Файл: Глава 15.doc

Глава 15. Типовые системы регулирования электроприводов постоянного тока

15.1. Системы регулирования скорости

Современные электроприводы постоянного тока, обеспечивающие регулирование скорости в широких пределах, проектируются и выпускаются промышленностью как двухконтурные системы с подчиненным регулированием координат. Внешним контуром регулирования является контур скорости, а внутренним – контур тока. Регулирование скорости в этих системах осуществляется изменением напряжения на якоре двигателя. В качестве преобразователей постоянного тока, питающих якорь обычно используются управляемые выпрямители – тиристорные преобразователи (ТП) или преобразователи постоянного напряжения – в регулируемое постоянное с широтно-импульсной модуляцией – ШИМ–преобразователи.

На рис.15.1 приведена типовая структурная схема двухконтурной системы регулирования скорости. В этой схеме двигатель, работающий с постоянным потоком возбуждения, представлен стандартной структурной схемой (см.рис.6.22).

Построение системы регулирования следует начинать с синтеза контура тока, сделав допущение, что внутренняя обратная связь по э.д.с. двигателя отсутствует. Такое допущение возможно, так как обычно за время переходного процесса в оптимизированном контуре тока скорость двигателя изменяется незначительно и влияние внутренней связи по э.д.с. на переходный процесс в контуре тока практически не проявляется.

Тип настройки контура скорости определяется техническими требованиями к систему регулирования скорости.

15.2. Синтез контура регулирования тока

Расчетная структурная схема контура тока приведена на рис.15.2. По условиям высокого быстродействия и малого перерегулирования кон-тур тока обычно нас-траивается на моду-льный оптимум (МО). В контуре тока объе-ктом регулирования является якорная цепь двигателя, представляющая собой апериодическое звено с большой постоянной времениТ_я, т.е.

. (15.1)

Тиристорный преобразователь, питающий якорную цепь двигателя, рассматривается как апериодическое звено с малой некомпенсируемой постоянной времени с передаточной функцией

---

, (15.2)

где: К_ТП – коэффициент усиления по напряжению тиристорного преобразователя;

- постоянная времени тиристорного преобразователя, определяемая схемой выпрямления (см.§14.9).

Разомкнутый контур тока, настроенный на МО, должен иметь передаточную функцию

,

где: - коэффициент настройки контура тока на МО;

- стандартный коэффициент настройки.

Передаточная функция регулятора тока находится, если приравнять передаточную функцию разомкнутого контура тока и желаемую передаточную функцию (14.3), т.е. или в развернутой форме

.

Тогда , (15.3)

где: - постоянная времени интегрирования регулятора тока;

- коэффициент усиления регулятора тока.

Следовательно, регулятор тока представляет собой пропорционально-интегральное звено.

Из передаточной функции (15.3) следует, что в составе регулятора тока имеется форсирующее звено , которое компенсирует действие апериодического звена объекта управления.

Н

Рис.15.3. Переходные процессы в контуре тока с коэффициентами настройки а_МТ=1,2,4

а рис.14.12 приведены ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутого оптимизированного контура тока при различных коэффициентах настройки а_МТ. Из этого рисунка следует, что при стандартном значении а_МТ=2 запас по фазе . Уменьшение зна-ченияа_МТ по сравнению со стандартным снижает запас по фазе и, следовательно, повышает перерегулирова-ние. Например, при а_МТ=1, время пере-ходного процесса уменьша-ется, а перерегулирование возрастает. При увеличенииа_МТ запас по фазе воз-растает. Так при а_МТ=4 запас по фазе , время переходного процесса увеличивается до, а переходный процесс становится апериодическим. Графики переходных процессов в контуре тока при различных значенияма_МТ показаны на рис.15.3.

---

Замкнутый оптимизированный контур тока имеет передаточную функцию

, (15.4)

где: - характеристический полином передаточной функции контура, настроенного на МО.

