3. Способы поддержания скорости электропривода

3.1. Исходные положения

Качество поддержания заданной скорости вращения электропривода определяется степенью подавления действующих на электропривод возмущений и, в первую очередь, момента статической нагрузки. Здесь можно пользоваться прямыми оценками (по кривым переходных процессов, вызванных приложением момента М_С) или косвенными (обычно  по виду амплитудной частотной характеристики электропривода по каналу «момент статической нагрузки М_С  скорость n).

Если в момент времени t₁ к валу двигателя приложить скачком постоянный момент статической нагрузки М_С (рис. 3.1 б), то сначала скорость снижается, достигая через время t_М наибольшего своего отклонения n_Д (явление динамического падения скорости), а затем постепенно за время переходного процесса t_ПП восстанавливается до своего установившегося значения, которое от заданного значения отличается на величину статической ошибки n_С. В частном случае n_С = 0. Динамическое падение скорости n_Д наступает не мгновенно, а спустя время t_М из-за наличия маховых масс на валу двигателя. Время восстановления скорости t_ПП определяется быстродействием системы регулирования скорости. Качество процессов поддержания скорости в электроприводе тем выше, чем меньше n_Д, t_М и t_ПП.

Синтез системы регулирования скорости электропривода удобнее вести, пользуясь косвенными оценками. Аппроксимированная ЛАЧХ электропривода по каналу «М_С  n» (рис. 3.1 в) имеет максимум К_М в диапазоне частот ₂ ... ₁. В районе высоких частот при   ₁ амплитуда понижается из-за влияния маховых масс электропривода. В районе низких частот при   ₂ амплитуда также уменьшается до значения К₀ благодаря работе системы регулирования скорости.

Связь между прямыми и косвенными оценками качества поддержания скорости устанавливается с помощью следующих приближенных соотношений:

n_Д  К_М М_С; n_С  К₀ М_С; (3.1)

t_М  (3...4)₁; t_ПП  (3...4)₂.

Режиму идеально точного поддержания скорости соответствовало бы n_Д = 0, а ЛАЧХ канала «М_С  n» в такой системе электропривода располагалась бы во всем диапазоне частот бесконечно низко. В реальном электроприводе нельзя добиться нулевой ошибки, но ее следует минимизировать.

При сравнительном анализе та из систем электропривода, у которой ЛАЧХ расположена ниже, более точно поддерживает скорость. В процессе синтеза системы поддержания скорости следует вводить такие корректирующие связи и так выбирать их параметры, чтобы исходную ЛАЧХ электропривода опустить как можно ниже.

В качестве исходного (эталонного) варианта примем разомкнутую систему электропривода, рассмотрим в ней физику процессов и вид частотных характеристик. Затем, вводя корректирующие связи, будем изменять характер процессов в электроприводе и вид частотных характеристик. Выводы об эффективности тех или иных способов поддержания скорости будем делать, пользуясь соотношениями (3,1).

3.2. Показатели разомкнутой системы «преобразователь  двигатель»

Рассмотрим процессы, вызванные скачкообразным приложением момента статической нагрузки в разомкнутой (т.е. без внешних обратных связей) системе электропривода (рис. 3.2). Здесь и далее переменные представлены в относительных единицах. Их базовые значения выбраны так же, как в предыдущей главе: для ЭДС преобразователя Е_П, двигателя Е_Д, тока якоря I_Я и момента двигателя М приняты номиналь­ные величины напряжения, тока якоря и электромагнитного мо­мен­та двигателя.

На схеме двигатель представлен звеньями Д и ЯЦ, охваченными отрицательной обратной связью по Е_Д . Звено Д учитывает механическую инерцию вращающихся масс электропривода и описывается передаточной функцией W_Д (p) = 1 / T_Д p, звено ЯЦ, учитывая электромагнитную инерцию силовой цепи двигателя и преобразователя, описывается передаточной функцией W_ЯЦ (p) = К_ЯЦ / (1 + T_ЯЦ p). Здесь T_Д  механическая постоянная времени привода; T_ЯЦ  электромагнитная постоянная времени силовой цепи; К_ЯЦ  кратность тока короткого замыкания силовой цепи.

Расчеты, выполненные для большого числа двигателей, показали, что обычно величина T_Д лежит в следующих пределах: 0,2...0,7 с – для двигателей постоянного тока общепромышленных серий П, 2П, 4П; 0,2...0,5 с – для крупных реверсивных прокатных двигателей; 0,7...2,0 с – для крупных нереверсивных прокатных двигателей. В двигателях одной серии величина T_Д возрастает с увеличением номинальной мощности и скорости вращения. Асинхронные двигатели имеют T_Д = 0,05...0,4 с.

