Особенности настройки одноконтурной системы регулирования напряжения

Каждый из контуров регулирования в схеме (рис. 4.32) настраивается независимо один от другого. Структура и параметры регулятора РТ в контуре регулирования тока якоря выбираются, как в обычной схеме подчиненного регулирования (п. 4.4). Настройку контура регулирования напряжения КРН рассмотрим, пользуясь структурной схемой (рис. 4.33 а). Все регулируемые координаты представлены в относительных единицах. Выбор базовых величин выполнен так же, как в п. 4.4.

Преобразуем исходную структурную схему, для чего обратную связь по U_Я приведем к выходной координате n. В преобразованной схеме (рис. 4.33 б) в прямом канале КРН, кроме регулятора напряжения РН и преобразователя П, включены звенья ДВ1 и ДВ2, которые учитывают параметры силовой цепи двигателя и преобразователя. При этом звеном с передаточной функцией

W_ДВ1 (р) = n(р) / Е_П (р) = 1 / (1 + Т_М р + Т_М Т_ЯЦ р² )

описываются статические и динамические свойства двигателя с учетом параметров силовой цепи преобразователя, а звеном ДВ2 с передаточной функцией

W_ДВ2 (р) = n(р) / U_Я (р) = 1 / (1 + Т_М р + Т_М Т_Я p² ) –

свойства того же двигателя, но без учета параметров силовой цепи преобразователя. Передаточные функции ДВ1 и ДВ2 были получены после сворачивания части схемы (рис. 4.33 а), образованной звеньями Д, ЯЦД и ЯЦП. На структурной схеме и в выражениях для передаточных функций обозначены: К_ЯЦ, Т_М и Т_ЯЦ – кратность тока короткого замыкания, электромеханическая и электромагнитная постоянные времени электропривода с учетом полного активного сопротивления силовой цепи "преобразователь - двигатель"; К_Я, Т_М и Т_Я – то же, но с учетом сопротивления якорной цепи только двигателя; К_ЯП и Т_ЯП – кратность тока короткого замыкания и электромагнитная постоянная времени силовой цепи только преобразователя.

Если бы последовательно включенных звеньев ДВ1 и ДВ2 не было, то сигнал обратной связи по U_Я совпадал бы с Е_П. Наличие же этих звеньев указывает на то, что условия настройки и динамические свойства КРН, когда преобразователь работает на холостом ходу (т.е. двигатель отключен от преобразователя, а обратная связь замыкается по Е_П) и когда преобразователь нагружен (при подключении двигателя обратная связь замыкается по U_Я), могут не совпадать.

Физическую картину несхожести динамических свойств контуров регулирования U_Я и Е_П рассмотрим на физической модели (рис. 4.34), где последовательному соединению звеньев ДВ1 и ДВ2 соответствует электрическая схема замещения звена "преобразователь-двигатель". Там же приведены их аппроксимированные частотные характеристики. На схеме R_Я, R_ЯП – величины активных сопротивлений силовых цепей двигателя и преобразователя; С_Я = Т_М / R_Я – динамическая емкость двигателя – емкость эквивалентного конденсатора, который запасает столько же электрической энергии, сколько запасается кинетической во вращающихся частях электропривода; ₁, ₂ – частоты среза контура саморегулирования ЭДС в двигателе с учетом и без учета параметров силовых цепей преобразователя.

При неучете влияния индуктивностей силовых цепей двигателя и преобразователя, когда L_Я = L_ЯП = 0, аппроксимированная ЛАЧХ L₁ двигателя по каналу передачи "ЭДС преобразователя - напряжение на якоре" в диапазоне частот 0 <  < ₁ = 1 / Т_М совпадает с горизонтальной осью, затем при ₁ <  < ₂ = 1 / Т_М имеет единичный отрицательный наклон и, наконец, при  > 2 снова идет горизонтально с коэффициентом усиления (см. рис. 4.34 б) К = ₁ / ₂ = R_Я / (R_Я + R_ЯП).

Отмеченные особенности кривой L₁ объясняются переменной величиной сопротивления динамической емкости С_Я двигателя при разных частотах. При малых частотах, когда Х_С = 1 / _СЯ > R_Я + R_ЯП, на схеме замещения конденсатор С_Я можно заменить разрывом цепи, тогда U_Я  Е_П. При ₁ <  < ₂ имеем R_Я < X_С < R_Я + R_ЯП, поэтому уменьшение X_С с ростом  вызывает увеличение падения напряжения на R_ЯП и снижение U_Я. Наконец, при высоких частотах Х_С < R_Я, т.е. имеется возможность заменить конденсатор С_Я закороткой.

В диапазоне частот ₁ ... ₂, где кривая L₁ имеет падающий характер, звену "преобразователь-двигатель" свойственна отстающая фазовая характеристика, поэтому при настройке КРН частоту среза этого контура необходимо выбирать вне интервала ₁ ... ₂ .

В более сложном случае, когда учитываются индуктивности L_Я и L_ЯП, аппроксимированная ЛАЧХ L₁ в диапазоне частот ₁ <  < ₂ имеет двойной наклон, обусловленный падением напряжения также и на L_ЯП. Здесь отмечается и больший отрицательный фазовый сдвиг.

В общепромышленных электроприводах частоты ₁ и ₂ обычно не превышают 30...40 рад/с. Полоса же равномерного пропускания частот в вентильных преобразователях составляет _П = 200...300 рад/с и выше. Поэтому при настройке КРН желательно его частоту среза _Н выбирать в диапазоне ₂ < _Н < _П. При уменьшении _Н по сравнению с рекомендованным значением начинает сказываться неблагоприятное влияние параметров силовых цепей двигателя и преобразователя, отмеченное выше. При чрезмерном увеличении _Н проявляются малые инерционности в преобразователе.

В диапазоне частот ₂ ... _П фазовая частотная характеристика звеньев прямого канала КРН имеет значительный (обычно более 120°) запас. Это дает возможность применить интегральный регулятор напряжения РН, который отличается простотой схемной реализации и позволяет снизить уровень помех на входе СИФУ преобразователя. Кроме того, КРН с интегральным регулятором менее чувствителен к изменению параметров отдельных звеньев, чем КРН с П- или ПИ-регулятором. Последнее обстоятельство имеет принципиальное значение из-за ограниченного диапазона ₂ ... _П оптимальных значений частоты среза КРН.

Как показал опыт наладки электроприводов с параллельными регуляторами [9], КРН с интегральным регулятором РН имеет высокое быстродействие, оцениваемое частотой среза _Н  250...300 рад/с. Поэтому действие различных возмущений (колебания напряжения питающей сети, приложение статической нагрузки) практически не влияет на величину напряжения на якоре двигателя. Вместе с тем, высокодинамичные электроприводы имеют, как правило, малые значения отношения m = T_М / T_Я. Например, в электроприводах реверсивных станов горячей прокатки оно доходит до m = 0,4...0,5. В результате процессы, вызванные, например, ударным приложением нагрузки, характеризуются высокой степенью колебательности. Для устранения перерегулирования тока якоря при набросе статической нагрузки в этом случае очень эффективной оказывается гибкая обратная связь по току якоря, включенная параллельно обратной связи по напряжению. На схеме (рис. 4.32) она реализована последовательно включенными конденсатором С₃ и резистором R3, включенными между выходными зажимами датчика тока ДТ и входом регулятора РН.