Электроприводы постоянного тока

А.М. АБАКУМОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД.

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

САМАРА 2005

Copyright © 2005 Лаборатория компьютерных технологий и дистанционного обучения

[e-mail] 337-12-74

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА (ДПТ) НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ (НВ)

3 АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ УГЛОВОЙ СКОРОСТЬЮ И ТОКОМ ЯКОРЯ ДПТ НВ В ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4 МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО И СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Предлагаемое пособие предназначено для изучения теоретической части дисциплины «Электрический привод» студентами очного и заочного факультета специальностей 1801, 1808.

Целесообразность такого издания определяется тем, что существующие учебники и учебные пособия адресованы, как правило, студентам профильных специальностей и рассчитаны на больший объем часов учебных занятий.

Автор попытался в сжатой форме изложить основные идеи и методы теории и практики электропривода. В пособии основное внимание уделено анализу механических, электромеханических характеристик электрических машин постоянного тока, пояснению принципов построения и работы современных автоматизированных электроприводов с машинами постоянного тока.

Пособие содержит контрольные вопросы, что должно облегчить студентам задачу самоконтроля по усвоению материала.

В связи с ограниченным объемом издания оно не претендует на полный охват всех вопросов рассматриваемой дисциплины и не исключает необходимости работы с дополнительной литературой.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

С объектами, приводимыми в движение электрическими машинами, мы постоянно сталкиваемся не только в сфере промышленности и транспорта, но и в бытовой сфере. В нашу жизнь прочно вошли такие устройства с электроприводом, как стиральная машина, вентилятор, лифт, кондиционер, кофемолка, пылесос и т.д.

В настоящее время основным средством приведения в движение рабочих машин является электрический двигатель и соответственно основным типом привода служит электрический привод или сокращенно электропривод (ЭП).

В области промышленности и на электрифицированном транспорте электродвигатели приводят в движение станки, грузоподъемные механизмы, компрессоры, конвейеры, экскаваторы, вагоны метрополитена, трамвая, троллейбуса и т.д. Этот перечень Вы без труда можете продолжить сами, и он займет не один десяток страниц.

Электрические машины, электромеханические преобразователи и электропривод прошли достаточно долгий путь развития и совершенствования.

Первый в истории техники электропривод был создан академиком Б.С. Якоби в Петербурге в 1834-1838 гг. Этот электропривод с машиной постоянного тока, питаемой от гальванических батарей, использовался для приведения в движение катера на реке Неве.

Примерно в 1890 г. выдающийся русский инженер М.О.Доливо-Добровольский разработал первые образцы трехфазных машин переменного тока.

Тяговый электропривод на железных дорогах впервые был использован в 1876 г. в Петербурге инженером А.Пироцким, а в 1881 г. в Германии была электрифицирована трамвайная линия.

В 1895 г. в США была осуществлена электрификация пригородной железной дороги. Во всех системах электрификации железных дорог вначале использовались двигатели постоянного тока.

Первый опыт использования электрических машин переменного тока для железнодорожного транспорта относится к 1890 г. (Италия).

В промышленности на первых этапах развития техники электрического привода использовался преимущественно групповой электропривод, когда исполнительные органы нескольких рабочих машин приводились в движение одним двигателем. При этом применялись сложные трансмиссии и терялось одно из важнейших достоинств электропривода – простота управления потоками энергии и движением исполнительных органов.

Развитие техники электропривода характеризуется постепенным приближением места, где электрическая энергия преобразуется в механическую, к исполнительным органам машин. В настоящее время, как правило, каждый исполнительный орган рабочей машины приводится в движение отдельным, индивидуальным приводом. Использование индивидуального привода создает условия для автоматизации, позволяет расширить технологические возможности установок, повысить их производительность и качество управления технологическими процессами.

На современном уровне развития техники электропривод выполняется в виде автоматизированного электропривода (АЭП).

