Электропривод постоянного тока

 

Изобретение может применяться в электроприводах с требованиями к точности стабилизации скорооти в условиях ударных нагрузок. Целью изобретения является повьшение быстродействия и точности стабилизации скорости. В электропривод введен функциональньм преобразователь 15, управляемый ключевой элемент 16, блок перемножения 17, нелинейный резистор 18 и релейный элемент (РЭ) 19. Регулятор .скорости (PC) 2 содержит сумматор 20 и операционньш усилитель (СУ) 21.Характеристика ОУ 21 PC 2,при малых рассогласованиях соответствующая зоне линейности, при увеличении рассогласования становится нелинейной, что осуществляется с помощью РЭ 19, обеспечивает оптимальную по быстродействию настройку PC 2 соответственно изменившемуся значению ударной нагрузки и исключает перерегулирование при обработке рассогласований. 5 ил. (Л 11 5/L у 26 2S -CZh з-« 331 д 27 d S { Фи. 2,

СОЮЗ СОНЕтсНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (Н) (51) 4 Н 02 P 5/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Г 1

1Ю

1

I g

L л

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н Д BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1115188 (21) 3759176/24-07 (22) 28.06.84 (46) 30.04.86. Бюл. Ф 16 (71) Государственный проектный инсти— тУт "Электротяжхимпроект" (72) N.Ë.Ïðóäêoâ (53) 62-83:621.314.5 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1115188, кл. Н 02 Р 5/06, 1983. (54) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) Изобретение может применяться в электроприводах с требованиями к точности стабилизации скорости в условиях ударных нагрузок. Целью изобретения является повышение быстродействия и точности стабилизации скорости, В электропривод введен функциональный преобразователь 15, управляемый ключевой элемент 16, блок перемножения 17, нелинейный резистор 18 и релейный элемент (P3) 19. Регулятор скорости (РС) 2 содержит сумматор 20 и операционный усилитель (ОУ) 21.Характеристика ОУ 21 РС 2,при малых ч рассогласованиях соответствующая зоне линейности, при увеличении рассогласования становится нелинейной, что осуществляется с помощью РЭ 19, обеспечивает оптимальную по быстродействию настройку PC 2 соответственно изменившемуся значению ударной нагрузки и исключает перерегулирование при обработке рассогласований. 5 ил. l 228

Изобретение относится к электротехнике и может применяться в электроприводах с требованиями к точности стабилизации скорости в условиях ударных нагрузок, например, в многодвигательных электроприводах клетей непрерывных прокатных, трубопрокатных станов и т.п, агрегатов, имеющих экономическую схему питания от группового источника и индивидуальные возбуди- 1О тели.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности стабилизации скорости при переменных ударных нагрузках. 15

На фиг.1 приведена функциональная схема электропривода; на фиг.2 — функциональная схема системы управления электроприводом; на фиг.3 — временные диаграммы момента нагрузки и скорос — 20 ти двигателя; на фиг,4 — диаграммы, поясняющие работу регулятора скорости; на фиг.5 — характеристика функционального преобразователя.

208 2 прикладываться скачкообразно (напри— мер,, при входе металла в валки прокатного стана), В электропривод введен (фиг.2) функциональный преобразователь 15, управляемый ключевой элемент 16,блок

17 перемножения, нелинейный резистор 18 и релейный элемент 19, à регулятор 2 скорости соцержит последовательно соединенные сумматор 20 и операционный усилитель 21, при этом управляемый ключевой элемент 16, блок 17 перемножения и нелинейный резистор 18 соединены последовательно и включены в цепь обратной связи операционного усилителя 21 регулятора 2 скорости, цепь управления ключевого элемента 16 соединена с выходом релейного элемента 19, вход которого подключен к выходу сумматора 20 регулятора 2 скорости, а второй вход блока 17 перемножения связан с выходом функционального преобразователя 15, реализующего зависимость

ГЭГОВ производная момента электродвигатегде ля в относительных единицах, с двигателя; среднее значение постоянной времени цепи возбуждения электродвигателя при нормальном значении тока возбуждения; относительное сопв ротивление цепи якоря; сопротивление якорной цепи; нормальная ЭДС электродвигателя; относительное максимальное напряжение возбужцения; максимально воз0 макс можное напряжение возбуждения (нап"5

Электронривод (фиг, 1) содержит последовательно соединенные задатчик 1 скорости, регулятор 2 скорости, инвертор 3 с ограничением, регуля:тор тока якоря, регулятор 5 потока возбуждения и возбудитель 6, выход которого подключен к обмотке 7.возбужде— ния электродвигателя 8, якорь которого подключен к источнику стабильного напряжения (не показан)., к которому могут быть подключены и другие электродвигатели. Датчики 9 потока возбуждения и 10 скорости соединены своими выходами с вторыми входами регулятора 5 потока возбуждения и регулятора 2 скорости соответственно.

