Двухконтурная система электропривода с отрицательной обратной связью по скорости и отсечкой по току

Как видно из предыдущих расчетов, жесткость механических характеристик электропривода с вентильным преобразователем относительно мал. В связи с этим с целью расширения диапазона регулирования скорости в системах вентильного электропривода постоянного тока могут использоваться обратные связи, а именно положительная по току якоря, либо отрицательные по скорости и по напряжению. С целью огра­ничения тока в вентильном преобразователе и якоре дви­гателя может использоваться задержанная отрицательная обратная связь по току (токовая отсечка). В этом случае электропривод имеет экскаваторную характеристику.

Система АЭП с отрицательной обратной связью по скорости и отсечкой (задержанной обратной связью) по току представлена на рисунке 3.

Рисунок 4.1

 

В зависимости от величины тока якоря, возможны два режима работы привода:

а) I < Iотс, ½Uдт½< Uст VD.

В рабочем диапазоне тока работает только одна отрицательная обратная связь по скорости (сигнал ОС по току не поступает на усилитель). Тогда напряжение управления (при Rзс = Rдс) равно

 

Uy = (Uзс – Uдс)×крс (22)

 

ЭДС преобразователя уравновешивается ЭДС двигателя и падением напряжения на эквивалентном сопротивлении

 

Еп = Uу ×кп = Е + I×RЭ (23)

 

где Е = k×Фн× - ЭДС якоря ДПТ;

КП – коэффициент усиления преобразователя.

Напряжение датчика скорости пропорционально частоте вращения якоря двигателя:

 

Uдс = кдс× (24)

 

Совместное решение уравнений (22), (23) и (24) дает выражение (25) для первого участка электромеханической характеристики привода с отрицательной обратной связью по скорости:

 

(Uзс – кдс× )×крс×кп = k×Фн× + I×RЭ ;

Uзс×крс×кп + кдс× ×крс×кп = k×Фн× + I×RЭ ;

(25)

 

где Кд = 1/kФН – коэффициент передачи двигателя.

б) I > Iотс, ½Uдт½> Uст VD.

В этом диапазоне тока одновременно на входе регулятора скорости действуют два сигнала ОС:

- сигнал по скорости, который стремится сделать скоростную характеристику более жесткой;

- сигнал по току, который стремится сделать скоростную характеристику более мягкой.

Для получения требуемой характеристики должна преобладать ОС по току. Сигнал управления становится равен

 

Uy = (Uзс – Uдс – Uдт + Uст)×крс (26)

 

где UДТ = b×I×RЭ сигнал датчика тока;

UСТ – напряжение пробоя стабилитрона.

Решая совместно уравнения (23), (24) и (26), получим выражение (27) для второго участка электромеханической характеристики привода при наличии обратных связей по скорости и по току:

 

[Uзс – ×кдс – b×I×(Ra + Rп) + Uст]×крс×кп = се×Фн× + I×(Ra + Rп);

. (27)

 

Статические характеристики двухконтурной системы АЭП с отрицательной ОС по скорости и отсечкой по току представлены на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2

 

Для того, чтобы сформировать такую характеристику, необходимо рассчитать параметры преобразователя, датчиков скорости и тока, регуляторов.

 

4.1 Управляемый выпрямитель, как звено САУ

 

При анализе статических свойств управляемого выпрямителя его структурную схему удобно представить в виде двух последовательно включенных звеньев (рисунок 4.3): системы импульсно-фазового управления (СИФУ) и собственно тиристорного преобразователя (силового блока). Входным сигналом СИФУ является напряжение управления Uу , которое преобразуется в угол регулирования тиристоров и определяет среднее значение выпрямленного напряжения Ud на выходе силового блока.

 

Рисунок 4.3

 

Коэффициент передачи СИФУ представляет собой отношение приращения угла регулирования к приращению напряжения управления.

 

(28)

 

Коэффициент передачи собственно тиристорного преобразователя есть отношение приращения среднего значения выпрямленного напряжения к приращению угла регулирования тиристоров

 

(29)

 

Общий коэффициент усиления управляемого выпрямителя представляет собой отношение приращения среднего значения выпрямленного напряжения к приращению напряжения управления

 

(30)

 

и в соответствии со структурной схемой

 

(31)

 

Методика определения коэффициента усиления тиристорного преобразователя зависит от вида статической характеристики СИФУ. К настоящему времени разработано множество вариантов СИФУ с различными принципами фазосмещения. Для их реализации используются аналоговые или цифровые элементы.

В том случае, когда характеристика системы импульсно-фазового управления линейна, коэффициент усиления преобразователя целесообразно рассчитывать по выражению (31), определив предварительно коэффициенты передачи отдельных звеньев kТП и kСИФУ. При расчете коэффициента передачи СИФУ в выражение (28) подставляют произвольное значение приращения угла отпирания, для которого известна величина приращения напряжения управления. Для определения коэффициента передачи собственно тиристорного преобразователя строится характеристика Еd =f(). Вид этой характеристики зависит от схемы выпрямления и характера нагрузки. Обычно при анализе работы схем на активно-индуктивную нагрузку величину индуктивности нагрузки принимают бесконечно большой, что позволяет значительно упростить основные расчетные соотношения. Рабочие участки на характеристике выбирают аналогично рассмотренному выше. Искомый коэффициент передачи расчитывается по выражению.

В некоторых преобразователях используются системы импульсно-фазового управления с так называемым арккосинусоидальными характеристиками, что позволяет получить линейную в пределах рабочего диапазона зависимость Ed = f(Uy). В этом случае при определении общего коэффициента усиления тиристорного преобразователя в формулу (28) подставляют произвольное значение угла отпирания, для которого известна величина приращения напряжения управления.

Тиристорный преобразователь как элемент структурной схемы электропривода в динамических режимах имеет свойства инерционного звена с передаточной функцией

(32)

 

Величина постоянной времени зависит от множества факторов, учет которых представляется очень сложным. Поэтому в практических расчетах величину принимают в пределах от 0,005 до 0,015 с.

 

4.2 Пример расчета статических характеристик управляемого выпрямителя

 

Исходные данные:

Преобразователь собран по мостовой схеме, kсх=2.34.

Uс = 220 B – фазное напряжение вентильной обмотки трансформатора;

UУmax = 10 В – принятое максимальное значение напряжения управления.

При арккосинусоидальной характеристике СИФУ угол регулирования инвертора

. (35)

 

При линейной характеристике СИФУ угол регулирования инвертора равен

 

. (36)

 

ЭДС выпрямителя при мостовой схеме ТП

 

(37)

 

Для определения коэффициента усиления инвертора при различных вариантах СИФУ в соответствии с формулами (35), (36), (37) можно использовать программу расчета, выполненную с применением приложения "Mathcad". Индексом «1» отмечен вариант линейной СИФУ.

 

Рисунок 4.4 – Расчет статических характеристик управляемого выпрямителя

 

На рисунке 4.4 представлены результаты расчета регулировочных характеристик СИФУ (a), преобразователя (b) и коэффициента передачи выпрямителя (c).

Сплошной линией на рисунках отмечены характеристики выпрямителя при арккосинуидальной СИФУ, пунктирной – при линейной СИФУ. В первом случае kп – величина постоянная, во втором – изменяется в диапазоне регулирования. Для дальнейших расчетов можно задаться областью регулирования ЭДС выпрямителя для конкретного механизма и определить соответствующее ей значение kп.

4.3 Определение параметров обратных связей