С помощью АЭП осуществляются необходимые перемещения в металлорежущих станках, различных перерабатывающих машинах, транспортных средствах, в подъемных установках и т.д. Более половины производимой электроэнергии потребляется ЭП.

Особенность АЭП состоит в том, что переработка информации, необходимая для управления потоками энергии, осуществляется автоматически. Благодаря применению АЭП человек освобождается не только от тяжелого физического труда, но с него снимаются также функции соответствующей переработки информации. В результате достигается улучшение условий труда занятых в производственном процессе людей, а также наблюдается значительный рост эффективности процесса производства.

Развитие и совершенствование современного АЭП определяется, прежде всего, прогрессивными решениями в области новых типов электромеханических преобразователей и совершенствованием традиционных электрических машин, развитием силовой преобразовательной техники и электроники, новыми достижениями в теории автоматического управления.

 

Понятие об электроприводе

Основные элементы АЭП показаны на рис. 1.1: РМ – рабочая машина, МПУ – механическое передаточное устройство, ЭДУ – электродвигательное устройство, СПУ – силовое преобразовательное устройство, УУ – управляющее устройство, ЗУ – задающее устройство.

Используются подъемные краны, лифты, эскалаторы, конвейеры, электрифицированные транспортные средства и др. Учитывая столь широкую область применения АЭП, можно сказать, что он охватывает практически все области современной техники.

Электродвигательное устройство является в электроприводе основным элементом, преобразующим механическую энергию в электрическую. В качестве ЭДУ используются асинхронные двигатели, синхронные двигатели, двигатели постоянного тока независимого, последовательного и смешанного возбуждения, шаговые, вентильные двигатели и др.

Механическая энергия от ЭДУ передается к исполнительным органам РМ через механическое передаточное устройство (механический редуктор, цепная передача, ходовая пара «винт-гайка» и т.д.). МПУ позволяет при необходимости преобразовать выходные переменные ЭДУ в требуемые для приведения в движение РМ. Например, преобразовать вращательное движение вала двигателя в линейное перемещение суппорта токарного станка, понизить с помощью редуктора частоту вращения вала двигателя, обеспечить необходимую величину момента или усилия на исполнительном органе РМ.

Для создания регулирующего воздействия на ЭДУ используется силовое преобразовательное устройство. На вход СПУ поступают сигналы от управляющего устройства.

Групповой ЭП применялся на первых этапах развития техники привода и обеспечивал движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной и той же машины. Передача механической энергии и ее распределение в этом случае осуществлялось от одного двигателя с помощью трансмиссий. Очевидные недостатки такого привода – громоздкость механических связей, сложность управления движением каждого исполнительного органа. Вследствие этого групповой ЭП в настоящее время почти не применяется.

В индивидуальном ЭП управление движением каждого исполнительного органа обеспечивается отдельным двигателем, что упрощает механические передачи, облегчает управление движением, позволяет достичь более высоких энергетических показателей.

Взаимосвязанный ЭП имеет два или несколько электрически или механически связанных между собой двигателей. Примером взаимосвязанного ЭП может служить привод цепного конвейера большой протяженности. Исполнительным органом такого конвейера служит цепь, приводимая в движение несколькими двигателями, установленными по длине конвейера. Взаимосвязанный ЭП широко применяется в транспортных установках, бумагоделательных машинах, текстильных агрегатах, прокатных станах металлургического производства и т.д. Одной из разновидностей взаимосвязанного ЭП является многодвигательный привод – это электропривод, в котором несколько двигателей работают на общий вал.

В большинстве случаев, как отмечалось выше, двигатель приводит в движение исполнительный орган механизма через механическое передаточное устройство, отдельные элементы которого движутся с различными скоростями.

При инженерных расчетах в большинстве практических случаев можно принять механические связи абсолютно жесткими (не учитывать упругость звеньев и наличие зазоров в передачах). Тогда движение одного элемента дает полную информацию о движении всех остальных элементов, и достаточно рассматривать один элемент. В качестве такого элемента обычно принимают вал двигателя. В результате расчетную схему механической части привода можно свести к одному обобщенному механическому звену. В качестве него обычно принимают вал двигателя.

