CC BY
21
УДК 621.92
Я.И.ПЕШЕВ
Самарский государственный технический
университет
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВЫХ РЕГУЛЯТОРАХ СКОРОСТИ
Описаны основные критерии и параметры настройки систем подчиненного регулирования. Приведено описание конструктивного исполнения лабораторного стенда, результаты практических исследований показателей качества электропривода, дан сравнительный анализ типовых регуляторов скорости и выбран наиболее эффективный.
Basic criteria and parameters of tuning inferior controlling systems are described. A description of the laboratory bench design is given as well as the results of studying indexes of electric drive quality and a comparative analysis of model speed regulators, one of them being chosen as the most effective.
Автоматизированный электропривод -сложное электромеханическое устройство, которое является неотъемлемой частью любого современного производства.
Широкое распространение получили вентильные электроприводы постоянного тока, выполненные по схеме системы подчиненного регулирования (СПР) с последовательно включенными регуляторами, оптимизированными по быстродействию в них переходного процесса. В этом случае оптимизированные контуры настраиваются на технический или симметричный оптимумы.
Основными достоинствами многоконтурных систем автоматического управления (САУ) являются высокая точность реализации желаемых передаточных функций, унификация схемных решений, простота наладки и эксплуатации электроприводов и возможность ограничения регулируемых координат системы.
Структурная схема линеаризованной
модели СПР, справедливая при типовых до*
пущениях , приведена на рисунке.
Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 560 с.
Фишбейн В.Г. Расчет систем подчиненного регулирования вентильного электропривода постоянного тока. М.: Энергия, 1972. 136 с. 194 -
Динамические свойства двигателя постоянного тока на этой схеме без учета действия внутренней обратной связи по ЭДС двигателя отражены звеньями
p) =
1
I я(p) =_
£вп(p) Rя(TяP +1)'
p) = ; I (p) = !я( p) - !с( p), I (p)
где Жрс(p) и Жрт(p) - передаточные функции регулятора скорости и регулятора тока, соответственно.
Вентильный преобразователь приближенно описывается передаточной функцией апериодического звена:
^вп( p) =
K в
EBn( p) _ _
M p) TBn P +1
В зависимости от режимов, в которых работает электропривод, система регулирования скорости может выполняться однократно, либо двукратно интегрирующей. В первом случае регулятор скорости имеет пропорциональную характеристику, а во втором - пропорционально-интегральную. Поскольку в обоих случаях регулятор тока содержит интегральную часть, обе системы регулирования скорости являются астатиче-
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.167. Часть 2
и3(р) —
Wpс(р)
0-». WрT(р)
WBп^)
(-)
Ед(р)
Wл(р)
1с(р) (-)
т
Кос
Ко
Wд2^)
ю(р)
Структурная схема линеаризованной модели СПР
скими по заданию. Однако симметричный оптимум применяют при резких изменениях внешней нагрузки.
Выбор типа настройки замкнутого контура САУ и в целом структуры системы определяются требованиями, предъявляемые к статическим и динамическим показателям качества. Требуемая передаточная функция регулятора Wрег (р), удовлетворяющая упомянутым требованиям, определяется по желаемой передаточной функции разомкнутой системы W (р)по следующему соотношению:
Wрж( р)
Wрег( Р) =
Wрн(p) '
где W (р) - передаточная функция разомкнутого нескорректированного контура.
Для решения этой задачи была разработана и изготовлена лабораторная установка по схеме, показанной на рисунке. Лабораторный стенд содержит: электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением, тиристорный преобразователь, нагрузочную машину (генератор постоянного тока), устройство выбора типа регулятора скорости, мощный источник постоянного тока, комплект измерительной аппаратуры. Внутренний контур призван ограничивать ток в якорной цепи электродвигателя при разгоне или изменении внешней нагрузки.
Лабораторная установка работает в двух режимах: идентификация электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения как объекта управления и исследование автоматической системы стабилизации скорости, построенной по идеологии СПР.
В лабораторной установке использованы электродвигатель типа ПСТ-41 мощностью 0,25 кВт совместно с генератором ПСТ-42 мощностью 0,37 кВт. Кривая разгона не имела перерегулирования и, следовательно, могла быть аппроксимирована экс-понентой. Отсюда можно заключить, что передаточная функция электромеханической части электродвигателя должна иметь вид апериодического звена:
Wд2( Р) =
К Кду
ю( р) __
I ( р) (Гм Р + 1)
Во втором режиме можно последовательно исследовать показатели качества САУ при П, ПИ и ПИД типовом регуляторе скорости при вариации ее параметров. Изменение параметров звеньев САУ двигателя осуществляется включением нагрузочной машины, которая увеличивает как момент инерции, так и внешнюю нагрузку.
Вариация указанных параметров показала, что можно получить переходный процесс изменения скорости при отработке в СПР скачкообразного управляющего воздей-
- 195
Санкт-Петербург. 2006
ствия с показателями ¿пп = 0,13 с, а = 10 % применив П-регулятор скорости. Величина статической ошибки на нижнем пределе диапазона регулирования (юниж = 20 рад/с), при токе в якорной цепи !яц = !ном составила Дю « 5 %.
ПИ-регулятор с параметрами настройки на технический оптимум позволяет уменьшить перерегулирование до значения а = 4,5 %, время переходного процесса составило ¿пп = 0,07 с. Наличие в указанном типе регулятора интегральной составляющей придает системе стабилизации скорости астатические свойства, т.е. величина статической ошибки практически равна нулевому значению во всем диапазоне регулирования.
ПИД-регулятор в контуре скорости компенсирует электромеханическую постоянную времени электродвигателя и постоянную времени замкнутого токового контура, что приводит к помехонезащищенности системы. Поэтому для нормальной работы САУ с ПИД-регулятором необходимо вводить в цепь обратной связи дополнительный апериодический фильтр с передаточной функцией:
Жф( р) =-1-,
ф Тф P +1
где Гф - малая некомпенсируемая постоянная времени.
Величина перерегулирования составила а = 4,5 %, время переходного процесса
¿пп = 0,06 с.
Проводя сравнительный анализ полученных практических результатов, можно заключить, что если к электроприводу не предъявляется жестких требований относительно величины перерегулирования и статической ошибки, можно использовать в качестве регулятора скорости П-регу-лятор, например, при использовании привода в насосных или транспортировочных механизмах. Определенным достоинством П-регулятора является его простота и удобство наладки, достаточно лишь варьировать величину сопротивления в цепи обратной связи операционного усилителя, получая наиболее оптимальные показатели качества переходного процесса замкнутой САУ.
Использование ПИД-регулятора скорости в данном электроприводе нецелесообразно, так как это не приводит к существенному увеличению быстродействия, которое ограничено коммутационными процессами в щеточно-коллекторном узле электродвигателя и требует введения дополнительных корректирующих цепей.
Для получения наиболее оптимального переходного процесса (технический оптимум) при использовании привода в качестве привода подачи металлорежущих станков с формированием сигнала задания от устройства ЧПУ или в высококачественных следящих системах наиболее эффективным является ПИ-регулятор скорости.
Научный руководитель д.т.н. проф. В.Е.Лысов
196 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.167. Часть 2
