Электропривод постоянного тока Советский патент 1987 года по МПК H02P5/06 

технике, а именно к электроприводам постоянного тока, система управления которыми выпол1|ена по принципу подчи- g ненного регулирования, и может быть использовано для стабилизации и регулирования скорости машин, статическая нагрузка- которых изменяется в широких пределах., 10

Цель изобретения - снижение перерегулирования тока и скорости в переходных режимах.

На фиг.1 изображена функциональскорости й ,. т.е. в линейной и нелинейной зонах.

Электропривод работает следующим образом.

При набросе статической нагрузки (фиг. 2) скорость ) электродвигателя, соответствующая заданию ), скорости от задатчика 3, начинает снижаться, что приводит к появлению на выходе пропорционального регулятора 4 скорости напряжения, соответствующего отклонению скорости от установивщеная схема предлагаемого электроприво- 15 гося значения д . Это вызывает уве- да; на фиг.2 - графики переходных личение напряжения на выходах функ- процессов при ступенчатом приложении статической нагрузки; на фиг.З - то

ционального преобразователя 5, блока 6 сравнения и блока 14 ограничения. Последнее пропорционально заданной

же, при ступенчатом изменении сигнационального преобразователя 5, блока 6 сравнения и блока 14 ограничения. Последнее пропорционально заданной

ла задатчика скорости; на фиг.4 - ха- 20 производной di/db тока и интегрйрурактеристика вход-выход функционального преобразователя b контуре скорости.

Электропривод (фиг.1) содержит электродвигатель 1, подключенный к преобразователю 2, в цепь управления которого включены последовательно соединенные задатчик 3 скорости, регулятор 4 скорости, функциональный

ется задатчиком 7 темпа нарастания тока. График 15 (фиг.2) изменения выходного напряжения задатчика -7 темпа ij которое является задающим 25 для контура регулирования тока

1,образованного регулятором 9 тока, управляемым преобразователем

2,цепью якоря электродвигателя 1 и

датчиком 13 тока, при быстродействую- преобразователь 5 и блока 6 сравнения 30 Щем контуре регулирования тока прак последовательно соединенные задатчик тичeckи совпадает с графиком текуще- 7 темпа нарастания тока с блоком 8 ограничения и регулятор 9 тока, а также последовйтельно соединенные интегратор 10 и сумматор 11, второй вход которого связан с выходом дат35

го значения тока i. График 16 характеризует при этом изменение отклонения от установившегося значения скорости электродвигателя 1 - д и соответственно изменение выходного напряжения пропорционального регулятора 4 скорости.

чика 12 скорости, а выход подключен к суммирующему входу блока 6 сравнения и входу интегратора 10, второй i

го значения тока i. График 16 хара теризует при этом изменение отклон ния от установившегося значения ск рости электродвигателя 1 - д и с ответственно изменение выходного н пряжения пропорционального регулят ра 4 скорости.

На выходе сумматора I1 форми

вход которого соединен с выходом дат- 40 напряжение, пропорциональное

статической составляющей i,. тока которое блоком 6 сравнения суммир ся с выходным напряжением функционального преобразователя 5. Поскол ку к входу блока 6 сравнения подво дится также с обратным знаком выхо ное напряжение задатчика 7 темпа н растания тока, которое пропорционально заданию полного тока якоря

чика 13 тока. Электропривод содержит также второй блок 14 ограничения, включенный между выходом блока 6 сравнения и входом задатчика 7 темпа нарастания тока, выход которого связан cf вычитающим входом блока 6 сравнения.

