4. Пр опор цио нал ьн о - инт е г р ально - ди ф фе р е нциа ль ный р е гу лят ор

1/Т₁

+90

L

1/Т₂ 1/Т₃

^ П



Д

^1/Т4 1/Т₅

^опт

Область применения регулятора системы с ФЧХ _MIN=180или системы с повышенным быстродействием. В зоне работы диф. кана-

_ ла характеристика регулятора имеет пологий фаз. сдвиг – поэтому частота среза может размещаться на участке двойного наклона.

Сигнал на входе определяется не толь- ко величиной ошибки регулирования, но и темпом и направлением ее изменения (про- гноз на будущее).



^WПИД

_ (Т₂ р 1)(Т₃ р 1) _;

Т₁р(Т₄ р 1)(Т₅ р 1)

-90

Схема регулятора построена на час- тотной характеристике. Зададим соотноше- ние конденсаторов: С₃<C₁<C₂.

1) T = (R₁ + R₂ )C₂

2. K = ^Rос

 1 _R2 





2. T₃₌

R₁ + R₂

C₂p 

^Rос

2. p 

K ₂ 

R

T₂ R_осC₂

_{W }(T₂p 1)(T₃p 1)

T₁p(T₄p 1)

= 180- _= 30; _= _нч + _р

K _{2 }T₃ K₁ T₄

_^Rос

R

• R₁ R₂ ^Rос

_(R₁ R₂ )C₁

R₂C₁

При выборе параметров _ср контура размещают в центре дифференциального участка Т₃ - Т₄.

Преимущества ПИД регулятора:

1. Опережающая фазовая характеристика, возможность настройки системы с _нч > 180.

2. Очень высокое быстродействие, обусловленное опережающим регулированием: сигнал

на выходе:

дифференциального звена пропорциональна темпу изменения входной величины с учѐтом знака;

пропорционального звена только отключение в текущий момент времени;

интегрального звена сохраняется предыдущая информация, выделяется средняя за боль- шой промежуток времени.

Недостатки:

1. Сложность настройки (большое количество элементов).

2. Дифференцирующий канал резко снижает помехозащищѐнность системы. В реальных

условиях фазовый сдвиг не превышает 30 40.

18

11. Способы формирования прямоугольной диаграммы тока якоря.

ДПТ НВ – объект регулирования. В большинстве систем требуется формирование тормоз- ного режима.

U_я = I_я R_я + кФω

Допущения: двигатель на ХХ и не учитывается индуктивность якорной цепи, хотя время

нарастания тока ограничивается индуктивностью.

Прямоугольная диаграмма тока обеспечивает защиту двигателя от перегрузок по току якоря

и нагреву, и механической части от динамических нагрузок и превышении ускорений в

пуско-тормозных режимах.

Прямоугольная диаграмма тока якоря обеспечивает максимально полное использование

двигателя. Для двигателя, работающего в повторно - кратковременном режиме в особо тя-

желых условиях (ПВ ≈ 100%, повышенная t°) оптимальной является треугольная диаграмма токов (min нагрева), однако, реализация такой диаграммы подразумевает не стабилизацию тока, а изменение его по заданному закону, что требует неунифицированных узлов. Погрешность в случае эквивалентного треугольника – 10-12%.

Для формирования прямоугольной диаграммы тока применяются прямые и косвенные ме- тоды.

Прямой – отрицательная обратная связь по току якоря с пропорционально-интегральным регулятором.

19

Косвенный - отрицательная обратная связь по скорости и интегральный задатчик интенсив- ности.

На вход w подается требуемое ускорение. На выходе задатчик интенсивности, формируется задание скорости с изменением закона.

Пропорционально-интегральный задатчик и обратная связь по напряжению или ЭДС пре- образователя. Сложно обеспечить соответствие настройки w и реальных параметров двига- теля. Например: сопротивление якоря.

