СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА В СИСТЕМЕ ДВУХЗОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ
METHOD FOR CONTROL OF DC ELECTRIC MOTOR EXCITATION FLUX WITHIN DUAL-ZONE SPEED REGULATION SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тиристорных электроприводах постоянного тока с двухзонным регулированием скорости, работающих с ударным изменением нагрузки, преимущественно в электроприводах широкополосных станов горячей прокатки.
Известен способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости, описанный в работе устройства для управления возбуждением электродвигателя постоянного тока, согласно которому заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, при достижении которого начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, устанавливают ниже номинального значения, при ударном приложении нагрузки в режиме ослабления потока возбуждения заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, повышают до номинального уровня по апериодическому закону первого порядка, при этом в качестве параметра, регулируемого по цепи возбуждения, принимают ЭДС электродвигателя (см. авт. св. СССР №892634, Н02Р 5/06).
Недостатком известного способа является низкая надежность электропривода из-за невозможности исключения перерегулирования выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя при отработке ударного приложения нагрузки.
Кроме того, известный способ не позволяет стабилизировать выпрямленную ЭДС тиристорного преобразователя при увеличении тока нагрузки выше номинального значения, которое для рассматриваемого класса электроприводов происходит в режиме разгона электродвигателя под нагрузкой при прокатке с ускорением. Величина тока в данном режиме достигает полутора-двух номинальных значений, что приводит к значительному увеличению выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, следовательно, требует увеличения запаса выпрямленной ЭДС. Реальная величина запаса выпрямленной ЭДС, устанавливаемая с учетом ее перерегулирования в динамических режимах и увеличения тока нагрузки выше номинального значения, в электроприводах прокатных станов составляет 16-22%, что приводит к увеличению потребления реактивной мощности и, как следствие, ухудшению энергетических характеристик электропривода.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости, по которому заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, устанавливают ниже номинального значения на величину, определяемую по зависимости:
Э
Т
1
1
1
CT max
a
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; и при достижении заданного значения параметра, регулируемого по цепи возбуждения, начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, а при ударном приложении нагрузки указанное значение повышают до номинального уровня по апериодическому закону второго порядка. Причем в качестве параметра, регулируемого по цепи возбуждения, принимают выпрямленную ЭДС тиристорного преобразователя (см. пат. РФ №2154892, Н02Р 5/06).
Недостатком известного способа является низкая надежность электропривода вследствие превышения током возбуждения электродвигателя своего номинального значения (перевозбуждение электродвигателя) в диапазоне скоростей, близких к номинальному уровню, при токах нагрузки электропривода ниже номинального.
Поддержание выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя на номинальном уровне независимо от величины тока статической нагрузки электродвигателя приводит к тому, что при малых токах нагрузки возникает значительное усиление потока возбуждения. В соответствии с уравнением равновесия якорной цепи:
Э
Н
Н
Н
dН
СТН
dН
Н
СТ Н
Э
СТ Н
СТ Н
Э
dН
где: R - эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока, Ф - номинальный поток возбуждения, k - конструктивная постоянная электродвигателя, ω - номинальная угловая частота вращения электродвигателя, Е - номинальное значение ЭДС электродвигателя, Е - номинальное значение ЭДС тиристорного преобразователя, I - номинальный ток статической нагрузки; номинальное значение выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (Е) превышает номинальную ЭДС двигателя (Е) на величину падения напряжения в цепи выпрямленного тока (IR) при номинальном токе статической нагрузки (I). Величина падения напряжения (IR) составляет 10-12% номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (E).
dН
Н
В случае если ударное приложение нагрузки происходит при скорости, близкой к номинальной, что соответствует работе в режиме ослабления потока возбуждения менее чем на 10-12%, то поддержание выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (Е) на номинальном уровне может быть обеспечено только за счет повышения ЭДС электродвигателя (соответственно на 10-12%). Увеличение ЭДС произойдет за счет усиления потока возбуждения Ф на 10-12% относительно номинального значения Ф. Номинальный поток возбуждения обеспечивается в рабочей точке кривой намагничивания, близкой к режиму насыщения (рабочая точка находится на "колене" кривой намагничивания). Поэтому усиление потока возбуждения на 10-12% приведет к увеличению тока возбуждения выше номинального в 1,4-1,7 раза, что недопустимо.
