Построение систем подчиненного регулирования в электроприводе постоянного тока

2.3.1. Основные схемы нереверсивных вентильных электроприводов

Для регулирования напряжения якоря двигателя постоянного тока используются трехфазные (рис. 2.33) и однофазные (рис. 2.34) нереверсивные выпрямители. Ток якоря в них не может изме­нить направление, так как выпрямитель имеет один комплект тиристоров. В полууправляемых выпрямителях (рис. 2.34, а) дио­ды, включенные параллельно якорю, создают путь для прохож­дения тока под действием ЭДС самоиндукции в цепи якоря. Поэтому электроприводы с полууправляемыми выпрямителями не могут работать в инверторном режиме с рекуперативным тор­можением двигателя. Полностью управляемые выпрямители (рис. 2.33, 2.34, б) позволяют осуществлять рекуперативное тор­можение двигателя.

Рис. 2.33. Схемы силовых цепей трехфазных выпрямителей

От выбора типа выпрямителя зависят характеристики элек­тропривода. Полууправляемые выпрямители имеют более высокий

коэффициент мощности и применяются в тех случаях, когда не требуется осуществлять рекуперативное торможение двигателя.

Рис. 2.34. Схемы силовых цепей однофазных выпрямителей

2.3.2. Статические характеристики вентильного

электропривода в режиме непрерывного

и прерывистого тока

Электромагнитные процессы в якорной цепи двигателя при пи­тании от полностью управляемого выпрямителя.Электромагнит­ные процессы в якорной цепи двигателя при питании от управ­ляемого выпрямителя рассмотрим на примере электропривода с однофазным мостовым выпрямителем (рис. 2.35, а). Диаграмма токов и напряжений представлена на рис. 2.35, б.

Для упрощения анализа примем допущения о непрерывности тока якоря и отсутствии пульсаций скорости. При допущении о постоянстве скорости двигателя ЭДС якоря е_я = Е_я = const механическая часть электропривода не оказывает влияния на электрическую часть. Такое допущение позволяет рассматривать уравнение якорной цепи отдельно, без уравнения движения электропривода.

Рис. 2.35. Схема силовой цепи однофазного мостового выпрямителя (а) и диаграммы напряжений и тока (б)

Из уравнения якорной цепи

(2.7)

где е = U\ „их sin coi? на интервале U\ _max — ампли-

тудное значение напряжения сети; coi — круговая частота напря­жения сети; Л_я._ц — активное сопротивление якорной цепи; ^я.ц — индуктивность якорной цепи, видно, что ЭДС самоин­дукции равна разности ЭДС е выпрямителя и сум­мы

В момент подачи открывающих импульсов, соответствую­щий углу а, открываются тиристоры VS2, VS3. Двигатель под­ключен к сети через тиристоры VS2, VS3 в течение фазового ин­тервала В период энергия из сети передается в якорную цепь и преобразуется в кинетическую энергию механической части электропривода и в тепловую энер­гию в сопротивлении /?_я._ц. Помимо этого, в течение фазового интервала , когда ЭДС самоиндукции e_L > О (так как е >(Я_яи1я + Е_я)), часть энергии запасается в электромагнитном

поле индуктивности Ь_я._и. ЭДС еь действует встречно напряже­нию сети и препятствует нарастанию тока /„ (знак ЭДС e_L указан на рис. 2.35, а над индуктивностью Ь_я._п). В момент времени, когда мгновенное значение ЭДС е станет равным сумме (точка а на рис. 2.35, б), ЭДС e_L в соответствии с уравнением

(2.7) станет равной нулю, т.е.

максимального значения. В течение фазового интервала

так как действует согласно с напряжением сети и препятствует спаданию тока /_я (знакЭДС e_L указан на рис. 2.35, а под индуктивностью L_a._n). Энергия электромагнитного поля, запасенная в индуктивности Ь_я, преобразуется в механическую и тепловую энергию в сопро­тивлении Я_я. При v>it > к напряжение сети меняет полярность, однако открытые тиристоры VS2, VS3 не закрываются. Открытое состояние тиристоров VS2, VS3 и прохождение тока /_я на фазо­вом интервале обеспечивается за счет действия ЭДС самоиндукции e_L, которая направлена встречно напряже­нию сети, превышает сумму е + Е_я и за счет этого поддерживает прямое падение напряжения на тиристорах VS2, VS3. Действие ЭДС самоиндукции e_L приводит при этом к появлению участков отрицательной полярности в кривой ЭДС е полупроводникового выпрямителя (ПВ). На этом интервале энергия индуктивности Х_я.ц продолжает преобразовываться в механическую и тепловую энергию в /?_я.ц, а часть ее из якорной цепи передается в сеть. На это указывают разные знаки ЭДС е и тока /_я, определяющие на­правление потока энергии из якорной цепи к сети.

Процесс передачи энергии из цепи постоянного тока в пи­тающую сеть переменного тока называется инвертированием, а устройство, с помощью которого осуществляется этот про­цесс, — инвертором. В течение фазового интервала a<coi/<:r ПВ работает в режиме выпрямления, а в течение интервала - в режиме инвертирования.

Выпрямленная ЭДС Е определяется как средняя на интерва­ле проводимости величина в установившемся режиме работы ПВ. На основании рис. 2.35, £ запишем:

При а = 0 из равенства (2.8) получим

(2.9)

где U_}m3X — амплитудное значение напряжения сети; U\ — дейст­вующее значение напряжения сети. С учетом формулы (2.9)

(2.10)

где£₀ =0,9Ui.

