3. Автоматическое управление угловой скоростью и током якоря дпт нв в замкнутых системах электропривода

 

3.1 Регулирование угловой скорости в системе уп-дпт нв с отрицательной обратной связью по скорости и отсечкой по току якоря

Как отмечалось в предыдущем разделе, для обеспечения большего диапазона регулирования скорости целесообразно осуществлять регулирование ω_д изменением напряжения на якоре. В простейшей схеме (см. рис. 2.8) диапазон регулирования ω_д ограничен падением скорости под нагрузкой. Этот недостаток устраняется путем использования замкнутых систем с отрицательной обратной связью по угловой скорости. Функциональная схема такой системы приведена на рис. 3.1. Она содержит: двигатель М, выходной величиной которого является угловая скорость ω_д; управляемый преобразователь УП, создающий регулирующее воздействие U_я на двигатель; усилитель У, на входе

 

которого сравниваются  напряжение U_зд и напряжение обратной связи U_ос. Напряжение U_зд создается задатчиком скорости (ЗС).

В качестве задатчика обратной связи используется тахогенератор BR, напряжение на выходе которого U_ос пропорционально ω_д.

На выходе узла сравнения сигналов (на схеме узел показан в виде окружности) формируется напряжение ошибки

.                                         (3.1)

Как известно из теории автоматического управления, в замкнутой системе обеспечивается стабилизация регулируемой переменной (в данном случае ω_д).

Напомним, как протекает этот процесс. Если, например, под действием сил нагрузки ω_д начинает снижаться, то уменьшается U_ос , а напряжение U_d, в соответствии с выражением  (2.8), начинает увеличиваться. При этом возрастает напряжение на выходе усилителя U_у и якоре двигателя U_я. В результате угловая скорость стремится к заданному значению. Несложно убедиться, что в случае возрастания ω_д, действие обратной связи приведет к снижению U_я и угловая скорость вновь будет стремиться к заданной.

Таким образом, в замкнутой системе удается получить механические характеристики, близкие к абсолютно жестким (см. на рис. 3.2 участок характеристики для ) и обеспечить достаточно малые значения нижней скорости ω_н.  Иными словами, в такой схеме удается реализовать большой диапазон регулирования скорости.

 

Упрощенная принципиальная схема рассматриваемой системы приведена на рис. 3.3. Датчиком скорости в схеме является тахогенератор BR – машина постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, вал которой механически соединен с валом двигателя М. Машина BR работает в режиме генератора, и ее ЭДС – напряжение обратной связи U_ос в соответствии с уравнением (2.2) пропорционально ω_д.

Сравнение электрических сигналов в современных схемах осуществляется на входе операционного усилителя ∆А. На его инвертирующий вход через резистор R1 подается напряжение задания U_зд, снимаемое с потенциометра RP (задатчика скорости), а через R2 -  напряжение U_ос.

На входе усилителя происходит сравнение (вычитание) этих сигналов в соответствии с (3.1), а напряжение на выходе усилителя

,

где К_у – коэффициент усиления усилителя.

В цепь обратной связи операционного усилителя включен резистор R3, определяющий значение К_у.

Рассмотренные узлы и элементы схемы обеспечивают ее работу в режиме стабилизации скорости. Однако для нормальной работы электропривода этого недостаточно. Действительно, если произойдет, например, поломка механизма, порождающая возрастание момента статического сопротивления, то соответственно будут нарастать ток якоря и момент двигателя. Недопустимое нарастание тока якоря возникает также при пуске двигателя и других переходных режимах.

Для исключения подобных ситуаций схема должна быть дополнена узлом ограничения тока якоря. Один из возможных вариантов реализации этого узла показан на рис. 3.3 (его также называют узлом токовой отсечки). Он включает датчик тока якоря – шунт RS, включенный в якорную цепь, и стабилитроны VD1, VD2. Сигнал U_ост с шунта RS может поступать на вход операционного усилителя через VD1, VD2  и резистор R4.

Рассмотрим работу схемы (см. рис. 3.3). При проектировании схемы задаются значением тока отсечки I_отс. С учетом допустимой кратковременной перегрузки двигателя его обычно принимают I_отс=(2…2,5)I_ном. Напряжение стабилизации стабилитронов выбирают по формуле

.

 

Тогда при токе якоря  напряжение . Для полярности напряжения U_отс, показанной на рис. 3.3, стабилитрон VD1 включен в обратном направлении. Его сопротивление при велико и напряжение U_отс не поступает на вход DA. В результате узел токовой отсечки при токах  не оказывает влияния на работу схемы – система работает в режиме стабилизации скорости (1-ый участок на рис. 3.2).

Если же ток якоря превысит ток отсечки , то напряжение на шунте U_отс станет больше U_z. Сопротивление стабилитрона при этом резко снизится (стабилитрон «пробьется»), и на вход DA будет поступать дополнительный сигнал ( ). Этот сигнал вычитается из сигнала задания, т.е. теперь сигнал ошибки будет

.                            (3.2)

Схема переходит в режим стабилизации тока якоря (2-й участок на рис. 3.2). При возрастании тока I_я увеличивается напряжение U_ост, а сигнал ошибки U_d уменьшается. Это ведет к снижению напряжения на выходе усилителя U_у, уменьшаются также U_я и ω_д. В итоге двигатель останавливается.

В реверсивном электроприводе полярность напряжения на шунте изменяется, поэтому необходимо использовать два стабилитрона, включенных встречно.

Как следует из изложенного, в схеме для ограничения тока якоря используется отрицательная обратная связь по току якоря. В отличие от обратной связи по скорости связь по току – задержанная: она вступает в действие только тогда, когда ток якоря  превышает ток отсечки.

Узел токовой отсечки обеспечивает ограничение тока якоря также в переходных режимах. Например, при пуске двигателя в начальный момент сигнал тахогенератора  U_ос = 0, а сигнал ошибки U_d, как следует из (3.2), значительно превышает  установившееся значение. Поэтому напряжения U_у и U_я начинают интенсивно нарастать.

Поскольку ω_д и ЭДС двигателя пока малы, ток якоря резко возрастает, и вступает в действие токовая отсечка. Следовательно, разгон двигателя идет при ограниченном значении тока (на рис. 3.1 процесс изменения I_я  при пуске условно показан стрелками).

По мере разгона двигателя ω_д , ЭДС двигателя и сигнал обратной связи по скорости U_ос возрастают, а сигнал U_d уменьшается. При подходе к заданной скорости ток якоря начинает спадать, и система переходит в режим стабилизации заданного значения скорости (например ω_в на рис. 3.2).

Таким образом, задержанная отрицательная обратная связь в электроприводе обеспечивает ограничение тока (момента) двигателя в переходных режимах и в ситуациях, связанных с недопустимым возрастанием момента сопротивления производственного механизма.