Н
Рассмотренный режим перевозбуждения электродвигателя будет возникать при токах статической нагрузки ниже номинального, в диапазоне рабочих скоростей, близких к номинальному уровню (не превышающих ω на 10-12%). Поскольку электроприводы прокатных станов работают в широком диапазоне изменения нагрузки, в различных скоростных режимах, реализация рассмотренного известного способа управления потоком возбуждения для этого класса электроприводов нецелесообразна.
СТ
Н
dН
Я
Снижение надежности электропривода в известном способе происходит также вследствие перенапряжения на якоре электродвигателя при токах нагрузки, не превышающих номинального уровня. Напряжение на якоре в установившемся режиме работы под нагрузкой превышает ЭДС электродвигателя на величину падения напряжения на сопротивлении якорной цепи электродвигателя. В режиме холостого хода при I≈(0,1÷0,3)I равенство ЭДС электродвигателя Е выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (Е) приведет к превышению напряжением на якоре U своего номинального значения и, как следствие, к ухудшению условий коммутации на коллекторе и соответственно к снижению надежности электропривода.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в формировании минимального запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя путем исключения ее перерегулирования в режиме ударного приложения нагрузки и стабилизации ее на заданном уровне при увеличении тока нагрузки выше номинального.
Э
1
Т
СТ max
Э
Т
1
1
1
СТ max
a
а
Поставленная задача решается тем, что в известном способе управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости, по которому заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, устанавливают ниже номинального значения на величину, определяемую по зависимости: (L/(k·T·)I), где L - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока, T - 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; и при достижении заданного значения параметра, регулируемого по цепи возбуждения, начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, а при ударном приложении нагрузки указанное значение повышают до номинального уровня по апериодическому закону второго порядка, отличающийся тем, что дополнительно сравнивают ЭДС тиристорного преобразователя с его номинальным значением и при превышении указанного значения осуществляют пропорциональное снижение заданного значения параметра, регулируемого по цепи возбуждения, в качестве которого принимают ЭДС электродвигателя.
Технический результат заключается в повышении надежности электропривода за счет исключения режима перевозбуждения электродвигателя и улучшения условий коммутации при сохранении высоких энергетических характеристик.
Использование ЭДС электродвигателя в качестве параметра, регулируемого по цепи возбуждения, известно и широко применяется в тиристорных электроприводах прокатных станов (см. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд., 1982. - С.64-70).
Как в известном, так и в заявляемом объекте указанный параметр предназначен для задания начала второй зоны регулирования скорости в тиристорных электроприводах постоянного тока за счет ослабления потока возбуждения электродвигателя.
Отличительный признак, заключающийся в снижении ЭДС электродвигателя пропорционально превышению выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя своего номинального значения, в известных технических решениях не обнаружен.
В заявляемом способе совокупность заявленных отличительных признаков позволяет ограничить ток возбуждения электродвигателя на номинальном уровне, т.е. исключить режим перевозбуждения электродвигателя, а также обеспечить повышение коммутационной устойчивости электродвигателя за счет исключения перенапряжения на якоре. Это позволит повысить надежность электропривода при поддержании высоких энергетических характеристик, обеспечиваемых за счет автоматического формирования минимального запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлена схема устройства, реализующая способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости;
- на фиг.2 представлены кривые переходных процессов тока электродвигателя, выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, ЭДС электродвигателя, максимальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (при нулевом угле управления), тока возбуждения электродвигателя в режиме изменения нагрузки при применении заявляемого способа;
- на фиг.3 представлены кривые переходных процессов тока электродвигателя, выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, ЭДС электродвигателя, максимальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (при нулевом угле управления), тока возбуждения электродвигателя в режиме изменения нагрузки при применении способа, взятого за прототип;
- на фиг.4 представлена кривая намагничивания электродвигателя независимого возбуждения, поясняющая взаимосвязь тока и потока возбуждения.
