СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
METHOD FOR CONTROL OF DC ELECTRIC MOTOR EXCITATION FLUX

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тиристорных электроприводах постоянного тока с двухзонным регулированием скорости, работающих с ускорением поднагрузкой, в частности, в электроприводах клетей станов горячей и холодной прокатки.
6
Известен способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока, при котором задают величину уставки скорости вращения на регулятор скорости, измеряют скорость вращения электродвигателя и по результатам измерения формируют величину уставки тока на регулятор тока якоря, измеряют ток якоря электродвигателя и по результатам измерения формируют управляющее напряжение для управления напряжением электродвигателя, формируют задающее напряжение, измеряют выходное напряжение регулятора тока якоря, сравнивают его с задающим напряжением, формируют управляющее воздействие на контур регулирования тока возбуждения электродвигателя, измеряют ток возбуждения электродвигателя, задающее напряжение формируют пропорциональным номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя и подают его на регулятор выпрямленной ЭДС, сравнение выходного напряжения регулятора тока якоря ведут с задающим напряжением регулятора выпрямленной ЭДС, а управляющее воздействие на контур регулирования тока возбуждения электродвигателя формируют по результатам сравнения выходного напряжения регулятора выпрямленной ЭДС и измеренного тока возбуждения электродвигателя (см. Патент РФ № 2095931, МПК Н02Р 5/06).
Недостатком известного способа является необходимость поддержания значительного запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, питающего якорную цепь электродвигателя, выбираемого исходя из условия обеспечения безаварийной работы и требуемого качества регулирования скорости при работе электродвигателя в динамических режимах. Согласно способу осуществляется двухзонное зависимое регулирование скорости в функции выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. В соответствии с этим в установившемся режиме работы под нагрузкой в зоне ослабления потока возбуждения поддерживается заданное номинальное значение выпрямленной ЭДС. Однако в динамическом режиме разгона электропривода под нагрузкой возникает перерегулирование выпрямленной ЭДС. Это связано с тем, что быстродействие двухконтурной системы регулирования ЭДС по каналу обмотки возбуждения ниже быстродействия двухконтурной системы регулирования скорости по каналу якорной цепи. Следовательно, в указанном динамическом режиме нарастание выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в якорной цепи происходит значительно быстрее, чем автоматическое регулирование выпрямленной ЭДС, осуществляемое по каналу обмотки возбуждения. Поддержание значительного запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя приводит к снижению коэффициента мощности и ухудшению энергетических характеристик электропривода.
Э
1
T
CTmax
Э
Т
1
1
1
CTmax
a
а
7
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости в функции выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, по которому заданное значение выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, при достижении которого начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, устанавливают ниже номинального значения на величину (J/(k·T·)I), где L - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока. Т - постоянная времени контура тока,  - отношение постоянных времени контуров скорости и тока, k - коэффициент, k=1,4 и k=1,05 - для одно- и двукратноинтегрирующей систем автоматического регулирования скорости, соответственно, I - максимальный ток статической нагрузки, а при ударном приложении нагрузки это значение повышают до номинального уровня по апериодическому закону второго порядка преобразователя (см. патент РФ №2154892, МПК Н02Р 5/06).
Недостатком известного способа является то, что он не позволяет исключить перерегулирование выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в динамическом режиме разгона электропривода под нагрузкой. Такой режим характерен для электроприводов клетей станов горячей и холодной прокатки во время ускорения при наличии металла в валках клети. Перерегулирование выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя возникает в начальный момент ускорения электродвигателя вследствие дополнительного падения напряжения в индуктивном сопротивлении цепи выпрямленного тока. Величина перерегулирования составляет 15-18% номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. Для безаварийной отработки данного режима необходим дополнительный запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, также составляющий 15-18% номинальной выпрямленной ЭДС. Это приводит к увеличению потребления реактивной мощности и, как следствие, ухудшению энергетических характеристик электропривода и дополнительным потерям электрической энергии.
Технический результат предлагаемого изобретения - уменьшение запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя за счет исключения ее перерегулирования в динамическом режиме разгона электропривода под нагрузкой.
