К вопросу анализа цепей коррекции приводов МУС-Д Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 153 1965

К ВОПРОСУ АНАЛИЗА ЦЕПЕЙ КОРРЕКЦИИ ПРИВОДОВ МУС-Д

В. А. СЕВАСТЬЯНОВ, А. П. ИНЕШИН, А. И. ЕСИИ

(Рекомендовано научным семинаром кафедры ЭПП Томского политехнического института)

Разработка и выпуск комплектных приводов широкого диапазона регулирования скорости с силовыми магнитными усилителями с самонасыщением (МУС), их лабораторные исследования и промышленные испытания позволяют в настоящее время сделать ряд выводов относительно особенностей коррекции приводов указанного типа. Этот вопрос представляет значительный интерес еще и потому, что в известных схемах аналогичных приводов зарубежных фирм AEG и др., где применяется отрицательная обратная связь по скорости двигателя с помощью тахогёнератора, а в качестве последовательного каскада усиления используются серийные транзисторные усилители постоянного тока, цепи коррекции не показаны [1].

В приводах отечественного производства [2] вопросы коррекции и стабилизации решаются посредством применения структур, широко апробированных в регулируемых приводах с электромашинными усилителями (ЭМУ).

Однако МУС принципиально отличается от ЭМУ передаточной функцией, включающей, в частности, звено запаздывания, дискретным характером работы и нереверсивностью из-за наличия вентилей в силовой цепи. Поэтому заслуживает внимания вопрос разработки стабилизации применительно к системам с МУС.

Динамические свойства нескорректированной системы определяются из анализа передаточной функции разомкнутой системы привода (рис. 1 а или б)

ЛАЯ ^ Кппу ' Кму ' £ ^ 'Кд - 7 , .

wtp> = (1 + рТМу)(1 ^рТм + Р2ТмТя) '

где Кму, КППу ~ соответственно коэффициенты усиления МУС и ППУ;

Кд - Кд, • Кд2; 7 — коэффициенты передачи электродвигателя и ТГ;

Тму; Тм; Тя — постоянные времени, характеризующие МУС и двигатель;

т —- постоянное запаздывание в полупериод несущей частоты, которым в замкнутых САР пренебрегать нельзя.

Частота среза сос и возможный по условию устойчивости статический коэффициент усиления такой системы определяются из анализа выражений для модуля А (со) и фазы <p(w), ее амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ). Система имеет угол запаздывания 180° на частоте, для' которой:

со Т

?(о>) - тг Шс ? —arctg 0)сТму -Г arc tg __ ^ 2 (2)

Г

Рис. 1

При этом по условию устойчивости аналитическая запись критерия

Найквиста будет:

= ^--------

^ VI + (-С Тму)2 -VII- «с2 Тм Тя)2 + (Тм <Ос)2

Принимая, что частота среза разомкнутой системы не превышает резонансной используемого двигателя, при которой вещественная часть его частотной характеристики равна нулю, можно выражение (3) преобразовать в вид:

Кипу • Кыу • Кд . 7 ^

Тм ' |/(">с;- Тму):

1

где Тму>> 1, a —ш18о

Решая (4) относительно возможной до условию устойчивости величины критического коэффициента усиления, получим:

Т,

тя

П Известия, т. 153. 161

К = Кппу-К1;у-Кд-т<~т^-' (5)

что свидетельствует о низких динамических и статических свойствах

нескорректированных систем МУС-Д, способных обеспечить небольшой диапазон регулирования скорости. Одним из обязательных условий при расширении диапазона регулирования скорости исполнительного двигателя является применение цепей коррекции [3], что позволяет реализовать большей коэффициент усиления САР без потери ее устойчивости. Так, например, в приводах серий ППМУ для диапазона регулирования 100-г1 с целью обеспечения устойчивости работы привода I, схему вводится [2] параллельная коррекция — цепь ИС, охватывающая преобразователь — МУС и ППУ. Структурная схема этой САР приведена на рис. 1 а.

Передаточная функция скорректированной разомкнутой САР имеет вид.

\У(р)

(р)

1 ; Ш„(Р) • АУК(Р)

(6)

гае \У„:(р); Ш„(р); АУд(р) — соответственно передаточные функции корректирующего звена, преобразователя и электродвигателя.

Для устойчивой системы при (р)• \¥„ (р) >> 1 в полосе пропускания частот САР, единицей в знаменателе выражения (6) можно пре небречь и тогда:

ли, ^ ^^

и'(р) = тг;- , т. е. динамическая характеристика

\У,ДР)

преобразователя стабилизируется цепью коррекции.

Для последовательного введения сигнала стабилизирующего звена и контур сравнения (рис. 2) можно получить выражение для входного тока промежуточного усилителя в операторной форме

КкрТкия(р).

