книги / Электрооборудование одноковшовых экскаваторов
..pdfличины. Таким образом, обратная связь, действующая встречно .основному воздействию, является отрица тельной.
Исходя из сказанного функциональная схема систе мы автоматического регулирования и управления экска ваторным приводом в общем виде должна иметь сле дующие элементы (рис. 5-1):
Рис. 5-1. Структурная схема автоматизированного электропривода экскаватора с суммирующим усилителем.
измерительный элемент (датчик) 1 и 2, который из меряет величину, подлежащую управлению (регулиро ванию) в данном объекте 9, и преобразует ее в величину другого типа, более удобную для воздействия на эле мент сравнения в виде обратных связей 3 и 4;
элемент сравнения 6, где сигналы датчика сравнива ются с предписанным значением регулируемой величины (с. заданием t/Bx), при наличии их расхождения элемент} сравнения передает сигнал ошибки или расхождения АС/ в виде соответствующего командного воздействия на исполнительный орган;
усилительный элемент 7, в котором усиливается сиг нал ошибки до значения i/y, достаточного для управле ния исполнительным устройством;
задающий элемент (задатчик 5), который служит для установки заданного значения регулируемой вели чины;
исполнительный орган 8, исполняющий командное воздействие U7 и в соответствии с этим восстанавливаю щий заданное значение регулируемой величины.
В приведенном выше примере при ручном регулиро вании объектом управления является двигатель рабоче го механизма: регулируемой величиной— частота вра-
11—390 |
101 |
щения двигателя (вернее напряжение генератора); дат чиком— вольтметр и амперметр; исполнительным орга ном — генератор; задающим элементом — резистор, а функции управляющего органа (элемента сравнения) выполняет человек.
В системе автоматического электропривода экскава тора, приведенной на рис. 5-2, реализована рассмотрен ная выше функциональная схема. Здесь измерительным элементом служит резистор /?0,с (датчик /), включенный на напряжение генератора. При изменениях напряжения генератора в нем изменяется ток, а следовательно, и падение напряжения на той его части, откуда снимается
т
напряжение (сигнал обратной связи x0tC=U 0)с) и по дается на обмотку напряжения ОН магнитного усили теля СМУ.
Усилитель в этой системе, кроме, роли усилительного устройства, выполняет функции элемента сравнения (по этому на рис. 5-2 обозначен 6—7 согласно схеме рис. 5-1). Обмотка усилителя ОН осуществляет обрат
ную отрицательную связь 3, так как она |
получает от |
||
датчика сигналы |
U 0,c и включена встречно |
задающей |
|
обмотке 03 магнитного усилителя UBX. |
|
|
|
К о э ф ф и ц и е н т |
у с и л е н и я у с и л и т е л я |
k, |
как и коэф |
фициент |
усиления любого из элементов системы или "всей системы |
|
в целом, |
есть отношение выходной величины дгвых ко |
входной хШ |
в установившемся режиме: |
|
|
|
k = - р . |
(5-1) |
Различают коэффициенты ’усиления по мощности kP\ напряже нию kn, току kT; м. д. с. kp и.т. д.
Установка заданного значения регулируемой величи ны, которую система должна поддерживать постоянной, выполняется посредством задатчика — командоконтрол-' лера КК (5). Напряжение £/вх, снимаемое с командоконтроллера КК, подается на задающую обмотку 03 усилителя СМУ и, усиленное последним, передается на электропривод 8 и 9, определяя заданный режим рабо ты системы Г — Д. При этом выходная (регулируемая) величина системы, измеренная и преобразованная, в сиг нал обратной связи, в виде м- д. с. Fn обмотки ОН по стоянно сравнивается с заданным значением м. д. с. F3 задающей обмотки 03 усилителя.
