01_Абрамкин_ЭМЭиС_2019

буждения KM2. Таким образом, разгон СД осуществляется замкнутой на разрядный резистор R обмоткой возбуждения. Замыкание обмотки возбуждения на разрядный резистор R производится через контакт KM2.3.

Завершение режима пуска при подсинхронной скорости характеризуется снижением тока в катушке реле KA ниже тока отпускания. При этом оно отключается и отключает электропитание реле времени KT. После этого с заданной задержкой времени включается контактор KM2 и своими контактами KM2.1 и KM2.2 подключает обмотку возбуждения к источнику питания.

Следует заметить, что в обеих СУ контактор возбуждения KM2 при подключении обмотки к источнику питания своим контактом KM2.3 отключает разрядный резистор R, снижая тем самым потери энергии в ЭП.

Контрольные вопросы

1.Опишите работу схемы пуска ДПТ НВ в функции времени.

2.Опишите работу схемы пуска ДПТ НВ в две ступени и динамического торможения в функции времени.

3.Опишите работу схемы динамического торможения ДПТ НВ в функции ЭДС.

4.Опишите работу схемы пуска ДПТ ПВ в функции тока якоря.

5.Опишите работу СУ ДПТ ПВ при осуществлении реостатного пуска

иреверса.

6.Опишите работу СУ короткозамкнутым АД с помощью магнитного пускателя.

7.Опишите работу СУ короткозамкнутым АД с помощью реверсивного пускателя.

8.Опишите работу релейно-контактной системы при управлении двухскоростными двигателями.

9.Опишите формирование режима динамического торможения в АД с помощью источника постоянного тока.

10.Опишите работу СУ АД с прямым пуском и торможением противовключением.

11.Опишите работу СУ АД с одноступенчатым пуском в функции времени и торможения противовключением в функции ЭДС ротора.

12.Опишите работу СУ СД в функции скорости вращения.

13.Опишите работу СУ СД в функции тока статора.

40

3. ЗАМКНУТЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Замкнутые СУ ЭП позволяют точнее связать статические и динамические режимы работы ЭП с требованиями ТП. Они, как любая система автоматического регулирования, могут быть реализованы по принципу отклонения с использованием обратных связей или по принципу компенсации внешнего возмущения. Основным отличительным признаком замкнутых СУ ЭП является полное или частичное устранение влияния внешнего возмущения на регулируемые координаты ЭП. В связи с этим замкнутая СУ ЭП обеспечивает более качественное управление движением ИО РМ, хотя схемы СУ сложнее, чем у разомкнутых СУ ЭП.

3.1.Принципы построения замкнутых электромеханических систем

Статические характеристики замкнутых систем. Рассмотрим меха-

нические характеристики ЭП с отрицательной обратной связью по скорости вращения ДПТ НВ. Его структурная схема представлена на рис. 3.1 [11]–[13]. На схеме приняты следующие обозначения: Uздω – напряжение, пропорциональное заданному значению угловой скорости холостого хода ω0; Uтг – выходное напряжение тахогенератора; Uω – сигнал рассогласования; kу – коэффициент усиления сигнала рассогласования; Uу – напряжение управления; UZ

– полупроводниковый преобразователь; Uя – напряжение в цепи якоря; M – двигатель; ω – угловая скорость ЭД; BR – тахогенератор.

Рис. 3.1. Структурная схема ЭП с отрицательной обратной связью по скорости вращения ДПТ НВ

Цепь якоря ЭД M получает электропитание от UZ. Он имеет передаточную функцию

где kUZ – коэффициент усиления преобразователя.

41

К валу двигателя M присоединен BR, выходное напряжение которого про-

Здесь коэффициент пропорциональности kтг – это коэффициент обратной связи по скорости.

Разность напряжений Uтг с выхода тахогенератора и Uздω, пропорционального заданному значению угловой скорости холостого хода ω0, образует сигнал рассогласования Uω, который подается на вход усилителя с передаточной функцией kу:

где kз.с = c / (kUZkу) – общий коэффициент усиления замкнутой системы; rΣ = rя + rUZ – суммарное сопротивление цепи якоря, включающее внутреннее сопротивление преобразователя rUZ; c = kΦн – номинальное потокосцепление якоря (k – конструктивный коэффициент ЭД; Φн – номинальный магнитный поток ЭД).