(р)

Ц,ч (р)

Н.Х

иа(р)

где Т,. Г,;(К'к 1<):

Етг(р)

К.- г гв

1 + рТк.

Яп

Ип- «(1

; Кк =

Иг

Ик+Н

(7)

< 1.

и

<- Тг

\и

У

/ п

'6х

Рис. 2.

Заслуживает внимания способ введения сигнала коррекции параллельно вход} ППУ рис. 2 (пунктиром), принятый рядом станкостроительных организаций, например [3]. В этом случае в выражении (7)

Н'пх

Тк — г к - - Ск Кк; Кк •-■= К'к = —р--,

где 1?'Г1Х = • а (1 — а) гтг Не ■

При регулировании'коэффициента усиления в функции уставки скорости рассмотренные способы введения сигнала коррекции неравноценны, так как Кк при прочих равных условиях, пропорционален ИРХ только во втором случае. Сопротивление Я\х можно выбирать в широких пределах, поэтому К'к может иметь значение как меньше, так и больше 1, что позволяет обеспечить большие пределы регулирования настройки коррекции. Выбор коэффициента передачи цепи коррекции Кк и постоянной времени Тк следует осуществлять в соответствии с [3] из диаграмм анализа обобщенных структур. Особенностью расчета параметров гибкой обратной связи применительно к системе МУС-Д является зависимость Ты от тока 1Я нагрузки вследствие нелинейного сопротивления силовых селеновых вентилей [2].

1 1

Ки — -------Ту -

1 <8> н К Кк^В ' (9)

* Я * Я

где А и В — обобщенные параметры системы, выбираемые из условия* допустимой величины перерегулирования о % и минимального времени регулирования 1р.шш.

Выбранные по (8,9) параметры, коррекции необходимо проверять по условию устойчивости преобразователя с учетом постоянного запаздывания г при охвате его дифференцирующим звеном [4]. Для структурной схемы разомкнутого внутреннего охвата САР, представленной на рис. 1 а, АФЧХ имеет вид:

\УВ0 (Н = А во (со) • е~ = К1шу . • с . к* •• Т_" ,

(1+в>Т!1у) (1+№)

%

где А во(ю) — модуль АФЧХ внутреннего охвата при, Фво(ю) — фаза. Условие устойчивости внутреннего охвата по Найквисту при

ш18о ' Тму >> 1 и

К • ] ^ ? во • Тк 1 + ]*Ш180 * Тк

Кк будет

^ппу * Кму * Кк Кппу • Кму • Кк /1П\ Аво К80) - г ~ ----^-<1 (Ю)

У КвО • Тму)2 ш180 1му

7С

И ¥воК80) — 1С =агсtg ш]80 • Тму + Ш180 • Т як — + О)180т. Отсюда ■>

11*

103

Величина критического коэффициента усиления преобразователя:

к -к (П)

'мни- 1Ч-М\' О-;/

Расширение диапазона регулирования скорости исполнительного двигателя в приводах с МУС при использовании параллельной коррекции цепью ИС, как следует из (11), возможно обеспечить лишь за счет увеличения постоянной времени преобразователя Тму . Таким образом, требования увеличения диапазона регулирования и статической точности системы находятся в противоречии по условию устойчивости внутреннего охвата САР с ее быстродействием. Поэтому применение рассмотренной параллельной коррекции в диапазоне более чем 100:1, нецелесообразно. Кроме того, ввиду существенной пульсации выходного напряжения МУС, по цепи НС па вход ППУ передается сильнейший уровень помех (рис. 2).

В связи с этим, заслуживает внимания вопрос разработки и исследования для системы электроприводов МУС-Д другого более помехоустойчивого, например, электромагнитного варианта коррекции. В [5] показано, что для снятия корректирующего сигнала электромагнитным путем можно использовать свободную обмотку управления магнитного усилителя, что эквивалентно применению дифференцирующего трансформатора. ,,

На кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Ульяновского политехнического института разработан электропривод МУС-Д с ППУ класса Д диапазона 200:1. Структурная схема эгого электропривода изображена на рис. 1 б. Здесь: ИД — исполнительный электродвигатель, МУС — магнитный усилитель само-пасыщения. ППУ — промежуточный полупроводниковый усилитель класса Д, ТП — тахогенератор. УС — узел сравнения с переменным коэффициентом передачи ш, ГОС — гибкая обратная связь по производной суммарного магнитного потока МУС, ТО — цепь токоограни-чения.

Магнитный усилитель с выведенным сигналом электромагнитной коррекции при этом структурно разделяется на два звена, из которых

К V1

первое — апериодическое вида _охвачено цепью коррекции,

1 + р • Тму

(гибкой отрицательной обратной связью), а второе, звено чистого за-

паздывапия вида 1\му2 е входит в контур внешнего охвата [5].