Датчик 11 тока якоря соединен с вторыми входами инвертора 3 с ограничением и регулятора 4 тока якоря, а также с первым входом блока 12 перемножения, к второму входу которого подключен выход датчика 9 потока возбуждения. К третьему входу регулято— ра 5 потока возбуждения подключен .выход усилителя 13, к входам которого подключены выход интегратора 14 и датчик 10 скорости. К четвертому входу регулятора 5 потока возбуждения подключен задатчик 1 скорости..К входам интегратора 14 подключены выходы блока 12 перемножения и усилителя 13.

Якорь двигателя 8 приводит во вращение механизм, момент нагрузки в, которого может изменяться по величине и

C = 1,„p 1 — конструктивная постоянная электроякоря электродвигателя;

1 — номинальный ток н

3 1 ряжение форсировки);

Ц„ — номинальное напряжение возбуждения; п,= М,/Mц — относительное значение момента нагрузки;

М, — момент нагрузки;

M„ — номинальный момент двигателя;

Р— частота среза конCC тура регулирования скорости в линейной области; постоянная времени а якорной цепи электродвигателя.

Регулятор скорости (фиг. 2) содержит, кроме того, резистор 22 на входе операционного усилителя 21 и резистор 23, включенный через второй управляемый ключевой элемент 24 в цепь обратной связи усилителя, Причем к управляющим цепям ключевых элементов 16 и 24 подключены инверсный и прямой выходы релейного элемента 19. Выход операционного усилителя 21 является выходом регулятора 2 скорости.

Инвертор 3 с ограничением состоит из пропорционального инвертирующего операционного усилителя 25 с входными резисторами 26 и 27 и резистором 28 обратной связи. Параллельно операционному усилителю 25 инвертора 3 включено звено 29 ограничения, которое настроено на ограничение предельно допустимого тока „ якоря электродвигателя 8. Выход операционного усилителя 25 является выходом инвертора 3 с ограничением.

Регулятор 4 тока якоря состоит из пропорционально-дифференциального (ПД) операционного усилителя 30 с входными резисторами 31 и 32, резистором 33, конденсатором 34 обратной связи и резистором 35 помехозащиты.

Выход операционного усилителя 30 яв ляется выходом регулятора 4 тока. Регулятор 5 потока возбуждения состоит из интегрально-пропорционального (ИП) операционного усилителя 36 с входными резисторами 37, 38 и 39, резистором 40 и конденсатором 41 обратной связи, а также нелинейного преобразователя 42, образующего задающий сигнал потока возбуждения и реализующего функциональную зави228208 4 симость q = < /4) вход которого

) 1 подключен к задатчику 1 скорости, а выход — к входу операционного усилителя 36, выход которого является вы- . ходом регулятора 5 потока возбуждения (К вЂ” постоянный коэффициент, а — saдающий сигнал скорости).

Электропривод работает следующим образом.

Инвертор 3 с ограничением инвертирует знак сигнала тока от датчиа ка 11 тока якоря, не изменяя его величины, так что на входе регулятора 4 сигналы от датчика 11 тока якоря взаимно компенсируется. При этом ПД-регулятор 4 является составной частью регулятора 2 скорости и обеспечивает компенсацию электромагнитной постоянной времени якорной цепи двигателя 8 в линейной зоне работы системы. Если ток двигателя а достигает предельно допустимой величины 1а, то звено 29 ам ограничения инвертора 3 вступает в работу и ограничивает выходной сигнал инвертора 3 на уровне . IIpH 9ToM инвертор 3 становится задатчиком то1 ка а„ для регулятора 4, и последний начинает выполнять функции регулятора тока якоря, ограничивая ток а

30 электродвигателя 8 на предельно допустимом уровне ам .

ИП-операционный усилитель 36 регулятора 5 потока возбуждения обеспечивает в линейной зоне работы системы компенсацию постоянной времени обмотки 7 возбуждения. Задатчиком 1 скорости задается величина скорости со, которая должна поддерживаться (стабилизироваться) с высокой точностью, т.е. действительная скорость о элек40 тродвигателя 8 должна быть равна заданной скорости у, а отклонение ЬЮ =

4) -(д при ударных йриложениях момента

) нагрузки rn должно быть минимально с возможными и отрабатываться за мини45 мально возможное время. Это способствует улучшению качества выпускаемой продукции (например, проката, бумаги и другого непрерывного материала).

При отсутствии момента нагрузки

50 (pl О) на входе регулятора 2 скорости сигналы задающий и обратной связи равны ((о в - И), выходной сигнал регулятора 2 нулевой, соответственно равны нулю сигналы щ с выхода регуляд

55 тора 4 и дц с входа усилителя 13.