На фиг.2 приведены графики 15 тока и 1 6 динамического падения скорости двигателя Л при набросе статической нагрузки. На фиг.З приведены графики 17 и 18 тока и 19 и 20 отклонения скорости двигателя от заданного значения й-5 при ступенчатом из45

статической составляющей i,. тока, которое блоком 6 сравнения суммирует ся с выходным напряжением функционального преобразователя 5. Поскольку к входу блока 6 сравнения подводится также с обратным знаком выходное напряжение задатчика 7 темпа нарастания тока, которое пропорционально заданию полного тока якоря i

50

выходное напряжение функционального преобразователя 5 на входе блока 6 сравнения

ig i - ic О) пропорционально заданию динамической

менении сигнала задатчика 3 скорости gg составляющей тока.

5-., и соответственно на входе При неизменной величине статичесрегулятора 4 скорости

(фиг.2) характеризует также динамическую составляющую тока ig, измеНа фиг.4 приведена характеристика вход - выход функционального преобразователя 5 при

скорости й ,. т.е. в линейной и нелинейной зонах.

Электропривод работает следующим образом.

При набросе статической нагрузки (фиг. 2) скорость ) электродвигателя, соответствующая заданию ), скорости от задатчика 3, начинает снижаться, что приводит к появлению на выходе пропорционального регулятора 4 скорости напряжения, соответствующего отклонению скорости от установивщегося значения д . Это вызывает уве- личение напряжения на выходах функ-

ционального преобразователя 5, блока 6 сравнения и блока 14 ограничения. Последнее пропорционально заданной

ется задатчиком 7 темпа нарастания тока. График 15 (фиг.2) изменения выходного напряжения задатчика -7 темпа ij которое является задающим 25 для контура регулирования тока

1,образованного регулятором 9 тока, управляемым преобразователем

2,цепью якоря электродвигателя 1 и

датчиком 13 тока, при быстродействую 30 Щем контуре регулирования тока прак тичeckи совпадает с графиком текуще-

35

го значения тока i. График 16 характеризует при этом изменение отклонения от установившегося значения скорости электродвигателя 1 - д и соответственно изменение выходного напряжения пропорционального регулятора 4 скорости.

На выходе сумматора I1 формиру напряжение, пропорциональное

статической составляющей i,. тока, которое блоком 6 сравнения суммируется с выходным напряжением функционального преобразователя 5. Поскольку к входу блока 6 сравнения подводится также с обратным знаком выходное напряжение задатчика 7 темпа нарастания тока, которое пропорционально заданию полного тока якоря i.

выходное напряжение функционального преобразователя 5 на входе блока 6 сравнения

31332497

ие которой при постоянстве входо напряжения задатчика 7 темпа шнейно во времени, т.е ig et,

Зл et,(2)

Ug/Ty di/dt - заданная величина производ-- ной тока;

Тц - постоянная интегрированиязадатчика 7 темпа.

Изменение отклонения скорости ктродвигателя 1 соответствует инральному уравнению

Д Т-; igdt,

рое с учетом выражения (2), так ig « ig, , имеет решение

.. й (3)

J

Т; - инерционная постоянная времени привода (Т; j--),

И ,,

J

н н х ж с

10 п ж со г ск

15 ч до с 1

20 не

25 i от ли ЗС ни

J н

м. приведенный к валу электродвигателя 1 момент инерции привода;

номинальное значение угловой скорости и электромагнитного момента электродвигателя I о

Исключив из выражений (2) и (3) араметр времени t, получим уравнение

(4)

i3jH2 TjA оторое является уравнением оптималь1„ 1(1 + 1/). (6) Выражение (6) определяет также выходное напряжение задатчика 7 темпа в момент времени t, (фиг.2).

