Pankratov_V_V_Uchebnoe_posobie_po_AUEP_Avtorsk

Ed

Ed 0 cos( min )

max(uу )

max(uу ) uу

Ed 0 cos( min )

Рис. 5.11 – Регулировочная характеристика линеаризованного УВП

Осуществить таким же простым способом техническую линеаризацию регулировочной характеристики реверсивного УВП с раздельным управлением ВК, работающего в режиме прерывистого тока, не удается из-за неоднозначной зависимости Ed ( ) при изменениях величины противоЭДС, см. рис. 5.12. По-

этому в электроприводах с раздельным управлением реверсивными ВК приме-

няют линейные СИФУ в комбинации со специальными звеньями технической линеаризации – так называемыми нелинейным звеном (НЗ) и функциональ-

ным преобразователем ЭДС (ФПЕ), способ включения которых в систему ил-

люстрируется рис. 5.13. Нелинейное звено выполняет функцию линеаризации регулировочных характеристик УВП, формально работающего на нагрузку без противоЭДС, приближенно компенсируя снижение коэффициента передачи ТП в области прерывистого тока. ФПЕ учитывает наличие противоЭДС нагрузки и с достаточной точностью реализует линейный канал положительной обратной связи по ЭДС якоря, смещая характеристику НЗ по ординате на величину сиг-

нала ue . Его статическая характеристика теоретически имеет форму арксинуса.

Входное воздействие НЗ по прямому каналу uу' uу kпeя представляет собой выходной сигнал регулятора, ближайшего к звену суммирования с сигналом компенсации ЭДС, например, на рис. 4.19 – регулятора тока якоря.

111

		Ed
	Ed 0 cos( min )
						1 (Eя 0)
	4 (Eя 0)
		нач				min				в
н					нач
	min

3 (Eя 0)

2 (Eя 0)

Ed 0 cos( min )

Рис. 5.12 – Регулировочные характеристики УВП с раздельным управлением ВК и линейной СИФУ (углы регулирования пропорциональны управляющему воздействию): 1 – выпрямительный режим ВКВ; 2 – выпрямительный режим ВКН; 3, 4 – инверторные режимы работы соответствующих комплектов в РНТ

	НЗ
	ue
uу'	на СИФУ
	ue
	ФПЕ

eя

Рис. 5.13 – Схема включения НЗ и ФПЕ

112

Более подробно с построением звеньев технической линеаризации и их работой можно познакомиться на примере комплектного тиристорного элек-

тропривода БТУ3601 по справочному пособию [15], а с регулировочными ха-

рактеристиками различных УВП – по книге [16] . Идеализированно вид регули-

ровочной характеристики технически линеаризованного реверсивного УВП с раздельным управлением ВК в выпрямительном режиме работы с учетом огра-

ничения углов регулирования соответствует рис. 5.11.

Без учета дискретности по времени и пульсаций выходной ЭДС матема-

тическая модель линеаризованного ТП, нагруженного на цепь якоря ДПТНВ,

по средним за период повторения величинам может быть представлена уравне-

ниями системы «ОП-Д» вида (2.12) и структурной схемой, изображенной на рис. 2.9, где в режиме непрерывного тока при 4 / m эквивалентное актив-

ное сопротивление якорной цепи Rэ Rп Rя qRф Rк Rя , см. раздел 5.1.1;

Rк m20 Lф – фиктивное коммутационное сопротивление; Lф , Rф – индук-

тивность и активное сопротивление короткого замыкания фазы согласующего трансформатора, приведенные ко вторичной обмотке, или индуктивность и ак-

тивное сопротивление анодного реактора; Lэ Lп Lя qLф Lя – эквива-

лентная индуктивность якорной цепи; kп Ed 0 cos(min ) – коэффициент переmax(uу )

дачи линеаризованного управляемого вентильного преобразователя. При нали-

чии в цепи якоря двигателя сглаживающего (катодного) дросселя, его парамет-

ры также должны быть учтены в эквивалентных величинах.

