Системы автоматического управления электроприводов постоянного тока

 

Регулируемыми величинами электроприводов является угол поворота и угловая скорость выходного вала привода. Для воспроизведения требуемого закона изменения регулируемой величины используются замкнутые электроприводы с обратными связями по положению вала, его угловой скорости, напряжению на якоре двигателя и току якоря двигателя. В качестве датчиков здесь используются датчики положения ротора тока, датчики тока, тахогенераторы.

В простейшем случае электропривод можно представить в виде совокупности предварительного усилителя, усилителя мощности, исполнительного двигателя и датчиков обратных связей.

В разомкнутых системах регулирования вследствие значительного пере­пада угловой скорости при изменении нагрузки на валу двигателя не удается получить большого диапазона и обеспечить высокую точность регулирования. В разомкнутой системе при заданном сигнале на входе выходная величина – угловая скорость определяется параметрами двигателя и нагрузкой на его валу, и ее изменение не компенсируется при различных возмущениях. Параметры двигателя, а также и нагрузка, обусловленная работой механизма, могут изменяться вследствие изменения сопротивления обмоток двигателя, ре­жима работы механизма и т. д. Для расширения диапазона регулирования и повышения точности используются замкнутые системы.

Рассмотрим системы автоматического управления двигателями постоянного тока независимого возбуждения. Система автоматического регулирования, в которой цепь воздействий замыкается, характеризуется наличием обратных связей; она имеет, по крайней мере, одну обратную связь, соединяющую выход системы с ее входом. Кроме того, могут быть, так внутренние обратные связи, соединяющие выход и вход отдельных элементов системы.

Обратные связи делятся на жесткие и гибкие. Жесткие связи усиливают сигнал и действуют как в переходном, так и в установившемся режимах работы, гибкие осуществляют дифференцирование сигнала и действуют только в переходном режиме. Обратные связи могут передавать сигналы, пропорциональнее значению или производной (иногда интегралу) от значения напряжения, тока (или момента), скорости, угла поворота и т. п.

Для осуществления автоматического регулирования необходимо измерить сигнал обратной связи, затем этот результат в виде напряжения сравнить с заданным в виде напряжения значением регулируемой величины и направить результат сравнения регулируемому объекту. Обычно энергии изме­рительного органа оказывается недостаточно для воздействия на регулирующий орган, поэтому возникает необходимость в применении усилительного устройства. Перечисленные элементы (измерительный орган, усилитель, и регулирующий орган) входят в устройство регулятора, осуществляющего процесс регулирования.

Таким образом, система автоматического регулирования состоит из регулируемого объекта и регулятора, реагирующего на изменение регулируемой величины.

 

Система управления угловой скоростью с обратной связью по напряжению

Структурная схема системы приведена на рис. 7.1.

 

 

Рис. 7.1. Структурна схема электропривода

 

Система уравнений в установившемся режиме всех элементов системы имеет вид:

                            (7.1)

где k_y = U_y/ U_BХ; k_П = E_П/ U_y — соответственно коэффи­циенты усиления усилителя У и преобразователя П; Е_П, Е_Д — соответственно ЭДС преобразователя П и двигателя М; R_П , R_Д — сопротивления преобразователя и дви­гателя;  = U_OС / U_Д — коэффициент усиления обратной связи по напряжению.

После преобразований получим уравнение механиче­ской характеристики замкнутого привода:

                      (7.2)

или

,

где k_c = k_Уk_П.

Рис. 7.2. Механические характеристики электропривода

 

Статизм в замкнутой системе регулирования при нагрузке, равной М_Н0М может быть определен как отно­шение перепада угловой скорости по уравнению (21.3) к текущему значению угловой скорости идеального холо­стого хода:

,                                    (7.3)

где R_Я = R_П + R_Д .

Анализируя (21.4.), можно установить следующее:

1) при конечном коэффициенте усиления 0 < k_С <  статизм системы будет возрастать по мере снижения зада­ющего напряжения;

2) минимальный перепад скорости при k_C  обусловливается внутренним сопротивлением цепи якоря собственно двигателя, т.е. предельная жесткость характеристики определяется жесткостью естественной характеристики, а относительная жесткость падает по мере снижения задающего напряжения. Поэтому такая система автоматического регулирования не может обеспечить большой диапазон регулирования и не обладает высокой точностью поддержания скорости.

На рис 21.3.показаны: естественная характеристика 1 двигателя, к которой стремится характеристика в замкнутой системе регулирования при k_C ; характеристика 2 в разомкнутой системе регулирования с учетом общего сопротивления якорной цепи двигателя и преобразователя и характеристики 3 и 3' в замкнутой системе регулирования при конечном значении коэффициента уси­ления системы.