Параметры К_ЯЦ и T_ЯЦ для электроприводов средней и большой мощности обычно имеют следующие значения: К_ЯЦ = 10...30; T_ЯЦ = 0,02...0,07 с в системе ГД и К_ЯЦ = 6...15; T_ЯЦ = 0,03...0,10 с в системах вентильный преобразователь  двигатель.

На рис. 3.3 изображены структурные схемы, ЛАЧХ электропривода по каналу «статическая нагрузка I_C  скорость вращения двигателя n» и кривые переходных процессов после приложения статической нагрузки. Они позволяют раскрыть механизм влияния каждого из звеньев на характер процессов в электроприводе.

Отдельно взятое звено Д учитывает механическую инерцию привода, когда якорная цепь двигателя отключена от преобразователя. Привод ведет себя как обыкновенный маховик и описывается интегратором с постоянной времени Т_Д . При приложении скачком постоянного момента статической нагрузки скорость вращения двигателя n линейно уменьшается до полной остановки двигателя (кривая n₁, рис. 3.3 а). Если момент статической нагрузки равен номинальному, а начальное значение скорости  скорости идеального холостого хода, то время торможения составит T_Д.

Если якорную цепь двигателя подключить на выход нерегулируемого преобразователя, то динамические свойства двигателя можно оценить, пользуясь структурной схемой, на которой звено Д охвачено звеном ЯЦ (рис. 3.3 б). Приложение статического момента вызывает снижение скорости вращения двигателя n и его ЭДС Е_Д , вследствие чего растет разность Е_П – Е_Д, приводя к увеличению тока якоря до значения, соответствующего величине приложенной статической нагрузки. Процесс снижения скорости вращения двигателя идет или монотонно (кривая n₂ при m  4) или с перерегулированием (кривая n₃ при m  4). Здесь m = Т_М / Т_ЯЦ  отношение электромеханической к электромагнитной постоянной времени. Наличие перерегулирования  динамического падения скорости n_Д  следует объяснить отставанием во времени I_Я вслед за разницей Е_П – Е_Д вследствие влияния индуктивности якорной цепи. Длительность процесса может быть оценена частотой среза _Э разомкнутого контура саморегулирования ЭДС двигателя. Предельные значения _Э, характерные для электроприводов большой мощности, лежат в пределах _Э = 20...30 рад/c.

Сказанное подтверждает также ЛАЧХ электропривода L₂, которая в соответствии со структурной схемой (рис. 3.3 б) построена по нижним участкам характеристик L_Д и L_ЯЦ , соответствующих звену Д в прямом канале и звену ЯЦ в канале обратной связи контура саморегулирования ЭДС двигателя. Эта характеристика при малых частотах идет горизонтально на высоте 1 / К_ЯЦ, а в районе частоты среза _Э имеет максимум, который тем выше, чем больше величина Т_ЯЦ. Наличие этого максимума свидетельствует о динамическом падении скорости вращения двигателя при приложении момента статической нагрузки.

Выясним, как основные параметры конструкции двигателя влияют на показатели процесса, вызванного приложением момента статической нагрузки. Прежде всего, увеличение К_ЯЦ приводит к снижению ошибки поддержания скорости в установившихся режимах, но это требует конструирования двигателей с уменьшенным активным сопротивлением якорной обмотки, что приводит к повышенному расходу меди. Аналогичные результаты дает завышение установленной мощности двигателя, на что шли ранее некоторые электротехнические фирмы. Сегодня оба эти пути считаются неэффективными, так как задачу снижения статической ошибки проще решить, применяя замкнутые системы регулирования скорости.

Динамическое падение скорости n_Д, как это следует из кривой L₂, можно ослабить двумя способами: увеличивая механическую постоянную времени привода Т_Д или уменьшая электромагнитную постоянную времени Т_ЯЦ. Способы изменения постоянной Т_Д рассматривались нами в п. 2.3. Требования к величине этой постоянной в режимах поддержания скорости и пуско-тормозных процессах оказываются противоречивыми. Снижение же величины Т_ЯЦ полезно во всех случаях и достигается при конструировании электрической машины применением открытых пазов на якоре, введением компенсационной обмотки, применением высокоскоростных двигателей.