Электропривод постоянного тока

Электропривод постоянного тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДДТЕГьЬСТВУ

<1681528

1, -. (51)М .К

Н 02 Р 5/06 (6!) Дополнительное к ает. саид-ву— (22) Заявлено 1904.77 (21) 2477565/24-07 с присоедииеиивм заявки Йо (23) Приоритет

Опубликовано 25.08.79. Бюллетень Ио 31

Дата опубликования описания 2508.79

Государственный комнтет

СССР

ll0 делам нзобретеннй н открытий (53) УДК621. 316. .718.5 (088.8) (72) Авторы изобретения

A.È.Âàõpàìååâ, A.М. Вейнгер, А.С. Гусев и Ю.С.Тартаковский

Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С.N.Êèðoâà и Свердловское отделение Государственного проектного института Тяжпромэлектропроект (71) Заявители (54) ЗЛВКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА г.де кп

Изобретение относится к регулируемым вентильным электроприводам постоянного тока и может быть использовано в электроприводах с нереверсивными вентильными преобразователя.ми, работающими с прерывистыми токами, а также в электроприводах с реверсивными преобразователями без уравнительных токов. 10

Известны электроприводы постоянного тока, содержащие вентильный преобразователь без уравнительных токов с так называемыми адаптивными регуляторами тока, в которых в зависимости от режима работы преобразователя осуществляется перестройка регулятора тока. Эта перестройка необходима для обеспечения высокого качества регулирования тока и скорости двигателя как в режимах непрерывного, так и в режимах прерывистого тока преобразователя и осуществ ляется релейно (скачком) в зависимости от величины тока двигателя 2с так, что в режиме прерывистых токов, в момент бестоковой паузы, регулятор тока представляет собой интегральное (И) звено, а в режиме непрерывного тока — пропорционально-интегральное (ПИ) звено с передаточной функцией е

Кп.2Т Р (1)

r и Рс» — активное сопротивление и индуктивность якорной цепи двигателя в сумме с внутренними эквивалентными параметрами преобразователя в режиме непрерывного тока; — коэффициент передачи вентильного преобразователя; — постоянная времени фильтра, устанавливаемого на входе системы импульсно-фазового управления (СИОУ) преобразователя для обеспечения помехоэащищенности и работоспособности (при учете дискретности управления) вентильного преобразователя. (Здесь н далее все переменные и

6 81528 параметры, кроме постоянных времени, рассматриваются в относительных единицах. В качестве базовЫх ВелИчин принимаются номинальные значения соответствующих переменных) (1) .

При прерывистом токе вентильного преобразователя такой адаптивный регулЯтор работает в режиме широтно- 10 импульсного модулированного переключения и является по сути самонастраивающимся корректирующим элементом с коррекцией параметров в функции тока с возможным запаздыванием в )5 самонастройке на период дискретности преобразователя. Кроме запаздывания в самонастройке, электроприводы с такими регуляторами имеют и другие недостатки: низкая помехоза- gp щищенность, связанная с наличием в системе регулирования дискретных элементов с весьма низким порогом срабатывания, сложность в настройке

t черезвычайно высокие требования к

25 полосе пропускания измерителей токов и регуляторов.

Поэтому весьма перспективным представляется применение электроприводов с другим классом самонастраиваю- о щихся регуляторов тока — злектроприводов, в которых перестройка параметров регуляторов производится не в функции тока, а в функции управляюще- . го сигнала, и не дискретно, а плавно.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является электропривод, в котором используется вентильный преобразователь без уравнительных токов, питающий якорную цепь двигателя постоянного тока, регулятор скорости, вход которого соединен с выходом задающего устройства и с датчиком скорости, пропорциональный регулятор тока, в цепи обратной связи которого установлен 45 нелинейный элемент, причем один вход регулятора тока соединен с выходом регулятора скорости, второй вход подключен к датчику тока, а выход пропорционального регулятора 50 тока соединен со входом вентильного преобразователя. В таком электроприводе для линеарнзации зависимости между током =-ентильного преобразователя и напряжением управления приме- 5 нен нелинейный элемент. Характеристика нелинейного элемента выбирается в соответствии с характеристикой преобразователя (2).

Известно, что в режиме прерывистого тока, когда ток в течение определенных интервалов времени равен нулю, эквивалентное внутреннее сопротивление вентильного,преобразователя àï резко возрастает и является

Функцией напряжения управления на 65 входе СИФУ и противо-ЭДС нагрузки. (Вентильный преобразователь с цепью нагрузки можно представить в виде эквивалентного генератора с неизменным коэффициентом передачи К, работающего на противо-ЭДС, индуктивность якорной цепи и нелинейное активное сопротивление, величина которого зависит от напряжения управления преобразователем и от величины противо-ЭДС). Поэтому коэффициент передачи нелинейного элемента должен выбираться в соответствии с равенством ап (2)

К нэ р

cl

В этом злектроприводе обеспечивается примерно одинаковое качество регулирования скорости как в режиме непрерывного, так и в режиме прерывистого токов.