Площадь треугольника &4 составля35

ной по быстродействию фазовой траектории. Настраивая характеристику 22 вход - выход функционального преобразователя 5 (фиг.4) соответственно

уравнению (4) (вход й , выход ig, ), о ет половину площади треугольника S B , получим предельную по быстродействию

отработку отклонения скорости й-5 элек- S feq, 2 поэтому в точке о тродвигателя 1, т.е. нарастание то- графика 15 отклонение скорости Д ка до момента времени t, (фиг.2) с уменьшается до величины , т.е. предельно допустимым темпом и перек- . отрабатьшается наполовину. Если в лючение в момент t, тока на спадание уравнение (4) характеристики 22 входвыход функционального преобразователя 5 подставить значение д /2 ip/4Т; , полученное с помощью вьфа- ния нарастающим напряжением i задет- JQ жения (5), можно получить, что вы- чика 7 темпа на входе блока 6 сравне- ходное напряжение функционального

с тем же темпом до значения статической составляющей i.. Момент времени t;, соответствует началу превьппения уменьшающейся, вследствие уменьшения отклонения скорости Д-- , суммы

преобразователя 5 или заданное значение динамической составляющей тока ig в момент времени t

напряжения

3j

сПри этом реверсируются напряжение на выходе блока 6 сравнения и выходное напряжение блока 14 ограничения, и задатчик 7 темпа начинает линейно снижать свое выходное напряжение.

Докажем, что в момент времени t, (фиг.2) уменьшающаяся сумма напряжений (ig,-i-ig) на входе блока 6 сравнения уравнивается с напряжением ij задатчика 7 темпа, после чего происходит оптимальное переключение напряжений блока 14 ограничения и соответственно переключение выходного на 10 пряжения 1л задатчика 7 темпа на снижение . Пока ток меньше статической составляющей (i i, участок О-а графика 15), имеют место снижение скорости электродвигателя 1 и увели15 чение отклонения скорости uv. Наибольшего значения Л отклонение uv. достигает в момент времени, соответствующий точке S , т.е. равенству . Величину й определим из урав20 нения (3), подставив в него значение

t -Je .

д i,/2T.E. (5) На участке S -о -Z графика 15 ток i превьш1ает статическую составляющую 25 i (i ig), и имеет место отработка отклонения скорости ,(5). В точке b ток достигает наибольшего значения i, величину которого можно определить из равенства площадей треуголь- ЗС ника Оа& : При этом

, Ss62 (iM - ip °- лучаем уравнение

1у25(1м- ie) /, откуда

1„ 1(1 + 1/). (6) Выражение (6) определяет также выходное напряжение задатчика 7 темпа в момент времени t, (фиг.2).

Площадь треугольника &4 составля35

о ет половину площади треугольника S B ,

преобразователя 5 или заданное значение динамической составляющей тока ig в момент времени t

55ij - ic/ 2. (7)

Сумма выходных напряжений функ- ционального преобразователя 5 и сумматора II на входе блока 6 сравнения при этом

il + i, ij- i,.i,(Hl/),

что совпадает с выражением (6).

Таким образом, в момент времени t, (фиг.2) дост,игается баланс напря- же1ШЙ на входах блока 6 сравнения, после чего этот баланс нарушается, так как уменьшается отклонение Д скорости и соответственно снижается

его максимального значения и ограничения его блоком 8 ограничения. Переключение при этом выходного напряжения задатчика 7 на снижение тока происходит также оптимально в момент наступления баланса напряжений на входах блока 6 сравнения, так как выт ходное напряжение функционального

выходное напряжение регулятора 4 ско- ю преобразователя 5, которое определярости и функционального преобразователя 5. Это соответствует оптимальному переключению тока i электродвигателя 1 на снижение до оптимальной по быстродействию отработки отклонения скорости л .

В точке 2 графика 15 ток i снижается до значения статической составляющей i , динамическая составляющая становится равной нулю, отклонение скорости Д- также отрабатывается до нуля. При этом выходное напряжение регулятора 4 скорости и функционального преобразователя 5 становится

нулевьм, на входах блока 6 сравнения 25 напряжение i (фиг.З, график 17),

J

наступает баланс напряжений, обнуляется выходное напряжение блока 14 ограничения, прекращается изменение выходного напряжения задатчика 7 темпа

и наступает установившийся режим ра- зо график 19) выходное напряжение ре- боты.

