Системы автоматического регулирования

4.1. Назначение и классификация САР

Системы автоматического регулирования (САР) - замкнутые о системы. Они предназначены для регулирования скорости (поддержания её неизменной при колебании механической нагрузки) электродвигателя.

Механические характеристики ДПТ независимого или параллельного возбуждения жёсткие. При измерении нагрузки они обеспечивают изменение скорости на 5-10%. Этой жёсткости недостаточно для таких производственных машин как прокатные станы, бумагоделательные машины и т.п.

Для поддержания скорости неизменённой применяют обратные связи: измеряют при помощи датчиков контролируемый параметр, сравнивают его с заданным и при появлении разности измеренной величины и заданной, устраняют это отклонение.

Замкнутые САР состоят из преобразователя П (обычно тиристорный выпрямитель), электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения М, датчика Д, преобразующего измеряемую величину (скорость, ускорение, напряжение, ток) в удобную для сравнения преобразования, усилителя У, задатчика ЗД, узла сравнения УС и регулятора Р (рисунок 4.1.)

При стабильной работе заданная скорость электродвигателя поддерживается разностью U - U_oc. При изменении нагрузки меняется величина U_oc, что приводит к разбалансу напряжений на входе узла сравнения. Регулятор Р исправляет эту ошибку.

В зависимости от принятого закона регулирования различают статические, астатические и изодромные системы регулирования.

В статическом регуляторе регулирующие: воздействие возникает при отклонении регулируемой величины от заданного значения. Поэтому статический регулятор работает с остаточным отклонением называемым статизмом и не может обеспечить строгого равенства между действительным и заданном значениями регулируемой величины.

В астатических системах величина регулирующего воздействия зависит не от абсолютного отклонения регулируемой величины от заданной, а от скорости её изменения. Поэтому в установившемся режима регулирующее воздействие неизменного.

В изодромных регуляторах сочетаются элементы статического и астатического регуляторов. В таких системах при возникновении отклонения регулируемой величины от заданного значения регулятор сначала работает как статический, а в конце как астатический.

Как уже отмечалось выше, воздействие выходной величины на входную в замкнутых САР осуществляется по каналу обратной связи, который формируется датчиком, усилителем и узлом сравнения. Обратные связи могут быть: одно – и многопетлевыми (в зависимости от количества каналов ОС); положительными и отрицательными ( в зависимости от характера воздействия выходной величины на входную); по току, напряжению, мощности, скорости, ускорению и т.д. (в зависимости от вида контролируемой величины); жёсткими и гибкими.

Положительные ОС увеличивают входную величину, отрицательные –уменьшают её. Жёсткие ОС действуют во всех режимах работы ЭП (в переходном и установившемся). Гибкие ОС действуют только, как правило, в переходных режимах или задерживаются, пока не насупит аварийный режим (отсечки по току или напряжению).

4.2. Статические и динамические характерисики замкнутых САР П-Д

Замкнутые САР образуют системы "преобразователь-двигатель" (П-Д). Преобразователь переменного тока в постоянный питает якорь двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Если изменять напряжение на зажимах якоря ДПТ, то получим семейство характеристик Р (рис.4.2). При замыкании системы получим более жёсткую характеристику «3». Она состоит из двух участков. Участка 1, на котором стабилизируется скорость электродвигателя, и участка 2, на котором ограничивается величина максимального тока.

Статическая механическая характеристика замкнутой системы 8, типичная для многих замкнутых систем. Она представляет зависимость скорости двигателя от развиваемого момента М при использовании различных регулирующих обратных связей.

Различают возмущающее и регулирующее воздействие в замкнутых системах. Возмущающим воздействием называют причину, вызывающую изменение регулируемой величины. Это может быть напряжение питающей сети. Момент нагрузки и пр.

Регулирующие воздействие определяется соотношением задающей величины обратной связи. Если обратная связь отсутствует и нет нагрузки на электродвигатель работает в режиме идеального х.х. со скоростью ω_з Приналичии возмущающего воздействия Ма и Ос Двигатель работает в точке а) Если изменение возмущающие воздействий до значения Мб то двигатель перейдёт в точку б). Этот режим можно прлучитъ в замкнутой системе изменением величины 0107 , а в разомкнутой изменением напряжения на якоре двигателя вручную.

На участке 2 регулирующее воздействие ток якоря (электромагнитный момент двигателя), а возмущающее - скорость двигателя.

Приведённая на рисунке 4.2 характеристика "3" отвечает случаю, когда на обоих её участках система регулирования, изменяя структуру, остаётся статической системой. Такие системы характеризуются понятием с т а т и з м а.

