Электропривод постоянного тока

 

ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий электродвигатель, в цепь возбуждения которого включен последовательно соединенные задатчи и регулятор частоты вращения и последовательно соединенные регулятор потока возбуждения и возбудитель, a также блок перемножения и подключен ные к входам соответствующих регуля торов датчики частоты вращения и потока возбуждения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и точности стабилизации частоты вращения при ударных нагрузках , в него введены последовательно соединенные инвертор с ограни чением и первый усилитель, последовательно соединенные инвертор и второй усилитель, a также датчик тока якоря, выход которого соединен с входами инвертора и первого усилителя , при этом вход инвертора связан с выходом регулятора частоты вращения, a выход первого усилителя подключен к входу регулятора потока возбуждения , третий и четвертый входы которого соединены соответственно с задатчиком частоты вращения и с выходом второго усилителя, вход которого связан с выходом датчика частоты вращения, a входы инвертора подключены к выходам второго усилителя и блока перемножения, соединенного входами с датчиками потока возбуждения и тока якоря.

СОКИ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

PKCfb%JNH

09) 01) pe Н.02 Р 5 06

«

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ - = .;- - ::." .

М *RDPCICNAf СЗВЩЕТЮ ЪС«ВУ

" ьГ«.«. Тс« .:;: 1, (21) 3629424/24-07 (22) 05.08.83 (46) 23.09.84. Бюл. У 35 (72) М.Л. Прудков и Б.Э. Аксельрод (71) Государственный проектный институт "Электротяжхимпроект" (53) 62.-83:621.314.5(088.8) (56) 1. Патент Японии В 4612009, кл. Н 02 Р 5/00, опублик. 27.03.71.

2. Заявка ФРГ 1 2337722, кл. Н 02 Р 5/00, 1977.

3. Справочник по наладке электрооборудования промьппленньи предприятий. Под ред. М.Г. Зименкова, Г.В. Розенберга, Е.М. Феськова.

Изд. 3-е. М., Энергоатомиздат, 1983, с. 347-350, рис. 8-100. (54)(57) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО

ТОКА, содержащий электродвигатель, в цепь возбуждения которого включены последовательно соединенные задатчик и регулятор частоты вращения и последовательно соединенные регулятор потока возбуждения и возбудитель, а также блок перемножения и подключенные к входам соответствующих регуляг торов датчики частоты вращения и потока возбуждения, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повыпения надежности и- точности стабилиза. ции частоты вращения при ударных нагрузках, в него введены последовательно соединенные инвертор с ограни чением и первый усилитель, последовательно соединенные инвертор и второй усилитель, а также датчик тока якоря, выход которого соединен с входами инвертора и. первого усилителя, при этом вход инвертора связан с выходом регулятора частоты вращения, а выход первого усилителя подключен к входу регулятора потока возбуждения, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с эадатчиком частоты вращения и с выходом второго усилителя, вход которого связан с выходом датчика частоты вращения, а входы инвертора подключены к выходам второго усилителя и блока перемножения, соединенного входами с датчиками потока возбуждения и тока якоря.

Изобретение относится к электротехнике н может найти применение в механизмах, требующих высокой точности стабилизации скорости при ударных нагрузках, например в многодвигательных приводах клетей непрерывных прокатных, трубопрокатных станов и других агрегатов, имеющих экономическую схему питания от группового источника и индивидуальные возбуди- 16 тели.

Известен электропривод постоянного тока, содержащий включенные по схеме подчиненного регулирования задатчик частоты вращения, регулятор д5 частоты вращения, инвертор с ограничителем, регулятор тока, силовой преобразователь, двигатель и датчики обратных связей по частоте вращения, току и напряжению двигателя. При щ этом датчик тока подключен к входам инвертора и регулятора тока, а датчик напряжения — к другому входу инвертора, так что инвертор выполняет функции пропорционального регулятора

ЭДС двигателя Р13.