Из уравнения (3.4) следует, что жесткость механической характеристики в замкнутой системе

всегда больше жесткости характеристики в разомкнутой системе hр.с и при прочих равных условиях стремится к бесконечности при увеличении коэффициента усиления kу:

42

Таким образом, требуемую жесткость механической характеристики можно получить подбором значения kу.

Угловая скорость холостого хода ω0 в замкнутой системе определяется сигналом задания Uздω

Отметим, что в режиме холостого хода при большом коэффициенте усиления kу сигнал задания Uздω уравнивается с сигналом на выходе тахогенератора Uтг.

Уравнение скоростной характеристики получим подстановкой в (3.4) выражения для вращающего момента M = cIя:

Очевидно, что такие характеристики подобны механическим характеристикам, представленным на рис. 3.2, а.

Регулирование угловой скорости вращения в системе на рис. 3.1 осуществляется следующим образом. Допустим, в статическом режиме работы момент нагрузки увеличивается от Mc1 до Mc2 (рис. 3.2, б), тогда угловая скорость вращения начнет снижаться. Отсутствие обратной связи в СУ в этом случае приведет к уменьшению противоЭДС вращения. Следовательно, увеличится ток якоря. Соответственно увеличится и вращающий момент ЭД. Этот процесс продолжается до тех пор, пока момент ЭД не сравняется с моментом нагрузки Mc2. При этом точка статического режима на рис. 3.2, б смещается из a в b. Наличие обратной связи при снижении угловой скорости вращения при-

43

водит к уменьшению Uтг и к увеличению сигнала рассогласования Uω. В результате управляющий сигнал преобразователя Uу, напряжение Uя и ток Iя в цепи якоря возрастают. Состояние равновесия достигается переходом на новую механическую характеристику (точка c на рис. 3.2, б). Она соответствует напряжению якоря Uя2. Таким образом, внешняя отрицательная обратная связь по скорости воздействует на ток якоря изменяя напряжение питания. Это усиливает действие внутренней обратной связи, которая регулирует ток якоря и вращающий момент посредством ЭДС вращения.

Механическая характеристика ЭП с замкнутой СУ представляет собой совокупность точек, принадлежащих множеству искусственных характеристик. Они формируются регулирующим воздействием, поэтому область формирования такой характеристики ограничена на плоскости характеристиками предельных значений регулируемой величины. Вид характеристики в пределах этой области определяется выбранным законом регулирования.

Рассмотрим механические характеристики СУ ЭП с отрицательной обратной связью по току якоря. Структурная схема ее представлена на рис. 3.3 [11]–[13].

Рис. 3.3. Структурная схема ЭП с отрицательной обратной связью по току якоря ДПТ НВ

В этой схеме входной сигнал – это сигнал задания силы тока якоря Uздi. Его значение преобразуется в напряжение Uд.т = rsIя с помощью шунта с сопротивлением rs. Здесь Uд.т – выходное напряжение датчика тока. Сигнал на входе преобразователя и напряжение в цепи якоря равны соответственно:

С учетом этого из уравнения Кирхгофа для цепи якоря

получаем уравнения механической и скоростной характеристик:

44

В отличие от СУ с обратной связью по скорости здесь при увеличении коэффициента kу жесткость механических характеристик снижается:

Соответственно при бесконечно большом значении kу характеристики становятся абсолютно мягкими (рис. 3.4, а).

Пусковой ток и вращающий момент равны соответственно:

Таким образом, в режиме пуска при большом коэффициенте усиления kу сигнал задания тока Uздi равен падению напряжения на сопротивлении шунта rs.

Регулирование тока якоря в СУ на рис. 3.3 осуществляется следующим образом. В статическом режиме работы при увеличении момента нагрузки с Mc1 до Mc2 скорость вращения начинает снижаться (рис. 3.4, б). В СУ без обратной связи по току при неизменном Uя, соответствующем точке b на рис. 3.4, б, снижение угловой скорости приводит к установлению нового статического режима. Введение

45

обратной связи при снижении угловой скорости вращения уменьшает сигнал рассогласования Ui. Это обусловлено увеличением тока якоря и падением напряжения на шунте Uд.т. Соответственно уменьшаются Uу, напряжение и ток в цепи якоря. Новое статическое состояние достигается переходом на новую механическую характеристику (точка c на рис. 3.4, б), соответствующую напряжению якоря Uя2. Здесь внешняя отрицательная обратная связь по току ослабляет действие внутренней обратной связи, которая регулирует ток якоря и вращающий момент посредством ЭДС вращения.

Нелинейные элементы в замкнутой СУ формируют сложные механические характеристики.