Стабилизация падения напряжения якоря BR – тахогенератор

Входящее напряжение тиристорного преобразователя U_утп с помощью стабилитрона VD ог- раничено относительно напряжения датчика скорости BR – тахогенератора

^Uутп ^{< U}VD ^{+ U}BR

При подаче большого сигнала система регулирования U_р падения напряжения на якоре ог-

раничивается напряжением пробоя стабилитрона.

U_я ≤ I_я R_я+ кФω

Узел применяется в приводах в качестве элемента защиты от перегрузки по току в переход-

ных режимах.

Структурная схема с ООС по току якоря

РТ – регулятор тока; ДТ – датчик тока; П – преобразователь; Дв – двигатель

Пропорциональный канал обеспечивает быстродействие и устойчивость контура регулиро- вания, интегральный – точность в установившемся режиме. Выбор параметров обычно про- водится по общепромышленной методике, при этом частота сопряжения П и И

^ωсопр ⁼

1 ₌ ωТ

кТ 2...4

• частота среза контура.

20

11. Способы стабилизации скорости

Задачи: ограничение тока, формирование пуска и тормозных режимов, поддержание скоро- сти.

Сравнение систем стабилизации скорости проводится по переходному процессу, падении скорости и изменении нагрузки.

У R _{я , Т}

₌ L_я

^Тм⁼ кФ² я^R

я

∆ω = ∆М_с, в относит. единицах

∆ω = ω_о ^ΔМс _, рад/с

^Мкз

∆ω_д = ∆М_ск_ак_δ

Время п.п: t_ппп = 3,14·Т_m·m

Переходный процесс в двигателе без системы регулирования зависит от соотношения по-

стоянных Т_я и Т_м

Если Т_м > 4Т_я контур устойчив, переходный процесс – экспонента, время переходного про-

цесса 3,14·Т_m

При малых запасах устойчивости возникает перерегулирование и колебания.

Способы стабилизации скорости:

Определяется параметром, в зависимости от которого производится регулирование.

1. Отрицательная обратная связь по скорости.

Требуется установка датчика скорости (тахогенератора), импульсного датчика.

21

В высокоточных приводах применяется специальный двигатель со встроенным тахогенера- тором (точность измерения скорости до 0,1%). Импульсные и цифровые датчики применя- ются в микропроцессорных системах. Основная проблема – дискретность обработки ин- формации и связанные с этим проблемы.

неизменяемая часть показана штри- хом

Регулятор скорости в зависимости от

точности выбирается: пропорцио-

нальный или пропорционально-

интегральный регулятор.

При настройке контура регулятора

скорости обратная связь по ЭДС обычно отбрасывают, т.к. при скоро- стях, близких 0, она практически не

работает, частота среза контура саморегулирования очень низка и в целом обратная связь по ЭДС – стабилизирующая.

2. В системах с ОС по ЭДС исключается относительно не надежный тахогенератор, про- блемы соосности и пульсации выходного сигнала датчика скорости, однако точность стаби-

лизации скорости снижается за счет изменения сопротивления якоря (температура) и потока возбуждения при колебаниях напряжения сети. В высокоточных приводах с ОС по ЭДС

ток возбуждения стабилизируется с помощью дополнительного контура. В цифровых сис- темах датчик скорости строится как измеритель частоты или периода. При измерении час- тоты подсчитывается число импульсов с датчика за фиксированное время. Запаздывание датчика постоянное, погрешность зависит от частоты вращения и особенно велика на низ-

ких частотах. При измерении периода подсчитывается количество импульсов опорного ге- нератора в промежутке между импульсами датчика. Запаздывание зависит от частоты вра- щения, погрешность максимальна на высоких скоростях.

В системах с низкими требованиями по точности применяется ОС по напряжению. Ско- рость двигателя стабилизируется на уровне естественной механической характеристики двигателя. Устойчивость контура напряжения и быстродействие большие, обычно приме- няются интегральные регуляторы.

3. Схема с ПОС по току

Применяется относительно редко из-за сложности настройки. При высоком быстродействии

контура регулирования полная компенсация скоростной ошибки возможна при использова-

нии регуляторов с дифференцирующим каналом. Дифференциальный канал позволяет по-

лучить опережающую фазовую характеристику и повысить запас устойчивости системы.