В данной системе посредством обратной связи компенси­руются падение напряжения на внутреннем сопротивле­нии преобразователя и колебания напряжения сети, т. е. стабилизируется выходное напряжение преобразователя. Поэтому предельной жесткостью характеристики является жесткость естественной характеристики двигателя.

 

Система управления угловой скоростью с обратной связью по току

Структурная схема системы приведена на рис. 7.3.

 

Рис. 7.3. Структурна схема электропривода

 

Компенсация падения угло­вой скорости, возникающего в результате увеличения нагрузки, достигается за счет автоматического увеличения ЭДС преобразователя. Здесь сигнал на входе усилителя определяется суммой напряжений:

                               (7.4)

где .

В качестве шунтового резистора R_Ш, с которого сни­мается сигнал обратной связи, могут быть использованы обмотки дополнительных полюсов, стабилизирующая и компенсирующая обмотки.

Уравне­ние механической характеристики имеет вид:

                            (7.5)

Если считать, что коэффициенты усиления усилителя и преобразователя постоянны, то характеристика двига­теля оказывается прямой линией. Первый член (7.5) определяет угловую скорость идеального холостого хода, пропорциональную задающему напряжению U₃ (точки идеального холостого хода на характеристиках 2 и 2' на рис. 7.4).

Для определения статизма разделим второй член правой части (7.5) на его первый член при М_НОМ . Тогда полу­чим:

                                       (7.6)

 

Рис. 7.4. Механические характеристики электропривода

 

Анализ (7.6) показывает, что статизм в замкнутой си­стеме может быть равен 0 при условии, что  (характеристика 3 на рис. 7.4). Для значений  характеристика может быть восходящей (характеристика 1). При значениях  характеристика имеет отрицательную жесткость (кривая 2).

Если коэффициенты усиления с ростом нагрузки падают, то характеристики становятся нелинейными (кривые 1' и 3' на рис. 7.4).

 

Система управления угловой скоростью с обратной связью по угловой скорости

Структурная схема системы приведена на рис. 7.5.

 

 

Рис. 7.5. Структурна схема электропривода

 

Составим систему уравнений:

               (7.7)

Здесь U_{З C} — задающее напряжение в системе с обрат­ной связью по скорости;  — коэффициент пере­дачи обратной связи по скорости.

После преобразований получим урав­нение для механической характеристики:

                                      (7.8)

где k = k_С/С — коэффициент передачи всей системы; R_Я = R_П + R_Д.

 

 

Рис. 7.6. Механические характеристики электропривода

 

Статизм в этой системе регулирования при М = М_НОМ определится по формуле 

                                           (7.9)

Из (7.9) следует, что статизм может быть сколь угодно малым с возрастанием коэффициента передачи всей системы. Поэтому в системе с отрицательной обратной связью по скорости можно при большом коэффициенте передачи получить значительный диапазон регулирования. На рис. 7.6 приведены: предельная характеристика при , характеристики 2, 2' при конечном значении коэффициента передачи системы и характеристика двигателя в разомкнутой системе 3.

Применение комбинированных обратных связей рас­ширяет возможности электрического привода в отношении диапазона регулирования, например, возможно сочетание жестких отрицательной обратной связи по напряжению с положительной по току или отрицательной обратной связи по угловой скорости с положительной по току. Подобного же вида обратные связи могут быть применены в системах привода переменного тока.

В качестве преобразователя в рассмотренных системах могут быть использованы различные устройства: асинхронный двигатель–генератор, управляемый выпрямитель, магнитный усилитель, широтно-импульсный пре­образователь и т. п.

Следует отметить, что увеличение коэффициента усиле­ния в рассмотренных системах ограничено их динамической устойчивостью и чувствительностью к помехам. При боль­ших коэффициентах усиления приходится вводить допол­нительные корректирующие устройства или стабилизи­рующие обратные связи (обычно гибкие отрицательные), которые делают систему устойчивой и обеспечивают желае­мое качество (время, процесса, перерегулирование, колеба­тельность процесса) переходных процессов в системе (изме­нение задания по скорости, сброс – наброс нагрузки и т. п.). Ограничение на коэффициент усиления системы предопределяет и ограничение на диапазон регулирования. Так, для системы с обратной связью по скорости, обладаю­щей наилучшей стабильностью при всех возможных возмущениях (изменение потока двигателя, нагрузки, тем­пературы обмоток, напряжения сети и т. п.) среди рассмотренных систем, наибольший диапазон регулирования составляет 2000:1.