Автоматическое регулирование момента в системе УП-Д.

Общий анализ свойств регулируемого электропривода, замк­нутого отрицательной обратной связью по электромагнитному моменту, целесообразно провести с помощью обобщенной стру­ктурной схемы на рис. 6.15,б, дополнив ее цепью указанной об­ратной связи. При этих условиях структурная схема имеет вид, показанный на рис. 7.9, и позволяет записать следующую систе­му уравнений механической характеристики электропривода:

Путем преобразования системы (7.22) получим уравнение ме­ханической характеристики электропривода в виде зависимости момента от скорости:

Уравнение статической механической характеристики получим из (7.23) при р = 0:

где момент короткого замыкания; ^— модуль статической жесткости; — скорость идеального холостого хода в замкнутой сис­теме регулирования.

Примем, что необходимо получить при = 0 заданное значе­ние момента стопорения электропривода . Это значе­ние может быть получено при различных коэффициентах обрат­ной связи по моменту путем выбора соответствующих значений с помощью соотношения

Семейство механических характеристик электропривода, соот­ветствующее при , приведено на рис. 7.10,а. Рассматривая его, можно установить, что статическая точность регулирования момента в данной схеме при прочих рав­ных условиях ограничена сильным возмущающим воздействием, оказываемым электромеханической связью. Вследствие действия этой связи изменения скорости двигателя в замкнутой системе регулирования оказывают на момент тем более значительное влияние, чем меньше коэффициент обратной связи по моменту. При возрастании жесткость статической характеристики уменьшается и при неограниченном возрастании или стремится к нулю. Однако при реальных значениях этих величин исключить существенное влияние изменений скорости на точ­ность регулирования момента без принятия специальных мер практически невозможно.

При отсутствии обратной связи по моменту для полу­чения момента необходимо небольшое значение задающе­го сигнала . Увеличение приводит к соответствующему возрастанию и задаваемой преобразователем скорости иде­ального холостого хода Поэтому при больших коэффици­ентах обратной связи на форме характеристик двигателя сказы­вается ограничение выходной переменной преобразователя, обу­словленное в системе Г—Д насыщением магнитной цепи генера­тора и ограниченностью максимального напряжения возбужде­ния, в системе ТП—Д — необходимым ограничением предель­ных углов регулирования реверсивного преобразователя в выпря­мительном и инверторном режимах и напряжением сети, а в си­стеме ПЧ—АД — ограничением максимальной частоты. Если представить характеристику преобразователя линейной зависи­мостью с идеальным ограничением максимального значения величиной то легко установить, что пределы изменения скорости, в которых с помощью отрицательной связи по моменту обеспечивается с той или иной точностью регулиро­вание момента, ограничены сверху и снизу характеристиками разомкнутой системы, соответствующими (рис. 7.10,а).

В электроприводах постоянного тока вместо обратной связи по моменту обычно используется обратная связь по току якоря, действие которой при Ф = Ф_ном⁼ const вполне аналогично рас­смотренному. При этом в полученных соотношениях коэффици­ент может быть выражен через коэффициент отрицательной связи по току якоря:

При конечных значениях коэффициентов усиления и об­ратной связи эффективным средством уменьшения зависи­мости момента от скорости является использование формирую­щей положительной обратной связи по скорости двигателя, т. е. компенсационного принципа, в дополнение к основной системе регулирования по отклонению. Цепь формирующей положитель­ной связи по скорости показана на рис. 7.9 штриховой линией. Уравнение статической характеристики электропривода при вве­дении этой связи можно получить из соотношений

где — коэффициент положительной связи по скорости.

Откуда

Модуль статической жесткости механической характеристики в замкнутой системе зависит от коэффициента формирующей обратной связи по скорости:

При увеличении модуль статической жесткости быстро убывает и при критической положительной связи по скорости становится равным нулю. Дальнейшее увеличение k_nc приводит к изменению знака жесткости, как это показано на рис. 7.10,6. При критической положительной связи статическая ошибка, обусловленная изменениями скорости, исключается, и система обеспечивает астатическое регулирование момента без введения в цепь регулирования регуляторов с интегральной хара­ктеристикой.

