CC BY
12
Том 153
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1965
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА МУС-Д с ППУ КЛАССА Д
В. А. СЕВАСТЬЯНОВ, А. П. ИНЕШИН, А. П. РЫБАКОВА
(Рекомеидопаиа научным семинаром кафедры ЭПП Томского политехнического института)
За последние годы отечественные и зарубежные станкостроительные заводы п проектные организации переходят на применение комплектных приводов, причем значительное внимание уделяется использованию магнитных усилителей с самонасыщением (МУС). Из отечественных приводов подобного типа в диапазоне регулирования скорости исполнительного электродвигателя 10:1 и 100:1 наиболее известны широкопри-меняемые в промышленности ПМУМ, разработанные ЭНИМСом [2]. Как показано в работе [6, 8] и других исследованиях, разработка подобных приводов более широкого диапазона при требуемой жесткости механических характеристик, динамических показателях и надежности работы вызывает необходимость создания принципиально'новых схемных решений регуляторов для систем МУС-Д. и способов стабилизации.
На базе проведенных исследований ряда существующих приводов [6, 2] и рекомендации ЭНИМСа кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Ульяновского политехнического института разработан и исследован в отраслевой лаборатории института переверсиЕный электропривод постоянного тока по системе МУС-Д с ППУ класса Д диапазона регулирования скорости 200:1, отвечающий вышеуказанным требованиям, для механизма подачи суппортов карусельного станка.
Электрическая схема этого привода изображена на рис. 1. Здесь ИД — исполнительный электродвигатель: СПТ — статический преобразователь тока для питания электродвигателя, состоящий из трехфазного выпрямителя и МУС с выходом на переменном токе, включенного по схеме с вынесенной контурной обратной связью; Г1ПУ — промежуточный полупроводниковый усилитель класса Д, используемый в качестве предварительного каскада усиления и включающий широтио-импульс-ный модулятор (ШИМ), импульсный усилитель (ИУ) и выходной каскад (К); ЗС — задатчик скорости с переменным коэффициентом передачи (гп), выполненный на базе серийного переключателя ПП-36 завода НВА, в виде высокоомного дискретного потенциометра (3 ком) и обеспечивающий постоянство статической ошибки по диапазону в функции уставки скорости за счет введения во входной контур ППУ добавочных
10* Н7
РИС.
сопротивлений R^ Г7*|; ТГ — тахогенератор типа ТМГ-ЗОП, используемый в качестве датчика скорости. В качестве статического преобразователя тока может быть использован с незначительной переделкой комплектный силовой блок ПМУ-9М-1 ЭНИМС, серишш изготовляемый Прокопьевским заводом «Электромашина».
Основные технические данные указанного электропривода сведены в таблицу № 1. Здесь двигатель П-41, с целью улучшения динамики и уменьшения влияния зубцовой пульсации, выбран несколько завышенной мощности (6 квт вместо 4,5 квт).
Исходное состояние схемы определяется нулевым положением регулятора, при этом U3 = 0,riTi открыт за счет положительного смешения на его базе по цепи R6 и находится в насыщении. Поэтому, при разряде конденсатора С4 (С5) ввиду малого сопротивления перехода коллектор—эмиттер, напряжение на его выходе равно нулю. Триод ПТ2 за счет отрицательного смещения по Rio открыт и по его цепи эмиттер-коллектор течет ток. Нагрузкой ПТ2 является Ru, подающее одновременно отрицательное смещение на базу ПТз. Однако ввиду открытия ПТ2 база ПТ3 находится под пулевым потенциалом, что приводит к его закрыванию. Триод ПТ4 открыт ввиду-отрицательного смещения на его базе по цепи Ri2 и Ri3, поэтому по ОУ течет ток смешения, что приводит к минимальному выходу МУС (1я =0,3а) и двигатель находится в состоянии покоя. При переводе регулятора в рабочее положение на входе ППУ появляется U3 полярности: — на базе, + на эмиттере ПТЬ что приводит к закрытию ПТь пробою Цг и поцаче положительных периодических импульсов напряжения с частотой 100 гц. на базу ПТ2. Серия отрицательных импульсов на выходе ПТ2 инвертируется и усиливается в ПТ3, что приводит к появлению импульсов положительной полярности на базе ПТ4 той же частоты, вызывая уменьшение тока смещения и открывание МУС. Таким образом, выходное напряжение ИУ прямоугольной формы и относительной длительности у управляет работой выходного каскада усилителя — полупроводникового ключа — К в цепи нагрузки (ОУ). Среднее значение тока в обмотке управления, включенной в цепь питания на время Т~ — -[Тк ^ KjUy в течение периода коммутации Тк , пропорционально входному сигналу Uy . Вращение электродвигателя приводит к появлению Е ;т и выходу МУС пропорциональному TIy = ( U3 —Етг) m в соответствии с уставкой скорости. Возрастание нагрузки на валу двигателя вызывает уменьшение п и Етг , что приводит к увеличению U у , более отрицательному потенциалу на базе ПТь увеличению выхода МУС и восстановлению п до заданного значения.