При этом возникает задача определения эквивалентного (приведенного) момента инерции и момента сопротивления (статического момента) производственного механизма.

Для приведения к валу двигателя момента или усилия нагрузки исполнительного органа производственного механизма используется уравнение энергетического баланса системы. Мощность на валу двигателя определяется мощностью статического сопротивления на исполнительном органе и потерями в механических звеньях

= + .

Откуда

Откуда

(1.4)

где - передаточное отношение редуктора от вала двигателя до i- того элемента; - момент инерции двигателя и других элементов (муфты, шестерни и т.п.), установленных на валу двигателя.

Часто в каталогах для двигателей указывается величина махового момента GD² (кгс×м). В этом случае момент инерции в системе СИ вычисляется по формуле

Если в кинематической схеме имеются поступательно движущиеся элементы (см. рис. 1.3), то их масса приводится к валу двигателя также на основе равенства запаса кинетической энергии:

При проектировании электропривода электродвигатель должен выбираться так, чтобы его механические характеристики соответствовали механическим характеристикам производственного механизма. Механические характеристики дают взаимосвязь переменных в установившихся режимах.

Механической характеристикой механизма называют зависимость между угловой скоростью и моментом сопротивления механизма, приведенными к валу двигателя ω=f(M_с).

Среди всего многообразия выделяют несколько характерных типов механических характеристик механизмов:

1. Характеристика с моментом сопротивления, не зависящим от скорости (прямая 1 на рис. 1.4). Такой характеристикой обладают, например, подъемные краны, лебедки, поршневые насосы при неизменной высоте подачи и др.

2. Характеристика с моментом сопротивления, линейно зависящим от скорости (прямая 2 на рис. 1.4). Такая зависимость присуща, например, приводу генератора постоянного тока с независимым возбуждением, работающему на постоянную нагрузку.

3. Характеристика с нелинейным возрастанием момента (кривая 3 на рис. 1.4). Типичными примерами здесь могут служить характеристики вентиляторов, центробежных насосов, гребных винтов. Для этих механизмов момент М_с зависит от квадрата угловой скорости ω.

4. Характеристика с нелинейно спадающим моментом сопротивления (кривая 4 на рис. 1.4). Например, у механизмов главного движения некоторых металлорежущих станков момент М_с изменяется обратно пропорционально ω, а мощность, потребляемая механизмом, остается постоянной.

Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость его угловой скорости от вращающего момента ω_д =f(M).

В качестве примеров на рис. 1.5 приведены механические характеристики: 1 - синхронного двигателя; 2 – двигателя постоянного тока независимого возбуждения; 3 – двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

При воздействии на электропривод различных возмущений (изменение статического момента, колебания сетевого напряжения и т.п.) в нем возникают переходные процессы. Уравнение движения электропривода учитывает силы и моменты, действующие в переходных режимах.

Как известно из физики, в соответствии с законом Ньютона при поступательном движении движущая сила F уравновешивается силой сопротивления F_c и инерционной силой :

.

Для электропривода характерно вращательное движение, а уравнение его движения имеет аналогичный вид:

(1.6)

Здесь аналогом массы является приведенный момент инерции J, вместо линейной скорости V рассматривается угловая скорость ω_д, а в правую часть уравнения входят момент двигателя М и статический момент механизма М_с. Из уравнения (6) следует, что в установившемся режиме, когда ускорение ,

(1.7)

т.е. момент двигателя уравновешивается моментом сопротивления производственного механизма. На рис. 1.6 показаны механические характеристики: 1 – двигателя и 2 – производственного механизма. (Фактически момент двигателя и момент М_с имеют противоположные знаки, но для удобства анализа их показывают в одном и том же квадранте). Очевидно, что равенству (1.7) соответствует на рис. 1.6 точка а, в которой характеристики пересекаются. При этом угловая скорость электропривода равна ω_д1.