В результате сравнения при наличии отклонения AF=F3— Fn вырабатывается на выходе усилителя ре зультирующее воздействие (командный сигнал £/у). Значение и знак выходного сигнала усилителя Uy зави сят от того, насколько и в каком направлении действи тельное текущее значение выходной (регулируемой) ве личины системы иВых отклонилось от заданного. Ко мандный сигнал поступает в независимую обмотку воз буждения генератора, т. е. в исполнительный орган — генератор 8,' который и восстанавливает прежнее значе ние напряжения. Как это осуществляется, видно из сле дующего. Допустим, что по каким-либо причинам уве личился момент сопротивления вращению рабочего ме ханизма. Увеличение этого момента вызовет как уве-
11* |
163 |
лйчение потребляемого двигателем Д тока, так и пони жение регулируемой величины — напряжения на выво дах генератора Г за счет увеличения потери напряже ния в нем. В этом случае уменьшится напряжение на выводах обмотки ОН усилителя, а следовательно, ее ток и м. д. с. FB. Тогда в результате сравнения при неиз менном значении F3 м. д. с. задающей обмотки 03 уве личится результирующая м. д. с. на. входе усилителя, а в итоге напряжение и ток его выхода. При этом ток возбуждения в независимой обмотке генератора (OBHI и OBH1I) и напряжение генератора возрастут, т. е. ре гулируемая величина будет стремиться к прежнему зна чению. Так происходит автоматическое поддержание за данной частоты вращения рабочего механизма.
Следует заметить, что генератор является также электромашинным усилителем; его коэффициент усиления равен ka= B vJUy. Если за выходную и входную принимаются разноименные величины, то их отношение принято называть в теории регулирования не ко эффициентом усиления, а ужо передаточным коэффициентом. На пример, для генератора, если выходной величиной будет его э. д. с. Яг, а входной м. д. с. обмотки возбуждения Fовн, передаточный коэффициент равен /гг= £ г/Яовн.
Система, регулирования, где выходная величина свя зана с ее входом через обратную связь, называется
замкнутой системой, а подобная обратная связь — глав ной, основной (3 на рис. 5-1 и 5-2). Помимо нее, бывают другие (вспомогательные, промежуточные) обратные связи для стабилизации системы и улучшения качества регулирования (цепи усилителя ОСТ и ОСЯ), а также для ограничения момента при стопорении двигателя' 4
(цепь обмотки ОТ) на рис. 5-2 и 4 на рис. 5-1. |
|
г |
|
|||
Величина сигнала xQfC обратной связи, |
снимаемого ^с |
резистора |
||||
Fo.c (см. рис. 5-2), определяется формулой |
х0, с = |
*онхвых» |
гДе |
|||
х о, с __UQtC |
связи, показывающий, |
ка- |
||||
kOH= — -------тт—— коэффициент обратной |
||||||
^вых |
иг |
|
|
|
|
|
кая доля выходного сигнала (выходной |
величины) |
* Пых исполь |
||||
зуется для |
воздействия на вход звена основной |
(прямой) |
цепи |
воз |
действия в виде сигнала обратной связи х0,с. Коэффициент обрат ной связи по напряжению генератора может быть записан и так: fton^=FBIUr.
С возрастанием коэффициента обратной связи уве личивается действие обратной связи, и она становится сильнее (большой) или более глубокой. Причем увели чивается чувствительность реагирования системы на. из менение регулируемой величины. Чувствительность та-
164
кой системы определяется в первую очередь общим ко эффициентом усиления, который при последовательном соединении нескольких элементов подсчитывается пере множением их коэффициентов усиления.
Процессы в отдельных элементах рассматриваемой системы (рис. 5-1 и 5-2) без учета инерционностей мож но описать следующими приближенными уравнениями: уравнением замыкания системы AF=F3— FBt где 7^= =&он£7г; уравнением усилителя с коэффициентом пере дачи (ky)Uy=kYAF\ уравнением цепи обмотки возбуж дения генератора ОВН с сопротивлением гв
IB= ~^-k2Uyz= ft2 ^ F^
где
и уравнениями управляемого объекта согласно (3-4)
U г = Ер — / ЯГя,г, |
__ |
где гя,г— сопротивление якоря генератора и согласно (4-21)
■Ер—k\IB—k\k2kyAF.
