Лекции по автоматическому электроприводу / Глава 6

29

ГЛАВА 6. ТИПОВЫЕ СЭП ПОСТОЯННОГО ТОКА

3 группы:

1) Одноконтурные СЭП

РИС

Достоинства: простота и высокое быстродействие;

Недостатки: не обеспечивает достаточной помехозащищенности и имеются проблемы ограничения регулируемых координат;

2) Системы подчиненного регулирования

РИС

Достоинства: а) унификация структуры и настроек регуляторов; б) простота ограничения регулируемых координат путем ограничения регуляторов соответствующих контуров; в) удобство наладки СЭП на объекте.

Недостатки: а) возрастание некомпенсируемой (малой) постоянной времени по мере увеличения числа контуров от внутреннего к внешнему ; б) критичность динамики к изменению параметров объекта.

3) Системы модального управления

РИС

Достоинства: а) высокое быстродействие; б) унификация структуры и способов.

Недостатки: а) относительная сложность синтеза СЭП; б) критичность динамики СЭП к вариации параметров объекта, что требует применения адаптивных устройств.

6.1. Одноконтурные СЭП

1. Функциональная схема СЭП и статические характеристики системы

РИС

ТО – токовая отсечка . При моментах двигателя стабилитрон закрыт, при стабилитрон открыт и токовая отсечка вступает в действие, приводя к снижению напряжения регулятора скорости вплоть до остановки привода. Механические характеристики при этом называются экскаваторными.

РИС

2. Оптимизация динамики СЭП

Структурно-динамическая схема СЭП может быть представлена в виде

РИС

На выходе ТГ включен фильтр для сглаживания пульсаций и помех на коллекторе.

При структурная схема примет вид,

РИС

где - "большие" постоянные времени. Должны быть скомпенсированы регулятором скорости для получения быстропротекающих малоколебательных переходных процессов; - "малые" постоянные времени. Не компенсируются, так как являются постоянными времени фильтров.

Компенсация больших постоянных времени физически происходит за счет форсировок выходных напряжений регуляторов.

ПФ разомкнутой системы будет:

;

- суммарная малая постоянная времени;

РИС

С учетом малых постоянных времени можно определить настройку ПИД-регулятора.

1) Настройка на оптимум по модулю (ОМ):

; где

ПФ разомкнутого контура скорости ;

Переходные процессы в системе определяются малыми постоянными времени. Большие постоянные времени скомпенсированы регулятором скорости.

ПФ замкнутого контура скорости ;

Настройка на ОМ соответствует коэффициенту демпфирования колебательного контура и перерегулированию ;

2) Настройка на симметричный оптимум (СО):

; где

ПФ разомкнутого контура скорости ;

ПФ замкнутого контура скорости ;

Настройка на СО соответствует коэффициенту демпфирования колебательного контура и перерегулированию .

РИС

Для снижения перерегулирования при настройке на СО на вход контура скорости включают апериодический фильтр с ПФ , где , .

Примечание: в ряде случаев может быть применена настройка на компромиссный оптимум (КО), обеспечивающая большее быстродействие, чем на ОМ. Настройка на КО: т.е. ; ;

При КО уменьшается время переходного процесса, но увеличивается перерегулирование и составляет .

Рассмотрим динамику СЭП при возмущении – изменении момента сопротивления. ПФ СЭП по возмущению будет:

, где

Настройка на СО обеспечивает лучший переходный процесс по возмущению, чем настройка на ОМ. Настройка на СО применяется при .

6.2. СЭП регулирования скорости с подчиненным регулированием

тока якоря двигателя

1. Функциональная схема СЭП и назначение контуров регулирования

РИС

Назначение контура тока:

а) ограничение тока двигателя;

б) отработка напряжения сети ;

в) компенсация якорной постоянной времени ;

Назначение контура скорости:

а) поддержание постоянства скорости или ее изменения по заданному закону;

б) компенсация возмущения ;

в) компенсация электромеханической постоянной времени ;

2. Способы пуска двигателя в СЭП

а) пуск "под отсечку" путем подачи напряжения полного сигнала задания скорости , при этом регулятор скорости входит в ограничение . При этом контура скорости фактически размыкается и пуск происходит под контролем замкнутого контура тока. Замыкание контура скорости произойдет при достижении двигателем заданной скорости. Данный способ пуска применяется на агрегатах, где режим разгона не является рабочим.

б) пуск через задатчик интенсивности (ЗИ). РИС В данном случае регулятор скорости не входит в ограничение и контур скорости в процессе пуска не размыкается . Данный способ пуска применяется на агрегатах, где процесс разгона является рабочим режимом.

3. Статика СЭП

а) статическая ошибка СЭП с П-РС

, где ; .

