13.8.Упреждающее токоограничение

В системах ТП-Д кроме токовой отсечки нашел широкое распространение другой способ ограничения тока якоря двигателя - так называемое упреждающее токоограничение рис. 208. Узел токоограничения выполняют в виде нелинейной ОС по ЭДС двигателя, шунтирующей вход управления ТП, т.е. выход промежуточного усилителя ПУ [3].

Напряжение U_э, пропорциональное ЭДС Е_я, подается в узел токоограничения с выхода тахомоста, тогда U_э = k_тмЕ_я. Предположим, что коэффициент усиления преобразователя k_п есть величина постоянная, т.е. Е_п = k_пU_уп. В качестве нелинейного элемента в обратной связи по ЭДС обычно применяют цепочку диодов. Эти диоды можно заменить стабилитроном Ст2 и последовательно включенным резистором R_о. Напряжение пробоя стабилитрона U_ст2 равно сумме постоянных составляющих прямого падения напряжения на диодах, сопротивление резистора — сумме прямых сопротивлений диодов. Тогда эквивалентная схема узла токоограничения будет иметь вид, представленный на рис. 208, б.

Здесь Е_пу, R_пу и i_пу — ЭДС, выходное сопротивление и ток выхода промежуточного усилителя ПУ; R_уп и i_уп — входное сопротивление и ток импульсно-фазовой системы управления ТП.

Рассмотрим вначале, когда ОС по скорости отсутствует и на вход ПУ, имеющего коэффициент усиления k_пу, подано постоянное по величине напряжение U_у, равное напряжению пробоя U_ст1, стабилитрона Ст, шунтирующего вход ПУ

Статическая характеристика Е_яр = k_Е Ω= f(I_я) такой разомкнутой системы (без учета влияния узла токоограничения), показана на рис.208, в (В-А-С - участок этой характеристики) и описывается уравнением:

(356)

где Е_{п max} — наибольшая ЭДС преобразователя, соответствующая напряжению U_у = U_ст1 и выходной ЭДС ПУ Е_{пу max}.

Поскольку R_уп >> R_пу, т.е. можно пренебречь падением напряжения на R_пу, можно считать, что U_{уп max} = Е_{пу max} (выходное напряжение ПУ равно напряжению входа преобразователя).

Рис. 208. Система с упреждающим токоограничением

Тогда (357)

Узел токоограничения действует следующим образом. При возрастании нагрузки двигателя ЭДС Е_я уменьшается. Поэтому напряжение на стабилитроне Ст2 в цепи ОС по ЭДС (рис.208, б), равное  (Е_{пу max}-k_тмЕ_я), увеличивается. При некотором значении тока якоря I_я = I_отс, которому отвечает ЭДС Е_{я отс} (точка А характеристики Е_яр = f(I_я) при U_у = U_ст1 на рис. 208, в), увеличение нагрузки приводит к резкому снижению ЭДС Е_я, поскольку теперь напряжение U_уп и ЭДС Е_п автоматически уменьшаются при уменьшении Е_я. Иными словами, в системе для каждого данного значения ЭДС Е_я (скорости Ω) наперед устанавливается некоторое предельное значение ЭДС преобразователя Е_п.

Найдем уравнение участка статической характеристики системы при действии узла токоограничения, воспользовавшись схемой на рис.208, б.

Примем за начальную точку этого участка точку А (рис.208, в). В данной точке, хотя стабилитрон пробивается, ток через него еще равен нулю. При сделанном допущении, что U_{уп max}  Е_{пу max}, для цепи ОС по ЭДС справедливо соотношение:

(358)

С другой стороны, связь Е_{пу max} с Е_{я отс} определяется уравнением электрического равновесия силовой цепи системы для точки А:

(359)

Тогда из (358) и (359) получим

(360)

Если выбрать значение k_тм так, чтобы k_пk_тм = 1, то необходимое значение U_ст2 будет зависеть только от величины I_отс

(361)

При токе якоря I_я > I_отс через стабилитрон протекает ток

(362)

Напряжение на входе преобразователя при этом

(363)

С учетом (362), (358) и (361), обозначая , получим после преобразования (с учетом k_пk_тм = 1)