Однако этот электропривод не обеспечивает управления .двигателем по цепи возбуждения при экономичной схеме питания от группового источника и быстродействующей отработки динамических провалов частоты вращения при ударных приложениях нагрузки вследствие повышенной колебательности из-за наличия в регуляторе скорости интегральной части.

Известен также электропривод постоянного тока, содержащий включен" ные по схеме подчиненного регулирова ния задатчик частоты вращения, регулятор частоты вращения, регулятор тока, силовой преобразователь, двигатель и датчикн обратных связей по частоте вращения, току и моменту двигателя, причем датчик момента подключен по схеме положительной связи к входу регулятора тока 2 .

Однако данный электропривод Не обеспечивает управления двигателем по цепи возбуждения при экономичной 50 схеме питания от группового источника, требует установки на передаточном валу от двигателя к механизму датчика момента, что усложняет установку.

Наиболее близким к изобретению 55 по технической сущности и достигаемому результату является электропри-I вод постоянного тока, содержащий

188 2 электродвигатель, в цепь возбуждения которого включены последовательно соединенные задатчик и регулятор частоты вращения и последовательно соединенные регулятор потока возбуждения и возбудитель, а также блок перемножения и подключенные к входам соответствующих регуляторов датчики частоты вращения и потока возбуждения C3 j.

Недостатками известного электропривода являются низкая надежность в связи с отсутствием токоограничения при перегрузках двигателя, а так же низкие быстродействие и точность стабилизации частоты вращения при ограниченности напряжения возбудителя и соответственно форсировок возбуждения.

Ограниченность форсировок возбуждения является причиной того, что прн ударном приложении нагрузки и отработке рассогласования по частоте вращения регулятор потока возбуждения не в состоянии скомпенсировать инерционность обмотки возбуждения двигателя как объекта регулирования потока возбуждения. Это вызывает возрастание эквивалентной инерционности внутреннего контура регулирования потока возбуждения, а для обеспечения устойчивости работы электропривода при этом необходимо соответственно увеличивать инерционность внешнего контура регулирования частоты вращения. Это приводит к снижению быстродействия электропривода, замедленной отработке динамических провалов частоты вращения при ударных приложениях нагрузки и соответственно к понижению точности стабилизации частоты вращения.

Цель изобретения — повышение надежности и точности стабилизации частоты вращения при ударных нагрузках. !

Цель достигается тем, что в электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель, в цепь возбуждения которого включены последователь,но соединенные задатчик и регулятор частоты вращения и последовательно соединенные регулятор потока возбуждения и возбудитель, а также блок перемножения и подключенные к входам соответствующих регуляторов датчики частоты вращения и потока возбуждения, введены последовательно соединенные инвертор с ограничением

3 11151 и первый усилитель, последовательно соединенные интегратор и второй усилитель, а также датчик тока якоря, выход которого соединен с входами инвертора и первого усилителя, при этом вход инвертора связан с выходом регулятора частоты вращения, а выход первого усилителя подключен к входу регулятора потока возбуждения, третий и четвертый входы которого 1р соединены соответственно с задатчиком частоты вращения и с выходом второго усилителя, вход которого свя. зан с датчиком частоты вращения, а входы интегратора подключены к выходам второго усилителя и блока перемножения, соединенного входами с датчиками потока возбу:кдения и тока якоря.

На фиг. 1 приведена функциональная схема электропривода; на фиг.2 функциональная схема регулятора частоты вращения, регулятора потока возбуждения, инвертора с ограничением и первого усилителя; на фиг. 3 и 4 — 25 диаграммы, поясняющие работу электропривода.

