3.Основные положения

Для того, чтобы регулировать скорость двигателя постоянного тока с неза-висимым возбуждением, используют различного вида управляемые преобразователи. До сравнительно недавнего времени для этой цели преимущественно применялись электромашинные преобразователи- генераторы постоянного тока, а основой регулируемого электропривода была система Г-Д. В настоящее время в связи с развитием полупроводниковых преобразователей ее применение сильно сократилось, однако она продолжает успешно применяться во многих ответственных промышленных установках.

В связи с более сложной математической моделью генератора постоянного тока по сравнению с тиристорным преобразователем имеет определенный теоретический интерес исследование переходных процессов в системе регулиро-вания скорости с подчиненным принципом регулирования промежуточных координат.

Питание обмотки возбуждения генератора можно осуществлять от реверсивного тиристорного преобразователя, либо от реверсивного транзисторного преобразователя, работающего на принципах широтно-импульсной модуляции.

Далее будем рассматривать только систему Г-Д с регулируемым возбуждением двигателя. В зависимости от количества подлежащих ограничению координат системы Г-Д, а также от требований к диапазону регулирования скорости и жесткости механических характеристик двигателя можно выбрать различные структуры систем регулирования скорости двигателя. Наибольшее распространение получили следующие структуры систем регулирования:

1. Двухконтурная система регулирования частоты вращения двигателя, которая содержит два контура регулирования с соответствующими регуляторами. Контур регулирования тока якоря содержит пропорционально-интегрально-дифференционный (ПИД) регулятор тока, контур регулирования скорости содержит пропорциональный (П) регулятор скорости и апериодический фильтр на выходе тахогенератора для сглаживания пульсаций его напряжения.

2. Двухконтурная система регулирования частоты вращения, содержащая два регулятора и соответственно два контура регулирования. Контур регулирования тока якоря двигателя содержит ПИД-регулятор, контур регулирования напряжения на якоре двигателя имеет П-регулятор. Эта схема применяется при отсутствии жестких требований к диапазону регулирования и уровню поддержания частоты вращения.

3. Двухконтурная система регулирования частоты вращения двигателя, содержащая два контура регулирования и два регулятора. Контур регулятора тока якоря также содержит ПИД-регулятор тока, контур регулирования ЭДС двигателя содержит П-регулятор ЭДС и датчик ЭДС. Эта схема позволяет увеличить диапазон регулирования скорости и тестность механических характеристик по сравнению с предыдущей.

4. Трехконтурная система регулирования частоты вращения двигателя. В схеме контролируются три параметра: напряжение генератора, ток якоря двига-теля и частота вращения двигателя. Структурная схема трехконтурной системы приведена на рис. 1.

Регулятор напряжения выполнен пропорционально-интегральным (ПИ) и компенсирует постоянную времени обмотки возбуждения генератора Т_вг. Постоянная времени, обусловленная контурами вихревых токов и рассеяния Т_вт, входит в величину суммарной некомпесируемой малой постоянной времени контура напряжения Т_?.

Регулятор тока представляет собой ПИ-регулятор и компенсирует электромагнитную постоянную времени Т_э якорной цепи системы Г-Д.

Регулятор частоты вращения пропорциональный, он компенсирует влияние электромеханической постоянной времени Т_м электропривода.

В расчетной структурной схеме (рис. 1) системы отсутствует в сигнале об-ратной связи по напряжению составляющая, равная приращению ЭДС двигате-ля. При таком допущении расчетная схема упрощается без существенной потери точности расчета, так как ЭДС двигателя изменяется значительно медленнее, чем падение напряжения на якоре генератора. При этом допущении в контуре регулирования напряжения необходимо учесть влияние обобщенной постоянной времени

где R_яг — сопротивление якорной цепи генератора, Ом;

R_э = R_яд + R_яг — полное сопротивление якорной цепи в системе Г-Д, Ом;

R_яд — сопротивление якорной цепи двигателя, Ом;

— электромагнитная постоянная времени якорной цепи систем Г-Д, с;

L_яд — индуктивность якорной цепи двигателя, Гн;

L_яг — индуктивность якорной цепи генератора, Гн.

При известных параметрах математических моделей двигателя, генератора, тиристорного возбудителя, датчиков обратной связи по напряжению, току и скорости параметры регуляторов можно определить следующим образом:

Рассчитываем малую некомпенсируемую постоянную времени. для контура регулирования напряжения

где Т_п — постоянная времени тиристорного возбудителя, с. Принимается равной 0,01 с для данного лабораторного стенда.

Определяем параметры ПИ-регулятора напряжения, имеющего передаточную функцию

где Т_вг = Т_в + Т_вт — постоянная времени обмотки возбуждения генератора;Т_вт — постоянная времени короткозамкнутого контура вихревых токов. Обычно на практике принимают Твт = 0,1Т_в;

Т_ин — постоянная времени интегрирования для контура напряжения определяется выражением

где К_в — коэффициент передачи тиристорного возбудителя;

К_г — коэффициент передачи по напряжению генератора;

К_н — коэффициент передачи датчика напряжения .Рассчитываем параметры ПИ-регулятора тока по формуле

где Т_ит — постоянная времени интегрирования контура тока, определяемая по выражению , К_т — коэффициент передачи датчика тока, Ом.

Коэффициент передачи П-регулятора скорости находится по формуле где К_с — коэффициент передачи датчика скорости, В•с/рад; с. — постоянная ЭДС двигателя, В•с/рад.

Параметры математической модели объекта регулирования и датчиков определяется по каталожным данным машин и на основе экспериментальных данных.

Расчет передаточных функций регуляторов для всех контуров выполнен путем их оптимизации на технический оптимум (или модульный оптимум), поэтому переходные процессы в контурах близки к колебательным процессам при сравнительно небольшом перерегулировании. Однако контур регулирования скорости при этом не обладает астатизмом по отношению возмущающего воздействия (статического момента). Следовательно, механические характеристики двигателя в замкнутой системе имеют вид

где — статическое падение скорости в разомкнутой системе;

— скорость идеального холостого хода двигателя в замкнутой системе.

По этой причине ограничен максимально достижимый диапазон регулирования, исходя из требований по точности регулирования скорости двигателя.