Установившийся режим работы привода может быть устойчивым или неустойчивым. Для решения этого вопроса проанализируем поведение электропривода при отключениях от равновесного режима в точке а.

Предположим: под действием возмущения угловая скорость отклонилась относительно ω_д на + ∆ω. В этом случае момент двигателя уменьшится и примет значение М₁ (см. рис. 1.6), а статический момент возрастет до М_с1, т.е будет иметь место соотношение

.

При этом в соответствии с уравнением (1.6), ускорение станет отрицательным, т.е. привод замедлится, а ω_д снизится. Система будет стремиться возвратиться к положению равновесия в точку а, что условно показано на рис. 1.6 стрелками.

Рассмотрим теперь ситуацию, когда угловая скорость отклонится на - ∆ω: момент двигателя возрастет до М_{2 ,} а момент механизма снизится до М_с2, и будет выполняться соотношение

.

Ускорение в этом случае станет положительным, угловая скорость ω_д возрастет и система вновь устремится к положению равновесия в точке а.

Проведенный анализ показывает, что режим работы электропривода в точке а для рассматриваемого сочетания характеристик двигателя и механизма будет устойчивым.

Условие устойчивости является совершенно необходимым условием работоспособности электропривода. Следует учитывать, что оно выполняется далеко не всегда. Предлагается самостоятельно провести аналогичный анализ для сочетания характеристик, показанных на рис. 1.7 (1 - характеристика двигателя, 2 - характеристика механизма), и убедиться, что в точке а условия устойчивости выполняются, а в точке в нет.

Выводы, получаемые в результате проведенного анализа, характеризуют так называемую статическую устойчивость электропривода, т.е. способность системы возвращаться к исходному режиму при достаточно «малых» отклонениях от положения равновесия.

Производственные механизмы, как правило, требуют поддержания скорости с заданной точностью во всем диапазоне регулирования. Отсюда следует, что при проектировании электропривода нужно прежде всего обеспечить требуемую точность стабилизации на нижней скорости.

НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ (НВ)

При инженерных расчетах коэффициенты, входящие в уравнения характеристик двигателя, могут быть определены через номинальные параметры двигателя, приводимые в каталогах. При номинальном магнитном потоке

(2.9)

Здесь коэффициент К_д - коэффициент передачи двигателя, его размерность . С использованием этого понятия уравнения (14), (16) могут быть переписаны в виде:

(2.10)

(2.11)

В этих уравнениях, как и в (14, 16), первый член представляет собой угловую скорость идеального холостого хода, а второй – падение скорости от нагрузки:

; (2.12)

Или

(2.13)

Пример. Известны номинальные данные двигателя:

Для анализа удобно воспользоваться уравнениями электрической и механической характеристик в форме (2.3), (2.5). Учитывая, что напряжение на якоре остается номинальным, а добавочное сопротивление в цепи якоря равно нулю, указанные уравнения можно переписать в виде

(2.17)

(2.18)

Несложно заметить, что угловая скорость на холостом ходу (первый член уравнений) при уменьшении (ослаблении) магнитного потока Ф увеличивается, что позволяет получить (см. рис. 2.11) характеристики, расположенные выше естественной.

Второй член в приведенных уравнениях – падение угловой скорости под нагрузкой - тем больше, чем больше ослаблен магнитный поток. Следовательно, жесткость характеристик тем ниже, чем больше ослаблен магнитный поток. Причем падение скорости на механической характеристике зависит от Ф², т.е. при ослаблении магнитного потока, например, в 2 раза, падение угловой скорости при том же моменте увеличивается в 4 раза.

Тормозные режимы ДПТ НВ

Выше была рассмотрена работа ДПТ в двигательном режиме, когда электрическая энергия, потребляемая от сети, преобразуется в механическую. Характеристики, соответствующие двигательному режиму, располагаются в первом квадрате (см. рис. 2.5).

