СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Применение отрицательной обратной связи по напряжению на якоре двигателя

Идея рассматриваемого способа регулирования заключается в том, чтобы, охватив преобразователь жесткой отрицательной обратной связью, ослабить влияние на точность поддержания скорости тех возмущений, которые вызывают снижение напря­жения 11д на якоре двигателя. К таким возмущениям можно отне­сти, например, изменение статической нагрузки на валу двигате­ля, которое вызывает увеличение падения напряжения в силовой цепи преобразователя и снижение Up. В схемах вентильных электроприводов колебания напряжения сети тоже влияют на величину ия и вызывают погрешность в поддержании скорости.

Рассмотрим структурную схему электропривода с отрица­тельной обратной связью по напряжению (рис. 3.7). На схеме изображено три контура регулирования;

- контур 1 саморегулирования ЭДС в двигателе, образован - ный звеньями ЯД, Д и отрицательной обратной связью по ЭДС двигателя. Передаточными функциями этих звеньев

Л/д(р) = 1/Тдр и Л/яд(р) = Кя/(1 +ТяР)

учитываются механическая инерция привода и электромагнитная инерция якорной цепи двигателя (без учета параметров силовой цепи преобразователя). Здесь Тд - механическая постоянная времени привода, Кя и Тя - кратность тока короткого замыкания и электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигате­ля. В электродвигателях средней и большой мощности ориенти­ровочно Кя = 15...30 и Тд = 0,02...0.1 с;

- контур регулирования 2, образованный звеньями ЯД и ЯП и учитывающий параметры силовой цепи отдельно двигателя и преобразователя. Передаточная функция звена ЯП

Мяп (р) - (1 + I яп Р )! Кяп,

где КЯл и Тяп - кратность тока короткого замыкания и электро - магнитная постоянная времени силовой цепи преобразователя. В электроприводах средней и большой мощности, выполненных по системе Г - Д, обычно Кяп = 20...40, ТЯп - 0,01...0,02 с, а по сис­теме вентильный преобразователь - двигатель - Кяп = Ю...20, Тяп - 0,02...0,05 с. Меньшие величины Кяп во втором случае обусловлены более мягкой внешней характеристикой вентиль­ных преобразователей из-за перекрытия вентилей в процессе коммутации;

- контур регулирования напряжения на якоре двигателя 3. образованный звеньями П и ОН.

С точки зрения функционирования контура 3 изменение па­дения напряжения Д1)п в силовой цепи преобразователя при протекании тока якоря (выходная величина звена ЯП) действует как возмущение, вызывая изменение напряжения ия на якоре двигателя. Если этот контур выполнить с высоким быстродейст­вием и большим коэффициентом усиления, то можно ослабить влияние возмущения AUn. В реальных случаях частота среза контура 3 доходит до со * 250...300 рад / с. Это приводит практи­чески к полному подавлению влияния возмущения AUn. В пере­ходных процессах, вызванных приложением момента статиче­ской нагрузки, наблюдается ия ~ const. Показатели переходных процессов в электроприводе с контуром регулирования напряже­ния вентильного преобразователя получаются, как у двигателя, работающего на естественной механической характеристике.

Некоторые, особенно тихоходные двигатели имеют малую величину показателя m =Тм / Тя. В этом случае процессы, вы­званные приложением статической нагрузки, носят колебатель­ный характер с большим перерегулированием по току якоря. Для устранения этого перерегулирования целесообразно применять дополнительную отрицательную гибкую обратную связь по току якоря двигателя [59].

3.3. Применение положительной обратной связи по току якоря двигателя (IR-компенсация)

В разомкнутом (без обратных связей) электроприводе, вы­полненном по схеме управляемый преобразователь - двигатель, статическая ошибка по скорости вращения двигателя после при­ложения Мс определяется величиной падения напряжения 1я Йяц 8 силовой цепи преобразователь - двигатель. Эту ошибку можно уменьшить, если на величину падения напряжения! я Ряц увели­чивать ЭДС преобразователя Еп - Для этого нужно ввести поло­жительную обратную связь по току якоря.

На схеме (рис. 3.8) имеется два контура регулирования. Кон­тур 1 образован звеньями ЯЦ и Д. Как мы уже отмечали, этот контур учитывает передаточные свойства разомкнутой системы преобразователь - двигатель. Контур 2 образован звеньями ЯЦ. ОТ и П. Он учитывает эффект, вносимый положительной обрат­ной связью ОТ.

