Конспект лекций Системы управления электроприводами

Подождите немного. Документ загружается.

общий коэффициент усиления ЭМУ может быть (1÷4)10

. Внешние характеристики ЭМУ

Uв=f(iя) для различных коэффициентов компенсации, когда ξ=1 имеет вид (рисунок 4.13).

В большинстве случаев стремятся работать при полной (критической) компенсации,

когда ξ=1, или при небольшой недокомпенсации. Перекомпенсация может привести к

неустойчивой работе. Недокомпенсированный усилитель работает неудовлетворительно из-

за сильного уменьшения напряжения на его зажимах при увеличении нагрузки. ЭМУ

поперечного поля выпускаются по мощности от десятков ватт до 10÷20 кВТ и имеют от 2 до

4 обмоток управления. ЭМУ используется как преобразователь, непосредственно питающий

двигатель, а в установках средней мощности (десятки-сотни киловатт) - как возбудитель

генератора, к которому подключается двигатель. Узел преобразователя П1 и П2 в общей

Рисунок 4.11 – Схема ЭМУ

блок-схеме для обычного случая электромашинных преобразователей имеют вид

(рисунок4.12) где П1 - ЭМУ; П2 - генератор.

На обмотки управления подаются сигналы управления и обратных связей, а также

сигналы корректирующих цепей.

Отрицательная обратная связь по напряжению или скорости обеспечивает

повышенную жесткость механических характеристик. Для дополнительной стабилизации

выходного напряжения или скорости одна из обмоток включается как обмотка

положительной обратной связи по току L5(М1) (рисунок 4.14).

Большие коэффициенты усиления ЭМУ увеличивают вероятность колебательных

процессов в соответствующей электромашинной системе. Для гашения колебаний

предусматривается заводом изготовителем специальная стабилизирующая обмотка L2(M)

(рисунок 4.14) обеспечивающая гибкую дифференциальную связь (LC). Может использовать

также дифференцирующий трансформатор ТC (рисунок 4.15)

На рисунке 4.16 схема ЭМУ с многоцелевым использованием обмотки управления

L2(М1) (ЭМУ с поперечным полем).

В электромашинных системах широко используются так называемые задержанные

обратные связи (отсечки) - нелинейные связи, вступающие в действие лишь при

определенном значении тока или напряжению. Они необходимы для получения

механических характеристик специальной формы.

На рисунке 4.17 а,б приведены схема системы с задержанной обратной связью по току

и механическая характеристика.

Главная обратная связь систем с ЭМУ обычно выполняется по скорости двигателя с

помощью тахогенератора или тахометрического моста; иногда для уменьшения

необходимого коэффициента усиления дополняется положительной обратной связью по

току, компенсирующей падение напряжения в сопротивлении главной цепи привода.

Применяются комбинации отрицательной обратной связи по напряжению двигателя и

Рисунок 4.12 - Схема системы ЭМУ – генератор постоянного тока

положительной обратной связи по току. На рисунке 4.18 приведена принципиальная схема

системы с положительной обратной связью по току и отрицательной по скорости (однако

положительная обратная связь по току здесь может и отсутствовать). При набросе нагрузки

(рисунок 4.18) увеличивается ток I главной цепи и вследствие увеличения внутреннего

падения напряжения ЭМУ уменьшается его выходное напряжение. Результирующее

напряжение на L3(М1)/Uз - К

сω

увеличивается. Напряжение на токовой обмотке L4(Ml)

также увеличивается вследствие увеличения падения напряжения на сопротивлении Rш

Совместное действие обмоток L3(М1) и L4(М1) способствует увеличению ЭДС ЭМУ и

скорость двигателя поддерживается на заданном уровне.

Для формирования требуемого переходного процесса системы при набросе (сбросе)

нагрузки применена гибкая отрицательная обратная связь по напряжению L2(Ml),

осуществляемая при помощи емкостного дифференцирующего контура.