Однако существенным недостатком этого электропривода является то, что здесь может быть применен только пропорциональный регулятор тока (ввиду наличия нелинейного элемента в цепи обратной связи регулятора). Коэффициент усиления регулятора при работе привода с непрерывным током преобразователя не может быть выбран большим, чем П-часть передаточной функции (1); а (3)

Рт К„ 2т

При этом в режиме нейрерывного тока контур регулирования тока двигателя будет статическим с ошибкой в токе, определяемой соотношением

2 Т,с

Д - — ) е 2тдiTd где = — — электромагнитная поса тоянная времени якорной цепи двигателя.

Ошибка в токе при реальных параметрах электропривода может достигать нескольких десятков процентов и приводит к недоиспользованию двигателя в режимах упора и в режимах пуска и торможения привода с предельным током двигателя, а также к увеличению динамической ошибки в скорости. В конечном счете наличие такой ошибки в таком электроприводе . приводит к ухудшению его статических и динамических характеристик.

Такой электропривод не нашел применения для мощных механизмов с высокими требованиями к качеству регулирования, например для металлургической промышленности.

Цель изобретения — получение высокого качества статических и динамических характеристик электропривода во всем диапазоне изменения тока и напряжения вентильного преобразователя.

Указанная цель достигается тем, что в электропривод, содержащий вентильный преооразователь, ограни681528!

1S

25

50

60 читель углов управления вентилями, регулятор скорости датчика тока, датчик ЭДС, нелине;:ный элемент и пропорциональный регулятор тока, sxo которого соединены с выходами ,регулятора скорости, датчики тока, датчика ЭДС и нелинейного элемента, а выход пропорционального регулятора тока соединен со входом вентильного преобразователя и со входом ограничителя углов управления вентилями, дополнительно введен интегральный регулятор тока, выход которого соединен со входом нелинейного элемента, а нходы подключены к выходу регулятора скорости и к выходу датчика тока . Кроме того, выход ограничителя углов управления соединен с третьим входом интегрального регулятора тока. Поскольку н режиме прерывистого тока изменяется только активное сопротивление якорной цепи, и этом режиме необходимо изменять лищь интегральную составляющую регулятора тока, что и достигается введением интегрального регулятора тока, выход которого через нелинейный элемент соединен с пропорциональным регулятором тока.

Яа фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого электропривода постоянного тока; на фиг. 2— структурная схема электропривода; а) исходная, б) преобразованная; на фиг. 3 — характеристики нелинейного элемента при различных ЭДС преобразователя (сплошной лнчией характеристики идеального нелинейного элемента) пунктиром — упрощенного, при апроксимации кривой тремя линиями); на Фиг. 4 — принципиальная схема упрощенного варианта нелинейного элемента.

Злектропривод (см.фиг.l) содержит вентильный преобразователь 1, питающий якорную цепь двигателя "., датчик скорости (тахогенератор) 3, напряжение на выходе которого служит в-качестве сигнала обратной связи регулятора скорости 4, интегральный.регулятор тока 5; воздействующий на нелинейный элемент 6 (характеристика которого приведена на фиг.3), пропорциональный регулятор тока 7, датчик тока 8, напряжение выхода которого служит в качестве сигнала обратной связи регуляторов тока 5 и 7, датчик ЭДС 9, на вход которого действуют сигналы датчика тока 8 и датчика

lÎ напряжения на двигателе, ограничитель 11 углов управления вентилями, ограничитель 12 максимального тока и задающее устройство 13, выходной сигнал которого является заданием на скорость двигателя. Выходной сигнал регулятора скорости 4 служит заданием для регуляторов тока 5 и 7. Вентильный преобразователь работает без уравнительных токов, т.е. для реверсинных электропринодов выполняется с раздельным либо с совместным рассогласонанным управлением.

Работа электропринода происходит следующим образом. Сигнал задания скорости МВ подается с выхода задающего устройства 13 на вход регулятора скорости 4, где суммируется с сиrналом отрицательной обратной

° - связи no c o ooTH V, н качестве которого используется выходное напряжение тахогенератора 3, соединенного с якорем двигателя 2. Выходное напряжение регулятора скорости 4 пропорционально заданному значению тока 13 дни -ателя и является заданием на регуляторы тока 5 н 7. Максимальное значение задания тока ограничивается ограничителем 12. На нходах интегрального 5 и пропорционального 7 регуляторов тока происходит сравнение заданного и действительного д значений тока двигателя.

