§ 52. Системы автоматической стабилизации частоты вращения исполнительных двигателей

Системы стабилизации применяют при больших диапазонах регулирования скорости приводов, а также для приводов техноло­гического оборудования, требующего при сравнительно небольшом диапазоне регулирования точного поддержания скорости, мощно­сти резания и других параметров рабочего процесса. Эти системы, как правило, замкнутые. Точность систем определяется перепадом скоростей при изменении момента сопротивления и других возмущений в заданных пределах, т. е. жесткостью или статизмом механических характеристик.

В зависимости от требований к точности стабилизации режима обработки деталей и диапазона регулирования D= _max/ _min применяют различные варианты обратных связей.

Учитывая, что при определенных допущениях любая система автоматического регулирования может быть представлена эквива­лентной системой с двигателем постоянного тока, рассмотрим только варианты электроприводов постоянного тока.

В замкнутой системе статизм s₃ характеристик или перепад скорости будет наибольшим при низких скоростях:

Увеличить диапазон регулирования при заданном статизме s₃ можно, уменьшая перепад скорости _{с. 3.}

Схема стабилизации напряжения питания (частоты вращения) двигателя (рис. 106, а) содержит преобразователь П с усилителем, датчик напряжения ДН, сигнал которого U_o._{с. н} поступает на узел сравнения, где электрически суммируется с задающим сигналом U_з. Сигналы могут суммироваться электромагнитно, если требуется гальваническая развязка соответствующих цепей. Допускаем ли­нейную зависимость «вход-выход» преобразователя.

Уравнения электрического равновесия запишутся:

ское сложение сигналов. Уравнения равновесия записываются:

где k_т = U_{о. с т}/I_я — коэффициент обратной связи по току; R_я = =R_п + R_я._д + R_д.т; R_д.т —сопротивление датчика тока, если он включен непосредственно в цепь якоря двигателя.

Статическую скоростную характеристику получим, решив уравнения (79):

где U_y — напряжение управления на входе усилителя, k_n = — E_п/U_{y. п} — коэффициент усилия преобразователя, U_{y п} = U_y; k_н = U_o._{с. н}/U_я — коэффициент обратной связи по напряжению; Е_п — ЭДС преобразователя; R_n — сопротивление силовой цепи преобразователя. Из (78) находим:

Падение напряжения U_я.₃ при одинаковой нагрузке в (1 + k_нk_n) раз меньше по сравнению с падением напряжения U_{я р} в разомкнутой системе. Следовательно, жесткость характе­ристики преобразователя повышается, и тем самым обеспечивается стабильность напряжения U_я и частоты вращения двигателя.

Заданный статизм характеристики зависит от k_н, k_n и опреде­ляется по формуле

Требуемый коэффициент усиления

Статизм характеристики при изменении диапазона регулирова­ния можно определить уравнением

Статические характеристики системы П—Д постоянного тока.

Рассмотрим случай с положительной обратной связью по току. На рис. 106, б рассматривается электриче-

В зависимости от k_T теоретически можно получить любую жест­кость статической характеристики.

Положительная обратная связь по току зависит от скорости со. Ее используют как дополнительную к обратной связи по напряже­нию или по скорости.

Для случая сотрицательной обратной связью по частоте вращения двигателя. В качестве дат­чика скорости (рис. 106, в) может быть использован тахогенератор или тахометрический мост. При Ф = Ф_н = const исходные урав­нения записываются:

где k_e = U_o.c.с/ — коэффициент обратной связи по скорости.

Из уравнений (80) получим уравнение скоростной характери­стики

Из полученного уравнения видно, что жесткость статической характеристики повышается по сравнению с характеристикой ра­зомкнутой системы в (1 + k_ek_nk_д) раз.

При заданном диапазоне регулирования скорости и статизме s = _з/ _{о min} требуемый коэффициент усиления

k_T = (Ds_p/s₃)— 1.

Тогда требуемый коэффициент обратной связи по скорости

k_c= k_T/k_nk_д

Рассмотрим случай с отрицательной обратной связью по напряжению и положительной связью по току. На схеме рис. 107, а представлено элек­тромагнитное сложение сигналов с использованием усилителя с тремя обмотками управления. При этом исходные уравнения за­писываются как

где F_y — результирующая МДС управления преобразователя; F₃, F_o.c.h, F_o.c.t — МДС обмоток управления задающей (ОУ1), об­ратной связи по напряжению (ОУ2), обратной связи по току (ОУ3); I_у1, I_у2, I_у3 и _У1, _у2, _у3 — токи и число витков обмоток управ­ления;

Из решения системы уравнений (81) определится статическая скоростная характеристика привода

При соответствующем выборе коэффициентов обратных связей можно получить жесткость статической характеристики, аналогич­ную жесткости характеристики системы с обратной связью по ско­рости.

Для случая с отрицательной обратной связью по скорости и положительной — по току. Схема, изображенная на рис. 107, б, обеспечивает электромагнит­ное суммирование сигналов, и исходные уравнения запишутся:

_где k_c = F_o.c.c/ — коэффициент обратной связи по скорости.

Решив систему уравнений (82), получим уравнение скоростной характеристики

Данная схема применяется при больших диапазонах регули­рования D, когда стабильность скорости невозможно обеспечить одной обратной связью по скорости.

Рассмотренные варианты являются основными и не охватывают более сложных решений при построении систем стабилизации ско­рости резания или режимов обработки, знание методов расчета

систем стабилизации скорости позволяет решать и другие задачи по стабилизации технологических параметров. Используя уравне­ния данного параграфа, можно определить параметры элементов и выбрать их по техническим характеристикам.

Ограничение уровней сигналов управления в системах авто­матики. Общий коэффициент усиления k системы выбирают так, чтобы обеспечить необходимый статизм характеристик для выпол­нения требований технологического процесса. При этом в переход-

ных процессах при пуске и резких колебаниях возмущающих воз­действий возможно положение, при котором результирующий сиг­нал управления кратковременно превосходит установившееся зна­чение в (1 + k) раз, что недопустимо для преобразователей. Напри­мер, для тиристорных преобразователей результирующий сигнал управления не должен быть больше значений, при которых угол регулирования <0 (нереверсивный) или _min< < _max (ревер-

Рис. 108. Типовые схемы ограничения уровня сигналов управления: а — ограничения в цепи обратной связи; б — шунтирование входа преобразователя

сивный). Поэтому применяют различные способы ограничения сиг­налов управления в системах автоматики (рис. 108):

1. обратные связи с «отсечкой», когда в цепь обратной связи вводится полупроводниковый диод или стабилитрон (рис. 108, а);

2. шунтирование входа преобразователя стабилитроном или использованием «насыщения» промежуточного усилителя, (рис. 108, б).

Применение «отсечек» позволяет ограничить действие обратных связей при определенных значениях отклонения регулируемой величины от заданной области.