Э
1
T
CTmax
Э
Т
1
1
1
CTmax
0
3
0
T
a
а
a
2
Технический результат достигается тем, что в известном способе управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости в функции выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, по которому заданное значение выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя снижают на величину (L/(k·T·)I). где L - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока, Т - постоянная времени контура тока,  - отношение постоянных времени контуров скорости и тока, k - коэффициент, k=1,4 и k=1,05 - для одно- и двукратноинтегрирующей систем автоматического регулирования скорости, соответственно, I - максимальный ток статической нагрузки, согласно изобретению снижение заданного значения выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя осуществляют в момент t подачи сигнала на ускорение электропривода под нагрузкой, а после окончания времени переходного процесса тока электродвигателя, определяемого по зависимости t=t+·T, заданное значение выпрямленной ЭДС повышают до номинального уровня.
Отличительными признаками заявляемого способа являются:
- снижение заданного значения выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя при появлении сигнала на ускорение под нагрузкой;
3
0
Т
0
а
2
- повышение заданного значения выпрямленной ЭДС до номинального уровня после окончания заданного времени переходного процесса тока электродвигателя, определяемого по зависимости t=t+·Т, где t - момент подачи сигнала на ускорение электропривода под нагрузкой.
Данные отличительные признаки в опубликованных ранее технических решениях не обнаружены.
В заявляемом способе указанные отличительные признаки позволяют снизить значение выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в начальный момент ускорения электропривода под нагрузкой на величину, достаточную для отработки данного динамического режима без превышения выпрямленной ЭДС номинального значения (без перерегулирования), и одновременно обеспечить автоматическое поддержание выпрямленной ЭДС на заданном номинальном уровне при дальнейшем ускорении электропривода. В результате этого обеспечивается возможность уменьшения запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя при сохранении высоких динамических свойств и показателей надежности электропривода.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 представлена схема устройства, реализующего способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока;
на фиг.2 представлена схема логического элемента 7;
на фиг.3 представлены кривые переходных процессов задания скорости, скорости и тока электродвигателя, выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, максимальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (при нулевом угле управления) в режиме разгона под нагрузкой при применении заявляемого способа;
на фиг.4 - аналогичные зависимости по способу, принятому за прототип.
Устройство (фиг.1), реализующее заявляемый способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока, содержит регулятор 1 выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, в цепь обратной связи которого включен блок 2 ограничения. Первый вход регулятора 1 выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя подключен к выходу датчика 3 выпрямленной ЭДС, а второй - к выходу управляемого ключа 4, входы 5 и 6 которого соединены с выходами первого 7 и второго 8 источников задающего напряжения, соответственно. Управляющий вход управляемого ключа 4 соединен с выходом логического элемента 9, первый вход 10 которого предназначен для подключения сигнала задания на ускорение электродвигателя под нагрузкой, а второй вход 11 подключен к выходу таймера 12, соединенного своим входом с входом 10 логического элемента 9.
2
1
1
2
Логический элемент 9 (фиг.2) реализует функцию «ЗАПРЕТ ПО Х», соответствующую логическому уравнению Y=X&, где Х и Х - логические функции (1 либо 0) на входах 10 и 11, соответственно, а Y - выходная логическая функция. Остальные элементы, входящие в состав устройства (фиг.1), представляют собой общеизвестные в области электротехники блоки, которые могут быть выполнены с помощью элементов аналоговой блочной системы регуляторов (см. Перельмутер В.М., Сидоренко В.А. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока. - М.: Энергоатомиздат, 1988 - С.126-142), либо аппаратно-программным способом в структуре управляющих контроллеров (см. Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования. - М.: Солон-Пресс, 2008 - 256 с.).
0
d
d0
На фиг.3, фиг.4 представлены кривые переходных процессов скорости ω и ее задания ω, тока якоря i электродвигателя, выпрямленной ЭДС e тиристорного преобразователя, максимальной выпрямленной ЭДС e тиристорного преобразователя при нулевом угле управления.
1
2
1
3
Кривые (фиг.3, фиг.4) отражают качественную картину переходных процессов при ускорении электродвигателя под нагрузкой от начальной скорости ω до скорости ω в интервале времени t÷t. Переходные процессы соответствуют процессам в двухконтурной системе автоматического регулирования скорости при настройке на модульный оптимум.
Способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока осуществляют следующим образом.
