Библиотека / Красовский основы электропривода

1

м

б

Рис. 4.22. К пояснению принципов замкнутого управления в

электроприводе:

Предположим также, что при работе привода с некоторой большей

скоростью при том же моменте нагрузки Мс2, например в точке в

рассматриваемой координатной плоскости со(М), отклонение ско­

рости не превышает допустимого значения. Отметим, что, соеди­ нив прямой линией точки а и в, можно получить так называемую желаемую в контексте рассматриваемой задачи механическую ха­

рактеристику привода с жесткостью Вз > /Зр, при работе на которой

возможное снижение скорости Лсо3 = Мс2 -Мcl < ЛсоР.

Вз

Очевидно, что перевести привод в точку в можно, соответ­

ствующим образом увеличив напряжение на якоре двигателя, т. е. переведя его на характеристику 3 (см. рис. 4.22, а). В данном слу­

чае желаемую механическую характеристику можно рассматри­

вать как геометрическое место точек, принадлежащих разным ха­

рактеристикам разомкнутой системы, каждая из которых соответ­

ствует фиксированному значению регулируемой величины -

напряжения на якоре двигателя.

В зависимости от того, в функции какой переменной в данном примере определяется необходимое напряжение на якоре двигателя

при изменении нагрузки на валу, принято выделять различные прин­

ципы управления. Наиболее распространенным является управление

по отклонению регулируемой переменной от заданного значения.

Из (4.20) видно, что чем больше значение К, тем ближе реальное

значение регулируемой величины х к заданному ее значению Х3

и только при К= оо получаем х = х3• Однако, поскольку К= оо фи­ зически невозможно, имеет место ошибка регулирования Лх, называемая статической ошибкой или статизмом:

Лх=~.

к

Сказанное выше не означает, что ошибка регулирования Лх принципиально не может быть сведена к нулю, как мы увидим да­

лее, это возможно при введении в структуру управления дополни­

тельных корректирующих элементов - регуляторов.

В системах регулирования по возмущающему воздействию, как показано на рис. 4.22, 6, с помощью измерительного устройства

ИУ2 измеряется наиболее значимое возмущение Хв (в рассмотрен­ ном примере - момент нагрузки на валу) и для компенсации его

влияния на регулируемую величину (скорость) пропорционально

измеренному сигналу увеличивается управляющее для усилителя У

воздействие Лх. Поскольку в данном случае Лх формируется без учета фактического значения регулируемой величины х, такое

управление можно считать разомкнутым.

Наиболее совершенным является комбинированное управление, в котором объединены две структуры: замкнутая и разомкнутая. К основной структуре - замкнутой - добавляется разомкнутая с

каналом управления по основному возмущающему воздействию.

В результате в регулирующем воздействии постоянно присутству­

ет составляющая, компенсирующая влияние основного возмуще­

ния. Влияние других менее значимых возмущающих воздействий компенсируется по цепи отрицательной обратной связи при регу­ лировании по отклонению. Далее рассмотрим примеры наиболее

характерных замкнутых систем электропривода с двигателями по­

стоянного тока независимого возбуждения (дПТ НВ).

4.4.2. Система электропривода с жесткой отрицательной обратной связью по скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения

При повышенных требованиях к стабильности регулирования скорости ДПТ НВ наиболее часто используют замкнутые системы электропривода с отрицательной обратной связью по скорости.

184Глава 4. Регулирование скорости и момента двигателей...

ВЮ1Х сшнал, пропорциональный заданному значеmпо скоросm,

сравmшается с сшналом, пропорциональным реальному значенmо

скоросm, и в функции их рассогласования изменяется управляющее

воздействие на двшатель дпя уменьшения выявленного рассогласова­

ния. Принцип построения таких систем показан на схеме рис. 4.23, а.