Особое внимание следует уделить смыслу и величине постоянной време-

ни линеаризованной непрерывной модели ТП. В реверсивных преобразователях с совместным управлением выпрямительными комплектами Tп представляет собой постоянную времени реального апериодического фильтра – задатчика интенсивности, который устанавливается на входе СИФУ с целью снижения динамических уравнительных токов и обеспечения помехозащищенности САР.

113

Для шестипульсных схем выпрямления величина такой постоянной времени обычно составляет 6…8 мс. В преобразователях с раздельным управлением фильтр на входе СИФУ не используется, и Tп приближенно (с точностью до двух членов разложения в степенной ряд) моделирует запаздывание , вноси-

мое в канал управления дискретностью ТП по времени. В операторной форме

e p	1		1	.
	e p
			1 p

Для m 6 это запаздывание может составлять от нуля до 3,33 мс., причем его усредненное значение 1,67 мс. Поэтому в расчетах обычно принимают

Tп 2...3мс. Такой же диапазон значений Tп можно получить и по соотноше-

нию (4.7) при 0,6...0,9 .

5.1.4. Особенности вентильного преобразователя как элемента СУЭП

На динамику замкнутых систем управления вентильных электроприводов значительное влияние оказывают следующие специфические свойства тири-

сторного преобразователя как объекта управления [14, 17, 18].

1. ТП управляется не непрерывно, а дискретно. Воздействовать на его выходную ЭДС можно только в моменты формирования управляющих импуль-

сов, причем интервал между ними (период дискретизации) зависит не только от пульсности схемы выпрямления, но и от скорости изменения управляющего воздействия. Как следствие, в замкнутых СУЭП с ТП возможно возникновение автоколебаний на субгармонических частотах.

2. С учетом области прерывистого тока статические (регулировочные)

характеристики ТП являются нелинейными и неоднозначными, см. рис. 5.12.

3. Вследствие неполной управляемости тиристоров и естественной ком-

мутации ТП обладает динамической нелинейностью и неоднозначностью, что проявляется в различном характере изменения его ЭДС при быстром уменьше-

нии и увеличении углов регулирования в РНТ. Если при уменьшении ЭДС преобразователя увеличивается скачком при подаче очередного управляющего

114

импульса, то при увеличении угла регулирования со скоростью, превышающей круговую частоту сети, т.е.

d 0 , dt

eп изменяется по кривой ЭДС фазы ССУ, вентиль которой был открыт послед-

ним (для мостовых схем – по кривой линейной ЭДС), и управляемость ТП вре-

менно теряется.

4. В кривой выпрямленных ЭДС и тока присутствуют пульсации, которые по цепям обратных связей воздействуют на вход СИФУ, снижая ее коэффици-

ент передачи.

Эти особенности не позволяют в общем случае математически описывать управляемый тиристорный преобразователь элементарным динамическим зве-

ном. Заметим, что даже для линейных дискретных систем с амплитудно-

импульсной модуляцией полоса пропускания частот согласно теореме Котель-

никова ограничивается значением половины частоты дискретизации (квантова-

ния) управления. Вместе с тем, если ограничить скорость изменения углов ре-

гулирования ТП на уровне ниже 0 , а полосу пропускания частот замкнутой САР – некоторым значением, соответствующем схеме выпрямления, способу управления и типу СИФУ, появляется возможность аппроксимировать модель ТП апериодическим (см. предыдущий раздел пособия) или даже безынерцион-

ным (раздел 5.3) звеном. Заметим, что в методике СПР указанное ограничение полосы пропускания частот САР достигается выбором значения расчетной по-

стоянной времени тиристорного преобразователя, а в рассматриваемой ниже методике диаграмм качества – ограничением сверху резонансной частоты за-

мкнутой САР.