Частота среза должна находиться в центре участка положительного наклона.

Недостатки Диф. регуляторов: сложность настройки, большое количество регулировочных

элементов, низкая помехозащищенность (обязательна установка фильтра).

22

1. Двухконтурная система подчиненного регулирования Функциональная схема электропривода подчиненного регулирования с управлением по якорю приведена на рисунке 1.

VD

^Uвх

ЗИ

РС РТ

ДТ

_ДС BR

Рисунок 1 – Функцио- нальная схема элек- тропривода подчинен- ного регулирования с

_L управлением по якорю Данная схема построе- на по принципу под- чиненного регулиро- вания. Регулятор

^M внешнего контура – регулятор скорости, внутреннего регулятор

LM

тока. Контур регули-

рования тока предна-

значен для ограниче-

ния тока якоря при пе-

регрузках и использу-

ется как дополнительное средство коррекции внешнего контура регулирования скорости.

Контур регулирования скорости предназначен для регулирования и поддержания скорости с

заданными показателями, совместно с заданитчиком интенсивности, формирования пуско-

тормозных режимов (прямоугольная диаграмма тока якоря). Обработка сигнала задания:

При обработке сигнала задания контуры работают одновременно, при этом регулятор внешнего контура формирует задание на внутренний контур (подчиненное регулирование). Режимподдержанияскорости: М_С↑ω↓U_ДС↓ U_РС↑ U_РТ↑Е_ТП ↑I_Я ↑ω↑

Режим перегрузки:

М_С↑↑ ω↓ U_ДС↓ U_РС= U_БО

↓

Е_Д↓ I_Я ↑U_ДТ↑ U_РТ↓ Е_ТП↓ U_ДТ= U_БО

_{к =} ^ΔUВЫХ

ΔU_ВХ

Структурная схема системы:

Строится по функциональной схеме привода с учетом схемы включения регуляторов и

применением обратных связей.

23

2. Тиристорный электропривод с двузонным регулированием скорости

Функциональная схема системы двузонного регулирования приведена на рисунке 3. Систе- ма состоит из четырѐх контуров регулирования: контура регулирования тока возбуждения предназначенного для ограничения тока возбуждения и коррекции внешнего контура регу- лирования напряжения; контур регулирования напряжения предназначенный для ограниче- ния напряжения при работе во второй зоне; контур регулирования тока якоря предназна- ченный для ограничения тока при перегрузках и коррекции контура регулирования скоро- сти; контур регулирования скорости предназначенный для стабилизации скорости на задан- ном уровне, формирования процессов пуска и торможения.

Рисунок 3 – Функциональная схема системы двузонного регулирования

Обратная связь по ЭДС преобразователя применяется, если запас по напряжению якоря не

большой, позволяет исключить уход преобразователя в насыщение и размыкание контуров

регулирования.

Обратная связь по ЭДС двигателя позволяет контролировать перенапряжение в обмотке

якоря – максимальное использование двигателя. При этом преобразователь должен иметь

значительный запас.

БО1 – блок ограничения – ограничивает задание тока возбуждения. Работа схемы:

При малых уровнях задания напряжение на якоре не велико, поэтому интегральный регуля-

тор напряжения уходит в насыщение, ток возбуждения стабилизируется на номинальном

уровне.

Работают 2 контура первой зоны аналогично схеме с управлением по якорю. При увеличе-

нии задания напряжение на якоре превышает уставку U_н.

Регулятор напряжения выходит в насыщение, снижается ток возбуждения, двигатель разго-

няется, регулятор скорости и регулятор тока якоря снижают задание на преобразователь и

напряжение якоря стабилизируется на уровне U_н.

24

При увеличении нагрузки уменьшение скорости отрабатывается регулятором скорости за счет увеличения напряжения на якоре. Затем перенапряжение снимается контурами второй зоны.

При настройке контур регулирования напряжения должен иметь меньше быстродействие, чем контур регулирования тока якоря. Обычно это обеспечивается автоматически.

