7.2.2. Настройка контура регулирования ЭДС

Внешним контуром регулирования скорости изменением магнитного потока является контур регулирования ЭДС электродвигателя. Структурная схема контура регулирования ЭДС представлена на рис.7.12. В контур регулирования ЭДС входят регулятор ЭДС (РЭ), замкнутый контур регулирования тока возбуждения (магнитного потока) ЗТВ, объект регулирования с передаточной функцией Wор2(р) и обратная связь по ЭДС, реализуемая с помощью датчика ЭДС.

Для настройки контура регулирования ЭДС на МО регулятор ЭДС должен иметь передаточную функцию:

W

(p) =

kоф

ω

=

1

1

н

,

(7.14)

рэ

4T

pk

оэ

ω ω

T

p

ω*

µв

н

иэ

где Tиэ = 4Tµвkоэωн / kоф -

постоянная времени интегрирования

регулятора ЭДС,

ω* = ω/ ω

-

относительная

величина

скорости вращения

н

электродвигателя.

РЭ

ЗТВ

ω

uзэ

kФ

Ea

Wрэ(р)

Wзтв(р)

1

uоэ

ДЭ

Wор2 (p)

kоэ

Рис.7.12. Структурная схема контура регулирования ЭДС

Так как параметры объекта регулирования зависят от скорости вращения электропривода, то настройка контура регулирования ЭДС должна изменяться во второй зоне (при ослаблении магнитного потока) обратно пропорционально относительной скорости вращения электропривода, т.е. постоянная времени РЭ во второй зоне должна изменяться в соответствии с (7.14). Функциональная схема РЭ приведена

270

на рис.7.13. На вход РЭ подается напряжение задания номинальной ЭДС двигателя uзэн = kоэEaн , снимаемое с потенциометра R1 . Поскольку

при изменении направления вращения электродвигателя, изменяется полярность ЭДС (т.е. изменяется полярность напряжения обратной связи

по ЭДС uоэ = kоэEa ), то для обеспечения отрицательной обратной связи

на вход РЭ подается модуль напряжения uоэ с выхода схемы выделения модуля СВМ1. При неподвижном электродвигателе на вход РЭ поступает только напряжение задания ЭДС uзэн , под действием которого выходное

напряжение интегрального РЭ возрастает. Для того, чтобы величина магнитного потока не превысила номинальную, выход РЭ должен быть ограничен на уровне задания номинального тока возбуждения (магнитного потока), что и выполняется при помощи блока ограничения БО, включенного в цепи обратной связи РЭ.

БО

Uп

РЭ

ДУ

uзтв

uзэн

1

R1

÷

Tиэ p

Uп

uоэ

VD1

uсн

uоэ

СВМ1

R2

СВМ2

VD 2

(ωн )

uос

uос

(ω)

Рис.7.13. Функциональная схема регулятора ЭДС

Для сохранения настройки контура на МО во второй зоне регулирования на выходе РЭ устанавливают делительное устройство ДУ.

В первой зоне регулирования ( ω≤ ωн ) на делительный вход ДУ

поступает напряжение, пропорциональное величине номинальной скорости uсн = kосωн , снимаемое с потенциометра R2 , которое

271

запирает диод VD2 , поэтому происходит деление на постоянную величину, что не влияет на работу РЭ в первой зоне регулирования. Во

второй зоне регулирования	( ω > ωн ) напряжение			с выхода схемы
	uос		становится больше	напряжения uсн ,
выделения модуля СВМ2

снимаемого с потенциометра R2 , что вызывает запирание диода VD1 , и на вход ДУ поступает напряжение, пропорциональное скорости вращения электродвигателя uос . Следовательно, во второй зоне

регулирования при помощи ДУ сохраняется настройка контура регулирования на МО при любом значении скорости электродвигателя.

Для обеспечения деления на напряжение одной и той же полярности при любом направлении вращения электродвигателя применяют СВМ2, через который проходит сигнал напряжения обратной связи по скорости.

Если датчик ЭДС будет представлен инерционным звеном с передаточной функцией:

	Wдэ (p) =	kоэ		,	(7.15)
		Tдэp +1

то в этом случае передаточная функция регулятора ЭДС с учетом постоянной времени Тдэ , примет вид:

W

(p) =

kоф

ω

=

1

1

н

.