5.2. Ограничение тока в тиристорном электроприводе

Ввиду перечисленных выше особенностей ТП как элемента замкнутой СУЭП, в частности – полууправляемости тиристоров и дискретности преобра-

115

зователя по управлению, ограничение тока якоря двигателя в быстродействующих тиристорных ЭП постоянного тока не может осуществляться только посредством ограничения сигнала задания на входе регулятора тока, как в квазинепрерывных СПР. Действительно, если при большой ошибке регулирования в КРТ регулятор сформировал uу , соответствующее малому углу , и СИФУ его отработала, сформировав управляющий импульс на очередной вступающий в работу тиристор, то в течение интервала проводимости одного вентиля ток двигателя может достичь недопустимо большого значения. Прервать процесс нарастания тока снижением uу нельзя в силу дискретности и неполной управляемости ТП, поэтому в подобных ситуациях вероятно срабатывание макси- мально-токовой защиты преобразователя и его отключение.

Чтобы избежать таких аварий и обеспечить надежное ограничение тока в переходных процессах в тиристорных электроприводах применяется так называемое упреждающее токоограничение1. Его идея заключается в ограничении угла регулирования ТП на таком уровне, при котором ток якоря заведомо не может превысить максимально-допустимого значения I доп (для определенности примем I доп I max i I н ). Так, например, при работе ТП в РНТ и уста-

новившемся двигательном режиме работы ЭП

Eп Ed 0 cos( ) Eя RэIя .

Если потребовать выполнения условия Iя Iдоп , то отсюда следует, что угол

регулирования должен быть ограничен неравенством

E		я	R I	доп
arccos			э		.
			Ed 0

Аналогично для режима генераторного торможения, когда ТП работает в инверторном режиме, учитывая, что Iя 0, из условия Iя Iдоп получим

E		я	R I	доп
arccos			э		.
			Ed 0

1 А.с. СССР №167565, МКИ Н02Р. Способ управления двигателем постоянного тока / В.Г. Каган, Ф.Д. Кочубиевский, В.М. Шугрин. // БИ №2. – 1965.

116

Практически упреждающее токоограничение реализуется с помощью по-

ложительной обратной связи по eя , замкнутой на вход системы управления преобразователем и компенсирующей влияние ЭДС двигателя, и ограничения выходного сигнала ближайшего к ТП регулятора СУЭП на уровне

RэIдоп .

kп

В зависимости от структуры САР это может быть сигнал регулятора тока якоря

(для традиционной двухконтурной СПР) или регулятора скорости (для одно-

контурной системы регулирования частоты вращения с компенсацией ЭДС).

Структурная схема эквивалентной математической модели узла упреждающего токоограничения приведена на рис. 5.14.

Модель eп линеаризованного

(+)ТП

	R I				kп1	e
		доп					я
	э
	kп

Рис. 5.14 – Структурная схема узла упреждающего токоограничения

Напомним, что в электроприводах с реверсивным тиристорным преобра-

зователем, раздельным управлением вентильными комплектами и линейной СИФУ положительная обратная связь по ЭДС якоря замыкается при техниче-

ской линеаризации регулировочных характеристик ТП посредством специаль-

ных звеньев – НЗ и ФПЕ.

5.3. Методика синтеза САР скорости на основе диаграмм качества

Для синтеза систем регулирования скорости тиристорных электроприво-

дов постоянного тока с быстродействием «в малом», близким к предельному и значительно превышающим быстродействие систем, синтезированных по мето-

117

дике СПР, в отечественной практике применяется метод, разработанный груп-

пой исследователей под руководством профессора А.Д. Поздеева [17, 18].

Главными отличиями этого подхода, часто называемого методикой диаграмм качества, от традиционного являются: а) не последовательный, а одновремен-

ный синтез всех регуляторов САР, не предполагающий организации разнотем-

повых процессов по току и скорости; б) более точный учет ограничений на быстродействие САР «в малом», обусловленных специфическими свойствами ТП; в) формирование желаемых переходных процессов при скачках момента сопротивления нагрузки (синтез по возмущающему воздействию), что очень важно, в частности, для электроприводов металлорежущих станков.

