Регуляторы в схемах управления электроприводом

В электроприводе применяют многочисленные измерительные устройства (датчики) для введения в систему управления приводом необходимой информации о электрических и неэлектрических величинах (параметрах движения).

Наибольшее распространение в регулируемом электроприводе имеют датчики тока и скорости, необходимые для формирования замкнутых контуров в системе регулирования. Известны две основные системы образования токовой обратной связи: по переменному току на первичной обмотке трансформатора и по постоянному току цепи якоря двигателя.

В первом случае в рассечку первичной обмотки силового трансформатора включают трехфазный трансформатор тока ТА (рис. 14.10,а). Трансформатор нагружен низкоомными резисторами, чтобы сохранить режим, близкий к режиму короткого замыкания. Далее напряжение вторичной обмотки трансформатора тока выпрямляется, сглаживается фильтром (конденсатор С)и поступает в систему управления приводом. Достоинством этой схемы является высокая чувствительность, поскольку номинальное напряжение на выходе трансформатора тока составляет десятые доли вольта или даже несколько вольт.

Во втором случае измерительное напряжение снимается с шунта, включенного в цепь якоря двигателя (рис. 14.10, б). При этом отпадает необходимость в выпрямлении напряжения, однако чувствительность схемы невелика. Номинальное напряжение, снимаемое со стандартного шунта, составляет 75 или 100 мВ и нуждается в последующем усилении. Для увеличения чувствительности желательно применять индивидуальные шунты с увеличенным сопротивлением. Однако при этом возрастают потери в цепи якоря и уменьшается естественная жесткость механических характеристик.

Самым распространенным датчиком обратной связи в регулируемом электроприводе является тахогенератор. Обратная связь по скорости совершенно необходима для создания широкорегулируемого электропривода, поскольку статизм разомкнутой электромеханической системы имеет недопустимо большое значение в нижнем диапазоне регулирования.

В контуре скорости в электроприводе станков и роботов в подавляющем большинстве случаев применяют тахогенераторы постоянного тока. Однородность тока тахогенератора и двигателя создает определенные удобства при эксплуатации привода.

Стремление уменьшить оборотные пульсации требует встройки тахогенератора в двигатель и установки его якоря на том же валу. Подавляющее большинство двигателей постоянного тока для станков выпускаются с встроенным тахогенератором. В современных моделях используют тахогенераторы с возбуждением от постоянных магнитов.

Чувствительность тахогенераторов постоянного тока лежит в пределах 20 ... 30 В на 1000 об/мин, что вполне достаточно для большинства приводов, класс точности 0,2 ... 1.

При работе тахогенератора возникают низкочастотные оборотные и полюсные пульсации, величина которых 0,25 ... 1% от выходного напряжения. Фильтрация подобных пульсации связана с особыми трудностями и они вызывают неравномерность вращения привода.

Высокочастотные зубцовые и коллекторные пульсации имеют примерно такую же величину, однако устранение их трудностей не вызывает. Динамические характеристики тахогенераторов постоянного тока связаны с инерционностью электромагнитных переходных процессов, происходящих в цепи якоря.

Импульсные датчики скорости работают в двух режимах. Чаще всего определяют угол поворота и подсчитывают число импульсов, поступающих с датчика за фиксированный интервал времени Т.

При этом средняя скорость

,

где N – число импульсов, поступивших за время Т, Z – общее количество дискретных отметок (выступов или прорезей) на модулирующем диске.

Таким образом, скорость пропорциональна числу импульсов. Обработка такой информации удобна, что и обусловливает популярность этого режима. Однако на низких скоростях угол поворота за время Т оказывается слишком малым и возникает большая методическая погрешность.

