Двухконтурная система электропривода с отрицательной обратной связью по скорости и отсечкой по току

Как видно из предыдущих расчетов, жесткость механических характеристик электропривода с вентильным преобразователем относительно мал. В связи с этим с целью расширения диапазона регулирования скорости в системах вентильного электропривода постоянного тока могут использоваться обратные связи, а именно положительная по току якоря, либо отрицательные по скорости и по напряжению. С целью огра­ничения тока в вентильном преобразователе и якоре дви­гателя может использоваться задержанная отрицательная обратная связь по току (токовая отсечка). В этом случае электропривод имеет экскаваторную характеристику.

Система АЭП с отрицательной обратной связью по скорости и отсечкой (задержанной обратной связью) по току представлена на рисунке 3.

Рисунок 4.1

В зависимости от величины тока якоря, возможны два режима работы привода:

а) I < I_отс, ½U_дт½< U_{ст VD}.

В рабочем диапазоне тока работает только одна отрицательная обратная связь по скорости (сигнал ОС по току не поступает на усилитель). Тогда напряжение управления (при R_зс = R_дс) равно

U_y = (U_зс – U_дс)×к_рс (22)

ЭДС преобразователя уравновешивается ЭДС двигателя и падением напряжения на эквивалентном сопротивлении

Е_п = U_у ×к_п = Е + I×R_Э (23)

где Е = k×Ф_н×ω - ЭДС якоря ДПТ;

К_П – коэффициент усиления преобразователя.

Напряжение датчика скорости пропорционально частоте вращения якоря двигателя:

U_дс = к_дс× ω (24)

Совместное решение уравнений (22), (23) и (24) дает выражение (25) для первого участка электромеханической характеристики привода с отрицательной обратной связью по скорости:

(U_зс – к_дс× ω)×к_рс×к_п = k×Ф_н× ω + I×R_Э ;

U_зс×к_рс×к_п + к_дс× ω ×к_рс×к_п = k×Ф_н× ω + I×R_Э ;

(25)

где К_д = 1/kФ_Н – коэффициент передачи двигателя.

б) I > I_отс, ½U_дт½> U_{ст VD}.

В этом диапазоне тока одновременно на входе регулятора скорости действуют два сигнала ОС:

- сигнал по скорости, который стремится сделать скоростную характеристику более жесткой;

- сигнал по току, который стремится сделать скоростную характеристику более мягкой.

Для получения требуемой характеристики должна преобладать ОС по току. Сигнал управления становится равен

U_y = (U_зс – U_дс – U_дт + U_ст)×к_рс (26)

где U_ДТ = b×I×R_Э сигнал датчика тока;

U_СТ – напряжение пробоя стабилитрона.

Решая совместно уравнения (23), (24) и (26), получим выражение (27) для второго участка электромеханической характеристики привода при наличии обратных связей по скорости и по току:

[U_зс – ω×к_дс – b×I×(R_a + R_п) + U_ст]×к_рс×к_п = с_е×Ф_н× ω + I×(R_a + R_п);

. (27)

Статические характеристики двухконтурной системы АЭП с отрицательной ОС по скорости и отсечкой по току представлены на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2

Для того, чтобы сформировать такую характеристику, необходимо рассчитать параметры преобразователя, датчиков скорости и тока, регуляторов.

4.1 Управляемый выпрямитель, как звено САУ

При анализе статических свойств управляемого выпрямителя его структурную схему удобно представить в виде двух последовательно включенных звеньев (рисунок 4.3): системы импульсно-фазового управления (СИФУ) и собственно тиристорного преобразователя (силового блока). Входным сигналом СИФУ является напряжение управления U_у , которое преобразуется в угол регулирования тиристоров α и определяет среднее значение выпрямленного напряжения U_d на выходе силового блока.

Рисунок 4.3

Коэффициент передачи СИФУ представляет собой отношение приращения угла регулирования к приращению напряжения управления.

(28)

Коэффициент передачи собственно тиристорного преобразователя есть отношение приращения среднего значения выпрямленного напряжения к приращению угла регулирования тиристоров

(29)

Общий коэффициент усиления управляемого выпрямителя представляет собой отношение приращения среднего значения выпрямленного напряжения к приращению напряжения управления

(30)

и в соответствии со структурной схемой

(31)

Методика определения коэффициента усиления тиристорного преобразователя зависит от вида статической характеристики СИФУ. К настоящему времени разработано множество вариантов СИФУ с различными принципами фазосмещения. Для их реализации используются аналоговые или цифровые элементы.

В том случае, когда характеристика системы импульсно-фазового управления линейна, коэффициент усиления преобразователя целесообразно рассчитывать по выражению (31), определив предварительно коэффициенты передачи отдельных звеньев k_ТП и k_СИФУ. При расчете коэффициента передачи СИФУ в выражение (28) подставляют произвольное значение приращения угла отпирания, для которого известна величина приращения напряжения управления. Для определения коэффициента передачи собственно тиристорного преобразователя строится характеристика Еd =f(α). Вид этой характеристики зависит от схемы выпрямления и характера нагрузки. Обычно при анализе работы схем на активно-индуктивную нагрузку величину индуктивности нагрузки Lн принимают бесконечно большой, что позволяет значительно упростить основные расчетные соотношения. Рабочие участки на характеристике выбирают аналогично рассмотренному выше. Искомый коэффициент передачи расчитывается по выражению.

В некоторых преобразователях используются системы импульсно-фазового управления с так называемым арккосинусоидальными характеристиками, что позволяет получить линейную в пределах рабочего диапазона зависимость Ed = f(Uy). В этом случае при определении общего коэффициента усиления тиристорного преобразователя в формулу (28) подставляют произвольное значение угла отпирания, для которого известна величина приращения напряжения управления.

Тиристорный преобразователь как элемент структурной схемы электропривода в динамических режимах имеет свойства инерционного звена с передаточной функцией

(32)

Величина постоянной времени зависит от множества факторов, учет которых представляется очень сложным. Поэтому в практических расчетах величину принимают в пределах от 0,005 до 0,015 с.

4.2 Пример расчета статических характеристик управляемого выпрямителя

Исходные данные:

Преобразователь собран по мостовой схеме, k_сх=2.34.

U_с = 220 B – фазное напряжение вентильной обмотки трансформатора;

U_Уmax = 10 В – принятое максимальное значение напряжения управления.

При арккосинусоидальной характеристике СИФУ угол регулирования инвертора

. (35)

При линейной характеристике СИФУ угол регулирования инвертора равен

. (36)

ЭДС выпрямителя при мостовой схеме ТП

(37)

Для определения коэффициента усиления инвертора при различных вариантах СИФУ в соответствии с формулами (35), (36), (37) можно использовать программу расчета, выполненную с применением приложения "Mathcad". Индексом «1» отмечен вариант линейной СИФУ.

Рисунок 4.4 – Расчет статических характеристик управляемого выпрямителя

На рисунке 4.4 представлены результаты расчета регулировочных характеристик СИФУ (a), преобразователя (b) и коэффициента передачи выпрямителя (c).

Сплошной линией на рисунках отмечены характеристики выпрямителя при арккосинуидальной СИФУ, пунктирной – при линейной СИФУ. В первом случае k_п – величина постоянная, во втором – изменяется в диапазоне регулирования. Для дальнейших расчетов можно задаться областью регулирования ЭДС выпрямителя для конкретного механизма и определить соответствующее ей значение k_п.

4.3 Определение параметров обратных связей