Устройство, реализующее заявляемый способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости, содержит регулятор ЭДС 1 (фиг.1), в цепь обратной связи которого включен первый блок ограничения 2. Первый вход регулятора ЭДС 1 подключен к выходу первого источника задающего напряжения 3, второй вход - к выходу нелинейного элемента 4, третий вход подключен к выходу функционального преобразователя 5, а четвертый - к выходу датчика ЭДС 6 электродвигателя. Первый вход нелинейного элемента 4 соединен с выходом второго источника задающего напряжения 7, а второй - с выходом датчика выпрямленной ЭДС 8 тиристорного преобразователя. Первый вход функционального преобразователя 5 через управляемый ключ 9 соединен с его выходом, второй его вход соединен с выходом первого источника задающего напряжения 3, а третий - с выходом третьего источника напряжения 10. Управляющий вход управляемого ключа 9 соединен с выходом датчика статического тока 11.
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).
1
2
СТ1
СТ2
СТ1
Н
СТ2
Н
1
2
d1
d2
d0
В1
В2
На фиг.2 и фиг.3 представлены кривые переходных процессов токов I, I якоря электродвигателя, соответствующие различным по величине значениям статических токов нагрузки I, I в установившихся режимах: I равен номинальному току I; I=0,5I (индексы "1" и "2" в обозначениях соответствуют процессам при указанных токах). Представлены кривые ЭДС электродвигателя Е, Е, выпрямленных ЭДС тиристорного преобразователя E, E, максимальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя при нулевом угле управления E и токов возбуждения I, I электродвигателя. Индексами "н" и "max" обозначены соответственно номинальные и максимальные значения параметров, индекс "ст" соответствует установившимся значениям параметров в статическом режиме.
На фиг.4 представлена кривая намагничивания, характерная для мощных электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения. Координаты кривой указаны в относительных единицах, за базисные значения приняты номинальные поток возбуждения и соответственно ток возбуждения электродвигателя.
1
3
4
Кривые, представленные на фиг.2 и фиг.3, отражают качественную картину переходных процессов при ударном приложении нагрузки, происходящем в момент времени t. Предполагается, что момент статической нагрузки изменяется скачком, переходные процессы соответствуют процессам в двухконтурной системе автоматического регулирования скорости при настройке на модульный оптимум. Кроме того, показаны процессы при плавном увеличении нагрузки в интервале времени t-t.
Способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости осуществляют следующим образом.
0
0
Управляющий вход управляемого ключа 9, включенного в цепь обратной связи функционального преобразователя 5, соединен с выходом датчика статического тока 11. При равенстве нулю сигнала на выходе датчика статического тока 11 ключ 9 замкнут и шунтирует выход функционального преобразователя 5. На входы регулятора ЭДС 1 подаются сигнал задания E с выхода первого источника 3 задающего напряжения и сигнал обратной связи с выхода датчика ЭДС 6. Благодаря включению первого блока ограничения 2 величина ЭДС электродвигателя в режиме работы без нагрузки устанавливается ниже номинальной в соответствии с заданием E, определяемым по зависимости:
Н
0
Н
Н
0
где E - номинальная выпрямленная ЭДС электродвигателя. Остальные обозначения соответствуют параметрам, представленным в зависимости (1). Это обеспечивает необходимый запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в динамическом режиме при ударном приложении нагрузки. На входы функционального преобразователя 5 с выходов соответственно первого 3 и третьего 10 источников задающего напряжения подаются сигналы E и E. Суммарный сигнал на входах функционального преобразователя 5 равен разности E-E.
Н
0
В момент ударного приложения нагрузки появляется сигнал на выходе датчика статического тока 11 и управляемый ключ 9 размыкается. В результате этого изменяется суммарный сигнал задания на входе регулятора ЭДС 1 и ЭДС электродвигателя повышается до номинального уровня E по апериодическому закону второго порядка. При исчезновении сигнала на выходе датчика статического тока управляемый ключ 9 замыкается и суммарный сигнал задания на входах регулятора ЭДС 1 вновь устанавливается равным заданию E.
0
Н
d
dН
d
dН
d
d
dН
d
dН
Н
При установке задания ЭДС E в соответствии с зависимостью (3) и его увеличении до номинального уровня E по апериодическому закону второго порядка переходный процесс выпрямленной ЭДС E тиристорного преобразователя при ударном приложении нагрузки протекает без превышения номинального значения E при любом быстродействии контура регулирования ЭДС. Сигнал ΔE=E-E на выходе нелинейного элемента 4, при E<E, равен нулю. Блок ограничения 2 регулятора ЭДС 1 электродвигателя настраивают таким образом, что при E>E сигнал на выходе регулятора ЭДС 1 ограничивается на номинальном уровне Е=Е.
