3.5.2. Анализ и синтез систем стабилизации с задержанными обратными связями

В переходных процессах при подаче за­дающего напряжения скачком (U₃ sign t) в замкнутых системах с обратными связями (отрицательной по скорости и напряжению и положительными по току) сигнал управле­ния в начале переходного процесса пуска или торможения обычно намного превышает его установившееся значение. При этом в этих системах электропривода возникает форсировка сигнала управления преобразователем, которая уменьшается по мере разгона или торможения двигателя. Поэтому процессы разбега или торможения двигателя получают­ся ускоренными в начале и замедленными в конце. В начале переходного процесса форсировки могут достигать больших значе­ний, что может приводить к возрастанию тока двигателя до недопустимых значений. Это требует введения ограничения тока и мо­мента двигателя.

Стабилизация момента двигателя в рас­сматриваемых системах электропривода осу­ществляется с помощью отрицательной об­ратной связи по току, обеспечивающей резкое снижение скорости двигателя при приблизи­тельно постоянном моменте. Связь исполь­зуется с отсечкой, задерживающей действие связи при низких нагрузках. Это обусловлено необходимостью защиты двигателя или ме­ханизма от недопустимых перегрузок в стати­ческих и динамических режимах. Стабили­зация момента в установившихся режимах необходима в приводах механизмов, работа­ющих с резко переменной нагрузкой или на упор. В большинстве же электроприводов стабилизация момента используется для осу­ществления необходимых динамических ре­жимов. Отсечка осуществляется введением в цепь связи опорного напряжения u_оп и вентиляV (рис. 3.13, а), обеспечивающего действие связи только при превышении сиг­налом связиu_тзначения опорного напряже­ния (u _т>u_оп). Опорное напряжение сни­мается с опорного потенциометраRP, вклю­ченного в цепь связи (рис. 3.13, а) или со­здается стабилитрономV (рис. 3.13, б). В реверсивных электроприводах используются схемы, приведенные на рис. 3.13, в, г. При­менение стабилитронов исключает необхо­димость использования дополнительных ис­точников напряжения.

Рис. 3.14. Функциональная схема электропривода с обратной связью

с отсечкой (а), узлы схемной реализации отсечек (б – д)

Напряжение отрицательной обратной свя­зи по току с отсечкой определяется следую­щим образом:

,

где I_отс — ток отсечки, при котором начинает действовать отрицательная обратная связь по току; 1 (ΔI) = 1 (I - I_отс) — единичная функция по току, равная нулю при I < I_отс и единице при I > I_отс.

Электромеханические характеристики в системах с токовой отсечкой и с отрицатель­ными обратными связями по скорости и на­пряжению имеют следующий вид:

Характеристика имеет два участка (рис. 3.13, д): стабилизации скорости (1(ΔI) = 0 при I < I_отс) и стабилизации момента (1 (ΔI) = 1 при I > I_отс).

Регулирование тока отсечки производит­ся изменением опорного напряжения u_оп .

Уровень стабилизации тока (момента) двигателя при действии отрицательной связи по току может быть оценен по уравнению ЭДС преобразователя, записанного для слу­чая стопорения двигателя (ω = 0):

где I_ст — ток якоря при стопорении двига­теля.

В режиме стабилизации момента отри­цательная обратная связь по току и отри­цательная обратная связь по скорости или напряжению, осуществляющая стабилизацию скорости, противодействуют друг другу. Связь по току снижает скорость двигателя, а связь по скорости (напряжению) старается ее повысить. Поэтому в этом режиме связь по скорости (напряжению) отключают путем введения в эту связь узлов отсечки, что по­вышает эффективность действия токовой от­сечки и улучшает переходные процессы, обеспечивая постоянство ускорения и замед­ления привода.

Стабилизация ускорения осуществляется с помощью стабилизации момента в переход­ном процессе на всем его протяжении. Это обеспечивается в системе управления электро­приводом с отрицательными обратными свя­зями по току и скорости (или напряжению) с отсечками. Эти связи позволяют сформиро­вать требуемый закон изменения сигнала уп­равления на входе преобразователя.

Функциональная схема системы электро­привода с отрицательными обратными свя­зями по скорости и току с отсечками приве­дена на рис. 3.15, а. Отсечку по току осу­ществляет стабилитрон V1, так как уровень стабилизации тока (момента) может быть выбран однозначно, исходя из его допустимого или требуемого значения. Отсечку по ско­рости обеспечивает диод V2, когда опорное напряжение (по скорости) меньше напряжения датчика обратной связи (u_оп < u_с). При этом напряжение обратной связи опреде­ляется следующим образом:

U_со = (u_с - u_оп) 1 (Δ I) = k_с (ω - ω_отс)1 (Δ ω),

где ω _отс — скорость отсечки, при которой начинает действовать обратная связь по скорости; 1 (Δ ω) = 1 (ω - ω_отс) — единичная функция по скорости, равная нулю при ω < ω _отс и единице при ω > ω _отс .

Уравнение электромеханической характе­ристики при этом имеет следующий вид:

.

Выбор значений тока отсечки I_отс и ско­рости отсечки ω _отс, т.е. значений единич­ных функций, может производиться при их точном соответствии, как показано на рис. 3.15, б.

Однако практически значение ско­рости отсечки принимается при скорости ниже полного соответствия, т.е. при I > I_отс, как показано на рис 3.15, в. Это позволяет упростить настройку системы и исключить снижение момента перегрузки двигателя при снижении напряжения сети.

Задающее напряжение в системе электро­привода с отрицательной обратной связью по скорости (напряжению) с отсечкой опре­деляется при идеальном холостом ходе дви­гателя, когда 1 (Δω) = 1, а 1 (ΔI) = 0. Тогда

.

Снижение задающего напряжения в си­стеме с отсечкой по скорости на u_ос позво­ляет облегчить действие токовой отсечки.

Регулирование скорости в такой си­стеме электропривода изменением задающего напряжения U₃ обеспечиваться не может, так как при снижении скорости ниже скоро­сти отсечки (ω < ω_отс) обратная связь по скорости отключается. Поэтому скорость ре­гулируется изменением значения опорного напряжения u_оп, изменяющего скорость отсечки ω_отс. Это является недостатком этой системы управления.

В переходных процессах отрицательные обратные связи по току и скорости с отсеч­ками позволяют сформировать закон измене­ния сигнала управления на входе преобра­зователя при пуске двигателя с постоянным ускорением и торможении с постоянным за­медлением.

Исследования таких систем в динамике можно проводить классическими или частот­ными методами по структурной схеме, при­веденной на рис. 3.11, б, но в которой опор­ные напряжения по скорости и току вынесены на вход системы.