Оценим влияние положительной обратной связи по току яко­ря на ошибку по скорости, обусловленную приложением статиче­ской нагрузки )с. Для этого сначала структурную схему электро­привода изобразим, как на рис. 3.9 а: после чего рассмотрим вид передаточной функции и частотной характеристики электропривода по каналу «1С - п» при различных значениях коэффициента усиления К0т канала ОТ

Охват звена ЯЦ местной положительной обратной связью эк­вивалентен (в статических режимах) увеличению его коэффици­ента усиления. А это приводит к уменьшению коэффициента пе­редачи электропривода по каналу «1с - п», т. е. увеличивает же­сткость механической характеристики электропривода.

Если выбрать Кт = Кяц Кот Кп = 1, то коэффициент усиления звена ЯЦ можно сделать бесконечно большим, а механическую характеристику электропривода - абсолютно жесткой. Но каковы будут при этом динамические показатели электропривода?

Оценку динамических показателей электропривода выполним для простейшего случая, когда звенья ОТ и П приняты безынер­ционными, а в ЯЦ учтена электромагнитная инерция якорной це­пи постоянной времени Тяц. Тогда передаточная функция конту­ра регулирования 2 (звена ЯЦ, охваченного ОТ и П)

W2 (р) = Wnu (р) / [1 - W3u(p) Wot(p) Wn (р) ] =

= Кяц/(1-Кт + Тяи Р).

При Кт < 1 звено ЯЦ, охваченное ОТ и П, ведет себя как инерционное, у которого и коэффициент усиления и постоянная времени увеличены в 1 / (1 - Кт) раз.

Для оценки влияния звена ОТ на характер процессов в элек­троприводе после приложения Мс построим частотные характе­ристики электропривода по каналу «Іс - п» (см. рис. 3.9 б). Здесь кривая!_д учитывает механическую инерцию привода. Характе­ристика -12. которая соответствует контуру регулирования 2, изображена для нескольких значений Кт < 1. Видно, что высоко­частотные участки кривых -1_2 и -1_яц совпадают. Низкочастот­ные (идущие горизонтально) участки кривой - L2 располагаются тем ниже, чем больше Кт. В пределе, когда Кт = 1, кривая 12 вырождается в наклонную прямую, соответствующую интегри­рующему звену с постоянной времени Т2 = ТЯи/ Кяц, включенному в канал обратной связи звена 2.

Частотные характеристики электропривода по каналу «1с - п» аппроксимируются нижними участками характеристик 1_д или —1_2- Сопоставим эти характеристики с исходной характеристикой, соответствующей разомкнутой системе преобразователь - дви­гатель и аппроксимируемой нижними участками кривых 1_д и -1_яц. Изменение Кот вызывает изменение лишь низкочастотного участка характеристики электропривода, высокочастотный уча­сток сохраняется без изменений. Другим словами, начало пере­ходного процесса изменения скорости вращения двигателя после приложения Мс идет по одной и той же кривой как в разомкнутой системе преобразователь - двигатель, так и в замкнутой систе­ме с положительной обратной связью по току якоря. Это объяс­няется тем, что канал воздействия по току якоря выполнен с не­высоким (менее единицы) коэффициентом усиления. Поэтому процессы коррекции Ел в функции тока якоря 1я (работа контура регулирования 2) протекают медленнее, чем процессы измене­ния тока якоря, обусловленные изменением Ед вследствие паде­ния скорости вращения двигателя (работа контура регулирова­ния 1). В итоге величина динамического падения скорости вра­щения двигателя остается практически такой же, как и в разомк­нутой системе преобразователь - двигатель. Статическое же па­дение скорости будет тем меньше, чем ближе контурный коэф­фициент Кт разомкнутого контура регулирования тока приближа­ется к единице.

•• Известно, что система регулирования с положительной обратной сзязью относится к неминимально-фазовым системам. Для этих систем применение э общем случае аппарата аппроксимированных амплитудных частотных характеристик без учета фазовых является некорректным и мо­нет привести к ошибочным результатам. Каким образом в схеме с положи­тельной обратной связью по току якоря преодолевается указанная труд­ность анализа?

А каковы будут динамические показатели электропривода в предельном случае настройки контура регулирования тока, когда Кт = 1? В этом случае интегрирующее звено Д в прямом канале регулирования скорости охватывается другим интегрирующим звеном 2. Наличие же двух интегрирующих звеньев в однокон­турной системе регулирования, не содержащей форсирующих звеньев, свидетельствует о структурной неустойчивости этой системы. Чтобы избежать неустойчивости, выбирают Кт < 1.

В настоящее время рассматриваемый способ самостоятель­ного значения не имеет, но он удачно дополняет возможности схем с отрицательной обратной связью по напряжению на якоре в схемах, когда хотят избежать применения датчиков скорости. Ранее он применялся достаточно широко даже в электроприво­дах таких ответственных механизмов, какими являются непре­рывные станы холодной прокатки. Параметры токовой свя­зи обычно выбирают так, чтобы с ее помощью устранялось не все статическое падение скорости вращения двигателя, а на 50...70%.