Замкнутая система П-Д с отрицательной обратной связью по скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Замкнутые схемы управления электропривода с двигателямипостоянного тока

ЗАМКНУТЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

З

амкнутые схемы управления ЭП применяются, когда требуется обеспечить движение исполнительных органов рабочих машин с высокими показателями качества – большим диапазоном регулирования координат и точностью их поддержания, заданным качеством переходных процессов, а также высокой экономичностью или оптимальным (наилучшим) функционированием технологического обо-рудования и самого ЭП.

Для обеспечения такого управления в структуру ЭП входит силовой управляемый полупроводниковый выпрямитель, регулятор напряжения, регулятор частоты, а схема управления строится с использованием об-ратных связей по регулируемым координатам (пере­менным). То есть, силовая часть такого ЭП имеет структуру «преобразователь – двига-тель», в которой двигатель питается от управляемого преобразователя.

Важной характеристикой большинства современных замкнутых сис-тем управления является возможность гибкой настройки их параметров, программирования и перепрограммирования алгоритмов управления ЭП, что обеспечивается применением микропроцессорных средств уп-равления. Использование МП средств позволяет повышать надежность функционирования ЭП и технологического оборудования за счет диаг-но­стики при их работе, резервирования каналов управления и т.д.

Характеристики разомкнутых ЭП, построенных по системе «преобразователь – двигатель» (П-Д), имеют относительно невысокую жесткость из-за наличия внутреннего сопротивления преобразователя и самого двигателя. Кроме того, характеристики разомкнутой системы не обеспечивают точного регулирования (или ограничения) тока и момента. Для получения значительных диапазонов и высокой точности регу-лирования скорости требуется иметь более жесткие характеристики, которые можно подучить в замкнутой системе П-Д.

Основу системы составляет разомкнутая схема П-Д. На валу двига-теля находится датчик скорости ДС(рис.7.1,а), выходное напряжение ко-торого , пропорциональное скорости двигателя, является сиг-налом ОС. Коэффициент пропорциональности носит название коэф-фициента ОС по скорости и может регулироваться за счет изменения тока возбуждения датчика скорости I_{В. ДС}

Рис. 7.1. Схема (а) и характеристики (б)замкнутой системы с обратной связью по скорости

Сигнал ОС U_ДС сравнивается с задающим сигналом скорости U_3.С, и их разность в виде сигнала рассогласования (ошибки) U_ВХ подается на

вход усилителя У, который с коэффициентом k_У усиливает сигнал рас-согласования U_ВХ и подает его в виде сигнала управления U_У на вход преобразователя П, в качестве которого используется управляемый вып-рямитель. Усилитель в этой схеме является пропорциональным регуля-тором скорости.

Для получения формул характеристик двигателя в замкнутой систе-ме воспользуемся выражениями для электромеханической ω(I) и меха-нической ω(М) характеристик двигателя в разомкнутой схеме и соот-ношениями, следующими из рассмотрения рис. 7.1,а:

(7.1)

(7.2)

(7.3)

(7.4)

(7.5)

где E_п – ЭДС преобразователя; k – конструктивный коэффициент дви-гателя; Ф – магнитный поток двигателя; I – ток якоря двигателя; R_Я, R_n, – соответственно сопротивление якоря двигателя и преобразователя; М–момент двигателя.

Заменяя в (7.1) и (7.2) последовательно E_nна ее выражение из (7.5), на его выражение из (7.4) и далее U_ВХ – на его выражение из (7.3), после несложных преобразований получаем следующие формулы для характе-ристик двигателя в замкнутой системе:

(7.6)

(7.7)

где – общий коэффициент усиления замкну­той системы П-Д.

Для анализа жесткости получаемых характеристик сопоставим пере-пады скорости в разомкнутой ∆ω_Р и замкнутой ∆ω₃ системах при одном и том же токе или моменте. Согласно (7.1), (7.2), (7.6) и (7.7), имеем

, (7.8)

(7.9)

Так как k_С>0, то ∆ω₃<∆ω_Р, т.е. жесткость получаемых характеристик в замкнутой системе больше жесткости характеристик в разомкнутой системе. Характеристики, показанные на рис. 7.1,б,представляют собой прямые параллельные линии 2,4 и 5, расположение которых определя-ется уровнем задающего сигнала по скорости U_З.С и соответственно ско-ростью ХХω₀. Для сравнения приведена характеристика двигателя в ра-зомкнутой (прямая 3) системе.

