Формирование процессов разгона и торможения привода

Качество переходных процессов разгона и торможения привода в схеме подчиненного регулирования обеспечивается выбором соответствующего типа задатчика интенсивности ЗИ и настройки КРС.

В большинстве случаев бывает достаточно применить типовой интегральный задатчик интенсивности [7], обеспечив требуемую крутизну нарастания тока якоря выбором соответствующей частоты среза КРС.

Когда необходимо получить максимальную крутизну нарастания тока якоря, а частоту среза КРС нельзя увеличить, например, из условия ограничения влияния оборотных пульсаций напряжения тахогенератора, оправдано применение ПИ-задатчика интенсивности.

На практике интегральный задатчик интенсивности изменяет сигнал на входе контура регулирования скорости с темпом, который требует от двигателя динамического тока, существенно меньшего предельно допустимого значения. Так, для электроприводов реверсивных прокатных станов величина динамической составляющей тока якоря обычно устанавливается в пределах 0,4...0,5 от номинального тока якоря. При этом регулятор РС работает на линейном (наклонном) участке своей статической характеристики, внешняя обратная связь по скорости замкнута, а показатели качества процесса разгона определяются качеством настройки КРС. Роль блока ограничения в регуляторе РС сводится при этом к ограничению тока якоря при чрезмерных технологических перегрузках привода.

Допустим, что в процессе разгона электропривода по каким-либо причинам произошло значительное увеличение момента статической нагрузки. Например, на том же прокатном стане это может произойти при подаче в валки непрогретого слитка. Тогда для обеспечения задаваемого ЗИ ускорения от двигателя может потребоваться ток, больший максимально допустимого значения. В этом случае необходимо предусмотреть меры к тому, чтобы напряжение на выходе задатчика интенсивности не нарастало само по себе, а поддерживалось близким реальной скорости электропривода ("следящий задатчик интенсивности" [1]). В противном случае после снятия перегрузки накопившаяся ошибка по скорости, определяемая разницей напряжений на выходах ЗИ и датчика скорости, будет отрабатываться с темпом, соответствующим максимально допустимому моменту двигателя.

Процессы в электроприводе, вызванные приложением статической нагрузки

Рассмотрим, как взаимодействуют различные контуры в схеме подчиненного регулирования в переходных процессах, вызванных приложением статической нагрузки.

Анализ выполним, пользуясь структурной схемой (рис. 3.9). Эту схему преобразуем так, как показано на рис. 4.17. Здесь с целью упрощения указаны только функциональные обозначения звеньев. С этой же целью будем считать ЛАЧХ разомкнутых настроенных контуров регулирования соответствующими интегрирующим звеньям с постоянной времени Т = 1 / _С , где _С – частота среза соответствующего контура регулирования. ЛАЧХ замкнутых контуров регулирования считаем соответствующими инерционным звеньям с той же постоянной времени Т.

Чтобы нагляднее представить динамические свойства замкнутой многоконтурной системы регулирования, оценим сначала показатели двигателя без внешних обратных связей, а затем сравним эффект, вносимый каждым из контуров регулирования системы.

Звено Д (рис. 4.17 а) с передаточной функцией W_Д(р) = 1 / Т_Д р учитывает механическую инерцию привода, когда якорная цепь двигателя отключена от питающего преобразователя. Привод ведет себя как обычный маховик. При приложении скачком постоянного момента статической нагрузки скорость вращения двигателя n линейно уменьшается до полной остановки двигателя. Если начальное значение скорости равно n₀, а момент нагрузки М_С = М_Н, то время полной остановки привода составит Т_Д (кривая n₁, рис. 4.17 а).

Если якорную цепь двигателя подключить на выход нерегулируемого преобразователя, то динамические свойства двигателя можно оценить на основании структурной схемы, где звено Д охвачено отрицательной обратной связью ЯЦ (рис. 4.17 б). Звено ЯЦ учитывает электрические свойства силовой цепи преобразователь-двигатель.

Приложение момента статической нагрузки М_С вызывает уменьшение скорости вращения двигателя n, вследствие чего ЭДС двигателя Е_Д понижается, разность Е_П – Е_Д растет, приводя к увеличению тока якоря I_Я до значения I_С, соответствующего М_С.

В зависимости от соотношения величин электромагнитной ТЯЦ и электромеханической Т_М = Т_Д / К_ЯЦ постоянных времени процесс снижения скорости вращения двигателя идет или монотонно (при Т_М > 4 Т_ЯЦ) или с перерегулированием (кривые n_2А и n_2Б на рис. 4.17 б). Длительность процесса может быть оценена частотой среза _Э разомкнутого контура саморегулирования ЭДС двигателя. Статическое падение скорости можно оценить величиной 1 / К_ЯЦ.

Сказанное вытекает также и из рассмотрения ЛАЧХ электропривода L₂, которая в соответствии со структурной схемой (рис. 4.17 б) построена по нижним участкам характеристик L_Д и –L_ЯЦ, соответствующих звену Д, включенному в прямой канал, и звену ЯЦ, включенному в канал обратной связи. Здесь низкочастотная ветвь кривой L₂ идет горизонтально на высоте 1 / К_ЯЦ, а в районе частоты среза контура _Э, соответствующей точке пересечения характеристик L_Д и –L_ЯЦ наблюдается подъем кривой L₂, если увеличивать постоянную Т_ЯЦ.

