якоря безперервний, а активні опори перетворювача, включені послідовно з обмоткою якоря двигуна, віднесемо до якоря двигуна.

На першій ділянці електромеханічної характеристики (струм якоря двигуна ) в електроприводі одночасно діє негативний зворотний зв'язок по току і негативний зворотний зв'язок по швидкості. Система рівнянь для цього режиму роботи електроприводу запишеться в наступному вигляді:

(6.35)

Вирішимо систему рівнянь (6.35) щодо кутової швидкості , отримаємо

(6.36)

де - коефіцієнт передачі двигуна, керованого по ланцюгу обмотки якоря зміною напруги; - опір якірного ланцюга двигуна, яка дорівнює загальній кількості опорів двигуна і перетворювача.

Інші параметри позначені відповідно до структурної схемою (див. Рис. 6.21).

У разі застосування в електроприводі ПІ-регуляторів швидкості та струму, що мають в статиці коефіцієнти посилення, рівні власним коефіцієнтами посилення операційних підсилювачів, на базі яких вони виконані, електромеханічна характеристика електроприводу в режимі стабілізації швидкості прагне до горизонтальної прямої, паралельної осі абсцис:

(6.37)

Так як власні коефіцієнти посилення операційних підсилювачів мають хоча і велику, але все ж кінцеву величину ( ), швидкість двигуна буде падати зі збільшенням навантаження на його валу. Его буде приводити до зростання напруги на виході регулятора швидкості. При деякому значенні струму якоря двигуна регулятор швидкості входить в режим насичення і на його виході встановлюється максимально можлива напруга насичення . Подальше зростання навантаження на валу двигуна не призводить до зміни напруги на виході регулятора швидкості. Негативний зворотний зв'язок по швидкості відключається. В електроприводі залишається діяти тільки одна негативний зворотний зв'язок по току. Електропривод переходить в режим стабілізації струму якоря.

Для виведення рівняння електромеханічної характеристики електроприводу, що працює в режимі стабілізації струму, складемо систему рівнянь, що описують елементи і зв'язку в електроприводі:

(6.38)

Рішення системи рівнянь (6.38) щодо кутової швидкості дозволяє отримати рівняння електромеханічної характеристики електроприводу в режимі стабілізації струму якоря:

(6.39)

При великих коефіцієнтах посилення регулятора струму електромеханічна характеристика (6.39) набирає вигляду

(6.40)

Аналіз виразу (6.40) показує, що електромеханічна характеристика електроприводу в режимі стабілізації струму якоря - вертикальна пряма зі швидкістю ідеального холостого ходу, рівній нескінченності, і коефіцієнтом при аргументі , також рівному нескінченності. Так як власний коефіцієнт підсилення операційного підсилювача регулятора струму має все-таки кінцеву величину ( ), го швидкість двигуна на ділянці стабілізації струму якоря буде падати зі збільшенням навантаження на валу двигуна.

Вирішимо вираз (6.39) щодо струму якоря I , отримаємо

(6.41)

При великих коефіцієнтах посилення регулятора струму в статиці (6.41) перетвориться до виду

(6.42)

Електромеханічні характеристики електроприводу, побудовані за рівняннями (6.36) і (6.41) для різних задають напруг, наведені на рис. 6.23.

Мал. 6.23. Електромеханічні характеристики двоконтурного електроприводу з ПІ-регуляторами швидкості і струму

У реверсивному електроприводі з двома комплектами керованих випрямлячів статичні і динамічні характеристики електроприводу розташовуються в чотирьох квадрантах.