Кратко рассмотрим основы данной методики, останавливаясь лишь на ее ключевых моментах.

5.3.1. Линеаризованные структуры вентильных электроприводов

регулируемой скорости

В практике построения глубоко регулируемых однозонных вентильных электроприводов постоянного тока наибольшее распространение получили две структуры САР, по классификации А.Д. Поздеева называемые структурами второго и третьего типа [17, 18].

Структура второго типа, линеаризованная модель которой в абсолютных

(естественных) величинах изображена на рис. 5.15, представляет собой одно-

кратно интегрирующую систему регулирования скорости с ПИ-регулятором и дополнительной обратной связью по току, замкнутой на вход системы управле-

ния тиристорным преобразователем. По такой схеме, в частности, построены комплектные электроприводы ЭПУ1-2…П с аналоговой системой управления производства ОАО «Электромашина», г. Прокопьевск Кемеровской области.

Структура третьего типа, схема которой приведена на рис. 5.16, пред-

ставляет собой двукратно интегрирующую систему подчиненного регулирова-

ния скорости с ПИ-регуляторами скорости и тока якоря двигателя и использу-

118

ется, например, в тиристорных агрегатах серий ТП(Р), ТЕ(Р) производства ОАО

«Электровыпрямитель», г. Саранск, Мордовия и комплектных электроприводах ЭПУ1М-2…П(М) производства ООО «ЧАЭЗ-ЭЛПРИ», г. Чебоксары, Чувашия

(дочернее предприятие ЗАО «Чебоксарский электроаппаратный завод»).

На входе задания скорости в обеих структурах установлен так называе-

мый оптимизирующий фильтр с передаточной функцией Wф ( p) , обеспечива-

ющий приемлемое качество переходных процессов по задающему воздействию.

ТП представлен безынерционным звеном с коэффициентом передачи kп . Воз-

мущение моделируется током сопротивления нагрузки (статическим током)

ic M c . Коэффициенты главных обратных связей в контурах регулирования cФн

тока и скорости ki и k заранее рассчитываются «стандартным» способом, так же, как и в классических СПР, см. разделы 4.3.1 и 4.3.2.

Таким образом, при синтезе САР подлежат определению: параметры

Wф ( p) ; коэффициенты kк , kт ; постоянная времени регулятора скорости Tк .

Все остальные параметры САР должны быть заданы.

Без учета входного оптимизирующего фильтра типовые структуры САР описываются следующими операторными моделями. Для второй структуры справедливо уравнение

TкTэTм p3 1 kпkт TкTм p2 k0Tк p k0 ( p) k0 Tк p 1 uз ( p) k

RэTк p Tэ p 1 kпkт ic ( p) , cФн

где k0 kкkпk .

Для третьей структуры

TкTэTм p3 kikпkтTкTм p2 k0Tк p k0 ( p) k0 Tк p 1 uз ( p) k

RэTк p Tэ p kikпkт ic ( p) , cФн

где k0 kкkтkпk .

119

iс ( p)

uз' ( p)

uз ( p)

uу ( p)

eп ( p)

iя ( p) (-)

( p)

Tк p 1

1 Rэ

cФн

Wф ( p)

cФнkк

kп

(-)

Tк p

(+)

(-)

(-)

Tэ p 1

Jp

eя ( p)

cФн

cФн

kп

kт Rэ

k

Рис. 5.15 – Структурная схема системы 2-го типа

iс ( p)

uз' ( p)

uз ( p)

uу ( p)

eп ( p)

iя ( p)

(-)

( p)

cФн

Tк p 1

Tэ p 1

1 Rэ

cФн

kп

W ( p)

k

R k

ф

(-)

Rэ

к

Tк p

(-)

э

т

Tэ p

(+)

(-)

Tэ p 1

Jp

eя ( p)

cФн

cФн

kп

ki

k

Рис. 5.16 – Структурная схема системы 3-го типа

120