В качестве сигнала отрицательной обратной связи по току днигателя используется выходное напряжение датчика тока 8. Кроме того, на вход пропорционального регулятора тока 7 заведена жесткая положительная связь по ЭДС днигателя, Формируемая датчиком ЭДС 9. При рабсте привода на идеальном холостом ходу, когда ток двигателя равен нулю, напряжение на выходе пропорцинального регулятора

7 равно ЗДС двигателя (н относительных единицах). На выходе интегрального регулятора тока 5 устанозлен нелинейный элемент 6, компенсирующий нелинейность характернcòèêê нентильного преобразователя 1 в зоне прерывистых токов, гоэтсму замкнутый контур тока линейный во всем диапазоне изменения тока преобразователя. Для точной компенсации нелинейности нентильного преобразователя дополни".åë íûé вход нелинейного элемента 6 соединен с выходом датчика ЭДС 9. Для качественной работы привода при максимальных напряжениях преобразователя оба регулятора тока 5 и 7 и нелинейный элемент

6 охвачены ограничителем ll углов управления вентилями.

Для выяснения особенностей электропривода рассмотрим его структурную схему, приведенную на Фиг.2а.

Зта схема структурными преобразованиями приводится к виду, показаннсму на фиг.2б. На выходе регулирующей части системы показан фильтр с постоянной времени Т . В реальных системах роль этого фильтра могут выполнять фильтры датчика тока н регуляторов, а при безынерционных элементах этот Фильтр может быть реализован непосредственно на пропорциональном регуляторе тока 7 (в этом случае последний выполняется б 81528

65 в виде апериодического звена). Регулятор скорости 4 н зависимости от предъявляемых к электроприводу требований может быть применен И или. ПИ вЂ . типа. Из фиг ° 2 нидно, что в данной системе имеется два регулятора тока — пропорциональный (РТ7) и интегральный (РТ5), постоянная интегрирования которого меняет(ся при изменении режима работы преобразователя. Неизменность во всех режимах пропорциональной части и наличие изменяемой интегральной части регулятора тока является отличием электропривода от известного.

Если принять передаточные функции регуляторов тока н виде

4 рт5 (Р) = .1. Р т (5) а

Я

Ртт К 2т (б)

П,О то н режиме непрерывного тока, когда нелинейный элемент работает на пологом участке характеристики (см.фиг.З) с единичным коэффициентом передачи, сумма

WPT5 (P) K ИЭ PT7 (P ) W PT7 ( даст передаточную Функцию (1) обычного ПИ-регулятора тока. Таким образом, н этом режиме обеспечивается стандартная настройка и оптимальные переходные процессы в приводе.

В режиме прерывистого тока эквивалентное споротивление преобразователя равно в,я, коэффициент передачи нелинейного элемента определяется (при любых величинах противо-ЭДС нагрузки) соотношением (2) и передаточная функция разомкнутого контура регулирования тока двигателя имеет вид:

Ф (Р)К Ж (P)W (Р) (8)

4+T Р г „e Р 2т Р(т Р+ ) который также соответстнует ниду передаточной функции оптимально настроенного контура. Частота среза

ЛЬЧХ разомкнутого контура тока определяется выражением с р т

1 (9) и не изменяется во всем диапазоне изменения тока вентильного преобразователя.

Таким образом, показатели электропринода не будут зависеть от того, с прерывистыми или с непрерывными токами работает вентильный преобразователь.

В отношении устойчивости к высокочастотным пульсациям и помехам электропринод не отличается от обычных электропринодов с системами подчиненного регулирования и имеет безусловные преимущества: на входе

ЗО

55 нелинейного элемента в данном случае установлен интегральный регулятор тока с большой постоянной времени интегрирования Т, который является для всех высокочастотных сигналон сильным фильтром.

B известном электроприноде нсе помехи и пульсации усиливаются на участке нелинейного элемента с большим коэффициентом усиления и поступают на вход вентильного преобразователя.

Для тех электропринодов, где диапазон регулирования скорости ограничен, система регулирования может быть несколько упрощена: в этом случае может отсутствовать связь от измерителя ЭДС на дополнительный вход нелинейного элемента. При этом характеристика нелинейного элемента выбирается из условий обеспечения качественных процессов при максимально возможных ЭДС двигателя. Однако при малых ЭДС двигателя это приводит к ухудшению качества регулирования.

Если же к злектроприводу предьявляются нь:сокие требования к качеству регулирования в широком диапазоне скоростей, то характеристика нелинейного элемента должна изменяться в зависимости от ЭДС двигателя так, как указано на фиг.3. Без заметного ухудшения качества регулирования можно не менять наклон крутого участка характеристики нелинейного элемента, а менять при изменении ЭДС двигателя лишь величину напряжения U<, Кроме того, характеристику нелинейного элемента без заметного ухудшения качества регулирования можно аппроксимировать ломаной линией из трех прямолинейных отрезков (см.фиг.3, показано пунктиром).