Сочетание компенсационного принципа с регулированием по отклонению дает комбинированную систему управления, обеспе­чивающую высокую статическую точность регулирования наибо­лее простым путем. С помощью уравнения (7.23) при = 0 по­лучим уравнение динамической жесткости механической харак­теристики в замкнутой системе:

При безынерционном преобразователе Т_п= 0 выражение (7.28) принимает вид

Уравнение (7.29) по форме совпадает с выражением динамиче­ской жесткости в разомкнутой системе УП—Д, а анализ его па­раметров показывает, что при отрицательная обратная связь по моменту влияет на характеристики электропривода так же, как введение резистора в цепь якоря двигателя постоянного тока. Модуль жесткости при этом уменьшается и одновре­менно уменьшается эквивалентная постоянная времени

На рис. 7.11,а приведены ЛАЧХ и ЛФЧХ динамической жест­кости, построенные по (7.29), которые подтверждают сказанное. Динамическая жесткость в замкнутой системе при (кривые ) снижается во всем диапазоне частот относительно жест­кости в разомкнутой системе (кривые 2 и 2'), при этом точность регулирования момента в широком диапазоне частот остается высокой и ошибки регулирования с ростом частоты снижаются.

В случае когда , выражение (7.28) можно представить:

где — эквивалентная постоянная времени преобразователя в замкнутой системе, если приближенно принять Соответ­ствующие (7.30) ЛАЧХ и ЛФЧХ динамической жесткости замк­нутой системы представлены на рис. 7.11,6. Они свидетельствуют о том, что при большой Т_п высокая точность регулирования момента имеет место лишь при низких частотах, а в области сред­них и высоких частот динамические свойства замкнутой системы электропривода аналогичны динамическим свойствам разомкну­той системы. Таким же путем можно убедиться, что введение формирующей положительной связи по скорости влияет на вид ЛАЧХ и ЛФЧХ только в области низких частот, т. е. сказывает­ся в основном на статической точности регулирования момента.

Для анализа влияния обратной связи по моменту (току) на ко­лебательность электропривода при жестких механических связях структурную схему рис. 7.9 с помощью (6.28) полезно представить в виде, показанном на рис. 7.12. Колебательность электропривода при оценим с помощью характеристического уравнения замкнутой системы, которое можно получить из передаточной функции замкнутого контура на рис. 7.12 при М_с= 0 в виде

Нетрудно видеть, что при Т_п= 0 регулируемый по моменту электропривод представляет собой колебательное звено

Введение отрицательной связи по моменту увеличивает и уменьшает при этом соотношение постоянных m изменяется в сторону меньшей колебательности, а быстродействие по мо­менту в связи с уменьшением увеличивается. Как следст­вие, необходимости коррекции контура регулирования момента при Т_п= 0 не возникает.

Учет инерционности преобразователя увеличивает по­рядок характеристического уравнения системы, что затрудняет оценку колебательности по его корням. Динамические свойства электропривода, замкнутого обратной связью по моменту, удоб­нее проанализировать по соответствующей ЛАЧХ разомкнутого контура:

При в структуре на рис. 7.12 звено динамической же­сткости можно приближенно представить в виде (7.30) вместо (7.28), при этом

Соответствующая (7.34) ЛАЧХ показана на рис. 7.13. Анализи­руя (7.34) и рис. 7.13, можно установить, что при небольших и , а также при больших Т_п и сильной отрицательной связи по моменту частота среза может находиться в области асимптоты с наклоном —40 дБ/дек и качество регулирования мо­мента может быть неудовлетворительным.

Поэтому обычно при автоматическом регулировании момента электропривода требуется коррекция динамических свойств тем или иным способом. Без коррекции удается обойтись только в тех случаях, когда требования к быстродействию и точности регулирования момента и тока в динамике невысоки. При этом не­обходимая точность регулирования в статике обеспечивается вве­дением критической положительной связи по скорости (или по напряжению генератора в системе Г—Д), а отрицательная связь по моменту (току) ослабляется до уровня, обеспечивающего тре­буемое демпфирование переходных процессов.