Исключив промежуточные переменные из приведен ных выше уравнений, установим связь между рассогла-
-сованием (ошибкой стабилизации) AF, требуемым зна чением регулируемой величины F3 и падением напряже ния /ягя,г:
АТ7= F3 |
koiiUr= F3 А;он(Ег |
/дГя>г)= |
|
|
г= .F3 |
k otfk J zJ tyb iF -|- ^оН^яГя, г» |
(5-2) |
||
откуда |
. р |
Fs+ А0Н/ягч,г |
|
|
|
|
(5-3) |
||
|
|
1+ 4>н * |
|
|
|
|
|
|
|
где k—k\k2ky — общий |
передаточный |
коэффициент ра |
||
зомкнутой системы усилитель — генератор.- Он |
опреде |
ляется расчетным или опытным путем, если разорвать отрицательную обратную связь по регулируемой вели чине (см. поз. 3 на рис. 5-1), тогда система регулиро вания окажется разомкнутой, причем входом для нее будет задающий элемент 5, а выходом — измеритель ный 1.
165
Йз (6-3) очевидно, что с помощью подбора величины k7 регулятора-усилителя установившуюся ошибку AF можно сделать сколь угодно малой и получить высокую точность регулирования. Однако увеличение коэффици ента сверх определенных пределов может привести к ухудшению работы системы в переходных режимах. Система становится неустойчивой, или возрастают дли тельность, переходного режима и величина перерегули рования (см. § 5-3).
Анализ уравнения (5-2) показывает, что отрицатель ная обратная связь по напряжению генератора (поз. 3 на рис. 5-1 и 5-2) состоит из двух составляющих: сиг налов отрицательной обратной связи по э. д. с. генера тора (&он£г) и положительной обратной связи по току якоря (&он/я/я,г) •Наличие второй составляющей приво дит к возрастанию 3. д. с. генератора при возрастании тока якоря. Следовательно, введение отрицательной об ратной связи по напряжению генератора увеличивает жесткость рабочего участка характеристики. На рис. 4-2 эта характеристика изображена штриховой линией /'.
Обратная связь может быть положительной, отрица тельной, жесткой, гибкой, линейной и нелинейной. На помним, что положительная. обратная связь действует согласно с входным воздействием (складывается), отри цательная — встречно (вычитается).
Если воздействие выходной величины непрерывно и пропорционально значению регулируемой, величины, т. е. х0|с=Явых, то обратная связь называется оюесткой и ли нейной. В схеме управления главными электропривода ми, например, экскаватора типа ЭКГ-4,6’ главная обрат ная связь — жесткая отрицательная и называется ли нейной, непрерывно действующей обратной связью по напряжению генератора.
Если |
воздействие |
выходной |
величины |
пропорцио |
|
нально |
скорости ее |
изменения, |
т. е. х 0>с= |
£>— |
, ’ то |
она называется гибкойкгде dxBUIJdt — отношение беско нечно малых величин выходного сигнала и времени. Сигнал гибкой обратной связи не зависит непосред ственно от выходной величины (как это имеет место при жесткой обратной связи), а зависит только от скорости ее изменения {dxBUxIdt). Поэтому гибкая обратная связь действует только в переходном режиме и исчеза ет в установившемся режиме работы системы. Гибкую
1G6
обратную связь иногда называют исчезающей, в то вре мя как жесткая обратная связь действует во всех режи мах работы системы.
Если воздействие выходной величины на вход начи нается только после достижения регулируемой величи ной определенного наперед заданного значения, то об ратная связь называется, связью с зоной нечувствитель ности или нелинейной. Примером такой обратной связи (4 на рис. 5-1 и 5-2) в схеме управления экскаватором типа ЭКГ-4,6 является нелинейная отрицательная токо вая обратная связь. Ее начало действия определяется
Рис.. 5-3. Структурная схема двухконтурной системы подчиненного регулирования автоматизированного электропривода экскаваторов.