Становится отрицательным. Следовательно, меняется и знак момента – он становится тормозным. Машина работает в генераторном режиме: механическая энергия, поступающая со стороны вала машины, преобразуется в электрическую и отдается в сеть.

В принципе возможен реверс электродвигателя и за счет изменения полярности напряжения на обмотке возбуждения. Однако инерционность процессов в цепи обмотки возбуждения намного больше, чем в цепи якоря. Это замедляет процесс реверса. Кроме того, в переходном процессе магнитный поток снижается и переходит через нуль, что приводит к уменьшению тормозного момента (см. формулу (2.4)).

Динамическое торможение. Чтобы перевести машину в режим динамического торможения, якорь отключают от сети и замыкают на добавочное сопротивление . Обмотка возбуждения LM должна оставаться подключенной к сети (см. рис. 2.14).

Машина в этом случае работает в режиме генератора. Механическая энергия, поступающая со стороны вала, преобразуется в электрическую и выделяется в виде тепла в сопротивлениях цепи якоря. Следовательно, режим не экономичен. Уравнение механической характеристики несложно получить из (2.5), приняв :

.

Как следует из изложенного, в схеме для ограничения тока якоря используется отрицательная обратная связь по току якоря. В отличие от обратной связи по скорости связь по току – задержанная: она вступает в действие только тогда, когда ток якоря превышает ток отсечки.

Узел токовой отсечки обеспечивает ограничение тока якоря также в переходных режимах. Например, при пуске двигателя в начальный момент сигнал тахогенератора U_ос = 0, а сигнал ошибки U_d, как следует из (3.2), значительно превышает установившееся значение. Поэтому напряжения U_у и U_я начинают интенсивно нарастать.

Поскольку ω_д и ЭДС двигателя пока малы, ток якоря резко возрастает, и вступает в действие токовая отсечка. Следовательно, разгон двигателя идет при ограниченном значении тока (на рис. 3.1 процесс изменения I_я при пуске условно показан стрелками).

По мере разгона двигателя ω_д, ЭДС двигателя и сигнал обратной связи по скорости U_ос возрастают, а сигнал U_d уменьшается. При подходе к заданной скорости ток якоря начинает спадать, и система переходит в режим стабилизации заданного значения скорости (например ω_в на рис. 3.2).

Таким образом, задержанная отрицательная обратная связь в электроприводе обеспечивает ограничение тока (момента) двигателя в переходных режимах и в ситуациях, связанных с недопустимым возрастанием момента сопротивления производственного механизма.

Тогда

.

Подставив последнее выражение для в (3.5) после несложных преобразований получим

. (3.6)

Первый член в этом выражении, так же, как в (3.3), это угловая скорость двигателя , но в замкнутой системе. Второй член – статическая ошибка замкнутой системы (падение угловой скорости от нагрузки в замкнутой системе). Проанализируем эту составляющую подробней. Произведение коэффициентов передачи звеньев одноконтурной системы называют коэффициентом усиления системы в разомкнутом состоянии (или короче - коэффициентом усиления разомкнутой системы):

. (3.7)

С учетом этого понятия и выражения (2.12) для статической ошибки разомкнутой системы статическую ошибку замкнутой системы можно представить в виде:

. (3.8)

Аналогичное соотношение несложно получить и для относительных статических ошибок:

. (3.9)

Из уравнений (3.8), (3.9) следует, что абсолютная и относительная статические ошибки от нагрузки в замкнутой системе уменьшаются в (1+К_р) раз по сравнению с разомкнутой.