Выражение (2.10) представляет собой характеристику управ­ления вентильного комплекта однофазного мостового выпрями­теля. Для данной характеристики в технической литературе часто используется название «регулировочная характеристика выпря­мителя». Выражение (2.10) описывает характеристику управления всех управляемых выпрямителей в режиме непрерывного тока (РНТ). При этом необходимо иметь в виду, что для трехфазного нулевого выпрямителя (£/₂ — действующее значение

\/ фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора), для трехфазного мостового

При определенных условиях работы системы выпрямитель — двигатель возникает режим прерывистого тока (РПТ). Как пра­вило, ток якоря имеет прерывистый характер при больших зна­чениях угла управления и малых токах якоря. При этих условиях уменьшается количество энергии, запасаемой в индуктивности якорной цепи, и наступает момент, когда накопленной энергии становится недостаточно, чтобы поддерживать ток при условии Вследствие этого ток в цепи якоря уменьшается до нуля, т.е. становится прерывистым. Интервал проводимости ти­ристоров к становится меньше п. Поэтому для РПТ характеристика управления вентильного комплекта описывается выражением

Электромагнитные процессы в якорной цепи двигателя при пи­тании от однофазного полууправляемого выпрямителя.Схема си­ловой цепи изображена на рис. 2.36, а диаграммы тока и напря­жений — на рис. 2.37.

Рис. 2.36. Схема силовой цепи однофазного полууправляемого выпрямителя

Рис. 2.37. Диаграммы напряжений и тока в однофазном полууправляемом выпрямителе

В момент подачи управляющего импульса, соответствующий углу а, открываются симмистор VS1 и диоды VD1, VD4. Процес­сы в якорной цепи при питании от полууправляемого ПВ проте­кают так же, как и при питании от полностью управляемого ПВ, за исключением следующего. При a>it > к U\ меняет полярность. Прямое падение напряжения на диодах VD1...VD4, создаваемое за счет действия ЭДС самоиндукции e_L, поддерживает диоды VD1, VD4 в открытом состоянии и переводит VD2, VD3 в откры­тое состояние. При этом симмистор VS1 закрывается. Цепь яко­ря двигателя в интервале tkcoi? <n+ а шунтирована параллель­но включенными парами диодов VD2, VD4, VD1 и VD3, поэтому

ЭДС е = 0. Продолжающий проходить по якорной цепи ток /_я создает электромагнитный момент двигателя. В такой схеме режим инвертирования невозможен. В момент подачи управляющего импульса, соответствующий углу п + а, открывается симмистор VS1 и ток к двигателю начинает проходить через симмистор VS1 и диоды VD2, VD3. При этом к диодам VD1, VD4 через откры­тые диоды VD2, VD3 прикладывается напряжение обратной по­лярности и закрывает их.

На основании рис. 2.37 запишем:

или

(2.11)

Выражение (2.11) представляет собой характеристику управ­ления вентильного комплекта полууправляемого выпрямителя.

Внешние характеристики нереверсивного выпрямителя. Внеш­ней характеристикой выпрямителя называется зависимость по­стоянной составляющей ЭДС Е выпрямителя от тока якоря /_я при постоянной величине угла открывания а. Так как при пита­нии двигателя от выпрямителя возможны режимы непрерывного и прерывистого тока, то внешние характеристики состоят из двух частей: для РНТ и РПТ. Для РНТ внешние характеристики пред­ставляют собой прямые линии, параллельные оси тока якоря /_я, так как ЭДС Е не зависит от /_я, а определяется лишь углом от­крывания а, т.е. Е = Е_о cos а. Для прерывистого режима работы внешние характеристики являются функциями не только напря­жения Uу, но и тока /_я якоря двигателя. Внешняя характеристи­ка выпрямителя для прерывистого режима работы описывается уравнением

(2.12)

В выражении (2.12) Е'_о — максимальное значение ЭДС ЕПВ при холостом ходе, равное значению ЭДС Е_я, причем

Е_тт — амплитудное значение выпрямленной ЭДС, равное ам­плитудному значению прикладываемого к двигателю напряже­ния сети; Лфикг — фиктивное эквивалентное сопротивление вы­прямителя: Я_фякТ =/(/_я).

Значение Е'_о соответствует максимальному мгновенному зна­чению ЭДС на интервале открытого состояния вентиля, так как ток в цепи может отсутствовать только при условии Е_я > е.

Зоны непрерывного и прерывистого тока на внешних харак­теристиках отделены друг от друга границей, каждой точке кото­рой соответствует гранично-непрерывный ток. Границу зоны можно построить следующим образом.

Гранично-непрерывный ток определяется выражением

(2.13)

где ш' — число пульсаций выпрямленной ЭДС за период питаю­щего напряжения.

Из выражения (2.13) при а = л/2 получим максимальное зна­чение гранично-непрерывного тока

(2.14)

После деления (2.13) на (2.14) получим

(2.15) Из уравнения регулировочной характеристики ПВ

(2.16) Учитывая уравнения (2.15) и (2.16), записываем:

Часть соответствующего этому выражению эллипса, очерчи­вающего границу зоны прерывистого режима, показана на рис. 2.38 штриховой линией. Здесь же приведены внешние характеристи­ки нереверсивного выпрямителя. В результате того, что ЭДС Е выпрямителя в РПТимеет большее значение, чем ЭДС Е, кото­рая существовала бы при данном угле а и непрерывном токе, внешние характеристики искажаются и приобретают нелиней­ный характер.

Рис. 2.38. Внешние характеристики нереверсивного выпрямителя

Механические характеристики двигателя при питании от вы­прямителя. Механической характеристикой двигателя называется зависимость среднего значения угловой скорости двигателя от среднего значения момента: со_ср =/(Л/_ср). Уравнение якорной цепи (2.7) для средних значений в режиме непрерывного тока за­пишется в виде

(2.17)

где /_я — среднее значение силы тока якоря. Среднее значение ЭДС выпрямителя

(2.18)

Среднее значение ЭДС вращения

(2.19)

где к — конструктивная постоянная двигателя; Ф — магнитный поток двигателя.