Для ус.тор чивости замкнутого контура регулирования скорости электродвигателя 1 вблизи малых отключений скорости д функциональный преобразователь 5 переключается на характеристику 21 (фиг.4), которая обеспечивает оптимизацию переходной функции

35

гулятора 4 скорости и функциональн.о преобразователя 5 уменьшается и Б м мент времени t, (фиг.З) наступает баланс иапр;о е11ий на входах блока 6 сравнения, а затем и реверс его выходного напряжения. Так как выходно напряжение функционального преобразователя 5 связано оптимальной зави симостью (4) с фактическим отклонегулятора 4 скорости и функциональн.ог преобразователя 5 уменьшается и Б мо мент времени t, (фиг.З) наступает баланс иапр;о е11ий на входах блока 6 сравнения, а затем и реверс его выходного напряжения. Так как выходное напряжение функционального преобразователя 5 связано оптимальной зависимостью (4) с фактическим отклонеконтура в малом, например по модульному критерию оптимизации, когда кон- о м скорости Л , момент t, перектур функционирует в линейной зоне. Одновременно, так как интегральный задатчик 7 темпа охвачен через блоки 6 и 14 отрицательной обратной связью задатчик 7 темпа начинает функционировать как обычное инерционное звено. При этом в замкнутом контуре регулирования скорости остается лишь одно интегрирующее звено электродвигателя 1 с ностоянной интегрирования Т:, контур скорости устойчив, и качество регулирования скорости повышается .

Указанный цикл отработки отклонения скорости электродвигателя &) при набросе статической нагрузки не изменяется при увеличении линейно-нарастающего напряжения на выходе задатчика 7 темпа нйрастания тока до сво1332497

его максимального значения и ограничения его блоком 8 ограничения. Переключение при этом выходного напряжения задатчика 7 на снижение тока происходит также оптимально в момент наступления баланса напряжений на входах блока 6 сравнения, так как выт ходное напряжение функционального

ет момент переключения, связано оптимальной зависимостью (4) с фактическим отклонением скорости (характеристика 22).

При ступенчатом изменении SOi, сигнала задания -J, на входе регулятора 4 скорости (фиг.З) ноявляется сигнал ошибки и ) на его выходе и соответственно появляется напряжение J-ai на выходе фуик1,нональнот о преобразователя 5. Если при этом статическая нагрузка отсутствует, под действием напряжения in а задатчик 7 темпа начинает линейно увеличиватьсвое выходное

напряжение i (фиг.З, график 17),

J

которое отрабатывается контуром ре- гулирова 1ия тока и с обратным знаком подводится к блоку 6 сравнения, По мере уменьшения ошибки Лл) (фиг. 3,

график 19) выходное напряжение ре-

гулятора 4 скорости и функциональн.ого преобразователя 5 уменьшается и Б момент времени t, (фиг.З) наступает баланс иапр;о е11ий на входах блока 6 сравнения, а затем и реверс его выходного напряжения. Так как выходное напряжение функционального преобразователя 5 связано оптимальной зависимостью (4) с фактическим отклоне м скорости Л , момент t, переключения выходного напряжения задатчн- ка 7 темпа на снижение и соответственно снижение тока i соответствуют ситуации, при которой в конце про- r цесса снижения тока отклонение скорости Л-5 y eньшaeтcя до нуля, т.е. оптимально отрабатьтается ст тгенчатое изменение скорости .

Цикл отработки 8, не отличается

от оптимального при наличии статической нагрузки либо при выходе линейно изменяющегося напряжения задатчика 7 темпа нарастания тока на ограничение (фиг.З, графики Л 9 и 20).

Измеритель статической составля0

5

ющей тока якоря i,,, образованный интегратором 10 и сумматором 11, функционирует в соответствии с н ггеграль- ным уравнением

где Т

.if,; - с)- ic. (8)

fO

постоянная интегрирования интегратора 10;

К.. 1, Р(9)

коэффициент усиления сумматора 11; выходной сигнал сумматора П ; оператор. Из уравнения (8) получим

i izElipjL

с рТ„/К„-И

Так как поток возбуждения электродвигателя 1 постоянен, ток i пропорционален моменту М электродвигателя , а статическая составляющая тока i пропорциональна моменту статической нагрузки М.