(7.16)

2(2T

+ T

pk

T/

p ω*

рэ

оэ

ω ω

µв

дэ)

н

иэ

Для обеспечения надежной работы РЭ при переходе во вторую зону регулирования рекомендуется принимать максимальные напряжения задания ЭДС и обратной связи по ЭДС на уровне 7…9 В,

чтобы выполнялось следующее условие: uзсmax > uзэmax .

В качестве примера на рис.7.14 показана функциональная схема двухзонной системы регулирования скорости электродвигателя. Контур регулирования скорости изменением подводимого к якорю электродвигателя напряжения включает в себя внутренний контур

272

регулирования якорного тока с ПИ регулятором тока РТ и внешним контуром регулирования скорости с ПИ регулятором скорости РС. Для сохранения настройки контура регулирования скорости во второй зоне регулирования на выходе РС установлено делительное устройство ДУ1, а также реализовано зависимое от скорости вращения токоограничение при помощи промежуточного усилителя ПУ, блока ограничения БО1 и нелинейного элемента НЭ, моделирующего эксплуатационную характеристику электродвигателя.

273

uзс	РС	uрс ДУ1								РТ
								uзт		U
uос		÷			ПУ
		uоп							uот	ДТ
					БО1
		НЭ					−Uогр			I
	uос
							-1			ДЭ
				+ Uогр				СВМ1
							uоэ
				uос		СВМ2				ДН
									uос
						uоп		ФП		ДТВ
										I
	Uп		uос
R2	uсн		VD1		VD 2
Uп	uоэ	РЭ	ДУ 2			VD 3uзп		uоп	РТВ
R1	uзэн		÷							Uув
				Uп				VD 4
	БО2		R3		uзпmin
Рис.7.14. Функциональная схема двухзонной СУЭП

При помощи схемы выделения модуля сигнала СВМ2 формируется модуль напряжения uос для обеспечения нормальной работы при различном направлении вращения электродвигателя, которое

274

поступает на вход нелинейного элемента НЭ и делительного устройства ДУ2 на выходе регулятора ЭДС РЭ.

В контур регулирования скорости вращения изменением величины магнитного потока входят внутренний контур регулирования магнитного потока, состоящий из ПИ регулятора тока возбуждения РТВ (регулятора

магнитного потока). На вход РТВ при помощи диодов VD3 и VD4 подается большее из напряжений: или напряжение задания величины номинального магнитного потока uзп или напряжение, снимаемое с потенциометра R3 , задания минимальной величины

магнитного потока uзпmin , что исключает снижение магнитного потока

меньше минимального значения. При помощи датчика тока возбуждения ДТВ и функционального преобразователя ФП выделяется напряжение

обратной связи по величине магнитного потока uоп , которое подается на

вход РТВ и на вход делительного устройства ДУ1, изменяя настройку контура регулирования скорости при ослаблении магнитного потока.

Внешним контуром регулирования является контур регулирования ЭДС. На вход И регулятора ЭД С РЭ с потенциометра R1 подается постоянное по величине напряжение задания номинальной ЭДС электродвигателя uзэн . Сигнал обратной связи по ЭДС uоэ выделяется с

помощью датчика ЭДС ДЭ и схемы выдел ения модуля СВМ1. Выход РЭ ограничен при помощи блока ограничения БО2 на уровне задания номинального магнитного потока. На выходе РЭ включено делительное устройство ДУ2 для сохранения настройки контура регулирования ЭДС во второй зоне регулирования. На вход ДУ2 при помощи диодов

VD1 и VD2 подается	больший из сигналов:					задания	номинальной
скорости вращения	uсн с	потенциометра R2				и модуль	напряжения
обратной связи по скорости			uос		.

Рассмотрим работу двухзонной СУЭП при следующих параметрах, выраженных в относительных единицах (по отношению к номинальным

величинам): величина динамического момента М*дин = 0,7; максимальная скорость вращения ω*max = 1,5; при скорости ω* = 0,5

происходит наброс момента сопротивления М*с = 0,5 при разгоне и сброс этого момента при торможении. Рассчитаем остальные величины,

275

соответствующие заданным условиям: kФ*min = 1/1,5 = 0,67; I*уст =

0,5/0,67 = 0,75; М*max = 0,7 + 0,5 = 1,2; I*max = 1,2/0,67 = 1,8; М*min = 0,5 –

0,7 = -0,2; I*min = -0,2/0,67 = -0,3.