Среднее значение тока якоря

(2.20)

где Мер — среднее значение момента двигателя.

Из выражений (2.17)...(2.20) получим уравнение механиче­ской характеристики двигателя постоянного тока в РНТ:

(2.21)

Для режима прерывистого тока уравнение якорной цепи

(2.22)

Из выражения (2.22) с учетом (2.19) и (2.20) получим уравне­ние механической характеристики двигателя для РПТ:

(2.23)

Первые слагаемые выражений (2.21) и (2.23) определяют ско­рость идеального холостого хода двигателя, а вторые слагаемые — . падание скорости из-за действия момента нагрузки. Механиче­ские характеристики приведены на рис. 2.39. Участки характери­стик впервом квадранте соответствуют двигательному режиму, а вчетвертом квадранте — режиму противовключения.

Рис. 2.39. Механические характеристики системы электропривода «нереверсивный выпрямитель - двигатель постоянного тока»

2.3.3. Реверсивный вентильный электропривод с совместным и раздельным управлением

Принципы управления реверсивным выпрямителем.Макси­мальное быстродействие реверсивного электропривода дости­гается при использовании реверсивного выпрямителя, обеспе­чивающего возможность прохождения тока в якоре в обоих направлениях.

Реверсивный выпрямитель образуется соединением по соот­ветствующей схеме двух нереверсивных, называемых комплектами тиристоров. Комплекты в большинстве применений включаются по перекрестным или встречно-параллельным схемам, питаются от общей сети (или трансформатора) и имеют общие элементы системы управления тиристорами (СУТ).

Для управления комплектами тиристоров применяют два принципа (совместное и раздельное управление), которые оказы­вают влияние на построение силовой схемы реверсивного выпря­мителя. В мощных выпрямителях с совместным управлением ис-j пользуют преимущественно перекрестную схему, в выпрямителях средней и малой мощности с раздельным управлением — в основ­ном встречно-параллельную схему включения комплектов.

Совместное управление.Функциональная схема электропри­вода с трехфазным нулевым реверсивным выпрямителем с со­вместным управлением приведена на рис. 2.40.

При совместном управлении комплектами тиристоров откры­вающие импульсы подаются одновременно на оба комплекта (VS1...VS3 и VS4...VS6). При этом в зависимости от направления вращения двигателя один комплект работает в выпрямительном режиме, а другой — в инверторном. Ток якоря проходит по ком­плекту, работающему в выпрямительном режиме. Система управ­ления тиристорами выпрямителя содержит две СИФУ (СИФУ1 и СИФУ2) и аналоговый инвертор А1.

Так как открывающие импульсы подаются на оба комплекта, то в схеме через два открытых тиристора (например, VS1 и VS6) образуется замкнутый контур двух фаз вторичной обмотки транс­форматора TV1. Схема замещения силовой цепи представлена на рис. 2.41. Диоды имитируют однонаправленную проводимость.

Рис. 2.40. Функциональная схема электропривода с реверсивным выпрямителем с совместным управлением

Рис. 2.41. Схема замещения силовой цепи электропривода с реверсивным выпрямителем с совместным управлением

В этом контуре действует сумма ЭДС двух фаз вторичной обмот­ки, которая носит название уравнительной ЭДС:

где в\, е₂ — выпрямленные ЭДС комплектов VS1...VS3 и VS4... VS6 соответственно.

Уравнительная ЭДС e_w создает уравнительный ток /ур. По от­ношению к уравнительному току трансформатор находится в ре­жиме короткого замыкания, и для его ограничения в силовую цепь включаются уравнительные реакторы L1 и L2. В качест­ве примера, показывающего наличие уравнительного тока, на рис. 2.42 представлены выпрямленные ЭДС е_ь е₂, ЭДС уравни­тельного реактора е^ и уравнительный ток /ур.

Рис. 2.42. Графики ЭДС ei, е₂, е_ур и тока /ур

Помимо включения уравнительных реакторов ограничение уравнительного тока достигается путем согласованного управле­ния комплектами, при котором постоянная составляющая урав­нительной ЭДС Еур равна нулю, т.е.

(2.24)

где Ei, Ei — постоянные составляющие ЭДС в\ и ^соответствен­но; Eq — постоянная составляющая выпрямленной ЭДС при а = 0; си, а2 — углы открывания комплектов VS1...VS3 и VS4... VS6.

Условие (2.24) выполняется, если ai + a₂ = я. Оно представ­ляет собой условие согласованного управления комплектами ти­ристоров.

Совместное управление обладает следующими преимущест­вами:

• уравнительные токи обеспечивают проводящее состоя­ние обоих комплектов независимо от силы тока нагрузки дви­гателя и, как следствие, линейность внешних характеристик выпрямителя;

• высоким быстродействием благодаря постоянной готовно­сти к реверсу тока, которая не связана с какими-либо переклю­чениями в схеме.

Однако при совместном управлении необходима установка уравнительных реакторов, что увеличивает массу, габариты и стоимость электропривода. Прохождение уравнительного тока увеличивает нагрузку элементов силовой цепи и снижает КПД выпрямителя.

Раздельное управление. Вреверсивном выпрямителе с раз­дельным управлением при работе одного комплекта тиристоров в выпрямительном или инверторном режиме другой комплект полностью выведен из работы (сняты открывающие импульсы). Вследствие этого отсутствует контур прохождения уравнитель­ного тока, что исключает необходимость в уравнительных реак­торах. Реверсивные выпрямители с раздельным управлением из­готавливаются с двухкомплектной и однокомплектной СИФУ. Последние получили преимущественное распространение.