Для нахождения предельной по жесткости характеристики устремим коэффициент усиления системы k_С в бесконечность. Из (7.9) видно, что при , т.е. в пределе может быть получена абсолютно жес-ткая характеристика рис. 7.1,б штриховая линия1.

Рассмотрим физическую сторону процесса регулирования скорости в данной системе. Предположим, что двигатель работает под нагрузкой в установившемся режиме и по каким-то причинам увеличился момент нагрузки М_С. Так как развиваемый двигателем момент стал меньше момента нагрузки, его скорость начнет снижаться, и соответственно бу-дет снижаться сигнал ОС по скорости . Это, согласно (7.3) – (7.5), вызовет увеличение сигналов рассогласования U_ВХи управления U_y и приведет к повышению ЭДС преобразователя, а следовательно, напря-жения и скорости двигателя.

При уменьшении момента нагрузки ОС действует в другом направ-лении, приводя к снижению ЭДС преобразователя. Таким образом, благодаря наличию ОС осуществляется автоматическое регулирование ЭДС преобразователя и тем самым подводимого к двигателю напря-жения, за счет чего получаются более жесткие характеристики ЭП.

Для получения жестких характеристик в системе П-Д, кроме ОС, по скорости используются также отрицательная ОС по напряжению и положительная ОС по току двигателя и их сочетания.

Схема управления, обеспечивающая ограничение тока и момента ДПТ с помощью нелинейной отрицательной ОС по току

В качестве датчика тока в схеме (рис. 7.2,а) используется шунт с сопротивлением R_Ш, сигнал ОС по току

.

Работа УТО в соответствии с его характеристикой U_ОТ (I) (рис. 7.2, а) происходит следующим образом. При токе в якоре, меньшем заданного тока отсечки, т.е. пока сигнал ОС на выходе УТО равен нулю. Схема в диапазоне тока 0... I_ОТС является разомкнутой и двигатель имеет характеристики рис. 7.2,б в зоне I.

При I>I_ОТС на выходе УТОпоявляется сигнал ООСU_О.Т = βI. ЭП становится замкнутым и начинает работать в зоне II (рис. 7.2,б). Для пояснения вида характеристик ЭП в этой зоне запишем выражение для сигнала рассогласования

. (7.11)

Из (7.11) видно, что при увеличении тока I сигнал U_ВХ уменьшается, что в соответствии с (7.4) и (7.5) вызовет уменьшение сигнала U_Уи Е_n. Это приведет к уменьшению напряжения на двигателе Uи соответствующему снижению тока в якоре двигателя. Характеристики двигателя становятся крутопадающими (мягкими), что и отражает эф-фект регулирования (ограничения) тока и соответственно момента. При увеличении коэффициента усиления системы характеристики в зоне II

Рис. 7.2. Схема (а) и характеристики (б)замкнутой

системы с ОС по току

все ближе приближаются к вертикальным линиям. Уровень ограничения тока определяется задающим сигналом (уставкой) U_З.С. Ток при нулевой скорости двигателя получил название тока стопорения I_СТОП.

Замкнутая схема ЭП с ДПТ и обратными связями по скорости и току

Эта схема обеспечивает получение характеристик двигателя, име-ющих различную жесткость участков: высокую для точного поддер-жания скорости на заданном уровне и малую, что требуется для ограни-чения тока и момента двигателя в переходных процессах. Это опре-деляется использованием в схеме двух нелинейных обратных связей по скорости и току (рис. 7.3, а). Для создания нелинейности цепей обрат-ных связей использованы рассмотренный ранее узел УТО и узел огра-ничения скорости УСО, характеристики которых показаны внутри соот-ветствующих условных изображений. Нелинейность ОС приводит к разделению области механических характеристик (рис. 7.3,б) на три зоны: I, II и III.

В зоне I в диапазоне токов 0...I_ОТС действует только ОС по скорости, обеспечивая жесткие характеристики ЭП. В зоне II при I>I_ОТС вступает в действие ОС по току и характеристики становятся мягче. При дальней-шем увеличении тока и уменьшении скорости ниже скорости отсечки ω_ОТС перестает действовать ОС по скорости и за счет действия ОС по то-ку характеристики становятся еще мягче (зона III), обеспечивая требу-емое ограничение тока и момента.

Дата добавления: 2014-11-29