Электропривод содержит электродвигатель с якорной обмоткой 1 и обмоткой 2 возбуждения, в цепь которой включены последовательно соединенные эадатчик 3 и регулятор 4 частоты вращения и последовательно соединенные регулятор 5 потока возбуждения и возбудитель 6, а также блок 7 пе- 3g ремножеиия и подключенные к входам соответствующих регуляторов датчики

8 и 9 частоты вращения и потока возбуждения. Электропривод также содержит последовательно соединенные ин- 40 вертор 10 с ограничением и усилитель

11, последовательно соединенные интегратор 12 и усилитель 13, а также датчик 14 тока якоря, выход которого соединен с входами инвертора IO 45 и усилителя 11, при этом вход инвертора 10 связан с выходом регулятора 4 частоты вращения, а выход усилителя

11 подключен к входу регулятора 5 потока возбуждения, третий и четвер- Sg тый входы которого соединены соответственно с задатчиком 3 частоты вращения и с выходом усилителя 13, вход которого связан с выходом датчика 8 частоты вращения,а входы интегратора

12 подключены к выходам усилителя 13 и блока 7 перемножения, соединенного своими входами с датчиком 9 пото88 4 ка возбуждения и датчиком 14 тока якоря. Якорь 1 электродвигателя приводит во вращение механизм с момен- том нагрузки п, который может прикладываться скачком (например, при входе металла в валки клети).

Регулятор частоты вращения состоит (фиг. 2) иэ последовательно включенных сумматора 15, операционного пропорционального усилителя 16 с входным резистором 17, линейным 18 и нелинейным 19 обратных связей, а также бесконтактных ключей 20 и 21 и.реле .. ного элемента 22. При этом бесконтактные ключи 20 и 21 включены между выходом операционного усилителя 16 и выводами резисторов соответственно

18 и 19, к входам управления ключей

20 и 21 подключены соответственно инверсный и прямой выходы релейного элемента 22, вход которого подключен к выходу сумматора 15. Выход операционного усилителя 16 является выходом регулятора 4 частоты вращения.

Инвертор 10 с ограничением состо" ит из пропорционального инвертируюФ щего операционного усилителя 23 с входными резисторами 24 и 25 и резистором 26 обратной связи. Параллельно операционному усилителю 23 ннвертора

10 включено звено 27 ограничения, которое настроено на ограничение предельно допустимого тока якоря двигателя. Выход операционного усилителя 23 является выходом инвертора

10 с ограничением.

Усилитель 11 состоит из пропорционально-дифференциального (ПД) операционного усилителя. 28 с входными резисторами 29 и 30, резистором 31 и конденсатором 32 обратной связи и резистором 33 помехозащиты. Выход операционного усилителя 28 является выходом усилителя 11.

Регулятор 5 потока возбуждения состоит из интегрально-пропорционального (ИП) операционного усилителя 34 с входными резисторами 3537, резистором 38 и конденсатором

39 обратной связи, а также нелиней" ного преобразователя 40, образующего задающий сигнал потока возбуждения э и реализующего функциональную зависимость + =<, вход которого подключен к задатчику 3 частоты вращения, а выход — к входу операционного усилителя 34, выход которого является выходом регулятора

1115188

5 потока возбуждения (-"постоянный коэффициент; 40 — sapàþùèé сигнал скорости).

Электропривод работает следующим образом.

Инвертор 10 с ограничением инвертирует знак сигнала тока ъч.от датчика 14 тока якоря, не изменяя его величины, так что на входе усилителя

11. сигналы от датчика 14 тока якоря взаимно компенсируются. При этом

ПД-усилитель 11 является составной частью регулятора 4 частоты вращения и обеспечивает компенсацию электромагнитной постоянной времени якорной цепи электродвигателя в линейной зоне работы системы. Если ток

L двигателя, о, достигает предельно допустимой для электродвигателя величины 1сц,1, то звено ограничения 27 инвертора 10 вступает в работу и ограничивает выходной сигнал инвертора 10 на уровне i >. При этом инвертор 10 становится задатчиком тока Ъо для усилителя 11, и последний начинает выполнять функции регулятора тока, ограничивая ток ъс, электродвигателя на предельно допустимом уровне ioö . Усилитель 34 регулятора

5 потока возбуждения обеспечивает в линейной зоне работы системы ком- пенсацию постоянной времени обмотки, 2 возбуждения. Задатчиком 3 частоты вращения задается величина скорости (dy которая должна поддерживаться б (стабилизироваться) с высокой точностью, т.е. действительная скорость а электродвигателя д лжйа быть равна заданной скорости h)g (Ю=Ю ), а отклонения 4Ф =(И -(а при ударных приложениях момента нагрузки ас должны быть минимально возможными и отрабатываться за минимально возможное время. Это способствует улучшению качества выпускаемой продукции (например, проката) бумаги и другого непрерывного материала).