1
0
2
dH
dH
В установившемся режиме работы под нагрузкой с установившимся током I (до момента t (фиг.3) подачи сигнала на ускорение электропривода под нагрузкой) сигнал «Ускорение под нагрузкой» на входе 10 логического элемента 9 (фиг.1) и сигнал 11 на выходе таймера 12 равны нулю. В соответствии с логической функцией «ЗАПРЕТ ПО Х», выходной сигнал логического элемента 9, подаваемый на управляющий вход управляемого ключа 4, равен нулю. Контакт управляемого ключа 4 находится в положении, при котором замкнут вход 5, соответственно на вход регулятора 1 выпрямленной ЭДС с выхода первого источника 7 задающего напряжения подается сигнал, пропорциональный номинальной выпрямленной ЭДС E. Таким образом, до начала разгона электропривода обеспечивается автоматическое поддержание выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя на номинальном уровне E.
d1
dH
Э
1
T
CTmax
0
1
d
d1
0
3
0
Т
2
dH
d
1
2
dH
d
а
a
2
При появлении сигнала «Ускорение под нагрузкой» на входе 10 логического блока 9 сигнал на его выходе становится равным единице и контакт управляемого ключа 4 переключается на вход 6. Соответственно на вход регулятора 1 выпрямленной ЭДС с выхода второго источника 8 задающего напряжения подается сигнал E=E-(L/k·T·)I). Входной сигнал регулятора 1 выпрямленной ЭДС уменьшается на величину динамического перерегулирования выпрямленной ЭДС в начале разгона. В результате в промежутке времени t÷t (фиг.3) выпрямленная ЭДС e тиристорного преобразователя снижается до уровня E. Одновременно в момент времени t подается сигнал на включение таймера 12, который по окончании заданного времени отсчета, определяемого по зависимости t=t+·Т, подает сигнал на вход 11 логического блока 9. В соответствии с логической функцией «ЗАПРЕТ ПО X» сигнал на выходе блока 9 становится равным нулю, контакт управляемого ключа 4 переключается на вход 5, и на вход регулятора 1 выпрямленной ЭДС подается сигнал E, соответствующий номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. Выпрямленная ЭДС e в интервале времени t÷t (фиг.3) повышается до номинального уровня E. Таким образом, в заявляемом способе обеспечивается переходный процесс выпрямленной ЭДС e тиристорного преобразователя без превышения номинального значения.
dmax
dmax
dH
d0(1)
d
Э
1
T
CTmax
d0(1)
a
Максимальная выпрямленная ЭДС E (фиг.3) за весь период ускорения электродвигателя под нагрузкой не превышает номинального значения (E=E). Это позволяет уменьшить выпрямленную ЭДС тиристорного преобразователя при нулевом угле управления E на величину ΔE=L/(k·T·)I максимального перерегулирования в начальный момент ускорения под нагрузкой, составляющую 15-18% номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. Запас выпрямленной ЭДС ΔE снижается на ту же величину, т.е. до минимально возможного значения, которое определяется составляющими на отклонения напряжения сети (до 10%) и безопасное инвертирование реверсивного тиристорного преобразователя (25% номинальной выпрямленной ЭДС).
0
0
1
3
0
T
3
а
2
При настройке двухконтурной системы автоматического регулирования скорости на модульный оптимум реальная кривая скорости ω отстает от кривой задания ω. Длительность промежутка времени t÷t (фиг.3) зависит от момента инерции электропривода и при принятой настройке определяется по зависимости t=t+·T. Это время является заданным временем t отсчета таймера 12 и для электроприводов клетей прокатных станов, имеющих значительные массы валков, механически соединенных с валом электродвигателя (и соответственно большие моменты инерции), составляет 0,5÷1 с. Этого времени достаточно для осуществления регулирования выпрямленной ЭДС по цепи возбуждения, т.е. для осуществления заявляемого способа.
1
1
2
dmax
dH
d0(2)
При осуществлении способа управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока, принятого за прототип, в момент времени t (фиг.4), соответствующий началу ускорения электродвигателя, возникает динамическое превышение (перерегулирование) выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (интервал времени t÷t на фиг.4). Величина этого перерегулирования составляет 15-18% номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, соответственно максимальное значение выпрямленной ЭДС E=(1,15÷1,18)E. В связи с этим величина запаса выпрямленной ЭДС ΔE, необходимого для безаварийной отработки данного динамического режима, превышает запас выпрямленной ЭДС в заявляемой системе на 15-18%. Это приводит к дополнительным потерям электрической энергии, связанным с потреблением реактивной мощности.
При осуществлении заявляемого способа обеспечивается минимально возможный запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, что обеспечивает высокий коэффициент мощности в установившемся режиме работы под нагрузкой и соответственно снижение потерь электрической энергии, связанных с потреблением реактивной мощности.