Для уменьшения постоянной времени ОУ, с целью повышения быстродействия, последовательно с ней включено добавочное сопротивление Ri6. Защита ПТ4 от перенапряжений на обмотке управления, возникающих при переходных процессах, осуществляется диодом Дц. Пробой ПТ4 (по переходу эмиттер-коллектор), или обрыв входной цепи ППУ приводят к нулевому выходу МУС на любой скорости, т. к. в этом случае по ОУ течет максимальный ток смещения. Диоды Д5 и Д6 защищают вход ППУ от перенапряжений.
Стабилизация электропривода осуществляется электромагнитным путем по производной суммарного магнитного потока МУС. Для снятия сигнала коррекции используется свободная обмотка управления ОК-МУС [1]. Сигнал коррекции отличается малым содержанием помех, действие которых ослаблено введением простого интегрирующего контура.
Таблица № 1
Помина Т1.ИЫС данные
1 Наимопиваипе 1' и п Кд. Рн и„ 1н п„ "'с,
к (квт) (в) (а) (об'мии) (По)
1. Исполнительный н.х. двигатель И-41 1 6.0 340 21 3000 84
2. Магнитный \ силитель 5ТА5200Э4 1 5:0 380 - 17
3. Тпхогенератор ТМ1—ЗОН 1 0.02 230 0,87 4000 -
4. Переключатель Трансформатор тока ПП36-21 Тк-20.45/50 1 2 —
В схеме предусмотрен узел токоограничения, выполненный на базе трансформаторов тока и опорного стабилитрона д При превышении током якоря допустимого значения происходит пробой д \2 и на вход ППУ подается сигнал (на сопротивление К5=150 ом), ограничивающий ток на выходе МУС. В силу известных особенностей статического преобразователя тока на базе МУС электрическое торможение в схеме отсутствует. Реверс и быстрое торможение осуществляется с помощью электромагнитных муфт, широко применяемых в станках.
Данные по конструктивному выполнению, номенклатуре изделий, описанию работы указанных узлов привода и теоретические исследования приведены в [7] и других статьях авторов.
1—-'"Ш --
£9 -
| 1я(р)
\..т/
П(й
Рис. 2.
Структурная схема разработанной системы приведена на рис. 2. Рассматривая работу САР «в малом» [5], можно принять следующие значения передаточных функций
\У„(Р)
Се
с,
и,
и»
тэр + 1
Передаточная функция двигателя:
Се
Тмр
Т, Тм р2 Н тмр 4 1
(1
где Тм, Т.
— соответственно электромеханическая и электромагнитная постоянные времени электродвигателя с учетом отнесенного к двигателю внутреннего сопротивления МУС.
К мут т^-;—^— ; Кму-» ~ К^э - — коэффициенты усиления первого
т — . т __ 1-я р р «
м" 375 С0 См ' 1э " ' 3 Кф К'
— фиктивное внутреннее сопротивление МУС; Ц, — индуктивность цепи якоря.
Передаточная функция МУС без учета запаздывания, влияние кото рого рассматривается в другой работе авторов:
(2)
1 му * к 1
где Тму — постоянная времени МУС;
Коу "I И]
и второго каскадов МУС; К1 — коэффициент усиления МУС по току.
Введение стабилизирующей обратной связи, как принято в схеме рис. 1, эквивалентно применению дифференцирующего трансформатора [1], поэтому передаточную функцию звена коррекции можно представить в виде:
ш ГгЛ~ с* - Кк Р (<*\
М (-;- 1Ы
где Кк — 5——5—1-тт--коэффициент передачи корректирующего
Кок ~п Квх Н~ Кд2
звена [ом. сек.];
Тк — постоянная времени корректирующей цепи, зависящая от параметров МУС;
М -- коэффициент, учитывающий наличие взаимоиндукции между ) обмотками МУС.
