СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ С ДВУХЗОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ, ПОСТРОЕННАЯ ПО ПРИНЦИПУ ПОДЧИНЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ

Полезная модель относится к электромеханическим системам, и в частности, к системам стабилизации скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения, построенным по принципу подчиненного регулирования параметров и может быть использована для повышения точности поддержании скорости двигателя, как в статических, так и динамических режимах работы при одновременном расширении функциональных возможностей системы.
Известны (1) системы стабилизации скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения, построенные по принципу подчиненного регулирования параметров. Система содержит функционально необходимые блоки: задающее устройство, регулятор скорости, регулятор тока, тиристорный преобразователь, апериодическое звено якорной цепи электродвигателя постоянного тока, интегрирующее звено представляющее механическую часть электропривода, датчик якорного тока, датчик скорости. Недостатком этой системы является то, что она построена без учета обратной связи по противоэ.д.с. двигателя, что ограничивает точность поддержания скорости электропривода, как в статических, так и динамических режимах. Кроме того, система построенная по этому принципу имеет ограниченные функциональные возможности, поскольку используется однозонное регулирование скорости электродвигателя и.следовательно, ограниченный диапазон регулирования скорости.
Известен патент на полезную модель (2) «Система автоматического регулирования скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения построенная по принципу подчиненного регулирования параметров» RU 103258 U1. авторов: Варнаков О.В. (RU), Кузнецов П.К. (RU), Леушин В.Б. (RU), Макаровский Л..Я. (RU), Сандлер И.Л. (RU), Стариков A.B. (RU), который принят авторами за прототип, поскольку он наиболее близок к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту. Система содержит задающее устройство, два устройства сравнения, регулятор скорости, регулятор тока, тиристорный преобразователь, звено якорной цепи двигателя, звено механической части двигателя, апериодическое звено, интегратор, три операционных усилителя, датчик тока двигателя, вал которого сочленен с датчиком скорости двигателя, выход которого подключен ко второму входу первого устройства сравнения, первый вход которого соединен с задающим устройством, выход первого устройства сравнения связан со входом регулятора скорости, выход которого подключен к первому входу второго устройства сравнения, второй вход которого подсоединен к выходу датчика тока, вход которого соединен с выходом звена якорной цепи двигателя, выход второго устройства сравнения подключен ко входу регулятора тока, выход звена якорного тока связан со входом механической части двигателя, выходом которого является скорость двигателя, выход тиристорного преобразователя подключен ко входу звена якорной цепи двигателя, вход первого операционного усилителя с единичным коэффициентом усиления связан с выходом регулятора тока, выход первого, операционного усилителя соединен с первым входом второго операционного усилителя, выход которого подключен ко входу тиристорного преобразователя, выход регулятора тока через интегратор с постоянной времени равной механической постоянной времени двигателя подсоединен ко входу апериодического звена с постоянной времени равной электромагнитной постоянной времени, а выход через третий операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления подключен ко второму входу второго операционного усилителя. Решая задачу повышения точности поддержании скорости двигателя, как в статических, так и динамических режимах система имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что она имеет ограниченные диапазон регулировании скорости и функциональные возможности, поскольку скоростной режим двигателя обеспечивается только за счет регулирования якорного напряжения при постоянстве магнитного потока машины (однозонное регулирование). Для увеличения диапазона регулирования скорости, а следовательно, и расширения функциональных возможностей системы целесообразно применять двухзонное управление - регулирование якорного напряжения в первой зоне до номинального значения при постоянстве магнитного потока машины, регулирование магнитного потока машины (уменьшение от номинального значения) при постоянстве якорного напряжения во второй зоне.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей при одновременном увеличении диапазона регулировании скорости.
Технический результат достигается тем, что в систему автоматического регулировании скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения построенной по принципу подчиненного регулирования параметров со скоростным и токовым контурами дополнительно введены задающее устройство противоэдс двигателя, регулятор эдс двигателя, два устройства сравнения, регулятор тока возбуждения двигателя, тиристорный возбудитель, звено учета вихревых токов возбуждения, звено связи магнитного потока двигателя с током возбуждения, датчики тока возбуждения и эдс двигателя, блок вычисления противоэдс в составе масштабируемого усилителя и устройства умножения, на первый вход которого подается сигнал пропорциональный частоте вращения двигателя, второй вход которого через звено связи магнитного потока с током возбуждения подключен к выходу звена учета вихревых токов возбуждения, а выход устройства умножения через масштабирующий усилитель подключен ко входу датчика эдс двигателя, выход датчика эдс подсоединен ко второму входу второго задающего устройства, первый вход которого соединен с задающим устройством противоэдс двигателя, выход первого устройства сравнения соединен со входом регулятора эдс, выход которого соединен с первым входом второго устройства сравнения, выход которого через регулятор тока возбуждения подключен ко входу тиристорного возбудителя, выход которого через звено учета вихревых токов возбуждения подключен ко входу звена связи магнитного потока двигателя с током возбуждения, выход звена учета вихревых токов связан со входом датчика тока возбуждения, выход которого подключен ко второму входу второго устройства сравнения.