При отсутствии момента нагрузки (wc=0) на входе регулятора 4 частоты вращения сигналы задающей и обратной связи равны (Ю =Ы), выходной сигнал регулятора 4 — нулевой, соответственно равны нулю сигналы Ь< „ с выхода усилителя 11 и 4ф с выхода усилителя 13. Задающим сигналом фь регулятора 5 потока возбуждения при этом является только сигнал с выхода задатчика 3 частоты вращения, пропущенный через линейный преобразователь 40 регулятора 5

Заданное значение потока возбуждения

5 ,,-е/сж,, где е " ЭДС электродвигателя; с — постоянная электродвигателя.

При регулировании скорости (4)изменением возбуждения ф ЭДС е поддерживается постоянной (при inc=0), поэтому нелинейный преобразователь 40 реализует функциональную зависимость

q)9 1 003

При наличии момента нагрузки rA . заданное значение потока возбуждения с з в установившемся режиме должно быть уменьшено на величину Ь + =

=Ф (в относительных единицах, где

Pg " относительная постоянная величина сопротивления цепи якоря электродвигателя), чтобы частота вращения й) не изменилась, т.е. осталось неизменным равенство 60-=(8g. Сигнал4ф получается с помощью усилителя 13, который вместе с интегратором 12 образует контур, функционирующий

30 согласно уравнению 1 (<<-0 ) -ю1 U (1)

З5 где К„, Ц вЂ” коэффициент усиления и выходной сигнал усилителя 13; й1- †выходной сигнал блока

7 перемножения, про40 порциональный электромагнитному моменту электродвигателя; Ь вЂ” постоянная времени интегратора;

45, 1/p — символ интегрирования.

Из уравнения (1)

- 43 (п -1 "12 Э« А2 )5). (ll)

5O . .Если постоянную времени принять равной инерционной постоянной1 электродвигателя, т.е. щ =, то числитель выражения (2) становится равным величине статического момен-.

SS та N,, так как с =п1- Ц

1115188.. 8 (I V) 25

1 1 = 1 ЦВМ

35

5 где р — символ дифференцирования.

Тогда выражение (2) можно записать в виде, т.е. сигнал на выходе усилителя 13 ,пропорционален моменту п . При отL сутствии момента нагрузки пас=0 и

U 0, т.е. выходной сигнал усилителя 1 3 также равен нулю. Сигнал а с

ЩЯд получается на входе регулятора 5 потока возбуждения соответствующим выбором сопротивления резистора 37 регулятора 5 по входу усилителя 13.

При ударном приложении к электродвигателю момента нагрузки (фиг. 3) на интервале времени Од происходит нарастание с крутизной Wl электромагнитного момента и электродвига теля до величины Wl, Крутизна п нарастания момента п1 двигателя является предельно возможной и ограничивается величиной форсировки возбуждения электродвигателя или максимальным напряжением возбудителя

6 Озм. где С„ — конструктивная постоянная электродвигателя.

Пока электромагнитный момент ю электроДвигателя меньше момента нагрузки Ю (Фс<), интервал времени

0О происходит снижение частоты вращения (р> электродвигателя и увеличение рассогласования ah/, из уравнения (3) при всю, знак динамического момента П1 = Р 1 отрицательный, ускорение электродвигателя соответственно отрицательное и имеет место снижение Gs. В момент времени (фиг. 3) величина п1 достигает вели. чины \ъ, снижение скорости прекращается (рассогласование не увеличивается).

Для последующей отработки рассогласования дЮ, достигшего к моменту времени 0 максимальной величины, динамический момент должен стать положительным, чтобы обеспечить рост частоты вращения ю до первоначальной величины ы) и соответственно для сведения рассогласования ы к нулю.