Функциональная схема электропривода с реверсивным вы­прямителем с раздельным управлением (РВРУ) приведена на рис. 2.43. Работу РВРУ обеспечивают дополнительные элементы системы управления тиристорами: датчик проводимости венти­лей (ДПВ), логическое переключающее устройство (ЛПУ), пере­ключатель характеристики (ПХ).

Рис. 2.43. Функциональная схема электропривода с реверсивным выпрямителем с раздельным управлением

ДПВ предназначен для определения состояния (открыт или закрыт) тиристоров выпрямителя и формирования сигнала об их запирании, что равносильно отсутствию тока в комплектах.

ЛПУ выполняет следующие функции:

• выбирает нужный комплект тиристоров «Вперед» или «На­зад» (КТ «В» или КТ «Н») в зависимости от требуемого направле­ния тока двигателя, задаваемого сигналом £/_зт;

• запрещает появление открывающих импульсов одновре­менно в обоих комплектах тиристоров посредством ключей «Впе­ред» («В») и «Назад» («Н»);

• запрещает подачу открывающих импульсов на вступающий в работу комплект до тех пор, пока в ранее работавшем комплек­те проходит ток;

• формирует временную паузу между моментом закрывания всех тиристоров ранее работавшего комплекта и моментом пода­чи открывающих импульсов на вступающий в работу комплект.

Переключатель характеристики служит для согласования од-нополярной регулировочной характеристики СИФУ а = /(м_у) с реверсивным сигналом щ.

Раздельное управление обладает следующими преимуще­ствами:

• отсутствуют уравнительные реакторы, что значительно сни­жает габариты, массу и стоимость реверсивного выпрямителя;

• отсутствует уравнительный ток, что уменьшает потери мощности в выпрямителе и повышает его КПД.

Недостатками раздельного уравнения являются:

• наличие режима прерывистого тока, что требует линеариза­ции характеристик управления выпрямителя;

• более сложная система управления из-за наличия ЛПУ и ДПВ;

• наличие бестоковой паузы при переключении комплектов.

2.3.4. Реверсивный вентильный электропривод с реверсом по цепи якоря, по цепи возбуждения

Функциональная схема реверсивного электропривода с кон­тактным реверсором по цепи якоря приведена на рис. 2.44.

Рис. 2.44. Функциональная схема реверсивного электропривода с контактным реверсором в цепи якоря

При наличии напряжения управления щ определенной по­лярности соответствующая группа контактов реверсора замкну­та. Переключение контактов необходимо осуществлять при от­сутствии тока якоря, что обеспечивается благодаря ДПВ.

При вращении двигателя в прямом направлении контакты К1 замкнуты и через них, выпрямитель и двигатель проходит ток якоря. Реверсирование двигателя начинается с изменения знака

напряжения задания скорости, которое вызывает изменение зна­ка задания тока м_зт и уменьшение напряжения щ. Угол а увели­чивается, и ток якоря спадает до нуля, так как ЭДС Е выпрями­теля становится меньше ЭДС Е_я. Сигнал с ДПВ о закрывании тиристоров поступает на ЛПУ, которое осуществляет переключе­ние контактов реверсора. Размыкание контактов К1 и замыкание контактов К2 происходит за 50... 100 мс. В течение этого времени двигатель отключен от выпрямителя и вращается по инерции. При замыкании контактов К2 двигатель опять подключается к выпрямителю, работающему в инверторном режиме. Ток якоря начинает проходить в обратном направлении, двигатель перехо­дит в режим рекуперативного торможения. При скорости двига­теля, равной нулю, напряжение выпрямителя уравновешивает падение напряжения в якорной цепи. Дальнейшее уменьшение угла а приводит к разгону двигателя в обратную сторону до уста­новившейся скорости.

Для реверсирования двигателя в схемах с реверсом по цепи возбуждения при неизменном направлении якорного тока меня­ется полярность напряжения, приложенного к обмотке возбуж­дения (рис. 2.45) выпрямителем UZ2.

Обмотка возбуждения двигателя обладает значительной элек­тромагнитной инерцией. Для ускорения процесса изменения по­тока применяют форсировку, суть которой заключается в подаче на обмотку возбуждения при изменении тока повышенного на­пряжения, превышающего обычно в 2...5 раз номинальное на­пряжение возбуждения. При достижении током требуемого зна­чения напряжение возбуждения уменьшается до номинального.

Реверсирование двигателя осуществляется следующим об­разом. При изменении знака напряжения задания скорости на­пряжение управления щ начинает уменьшаться, что приводит к уменьшению ЭДС Е выпрямителя. При Е < Е_я ток в якорной цепи спадает до нуля, после чего угол открывания КТ «В» увели­чивается до значения, обеспечивающего инверторный режим с выходным напряжением, превышающим номинальное напря­жение возбуждения, благодаря чему происходит форсировка спадания тока возбуждения. С уменьшением тока возбуждения падает ЭДС Е_я. При спадании тока возбуждения и ЭДС Е_я до нуля открывающие импульсы снимаются с КТ «В» и до момента

подачи открывающих импульсов на КТ «Н» обеспечивается пау­за 10...20 мс. По истечении этого времени на КТ «Н» подаются открывающие импульсы и обеспечивается форсированное на­растание тока возбуждения. ЭДС Е_я меняет свой знак, и по цепи якоря и якорного выпрямителя, работающего в инверторном ре­жиме, начинает проходить ток. Двигатель тормозится с рекупе­рацией энергии в сеть.

Рис. 2.45. Функциональная схема реверсивного электропривода с реверсивным выпрямителем в цепи возбуждения

2.3.5. Системы с двухзонным регулированием скорости

В электроприводе с двухзонным регулированием скорости часть полного диапазона регулирования от нуля до номинальной скорости осуществляется путем изменения напряжения на якоре от нуля до номинального значения при номинальном потоке

возбуждения, а регулирование при скорости выше номиналь­ной — путем уменьшения потока возбуждения при постоянном напряжении на якоре.