1

ω_т =

ω =

(2...4)(Т _п τ _тп )

1

, ω_т – частота среза контура тока якоря

, ω - частота среза контура тока возбуждения

(2...4)(Т _тв

τ _тв

Т _вт )

η_тп и Т_п – постоянные времени фильтра и запаздывание якорного преобразователя 3^х-фазный мост:

η_тп = 1/300 (с), Т_п = (2…4) η_тп

η_тв и Т_тв – постоянные времени фильтра и запаздывание тиристорного возбудителя

Из-за меньшей мощности применяются тиристорные возбудители с однофазной схемой 1^х-фазный мост:

η_тв = 1/1300 (с), Т_тв = (2…4) η_тв

L

Т_вт = 0,1Т_в = 0,1 ^B

R _B

ω _В

, постоянная времени контура вихревых токов обмотки возбуждения

ω_Н =

2...4

<<ω_Т, частота среза контура напряжения

К особенностям системы относятся изменение коэффициента передачи прямого канала кон-

тура рег. скорости во второй зоне, поэтому по мере увеличения скорости частота среза и точностные показатели КРС могут снижаться.

Для исключения ухудшения показателей можно применить адаптивный регулятор скорости

• коэффициент передачи регулятора скорости должен изменяться обратно пропорциональ-

но току возбуждения или потоку.

В простых системах параметры рег. скорости выбираются в первой зоне, т.е. на малых ско-

ростях при максимальном потоке и обязательно проверяется качество настройки на макси-

мальной скорости и ХХ, т.е. при минимальном потоке.

Схема позволяет расширить диапазон регулирования скорости вверх от номинала.

Ограничение: механическая прочность двигателя проверяется только уставкой задания.

Система применяется в приводах прокатных станов, главный привод металлорежущих

станков, приводы моталок.

25

3. Система источник тока - двигатель

Функциональная схема системы «источник тока – двигатель» приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Функциональная схема системы «источник тока – двигатель»

Данная схема содержит три контура: независимый контур регулирования тока якоря пред-

назначенный для ограничения тока якоря в переходных режимах (колебания напряжения

питания преобразователя, изменение скорости вращения и нагрузки) и стабилизации теп-

лового режима работы двигателя; внутренний контур регулирования тока возбуждения

предназначенный для ограничения тока возбуждения и момента двигателя и коррекции

внешнего контура скорости; внешний контур регулирования скорости предназначенный для

стабилизации скорости на задание рабочего цикла, формирования процессов пуска тормо-

жения, длительности включения, торможения.

Формирование пуско-тормозных режимов с помощью ЗИ – задатчика интенсивности.

Ограничение максимального момента – блок ограничения – регулятор скорости. Реверс за счет смены полярности тока возбуждения.

Настройка системы:

1. КРТЯ (контур регулирования тока якоря) – выставляется U_Т так, чтобы I_Я был близок к номиналу.

2. КРТВ (контур регулирования тока возбуждения). 3 Регулятор скорости

Блок ограничения - I_В выставляется на уровне максимально допустимого по режиму работы (нагрев и длительность перегрузки).

4 ЗИ (задатчик интенсивности) – формируется темп разгона и торможения. Особенность системы:

• При изменении уставки тока якоря изменяются показатели качества регулирования скоро- сти из-за изменения момента.

• Требуется перенастройка РС – регулятора скорости. Преимущества:

1. Жесткое токоограничение. Практически исключена перегрузка двигателя. Система при- меняется в приводах механизмов с тяжелыми и особо тяжелыми условиями работы (экска-

ваторы, реверсивные прокатные станы).

26

2. Малая стоимость – реверсивный преобразователь ТПЯ рассчитывается на номинальную мощность двигателя.

В системах с управлением по якорю мощность ТПЯ завышается с учетом перегрузочной способности двигателя.

Недостатки:

1. Снижение КПД двигателя

Потери в якоре не зависят от нагрузки, при работе с ослабленным полем резко уменьшается

КПД двигателя.