Таким образом, на. интервале времени оЬ необходимо так управлять ди

20 с 0 Яа(1Пс+ 11 21

r пропорциональна изменению полного момента rn электродвигателя

1 = 1т1с" 11 0

В процессе отработки рассогласования ьы (интервал времени с Ь, фиг.3) характеристика операционного усилителя регулятора 4 частоты вращения соответствует выражению

> 2m .na) в1и ыа (VI) что обеспечивает управление динамической составляющей момента электродвигателя »а оптимальным по быстродействию способом, т.е. изменение с предельно возможной крутизной щ и переключением в точке 2(фиг. 3) на снижение момента ю до нуля в точке

Характеристика операционного усилителя 16 регулятора 4 частоты вращения приведена на фиг. 4. В зоне ож, т.е. при малых рассогласаваниях, характеристика соответствует намической составляющей момента т электродвигателя, чтобы ко времени

Ь полностью свести рассогласованием г к нулю. При этом крутизна изменения момента т" должна быть предельно< возможной.

Чтобы управлять динамической составляющей момента электродвигателя с обеспечением предельной по быстродействию отработки рассогласования ba0 в предлагаемой электроприводе на операционный усилитель регулятора 4 частоты вращения в отличие от известного электропривода возложена функция управления только динамической составляющей момента, т.е. выходной сигнал операционного уси- лителя 16 регулятора 4 частоты вра-. щения соответствует заданию динамической составляющей момента Щ .

Соответствующий величине rn задающий сигнал аф, поступающий с вы- хода усилителя 11 на вход регулятора 5 потока возбуждения и изменяющий задание потока возбуждения электродвигателя, пропорционален заданию lYlq в соответствии с выражением фд =-юане (B относительных величинах). Таким образом, результирующее изменение задающего сигнала аф регулятора 5 потока возбуждения от усилителей 11 и 13

9 1t зоне, линейности. При увеличении рассогласованияьа в точке ж харатеристика переключается и становится нелинейной (интервал зи). Последняя описывается функцией (6).

Переключение характеристик операционного усилителя 16 осуществля- етсм с помощью релейного звена 22 (фиг. 2), управляющего по сигналу сумматора 15 ключами 20 и 21. При малых величинах жа) в обратную связь операционного усилителя t6 ключом

20 вводится линейный резистор !8, при больших йм ключом 21 вводится нелинейный резистор 19 (или нелинейный преобразователь). Таким образом, вместо ИП-регулятора скорости у известного электропривода в предлагаемом электроприводе применяется пропорциональный нелинейный регулятор 4 частоты вращения, который в неустановившихся режимах управляет через поток возбуждения соответственно динамической составляющей момента »по» двигателя. Применение контура, образованного усилителем 13 и интегратором 12 и управляющего через поток возбуждения соответственно статической составляющей момента N», 1518&

10 обеспечивает астатическое регулирование скорости, т.е. в установившихся режимах обеспечивает независимо от величины нагрузки m, равенство®=Ю, или нулевую статическую ошибку.

ИП-регулятор частоты вращения (или регулятор с интегральной частью) у известного электропривода совмеtO щает функции управления статической и динамической составляющими момента двигателя, что вызывает повышенную колебательность скорости при отработке рассогласования и в связи с этим не обеспечивает быстродействующей отработки рассогласования А о при ударном приложении нагрузки.

Благодаря разделению функции по управлению потоком возбуждения соот"

2О ветственно статической т» и динамической юа составляющими момента й.» электродвигателя в данном электропри-, воде обеспечивается предельная по быстродействию отработка динамичес25 ких просадок скорости при ударных приложениях нагрузки, соответственно повышается точность стабилизации скорости электропривода и качество производимой продукции.

1115188

Заказ 6788/42

Тираж 666 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В. Кузнецова

Редактор И. Николайчук ТехредС.Легеза Корректор Ю. Макаренко