Внутренний охват, включающий безынерционный ППУ, цепь управления — МУС и собственно звено электромагнитной коррекции, теперь является устойчивым при любых значениях коэффициентов усиления охваченных звеньев, что следует из (11) при т = 0.

Исследование электромагнитного варианта коррекции в приводе проводилось по схеме рис. 3.

Указанные на рис. 3 величины регистрировались с помощью шлей-фового осциллографа.

Для изменения уровня сигнала стабилизации в цепь коррекции был введен ключ управления (переключатель на 4 положения). Результаты экспериментального испытания зарегистрированы на приведенной осциллограмме (рис. 4). На начальном участке осциллограмм кривые 1.{1 п и ик свидетельствуют о вполне стабильной работе привода в установившемся режиме (п^Сопэ!). Кривые 1Я и Ц\, имеют пульсации

х, 380

Рис. 3.

с частотой 300 и 100 гц. Последняя является следствием работы широт-по-импульсного модулятора ПГ1У на этой несущей частоте. В момент времени ^ переключатель переводится в положение 2, а в момент 12 на валу ИД с помощью тормозного устройства создается толчок нагрузки. Ввиду действия ослабленной коррекции колебания привода носят затухающий характер. Частота колебаний составляет 6,3 гц. В момент времени 1 з переключатель переводился в положение 3. Ввиду размыкания цепи коррекции привод переходит в режим жесткого возбуждения автоколебаний с частотой 4 гц. Осциллограмма показывает, что напряжение сигналов коррекции 1)к на всех участках пропорционально производным 1я и ия. Кривые 1я и ия ввиду предельного переключения ППУ

большими сигналами на его входе содержат пульсации лишь частоты 300 гц. В момент времени и переключатель был переведен в положение 4. Ввиду восстановления цепи коррекции с исходными параметрами начинается процесс стабилизации привода. Из осциллограммы на этом участке видно, что включение цепи коррекции через 0,5 сек. приводит к стабилизации и установившемуся движению привода с заданной скоростью, однако, как и для случая коррекции КС, при этом ухудшается быстродействие САР.

Рис. 4.

Pi.-с. 5.

Для сравнительной оценки влияния помех в схеме привода с электромагнитной коррекцией (рис. 3) по сравнению с рассмотренной КС коррекцией снята осциллограмма (рис. 5).

Исполнительный двигатель, вращающийся с минимальной ско-. ростью на холостом ходу в момент времени 1ь нагружался моментом полуторакратным от номинального. Динамическая просадка скорости' двигателя составляла при этом 100%, то есть двигатель останавливался, а затем по мере роста тока и момента на его валу вновь набирал заданную скорость вращения. При этом регистрировались изменения величин напряжений на обмотке коррекции иок и на якоре исполнительного двигателя ия. Величина напряжения помехи Цж возрастает на 25%, а величина напряжения помехи ия соответственно на 625% при увеличении тока якоря от 2 а до 25 а. Следовательно, с точки зрения влияния помех на статическую точность системы электромагнитный, способ коррекции выгодно отличается от НС коррекции тем, что величина напряжений помех, а следовательно, и ее влияние на коэффициент усиления системы, в значительно меньшей степени зависит от величины нагрузки двигателя. Действие помехи при таком способе коррекции сводится лишь к первоначальному снижению коэффициента усиления ППУ, что может быть учтено при выборе коэффициента усиления промежуточного усилителя.

Выводы

1. Нескорректированная система МУС-Д из-за плохих статических и динамических свойств может применяться в электроприводах только с небольшим диапазоном регулирования скорости.

2. Реализация структуры с параллельной коррекцией цепью „КС для диапазона регулирования более чем Г00:1 затруднительна ввиду плохой помехозащищенности и противоречия между условием. устойчивости внутреннего охвата преобразователя и динамикой системы.

3. Заслуживает внимания применение в системах электропривода МУС-Д с ППУ вариант электромагнитной коррекции, отличающийся помехоустойчивостью и позволяющий в связи с этим получить более широкий диапазон регулирования скорости при удовлетворительных, динамических показателях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Системы бесконтактного управления ведущих зарубежных фирм. Москва, 1962.'

2. А. Я- Петровский, Я. Б. Р о з м а н. Регулируемый электропривод с магнит-иыми усилителями. Изд. «Энергия», 1964.

3. Я. С. Бровман, В. Г. К а г а н, Ф. Д. К о.ч у "б и е в с к и й. Электроприводы с полупроьодниковым управлением. Системы с электромашинными преобразователями (ПМК-Г-Д). «Энергия», 1964.

4. М. В. М е е р о в. Синтез структур систем автоматического регулирования высоко"! точности». Физматгиз, 1960.

5. М. А. Р о з е н б л а т. Магнитные усилители. Изд. «Советское радио», 1960.