Системы автоматического регулирования позволяют осуществлять поддержание постоянства различных параметров электропривода: скорости, ускорения, момента (тока), мощности и др.
Поддержание постоянства скорости бывает необходимо по технологическим соображениям и по условиям работы привода (например, на транспортерах, конвейерах и других механизмах непрерывного транспорта). Кроме того, поддержание постоянства скорости обеспечивает получение жестких регулировочных характеристик, что является обязательным условием при необходимости регулирования в глубоком диапазоне.
Условие постоянства вращающего момента соблюдается в случае необходимости ограничения тока двигателя при колебаниях статической нагрузки. Принцип поддержания постоянства мощности используется в некоторых тяговых приводах.
Путем соответствующей компоновки схемы автоматического управления могут быть получены системы, в которых поддерживаются любые заданные режимы.
С точки зрения способности системы автоматического регулирования к поддержанию постоянства заданного параметра (в частности, скорости двигателя), различают два вида систем.
Статической называют систему, в которой регулируемая -величина по окончании процесса корректирования принимает новые значения, отличающиеся от первоначальных.
Отклонение нового значения регулируемого параметра от предшествовавшего, иначе говоря, показатель качества регулятора характеризуется понятием статизма системы. Чем ниже значение статизма, тем выше качество регулятора.
Астатической называется такая система, у которой установившееся значение регулируемой величины в результате корректирования остается прежним и не зависит от нагрузки.
Применительно к электроприводу установок гидромеханизации особый интерес представляют системы регулирования с поддержанием постоянства скорости двигателей. Поддержание постоянства скорости осуществляется с помощью корректирующих устройств, которые могут быть выполнены в виде цепей или звеньев, дополнительных к основной цепи регулирования, либо в виде обратных связей.
Примером первой разновидности служат дополнительные стабилизирующие обмотки в двигателях постоянного тока параллельного (независимого) возбуждения и другие устройства прямого действия. Регуляторы подобного рода не обеспечивают достаточной точности работы. Средством более надежной и точной стабилизации скорости являются обратные связи.
Автоматическое поддержание скорости двигателей постоянного тока
Система Г—Д с обратной связью по скорости в простейшем виде показана на рис. 10-1. Датчиком скорости является тахогенератор ТГ, установленный на одном валу с двигателем Д. Напряжение, вырабатываемое тахогенератором, пропорционально скорости двигателя:
(10-1)
где у — коэффициент пропорциональности между угловой скоростью и напряжением тахогенератора.
Схема работает следующим образом. Обмотка возбуждения двигателя ОВД имеет независимое питание и при данном токе возбуждения
Рис. 10-1. Замкнутая система Г—Д с отрицательной обратной связью по скорости.
двигателя его скорость зависит только от напряжения генератора. Генератор Г, вращаемый с постоянной скоростью приводным, например асинхронным, двигателем (на схеме не показан), вырабатывает напряжение, зависящее от тока возбуждения в обмотке ОВГ. Этот ток пропорционален напряжению возбуждения Uв.г Напряжение тахогенератора (напряжение обратной связи) Uо.с подается на сопротивление сравнения СС встречно напряжению, приложенному к сопротивлению сравнения, образуя отрицательную обратную связь системы.
Напряжение на обмотке возбуждения (напряжение управления) связано с входным напряжением Uвх и напряжением обратной связи соотношением
(10-2)
из которого видно, что при неизменном входном напряжении Uвх системы и снижении скорости рабочего двигателя, а следовательно, напряжения обратной связи (напряжения тахогенератора) Uо.с напряжение возбуждения генератора увеличивается, а значит, растет и напряжение, подаваемое генератором на двигатель, поддерживая его скорость.
Рассмотренная система несовершенна. Ввиду того что усиление сигнала обратной связи, ограничиваемое внутренним коэффициентом усиления звена обмотка возбуждения — якорь генератоpa (cp. § 4-4), недостаточно, схема не всегда может обеспечить необходимую стабилизацию скорости. Для улучшения работы системы в нее вводят дополнительно звено усиления сигнала обратной связи.
Рис. 10-2. Замкнутая система для привода
Г—Д с усилителем и обратной связью по скорости.
