3.5. Применение положительной обратной связи по току якоря двигателя (ir-компенсация)

В разомкнутом (без обратных связей) электроприводе, выполненном по схеме управляемый преобразователь  двигатель, статическая ошибка по скорости вращения двигателя после приложения М_С определяется величиной падения напряжения I_Я R_ЯЦ в силовой цепи преобразователь  двигатель. Эту ошибку можно уменьшить, если на величину падения напряжения I_Я R_ЯЦ увеличивать ЭДС преобразователя Е_П. Для этого нужно ввести положительную обратную связь по току якоря.

На схеме (рис. 3.8) имеется два контура регулирования. Контур 1 образован звеньями ЯЦ и Д. Как мы уже отмечали, этот контур учитывает передаточные свойства разомкнутой системы преобразователь  двигатель. Контур 2 образован звеньями ЯЦ, ОТ и П. Он учитывает эффект, вносимый положительной обратной связью ОТ.

Оценим влияние положительной обратной связи по току якоря на ошибку по скорости, обусловленную приложением статической нагрузки I_С. Для этого сначала структурную схему электропривода изобразим, как на рис. 3.9 а, после чего рассмотрим вид передаточной функции и частотной характеристики электропривода по каналу «I_С  n» при различных значениях коэффициента усиления К_ОТ канала ОТ.

Охват звена ЯЦ местной положительной обратной связью эквивалентен (в статических режимах) увеличению его коэффициента усиления. А это приводит к уменьшению коэффициента передачи электропривода по каналу «I_С  n», т.е. увеличивает жесткость механической характеристики электропривода.

Если выбрать К_Т = К_ЯЦ К_ОТ К_П = 1, то коэффициент усиления звена ЯЦ можно сделать бесконечно большим, а механическую характеристику электропривода  абсолютно жесткой. Но каковы будут при этом динамические показатели электропривода?

Оценку динамических показателей электропривода выполним для простейшего случая, когда звенья ОТ и П приняты безынерционными, а в ЯЦ учтена электромагнитная инерция якорной цепи постоянной времени Т_ЯЦ. Тогда передаточная функция контура регулирования 2 (звена ЯЦ, охваченного ОТ и П)

W₂ (p) = W_ЯЦ (р) / [1 – W_ЯЦ(р) W_ОТ(р) W_П (р) ] =

= К_ЯЦ / (1 – K_Т + Т_ЯЦ р).

При К_Т  1 звено ЯЦ, охваченное ОТ и П, ведет себя как инерционное, у которого и коэффициент усиления и постоянная времени увеличены в 1  (1  К_Т) раз.

Для оценки влияния звена ОТ на характер процессов в электроприводе после приложения М_С построим частотные характеристики электропривода по каналу «I_С  n» (см. рис. 3.9 б). Здесь кривая L_Д учитывает механическую инерцию привода. Характеристика L₂, которая соответствует контуру регулирования 2, изображена для нескольких значений К_Т  1. Видно, что высокочастотные участки кривых L₂ и L_ЯЦ совпадают. Низкочастотные (идущие горизонтально) участки кривой L₂ располагаются тем ниже, чем больше К_Т. В пределе, когда К_Т = 1, кривая L₂ вырождается в наклонную прямую, соответствующую интегрирующему звену с постоянной времени Т₂ = Т_ЯЦ / К_ЯЦ, включенному в канал обратной связи звена 2.

Частотные характеристики электропривода по каналу «I_С  n» аппроксимируются нижними участками характеристик L_Д или L₂. Сопоставим эти характеристики с исходной характеристикой, соответствующей разомкнутой системе преобразователь  двигатель и аппроксимируемой нижними участками кривых L_Д и L_ЯЦ. Изменение К_ОТ вызывает изменение лишь низкочастотного участка характеристики электропривода, высокочастотный участок сохраняется без изменений. Другим словами, начало переходного процесса изменения скорости вращения двигателя после приложения М_С идет по одной и той же кривой как в разомкнутой системе преобразователь  двигатель, так и в замкнутой системе с положительной обратной связью по току якоря. Это объясняется тем, что канал воздействия по току якоря выполнен с невысоким (менее единицы) коэффициентом усиления. Поэтому процессы коррекции Е_П в функции тока якоря I_Я (работа контура регулирования 2) протекают медленнее, чем процессы изменения тока якоря, обусловленные изменением Е_Д вследствие падения скорости вращения двигателя (работа контура регулирования 1). В итоге величина динамического падения скорости вращения двигателя остается практически такой же, как и в разомкнутой системе преобразователь  двигатель. Статическое же падение скорости будет тем меньше, чем ближе контурный коэффициент К_Т разомкнутого контура регулирования тока приближается к единице.

 Известно, что система регулирования с положительной обратной связью относится к неминимально-фазовым системам. Для этих систем применение в общем случае аппарата аппроксимированных амплитудных частотных характеристик без учета фазовых является некорректным и может привести к ошибочным результатам. Каким образом в схеме с положительной обратной связью по току якоря преодолевается указанная трудность анализа?

А каковы будут динамические показатели электропривода в предельном случае настройки контура регулирования тока, когда К_Т = 1? В этом случае интегрирующее звено Д в прямом канале регулирования скорости охватывается другим интегрирующим звеном 2. Наличие же двух интегрирующих звеньев в одноконтурной системе регулирования, не содержащей форсирующих звеньев, свидетельствует о структурной неустойчивости этой системы. Чтобы избежать неустойчивости, выбирают К_Т  1.

В настоящее время рассматриваемый способ самостоятельного значения не имеет, но он удачно дополняет возможности схем с отрицательной обратной связью по напряжению на якоре в схемах, когда хотят избежать применения датчиков скорости. Ранее он применялся достаточно широко даже в электроприводах таких ответственных механизмов, какими являются непрерывные станы холодной прокатки [3, 5]. Параметры токовой связи обычно выбирают так, чтобы с ее помощью устранялось не все статическое падение скорости вращения двигателя, а на 50...70%.