(364)

Подставив U_уп из (364) в уравнение

(365)

и учитывая, что k_пk_тм = 1 находим уравнение характеристики Е_я = f(I_я) на участке действия узла токоограничения:

(366)

Уравнению (366) отвечает участок 2 характеристики рис.208, в. При Е_я = 0 ток I_я = I_ст, поэтому

Изменение U_ст2 приводит согласно (361) к изменению тока отсечки и параллельному смещению круто падающего участка характеристики, как показано на рис.208, в для участков характеристик с I_{отс. В} и I_{отс. С}, проходящих через точки В и С.

Статические характеристики замкнутой системы с ОС по скорости и узлом упреждающего токоограничения также показаны на рис. 208, в (они отмечены указанием на величину U_з.

Характеристики при U_{з max} предельные. Одна из них, крутопадающий участок которой проходит через точку А, соответствует такой настройке, когда оба стабилитрона пробиваются в точке А.

При токах I_я < I_отс система работает как обычная система стабилизации скорости. Данный участок 1 характеристики описывается уравнением (324) с пересчетом Ω на Е_я. В точке А значения Е_я определяются из уравнения:

т.е. (367)

а ток I_отс — из уравнения (357)

(368)

Необходимое значение U_ст2 найдем по соотношению (361). При I_я > I_отс участок 2, как и для разомкнутой системы, описывается уравнением (366). При настройке на ток I_{отс. С} > I_отс статическая характеристика будет иметь участок АС, лежащий на характеристике E_яр = f(I_я). Стабилитрон Ст1пробивается в точке А, стабилитрон Ст2 — в точке С. Значение Е_я = Е_{я. отс. С} в точке С можно найти, например, из выражения (357). Участок для I_я > I_{отс. С} описывается уравнением (366) при подставке в него Е_{я. отс. С} и I_{отс. С}. При настройке на ток I_{отс. В} > I_{отс. С} сначала пробивается стабилитрон Ст2 в точке D, а затем — стабилитрон Ст1 в точке Е. Статическая характеристика имеет средний участок DE, на котором действуют и обратная связь по скорости, и токоограничение. Значение Е_я в точке D находят из уравнения характеристики для участка 1 при I_я = I_{отс. В}, значение Е_я — в точке Е по (367). Затем находят значение I_я в точке Е по (366), в котором нужно взять значение Е_{я. отс}, вычисленное по (357) для I_{отс. В}.

Статические характеристики для U_ст1U_з<U_{з max} также имеют три участка (рис.208, в). Эти характеристики рассчитывают аналогично.

Очевидно, что чем меньше R_э по сравнению с R_пу, тем круче становится участок 2 характеристик. Теоретически I_я = I_отс = I_ст при R_э = 0 средний участок вообще отсутствует.

В системах с упреждающим токоограничением сигнал, пропорциональный ЭДС якоря двигателя, может сниматься также с тахогенератора (U_э = k_cΩ) при соблюдении эквивалентного условия k_c = k_тп/k_дв.

Вопросы для самоконтроля

1.Перечислите основные схемы замкнутых систем ЭП постоянного тока со стабилизацией скорости вращения.

2.Приведите структурную схему и основные расчетные соотношения системы ЭП с отрицательной обратной связью по напряжению якоря (ООСН).

3. Приведите структурную схему и основные расчетные соотношения системы ЭП с отрицательной обратной связью по скорости (ООСС).

4. Приведите структурную схему и основные расчетные соотношения системы ЭП с отрицательной обратной связью по напряжению якоря (ООСН) и с положительной обратной связью по току обмотки якоря (ООСН + ПОСТ).

5. Приведите структурную схему и основные расчетные соотношения системы ЭП с положительной обратной связью по току обмотки якоря (ПОСТ);

6. Приведите структурную схему и основные расчетные соотношения системы ЭП с отрицательной обратной связью по скорости и с положительной обратной связью по току обмотки якоря (ООСС + ПОСТ).

7. Приведите структурную схему ЭП, в которой реализовано ограничение тока якоря на заданном уровне и дайте пояснение работы этой схемы.