Соответственно рис. 2 коэффициент усиления ППУ по напряжению, коэффициент передачи тахогенератора и входного контура ППУ [7] запишутся: '
\*Мр)-Кп АМр)=т ; \Мр)-т- Квх
Квх + И-гг + Иаг + К ПК
Пользуясь известными в линейной теории автоматического регулирования способами преобразования структурных схем, получим передаточную функцию замкнутой САР по управляющему воздействию.
Подставляя в нее значение передаточных функций звеньев САР и пренебрегая ввиду малости Т ~0, после несложных преобразований поручим:
Здесь
1дг/ \ __ т • КППУ ■ Кму1 - Кму2 • КД1 ■ КД2 /дч
а1)р4 + а1р3 + а2р2 + а|,р + а4 " 1 ;
а0 = Тэ * ТМу • Тм * Тк — О,
— Тэ • ТМу • Тм Кппу • КМу1 • Кк * Тэ • Тм , ^2 ТМу ' Тм Т Тэ * Тм Кппу * Кму1 • Кк ■ Тм .
(6)
^з — 1 му ~r Тм т" Кппу * Кму1 * кк ;
Q 1 -Г m • Кппу • КМУ1 ■ кму2 • Кд1 • Кг>
и — 1 • и —
Кэ v^e
Условие устойчивости привода по Гурвицу при а, >0; й2>-0; а<>0 запишется в виде:
(Тму * Тм -L Тэ ■ Тм + КППу * Кму1 ■ Кк • Тм)
X (Тму -¡- Тм 4- КШ1у ■ Кму1 • Кк) >
- ( ^ у * тму • Тм ~ ЬСппу * Кму| ' Кк * Тэ ' Ты)
X (1 -г m • К!Шу ■ Киу1 • К,1у2 • Кд1 • КЛ2).
Отсюда следует, что при заданных параметрах привода устойчивость его работы улучшается с увеличением К1:, что практически может быть достигнуто за счет увеличения числа витков \VK корректирующей обмотки и подбором сопротивлений стабилизирующего контура.
Аналитическое выражение механической характеристики без учета токоограничения в линейном приближении может быть получено согласно методике, изложенной в [4]. Уравнение статического равновесия при наличии нагрузки на валу применительно к рассматриваемой САР в замкнутом состоянии может быть представлено в виде:
i U, - т ( Uo - Д U0 - IaR э) Се"1 ] • m • Кппу ■ Кму = U0 Д U0 , (71
где под Uo — понимается напряжение, взятое по фиктивной «характеристике холостого хода» МУС [5], Кму , — коэффициент усиления МУС. Переходя к скорости, можно записать:
n-Ce-1 (и0 +ди0-1я S'Y'. 18)
Решая (7) и (8) совместно, получим:
n = r-, / U3-mJ<nny__-KKy__.__^R,__,
Ье 11 - Кппу • Кму • ï • m ■ Со-1 1 1<ппу • КЛ,у • Т • m • CjrV ' ''
Допуская, что статические коэффициенты, входящие в (9), изменяются по диапазону незначительно для рассматриваемой САР, имеем:
7 =0,066; К11ПУ =78; Кму -56; Се -0,09.
Поэтому, при 0,1<т<0,5, что имеет место в данной схеме,
Кипу • Кму • т • ш • Сг1 — (300 -г 1500) >> 1 .
Тогда, пренебрегая единицей в знаменателе выражения (9), получим:
Из (10) следует, что при 1я =Const, Дп зависит от т. Выявим, как должно изменяться m по диапазону для обеспечения постоянства статической точности (A%=Const) в функции уставки скорости, что необходимо при работе привода подачи тяжелых станков [3]. Для этого в линейном приближении можно воспользоваться выражением:
где: К — статический коэффициент усиления разомкнутой САР, требуемый для обеспечения необходимой статической точности
(А %);
/\пр% — относительное отклонение скооости в оазомкнутой САР. С другой стороны, для рассматриваемой САР в разомкнутом состоянии имеем:
К = тп * КППу * КМу • ^ * Се * (12)
Приравнивая правые части выражений (11) и (12), получим:
Дпр*
А %
m • К„пу • Кму • т • Се"1 = ——--1
Решая последнее равенство относительно «т» применительно к работе привода на нижнем пределе диапазона регулирования скорости при изменении нагрузки на валу от 0,3 Мн до Мн, пренебрегая единицей, найдем максимальное значение коэффициента передачи входного контура ППУ.
Шияк —
1 Лпрм*
К„ак А %
(13)
Здесь,
Дпрм% (Зм-°'31ян' 1--1 ) .1009
V ПНм '
70
Кмак К Ппу К Му • ^ * Се
Индекс «м» означает, что значение физических величин в полученном уравнении относится к механической характеристике при работе электропривода на нижнем пределе диапазона, индекс «н» означает, что Мс = М ,, К'ппу и К'му — статические коэффициенты усилителей на нижнем пределе диапазона регулирования скорости.
