2. Способы формирования процессов пуска в регулируемых электроприводах

2.1. Оптимальные кривые переходных процессов разгона и торможения электропривода

Проектируя систему электропривода, инженер всегда заинтересован в наибольшей производительности электрифицируемого механизма. Но возможности электропривода и, в первую очередь, двигателя ограничены. Так, в двигателе постоянного тока независимого возбуждения приходится учитывать следующие ограничения:

• ограничение по максимально допустимому из условий коммутации току якоря

I_Я  I_М , (2.1)

• ограничение по максимально допустимой скорости

n  n_М , (2.2)

• ограничение по максимально допустимому напряжению на якоре

U_Я  U_М , (2.3)

• о

  t_Ц

  граничение по нагреву, которое можно оценить величиной, пропорциональной потерям в цепи якоря,

0

Q =  I_Я ² dt  Q_М , (2.4)

где t_Ц – время цикла.

Могут быть и другие ограничения, связанные, например, со свойствами элементов системы управления (максимально допустимые ток, напряжение), механической части электропривода (прочность деталей) или вопросами экономики (стоимость установки).

Ограниченность ресурсов, которая, в частности, проявляется в существовании неравенств (2.1)...(2.4), ставит задачу наиболее эффективного и экономного их использования. Отсюда и возникает проблема оптимального (наилучшего в каком-то смысле) управления электроприводом.

Посмотрим, какими должны быть оптимальные переходные процессы в системе электропривода, когда необходимо обеспечить наибольшую возможную производительность механизма, не нарушив при этом условий (2.1)...(2.4). Остановимся на следующих трех случаях.

1-й случай. Необходимо выполнить только ограничение (2.1). Случай этот характерен для электроприводов механизмов, имеющих невысокую продолжительность включения (ПВ), но требующих интенсивной отработки сравнительно небольших перемещений, при которых двигатель не успевает разогнаться до полной скорости.

Очевидно, для получения минимального времени отработки заданного перемещения при М_С = 0 следует сначала двигатель разгонять с максимально допустимым ускорением, определяемым величиной I_М (участок 0... t₁, рис. 2.1 а), а затем, когда привод отработает половину пути, – тормозить двигатель с максимальным замедлением (участок t₁ ...t₂). Этому случаю соответствует прямоугольная диаграмма тока якоря с треугольной диаграммой скорости вращения двигателя.

2-й случай. Необходимо учитывать ограничения (2.1) и (2.2). Здесь по сравнению с первым случаем двигателю необходимо отработать большее перемещение, так что в процессе ускорения он успевает достигнуть максимально допустимой величины скорости (момент времени t₁, рис. 2.1 б). После момента времени t₁ допустить увеличения скорости уже нельзя, поэтому ток якоря уменьшают до нуля (при М_С = 0), из-за чего скорость поддерживается на постоянном уровне n_М (участок t₁ ...t₂, рис. 2.1 б). Лишь при подходе к конечному положению резко тормозят двигатель, для чего увеличивают тормозной ток до величины  I_М (участок t₂ ...t₃, рис. 2.1 б).

Описанному случаю соответствует прямоугольная диаграмма тока и трапецеидальная диаграмма скорости.

3-й случай. Учитываются ограничения (2.1), (2.2) и (2.4). Случай справедлив для электроприводов, обеспечивающих требуемую производительность при наименьших тепловых потерях в двигателе. Оптимальным переходным процессом в этом случае [8] считают прямолинейную диаграмму тока якоря при параболическом законе изменения скорости вращения двигателя (рис. 2.1 в). Однако на практике часто отказываются от параболической диаграммы скорости. Действительно, параболу скорости на рис. 2.1 в можно легко, не уменьшая времени цикла, а следовательно, и производительности, заменить трапецией. Но последней соответствует уже прямоугольная диаграмма тока якоря. Поэтому важно знать цену отказа от линейной диаграммы тока в пользу прямоугольной. Как показывают расчеты, потери в двигателе увеличиваются не более, чем на 12%. Однако при наличии пауз в работе механизма, невозможности и нежелательности (из-за ударов в зазорах механических передач) предельно крутых фронтов нарастания тока якоря переход на параболическую диаграмму скорости практически не дает никакого дополнительного выигрыша в нагреве двигателя по сравнению с трапецеидальной диаграммой [11].

С учетом сказанного замкнутые системы управления электроприводов, работающих в пуско-тормозных режимах, строят так, чтобы обеспечить во всех случаях прямоугольную диаграмму тока якоря при трапецеидальной диаграмме скорости.