Если принять постоянную интегрирования Т,д интегратора 10 равной инерционной постоянной двигателя Т.- ,

ке воздействий нагрузки в режиме стабилизации скорости и при изменениях задания скорости. Одновременно пони- с жается порядок астатизма контура скорости и снижается перерегулирование тока и скорости электродвигателя в переходных процессах.

т.е.

Т

Ч

на основании уравнения

(9) можно увидеть, что выходной сигнал сумматора 11 пропорционален моменту статической нагрузки М, так как Ti-T d /dt M (в относительных единицах). Выбрав коэффициент усиле10 Формула изобретения

Электропривод постоянного тока, содержапщй электродвигатель, подключенный к преобразователю, в цепь

15 управления которого включены последовательно соединенные задатчик скорости, регулятор скорости, функциональный преобразователь и блок сравнения, последовательно соединенные задатчик

20 темпа нарастания тока с блоком ограничения и регулятор тока, а также последовательно соединенные интегратор и сумматор, второй вход которого связан с выходом датчика скорости,

25 а выход подключен к суммирующему входу блока сравнения и к первому входу интегратора, второй вход которого соединен с выходом датчика тока, о т ния К

((

личающийся тем, что, с сумматора 1I достаточно боль- 30 целью снижения перерегулирования тока

шим, измерение статической составляющей тока практически безинерциоино. Таким образом, предлагаемый электропривод постоянного тока позволяет получить оптимальные по быстродейсти скорости в переходных режимах, в него введен второй блок ограничения, включенный между выходом блока сравнения и входом задатчика темпа нарас- 35 тания тока, выход которого связан с

ВИЮ переходные процессы при отработ- вычитающим входом блока сравнения.

13324978

ке воздействий нагрузки в режиме стабилизации скорости и при изменениях задания скорости. Одновременно пони- с жается порядок астатизма контура скорости и снижается перерегулирование тока и скорости электродвигателя в переходных процессах.

10 Формула изобретения

Электропривод постоянного тока, содержапщй электродвигатель, подключенный к преобразователю, в цепь

15 управления которого включены последовательно соединенные задатчик скорости, регулятор скорости, функциональный преобразователь и блок сравнения, последовательно соединенные задатчик

20 темпа нарастания тока с блоком ограничения и регулятор тока, а также последовательно соединенные интегратор и сумматор, второй вход которого связан с выходом датчика скорости,

25 а выход подключен к суммирующему входу блока сравнения и к первому входу интегратора, второй вход которого соединен с выходом датчика тока, о т и скорости в переходных режимах, в него введен второй блок ограничения, включенный между выходом блока сравнения и входом задатчика темпа нарас- 35 тания тока, выход которого связан с

вычитающим входом блока сравнения.

tl.t

16

ЛУ

Фиг. 2

(

22

J)

5):

7г

Фиг.З

/IV

4V

2/

+

22

1г,

ФигЛ

Редактор И.Горная

Составитель В.Кузнецова

Техред З.Кадар Корректор В.Гирняк

Заказ 3845/53 Тираж 659Подписное

ВНИШТИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

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

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах с подчиненным регулированием. Целью изобретения является снижение перерегулирования тока и скорости в переходных режимах. Электропривод содержит второй блок 14 ограничения, включенный между выходом блока 6 сравнения и входом задатчика 7 темпа нарастания тока. Выход задатчика 7 темпа нарастания тока связан с вычитающим входом блока 6 сравнения. Предлагаемый электропривод позволяет получить оптимальные по быстродействию переходные процессы при отработке воздействий нагрузки в режиме стабилизации скорости и при изменениях задания скорости. 4 ил. С/)