d
dН
Н
d
d
dН
d
dН
Н
Н
При превышении выпрямленной ЭДС E тиристорного преобразователя своего номинального значения E, что происходит при увеличении тока нагрузки I выше номинального значения I, сигнал ΔE на входе нелинейного элемента 4 становится отрицательным, т.к. выпрямленная ЭДС тиристорного преобразователя превышает номинальное значение E>E. Нелинейный элемент 4 имеет характеристику (зависимость выходного напряжения от входного), показанную на фиг.1. Как видно из характеристики, при отрицательном входном сигнале на входе, на выходе нелинейного элемента 4 появляется положительный сигнал. Этот сигнал пропорционален превышению выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя своего номинального значения, т.е. пропорциональный разности (E-E). Он подается на вход регулятора ЭДС 1, на выходе которого вычитается из сигнала, пропорционального ЭДС электродвигателя E, т.к. в режиме ослабления потока возбуждения блок ограничения 2 ограничивает выходной сигнал регулятора ЭДС 1 на уровне, соответствующем номинальной ЭДС E. Благодаря этому при превышении выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя своего номинального значения осуществляется пропорциональное снижение заданного значения ЭДС электродвигателя и выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя.
0
Н
d max
1
СТ1
Н
1
d1
dН
d1
dН
В1
В0
0
ОСЛ1
ОСЛ1
Н
Изменение координат электропривода при осуществлении заявляемого способа представлено на фиг.2. Задание ЭДС E электродвигателя устанавливают ниже номинального значения E на величину ΔE, определяемую по выражению (1). Кривые при ударном приложении номинальной нагрузки обозначены индексом "1". Ударное приложение номинальной нагрузки сопровождается ростом тока I до установившегося значения I=I. ЭДС электродвигателя E увеличивается по апериодическому закону второго порядка, в результате чего выпрямленная ЭДС E тиристорного преобразователя повышается до номинального уровня E без перерегулирования (кривая Е в течение переходного процесса не превышает E). Ток возбуждения (кривая I) увеличивается от начального значения I, соответствующего заданной начальной ЭДС E, до уровня ослабления I (при скорости электродвигателя, близкой к номинальной I≈I).
1
Н
3
4
d
d1
dН
d1
d1
3
4
dН
В1
В
1
При росте тока I выше номинального I (интервал времени t-t) положительный сигнал ΔЕ=E-Е поступает на инвертирующий вход регулятора ЭДС 1 (фиг.1). В результате этого происходит пропорциональное снижение выходного сигнала регулятора ЭДС 1 и пропорциональное снижение ЭДС электродвигателя. Выпрямленная ЭДС Е поддерживается на заданном номинальном уровне (кривая Е в интервале времени t-t не превышает номинального значения E). Ток возбуждения I снижается на величину ΔI, соответствующую снижению ЭДС электродвигателя Е.
dЗ
dН
d max
dЗ
dН
Э
1
Т
СТ max
a
При осуществлении способа управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока, принятого за прототип, начальное значение задания выпрямленной ЭДС Е (фиг.3) тиристорного преобразователя в режиме холостого хода электропривода устанавливается ниже номинальной выпрямленной ЭДС E на величину ΔE в соответствии с зависимостью Е=E-(L/(k·T·)I), пояснения к обозначениям соответствуют представленным выше к зависимости (1).
1
1
d1
dН
d1
dН
1
dЗ
Н
СТ1
Н
В1
ВЗ
dЗ
ОСЛ1
ОСЛ1
Н
После ударного приложения номинальной нагрузки, происходящего в момент t, (кривая I на фиг.3), выпрямленная ЭДС Е тиристорного преобразователя повышается до номинального уровня E по апериодическому закону второго порядка без перерегулирования (кривая Е не превышает значение E). ЭДС электродвигателя Е, которая в режиме холостого хода равна Е, также повышается до своего номинального уровня E и при установившемся токе нагрузки I, не превышающем I, поддерживается на данном уровне. Ток возбуждения (кривая I) увеличивается от начального значения I, соответствующего заданной выпрямленной ЭДС Е тиристорного преобразователя, до уровня I (при скорости электродвигателя, близкой к номинальной I≈I).
