Разработка системы стабилизации скорости электропривода постоянного тока

• класс точности 0,1;
• номинальный ток 150А;
• номинальное падение напряжения 45 мВ.

Тогда

,

.

Коэффициент усиления тиристорного преобразователя:

,

Некомпенсированная постоянная времени ЭП:

.

Структурная схема объекта  регулирования САР скорости приведена на рисунке 1.3.

Структурная схема объекта  регулирования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3

 

 

 

 

 

 

3.  ПОСТРОЕНИЕ САР СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

 

2.1. Построение контура  регулирования тока

 

2.1.1. Стандартный вариант пропорционально-интегрального регулятора тока

 

При расчете стандартного варианта ПИ- регулятора принимаются следующие допущения:

• пренебрегаем внутренней отрицательной обратной связью по ЭДС;
• пренебрегаем зоной прерывистого тока;
• пренебрегаем реакцией якоря;
• примем параметры объекта: , , ,  = const;

Передаточная функция ПИ- регулятора тока, согласно общей теории расчета  систем подчиненного регулирования  координат с последовательной коррекции, имеет вид:

,

где 

- постоянная интегрирования регулятора тока;

- коэффициент усиления пропорциональной 

составляющей регулятора тока.

Структурная схема контура  регулирования тока представлена на рисунке 2.1.

При аппроксимации контура  регулирования тока передаточная функция  замкнутого контура имеет вид:

Структурная схема контура  регулирования тока

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.1

 

     

 

_{2.1.2. Построение адаптивного  регулятора тока  с эталонной моделью}

 

При питании двигателя постоянного  тока от тиристорного преобразователя  с раздельным управлением вентильными  группами, при малых нагрузках на валу двигателя, возникает прерывистый якорный ток, когда переходные процессы в якорной цепи заканчиваются за период пульсации выпрямленного напряжения, или, другими словами, в зоне прерывистого тока (ЗПТ) электромагнитная инерционность якорной цепи не проявляется и тиристорный преобразователь снижает коэффициент усиления. Для сохранения качества переходного процесса в ЗПТ необходимо в контуре тока изменять параметры регулятора в зависимости от режима работы преобразователя, то есть использовать адаптивный регулятор тока (так как преобразователь заходит в глубокий прерывистый режим).

Адаптивный регулятор  тока /3/ при непрерывном якорном  токе имеет стандартную передаточную функцию пропорционально-интегрального регулятора (ПИ), а при прерывистом токе происходит переключение структуры регулятора на интегральную (И), с уменьшением в (5-10) раз постоянной интегрирования  .

При непрерывном якорном токе передаточная функция регулятора тока имеет следующий  вид:

.

При прерывистом якорном  токе передаточная функция регулятора тока имеет следующий вид:

,

где 

.

Структурная схема адаптивного  регулятора с эталонной моделью  представлена на рисунке 2.2.

Структурная схема адаптивного  регулятора с эталонной моделью

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2

где  М – эталонная модель,

- коэффициент усиления (эталонное значение за вычетом фактического).

Передаточная функция  эталонной модели имеет следующий вид:

Коэффициент в контуре модели из условий устойчивости работы тиристорного преобразователя и контура тока (для исключения автоколебания) не должен превышать значение:

где - граничная скорость.

Применение эталонной модели позволяет:

• улучшить свойства САР в режиме прерывистого тока,
• при неточной настройке параметров, а так же их нестабильности и получить свойства САР близкие к стандартным,
• снизить отрицательное влияние внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС .

 

2.1.3. Оценка действия ЭДС двигателя  в контуре тока

 

В системе регулирования электроприводом  ЭДС двигателя действует как  отрицательная обратная связь по скорости в контуре регулирования  якорного тока и уменьшает якорный ток ниже уровня токоограничения в пускотормозных режимах и увеличивает его в стопорных режимах, когда момент сопротивления значительно превышает максимально допустимый предел для механизма.

Определим величину относительной  ошибки по току от действия ЭДС двигателя и сравним ее с указанной допустимой ошибкой.

Величина относительной ошибки по току определяется выражением:

  где   - электромеханическая постоянная времени электропривода.

Заданная допустимая ошибка составляет .

Таким образом  , и необходима компенсация действия ЭДС двигателя, для этого на вход регулятора тока заводится положительная гибкая связь по сигналу обратной связи по ЭДС, но так как электропривод работает при постоянном магнитном потоке, то можно использовать сигнал обратной связи по скорости (рис. 2.3).

 

Компенсация действия ЭДС двигателя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.3

 

Передаточная функция компенсирующего  звена имеет вид:

,

где  

.

 

2.1.4. Оценка нарастания скорости  якорного тока

 

Одним из параметров требующих ограничения  быстродействия системы регулирования, является предельная скорость нарастания якорного тока . Это ограничение накладывается условиями коммутации двигателя постоянного тока и особенностями механического оборудования исполнительного механизма (ограничение скорости нарастания момента).

Скорость нарастания якорного тока определяется из выражения:

,

где   - относительное значение заданного тока в контуре;

Допустимая скорость нарастания якорного тока в соответствии с заданием на курсовой проект составляет , поэтому необходимы дополнительные меры по ограничению скорости нарастания якорного тока.

Для ограничения скорости нарастания якорного тока используется задатчик интенсивности тока (ЗИТ) с постоянной времени  .

,

где  - напряжение  нелинейного элемента.

Структурная схема ЗИТ представлена на рисунке 2.4.

 

Структурная схема ЗИТ

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.4.

