Тиристорные электроприводы постоянного тока

Модель системы и ее анализ

Оценка динамических показателей системы — ее устойчивости и - быстро­действия— может быть проведена методом корневых годографов [8]. Исполь-

Производим и продаем электроприводы ЭТУ, ЭПУ для двигателей постоянного тока, тел./email +38 050 4571330 / rashid@msd.com.ua

Привод ЭПУ 25А с дросселем - 5500грн

Детектора

Зование этого удобного аналитического инструмента предполагает вычисление корней и полюсов передаточной функции разомкнутой системы, по которым оп­ределяется геометрическое место корней характеристического уравнения замк­нутой системы на комплексной плоскости при изменении ее коэффициента усиления. Этот подход позволяет судить о поведении системы, не прибегая к громоздким вычислениям.

Передаточная функция электропривода записывается в соответствии с функциональной схемой, приведенной на рис. 6.19, а. Фазовый детектор (ком­паратор) может быть представлен линейным звеном с коэффициентом усиле­ния kK, как показано на рис. 6.19, б. Передаточную функцию фильтра пока запишем в общем виде как W(s), имея в виду, что ее нули и полюсы будут определять поведение системы в целом. Силовой преобразователь и двигатель могут быть описаны инерционным звеном с коэффициентом усиления /гп, д и постоянной времени тп, д. Их значения зависят как от параметров двигателя и преобразователя, так и от структуры системы, например наличия контура регулирования тока.

Как правило, наличие контура регулирования тока связано с мощностью двигателя. В приводах с маломощными машинами в использовании этого контура обычно нет нужды, для двигателей же большой мощности необходимо ограничение тока. Электрическая постоянная времени машины намного меньше ее механической постоянной времени. Для электропривода с контуром регулирования тока в соответствии с рис. 6.5, в /гп, д«&т, пр&м2 и При отсутствии этого контура (см. рис. 6.3) и тп, д«*тм.

Как коэффициент усиления, так и постоянная времени в первом случае боль­ше, чем во втором.

Импульсный датчик преобразует скорость в последовательность импульсов •соответствующей частоты, которая синхронизируется по фазе с задающим сиг­налом. Поскольку фаза есть интеграл от частоты, датчик представляет собой
интегрирующее звено с передаточной функцией feo/s и полюсом в начале коор­динат.

Структурная схема привода приведена на рис. 6.19, б. Передаточная функ­ция данной замкнутой системы может быть представлена в виде

Со (S) G (s)

(6.101)

- E3(S) L+G(S)H(S) Где 03 — заданное угловое положение привода;

KKkn JW (s)

G(s)=-~[7]------------- (6.101a)

H(S) = K 0/s. (6.1016)

Устойчивость системы зависит от расположения на комплексной плоскости полюсов и иудей передаточной функции разомкнутой системы G(S)H(S):

W(s) kW (s)

G (s) H (s) = KRk^k0 = . (6.Ю2)

Где k=kKkn,ak0.

Данное выражение имеет два полюса: 0 и 1/тп, д, не считая тех, которые содержатся в функции W(S). Передаточная функция фильтра может содержать и нули. При увеличении коэффициента усиления системы полюсы замкнутой системы изменяются от значений, близких к полюсам передаточной функции разомкнутой системы, до значений, близких к ее нулям. Таким образом, варьи­руя коэффициент усиления системы либо вид и коэффициенты передаточной функции фильтра, можно изменять расположение полюсов передаточной функ­ции замкнутой системы привода.

Передаточная функция фильтра В системе с фазовой синхронизаци­

Ей могут использоваться фильтры различного типа. От вида фильтра зависят быстродействие и устойчивость системы в целом. Поскольку от полюсов пере­даточной функции преобразователя и двигателя зависит значение полюсов замкнутой системы в целом, на рис. 6.20 приведен вид годографов. привода для случаев большой и малой постоянной времени тп, д. Проанализируем свойства системы при использовании фильтров с различными передаточными функция­ми* W(S).

1. №(5) = 1/(1+sti). Участок корневого годографа характеристического уравнения передаточной функции замкнутой системы с таким фильтром пред­ставлен на рис. 6.20, а. Благодаря наличию полюса у передаточной функции фильтра система имеет три полюса. Полюсы разомкнутой системы отмечены звездочками на действительной оси. При большой постоянной времени двига­теля система находится ближе к границе устойчивости (к мнимой вертикальной оси Im) при тех же значениях коэффициента усиления, чем при малой, а при больших коэффициентах неустойчива.

2. W(S)=* l/s. Интегрирующий фильтр здесь рассматривается как наиболее простой. На рис. 6.20, б видно, что при увеличении коэффициента усиления два

Рис. 6.20. Корневые годографы системы с фазовой синхронизацией

Корневые годографы

Теля устойчивость ухудшается. Если постоянная времени двигателя мала, корневой годограф смещен влево и система устойчива.