Рисунок 4.13 – Внешние характеристики ЭМУ

Рисунок 4.14 – Схема Эму с различными обратными связями

Рисунок 4.15 – Схема ЭМУ с дифференциальной обратной связью

Структурная схема системы при действии обратной связи по скорости приведена на

рисунке 4.19, где приняты следующие обозначения: Uз - задающий сигнал; Uoc - сигнал

обратной связи; Uδ

- сигнал ошибки; Uэму - ЭДС ЭМУ; ΔЕэму - отклонение напряжения на

выходе ЭМУ, вызванное гистерезисом его характеристики; К1=ΔF/ΔUδ -коэффициент

передачи обмотки L3(М1) ЭМУ, создающий магнитодвижущую силу Fз; К2=ΔЕэму/ΔFз -

коэффициент передачи ЭМУ; КЗ=Δω/ΔЕэму=1/СФ=Кд - коэффициент передачи двигателя

М2 по управлению; К4=Δω/ΔIя=Rяц/СФ - коэффициент передачи двигателя М2 по

возмущению; Rяц=Rяэму + R

яM2

+ R

L1(M1)

- сопротивление якорной цепи; К5=ΔU

/Δω -

коэффициент передачи датчика обратной связи (тахогенератора BR).

Уравнение статики для системы без обратной связи (тахогенератор BR отключен)

ω=K1·K2·K3·Uз – K4·ΔI ± K3·ΔEэму=ω0 - ω1 ± ω2 (4.41)

где ω0 - скорость идеального холостого хода;

ω1 - изменение частоты вращения, вызванное током (моментом) нагрузки;

ω2 - изменение скорости вращения, вызванное гистерезисом ЭМУ.

Уравнение статики для системы с обратной связью по скорости имеет вид:

210

53211

321

′

Δ±

′

Δ−=

=Δ⋅

⋅⋅⋅+

±Δ⋅

⋅⋅⋅+

−⋅

⋅⋅⋅+

⋅⋅

′

ЭМУ

KKKK

Uз

KKKK

KKK

(4.42)

Рисунок 4.16 – Схема ЭМУ с многоцелевым использованием обмотки управления L2(М1)

а) схема системы;

б) механическая характеристика

Рисунок 4.17 – Схема системы с задержанной обратной связью по току и механическая

характеристика

Рисунок 4.18 – Схема системы ЭМУ - Д с обратными связями по току и скорости

Рисунок 4.19 – Структурная схема системы ЭМУ – Д с обратной связью по скорости

Рисунок 4.20 - Структурная схема системы ЭМУ – Д с обратной связью по напряжению

а) механическая характеристика;

б) структурная схема

Рисунок 4.21 – Механическая характеристика и структурная схема ЭМУ охваченного

нелинейной ОС по току

Для случая применения обратной связи по напряжению структурная схема аналогична

рисунку 4.20, а уравнение статики имеет вид:

,210

7211

321

ωωω

′′

Δ±

′′

Δ−=

=Δ⋅

⋅⋅+

±Δ⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅⋅+

+−⋅

⋅⋅+

⋅⋅

′′

ЭМУ

KKK

KUз

KKK

(4.43)

где К6 = ΔUэму/ΔI = Rя эму - коэффициент передачи ЭМУ по возмущению;

К7 = ΔUoc/ΔUэму - коэффициент передачи цепи обратной связи по напряжению.

Из выражений (4.41 - 4.43) следует, что введение обратных связей уменьшает

статическую ошибку системы, вызванную теми возмущающими воздействиями, которые

охватываются контуром обратной связи.

Глубину обратной связи можно определить для любого вида связей по известным

сигналам задания и обратной связи или по сигналу ошибки:

Uoc

UocUз

Uoc

Kp =

−

, (4.44)

где К

- коэффициент передачи разомкнутой системы.

Автоматическое ограничение тока в якорной цепи и момента, развиваемого двигателем,

осуществляется за счет действия задержанной отрицательной обратной связи по току якоря.