При двухзонном регулировании скорости двигатель в каждой зоне располагает разными допустимыми значениями момента и мощности (рис. 2.46).

Рис. 2.46. Диаграммы регулирования мощности и момента при двухзонном регулировании скорости

При независимом охлаждении двигателя во всем диапазоне регулирования скорости допустимым значением тока якоря яв­ляется его номинальный ток 1_я._нои. Так как магнитный поток двигателя Ф постоянен при регулировании скорости вниз от но­минальной, то и допустимое значение момента М_лоа постоянно и равно номинальному М_И0М:

(2.25)

Допустимая мощность Р_доп на валу двигателя при этом снижается линейно.

При регулировании скорости вверх от номинальной допусти­мый момент, согласно формуле (2.25), уменьшается, так как уменьшается магнитный поток Ф, а допустимая мощность Р_доп остается постоянной.

Таким образом, регулирование скорости вниз от номинальной осуществляется с постоянством допустимого момента, а вверх от номинальной — с постоянством допустимой мощности.

Рассмотрим принцип действия двухзонного электропривода на примере электропривода ЭПУ1-2Д (рис. 2.47). Двигатель М питается от тиристорного выпрямителя якоря (ТВЯ), а обмотка возбуждения — от тиристорного выпрямителя возбуждения (ТВВ). Система автоматического управления включает две взаимосвя­занные системы: систему регулирования скорости по цепи якоря с регуляторами тока якоря (РТЯ) и скорости (PC) и систему регу­лирования ЭДС по цепи возбуждения с регуляторами тока возбу­ждения (РТВ) и ЭДС (РЭ).

Рис. 2.47. Функциональная схема электропривода с двухзонным регулированием скорости

Пока двигатель работает на скорости ниже основной, значе­ние ЭДС якоря меньше номинального, регулятор ЭДС РЭ выве­ден из работы блоком ограничения БО. Вследствие этого ток возбуждения поддерживается на номинальном уровне регулято­ром РТВ. При увеличении напряжения задания и_зс скорость уве­личивается. Когда скорость двигателя станет равной номинальной, ЭДС двигателя достигнет номинального значения, регулятор РЭ

выйдет из ограничения и контур регулирования ЭДС замкнется. С этого момента система автоматического управления переходит в режим поддержания постоянства ЭДС. Регулятор РЭ шунтиру­ет выходной сигнал регулятора РТВ, напряжение управления ы_у._в уменьшается, что приводит к уменьшению тока возбуждения и ослаблению потока. Дальнейшее увеличение скорости проис­ходит за счет ослабления потока возбуждения при постоянной ЭДС якоря Е_я = .Ея.ном •

2.3.6. Системы «импульсный преобразователь -двигатель постоянного тока»

Способы регулирования напряжения.В простейшем случае преобразователь с широтно-импульсным управлением (ПШИУ) содержит ключ S1 и диод VD1, шунтирующий двигатель М (рис. 2.48). Преобразователь получает питание от источника по­стоянного напряжения, в качестве которого может использовать­ся неуправляемый выпрямитель, аккумуляторная батарея и т.п.

Рис. 2.48. Силовая схема преобразователя с широтно-импульсным управлением

Регулирование напряжения на якоре осуществляется путем периодического замыкания и размыкания ключа S1. Когда ключ S1 замкнут, якорь подключен к напряжению постоянного тока U_n ■ В разомкнутом состоянии ключа ток двигателя замыкается через шунтирующий диод VD1. В результате на двигателе фор­мируются напряжение м_я в виде последовательности прямо­угольных импульсов напряжения с амплитудой 1/„ (рис. 2.49). Среднее значение 1/_я можно определить по выражению

где Гком =t₀ +t₃ — период коммутации импульсов; t₀ — время открытого состояния ключа SI; t₃ — время закрытого состояния ключа S1.

Рис. 2.49. Графики напряжения якоря при широтно-импульсном и частотно-импульсном управлении

Следовательно, регулирование напряжения на якоре можно осуществить одним из следующих способов:

1) путем регулирования времени открытого состояния t_o при постоянной частоте коммутации /_ком = 1/Т_К0М = const (способ на­зывается широтно-импульсной модуляцией);

2)путем регулирования периода коммутации при постоян­ном времени открытого (или закрытого) состояния t₀ = const (способ называется частотно-импульсной модуляцией).

Преимущественное использование в электроприводе полу­чил способ широтно-импульсной модуляции.

Нереверсивный электропривод с ПШИУ.В нереверсивном электроприводе используются две схемы ПШИУ: последова­тельная и полумостовая. Функциональная схема и временные диаграммы работы электропривода с последовательным ПШИУ приведены на рис. 2.50. При напряжении управления щ > 0 широтно-импульсный модулятор (ШИМ) формирует последова­тельность двухполярных импульсов t/_GT, поступающих на базу транзистора VT1. В течение действия положительных импульсов Uqt > 0 VT1 открыт и якорь двигателя подключен к напряжению U_n. Электрическая энергия, потребляемая от источника U_n, пре­образуется в кинетическую и тепловую энергию; часть ее запаса­ется в электромагнитном поле индуктивности якоря Ь_я. Вследст­вие наличия индуктивности Ь_я нарастание тока происходит по экспоненциальному закону. В течение действия отрицательных импульсов Uqi транзистор VT1 закрыт и ток якоря проходит по mvHTHiwiniTre.My диоду VD1 под действием ЭДС самоиндукции

Длительность прохождения тока на интервале

зависит от количества запасенной в индуктивно­сти энергии, которое определяется моментом нагрузки (силой тока якоря), временем t₀ и частотой коммутации /_ком. Если ток спадает до нуля, то ПШИУ работает в режиме прерывистого тока, если не спадает — в режиме непрерывного тока. Для РНТсреднее значение напряжения на якоре без учета падения на транзисторе и диоде

где у — скважность импульсов.