4. = (1 Ч-sxi)/{1 -)-sx2). В данном случае передаточная функция фильт­ра содержит как нуль, так и полюс. Расположение полюсов замкнутой системы зависит главным образом от взаимного расположения нулей и полюсов ра­зомкнутой системы. При нахождении нуля фильтра слева от его полюса, как показано на рис. 6.20, г /, корневой годограф расположен на комплексной плос­кости подобно тому, как это было при использовании инерционного фильтра (рис. 6.20, а). На рис. 6.20, г 2 нуль передаточной функции фильтра находится справа от ее полюса. Это приводит к желаемому смещению годографа для двигателей с большой постоянной времени в левую полуплоскость. Подобный результат в мощном электроприводе достигается при выборе значений ть большими т2, т. е. при применении фильтра с дифференцирующими свойствами в диапазоне частот 1/т2—1М. Данное звено иногда называют инерционно - форсирующим. Полученное расположение корневого годографа свидетельствует о благоприятном влиянии дифференцирующей обратной связи для двигателей с большой постоянной времени.

5. W(s) = s. Использование дифференцирующего регулятора приводит к взаимному сокращению полюса и нуля в передаточной функции разомкнутой системы. При этом электропривод функционирует как система непрерывного действия и является устойчивым относительно скорости, что следует из распо­ложения годографа на рис. 6.20, д. Поскольку входным в данном случае явля­ется сигнал, пропорциональный скорости, система не обеспечивает фазовую синхронизацию и автоматическое регулирование фазы выходного сигнала.

6. W(s) = l+sti. Фильтру с такой передаточной функцией соответствует корневой годограф, представленный на рис. 6.20, е. С увеличением коэффициента усиления полюсы замкнутой системы перемещаются влево и ее запас устойчи­вости возрастает.

Мощность двигателя. Двигатели большой мощности имеют значительную механическую постоянную времени. Анализ расположения корневых годографов на рис. 6.20 показывает, что имеющие небольшую механическую постоянную времени электроприводы малой мощности с фазовой синхронизацией хорошо работают при наличии фильтра с нулевым полюсом и нулем в левой полу­плоскости, как это имеет место при установке ПИ-регулятора. Для устойчивой работы замкнутого по фазе электропривода большой мощности в качестве фильтра необходимо использовать пропорционально-дифференциальное звено. При введении дифференцирующих звеньев в систему серьезной проблемой ста­новится ее чувствительность к помехам, поэтому в таких электроприводах при­ходится осуществлять шумоподавление. Поскольку производная от фазы есть частота, производной от разности фаз является разность частот. Для получения сигнала, пропорционального разности частот, можно обойтись и без дифферен­цирующих звеньев, преобразовав сигналы, пропорциональные задающей и фактической частоте, в напряжения и просуммировав их алгебраически.

Данный принцип реализован в структуре электропривода, представленной на рис. 6.21, а. Выходной сигнал фильтра пропорционален разности фаз, а разность выходных сигналов преобразователей частота—напряжение (f—и) пропорциональна разности частот (производной от разности фаз). В реальных системах как в цепи фазовой синхронизации, так и в преобразователях }—и для получения непрерывных сигналов используются сглаживающие фильтры.'

Все три фильтра должны иметь примерно одинаковые постоянные времени, - так как они работают на близких частотах F и fi. Для повышения быстродействия системы датчик должен выдавать как можно большее число импульсов, при­ходящихся на один оборот вала двигателя, что позволяет уменьшить постоян­ные времени фильтров. Однако чем больше частота, тем выше коэффициент усиления системы и ниже устойчивость, что вынуждает при выборе параметров датчика скорости принимать компромиссное решение. Диапазон рабочих час­тот обычно соответствует 36—120 импульсам на один оборот [7—9]. Заметим, что при наличии фильтров в схеме с фазовой синхронизацией и преобразова­телях f—и системе соответствуют корневые годографы, приведенные на рис. 6.20, г2. Однако если постоянная времени т2 мала, система ведет себя аналогич­но представленной на рис. 6.20, е.

В структуре привода на рис. 6.21, а сумматоры могут быть объединены и схема преобразована в изображенную на рис. 6.21, б. Данная структура может рассматриваться как универсальная. При отсутствии цепи фазовой синхрониза­ции она представляет собой обычную замкнутую систему непрерывного дейст­вия. Введение этой цепи позволяет скомпенсировать рассогласование но скоро­сти таким образом, что теоретически статизм механических характеристик равен нулю. Данная гибридная схема управления позволяет улучшить харак­теристики как системы непрерывного действия, так и простой системы с фа­зовой синхронизацией.