Задающим сигналом q регулятора 5 по3 тока возбуждения при этом является только сигнал с выхода задатчика 1

m = rn - p ) 43 >

=е)сы;, ) (i) з5 где К> 0<

И1-1(f

1!р

5 1228 скорости, пропущенный через нелинейный преобразователь 42 регулятора 5, Заданное значение потока возбуждения составляет где е — ЭДС двигателя 8; с — постоянная электродвигателя 8;

При регулировании скорости изменением потока возбуждения g ЭДС е поддерживается постоянной (при III =О), Поэтому нелинейный преобразователь 42 реализует функциональную зависимость

При наличии момента нагрузки rrI заданное значение потока возбуждения ZÎ

<у в установившемся режиме должно быть уменьшено на вепичину KII< =

= п1, яд (в относительных единицах, где p . — относительная постоянная величина сопротивления цепи якоря двигателя 8), чтобы скорость Ю не изменилась, т,е, осталось неизменным равенство Q =Q, Сигнал Ыу получается с помощью усилителя 13, который вместе с интегратором 14 образует ЗО контур, функционирующий согласно уравнению коэффициент усиления и выходной сигнал усилителя 13; 4О выходной сигнал блока 12 перемножения, пропорциональный электромагнитному моменту электродвигателя 8; постоянная времени интегратора 14; символ интегрирования.

Из уравнения (1) легко получить

Если постоянную времени с< принять равной инерционной постоянной 1 двигателя 8, т.е. с<4 =1, то числитель

208 Ь выражения (2) станет равным величине статического момента rrI, т.к. где р — символ дифференцирования.

Выражение (Z) при этом можно записать в виде т.е, сигнал на выходе усилителя 13 пропорционален моменту <и,.

jIpH отсутствии момента нагрузки (<11,--- О) 0<э = О, т.е. выходной сиг— нал усилителя 13 также равен нулю, Сигнал йс = — rrlcp получается на входе регулятора 5 потока возбуждения соответствующим выбором входного резистора 39 регулятора 5 по входу усилителя 13.

При ударном приложении к электродвигателю 8 момента нагрузки rrI < (фиг.3) на интервале времени Оа происходит нарастание со средней крутизной m электромагнитного момента

m электродвигателя 8 до величины m

<

Крутизна ъ нарастания момента nrне остается постоянной„ а зависит от величины момента нагрузки 1п„, поскольку инерционность якоря электродвигателя 8 и прохождение траекторией момента <и линейной зоны системы регулирования скорости (до выхода форсировок на ограничение 0 ) изменяют линейность траектории нарастания момента >и и его среднюю крутиз< ну m . Как показали исследования, средняя крутизна (производная) траектории момента rr< двигателя при ударном приложении момента нагрузки Ф может быть выражена следующей зависимостью (для относительных величин): — -1

<,, 1,„, ;l " rr< 2 р 2) 4 гв

«ЛС - ; С

Из (5) следует, что средняя крутизна rr нелинейно зависит от момента нагрузки m и увеличивается с увеличением момента «<с (паРаметРы С,0 с вм

Я, сд можно считать постоянными и не зависящими от режима работы электропривода). График зависимости 111 = (6) с Ь д Ра (п с 31

7, 1228

= 3 (rn,) приведен на фиг.5. Пока электромагнитный момент tTl электродвигателя 8 меньше момента нагрузки ес с (интервал времени Оа), происходит снижение скорости С электродвигателя 8 и увеличение рассогласования по скорости аи . Исходя из уравнения (3), при rn tn, знак динамического момента в = 01и отрицательный, ускод рение электродвигателя 8 соответственно отрицательное и имеет место снижение скорости(0 .

В момент времени а (фиг.3) величина rn достигает величины rn, снижение скорости прекращается (рассогласование Ь(д прекращает увеличиваться) .

Для последующей отработки рассогласования ду, достигшего к моменту времени а максимальной величины, динамический момент rn> должен стать положительным, чтобы обеспечить рост скорости у до первоначальной величи ны (д и соответственно для сведения рассогласования ь д, к нулю.

Таким образом, на интервале времени ав необходимо так управлять динамической составляющей m> момента tn электродвигателя 8, чтобы ко времени в полностью свести рассогласование Ьы к нулю. При этом крутизна д, изменения момента m должна быть предельно возможной. Чтобы управлять динамической составляющей момента электродвигателя 8 с обеспечением пре35 дельной по быстродействию отработки рассогласования ьЫ,, на операционный усилитель 21 регулятора 2 скорости возложена функция управления толь40 ко динамической составляющей момента, т,е, выходной сигнал операционного усилителя 21 регулятора 2 скорости соответствует заданию динамической составляющей момента И . Соответст45 вующий величине вд задающий сигнал

Ыд, поступающий с выхода регулятора 4 тока на вход регулятора 5 потока возбуждения и изменяющий задание потока возбуждения двигателя 8, пропорцио50 нален заданию щд в соответствии с выражением ьу = -mph „ (B относительных величинах). Таким образом, результирующее изменение задающего сигнала pq регулятора 5 потока возбуждения от усилителей 30 и 13

208 8 пропорционально изменению полного момента щ электродвигателя 8: в =я,+п д.