Как видно, ее основу составляет разомкнутая система преобразова­

тель - двигатель (П-Д), дополненная специальным измеритель­

ным устройством - датчиком скорости ДС - и устройством срав­ нения сшналов УС. Датчик скорости ДС располагается на валу дви­

гателя и формирует сшнал, пропорциональный его скорости Иобр.с•

(О

~Ис

Рис. 4.23. Схема включения (а) и характеристики (6) электропривода

постоянного тока с отрицательной обратной связью по скорости:

П - преобразователь; Д - двигатель; ДС - датчик скорости; УС -

устройство сравнения

Традиционно в качестве ДС используют специальные электри­ ческие машины малой мощности - тахогенераторы. Их отличи­

тельной особенностью является возбуждение от постоянных магни­ тов при работе в линейной зоне магнитных характеристик для обес­

печения линейносm характеристики вход-выход. В настоящее вре­

мя в целях повышения надежносm, экономичности, точности, сни­

жения габаритов и т. д. чаще используют цифровые датчики скоро­ сти, формирующие на выходе последовательность импульсов, ча­

стота которых пропорциональна скоросm вращения двшателя. Да­

лее, если необходимо, этот сшнал в цифроаналоговом преобразова­

теле преобразуется в аналоговую форму в виде напряжения Иобр.с,

пропорционального скорости вращения вала двшателя.

Устройство сравнения УС, которое обычно является частью входных цепей преобразователя П, сравнивает по значенmо сшналы,

подаваемые на его входы. Один из сшналов Из.с определяет заданное

или желаемое значение скорости, а вторым сигналом является сигнал

обратной связи по скорости Иоор.с· На выходе УС формируется раз­

ностный сигнал, называемый обычно сигналом ошибки регулирова-

ния И8 = Из.с -И06р.с, который в качестве управляющего воздей-

ствия подается на вход регулируемого преобразователя П.

Для получения аналитического выражения характеристик электропривода в замкнутой структуре запишем уравнения, опи­

сывающие работу ее элементов в статическом режиме, считая их

идеальными:

где Кп - коэффициент усиления преобразователя П; у - коэффи­

циент обратной связи по скорости; Rя1:. - суммарное сопротивле-

ние якорной цепи двигателя, включая выходное сопротивление

преобразователя. Путем последовательных преобразований полу­

чим уравнение электромеханической характеристики в виде

Уравнение механической характеристики может быть получено

с использованием известного соотношения между током якоря Iя и электромагнитным моментом М.

Для анализа свойств замкнутой по скорости системы электро­ привода получим аналогичное уравнение электромеханической

характеристики для разомкнутой системы, положив в (4.22) у= О:

(4.23)

Из (4.22) следует, что в замкнутой по скорости системе пере­

пад скорости под действием нагрузки равен

188 Глава 4. Регулирование скорости и момента двигателей...

откуда после несложных преобразований получим уравнение ста­

тической электромеханической характеристики:

из которого видно, что в зависимости от соотношения между зна­

чениями Rя и J3Kп в этой системе теоретически можно получить любую, в том числе и положительную, жесткость статических ха­ рактеристик (штриховые линии 1, 2, 3 на рис. 4.24, б). Однако на

практике по причине нелинейности элементов электропривода,

главным образом преобразователя П в области больших сигналов,

электромеханические характеристики становятся также нелиней­

ными (сплошные линии на рис. 4.24, б).

Обратим внимание на то, что если в системе с отрицательной

обратной связью по скорости характеристика с абсолютной жест­

костью технически недостижима и является предельным случаем,

то в рассматриваемой системе она реальна и имеет место при

Rя = J3Кп.

4.4.4. Система электропривода с жесткой нелинейной отрицательной обратной связью по току якоря двигателей постоянного тока независимого возбуждения

При необходимости ограничения момента двигателя на задан­ ном уровне Мзад в простейшем случае может быть использована жесткая нелинейная отрицательная обратная связь по току якоря двигателя при условии их пропорциональности (при постоянстве потока возбуждения двигателя). Она обеспечивает снижение

напряжения на якоре двигателя при достижении моментом двигате­

ля значения МзадСхема электропривода показана на рис. 4.25, а.