Рис. 2.50. Функциональная схема и временные диаграммы напряжений и тока нереверсивного электропривода с одноключевым ПШИУ

Достоинством данной системы электропривода является ма­лое число полупроводниковых силовых элементов, недостатка­ми — отсутствие режима генераторного торможения двигателя, наличие нелинейных участков в механических характеристиках двигателя из-за возможности режима прерывистого тока.

Функциональная схема и временные диаграммы полумосто­вого ПШИУ приведены на рис. 2.51. При щ = 0 в схеме открыт транзистор VT2, который совместно с диодом VD2 закорачивает цепь якоря, чем обеспечивается динамическое торможения дви­гателя. При напряжении щ > 0 ШИМ формирует две противо-

фазные последовательности двухполярных импульсов Uqi\ и Uот г, поступающих на базы транзисторов VT1 и VT2. В данной схеме в отличие от предыдущей невозможен РПТ, но в зависи­мости от момента нагрузки ток может быть однополярным или двухполярным.

Рис. 2.51. Функциональная схема и временные диаграммы напряжений и тока нереверсивного электропривода с полумостовым ПШИУ

Реверсивный электропривод с ПШИУ.В реверсивном элек­троприводе используется мостовая схема ПШИУ. Функциональ­ная схема электропривода приведена на рис. 2.52. В мостовой схеме ПШИУ применяются три способа управления ключами: диагональный, симметричный и несимметричный.

Рис. 2.52. Функциональная схема реверсивного электропривода с мостовым ПШИУ

При диагональном управлении открывающие им­пульсы подаются на пару транзисторов VT1, VT4 (при щ > 0) либо на VT2, VT3 (при щ < 0). На якоре формируется двухполяр-ное напряжение и_я. Ток якоря может быть непрерывным и пре­рывистым. В РПТ механические характеристики нелинейные, поэтому такое управление применяется в электроприводе малой мощности с невысокими требованиями к статическим и динами­ческим характеристикам.

При симметричном управлении открывающие им­пульсы подаются в противофазе на пары транзисторов VT1, VT4 и VT2, VT3. На якоре формируется двухполярное напряжение и_я. При всех режимах работы ток в якоре имеет непрерывный ха­рактер, поэтому механические характеристики линейны. Сред­нее значение напряжения на якоре

При несимметричном управлении при щ > 0 тран­зистор VT4 открыт и открывающие импульсы подаются в проти­вофазе на транзисторы VT1 и VT3; при н_у < 0 открыт транзистор VT3 и открывающие импульсы в противофазе подаются на VT2 и VT4. На якоре формируется однополярное напряжение и_я. Ре­жим прерывистого тока в схеме отсутствует. Среднее значение напряжения на якоре 1/_я = 1/„ у.

Электроприводы с ПШИУ обладают высоким быстродейст­вием с полосой пропускания до 100 Гц и большим диапазоном регулирования (до 100 000).

2.3.7. Математическое описание двигателя постоянного

тока независимого возбуждения при управлении

по якорной цепи

Входным воздействием для двигателя постоянного тока при постоянном магнитном потоке является напряжение якоря и_я, а выходной координатой — угловая скорость со (рис. 2.53).

Рис. 2.53. Силовая цепь двигателя постоянного тока

Для якорной цепи без учета падения напряжения на щетках можно записать второй закон Кирхгофа:

или

(2.26)

где R_s — сопротивление якоря; Ь_я — индуктивность якоря; с — коэффициент пропорциональности между ЭДС е и скоростью со. Уравнение движения электропривода

(2.27)

где /_с, Мс — статические ток и момент; / — момент инерции привода.

Преобразовав выражения (2.26) и (2.27) по Лапласу, получим:

(2.28)

Решив систему уравнений (2.28), получим операторное урав­нение двигателя

где — электромеханическая постоянная времени дви-

гателя; — электромагнитная постоянная времени якоря

двигателя.

Структурная схема двигателя независимого возбуждения, соот­ветствующая системе уравнений (2.28), представлена на рис. 2.54.

Рис. 2.54. Структурная схема двигателя независимого возбуждения

Реакция двигателя на изменение напряжения и_я характери­зуется передаточной функцией по заданию

Передаточная функция двигателя по возмущению

2.3.8. Вентильный преобразователь как звено системы автоматического управления

Передаточная функция выпрямителя.На динамические свой­ства выпрямителя оказывают влияние следующие факторы:

• дискретный характер управления, выражающийся в том, что управляющий сигнал на входе СИФУ воздействует на фор­мирование выпрямленной ЭДС лишь в дискретные моменты времени, отстоящие друг от друга на время Т_выпр =l/(m'fi), где _т' _ число пульсов выпрямителя за период питающего напряже­ния; /i — частота питающего напряжения;

• неполная управляемость выпрямителя, характеризуемая тем, что тиристор открывается в момент подачи открывающего им­пульса, а закрывается лишь при спадании тока до нуля.

Вследствие нелинейности характеристики управления и на­личия двух режимов тока выпрямитель является сложным нели­нейным элементом САУ.

В большинстве случаев можно воспользоваться упрощенным представлением выпрямителя как звена САУ. Комплект тири­сторов представим звеном чистого запаздывания с передаточной fhvHi^TTHP.tt r тшле

где ккг — коэффициент усиления комплекта тиристоров.

Инерционность элементов СИФУ учитывается в виде апе­риодического звена

где к_с._у — коэффициент усиления СИФУ; Т_с._у — постоянная вре­мени СИФУ.