РС
РТ
ВП
ВП
Я
Я
β
С
М
С
Я
С
М
ДТ
ДС
М
Я
На фиг.1. представлена система автоматического регулирования скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения с двухзонным управлением построенная по принципу подчиненного регулировании параметров, обозначения на которой соответствуют: 1 - первое устройство сравнения; 2 - регулятор скорости описываемый передаточной функцией W(p); 3 - второе устройство сравнения; 4 - регулятор тока описываемый передаточной функцией W(p); 5 - тиристорный преобразователь, описываемый передаточной функцией , где К - коэффициент усиления тиристорного преобразователя, Т - постоянная времени тиристорного преобразователя; 6 - якорная цепь двигателя с передаточной функцией где R - активное сопротивление якоря двигателя, Т - электромагнитная постоянная времени двигателя; 7 - механическая часть двигателя: левая часть звена представляет произведение сопротивления якоря на коэффициент передачи двигателя  где, R - активное сопротивление якоря двигателя, К - конструктивная постоянная, Ф - магнитный поток двигателя, правая половина - интегрирующее звено с постоянной времени равной механической постоянной  где, T - механическая постоянная времени двигателя; 8 - звено связи частоты вращения ω(t) и момента двигателя Δ М (р), описываемый передаточной функцией  где, R - активное сопротивление якоря двигателя, К - конструктивная постоянная, Ф - магнитный поток двигателя, Т - механическая постоянная времени двигателя; 9 - датчик якорного тока двигателя W(р); 10 - датчик скорости W(p); 11 - аппаратный комплекс компенсации противоэдс двигателя в составе: 12 - первый операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления, 13 - интегратор с постоянной времени равной механической постоянной времени Т двигателя, 14 - апериодическое звено с постоянной времени равной электромагнитной Т двигателя, 15 - третий операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления, 16 - второй операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления; 17 - сумматор;
РЭ
РТВ
СПВ
СПВ
ВТ
В
В
В
ВТ
ДТВ
ДЭ
18 - устройство умножения частоты вращения ω и магнитного потока Ф; 19 - масштабирующий усилитель; 20 - первое устройство сравнения контура регулирования потока возбуждения двигателя; 21 - регулятор ЭДС двигателя, описываемый передаточной функцией W(р); 22 - второе устройство сравнения контура регулирования потока возбуждении двигателя; 23 - регулятор тока возбуждения двигателя описываемый передаточной функцией W(p); 24 - тиристорный возбудитель, описываемый передаточной функцией  где, К - коэффициент усиления тиристорного возбудителя, T - постоянная времени тиристорного возбудителя, эквивалентная его чистому запаздыванию, принимаемому равному полупериоду питающего напряжения; 25 - звено учета вихревых токов возбуждения, описываемый передаточной функцией  где, Т - эквивалентная постоянная времени учитывает влияние вихревых токов, наводимых в магнитопроводе двигателя, T - постоянная времени цепи возбуждения, R - активное сопротивление цепи возбуждения; 26 - звено связи магнитного потока двигателя с током возбуждения, описываемый передаточной функцией  где, К - коэффициент передачи двигателя, T - эквивалентная постоянная времени учитывает влияние вихревых токов, наводимых в магнитопроводе двигателя; 27 - датчик тока возбуждения, описываемый передаточной функцией W(p); 28 - датчик ЭДС двигателя W(р).