3
4
d1
d1
dН
1
СТ
Э
Э
СТ
В1
В
1
При росте тока выше номинального (интервал времени t-t на фиг.3) также обеспечивается поддержание выпрямленной ЭДС Е тиристорного преобразователя на уровне Е=E за счет ее снижения (и соответственно снижения ЭДС электродвигателя Е) на величину падения напряжения ΔIR на эквивалентном сопротивлении R цепи выпрямленного тока (здесь ΔI - приращение тока нагрузки). Ток возбуждения I снижается на величину ΔI, соответствующую снижению ЭДС электродвигателя Е.
d max
dН
d0
При осуществлении как предложенного способа управления потоком возбуждения (фиг.2), так и способа управления, взятого за прототип (фиг.3), в режиме ударного и плавного изменения нагрузки максимальная выпрямленная ЭДС Е тиристорного преобразователя не превышает номинального значения E. Выпрямленная ЭДС Е тиристорного преобразователя при нулевом угле управления выбирается из условия:
и превышает максимальную выпрямленную ЭДС на составляющую, связанную с ограничением максимального угла регулирования, и составляющую, вызванную отклонениями напряжения питающей сети. За счет этого 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.
СТ2
СТН
d2
d2
dH
2
3
2
Н
В
На фиг.2 и фиг.3 представлены также переходные процессы координат электропривода при ударном приложении нагрузки, равной половине номинальной I=0,5I (кривые с индексом "2"). Изменение координат электропривода при осуществлении способа, принятого за прототип (фиг.3), аналогично рассмотренному изменению координат при ударном приложении номинальной нагрузки. Однако поддержание выпрямленной ЭДС Е в установившемся режиме работы под нагрузкой на номинальном уровне Е=Е (интервал времени t-t) вызывает повышение ЭДС электродвигателя выше номинального значения Е>Е. В соответствии с равенством (2) это приводит к усилению потока возбуждения. При скорости электродвигателя близкой к номинальной, что соответствует ослаблению потока возбуждения менее чем на 10-12%, рабочая точка 2 (фиг.4) расположена вблизи точки 1, соответствующей номинальному потоку возбуждения, которая находится на изломе кривой намагничивания. Показанное на фиг.4 усиление потока возбуждения Ф на 10% номинального (точка 3) в связи с нелинейностью кривой намагничивания приводит к увеличению тока возбуждения I в 1,4 раза, что в длительном режиме работы недопустимо. Очевидно, что изменение нагрузки в широком диапазоне, характерное для рассматриваемого класса электроприводов широкополосных станов горячей прокатки, приведет к длительному превышению током возбуждения своего номинального значения (перевозбуждению электродвигателя). Этот режим является аварийным, т.к. вызывает перегрев электродвигателя и аварийные отключения электропривода.
2
Н
Кроме того, в диапазоне токов нагрузки ниже номинального поддержание ЭДС электродвигателя на уровне, превышающем номинальное значение Е>Е, приводит к увеличению напряжения на якоре. Перенапряжение на якоре вызывает ухудшение условий коммутации (появление искрения и кругового огня на коллекторе), что также снижает надежность электропривода.
2
2
3
3
4
2
Н
В2
ВН
При осуществлении заявляемого способа управления потоком возбуждения при токе нагрузки ниже номинального (кривые с индексом "2" на фиг.2), благодаря действию регулятора ЭДС 1 (фиг.1), ЭДС электродвигателя Е в установившемся режиме работы под нагрузкой (интервал времени t-t) и при токе нагрузки выше номинального (интервал t-t) не превышает заданное номинальное значение Е=Е. Соответственно ток возбуждения I в установившемся режиме равен своему номинальному значению I. Следовательно, при реализации заявляемого способа не возникает перевозбуждения электродвигателя и ухудшения условий его коммутации, в результате чего повышается надежность электропривода.
dН
d0
Так как выпрямленная ЭДС тиристорного преобразователя независимо от тока нагрузки не превышает номинального значения E, устанавливаются минимально возможное значение Е, выбираемое из условия (4), и соответственно минимальный запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, что обеспечивает высокие энергетические показатели.
Таким образом, применение заявляемого способа позволяет повысить надежность электропривода за счет исключения режима перевозбуждения электродвигателя и улучшения условий коммутации при сохранении высоких энергетических характеристик, обеспечиваемых за счет формирования минимального запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя путем исключения ее перерегулирования в режиме ударного приложения нагрузки и стабилизации ее на заданном уровне при увеличении тока нагрузки выше номинального.