На рис. 10-2 использован тот же принцип отрицательной обратной связи по скорости, сигнал которой подается на обмотку возбуждения генератора через усилитель. В данной схеме усилитель У показан условно; им может быть электромашинный (ЭМУ) либо магнитный (МУ) усилитель. В первом случае источником питания усилителя (см. рис. 4-21) является механическая энергия вращения ЭМУ от постороннего двигателя; во втором—электрическая энергия, подводимая от сети. В обоих случаях корректирующий сигнал подается на обмотку управления усилителя (см. рис. 4-22 и 4-31,а). При рассмотрении принципов автоматического регулирования следует иметь в виду, что как ЭМУ, так и МУ имеют не по одной, а несколько управляющих обмоток, одна из которых является задающей. Поэтому результирующий сигнал вырабатывается не на сопротивлении сравнения (сопротивление СС на рис. 10-1), а путем алгебраического суммирования магнитодвижущих сил задающей обмотки ОЗ и соответствующих обмоток управления ОУ.
Оценка эффективности поддержания постоянства скорости может быть произведена с помощью понятия жесткости скоростной характеристики, выражаемой аналогично(5-9) соотношением
(10-3)
Из последнего равенства следует, что жесткость системы автоматического поддержания скорости с обратной связью по скорости выражается соотношением
Практически в такой системе абсолютно жесткую характеристику получить невозможно. Для этого требовалось бы, чтобы общий коэффициент усиления был бесконечно велик.
Системы Г—Д с обратной связью по напряжению выполняются согласно схеме, показанной на рис. 10-3.
Рис. 10-3. Схема образования обратной связи по напряжению.
Напряжения обратной связи и входное направлены встречно (отрицательная обратная связь). Поэтому аналогично предыдущему снижение .напряжения генератора вследствие падения напряжения на якоре генератора при увеличении нагрузки двигателя влечет за собой повышение тока в обмотке управления усилителя и рост тока возбуждения генератора.
В идеализированных условиях статизм заданной системы является фактором, способным обеспечить полную компенсацию падения напряжения генератора. Однако пределом жесткости скоростных характеристик двигателя остается жесткость его естественной характеристики, и статизм системы принципиально обусловливает ее работоспособность.
(10-5).
Рис. 10-4. Регулировочные характеристики для замкнутой системы Г—Д с обратной связью по току.
а — элемент образования обратной связи, б — регулировочные характеристики для разных значений δ=rш/r я.
Система Г—Д с обратной связью по току также обеспечивает в известных пределах поддержание постоянства скорости двигателя
На обмотку управления подается напряжение, равное падению напряжения на сопротивлении rш, включенном последовательно в цепь якоря (рис. 10-4,а). Это напряжение пропорционально току нагрузки двигателя; оно приложено к обмотке управления таким образом, что создаваемая им м. д. с. совпадает по направлению с м. д. с. задающей обмотки, образуя положительную обратную связь.
Если обозначить rш/rя=δ, то напряжение обратной связи
Теоретический расчет зависимости скорости ω от тока нагрузки Iн в системах с положительной обратной связью по току при постоянном значении коэффициентов усиления (т. е. в идеальном случае) для разных значений δ дает семейство прямолинейных регулировочных характеристик:
падающих, абсолютно жесткую характеристику ω=const и возрастающих. Однако вследствие нелинейности звеньев, составляющих систему (из-за нелинейности характеристик намагничивания, реакции якоря), значения коэффициентов усиления являются переменными величинами, изменяющимися в зависимости от тока нагрузки также не по линейному закону. Поэтому семейство регулировочных характеристик представлено кривыми, в том числе такими, где каждая может быть возрастающей на одном участке и падающей на другом. Такие характеристики не обеспечивают устойчивой работы привода. Применение обратных связен подобного рода ограничивается небольшими значениями коэффициента усиления по току и использованием их в качестве вспомогательных связей в замкнутых системах регулирования.
На рис. 10-4,б штриховыми линиями показаны расчетные характеристики при одинаковом напряжении на задающей обмотке усилителя и различных значениях коэффициента δ. Семейство характеристик имело бы такой вид при постоянных коэффициентах усиления. Сплошными линиями показаны реальные характеристики для действительных коэффициентов усиления.
Автоматическое поддержание постоянства скорости асинхронных двигателей.
Электропривод с регулированием и автоматическим поддержанием скорости может быть также осуществлен с использованием двигателей переменного тока.
Ниже рассматривается замкнутая система регулирования электропривода с асинхронным трехфазным двигателем с обратной связью по скорости.
Известно, что изменение напряжения на зажимах обмотки статора асинхронного двигателя меняет его механическую характеристику (см.
Рис. 10-6. Замкнутая система регулирования асинхронного двигателя с дросселем насыщения и обратной связью по скорости.
рис. 5-21). Момент двигателя изменяется пропорционально квадрату приложенного напряжения, что может быть использовано для регулирования скорости двигателя при определенном моменте сопротивления на его валу.
