2.5.5. Инженерный расчет передаточной функции контура регулирования тока возбуждения

В унифицированных системах автоуправления электроприводами с двухзонным регулированием скорости используют принцип зависимого от ЭДС (напряжения) двигателя управления полем. Для управления полем применяют двухконтурную (реже одноконтурную) систему, задача которой состоит в поддержании номинального тока (потока) возбуждения до основной скорости (зона І) и в поддержании постоянства ЭДС (напряжения) двигателя при ослаблении поля (зона ІІ). Структурная схема двигателя постоянного тка при управлении изменением потока возбуждения от тиристорного возбудителя рассмотрена в п. 2.4. (рис. 2.8.) При составлении этой схемы контурами рассеяния магнитного потока и вихревых токов пренебрегали. Структурная схема контура регулирования тока возбуждения представлена на рис. 2.12. Исходя из структуры контура, согласно общих рекомендаций по оптимизации (табл. 2.1), можно использовать ПИ-регулятор, но, так как отношение постоянных времени обмотки возбуждения Тов и тиристорного возбудителя Ттп намного больше единицы (Тов:Ттп>>1), обычно применяют П-регулятор тока возбуждения с передаточной функцией Wртв(р)=Kртв.

Рис. 2.12. Структурная схема контура регулирования тока возбуждения.

Оптимальная по МО-оптимуму передаточная функция замкнутого контура регулирования тока возбуждения (рис. 2.12) имеет вид:

; (2.64)

Для получения этой оптимальной передаточной функции коэффициент усиления регулятора тока возбуждения выбирается по выражению:

; (2.65)

В случае применения ПИ-регулятора тока возбуждения коэффициент пропорционального усиления Кртв определяется по этой же формуле, а время изодрома устанавливают равным Тв.

2.5.6. Инженерный расчет контура регулирования эдс в двухконтурной системе управления потоком возбуждения электродвигателя при двухзонном регулировании скорости.

Двухзонное регулирование скорости осуществляется измене­нием потока возбуждения электродвигателя при неизменном на­пряжении на якоре, близком к номинальному, или при номиналь­ной ЭДС двигателя. Для регулирования скорости напряжением на якоре служит система, аналогичная показанной на рис. 2.10, а. Управление возбудителем производится с помощью двухконтурной системы поддержания постоянства напряжения или э. д. с. двигателя с подчиненным регулированием тока возбуждения (рис. 2.13).

На входе регулятора ЭДС сравниваются неизменное задан­ное и фактическое (от датчика ДЭ) значения ЭДС. При стоянке привода и работе в I зоне диапазона регулирования скорости зада­ние ЭДС превышает по величине сигнал о. с. и регулятор ЭДС РЭ работает в режиме ограничения; его выходное напряжение соответствует номинальному току возбуждения. Когда при раз­гоне с переходом во II зону ЭДС двигателя становится больше заданной, напряжение выхода РЭ уменьшается до тех пор, пока ток возбуждения, регулируемый РТВ, не достигает величины, обеспечивающей заданное значение ЭДС при текущем значении скорости вращения электродвигателя. При замедлении привода происходит процесс усиления поля (сигнал ДЭ меньше сигнала за­дания) до достижения основной скорости. Дальнейшее торможение осуществляется снижением напряжения на якоре при номинальном токе возбуждения. Таким образом, система обеспечивает постоян­ство тока возбуждения в I зоне и постоянство ЭДС во II зоне диапазона регулирования скорости.

Для реверсивных электроприводов на выходе ДЭ включают выпрямительный мостик; на вход РЭ подается модуль фактического значения ЭДС.

Рис. 2.13. Принципиальная схема системы управления потоком возбуждения электродвигателя при двухзонном регулировании скорости.

Структурная схема регулирования ЭДС в двухконтурной системе (рис. 2.13) приведена на рис. 2.14. Предполагается, что подчиненный контур регулирования потока возбуждения настроен по МО-оптимуму во всем диапазоне ослабления поля (п. 2.5.5). Так как объект регулирования в контуре ЭДС не содержит звеньев с большими постоянными времени, то согласно табл. 2.1. в качестве регулятора ЭДС применяют И-регулятор с настройкой по МО-оптимуму.

Рис. 2.14. Структурная схема контура регулирования ЭДС электродвигателя а) и способы включения множительно-делительного устройства (б,в).