ω

η_ДВ =

Р А Б

^ω ХХ

2. Показатели качества хуже, чем в системах с управлением по якорю за счет более инерци- онного управления.

Частота среза контура скорости снижается до уровня 5-10 рад/с. Возможен резонанс с меха- нической частью.

В режиме ХХ во всем диапазоне регулирования поток стабилизируется на нулевом уровне. В реальных системах минимальный поток соответствует потерям ХХ в двигателе и переда- че.

ЭДС преобразователя в режиме ХХ компенсирует только падение напряжения в силовой цепи. ЭДС двигателя равно 0.

При работе под нагрузкой

М

кФ₁ =

СТА Т

I _Я

И по мере роста скорости возрастает ЭДС преобразователя на величину ЭДС двигателя. Е_ДВ = кФ₁ω

Если якорный преобразователь выходит в насыщение, то ток возбуждения увеличивается до максимального значения.

Е_ПР = const

Предельные механические характеристики двигателей при различных системах управления

приведены на рисунке 4.



^max2

^max1

^ном

2 ₃

₁ ОБР

^Рном

^Mном ^Mmax2

^Mmax1 ^M

Рисунок 4 – Предельные механические характеристики при различных системах управле-

ния: 1 – Схема подчиненного регулирования с управлением по якорю; 2 – Система «источ- ник тока – двигатель»; 3 – Система двузонного регулирования

27

4. Асинхронный ЭП с регулированием напряжения на статоре

Относительно дешевая и простая схема, основное преимущество – использование широко распространенных и надежных АД.

Регулирование – принципиально нелинейное М ~ u².

В описании используется коэффициент передачи двигателя – зависимость изменения вра-

щающего момента от изменения скорости и от изменения напряжения.

Практически диапазон регулирования ограничен переходом двигателя в пульсирующий ре-

жим и падением напряжения на силовых тиристорах.

Система применяется в вентиляторах и насосных установках при небольшом диапазоне ре-

гулирования.

Главные недостатки:

• нелинейное управление;

• схема настраивается на наихудшие условия, поэтому быстродействие очень низкое;

• при снижении напряжения возрастают потери.

Снижается поток – машина недоиспользуется.

При скорости ниже критической резко падает cosθ из-за увеличения индуктивного сопро-

тивления и смещения поля ротора относительно поля статора. Для повышения cosθ приме-

няются двигатели с «повышенным скольжением» - в обмотке ротора применяются материа-

лы с большим сопротивлением.

ПИ регулятор скорости позволяет стабилизировать частоту среза при изменении параметра

(рабочие скорости, напряжения питания, параметры двигателя).

Расчет параметров регулятора проводится на наихудшие условия.

Пропорциональный канал настраивается при максимальном напряжении и скорости, близ-

кой к номиналу – максимальный коэффициент передачи контура и обязательно проверяется

при работе на минимальной скорости и максимальном напряжении (в двигателе положи- тельная обратная связь).

Быстродействие интегрального канала преднамеренно занижается так, чтобы обеспечива- лась устойчивая работа при минимальном напряжении во всем диапазоне скоростей. Устойчивость системы очень сильно зависит от нагрузочной характеристики.

28

5. Асинхронный ЭП с регулированием частоты при постоянном потоке двигателя

Система управления двухконтурная. Внешний контур регулирования скорости совместно с задатчиком интенсивности ЗИ формирует пуско-тормозные режимы.

РС (регулятор скорости) обычно пропорционально-интегральный. Внутренний контур регулирования момента.

М = ψ·I₁· cosθ = ψ·I_{1активный} Ψ – потокосцепление Ф·W I₁ – ток статора

Активная составляющая тока статора I_{1активный} определяется по величине тока на выходе вы- прямителя.

Постоянство потокосцепления ψ = const обеспечивается формированием соотношения на- пряжения и частоты.

Разные законы регулирования. Зависит от того, в каком диапазоне скоростей работаем.

^U1 = const ω~ω

f

о

1

U

¹ = const ω>ω

f₁

^U1 = const ω<<ω