Перед началом работы на вход РЭ поступает задание номинальной ЭДС электродвигателя uзэн и выходное напряжение интегрального РЭ линейно увеличивается до величины, ограниченной блоком БО2 на уровне задания номинального магнитного потока uзп . Внутренний

контур регулирования магнитного потока стабилизирует номинальный магнитный поток. Разгон электропривода разрешается после того, как магнитный поток установится на уровне номинального.

Идеальные переходные процессы при работе по трапецеидальной тахограмме представлены на рис.7.15. Разгон электродвигателя осуществляется в первой зоне с номинальным магнитным потоком от ЗИ

с заданным динамическим моментом М*дин = 0,7 увеличением подводимого к электродвигателю напряжения; при этом на вход ДУ1 поступает постоянный по величине сигнал с выхода ФП uоп , соответствующий номинальному магнитному потоку. В момент времени t1 происходит наброс момента сопротивления на вал электродвигателя

М*с = 0,5, поэтому система регулирования увеличивает задание якорного тока, в результате чего устанавливается величина якорного тока, а, следовательно, и момента на уровне I*a = М* = 1,2. В момент времени

t2 скорость вращения и ЭДС электродвигателя достигают номинальных

значений. При этом на входе РЭ напряжение задания номинальной ЭДС и модуль напряжения обратной связи по ЭДС становятся равными, т.е. ошибка на входе РЭ становится равной нулю, что не ока зывает влияния на выходное напряжение РЭ. Поэтому электродвигатель продолжает разгон с тем же ускорением, в результате чего ЭДС электродвигателя становится больше номинального значения. В этом случае на входе РЭ появляется отрицательная ошибка, что приводит к снижению выходного напряжения РЭ, т.е. к снижению напряжения задания величины

магнитного потока электродвигателя uзп а, следовательно, и снижению самого магнитного потока. Снижение магнитного потока приводит к тому, что уменьшается величина напряжения обратной связи uоп на входе делительного устройства ДУ1 на выходе РС. Это вызывает

276

увеличение величины

напряжения

задания

uзт и величины

якорного

тока. Увеличение якорного тока при ослаблении магнитного потока

поддерживает постоянную величину электромагнитного момента, а

значит и постоянство ускорения электродвигателя. Снижение магнитного

потока происходит до тех пор, пока изменяется скорость

электродвигателя; после того, как скорость электродвигателя выходит на

заданное установившееся значение

ω*

= 1,5, в момент времени

t

3

max

ЭДС электродвигателя становится равной номинальной и на входе

регулятора РЭ ошибка становится равной нулю, поэтому выход РЭ

перестает уменьшаться и остается на уровне задания минимального

значения магнитного потока.

В

установившемся

режиме

работы

M* = М*с =

0,5;

kФ* = kФ*min =

0,67;

I*уст =

0,75.

В

момент времени

t4

выходное

напряжение ЗИ начинает линейно уменьшаться с заданным темпом, что

приводит к изменению направления протекания якорного тока, а,

следовательно, созданию тормозного момента электродвигателя.

M*

I*a

kФ*

2,0

М*с

E*a

ω*

I*a

1,8

1,5

ω*

1,0

1,2

E*a

0,75

kФ

*

0,7

0,67

0,5

М*с

t4

M*

t6

0

t1

t2

t3

t5

t

- 0,2

- 0,5

- 0,3

- 0,7

-1,0

Рис.7.15. Идеальные переходные процессы при работе двухзонной СУЭП

Происходит торможение электропривода с заданным ускорением. Как только скорость электродвигателя начала снижаться, ЭДС электродвигателя становится меньше номинальной, на входе РЭ

277

появилась положительная ошибка и выходное напряжение РЭ начало увеличиваться, что вызвало увеличение величины магнитного потока

электродвигателя. Увеличение величины uоп на входе ДУ1 приводит к снижению величины якорного тока. Снижение скорости вращения происходит за счет увеличения магнитного потока. В момент времени t5

выходное напряжение РЭ заходит в ограничение, следовательно, магнитный поток достигает номинального значения, после чего ЭДС электродвигателя начинает снижаться в соответствии с уменьшением скорости электродвигателя за счет уменьшения величины подводимого к электродвигателю напряжения.