напряжением сравнения Ucv независимого источника то ка, к которому она подключена через полупроводнико вые вентили, включенные определенным образом. Эта нелинейная' обратная связь по току нагрузки двигателя вступает в действие только тогда, когда ее напряжение UR (падение, напряжения на сопротивлении R при про
хождении тока /я) превысит |
напряжение сравнения |
Uср (см. датчик 2 на рис. 5-1 |
и 5-2). Затем она дейст |
вует как обычная жесткая отрицательная связь, ограни чивая ток нагрузки в главной цепи до предельного (сто порного) значения за счет резкого снижения напряже ния генератора вплоть до полной остановки двигателя. При стопорении двигателя м. д. с. FTтокоограиичивающей обмотки ОТ усилителя, действующая против м. д. с. Fa задающей обмотки, становится примерно равной по следней, а результирующая м. д. с. усилителя — нулю, что приводит в итоге к, уменьшению до нуля тока выхо да усилителя, а следовательно, и тока независимой об мотки возбуждения генератора ОВН. Такая нелннен-
167
|
|
|
|
пая |
обратная |
|
связь |
по |
||||
|
|
|
|
току |
часто |
|
называется |
|||||
|
|
|
|
отрицательной |
|
обратной |
||||||
|
|
|
|
связью по току с отсеч |
||||||||
|
|
|
|
кой (сокращенно токовой |
||||||||
|
|
|
|
отсечкой). |
|
|
|
с |
по |
|||
|
|
|
|
|
Таким образом, |
|||||||
|
|
|
|
мощью |
нелинейной |
отри |
||||||
|
|
|
|
цательной обратной свя |
||||||||
|
|
|
|
зи |
по |
|
току |
достигается |
||||
|
|
|
|
вторая |
задача |
автомати |
||||||
|
|
|
|
ческого |
регулирования |
|||||||
|
|
|
|
. электропривода |
экскава |
|||||||
|
|
|
|
тора — управления |
|
то |
||||||
|
|
|
|
ком якоря системы Г—Д. |
||||||||
|
|
|
|
|
Рассмотренная |
|
об |
|||||
|
|
|
|
ратная |
связь |
достигается |
||||||
-Рис. 5-4. Упрощенная принципи |
не |
только |
применением |
|||||||||
нелинейных |
|
элементов |
||||||||||
альная схема |
управления |
главны |
|
|||||||||
ми приводами |
по системе Г—Д |
(НЭ на |
рис. |
5-1 |
или |
по |
||||||
с критическим |
самовозбуждением |
тенциометрическая |
но |
от |
||||||||
генератора и подчиненным регули |
сечка |
на рис. |
5-2), |
и с |
||||||||
рованием |
параметров |
привода |
использованием |
нелиней |
||||||||
(Г—Д |
с СМУ и блоком БН). |
|||||||||||
|
|
|
|
ного |
участка |
характери |
стик элементов, содержащих магнитную цепь. Так, на пример, в качестве нелинейного элемента используются МУ (см. § 3-9), применяемые в некоторых системах уп равления, как обладающие ограниченным выходным напряжением (см. элементы PH и РТ на рис. 5-3 и 5-4). Нелинейные характеристики СМУ и ПМУ используются для формирования обратной связи с отсечками по току и напряжению (см. § 7-1, 7-4, 7-5).
5-2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ГЛАВНЫМИ ‘ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ
По своему построению все современные системы управления экскаваторными электроприводами подраз деляются в основном на два типа схем. П е р в ы й тип с хем представляет систему с одним регулятором — суммирующим усилителем (рис. 5-2), где все обратные связи заводятся на вход этого сумматора (см. § 5-1). Схема может быть одно- и двухкаскадной. Последняя не отличается принципиально от системьт с одним уси-
168
Лйтелем. В этом случае бее сигналы управления суМмйруются в промежуточном усилителе, на выход которого включена обмотка управления силового усилителя (маг нитного или электромашинного).