Выход датчика скорости двигателя 10 подключен ко второму входу первого устройства сравнения 1, первый вход которого соединен с задающим устройством, выход первого устройства сравнения 1 связан со входом регулятора скорости 2. Выход звена 2 подключен к первому входу второго устройства сравнения 3, второй вход которого подсоединен к выходу датчика тока 9, вход которого соединен с выходом звена якорной цепи двигателя 6. Выход второго устройства сравнения 3 подключен ко входу регулятора тока 4, выход которого связан с первым входом операционного усилителя 12 с единичным коэффициентом усиления. Выход первого операционного усилителя 12 соединен с первым входом второго операционного усилителя 16, выход которого подключен ко входу тиристорного преобразователя 5. Выход регулятора тока 4 через интегратор 13 с постоянной времени равной механической постоянной времени двигателя подсоединен ко входу апериодического звена 14 с постоянной времени равной электромагнитной постоянной времени, а выход 14 через третий операционный усилитель 15 с единичным коэффициентом усиления подключен ко второму входу второго операционного усилителя 16. Выход 16 соединен со входом тиристорного преобразователя 5, к выходу которого подключена якорная цепь двигателя 6, выход которого связан со входом механической части двигателя 7, выходом которого является скорость двигателя. Выход звена 7 соединен с первым входом сумматора 17, второй вход которого соединен со звеном связи частоты вращения ω(t) и момента двигателя 8. Выход сумматора 17 связан с первым входом устройства умножения 18, который умножает частоту вращения двигателя на его магнитный поток. Второй вход 18 связан со звеном 26 связи магнитного потока двигателя с током возбуждения. Выход устройства умножения 18 связан с масштабирующим усилителем 19, выход которого связан со звеном 28 датчика ЭДС двигателя. Выход звена 28 связан со вторым входом первого устройства сравнения контура регулирования потока возбуждения двигателя 20, первый вход которого соединен с задающим устройством противоэдс двигателя. Выход первого устройства сравнения контура регулирования потока возбуждения двигателя 20 связан с входом регулятора ЭДС двигателя 21, выход которого связан с первым входом второго устройства сравнения контура регулирования потока возбуждении двигателя 22. Второй вход 22 соединен с датчиком тока возбуждения 27, вход которого соединен с выходом звена 25 учета вихревых токов возбуждения. Выход второго устройства сравнения контура регулирования потока возбуждении двигателя 22 связан со звеном 23 - регулятора тока возбуждения двигателя. Выход звена 23 связан с входом звена 24 тиристорного возбудителя, выход которого связан со входом звена 25 учета вихревых токов возбуждения. Выход звена учета вихревых токов возбуждения 25 связан с входом звена 26 связи магнитного потока двигателя с током возбуждения. Выход звена 26 связан со вторым входом звена 7 механической части двигателя.
Я
Контур тока является внутренним контуром (Фиг.1), подчиненным скоростному контуру системы подчиненного регулирования и выполнен с отрицательной обратной связью по току. Он состоит из блока 3 второго устройства сравнения, блока 4 регулятора тока, блока 11 аппаратного комплекса компенсации противоэдс двигателя, блока 5 тиристорного преобразователя, блока 6 якорной цепи двигателя и блока 9 датчика якорного тока двигателя. Контур тока настраивается на модульный (технический) оптимум (МО) и компенсирует электромагнитную постоянную времени Т. Регулятор тока при данной настройке является пропорционально-интегральным регулятором (ПИ), и имеет передаточную функцию:
ДТ
ДС
Малая постоянная времени токового контура определяется , где Т - постоянная времени датчика тока, Т - постоянная времени датчика скорости.