Передаточная функция полупроводимого выпрямителя при­ближенно может быть записана так:

где кпв — общий коэффициент усиления выпрямителя; Тпв = ?кт + Т'с.у — суммарная постоянная времени выпрямителя.

Передаточная функция преобразователя с широтно-импульс-ным управлением.ПШИУ можно рассматривать как звено чисто­го запаздывания с передаточной функцией

где &пшиу — коэффициент усиления преобразователя; Г_ком — период коммутации.

Так как частота коммутации ключей в ПШИУ высокая (3...20 кГц), то период Г_ком мал. Вследствие этого ПШИУ можно представить апериодическим звеном W_nmiiy (p) = = ^пшиу/(1 + Т_К0Мр).

2.3.9. Структура, принципы построения и функции замкнутых систем управления электроприводом

В соответствии с уравнениями (2.21), (2.23) в разомкнутой системе угловая скорость двигателя зависит не только от управ­ляющего воздействия (угол а), но и от возмущающих воздейст­вий, основным из которых является ток нагрузки /_я. Влияние возмущающих воздействий приводит к отклонению выходной координаты от заданного значения.

В замкнутой системе сигнал управления щ, действующий на преобразователь П, изменяется при отклонении действительных значений выходных координат Х_а от заданных Х₃. Это обеспе­чивается введением обратных связей с выхода системы на ее вход (рис. 2.55). Датчики осуществляют преобразование выходных ко­ординат в пропорциональные им электрические сигналы. Сум­матор С осуществляет алгебраическое суммирование заданного Х₃ и действительного Х_л значений выходной координаты. В ре­зультате на выход регулятора поступает сигнал, пропорциональный отклонению действительного значения от заданного. Такие сис­темы по принципу построения относятся к системам регулиро­вания по отклонению.

С целью уменьшения влияния на выходную величину объек­та какого-либо возмущающего воздействия используются ком­бинированные САУ (рис. 2.56). В такой системе на регулятор Р через устройство компенсации дополнительно подается сигнал,

пропорциональный возмущающему воздействию / Добавление в замкнутую САУ устройства компенсации позволяет упростить ее и повысить точность управления.

Рис. 2.56. Функциональная схема комбинированной САУ

В зависимости от выполняемых функций замкнутые САУ можно разделить на системы стабилизации, системы програм­много управления и следящие системы. Системы стабилизации осуществляют поддержание постоянства управляемой координа­ты, системы программного управления — изменение управляемой координаты по закону, предписанному заранее определенной программой, а следящие системы — изменение управляемой ко­ординаты по заранее не известному закону.

2.3.10. Построение систем подчиненного регулирования

электропривода с управляемым вентильным

преобразователем

В настоящее время в электроприводе постоянного тока ис­пользуются в основном системы подчиненного регулирования координат, которые характеризуются простотой расчета и налад­ки, удобством ограничения промежуточных координат системы.

Система подчиненного регулирования представляет собой многоконтурную систему последовательного действия (рис. 2.57). Каждый контур в системе содержит отдельный регулятор, пара­метры которого рассчитываются в соответствии с передаточной функцией объекта регулирования этого контура. Количество ре­гуляторов с передаточными функциями W_p\(p), W_V2{p),—,W'_Vi{p) в системе регулирования равно числу регулируемых координат Х\, Xi,...,Xi. В системах регулирования скорости используются двухконтурные, а в системах регулирования положения — трех-контурные системы подчиненного регулирования. На вход каж­дого регулятора поступают сигналы заданного Х₃\, X₃₂,...,X_3i и действительного Х\, X₂,...,Xi значений регулируемой коорди­наты. Каждый предыдущий регулятор формирует задающий сиг­нал для последующего регулятора. Ограничения регулируемой координаты обеспечиваются ограничением выхода предыдущего регулятора.

Рис. 2.57. Структурная схема системы подчиненного регулирования

2.3.11. Основные схемы управления и их характеристики

Повышенные требования к САУ предъявляют электроприводы, работающие в режиме программного задания или стабилизации скорости. В таких системах регулятор контура скорости выпол­няется пропорциональным или пропорционально-интегральным, а регулятор тока (РТ) — пропорционально-интегральным.

Функциональная схема системы подчиненного регулирова­ния с П-регулятором скорости представлена на рис. 2.58. Систе­ма содержит внутренний контур регулирования тока с ПИ-регу-

лятором тока РТ и внешний контур регулирования скорости с П-регулятором скорости PC. Так как РТ содержит интеграль­ную часть, для установившегося режима работы должно выпол­няться условие

(2.29)

где U₃._T — сигнал задания тока якоря; £/_от — сигнал обратной свя­зи по току; А:_о.т — коэффициент передачи обратной связи по току.

Рис. 2.58. Функциональная схема системы подчиненного регулирования с П-регулятором скорости

Сигнал задания тока £/_зт является выходным сигналом регу­лятора скорости, и его можно определить следующим образом:

(2.3)

где U₃.c — сигнал задания скорости; £/_Ос — сигнал обратной свя­зи по скорости; кос — коэффициент передачи обратной связи по скорости; к_РС — коэффициент усиления PC.

Решив уравнения (2.29) и (2.30) совместно, получим уравне­ние электромеханической характеристики системы в режиме стабилизации скорости:

где — скорость холостого хода; — паде-

ние скорости.

Следовательно, жесткость характеристики определяется со­отношением коэффициентов к_от, к_ос, к_РС■

Функциональная схема системы подчиненного регулирования с ПИ-регулятором скорости содержит внутренний контур регу­лирования с ПИ-регулятором тока и внешний контур с ПИ-ре­гулятором скорости. Так как регулятор скорости содержит инте­гральную часть, то для установившегося режим работы должно выполняться условие

(2.31)

Из выражения (2.31) находим уравнение электромеханиче­ской характеристики:

Следовательно, электромеханические характеристики систе­мы с ПИ-регулятором скорости не зависят от тока якоря /_я и па­раллельны оси /_я.