Второй режим работы импульсного датчика скорости связан с измерением времени поворота вала на определенный угол Для этого промежуток времени между двумя импульсами датчика заполняют вспомогательными импульсами опорного генератора, имеющего частоту . Среднее значение скорости

,

где N – число импульсов, поступившее от опорного генератора. Такой режим дает лучшие результаты в диапазоне низких скоростей, однако и он имеет большие погрешности, поскольку измеряется не мгновенная, а только средняя скорость

14.4. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ОБРАТНЫМИ СВЯЗЯМИ ПО ТОКУ И СКОРОСТИ И СУММИРУЮЩИМ УСИЛИТЕЛЕМ

Регулируемый электропривод с отрицательной обратной связью по скорости. Для получения достаточно большого диапазона регулирования скорости необходимо повышать жесткость механических характеристик и вводить в систему электропривода отрицательную обратную связь по скорости. Наличие главной обратной связи по скорости является наиболее характерной чертой электропривода с большим диапазоном регулирования скорости.

Схема регулируемого электропривода представлена на рис. 14.11. Двигатель М получает питание от силового преобразователя U. Скорость двигателя регулируется вниз от номинальной посредством изменения напряжения якоря U_я.

На валу двигателя установлен тахогенератор BR, напряжение которого поступает на регулятор скорости AR, который может работать в качестве П– или ПИ–регулятора.

Структурная схема регулируемого электропривода представлена на рис. 14.12. Пунктиром показана обратная связь, которая в этом варианте привода не используется.

Рис. 14.11. Схема регулируемого электропривода

с обратной связью по скорости

Рис. 14.12. Структурная схема регулируемого электропривода с обратной связью по скорости (цепь обратной связи по току показана пунктиром)

Составим уравнение, описывающее динамические процессы в приводе. Скорость двигателя постоянного тока зависит от напряжения якоря и момента сопротивления

.

На этом основании для разомкнутой цепи регулируемого ЭП и

,

но напряжение U_oc связано со скоростью двигателя .

Подставив это значение в предыдущую формулу и решив ее относительно скорости, будем иметь

Регулируемый электропривод с обратной связью по скорости и току якоря. Кроме основной обратной связи по скорости в регулируемом электроприводе используют обратную связь по току якоря. Ток якоря пропорционален моменту, поэтому, управляя током, мы по сути дела управляем моментом ЭД и формируем силовое воздействие на механическую систему. Можно считать, что обратная связь по скорости определяет точность регулируемого электропривода, а обратная связь по току – его быстродействие.

Схема регулируемого электропривода с обратными связями по скорости и току представлена на рис. 14.13. Во многом эта схема совпадает со схемой, изображенной на рис. 14.11. Отличие заключается в том, что в цепи якоря установлен датчик тока ВА, сигнал которого поступает на регулятор А. В регуляторе (суммирующем усилителе) происходит алгебраическое суммирование задающего сигнала и сигналов обратной связи по току и скорости.

Воспользуемся структурной схемой, приведенной на рис. 14.13. с учетом пунктирной линии, образующей обратную связь по току.

Рис. 14.13. Схема регулируемого электропривода с обратными связями

по скорости и току

Регулируемый электропривод с обратной связью по скорости и по току с отсечкой. В электроприводе станков и ПР широко применяют системы привода, в которых действует отрицательная обратная связь по току с отсечкой. Нелинейная обратная связь по току (рис. 4.22, а) действует следующим образом: до тех пор, пока ток якоря не превышает величины тока отсечки , сигнал обратной связи равен нулю. Если же , то вводится в действие сильная отрицательная обратная связь по току, которая ограничивает величину тока якоря на заданном уровне.

При постоянном магнитном потоке ограничение тока якоря эквивалентно ограничению момента. Поэтому механическая характеристика такого привода состоит из двух участков (рис. 14.14, б).

Рис. 14.14. Схема (а) и механическая характеристика (б)

электропривода с отсечкой по току

На первом участке в приводе действует только отрицательная обратная связь по скорости и жесткость механических характеристик велика. При больших моментах «срабатывает» отсечка по току и добавляется сильная отрицательная обратная связь по току, которая уменьшает выходное напряжение преобразователя и снижает жесткость механических характеристик. Наклон механических характеристик на втором участке резко увеличивается. Такие характеристики называют экскаваторными. Привод с отсечкой по току может работать на жесткий упор при = 0. Ток якоря при нулевой скорости привода называют током стопорения.