Статизмом называют отношение разности заданного установившегося значения регулируемой величины и установившегося значения регулируемой величины, определяемой возмущающем воздействием к заданному значению регулируемой величины:

S=(ω_g – ω_a)/ ω_g 4.1

Статиям может быть выражен, как сумма статизма по заданию и статизма по возмущению:

S=S_g + S_l=(ω_g – ω_o)/ ω_g + ( ω_g – ω_a)/ ω_g 4.2

Статизм системы зависит от её параметров и, в первую очередь, от коэффициента передачи разомкнутой системы регулирования.

В системах астатических статизм равен нулю.

Динамические характеристики замкнутых систем отражают поведение их во время переходных процессов пуска, торможения и регулирования скорости, т.е. при изменениях задающего или возмущающего воздействия. Они представляют собой графики изменения во времени регулируемых величин: ω =f(t),

M=f(t) и т.п.

Оценка, качества системы по виду кривой переходного процесса производится по показателям качества: быстродействию, перерегулированию и числу колебаний.

Быстродействие системы оценивается временем переходного процесса, когда истинное значение регулируемой величины отличается от заданного не более чем на 3-5%.

В электроприводах, работающих в основном в переходных режимах пуска и торможения (реверсивные прокатные станы), увеличение быстродействия способствует повышению производительности рабочих машин. В системах следящего и программного управления повышается точность отработки линейных и угловых перемещений. В системах стабилизации скорости снижаются динамические ошибки. Однако быстродействие системы ограничивается перегрузочной способностью двигателя, предельными моментами механической части (величинами ускорений и ударов, допускаемыми конструкцией механизмов).

Перерегулированием называют отношение разности между приращениями максимального и установившегося значения регулируемой величины к приращению её установившегося значения. Перерегулирование обычно выражается в %.

σ = [(ω_мах - ω_y /∆ω] 100% 4.3

Перерегулирование не должно превышать заранее заданного значения (обычно 15%). Число колебаний регулируемой величины за время t_n, т.е. число переходов этой величины через установившееся значение определяет степень демпфирования (затухания) колебаний в системе. Как правило, их должно быть не более трёх.

4.3. Элементы управляющих устройств замкнутых автоматических

систем управления ЭП

В управляющих устройствах замкнутых АСУЭП можно выделить четыре основные группы управляющих элементов. К первой группе относят датчики и из -мерительные схемы. При помощи таких элементов получают электрические сигналы, пропорциональные электрическим и механическим величинам, которые

необходимо контролировать (напряжение, ток, скорость, момент, угловое перемещение, ускорение и т.д.)

Ко втором группе относят усилители, предназначенные для увеличения мощности сигналов датчиков и измерительных схем. Их используют как выходные усилительные элементы управляющих устройств и как промежуточные суммирующие или фазочувствительные элементы.

Третью группу составляют управляющие элементы, при помощи которых формируются требуемые законы управления. Это - пассивные и активные корректирующие элементы (операционные усилители, функциональные преобразователи, вычислительные устройства и т.п.)

Четвёртую группу образуют командные элементы, посредством которых в систему управления вводят сигналы, задающие значение или закон изменения регулируемой величины.

Исполнение элементов, как по конструкции, так и по принципу действия может быть раз личным. Однако в последнее время в электроприводах используют типовые элементы унифицированной блочной системы регуляторов на аналоговых или дискретных элементов УБСР-АИ и УБСР-ДИ.

Элементы УЗСР выполняются в виде двухсторонних - печатных плат, снабжённых штепсельным разъёмом, на которых размещены полупроводниковые и гибридные интегральные микросхемы и радиодетали. Они являются наименьшими сменными модулями СУ.

В номенклатуру УБСР входят источники питания, задатчики входных сигналов, датчики регулируемых параметров, усилительные устройства регуляторы, потенциальные разделители, компараторы, функциональные устройства, устройства защиты и коммутации, устройства технологической логики, контролирующие и вспомогательные устройства.

Номенклатура и основные технические данные УБСР приведены в приложении.

4.4. Принципы и условные обозначения узлов систем управления

Схемы систем управления, построенные на УБСР сложны для чтения понимания. Их представляют на чертежах в виде печатных плат и схем внешних соединений. По таким схемам легко разобрать конструкцию схемы. На них представлены все элементы и их соединения. Элементы на них изображают в обще приятном стандарте условных обозначений на электрических схемах. (ГОСТ 2.722-68, 2.743 – 72, 2.756 – 76 и др.) Для понимания функций и значения узлов и блоков применяют структурные схемы.