С
ДТ
ДС
µ
м
Контур регулирования скорости является внешним по отношение к контуру регулирования тока, т.е. система относится к системам с подчиненным регулированием координат. Скоростной контур с в составе: блока 1 первого устройства сравнения, блока 2 регулятора скорости, внутреннего токового контура, блока 7 механической части двигателя, блока 17 сумматора, блока 8 звена связи частоты вращения ω(t) и момента двигателя Δ М(р) и блока 10 датчика скорости. Скоростной контур настраивается на модульный (технический) оптимум или на симметричный оптимум (СО). В результате настройки скоростного контура на ОМ регулятор скорости будет пропорционального типа (П - регулятор). Передаточная функция регулятора скорости  где К, К соответственно коэффициенты передачи датчика тока и датчика скорости. Показатели качества управления при настройке на ОМ: время переходного процесса по управляющему воздействию(УВ) составляет 4,1 Т при перерегулировании равным σ=4,3%, запас по фазе 74º. Такая настройка обеспечивает мягкий переходный процесс по УВ, однако статическая ошибка (ВВ) системы зависит от соотношения большой постоянной времени (электромеханической постоянной времени) T, к малой постоянной времени скоростного контура равной , которая определяется суммой
µ
Возможна настройка контура скорости на симметричный оптимум (СО), которая обеспечивает показатели переходного процесса: перерегулирование составляет σ=43,3%, время переходных процессов по УВ составляет 2,9 Т, причем по ВВ имеем ничтожно малую ошибку, запас по фазе 37º Величину перерегулирования σ можно снизить и довести до регламентируемой величины σ=20% включением на входе системы апериодического звена (задатчик интенсивности). В результате синтеза скоростного контура настроенного на СО регулятор скорости будет пропорционально - интегрального типа (ПИ), имеющий передаточную функцию:  где
Контур регулирования тока возбуждения является внутренним контуром по отношению к контуру регулирования ЭДС. В состав контура тока возбуждения входят: блок 20, блок 21 - регулятор ЭДС, блок 22 - второе устройство сравнения контура регулирования потока возбуждении двигателя, блок 23 - регулятор тока возбуждения двигателя, блок 24 тиристорный возбудитель, блок 25 - звено учета вихревых токов возбуждения, звено связи магнитного потока двигателя с током возбуждения, блок 27 - датчик тока возбуждения, датчик ЭДС двигателя 28. В результате настройки регулятора тока возбуждения на модульный (технический) оптимум имеем пропорциональный интегральный регулятор (ПИ), причем его передаточная функция будет:
СПВ
ДТВ
В
ВТ
где,  причем, малая постоянная времени контура возбуждения  определяется суммой постоянных времени Т тиристорного возбудителя и T постоянной времени датчика тока возбуждения: .. Выходное напряжение регулятора ЭДС является задающим воздействием для контура регулирования тока возбуждения. Регулятор тока возбуждения служит для компенсации постоянной времени обмотки возбуждения Т и постоянной времени вихревых токов Т.
В
Н
Н
Н
ВХ
ЗЭ
ВХ
Контур регулирования ЭДС состоит из блоков: блок 20 - первое устройства сравнения контура регулирования потока возбуждения двигателя, блока 21 - регулятора ЭДС двигателя, замкнутого контура тока возбуждения двигателя, блока 26 звена связи магнитного потока Ф двигателя с током возбуждения I, 28 - датчика ЭДС двигателя. Контур предназначен для реализации зависимого управления. Пока ЭДС двигателя не достигнет номинального значения (номинальная скорость машины), поток машины держится на номинальном значении Ф напряжение на входе регулятора ЭДС значительно превышает сигнал обратной связи по ЭДС, и на выходе регулятора ЭДС устанавливается постоянный сигнал задания регулятору тока возбуждения, соответствующий номинальному току возбуждения. При этом контур регулирования ЭДС разомкнут, а контур регулирования тока возбуждения обеспечивает поддержание номинальной величины магнитного потока Ф. Разгон двигателя производится под контролем контура скорости и контура якорного тока с управлением напряжением цепи якоря при постоянном магнитном потоке Ф. По мере разгона двигателя (скорость возрастает) ЭДС достигает номинальной величины, сигналы U и U уравниваются, и замыкается контур регулирования ЭДС по цепи возбуждения. При этом в соответствии с величиной входного задания U скоростной контур будет стремиться к дальнейшему росту скорости, и ЭДС за счет повышения напряжения на якоре двигателя тоже начинает расти, но система регулирования ЭДС в составе второй СПР (контур регулирование ЭДС в составе контура регулирования тока возбуждения) будет поддерживать ее на номинальном уровне, снижая задание контуру регулирования тока возбуждения и уменьшая поток возбуждения, что приводит к возрастанию скорости обратно пропорционально магнитному потоку Ф. В итоге в установившемся режиме двигатель будет работать при номинальной величине ЭДС с заданной скоростью и с соответствующим этой скорости значением ослабленного потока возбуждения. В итоге, при разгоне двигателя вначале первая СПР увеличивает напряжение на якоре при номинальном токе возбуждения, а затем дальнейший рост скорости автоматически во второй СПР ослаблением поля при номинальной величине ЭДС, в зависимости, от величины которой и производится управление полем.
Используемая информация
1. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат, 1982., стр.64-72
2. Патент на полезную модель RU 103258 U1. Система автоматического регулирования скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения, построенная по принципу подчиненного регулировании параметров. Авторы: Варнаков О.В. (RU), Кузнецов П.К. (RU), Леушин В.Б. (RU), Макаровский Л..Я. (RU), Сандлер И.Л. (RU), Стариков A.B.(RU).