В процессе отработки рассогласования ь(д, (интервал времени ав, фиг.3) характеристика операционного усилителя 21 регулятора 2 скорости соответствует выражению что обеспечивает управление динамической составляющей щд момента электродвигателя 8 оптимальным по быстродействию способом: изменение с предельно возможной крутизной а, и переключением в точке г, (фиг,З) на снижение момента вд до нуля в точке Э, °

При меньших нагрузках т отработка сз

ag ведется в соответствии с графиком г

0е г7 Зя (фиг 3)

Характеристика операционного усилителя 21 регулятора 2 скорости приведена на фиг.4 ° В зоне Ож, т.е. при малых рассогласованиях Ья, характерис"гика соответствует зоне линейности.

При увеличении рассогласования р в точке ж характеристика переключается и становится нелинейной — s< и, или з и, Нелинейная часть характеристики усилителя 21 описывается функцией (6), а переход с характеристики з,и, на характеристику з и (фиг.4) происходит при изменении предельной средней крутизны нарастания момента которая зависит от момента нагрузки пс и определяется функциональным преобразователем 15, реализующим благодаря подключению к усилителю 13 функциональную зависимость (5). Значение m вводится в обратную связь операционного усилителя 21 регулятора 2 скорости с помощью блока 17 перемножения.

Переключение характеристик операционного усилителя 21 с линейной Ож на нелинейную зи осуществляется с помощью релейного звена 19 (фиг.2), упр а вляюще го по сигналу сумматора 20 ключами 16 и 24. При малых величинах ьы в обратную связь усилителя 21 ключом 24 вводится линейный резистор 23 (характеристика ож), при больших ьи ключом 16 вводится нелинейный резистор 18 с последовательно включенным блоком 17 перемножения (характеристика з,и, или 3 и в зависимости от сигнала на выходе функционального преобразователя 15 и на входе блока 17 перемножения .

10 — с - ЗЦвм с О

3 Bì с 2 сс ал

LARES

1 Е„

1 н

9

Е н рн» сопротивление якорной цепи; номинальная ЗДС электродвигателя; относительное макU =Ц /11

Оманс Bk ное напряжение возбуждения (напряжение форсировки); номинальное напряжение возбуждения; относительное значение момента нагрузки; момент нагрузки; номинальный момент

1) вн с с/ н

М с

М н двигателя; частота среза контура регулирования скорости в линейной области; постоянная времени якорной цепи электродвигателя.

9 1228208

Благодаря переключениям характеристики операционного усилителя 21 с линейной (ож) на нелинейную (зи) обеспечивается предельная по быстродействию отработка ударных воздейст- где вий нагрузки щ . При переключении на нелинейную характеристику зи в зоне больших рассогласований Ь(д благодаря изменениям характеристики операционного усилителя 21 — з и, или з и 1iO (фиг.4) — обеспечивается оптимальная по быстродействию настройка регулятора скорости соответственно изменившемуся значению ударной нагрузки rn исключаются перерегулирования при отработке рассогласований АЯ, соответственно повышается быстродействие и точность стабилизации скорости электропривода при переменных ударных нагрузках. 20

Формула изобретения

ЭлектрЬпривод постоянного тока по авт.св. В 1115188, о т л и ч а ю-,25 шийся тем, что, с целью повы,шения быстродействия и точности ста .билизации скорости при.переменных ударных нагрузках, в него введены функциональный преобразователь, управляемый ключевой элемент, блок перемножения, нелинейный резистор и релейный элемент, а регулятор скорости содержит последовательно соединенные сумматор и операционный усилитель, 3g при этом управляемый ключевой элемент, блок перемножения и нелинейный резистор соединены последовательно и включены в цепь обратной связи операционного усилителя регулятора ско- 40 рости, цепь управления ключевого элемента соединена с выходом релейного элемента, вход которого подключен к выходу сумматора регулятора скорости, а второй вход блока пере- 45 множения связан с выходом функционального преобразователя, реализующего зависимость производная момента электродвигателя в относительных еди,ницах, с конструктивная постоянная электродвигателя; среднее значение постоянной времени цепи возбуждения электродвигателя при номинальном значении тока возбуждения; относительное сопротивление цепи якоря электродвигателя; номинальный ток якосимальное напряжение возбуждения; — максимально возможмс»нс

1228208

Составитель В.Кузнецова

Техред Н.Бонкало

Корректор H.Ìóñêà

Редактор И,Рыбченко

Заказ 2294/55 Тираж 631

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4