При описании структурных схем используют условные различные обозначения. Например, каждый узел изображается прямоугольником с указанием передаточной функции этого узла. Такое обозначение удобно, если схема используется для расчёта динамических характеристик СУ. Другим общепринятым изображением является изображение узла прямоугольником, в котором указывается передаточная характеристика. При такой системе условных

обозначений легко понять общие принципы работы СУ, но схемы самих узлов остаются нераскрытыми. Возможно, также изображать структурные схемы состоящими из операционных усилителей и элементов их прямых и обратных связей. Такие схемы приближаются к принципиальным, поэтому становятся громоздкими.

Чаще всего применяют комбинированный метод изображения структурных схем, при котором основной узел изображается состоящим из образующих его ОУ с их ОС. В прямоугольнике указывается в условных обозначениях наименование узла:

4.5. Типовые звенья САР. Их Характеристики

Любое устройство автоматического регулирования можно представить в виде совокупности простейших составных частей – звеньев, каждое из которых обладает определённым характером поведения в статическом и динамическом режиме работы.

Важными показателями статического режима функционального элемента Сар является его статическая характеристика, выражаемая зависимостью выходной величины от выходной. У =f(x).

Статические характеристики могут быть линейными нелинейными. Отношение выходной величины к входной для линейных характеристик или отношение приращения выходной к приращению выходной называют коэффициентом передачи элемента:

К = у/х – для линейных и К = _dУ/ _dХ – для нелинейных элементов.

Если входной элемент САР постоянный, то и выходной сохраняет постоянное значение.

В реальных САР сигналы, как правило, переменные. На изменение входной величины элементы САР реагируют по разному. Всё разнообразие этой реакции можно обратить в несколько групп. Элементы будем называть звеньями, Uк будем характеризовать динамическими характеристиками. Динамические характеристики звеньев описываются дифференциальными уравнениями. Дифференциальными уравнениями обычно записывают в операторной форме, заменяя дифференциал d/t оператором «Р»

Звенья характеризуют передатольнами функциями.

Передаточной функцией называют отношение мгновенных значений выходного сигнала к мгновенному значению входного сигнала.

В операторной форме: W (p) = у/x 4.4.

В зависимости от характера переходного процесса различают безинерционнные, апериодические, диффериннцирующие, интегрирующие звенья.

Безинерционным звеном называют звено, в котором выходной сигнал пропорционален выходному х:

У=кх, передаточная функция: W(p)=к.

Где к – коэффициент передачи (усиления).

Апериодическим звеном называют звено, в котором при скачкообразном изменении входной величины выходная изменяется по экспоненцианальному закону.

Передаточная функция имеед вид:

W(p) = к/Тр+1 4.5.

Дифференцирующим звеном называют звено, в котором сигнал на выходе изменяется пропорциональное звено первого порядка):

W(p) = кTp/Тp + 1 4.6.

Интегрирующим называют звено, в котором выходной сигнал пропорционален интегралу по времени от входного сигнала:

W(p) = к/p 4.7

Колебательным называют звено, кв котором при скачкообразном измерении входной величины выходной сигнал стремиться к своему новому установившемуся значению, совершая затухающие колебания:

W (p) = к/T²p² + 2 σT_p + 1 4.8.

Где W(p) – передаточная функция;

Р = _d/_dt – оператор;

К – коэффициент усиления (передачи);

T – постоянная времени переходного процесс t_пп можно выразить через постоянную по формуле t_пп = (3 – 4)Т

σ – коэффициент затухания

Передаточными функциями характеризуют как замкнутые, так и разомкнутые системы. Их записывают как для одного так и для нескольких последовательно и параллельно включённых звеньев или системы в целом.

При анализе устойчивости САР применяют частотные методы, исследующие поведение систем при подаче на выход звена синусоидального сигнала.

4.6. Датчики и измерительные схемы

Для получения электрического сигнала, пропорционального скорости, току, напряжению электродвигателя в САР необходимо поменять различные датчики.

Датчики скорости. Скорость электродвигателя можно изменить непосредственно при помощи тахогенераторов или косвенно при помощи тахометрических мостов. Применяют тахогенераторы постоянного и переменного тока (ТГ).

Наибольшее распространение получил и тахогенераторы постоянного тока, так как АСУЭП имеют вход на постоянном токе и приборы для измерения скорости требуют питания постоянным током. Тахогенераторы могут быть с постоянными магнитами так и с обмоткой возбуждения. В различное время нашей промышленностью выпускались и широко использовались датчики типов МЭТ8, ЭТ4 для изменения скорости до 2000 об/мин, ДСУ-1 – для измерения скорости и ускорения до 200 об/мин.