На рис. 3.5 показана структурная схема СУ ЭП постоянного тока с экскаваторной механической характеристикой, включающая 2 контура обратных связей. Отрицательная обратная связь внутреннего контура замкнута по току якоря, а внешнего – по скорости вращения. Контур обратной связи по току включает в себя нелинейный элемент с передаточной функцией

k0 Iя Iо;

оr I I I ,

s я я о

называемый узлом токовой отсечки (токоограничения). Если ток якоря Iя не превышает уровень тока отсечки Iо, то напряжение на выходе равно нулю и обратная связь по току разомкнута. При условии Iя > Iо обратная связь замыкается. На выходе узла отсечки появляется сигнал Uд.т = rsIя.

kн

Рис. 3.5. Структурная схема двухконтурной системы регулирования ЭП

В контур регулирования скорости СУ на рис. 3.5 включен блок насыщения, ограничивающий коэффициент усиления kу:

46

При снижении скорости вращения до границы допустимой статической ошибки Δω = ω0 – ω ≥ Δωн обратная связь по угловой скорости вращения отключается. Сигнал задания тока не изменяется (Uздi = const). Таким образом, область механических характеристик границами нелинейностей СУ делится на 3 зоны. Зона I (рис. 3.6, а) характеризуется малыми нагрузками и токами. При этом двухконтурная СУ работает с разомкнутым контуром регулирования тока (см. описание работы СУ на рис. 3.1). Механические характеристики зоны I имеют большую жесткость. Увеличение тока якоря до уровня тока отсечки Iо замыкает обратную связь внутреннего контура (зона II на рис. 3.6, а). Характеристики становятся мягче. Дальнейшее увеличение тока и снижение угловой скорости ниже значения ω < ω0 – Δωн размыкает обратную связь по скорости (зона III на рис. 3.6, а). Двухконтурная СУ здесь работает аналогично системе на рис. 3.3. Характеристика мягкая, ограничивающая силу тока якоря и момента.

Рис. 3.6. Механические характеристики экскаваторного типа:

а– замкнутой системы подчиненного регулирования;

б– замкнутой системы по току

При совпадении границ насыщения и тока отсечки в механической характеристике отсутствует область II (рис. 3.6, б). В точке a происходит переход от режима регулирования скорости к режиму регулирования тока якоря.

Так как блок насыщения kн ограничивает значение статической ошибки, а узел kо работает независимо от скорости вращения, то при изменении Uздω граничные точки a и b не изменяют свое положение относительно точки холостого хода. При этом механические характеристики смещаются эквидистантно.

47

48

Динамические характеристики замкнутых систем. Системы управления,

построенные по типу структурной схемы на рис. 3.5, называются системами подчиненного регулирования с последовательной коррекцией [11]–[13]. Такие СУ осуществляют регулирование каждой координаты в собственном замкнутом контуре. Их статические и динамические характеристики получают выбором параметров элементов каждой подсистемы в отдельности.

Вобщем случае получение желаемых свойств контура регулирования обусловлено тем, что сигнал рассогласования (ошибки) в каждом из них определенным образом математически обрабатывается. Элементы СУ, выполняющие математическую обработку, называются регуляторами. Все типы регуляторов, используемые в СУ ЭП и реализуемые с помощью аналоговых операционных усилителей, представлены в таблице.

Всистеме подчиненного регулирования заданное значение регулируемого параметра каждого внутреннего контура определяется выходным сигналом регулятора ближайшего внешнего контура. Таким образом, внутренний контур подчинен внешнему контуру. В то же время для каждого внешнего контура внутренний контур (или несколько внутренних контуров) это часть ОУ (рис. 3.7).

На рисунке приняты следующие обозначения: g1, g2, g3 – заданные зна-

чения; Wр1, Wр2, Wр3 – передаточные функции регулятора; Wо1, Wо2, Wо3 – передаточные функции ОУ; y1, y2, y3 – управляемые переменные; I, II – внутренние контуры; III – главный внешний контур. Внутренний контур II является внешним по отношению к I.

Рис. 3.7. Структурная схема системы подчиненного регулирования

Такая структура СУ позволяет раздельно настраивать и регулировать каждый контур, начиная с контура I. Также здесь несложно ограничить любую регулируемую координату. Это достигается ограничением выходного сигнала соответствующего регулятора. В случае аналоговой схемотехники это осуществляется блокировкой обратной связи операционного усилителя двусторонним стабилитроном или двумя стабилитронами, которые включены встречно последовательно.

49