Приравнивая указанные величины к текущим значениям при Мс = Мл, получим взаимосвязь между тип для любой уставки скорости пн, при потоке возбуждения ф = Фном
m
100 / По~0.31ян' Иэ-Се"
К'
1 j — f(nH). (14)
Здесь для обеспечения постоянства статической точности по диапазону можно принять К' = KunyKyyvCtT^A* — Const, a R3, в общем случае, является сложной функцией скорости п. Полагая для упрощения анализа, 4ToR9^R9rp -=Const, можно считать, что для обеспечения по диапазону А %= Const взаимосвязь между шип должна осуществляться по убывающему в функции скорости примерно гиперболическому закону.
Следует отметить, что выражение (14) справедливо в линейном приближении и может быть использовано для проведения анализа слияния ш на жесткость механических характеристик по диапазону. В реальном приводе Кппу; Кму; R3 зависят от скорости, поэтому m является сложной функцией скорости электродвигателя и правильный подбор in по диапазону может быть осуществлен только экспериментальным путем.
На рис. 3 приведены статические характеристики электропривода, снятые экспериментальным путем. Из них следует, что в заданном диапазоне применение регулятора с переменным коэффициентом усиления
*
Рис. 3.
обеспечивает примерное постоянство статической ошибки в: функции уставки скорости, при этом жесткость механических характеристик в соответствии с настройкой составляет 7 -г 8% при изменении тока 1я нагрузки от 2 до 16а, а токоограничение обеспечивает ток упора, который не выходит за пределы допустимого и в соответствии с уставкой находится в пределах 24^?.
На рис. 4 приведены осциллограммы п = Г(1) и 1}1=Ц1), снятые для скоростей 15, 30 и 3000 об/мин.:
а) для случая пуска без нагрузки; б) для приема и сброса нагрузки, при работе двигателя на скоростях 15 и 30 об/мин.; в) для переключения с одной скорости па другую.
Здесь: ■" п"- - 100% ; - - ^ = -Пцин ~ п" . \00%
Па ^н
—соответственно, положительное и отрицательное перерегулирование,
А %—статическая точность, иу — входной сигнал, Мс — статический момент.
Из осциллограмм видно, что наибольшая просадка скорости, время переходкого процесса, величина перерегулирования и относительная неравномерность скорости вращения, вызываемая оборотной и зубцовой пульсациями момента, наблюдаются на нижнем пределе диапазона (Д = 200:1) при п=15 об/мин., что характерно для глубоко регулируе-
Рис. 4а.
мых приводов с магнитными усилителями. Однако, как показали эксперименты при обработке металла, это не выходит за рамки требований, предъявляемых к механизмам подачи суппортов тяжелых карусельных станков, для которых разработан рассматриваемый привод, так как по условиям технологического процесса ожидаемое возмущение по нагрузке задается в пределах (15т25)% от номинального момента. Поэтому в целом можно считать полученные показатели вполне удовлетворительными. Работа токоограничения видна на осциллограмме пуска двигателя на скорость п = 3000 об/мин. (I т0 =0,6 сек^). Стабилизация привода надежно обеспечивается по всему*диапазону. Статическая ошибка в соответствии с настройкой А %— 7-^-8%.
На рис. 5а и б приведены полученные в результате обработки осциллограмм зависимости а =Г(п) перерегулирования САР в переходных процессах по управляющему воздействию и кривые б = !(п) показателя неравномерности скорости вращения исполнительного электродвигателя по диапазону:
__ Пмак " пмин -Ю0% Пмак ~Т~ Пмин
Для сравнения на этом же рисунке (пунктиром) приведены аналогичные зависимости, характерные для известной системы ЭМУ-Д [3] с промежуточным электронным усилителем и исполнительным двигателем серии ПН.
Разработанный электропривод цо системе МУС-Д с ППУ несколько превосходит упомянутую систему ЭМУ-Д с двигателем ПН по качеству переходного процесса при пуске привода, но уступает ей по величине неравномерности скорости вращения. Неравномерность можно умень-. шить при замене двигателя серии П на ПБСТ, рассчитанного на эксплуатацию в* условиях машиностроительного производства. Применение ППУ класса Д позволило уменьшить постоянную Тму за счет перераспределения коэффициентов усиления Кппур и К ПпУР по мощности основного канала САР, а уменьшение просадки скорости достигается применением нелинейной коррекции, что подробно освещено в других статьях авторов и [9].