Очевидно, что для уменьшения статических ошибок , до допустимых пределов необходимо увеличивать К_р. Коэффициенты передачи управляемого преобразователя К_уп, двигателя К_д, тахогенератора К_BR, входящие в выражение (3.7) для К_р, обычно заданы достаточно жестко. И нужное значение К_р обеспечивается выбором соответствующего значения К_у. Известно, что если в цепь обратной связи операционного усилителя включить конденсатор, то усилитель приобретает свойства интегрирующего звена. Коэффициент передачи идеального интегрирующего звена . В этом случае и , а статическая ошибка , в соответствии с выражением (3.9), стремится к нулю. Поэтому в современных системах электропривода на операционном усилителе обычно реализуют интегрирующее звено (операционный усилитель, охваченный емкостной обратной связью, называют интегральным регулятором). В связи с тем, что коэффициент усиления реальных операционных усилителей имеет конечное значение, реальный интегральный регулятор имеет хотя и не бесконечное, но достаточно большое значение коэффициента передачи. В результате статическая ошибка в замкнутой системе сводится не до нуля, но до весьма малых значений.

В современных приводах, выполненных в виде замкнутых систем с интегральными регуляторами, удается на нижней скорости обеспечить относительную ошибку не более 10...15% при D =1000...10000.

Если, например, имеется электропривод с диапазоном регулирования D = 10000 и наибольшей (верхней) частотой вращения n_в = 1000об/мин, соответственно рад/c, то на нижнем пределе диапазона скорость будет:

При этом чтобы относительная ошибка не превышала 10%, абсолютное падение скорости должно быть не больше

∆n_н = 10% × n_Н = 0,01 об/мин;

.

Отсюда видно, насколько жесткие требования обеспечиваются в современных широкорегулируемых электроприводах.

Регуляторы в системах ЭП

Как уже отмечалось, современные АЭП выполняются в виде замкнутых систем автоматического управления. При этом возникает задача обеспечения устойчивости замкнутой системы и требуемых показателей качества регулирования. Эти задачи решаются введением в систему операционных усилителей, охваченных определенными видами обратных связей. Такие усилители в системах автоматического регулирования принято называть регуляторами. Кроме того, на входе усилителя удобно осуществлять операцию сравнивания электрических сигналов. Схема суммирующего усилителя приведена на рис. 3.8. На инвертирующий вход (на схеме помечен окружностью) DА усилителя подается: через резистор R1 – сигнал задания U_зд; через резистор R2 – сигнал отрицательной обратной связи U_ос (например, сигнал обратной связи по скорости двигателя). Известно, что динамические свойства операционного усилителя, охваченного обратной связью, приближенно можно описать передаточной функцией:

, (3.12)

где , Z_вх(p) – операторное сопротивление обратной связи усилителя и входной цепи соответственно.

Для рассматриваемой схемы , для задающего сигнала Z_вх(p)=R1, сигнала обратной связи Z¹_ос(p)=R2. В результате передаточная функция регулятора вырождается в коэффициент передачи. Причем, если R1=R2, то коэффициент передачи по обоим входам усилителя один и тот же:

.

Выполнение же этого равенства означает, что регулируемая величина равна заданной, т.е. статистическая ошибка системы сведена к нулю. Отметим, что для сведения статистической ошибки к нулю нужен идеальный И-регулятор. В реальной схеме операция интегрирования выполняется с некоторой погрешностью, поэтому статистическая ошибка в замкнутой системе сводится хотя и не до нуля, но, как правило, до достаточно малых значений.

Рис. 3.10 Рис. 3.11

Алгоритмическая схема регулятора приведена на рис. 3.12. И-регулятор обеспечивает сравнение сигналов U_зд и U_ос, а его выходное напряжение пропорционально интегралу от сигнала ошибки.

.

Схема пропорционально-интегрального регулятора (ПИ-регулятора) приведена на рис. 3.13. В цепь обратной связи операциоионного усилителя последовательно включены резистор R3 и емкость С. На основании выражения (3.12) несложно найти передаточную функцию регулятора:

, (3.13)

где T = R3×C, T_и = R2×С – соответственно постоянные времени дифференцирующего и интегрирующего преобразований.

Рис. 3.12

Рис. 3.13 Рис. 3.14

ПИ-регулятор в первый момент времени более «энергично» воздействует на управляемый преобразователь и, соответственно, двигатель. Благодаря этому, в принципе, быстродействие системы может быть улучшено.