При изменении, момента двигателя от нуля до момента (тока) Мотс, задержанная

отрицательная обратная связь не действует. На участке Моте < М < Мст связь вступает в

действие и резко увеличивает крутизну характеристики (рисунок 4.21,а). Момент,

развиваемый двигателем М2, ограничен током стопорения при скорости двигателя равной

нулю. Структурная схема ЭМУ, охваченного нелинейной обратной связью по току,

приведена на рисунке 4.21,б (согласно схемы на рисунке 4.17,а) со следующими

обозначениями: К’2 - коэффициент передачи ЭМУ без учета действия связей по току; K8 =

ΔFря/ΔIя - коэффициент, учитывающий реакцию якоря; К9 - ΔF

(М1)/ΔI = W

(M1) -

коэффициент передачи компенсационной обмотки F

L1(М1)

, Fря -магнитодвижущие силы

обмотки F

L1(M1)

и реакция якоря по продольной оси; К10 - нелинейное звено, учитывающее

действие опорных элементов (стабилитронов, диодов). Выходной сигнал ЭМУ с поперечным

полем (ЭДС) пропорционален результирующей магнитодвижущей силе (МДС) по

продольной оси. В свою очередь, эта МДС F2=F

L3(M1)

, L4(M1)+F

L1(M1)

-Fря.

Обычно ЭМУ настраивается таким образом, что степень компенсации его является

нормальной т.е. МДС компенсационной обмотки уравновешивает МДС продольной реакции

якоря: Fря=F

L1(M1)

4.9 Системы управления с магнитными усилителями

Магнитные усилители (МУ) играют роль различных управляемых преобразователей

переменного тока в постоянный или переменный с другими параметрами. Они

используются: для питания обмоток возбуждения машин постоянного тока, якорей машин

постоянного тока, статоров машин переменного тока. Используются в качестве элементов

цепей управления (сумматоры, модуляторы, бесконтактные логические элементы).

Системы автоматического управления электроприводами, включающие МУ, довольно

часто состоят из типовых узлов, и МУ входит в состав управляющего преобразователя.

Выпускаемые серийно МУ позволяют выполнить системы магнитный усилитель-двигатель с

регулированием скорости двигателей постоянного и переменного тока мощностью до 15кВт,

а также в качестве возбудителей синхронных генераторов и двигателей мощностью до

нескольких сотен киловатт. Однако у СУЭП есть особенности, вносимые МУ. Они

появляются в (системе, где МУ питает якорь двигателя постоянного тока) когда в двигателе

возникают режимы прерывистого или непрерывного тока. Кроме этого МУ вносят в систему

управления различные типовые нелинейности, приведенные на рисунке 4.22. В простейшем

случае МУ эквивалентен по действию инерционному усилителю с ограничением по

выходной мощности, напряжению или току. В более сложных случаях они являются

элементами с несколькими инерционностями и с неоднозначными характеристиками.

В случае питания якоря двигателя независимого возбуждения от преобразователя,

включающего МУ, возникают режимы прерывистого и непрерывного тока двигателя. На

рисунке 4.23, а приведена простейшая система с МУ. Якорь двигателя М питается от МУ

через выпрямительный мост V. На рисунке 4.23, б приведены графики мгновенных значений

напряжения сети Uс, тока i, противо-ЭДС двигателя е и падения напряжения I·Rд в режиме

прерывистых токов (РПТ).

Ток i появляется, если Uм·Sin(Θ1)≥е+2·ев

а) насыщение; б) зона нечувствительности; в) сухое трение;

г) релейный режим; д) дроссельный МУ; е) коэффициент усиления двухтактного МУ

Рисунок 4.22 – Типовые нелинейности вносимые МУ в систему автоматического

управления

Отсюда угол, при котором насыщается один из сердечников:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅+

=Θ

arcsin1

. (4.45)

Дифференциальное уравнение получается из рисунка 4.23 б, если для любого момента

времени записать уравнение Кирхгофа:

UM·Sin(Θ1-ωt) = е + 2·ев + i·Rд + L

. (4.46)

Разделив обе части на Rд, получим:

Rд

eвe

tSinIмi

⋅

−−Θ⋅=+

)1(

, (4.47)

где Т = L/Rд; Iм = Uм/Rд.