В т о р о й тип схем представляет систему с много контурным подчиненным регулированием (см. рис. 5-3). Отличительной особенностью схемы является последова тельное включение регуляторов* количество которых со ответствует количеству регулируемых величин электро привода. В данном случае имеются два регулятора — частоты вращения двигателя, точнее напряжения гене ратора PH, и тока якоря РТ. Выходное напряжение ре гулятора PH служит задающим сигналом для контроля регулирования тока РТ. Таким образом получается сис тема подчиненного регулирования. Кроме простоты синтеза и получения высокого качества регулирования, к достоинствам данной структуры относится возмож ность простыми средствами ограничить любую величину системы (в данном случае ограничение тока якорной цечи). Для этого достаточно ограничить предельное вы ходное напряжение регулятора частоты вращения, вы рабатывающего сигнал задания для регулятора тока. Это практически не требует дополнительных элементов, так как регулятор PH— магнитный усилитель — имеет нелинейную характеристику, т. е. зону насыщения (уча- ч сток 3 на рис. 3-21). До тех пор, пока результирующий сигнал хВх,рн (рис. 5-3) на входе регулятора PH, рав ный разности х3,рн — *он> создает режим работы МУ на его насыщенном участке характеристики (например, аб), напряжение выхода МУ—PH остается постоянным (* з ,р т = const). Цепь регулирования для контура II об ратной связи по напряжению благодаря магнитной от сечке как бы перестает действовать («размыкается»), регулируется только ток якоря /я, заданное значение ко торого х3,рт остается постоянным.
Результирующий сигнал х Вх,р т на входе регулятора РТ, равный разности ( х э,р т — *от)» управляет током якоря /я как система с обратной связью. Если этот ре гулятор работает в зоне насыщения, получается задер- •жанная обратная связь по току, после выхода из зоны насыщения результирующего сигнала на линейный уча сток вступает в действие обратная отрицательная связь по току, вызывая резкое ограничение тока якоря систе мы Г—Д.
169
Ёсли ни один из регуляторов не работает в зоне на сыщения, то осуществляется регулирование напряжения генератора UT (частоты вращения двигателя). При этом внутренний контур / (обратной связи по току) работает, но его работа подчинена задаче регулирования выход ной величины системы.
Применяется эта двухконтуриая схема подчиненного' регулирования в системе Г—Д с СМУ и ПМУ, в кото рых отрицательная обратная связь по току якоря посту пает на силовой, а по напряжению генератора на проме жуточный усилитель (рис. 5-4). Нелинейные характери стики силового и промежуточного усилителя используются для формирования обратных связей с от сечкамипо току и напряжению.
Кроме того, системы управления главными электро приводами экскаваторов по характеру воздействия об ратной отрицательной связи по току можно разделить на две группы: схемы с потенциометрической отсечкой
по току (один из вариантов которого описан в § 5-1) и схемы с непрерывной обратной связью по току (с маг нитной отсечкой) . Схемы с потенциометрической отсеч кой по току в различных вариантах применяются на большинстве серийно выпускаемых экскаваторов. В этих схемах применяется непрерывная отрицательная обратная связь по напряжению генератора.
В схемах с непрерывной отрицательной связью по току (с магнитной отсечкой) используются только маг нитные усилители. Такие схемы можно разделить на две группы: с МУ без узла отсечки по напряжению и' с МУ с узлами отсечки по напряжению. Схемы с маг нитной отсечкой по току благодаря простоте и надеж ности успешно используются при модернизации уста ревших схем и находят применение на новых экскава торах.
5-3. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЭКСКАВАТОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И ИХ ТИПОВЫЕ ЗВЕНЬЯ
Для исследования динамики системы автоматическо го регулирования САР составляются структурные схемы (рис. 5-5), показывающие, из каких динамических звеньев состоит система и как они соединены между со бой. На рис. 5-5,а и б показаны соответственно принци пиальные схемы, изображенные на рис. 5-2 и 5-4.
170