На рис. 10-6 представлена схема управления асинхронным двигателем с помощью дросселя насыщения. В каждую фазу статора включена рабочая обмотка дросселя. Реактивное сопротивление дросселя может меняться в определенных пределах в зависимости от тока в его подмагничивающей обмотке. Таким образом, регулируя ток в подмагничивающей обмотке, можно менять величину падения напряжения на рабочих обмотках дросселя, а следовательно, и напряжение на статоре двигателя. В схеме используется промежуточный магнитный усилитель, питаемый от той же линии, что и двигатель. Выходом магнитного усилителя является напряжение постоянного тока на выпрямительном мосту В. Изменяя напряжение выхода, можно менять значение подмагничивающего тока дросселя насыщения, управляющая (подмагничивающая) обмотка которого подключена к выпрямителю. В цепь выхода МУ последовательно с подмагничивающей обмоткой дросселя включена обмотка wо.c для осуществления внешней обратной связи усилителя, повышающей коэффициент усиления. В целях улучшения характеристики МУ одна из его обмоток ωсм создает м. д. с. смещения, понижая ток холостого хода усилителя.
Значение тока смещения регулируется напряжением, снимаемым с потенциометра Псм. Система управления содержит обратную связь по скорости, датчиком которой служит тахогенератор ТГ. Напряжение тахогенератора, пропорциональное скорости двигателя, сравнивается с задающим напряжением путем встречного к нему включения, на потенциометре Пср. Значение задающего напряжения определяется положением скользящего контакта на потенциометре Я3.
Рис. 10-7. Механические (регулировочные) характеристики для замкнутой системы регулирования асинхронного двигателя.
Снижение скорости асинхронного двигателя при увеличении нагрузки может быть предотвращено. При этом двигатель должен работать на другой характеристике, чтобы увеличенному моменту сопротивления соответствовала скорость, мало отличающаяся от первоначальной. Для этого следует повысить напряжение на статоре, т. е. уменьшить падение напряжения на рабочих обмотках дросселя.
Известно, что для компенсации падения напряжения на рабочей обмотке дросселя насыщения необходимо увеличить ток в подмагничивающей обмотке (см. § 4-4).
При уменьшении скорости двигателя и установленного на его валу тахогенератора напряжение, подаваемое от тахогенератора на потенциометр сравнения, снижается.
В обмотку ωy поступит управляющий сигнал, в результате чего напряжение на выходе МУ и ток в подмагничивающей обмотке дросселя возрастут. Таким образом, путем регулирования подмагничивающего тока в дросселе насыщения осуществляется поддержание скорости асинхронного двигателя в пределах статизма системы.
Для использования перегрузочной способности двигателя по моменту и для отвода тепла, образующегося при значительных скольжениях (регулирование в данной системе происходит при изменении скольжения), в цепь ротора вводится глухоподключенное сопротивление.
На рис. 10-7 штриховыми линиями показано семейство характеристик асинхронного двигателя с сопротивлением в цепи ротора при регулировании скорости дросселем без обратной связи. Сплошными линиями изображены характеристики системы регулирования при введении обратной связи по скорости.
Анализ характеристик разомкнутой системы дроссельного регулирования асинхронного двигателя показывает, что одновременно с уменьшением критического момента при понижении напряжения возрастает значение критической скорости. Последнее обстоятельство объясняется тем, что в данной системе регулирование происходит изменением реактивного сопротивления рабочих обмоток дросселя. При увеличении индуктивного сопротивления цепи статора скольжение двигателя уменьшается в соответствии с (5-29).
Нерегулируемая зона в области низких значений момента обусловлена наибольшим возможным реактивным сопротивлением рабочих обмоток дросселя, т. е. минимальным подмагничивающим током. Невозможность регулирования в области больших моментов объясняется минимальным возможным реактивным сопротивлением, при большом насыщающем токе подмагничивания, которое не может быть равно нулю и всегда сохраняет определенное конечное значение.
Подобно системам с двигателем постоянного тока, в схеме регулирования асинхронного двигателя поддержание постоянства скорости возможно также с помощью обратных связей по напряжению и току. Для осуществления таких связей используются соответственно трансформаторы напряжения и тока, первичные обмотки которых включаются в силовую цепь двигателя. Характеристики такой системы подобны изображенным на рис. 10-7.
Заштрихованные участки представляют собой нерегулируемые зоны асинхронного двигателя с дросселем насыщения.
Ограниченность регулируемой зоны асинхронного двигателя с дросселем насыщения, относительно низкая жесткость регулировочных характеристик и большие тепловые потери на низких скоростях исключают возможность применения системы при необходимости глубокого регулирования. Применение таких систем технологически и экономически целесообразно для приводов с вентиляторной характеристикой (насосов, вентиляторов).