Она во многом повторяет схему на рис. 4.24, а за исключением того, что в данном случае сигнал с датчика тока ДТ на устройство срав­ нения УС поступает через нелинейный элемент с характеристикой усилителя с зоной нечувствительности, как показано на рис. 4.25, а.

Особенностью характеристики нелинейного элемента является

то, что, пока сигнал с выхода ДТ, равный U06p.cl = J3Jя, не превышает

О)

п {

Иобр.с

Рис. 4.25. Схема включения (а) и характеристики (6) электропри­

вода постоянного тока с нелинейной отрицательной обратной

связью по току якоря

некоторого опорного напряжения Иоп, являющегося параметром

настройки нешшейного элемента, сигнал на его выходе равен нуmо.

Поэтому контур обратной связи разомкнут и привод работает на од­ ной из характеристик с жесткостью, соответствующей разомкнутой

системе. Как только U06p.cl > И0п, цепь обратной связи замыкается и

сигнал Иобр.с с выхода нелинейного элемента поступает на один из

входов устройства сравнения УС. При замкнутой обратной связи уравнение электромеха1П1Ческой характеристики привода будет ана­

логично уравнению (4.28), но с измененным знаком перед ~Кп:

Из уравнения (4.29) видим, что при замыкании отрицательной обратной связи по току якоря двигателя перепад скорости, опреде­

ляемый выражением

(4.30)

увеличивается по отношению к перепаду скорости в разомкнутой

системе Лffip (см. (4.27)), что ведет к возрастанию наклона элек-

тромеханической характеристики. Таким образом, рассматривае-

190 Глава 4. Регулирование скорости и момента двигателей...

мая система электропривода позволяет формировать электромеха­

нические, а следовательно, и механические характеристики, состо­

ящие из двух характерных участков (см. рис. 4.25, б). Цифрой 1

обозначен первый пологий участок, соответствующий разомкну­

той системе.

В первом приближении можно считать, что на первом участке

привод работает в режиме стабилизации скорости. Заметим, что,

как уже отмечалось ранее, для повышения точности стабилизации

скорости рассматриваемая структура привода может быть допол­

нена, например, отрицательной обратной связью по скорости. При работе на этом участке характеристики сигнал, снимаемый с дат­ чика тока якоря PIя , меньше порогового значения И0п, определя­

ющего зону нечувствительности нелинейного элемента. В точке а

при токе якоря 1я = 1отсl наступает равенство PIя и И0п, чему со­

ответствует начало второго крутого участка электромеханической

характеристики, обозначенного цифрой 2 на рис. 4.25, б. Если уменьшить значение Иоп, то переход на крутой участок характери­

стики произойдет раньше, например в точке б (см. рис. 4.25) при

токе якоря 1я = 1отс2 . В этом случае второму крутому участку элек­ тромеханической характеристики будет соответствовать прямая 3.

Как следует из соотношений (4.29) и (4.30), наклон второго

крутого участка получаемых характеристик можно изменять, ме­

няя значение произведения ркп . В частности, при увеличении ркп можно получить более крутой участок характеристики, обо­ значенный 3'. Таким образом, в рассматриваемой системе регулиро­

вание момента привода осуществляется путем изменения значения

И0п, при этом точность регулирования зависит от значения ркп.

С увеличением значения ркп точность поддержания заданного

значения момента возрастает. Однако здесь, как и при жесткой

отрицательной обратной связи по скорости, максимально дости­ жимая точность регулирования ограничена физически реализуе­

мыми максимальными значениями произведения ркп .

Характеристики из двух и более участков с разными наклона­

ми достаточно широко используются в современном электропри­

воде для придания ему специальных свойств, например для огра­ ничения динамических нагрузок. В качестве примера можно при­

вести привод ковша карьерного экскаватора или привод валков

обжимного стана. В нормальном режиме работы оба привода ра­ ботают на пологих участках своих характеристик. Однако при