2.6. Построение статической характеристики электропри­вода в замкнутой и разомкнутой системе управления [14]

К системам автоматического управления электроприводами предъявляется и целый ряд требований, обусловленных в каждом конкретном случае спецификой технологического процесса и режи­мом работы производственной машины. Среди них важнейшее ме­сто занимают требования обеспечения заданных статических и ди­намических характеристик электропривода. Эти требования в значи­тельной мере определяют выбор структуры автоматической системы управления электроприводом и ее параметров, что составляет одну из главных задач проектирования автоматизированных электропри­водов.

Статическая характеристика замкнутой системы преобразова­тель-двигатель представляет собой графическое изображение зави­симости регулируемой переменной системы от основного возму­щающего воздействия f1 в установившемся режиме при фиксиро­ванном значении задающего воздействия g и отсутствии других воз-

мущающих воздействий f1, f2, ... Влияние последних сказывается в виде «дрейфа» статической характеристики или приводит к искаже­нию ее формы. Статическая характеристика может иметь несколько участков разной формы, каждый из которых соответствует опреде­ленным структурам или параметрам системы, если они фиксировано изменяются в процессе управления.

На рис.2.5 показана статическая электромеханическая харак­теристика 3, типичная для многих замкнутых систем преобразова­тель-двигатель постоянного тока. Она представляет собой зависи­мость скорости двигателя со от протекающего в его якорной цепи то­ка I при использовании различных регулирующих обратных связей. На этом же рисунке изображено семейство Р статических электро­механических характеристик разомкнутой системы преобразователь-двигатель. Каждая из этих характеристик отвечает фиксированному значению xi управляющего сигнала x.

Рис.2.5. Статическая электромеханическая характеристика системы.

Характеристика 3 состоит из двух участков. На участке 1 дей­ствуют обратные связи, стабилизирующие скорость двигателя. По­этому здесь регулируемая величина у^'=’, а момент двигателя мож­но рассматривать как основное возмущающее воздействие, посколь­ку в установившемся режиме M'=M'_c=f1 Когда М'=0 скорость име­ет значение Y'₀=’₀, а управляющий сигнал х’=Х'0. При увеличении момента нагрузки под влиянием обратных связей происходит непре­рывный переход с одной механической характеристики разомкнутой системы на другую вследствие возрастания управляющего сигнала (характеристики Р при X'1 , Х'2, Х'3....). Поэтому характеристика 3, представляющая собой совокупность точек семейства Р, становиться на участке I значительно жестче характеристик разомкнутой систе­мы. Перепад скорости на этом участке ’₁=’₀ - ’₁ (т.е. Y’₁= Y’₀ - Y’₁ ) при изменении момента от М'=0 (f'₁=0) до M'=M'₁ (f'₁=F'₁₍₁₎)) характеризует стабильность регулирования, т.е. точность поддержа­ния постоянства скорости при наличии возмущающего воздействия f'₁₌M’_c

При переходе к участку II характеристики 3 стабилизирующие скорость обратные связи отключаются и вводиться в действие отри­цательная обратная связь по току, т.е. изменяется структура систе­мы. Последняя теперь будет работать в режиме —автоматического регулирования момента двигателя, т.е. здесь у''=I''. При этом ско­рость двигателя представляет собой основное возмущающее воздей­ствие (в установившемся режиме "="_с=f''₁). При неподвижном двигателе Y''0=I''0=I''кз и управляющий сигнал х"=Х''0). С увели­чением скорости, благодаря действию регулирующей обратной свя­зи по току растет сигнал х" принимая последовательные значения Х"₁, Х"₂, Х''₃ ..., что отвечает переходу изображающей точки ха­рактеристики 3 по соответствующим характеристикам семейства Р. Поэтому на участке II замкнутой системы значительные изменения скорости сопровождаются относительно небольшими изменениями

тока. Перепад тока I’’₁= I’’₀ - I’’₁ (т.е. Y’’₁=Y’’₀ - Y’’₁) определяет здесь точность поддержания постоянства тока при изменении воз­мущающего воздействия от ’’=0 (f’’₁ =0) до ’’="₁(f’’=F'’₁₍₁₎). Участок II предусматривается, например, для ограничения тока дви­гателя в процессе его пуска, для защиты технологической машины от перегрузки и т.д.