Предельные величины К_ЯЦ, _Э, Т_ЯЦ, характерные для электроприводов большой мощности, лежат в следующем диапазоне: К_ЯЦ = 15...20; _Э = 20...30 рад/c; Т_ЯЦ = 0,02...0,07 с в системах генератор-двигатель и К_ЯЦ = 5...10; _Э = 10...15 рад/c; Т_ЯЦ = 0,03...0,5 с в системах вентильный преобразователь-двигатель [9].

Включение в работу контура регулирования тока якоря КРТ соответствует на рис. 4.17 в охвату звена ЯЦ местной отрицательной обратной связью из последовательно включенных звеньев РТ и П. Это ослабляет влияние обратной связи по ЭДС в контуре саморегулирования ЭДС двигателя. Поэтому приложе-ние МС, приводящее к уменьшению n и Е_Д, не вызывает такого

же увеличения I_Я, как в двигателе без внешних обратных связей, потому что действие РТ способствует снижению Е_П.

В современных вентильных электроприводах контур регулирования тока якоря имеет высокое быстродействие, в результате обратная связь в контуре саморегулирования ЭДС двигателя оказывается полностью подавленной, а статические и динамические свойства электропривода при приложении М_С опреде-ляются лишь интегрирующим звеном Д. При приложении нагрузки скорость вращения двигателя n падает до нуля, так как КРТ, стремясь поддержать постоянство заданного на его входе тока якоря, успевает понизить ЭДС преобразователя вслед за уменьшившейся ЭДС двигателя.

Поясним высказанную мысль, пользуясь частотными характеристиками электропривода (рис. 4.17 в). Примем для простоты передаточную функцию последовательно включенных РТ и П соответствующей интегрирующему звену с постоянной времени ТРТ. Влияние звена ЯЦ, охваченного отрицательной об-ратной связью по току из последовательно включенных РТ и П, учитывается кривой L₃, которая получается аппроксимацией верхними участками кривых –L_ЯЦ и + L_РТ–П . При _Т > _Э кривая L₃ во всем диапазоне частот проходит выше кривой L_Д. Следовательно, отрицательную обратную связь, охватывающую звено Д (звенья ЯЦ, РТ и П на рис. 4.17 в), можно отбросить. Тогда дина-мические свойства электропривода с учетом звена ЯЦ и при введении отрицательной обратной связи по току якоря будут совпадать со свойствами звена Д. По этой же причине совпадают и переходные функции электропривода в случаях (рис. 4.17 а, в).

Динамические свойства электропривода с введенным контуром регулирования скорости оценим, пользуясь структурной схемой (рис. 4.17 г). Здесь наличие контура регулирования скорости учитывается каналом отрицательной обратной связи по скорости, в котором включены последовательно регулятор скорости РС и замкнутый контур регулирования тока якоря (звенья РТ, П и ЯЦ). Учитывая ранее обнаруженное влияние контура регулирования тока якоря на динамические свойства электропривода (см. рис. 4.17 в), заменим звено Д, охваченное ЯЦ, РТ и П, одним звеном Д. В результате приходим к схеме (рис. 4.17 д).

Влияние контура регулирования скорости на динамические свойства электропривода при приложении М_С иллюстрируется на частотных характеристиках (рис. 4.17 г, д). ЛАЧХ электропривода с учетом действия КРТ описывается кривой L₄ = L_Д. Учет влияния КРС производится кривой –L₅ , которая соответствует последовательному соединению РС и КРТ с передаточными функциями W_РС (р) = К_РС и W_КРТ (р) = 1 / (1 + Т_РТ р), где Т_РТ = 1 / _Т.

Результирующая ЛАЧХ электропривода L₆ в области малых частот идет горизонтально на высоте 1 / К_РС, что соответствует статическому падению скорости вращения двигателя n_С = I_C / К_РС.

Применение ПИ-регулятора скорости вызывает снижение ЛАЧХ электропривода (кривая L₇) лишь в диапазоне малых частот. Но соблюдение условий устойчивости КРС требует, чтобы в диапазоне средних частот   _С работал П-канал РС. В результате максимум кривых L₆ и L₇ остаются практически неизменными, т.е. наибольшее падение скорости вращения двигателя в обоих случаях почти одинаково (кривые n₆ и n₇ на рис. 4.17 г). Величина постоянной времени И-канала в регуляторе РС оказывает влияние лишь на темп восстановления динамического падения скорости.

Попытка уменьшить падение скорости путем увеличения КРС приводит к увеличению частоты среза контура регулирования скорости _С. В промышленных электроприводах условиями устойчивости контура регулирования скорости предельные значения его частоты среза ограничиваются величиной _С = 30...40 рад/c. В реальных условиях для ослабления влияния пульсаций ЭДС тахогенераторов приходится ещё больше снижать быстродействие КРС, доводя _С до 20...25 рад /с.

В этих условиях в начале переходного процесса, вызванного приложением М_С, контур регулирования скорости практически не работает, действие же контура саморегулирования ЭДС двигателя (см. рис. 4.17 в) подавляется быстродействующим контуром регулирования тока. В результате в электроприводе со схемой подчиненного регулирования может наблюдаться значительное динамическое падение скорости вращения двигателя, особенно при малых величинах Т_Д. Например, в электроприводах реверсивных станов горячей прокатки, имеющих Т_Д = 0,4...0,5 с, динамическое падение скорости вращения двигателя в системе вентильный преобразователь - двигатель составляет 15...25% от n_Н.