Передаточная функция по сигналу ошибки регулирования тока

. (15.5)

Числитель этой передаточной функции содержит сомножителем оператор р в первой степени. Следовательно, контур тока имеет астатизм первого порядка относительно сигнала задания тока.

При ступенчатом сигнале u_зТ установившаяся ошибка регулирования тока u_Tуст=0, так как при р0 u_Tуст стремится к нулю, т.е. в установившемся режиме u_зT=u_осT.

Коэффициент обратной связи по току рассчитывается из соотношения

,

где: u_зTмакс=8В - для серий-ных операционных усилителей с учетом возможных перерегу-лирований.

I_{макс доп} - максимально до-пустимый ток якоря.

ПИ-регулятор тока обычно реализуется на операционных усилителях по схеме рис.15.4. Для этой схемы , Т_ит=R_осС_ос

---

15.3 Синтез контура скорости, настроенного на мо

Если требуется, что система регулирования скорости имела диапазон регулирования скорости до D_=50:1 и сравнительно невысокую точность, то целесообразно контур скорости настраивать на МО, так как в этом случае электропривод будет иметь хорошие динамические показатели качества.

В контуре скорости объектом регулирования является механическая часть электропривода, представляющая собой интергирующее звено с передаточной функцией

. (15.6)

Звеном с малой некомпенсируемой постоянной времени является контур тока, имеющий передаточную функцию второго порядка

. (15.7)

Расчетная структурная схема контура скорости приведена на рис.15.5. Для упрощения решения задачи синтеза контура скорости следу-ет пони-зить поря-док пере-даточной функции контура тока и счи-тать, что контур тока имеет передаточную функцию

, (15.8)

то есть Т_С=а_мТТ_Т – некомпенсируемая постоянная времени контура скорости.

При этом полная передаточная функция контура тока и упрощенная эквивалентны по времени переходного процесса t_пп.

Разомкнутый контур скорости, настроенный на МО, должен иметь передаточную функцию

,

где: а_мС=1:6 – коэффициент настройки на модульный оптимум контура скорости; а_мС=2 - стандартный коэффициент настройки на МО.

Передаточная функция регулятора скорости при настройке контура скорости на МО находится, если приравнять W(р)^р_кс =W(р)^р_{кс мо}.

.

Следовательно, регулятор скорости должен иметь передаточную функцию

. (15.9)

---

Таким образом, для настройки контура скорости на МО следует применять П-регулятор с коэффициентом усиления К_рс (15.9).

Передаточные функции контура скорости по задающему воздействию при настройке на МО имеют следующие выражения

, (15.10)

где: – характеристический полином второй степени передаточной функции контура скорости, настроенного на МО,

(15.11)

.(15.12)

Передаточные функции (15.11), (15.12) отличаются только масштабными коэффициентами.

У

Рис.15.6. Переходные процессы, отработки ступенчатого задания u_ЗС при настройке контура скорости на МО

1 – малое некомпенсируемое апериодическое звено;

2 – малое некомпенсируемое высокочастотное колебательное звено

3 – с учетом э.д.с.двигателя

становившиеся значения выходных координат, I, М находятся из передаточных функций (15.10), (15.11), (15.12) при р0.

При ступенчатом сигнале u_зс-, I_уст=0, М_уст=0.

Графики переходных процессов отработки ступенчатого задания скорости приведены на рис.15.6.

Передаточная функция скорости по ошибке при отработке сигнала задания имеет вид

. (15.13)

Числитель передаточной функции по ошибке содержит сомножителем операторр в первой степени. Следовательно, контур скорости имеет астатизм первого порядка относительно сигнала задания скорости. Установившийся сигнал ошибки регулирования скорости при р0 находится из соотношения

. (15.14)

При отработке ступенчатого сигнала задания скорости установившаяся ошибка u_уст=0. Следовательно, в установившемся режиме при отработке ступенчатого сигнала задания скорости u_зC(р)=u_зC. Поэтому коэффициент обратной связи по скорости рассчитывается из соотношения

---