Схема пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора) приведена на рис. 3.15. По сравнению с предыдущей схемой здесь добавлены емкости С2 и С3, включенные параллельно резисторам R1, R2. Иногда емкость включают только параллельно R2. Тогда для сигнала обратной связи схема имеет свойства ПИД- регулятора, а для сигнала задания – свойства ПИ- регулятора.

Рис. 3.15 Рис. 3.16

Как следует из последнего выражения, передаточная функция может быть представлена в виде суммы трех слагаемых: первое слагаемое – пропорциональное звено, второе – интегральное, третье – дифференциальное. Это определило название регулятора.

Реакция ПИД-регулятора на скачок сигнала (U_зд – U_ос) приведена на рис. 3.16. Можно отметить, что в начальный момент времени при появлении сигнала рассогласования ПИД-регулятор обеспечивает ещё более «энергичное» воздействие, чем ПИ- регулятор (см. рис. 3.14)

Отметим, что описанное влияние различных регуляторов на динамические свойства системы ЭП поясняет лишь качественный характер процессов. Вопрос о выборе того или иного тока регулятора и его параметров, как известно из курса теории автоматического управления, решается при синтезе корректирующих звеньев.

Регулирование угловой скорости в системе генератор-двигатель (Г-Д)с обратной связью по скорости и токовой отсечкой

Упрощенная схема системы Г-Д приведена на рис. 3.17. Она содержит: двигатель постоянного тока независимого возбуждения М; генератор постоянного тока G, от которого получает питание якорь двигателя; усилитель мощности УМ, к выходу которого подключена обмотка возбуждение OBG генератора; регулятор, выполненный на операционном усилителя DА; задатчик частоты вращения RP; тахогенератор BR; датчик тока якоря – шунт Rh; стабилитроны VD1, VD2.

Генератор G приводится в движение приводным (гонным) двигателем (на схеме не показан). На промышленных предприятиях, где имеется сеть переменного тока, в качестве гонного двигателя используется асинхронный короткозамкнутый двигатель. В автономных установках, например на удаленных буровых установках, судах речного, морского флота, железнодорожного транспорта и тому подобное, в качестве приводного двигателя может служить двигатель внутреннего сгорания, паровая или газовая турбина и т.п.

Рис. 3.17

Регулирование угловой скорости двигателя в схеме осуществляется путем изменения напряжения U_Я на якоре двигателя M, которое происходит за счет регулирования напряжения U_В на обмотке возбуждения генератора. Для согласования между напряжением и мощностью на выходе регулятора с потребной мощностью и напряжением питания обмотки OBG служит усилитель мощности, например транзисторный усилитель.

Стабилизация скорости двигателя достигается за счет отрицательной обратной связи по скорости. Так, если под действием возмущений ω_д начинает снижаться, то уменьшается сигнал обратной связи по скорости U_ocω, а сигнал ошибки, равный

U_d = U_зд – U_ocω,

увеличивается. При этом повышается напряжение на выходе регулятора, на выходе УМ и на якоре двигателя. В результате ω_д стремится к заданному значению. Точность стабилизации ω_д, как показано выше, определяется коэффициентом усиления разомкнутой системы. При использовании регулятора, содержащего интегральную составляющую (например ПИД-регулятора, как на рис. 3.17), удается получить достаточно высокую точность стабилизации (см. первый участок характеристики на рис. 3.18).

Для ограничения тока якоря служит узел токовой отсечки. Один из возможных вариантов его реализации (см. рис. 3.17) включает шунт Rh и стабилитроны VD1, VD2. Этот узел работает так же, как описано в п. 3.1. Пока ток якоря I_я меньше тока отсечки I_отс, стабилитроны имеют большое сопротивление и не оказывают влияние на работу схемы. Если ток I_я превышает I_отс, то сопротивление стабилитрона резко снижается и на выход регулятора через резистор R4 начинает поступать дополнительный сигнал (U_ост – U_Z). При этом сигнал ошибки

U_d = U_зд – U_ocω – (U_ост – U_Z). (3.16)