Испытание разработанного электропривода в условиях завода УЗТС на механизме подачи суппортов карусельного станка модели 1580 показали положительные результаты.
Выводы
1. Проведенные исследования показали возможность создания надежного в работе электропривода диапазона 200:1 по системе МУС-Д с ППУ класса Д на базе стандартных МУС типа УМЗП или серийного привода ПМУ-9М-1, двигателя П-41 и тахогенератора ТМГ-ЗОП применительно к механизму подачи суппортов тяжелых карусельных станков с удовлетворительными статическими и динамическими показателями, не уступающими по ряду таковых установленному приводу ЭМУ-Д с двигателем ПН на карусельном станке модели 1580, имея некоторые преимущества, свойственные приводам со статическими преобразователями тока.
2. Применение высокоомного задатчика скорости на базе ПП36 и, в связи с этим, маломощного источника питания сократило габариты и стоимость устройства. ^
3. Регулирование коэффициента усиления в функции уставки скорости путем изменения сопротивления входного контура ППУ введением добавочных сопротивлений в секции потенциометра (изменением т), обеспечивает примерное постоянство «статической ошибки по диапазону, способствует улучшению динамики привода.
4. Принятый вариант коррекции обеспечивает эффективную стабилизацию по диапазону, отличается малым уровнем помех и достаточной надежностью в работе.
5. Применение ППУ класса Д позволило, за счет перераспределения коэффициентов усиления по мощности КППур и Кмур основного канала САР, уменьшить постоянную времени МУС, при работе его в паре с ППУ, и повысить быстродействие привода МУС-Д. При этих условиях, с учетом перехода на МУС с токовой обмоткой управления и ШИМ с ^ — 300 гц., постоянная практически может быть сведена к нулю и, при соответствующей стабилизации, преобразователь МУС-Д по быстродействию практически ничем не будет отличаться от БМУ при более простом схемном решении. /
6. Схемным решением ППУ надежно защищен от перенапряжений, возникающих в обмотках управления при коммутации силовой цепи МУС; наиболее вероятные неисправности: обрыв входной цепи, выход из строя выходного триода (типа пробой коллекторного перехода) приводит лишь к начальному нулевому выходу ППУ, запиранию /МУС и остановке двигателя.
7. Применением нелинейной коррекции, при необходимости, просадка скорости и перерегулирование при сбросе нагрузки могут быть значительно уменьшены.
8. Расширение диапазона регулирования скорости, при заданной жесткости механических характеристик и соответствующих требованиям динамических показателях, можно ожидать при применении двигателя Г1БСТ и более совершенного тахогенератора.
*
ЛИТЕРАТУРА
1. М. А. Р о з е н б л а т. Магнитные усилители. Изд. «Советское радио», том II, 1960.
2. А. Я. П е т р о в с к и й, Я. Б. Р о з м а н. Регулируемый электропривод с магнитными усилителями. Изд. «Энергия», 1964.
3. М. Е. В е р х о л а т. Современное состояние электропривода металлорежущих станков. Ленинград, ЛДНТП, Современный автоматизированный электроппивод. вып. 4, 1963.
4. А. А. Сиротин. Автоматическое управление электроприводами. Госэнергоиз-дат, Москва — Ленинград, 1958.
5. М. А. Боровиков. Динамические процессы в электропривоАе по системе однофазный магнитный усилитель-двигатель. Известия • ВУЗ, «Электромеханика», 1965.
6. В. А. Севастьянов, А. И. Е с и н, Г. С Сидоров, Анализ схемных решений приьода ПМУ с применением МУ единой серии. Электрические машины и автоматизированный электропривод. Изд. Ленинградского политехнического института, J 963. *
7. В. А.' Севастьянов, А. П. И н е ш и и. Об улучшении статической точности и цтабилизации регулируемых электроприводов ч МУС-Д. Ученые записки Ульяновского государственного педагогичеа&го института. Том 20, выпуск 4, 1965.
8. В. А. Севастьянов, А. И. Ее и н, Г. С. Сидоров. О расширении диапазона регулирования скорости электродвигателя в приводах с магнитными усилителями. Ученые записки Ульяновского государственного педагогического института имени И. Н. Ульянова. Том 19, выпуск 2, 1964.
9. А. П. И н е ш и н, В. А. Севастьянов. О повышении быстродействия в системах с магнитными усилителями. Ученые записки Ульяновского государственного педагогического института. Том 20, выпуск 4, 1965.