б) статическая ошибка СЭП с ПИ-РС

, при

4. Структурная динамическая схема и оптимизация динамики контуров СЭП

РИС

В большинстве случаев обратной связью по ЭДС двигателя пренебрегают при условии ; . При этом поддержание скорости сопровождается форсированием .

1) Оптимизация контура тока

КТ чаще всего настраивается на ОМ, реже на КО.

; где ,

где при настройке на ОМ и при настройке на КО; .

ПФ разомкнутого контура тока ;

ПФ замкнутого контура тока ;

2) Оптимизация контура скорости

РИС

а) оптимизация СЭП с П-РС (однократно интегрирующая система)

; где

При этом ПФ разомкнутого контура скорости будет

; с частотой среза .

Переходный процесс определяется только малыми постоянными времени, а большие постоянные времени скомпенсированы регуляторами тока и скорости.

б) оптимизация СЭП с ПИ-РС (двукратноинтегрирующая система)

; где .

При этом ПФ разомкнутого контура скорости

; с частотой среза .

6.3. Система подчиненного регулирования скорости с двухзонным управлением

1. Функциональная схема СЭП

РИС

ЗИ – задатчик скорости;

ДН – датчик напряжения якоря;

ДЭ – датчик ЭДС;

БВМ – блок выделения модуля ЭДС;

ТВ – тиристорный возбудитель;

ДТВ – датчик тока возбуждения;

РТВ – регулятор тока возбуждения;

РЭ – регулятор ЭДС;

БО – блок ограничения;

а) статические характеристики

РИС

- 1-я зона управления;

- 2-я зона управления; Р - const,

В 1-й зоне двигатель не может быть использован на полную мощность , во второй зоне он используется полностью. В то же время нагрузочная способность падает от до . Это обусловлено стремлением обеспечить нормальную коммутацию на коллекторе двигателя. В соответствии с изложенным, в СЭП введено регулируемое токоограничение, во 2-й зоне воздействующее на БО РС. Данная система является системой зависимого управления полем двигателя. Пуск двигателя на максимальную скорость происходит через ЗИ, причем в 1-й зоне возрастает при , поскольку РЭ находится в ограничении. Во второй зоне и при . Во второй зоне РЭ выходит из ограничения, снижая . СЭП называется системой зависимого управления полем двигателя, так как контур ЭДС зависит от контура скорости.

б) диаграмма пуска

РИС

2. Структурно-математическая модель СЭП и ее характеристика

РИС

Полученная математическая модель является

1) нелинейной (блоки произведения, - var)

2) взаимосвязанного регулирования, поскольку во второй зоне контура ЭДС и скорости взаимосвязаны через общий объект – двигатель.

Для раздельного рассмотрения динамики указанных контуров необходимо существенно различное быстродействие контуров регулирования.

Реально достижимое быстродействие:

• контур тока якоря двигателя - ;

• контур тока возбуждения - ;

• контур скорости - ;

• контур ЭДС - .

Следовательно быстродействие контуров сравнительно одинаково, что требует применения средств коррекции, компенсируя нелинейность кривой намагничивания. В качестве нелинейного средства введем датчик потока (ДП).

РИС

РИС

, - получена за счет фильтра ДП.

С учетом включения ДП, РВ настраивается при номинальном потоке двигателя, обеспечивая оптимальные характеристики во всем диапазоне изменения поля.

Параметры ПИ-РВ при настройке на ОМ

, где

ПФ разомкнутого контура тока возбуждения ;

ПФ замкнутого контура тока возбуждения

;

;

Получили ПФ, не зависящую от параметров объекта, т.е. с помощью ДП удалось линеаризовать контур магнитного потока двигателя.

2. Оптимизация контура ЭДС двигателя

Построим структурную математическую модель контура ЭДС двигателя

РИС

где . объект содержит произведение , что делает объект нелинейным звеном. Следовательно, необходимо применение нелинейных средств коррекции для оптимизации контура ЭДС во всем диапазоне регулирования скорости ЭП. Для линеаризации объекта необходимо включение делителя напряжения на выход регулятора ЭДС.

РИС

Нелинейное корректирующее устройство состоит из нелинейного звена НЗ1 и делителя Д1. Делитель компенсирует произведение в объекте, стабилизируя коэффициент усиления контура. В первой зоне НКУ себя не проявляет, поскольку происходит деление на 1.

С учетом НКУ ПИ-РЭ настраивается на ОМ:

ПФ разомкнутого контура ЭДС .

Оптимизация контура тока якоря двигателя происходит как это изложено выше (на ОМ или КО)

3. Оптимизация контура скорости

РИС

Наличие произведения делает объект нелинейным. Здесь также необходимо включение нелинейных средств коррекции с целью оптимизации контура скорости во всем диапазоне изменения поля. НКУ контура скорости

РИС

При включении НКУ происходит стабилизация контурного коэффициента передачи, следовательно РС может быть настроен при номинальном потоке на СО или ОМ, как это изложено выше.