2.3.12. Расчет и выбор элементов систем подчиненного регулирования

В системах подчиненного регулирования параметры регуля­торов рассчитываются методом последовательной оптимизации отдельных контуров регулирования. Оптимизация контура регу­лирования сводится к замене разомкнутой цепи с большой по­стоянной времени замкнутым контуром, описываемым диф­ференциальным уравнением того же порядка, но с меньшей по­стоянной.

Расчет параметров начинают с внутреннего контура системы, которым является контур регулирования тока якоря. При оптими­зации контура тока обычно пренебрегают внутренней обратной связью по ЭДС двигателя. Структурная схема замкнутого контура тока для этого случая представлена на рис. 2.59. Объектом регули­рования контура тока является выпрямитель и цепь якоря.

На структурной схеме объект регулирования представлен в виде двух последовательно включенных апериодических звень­ев с постоянными времени Тпв и Т_э, причем Т_э > Т_пъ, т.е. объ-

ект содержит большую (Г_э) и малую (Г_Пв) постоянные времени. Постоянную Г_Пв называют нескомпенсированной постоянной вре­мени. Передаточная функция объекта регулирования

где Л_яи — полное активное сопротивление якорной цепи.

Рис. 2.59. Структурная схема замкнутого контура тока

В контуре регулирования тока применяется ПИ-регулятор с передаточной функцией

где Грт — постоянная времени обратной связи регулятора тока; Гит — постоянная времени интегрирования регулятора тока.

Для компенсации большой постоянной Т_э постоянную Грт принимают равной Т_э, т.е. Грт =7V При этом передаточная функция разомкнутой цепи контура тока

Передаточная функция замкнутого контура тока

(2.32)

где &о.т — коэффициент обратной связи по току:

и₃.ттях — максимальное напряжение задания тока; /_я max — мак­симальный ток якоря.

Контур регулирования тока настраивается на технический оптимум. Условие оптимизации, соответствующее техническому оптимуму, а\ = 2а₂, или

(2.33)

Из условия (2.33) можно определить постоянную Т_ИЛ. С уче­том (2.33) передаточная функция (2.32) запишется в виде

Настройка на технический оптимум характеризуется неболь­шим перерегулированием, равным 4,3 %. Время переходного процесса определяется малой постоянной времени Г_Пв и состав­ляет приблизительно 4,77пв •

При оптимизации контура скорости пренебрегают членом второго порядка в передаточной функции контура тока.

С учетом этого структурная схема замкнутого контура скорости имеет вид, показанный на рис. 2.60. Объектом регулирования контура скорости является замкнутый контур тока и механиче­ская часть электропривода. На структурной схеме объект регу­лирования представлен в виде двух последовательно включен­ных апериодического и интегрирующего звеньев. Передаточная функция объекта регулирования

где с = кФ — коэффициент пропорциональности между током и моментом; к — конструктивная постоянная двигателя; Ф — магнитный поток.

Для оптимизации контура скорости используется настройка регулятора как на технический, так и на симметричный опти­мум. При настройке на технический оптимум применяется П-ре-гулятор с передаточной функцией W_p._c(p) = К_п.

Рис. 2.60. Структурная схема замкнутого контура скорости

Передаточная функция замкнутого контура скорости с П-ре-гулятором

(2.34)

где кос — коэффициент обратной связи по скорости: к_ос U₃.c.ном — напряжение задания скорости, соответ-

ствующее номинальной скорости со„_ом.

При оптимизации по техническому оптимуму

откуда

(2.35)

Подставив выражение (2.35) в (2.34), получим передаточную функцию замкнутого контура скорости при оптимизации по тех­ническому оптимуму:

При оптимизации по симметричному оптимуму в качестве регулятора скорости используется ПИ-регулятор с передаточной функцией

где Гр_С — постоянная времени обратной связи регулятора скоро­сти; Г_ис — постоянная времени интегрирования регулятора ско­рости.

Передаточная функция замкнутого контура скорости с ПИ-ре-гулятором

(2.36)

Условия оптимизации, соответствующие симметричному оп­тимуму: а\ = 2й₂ , oi = 2fli Оз. Используя их, можно записать:

(2.37) (2.38)

Решая совместно уравнения (2.37) и (2.38), получаем:

(2.39)

Подставив выражение (2.39) в (2.36), получим передаточную функцию замкнутого контура скорости при оптимизации по симметричному оптимуму:

Настройка на симметричный оптимум характеризуется боль­шим перерегулированием, равным 43,4 %. Для уменьшения пе­ререгулирования на входе системы устанавливается фильтр пер­вого порядка с постоянной времени, равной 8Т_пъ.

Контрольные вопросы

1. Приведите выражение характеристики управляемого выпрями­теля для режима непрерывного тока.

2.Чем обусловлено возникновение режима прерывистого тока?

3.Нарисуйте внешние характеристики выпрямителя: для режима непрерывного тока; для режима прерывистого тока.

4.Назовите принципы управления комплектами вентилей ревер­сивного выпрямителя.

5. Каковы назначение и функции логического переключающего уст­ройства?

6.Сопоставьте достоинства и недостатки совместного и раздель­ного управления.

7. Каковы особенности регулирования скорости вниз и вверх от номинальной?

8 .Назовите способы регулирования напряжения в ПШИУ.

9. Опишите способы управления ключами в ПШИУ.

10.Запишите передаточную функцию двигателя по заданию.

11.Запишите передаточную функцию двигателя по возмущению.

12. Запишите передаточные функции ПВ и ПШИУ.

13. Опишите принципы построения замкнутых САУ.

14. Как строится система подчиненного регулирования АЭП?

15.Сформулируйте основное назначение регулятора тока.