 

 

2.2. Построение контура  регулирования скорости 

 

    Момент нагрузки на валу двигателя  является основным возмущающим воздействием в системе электропривода. В системе стабилизации скорости с пропорциональным регулятором скорости момент нагрузки приводит к просадке скорости:

.

Исходя из требуемого диапазона  регулирования, заданная просадка скорости

.

Т.к. , то необходимо применять дополнительные меры по повышению жесткости электромеханической характеристики.

Одним из способов повышения жесткости  механической характеристики с СПРК является применение “симметричного оптимума” в контуре скорости за счет пропорционально – интегрального регулятора скорости с передаточной функцией:

,

где  - коэффициент усиления П – регулятора скорости.

Симметричный оптимум формирует  симметричную ЛАЧХ разомкнутого контура регулирования скорости по отношению к частоте среза, на низких частотах получается участок характеристики с наклоном –40 дБ/дек, что делает астатической по нагрузке замкнутую систему стабилизации скорости, т.е. .

Ликвидация статической просадки скорости происходит при перерегулировании тока до 54%.

   Структурная схема замкнутого контура регулирования скорости представлена на рисунке 2.5.

    Передаточная функция  замкнутого контура регулирования  скорости имеет вид:

.

   Для получения оптимальной  передаточной функции замкнутого  контура регулирования скорости  необходимо в цепи задания  поставить фильтр с передаточной функцией :

.

 Структурная схема системы автоматического регулирования скорости представлена на рисунке 2.6

 

Структурная схема замкнутого контура  регулирования скорости

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.5.

Угловое ускорение (замедление) при разгоне (торможении) обычно составляет:

.

Допустимый темп нарастания скорости . Для его ограничения используется задатчик интенсивности скорости (ЗИС) с постоянной времени :

,

где  - напряжение  нелинейного элемента.

 

Влияние оборотных пульсаций тахогенератора

Тахогенератор в системе стабилизации скорости вносит дополнительные помехи в виде оборотных, полюсных и зубцовых пульсаций в сигнал отрицательной обратной связи по скорости. Наименьшую частоту и максимальную амплитуду имеют оборотные пульсации, которые вносят максимальную погрешность в работу электропривода. Это проявляется в дополнительных колебаниях якорного тока и скорости с частотой w.

Пульсации тока и скорости должны быть ограничены на допустимом уровне.

С учетом оборотных пульсаций:

.

Для анализа пульсаций тока и  скорости переменную составляющую можно  представить в виде помехи, подаваемой на дополнительный вход регулятора скорости.

 

Структурная схема контура регулирования  скорости с учетом

оборотных пульсаций тахогенератора

 

 

 

 

 

 

Рис.2.7

 

Если рассматривать реакцию  системы только на возмущающее воздействие, а именно на пульсации тахогенератора, то структурную схему можно преобразовать в вид показанный на рис.2.8.

 

Преобразованная структурная  схема

 

 

 

 

Рис.2.8.

 

Обозначим U_пм – амплитуду помехи

.

Рассматривается замкнутая САР  скорости.

Пульсации скорости         

Пульсации тока

.

   Полученные соотношения  позволяют построить логарифмические  частотные характеристики.

Для пульсаций скорости

,

где 

.

Для пульсаций тока

,

где 

.

Параметры для построения ЛАЧХ:

;

                            

                                               

На рис.2.9 построены ЛАЧХ для  переменных составляющих тока и скорости в процентах от номинальных значений.

 

ЛАЧХ для расчета переменных составляющих

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.9.

Так как     , то никаких дополнительных мер по сглаживанию пульсаций принимать не надо.

 

 

3. РЕАЛИЗАЦИЯ САР ЭЛЕКТРОПРИВОДА

 

3.1. Принципиальная схема САР.  Общая характеристика основных  элементов

 

Принципиальная электрическая  схема изображена на рисунке 3. В  ее основу положена структурная схема  спроектированной  системы регулирования. Передаточные функции регуляторов реализуются на базе операционных усилителей с дифференциальным входом. Расчет элементов схемы приводится ниже.

 

3.2. Расчет контура тока

 

Адаптивный регулятор  тока с переключающейся структурой выполнен на операционных усилителях А6-А9. Усилитель А6 является пропорционально-интегральным регулятором тока. Ключ К3 замыкается при стоянке привода, ключ К1 отключает входы регулятора во время бестоковой паузы. Апериодическое звено, выполненное на усилителе А8, формирует сигнал эталонного переходного процесса, на усилителе А9 к сигналу выхода регулятора тока добавляется разность между сигналами эталонного и фактического переходных процессов.

Наличие эталонной модели А8 позволяет при неточной настройке  параметров регулятора получить удовлетворительные переходные процессы, что упрощает наладку.

В режиме прерывистого тока наличие модели также улучшает динамику контура, однако недостаточно, поэтому  в регуляторе предусматривается  перестройка параметров регулятора в функции среднего значения тока. Генератор G формирует пилообразные колебания u_g, которые на компараторе AU сравниваются с модулем сигнала выхода модели, т. е. Со средним значением тока Id. Пока среднее значение сигнала тока превышает амплитуду пилообразного напряжения, компаратор AU находится в таком состоянии, что ключ К2, включенный на его выходе, ток не пропускает. При уменьшении среднего значения тока ключ AU открывается на промежуток времени, в течение которого u_g≥Kдт*Id, при этом ключ К2 замыкается и входное сопротивление регулятора существенно уменьшается, увеличивая тем самым коэффициент усиления регулятора. Чем меньше Id, тем больше время, в течение которого u_g≥Kдт*Id, и тем больше коэффициент усиления регулятора. При замыкании ключа К2 усилитель А6 переводится в режим чистого интегратора.