В схемах отсечки по току (рис. 4.23, а) напряжение, снимаемое с шунта, включенного в цепь якоря двигателя , сравнивается с опорным напряжением u_оп, пропорциональным току отсечки.

Рис. 14.15. Схемы отсечки по току: а – с диодом в качестве порогового элемента; б – со стабилитроном; в, г – с упреждающим токоограниченнем

Опорное напряжение запирает диод VD. В результате ток в цепи может протекать только при . Этот ток создает падение напряжения на резисторе R, которое и является напряжением обратной связи. Величину тока отсечки регулируют путем изменения опорного напряжения.

В схеме на рис. 4.23, б отсечка по току осуществляется с помощью стабилитрона V. При напряжении происходит пробой стабилитрона и на нагрузочном сопротивлении возникает напряжение обратной связи.

Отсечка по току позволяет стабилизировать момент двигателя не только в статическом режиме при работе на упор, но и в динамическом режиме. Переходные процессы в таком приводе происходят с почти постоянным динамическим моментом. В приводах с малоинерционными тиристорными преобразователями токоограничение имеет особенно важное значение.

14.5. СИСТЕМА ПОДЧИНЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Основной недостаток электропривода с суммирующим усилителем заключается в сложности настройки параметров цепей обратной связи по току и скорости с помощью общего усилителя (регулятора). Подобная настройка всегда носит компромиссный характер по отношению к каждому настраиваемому параметру и не является оптимальной. Этот недостаток исключен в системе подчиненного регулирования, которая находит широкое распространение в регулируемом электроприводе станков. Успехи микроэлектроники позволили отказаться от общего регулятора и снабдить систему несколькими независимыми регуляторами, оптимизирующими каждый параметр привода.

Система подчиненного регулирования представляет собой многоконтурную систему с каскадным включением регуляторов. При этом число регуляторов и контуров регулирования равно числу регулируемых параметров. Название системы объясняется тем, что выходной сигнал регулятора, включенного во внешний контур, является задающим для регулятора, включенного во внутренний контур, т. е. один регулятор подчинен другому.

Важным преимуществом системы является то, что настройка регуляторов производится независимо и последовательно от внутреннего контура к внешнему. Применительно к приводу постоянного тока система подчиненного регулирования содержит основной контур регулирования скорости и внутренний, подчиненный контур регулирования тока.

Схема электропривода, выполненного по системе подчиненного регулирования, представлена на рис. 14.16.

Рис. 14.16. Схема регулируемого привода, выполненного

по системе подчиненного регулирования

Двигатель постоянного тока М с независимым возбуждением питается от тиристорного преобразователя U и регулируется по цепи якоря. Сигнал обратной связи по току снимается с датчика тока В А, включенного в цепь якоря двигателя, и поступает на регулятор тока РТ.

В реальных электроприводах сигнал, пропорциональный току якоря, снимается с шунта, включенного в цепь якоря. Поскольку напряжение, снимаемое с шунта, невелико, оно усиливается предварительным усилителем. Обратную связь по скорости осуществляют с помощью тахогенератора BR, напряжение которого подается на вход регулятора скорости (PC). На этот же регулятор подается управляющее (задающее) напряжение.

Система подчиненного регулирования обеспечивает высокие статические и динамические характеристики электропривода. Она отличается высокой степенью стандартизации и унификации структуры и элементов привода, что упрощает его изготовление, наладку и ремонт.

Структурная схема системы подчиненного регулирования представлена на рис. 14.17.

Рис 14.17. Структурная схема системы подчиненного регулирования

Здесь видны два контура регулирования, замкнутых независимыми обратными связями. Контур тока состоит из объекта регулирования – цепи якоря двигателя, силового преобразователя и регулятора тока. Контур замыкается обратной связью по величине напряжения, снимаемого с датчика тока, включенного в цепь якоря. Коэффициент преобразования цепи обратной связи по току равен К_т. Усложнение структурной схемы контура тока связано с проявлением внутренней обратной связи по ЭДС, показанной пунктиром на рие. 14.17. Во многих случаях внутренней связью пренебрегают и рассматривают упрощенную структуру контура тока.