В момент времени t6 происходит сброс момента нагрузки,

поэтому величина тока (момента) становится равной I*a = М*дин = -0,7,

что обеспечивает дальнейшее торможение с заданным ускорением до полной остановки электродвигателя.

На рис.7.16 показаны переходные процессы работы РЭ, смоделированные в программе MATLAB, при пуске электродвигателя до максимальной скорости.

Рис.7.16. Переходные процессы работы РЭ в двухзонной СУЭП

В начальный момент времени на вход РЭ скачком подается напряжение задания номинальной ЭДС uзэн = 9В. Выходное напряжение РЭ линейно возрастает до величины напряжения ограничения, формируя

278

задание номинального магнитного потока на входе РТВ uзтв = 10В. Затем начинается разгон электродвигателя и появляется напряжение обратной связи по ЭДС uоэ на входе РЭ. В т. а ошибка на входе РЭ становится

равной нулю uзэн − uоэ =0, а затем ошибка становится отрицательной, и

выходное напряжение РЭ uзтв начинает уменьшаться до тех пор, пока

ошибка на входе РЭ снова не станет равной нулю (т.е. когда электродвигатель достигнет максимальной скорости вращения).

На рис.7.17 показаны смоделированные переходные процессы пуска электропривода до максимальной скорости в двухзонной СУЭП на

холостом ходу (показаны напряжения: выходное РЭ uзтв , выходное РС uвыхрс , задания величины якорного тока uзт , обратной связи по току uот , скорости uос и ЭДС uоэ электродвигателя).

Рис.7.17. Пуск электропривода в двухзонной СУЭП до максимальной скорости

Перед началом работы формируется номинальный магнитный поток электродвигателя, когда регулятор ЭДС заходит в насыщение,

формируя задание номинального тока возбуждения uзтв = 10В. Пуск

электропривода начинается при номинальном магнитом потоке в момент времени t = 0,1 с. Разгон электропривода происходит при заданном ускорении, формируемом задатчиком интенсивности на входе РС. При достижении номинальной скорости вращения электродвигателя начинается ослабление магнитного потока, поскольку выходное

279

напряжение РЭ uзтв начинает уменьшаться. В результате действия делительного устройства на выходе РС напряжение задания величины якорного тока uзт (при постоянстве выходного напряжения РС) начинает увеличиваться пропорционально снижению величины магнитного потока. Увеличение uзт приводит к соответствующему увеличению

якорного тока, поэтому динамический момент электродвигателя остается неизменным, обеспечивая постоянство ускорения электропривода. После достижения заданной максимальной скорости вращения электродвигателя, выходное напряжения РС становится равным нулю, поэтому и ток якоря электродвигателя становится равным нулю. Электродвигатель вращается с максимальной скоростью в режиме идеального холостого хода. Во второй зоне регулирования РЭ стабилизирует ЭДС электродвигателя на уровне номинальной.

Существуют и другие способы построения систем двухзонного регулирования, рассмотренные в [12,13,14,15].

Контрольные вопросы:

1.Какие звенья входят в контур регулирования ЭДС электродвигателя?

2.Выведите передаточную функцию регулятора ЭДС.

3.Поясните функциональную схему регулятора ЭДС на рис.7.13.

4.С какой целью применяют схемы выделения модуля на рис.

7.13.

5.Почему на выходе регулятора ЭДС устанавливают делительное устройство?

6.Как выполняется разделение зон регулирования скорости в контуре регулирования ЭДС?

7.Поясните функциональную схему двухзонной СУЭП на рис.7.14, объясните назначение всех элементов схемы.

8.Поясните переходные процессы на рис.7.15 (объясните изменение переменных связав их с работой регуляторов СУЭП)

9.Почему выходное напряжение регулятора ЭДС начинает уменьшаться, обеспечивая ослабление магнитного потока?

10.Поясните переходные процессы на рис.7.17 (свяжите ответ с работой контурных регуляторов).

280