На фиг. 4 приведена принципиальная схема одного из вариантов такого упрощенного исполнения нелинейного элемента. Он состоит из операционного усилителя 14 с входным резистором 15 и резисторами обратной связи 16 и 17, двух транзисторон

18 и 19, цепей смещения — резисторы 20-23 и диодного моста 24. При малых величинах выходного напряжения транзисторы 18 и 19 заперты и нелинейный элемент работает с большим коэффициентом усиления К причем й„ (10)

К р

При увеличении входного напряжения до величины

"по

0 (11) открывается транзистор 18 или 19 (в зависимости от полярности входного сигнала) и коэффициент усиления

9 нелинейного элемента уменьшается до величины Кд, причем

„,(„ г ) (12) Й„ь й„ +г„ц где r H — сопротивление коллектор— эмиттер в режиме насыщения.

Для изменения характеристики не.линейного элемента в зависимости от

ЭДС двигателя вход диодного моста

24 подключен к изолированному выходу

81528

1О и режимом. прерывистых токов ограничений по быстродействию. По своим показателям такой электропривод практически (при современных системах логического переключения групп, обест;ечлвающих паузу в переключении групп не более О,ОО1С) не уступает электроприводу с преобразователем с совместным согласованным управлением, сохраняя все экономические преимущества электроприв<Уда с раздельным управлением.

25

60 датчика ЭДС 9 (см.фиг.1) . При ЭДС двигателя, равной нулю,U =U, а при увеличении ЭДС двигателя U уменьшается, что приводит к изменению характеристик нелинейного элемента, как это показано (пунктиром) на фиг. 3.

Нелинейный элемент для нереверсивного привода может быть выполнен нереверсивным, т.е. будет иметь одну ветвь характеристики. Для этого выход нелинейного элемента соединяют со своим входом с помощью диода, при этом можно исключить из схемы транзистор 18 или 19 (в зависимости от требуемой полярности выходного сигнала).

Для ограничения углов управления и напряжения вентильного преобразователя в системах подчиненного регулирования устанавливается нелинейный элемент в обратной связи регулятора тока. Аналогичная проблема возникает и в предлагаемом электроприводе. Однако здесь нельзя ограничение устанавливать только на одном регуляторе тока — пропорциональном или интегральном. Наиболее качественное регулирование тока преобразователя при максимальном напряжении преобразователя будет осуществляться в электроприводе, если ограничитель углов управления включить так, как показано на фиг.1, охватывая ограничителем одновременно оба регулятора и нелинейный элемент.

Предлагаемый электропривод был исследован на экспериментальной установке во всем диапазоне скоростей с И и ПИ-регулятором скорости при набросе и сбросе нагрузки на валу, при набросе и сбросе сигналов задания скорости, при пусках, реверсах, торможении электропривода от задатчика темпа (задатчика интенсивности). Во всех режимах в злектроприводе обеспечивается высокое, близкое к оптимальному, качество регулирования скорости и тока двигателя и не имеется обычных для злектроприводов с раздельным управлением

Формула изобретения

1. Электропривод постоянного тока„ содержащий вентильный преобразователь, ограничитель углов управлени я вентил я м, регулятор скорости, входы которого соединены с выходам задающего устройства и с датчиком скорости, датчик тока, датчик ЭДС, нелинейный элемент и пропорциональный регулятор тока, первый вход которого соедннен с выходом регулятора скорости, второй вход подключен к выходу датчика тока, третий вход присоединен к выходу нелинейного элемента, выход пропорционального регулятора тока соединен со входом вентильного преобразователя и со входом ограннчи-.еля углов управления вентилями, а выход датчика ЭДС подключен к дополнительному входу нелинейного элемента и к четвертому вхо óпропорционального регулятора тока, отличающийся тем, что, с целью улуиения динамических и статических характеристик привода, дополнительно введен интегральный регулятор тока, первый вход которого присоединен к выходу регулятора скорости, второй вход подключен к выходу датчика тока, а выход соединен со входам нелинейного элемента.

2. Электроцривод по п.1, о т ли чающий с ятем,что,c целью получения высокого качества статических и динамических характеристик привода при максимальном напряжении преобразователя, выход ограничителя углов управления вентилями соединен с третьим входом интегрального регулятора тока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Журнал Technische MitteiIun

yen AES †TeIefunken, Р6, 1969, с. 348-352.

-2. Динамика вентильного электропривода постоянного тока. Гзд ред.

Поэднева А.Д. М., Энергия, 1975, с. 208-216, 6 81528

Фиг.3

Составитель В.Кузнецова

Техред Л. АлФерова Корректор Г.Решетник

Редактор Т.Зубкова

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

Заказ 5102/50 Тираж 857 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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