Введение в замкнутые контуры элементов с нелинейными ха­рактеристиками вида:

- задержанная обратная связь по току - отсечка;

- ограничение амплитуды напряжения управления и т.д.

позволяют создать специальные статические характеристики, например экскаваторную (упорную). Подобными нелинейными эле­ментами оснащены все современные системы автоматического управления электроприводами.

Построим статическую характеристику для системы электро­привода изображенной на рис.2.2.

В соответствии с рис.2.2 и при учете всех обратных связей из (2.3) можно записать уравнение

(2.57)

Для данной схемы электропривода, статическая характеристи­ка имеет вид экскаваторной (рис.2.6) с тремя участками [1].

На первом участке (I) при токе от 0 до тока отсечки I_У действу­ет только обратная связь по скорости U_oc (если есть, то по напряже-

нию и положительная по току). На втором участке (II) включается в действие отрицательная обратная связь по току U_T от I_У до I₂, и дей­ствуют все обратные связи. На третьем участке (III) отключаются связи по скорости (если есть, то по напряжению и положительная по току), а действует только постоянное напряжение задания по току Uvd=const и отрицательная связь по току до скорости =0, где ток равен предельно допустимому I_уп=Imах.

Рис.2.6. Статическая характеристика электропривода.

Действие одной отрицательной обратной связи по скорости на первом участке (рис.2.6) характеризуется двумя точками: точкой хо­лостого хода ₀ и точкой (1) вступления в действие отрицательной связи по току с отсечкой. На этом участке скорость определяется выражением

(2.58)

При построении первой части статической характеристики не­обходимо найти точку холостого хода электропривода с координа­тами (I_Я=0; ₀), воспользовавшись (2.17) и (2.18), где ₀ соответству­ет _0max , и точку (1) с координатами (I_У; ₁), воспользовавшись уравнением

(2.59)

либо построить первый отрезок статической характеристики по

формулам

(2.60)

где

Второй участок характеризуется вступлением в действие от­рицательной обратной связи по току, которая увеличивает наклон (уменьшает жесткость) механической характеристики. Задаваясь то­ком I₂ большим чем I_у, можно найти вторую точку (2) характеристи­ки на этом участке. Ее координаты (I₂; ₂), где из (2.3)

(2.61)

где

по формуле

Можно построить второй участок статической характеристики

(2.62)

Дальнейшая работа электропривода происходит следующим образом: увеличение сигнала управления с ростом нагрузки приво­дит к пробою стабилитрона в узле отсечки, после чего в системе управления начинает действовать фактически только одна отрица­тельная связь по току с постоянным напряжением управления, рав­ным напряжению пробоя стабилитрона Uvd⁼const, а уравнение элек­тромеханической характеристики на третьем участке имеет вид

(2.63)

Принимая _з=0 и I _з=I_max, можно найти Uvd.

Третий участок статической характеристики строиться по

формуле

(2.64)

где

Построим статическую характеристику разомкнутой системы в соответствии с (2.4) при отсутствии обратной связи по скорости

(2.65)

Напряжение задания в этом случае находится из условия

=_{н о м} , I_я=0

Изменение коэффициентов передачи по скорости (если есть, то по напряжению и положительной по току) приведет к изменению угла наклона статических характеристик на первом и втором участ­ках. Наклон статической характеристики на третьем участке зависит только от коэффициента передачи задержанной отрицательной об­ратной связи по току.

Отрицательная обратная связь по напряжению действует так же, как и отрицательная связь по скорости, она компенсирует паде­ние напряжения в цепи преобразователя под воздействием нагрузки, но не компенсирует падение напряжения в якоре двигателя. Поэтому при изменении коэффициента усиления отрицательной обратной связи по напряжению до максимального значения статическая ха­рактеристика может приблизиться к естественной характеристике двигателя. С одной отрицательной связью по напряжению невоз­можно получить режим, когда заданный перепад скорости меньше перепада скорости на естественной характеристике двигателя.

Комбинации различных обратных связей обеспечивают полу­чение различных статических характеристик замкнутых систем управления электроприводом постоянного тока.