Оптимальная настойка контура регулирования ЭДС электродвигателя (рис. 2.14, а) достигается при постоянной времени регулятора ЭДС определяемой по выражению:

; (2.66)

где: Коэ – коэффициент пропорциональности между постоянными контура и регулятора, определяемый по выражению:

; (2.67)

Кдэ, Кдп – коэффициенты передачи датчиков ЭДС и потока возбуждения (рис. 2.14, в)

Воэ – эквивалентная постоянная времени контура, определяемая по выражению аналогичному (2.40):

; (2.68)

= - сумма малых постоянных в прямом канале (рис. 2.13);

- сумма малых постоянных времени в обратном канале (рис. 2.13).

Постоянная времени регулятора Задаваясь величиной с_ОСЭ находим оптимальное сопротивление r_Э.

Передаточная функция замкнутого оптимизированного контура ЭДС на рис. 2.14, а имеет вид:

; (2.69)

где: Т - эквивалентная постоянная времени контура регулирования ЭДС, равная:

; (2.70)

Если величина постоянной времени датчика ЭДС относительно велика (десятки миллисекунд), то для электроприводов работающих со значительными ускорениями, возможно опасное для двигателя перерегулирования ЭДС. Рациональным выходом является уменьшение инерционности датчика ЭДС подключением цепи обратной связи по напряжению непосредственно к якорю двигателя или компенсация (полная или частичная) постоянной времени Тдэ с помощью ПД звена [17]. Другим способом уменьшить перерегулирование ЭДС является применение ПИ-регулятора ЭДС, время изодрома которого составляет (0,8-1,0)Т _ДЭ. Коэффициент пропорционального усиления регулятора ЭДС находят по формуле:

; (2.71)

Причем в состав Воэ (2.68) не включают.

Оптимальная настойка контура (рис. 2.14, а) возложена лишь при При меньших скоростях контур окажется более демпфированным, при больших – более колебательным. Скорость соответствующую оптимальной настойке контура, нужно выбирать с учетом конкретных требований, предъявляемых к расчету регулирования ЭДС.

Настройку контура ЭДС, оптимальную во всей зоне ІІ, можно получить, вводя в контур делительное устройство, как показано на рис. 2.14, б. Благодаря этому величина коэффициента пропорциональности Коэ (2.67) остается неизменной, что обеспечивает постоянство оптимальной настройки контура. Вместо делительного можно применить множительное устройство, включенное по схеме рис. 2.14, в. в последнем случае для коррекции контура регулирования ЭДС применяют датчик потока, используемый в цепи обратной связи подчиненного контура регулирования тока (потока) возбуждения. При расчете величины Воэ (2.68) следует учитывать Т_ делительного или множительного устройства.

В одноконтурной системе поддержания постоянства ЭДС при ослаблении поля электродвигателя регулятор ЭДС непосредственно управляет возбуждением. Принципиальная схема контура приведена на рис. 2.15, а. На выходе регулятора р сигнал U_З сравнивается с большим из сигналов U_ДТВ и U_ДЭ , поступающих от датчиков тока возбуждения ДТВ и ЭДС ДЭ. Выбор большего сигнала осуществляется с помощью диодной схемы (диоды 1В, 2В). Коэффициенты передачи датчиков выбирают такими, чтобы номинальным значениям тока возбуждения и ЭДС соответствовало равенство напряжений датчиков U_ДТВ= U_ДЭ. При этом в зоне І поддерживается номинальный ток возбуждения, а в зоне ІІ – номинальная ЭДС двигателя. Настойка регулятора р осуществляется для режима работы в качестве регулятора ЭДС. В зоне І должен быть обеспечен лишь необходимый запас устойчивости.

Структурная схема контура регулирования ЭДС, построенная на базе структурной схемы двигателя, приведена на рис. 2.15, б. Для оптимизации контура (по МО) применяют ПИ-регулятор со временем изодрома, равным Тв. Коэффициент пропорционального усиления регулятора выбирают равным:

; (2.72)

где: Коэ – коэффициент пропорциональности постоянных, равный:

; (2.73)

Сф – коэффициент пропорциональности между током возбуждения и потоком.

Рис. 2.15. Принципиальная схема одноконтурной системы управления возбуждения электродвигателя при двухзонном регулировании скорости (а) и структурная схема системы в режиме регулирования ЭДС.

- эквивалентная постоянная времени контура, равная:

; (2.74)

- сумма малых постоянных времени преобразователя и регулятора (прямой канал);

- сумма малых постоянных времени в обратном канале.

Для обеспечения оптимальной настойки во всем диапазоне регулирования скорости в контур (рис. 2.15, б) включают делительное устройство (аналогично рис. 2.14, б).

Одноконтурная схема управления полем выгодно отличается от системы подчиненного управления (рис. 2.13) меньшим числом регуляторов, отсутствием необходимости введения нелинейного звена типа датчика потока, а также более высоким быстродействием.