В настоящее время в тиристорных ЭП широко стали применять бесконтактные датчики ПКФ12 – 1 (кодовый фотоэлектрический датчик положения) и ПДФ-1. Датчик ПКФ12-1 контролирует угол поворота вала исполнительного органа рабочей машины или электродвигателя и выдаёт выходные сигналы в цифровом коде, пропорциональные углу поворота он представляет собой стеклянный 12- разрядный кодовый диск, помещённый на валу, на котором чередуются оптически прозрачные и непрозрачные участки. С одной стороны диска помещено 12 источников света, а напротив, с другой стороны диска 12 приёмников света. При освещении приёмника на его выходе возникает сигнал логической 1, который усиливается и передаётся на выход датчика; при затемнении - сигнал логического нуля. Полная цифровая ёмкость 12 зарядов 4096 единиц. Комбинация электрических сигналов на выходе датчика однозначно определяет положение кодового диска, а скорость изменения кода- скорость вращения.

Датчик ПДФ -1 контролирует угол поворота вала и скорость исполнительного сигнала РМ или двигателя.

Он выдаёт выходное напряжение пропорциональное углу поворота в виде частоты следования импульсов. Он препятствует в виде частоты следования импульсов, представляет модуляционные металлический диск со 150 прорезями, помещённый на вал. С одной стороны помещают 2 источника света, с другой 2 – приёмника. Таким образом, схема имеет 2 канала сдвинутых на 90^о

Тахометрические мосты применяют вместо тахогенераторов в качестве датчиков скорости (рис 4.4.) В одно из плеч тахомоста включён якорь двигателя, имеющий сопротивление Rя, другие плечи образованы сопротивлением обмотки дополнительных полюсов R_дп и потенциометром R₁+R₂. Конденсатор С_ф вместе с сопротивлениями схемы образует фильтр.

Если мост уравновешен и схема работает в установившемся режиме, то:

R₂R_дп = R₁R_я 4.9

U_вых = [R_дп/(R_я +R_дп)]Е_я 4.10

Если Ф постоянен, то Uвых = к_{тм *} ω 4.11.

Где: К_тм = R_дп/(R_я + R_дп) К_е = К_тм/К_е 4.12.

Тахометрический мост – апериодическое звено, по этому его передаточная функция.

W(p) = K_тм/Т_фp + 1 4.13.

где: Тф = Сф (R₁R₂ / R₁+ R₂) 4.14.

2. Датчики напряжения и тока. В системах постоянного тока датчики напряжения представляют собой потенциометры, а датчики только – шунты, в качестве которых часто используют обмотки дополнительных полюсов их компенсационные обмотки электрических машин постоянного тока. Как потенциометры, так и шунты не обеспечивают гальваническую развязку цепей управления от силовых цепей. Кроме того, шунты нельзя применять для измерения тока более 1000А. Для потенциального разделения цепей измеряемой величины и выхода датчика, а так же для усиления сигнала элементарного датчика, применяют датчики, построенные по принципу МУД (модулятор – усилитель – демодулятор), в котором измеряемую величину постоянного тока модулируют сигналом переменного тока, усиливают, а затем демодулируют.

Для измерения больших токов применяют измерительные трансформаторы постоянного тока и датчики тока с элементами Холла.

Трансформаторы постоянного тока представляют собой дроссели насыщения, рабочей обмотки которых включены на напряжение источника переменного тока, а подмагничивающие (управляющие) обмотки – последовательно с измеряемой цепью (рис 4.5.) Напряжение снимаемое с резистора R_n, оказывается пропорциональным току цепи I₁.

Измерение тока с помощью элементов Холла основана на измерении магнитной индукции, создаваемой токопроводом при прохождении измеряемого тока.

ЭДС Холла является функцией произведения тока управления Iу и магнитной индукции В, пронизывающая полупроводниковый кристалл в направлении, перпендикулярном его плоскости (рис 4.6.)

Е_х = (К_1*B) / У 4.15

Где: К – коэффициент, учитывающий физические свойства полупроводникового материала.

При стабилизированном токе управления I_у с помощью датчика Холла получают линейную зависимость Е = f(В). Датчики Холла ДХ (катушки с сердечниками из полупроводникового материала) устанавливают в воздушный зазор магнитопровода, который концентрирует магнитные поля.

Датчики тока в системах электроприводов с тиристорными преобразователями

можно включать в цепь переменного тока через Тр тока. Ток вторичных обмоток т.т. суммируется, выпрямляется и выделяется на нагрузочном резисторе (рис.4.7.)

3.Датчики динамического тока (ускорения). В системах электроприводов постоянного тока при работе двигателя с неизменным магнитным потоком динамическая составляющая тока якоря:

i_яд = JK_д(dω/dt) = Ср_ω 4.16.

где: J - момент инерции;

Кд - коэффициент пропорциональности;

р - оператор.

Простейшим датчиком динамического тока, т.е. датчиком ускорения привода может быть дифференцирующая цепочка RС, включаемая на выход тахогенератора или на напряжение двигателя (рис.4.8).Переда точная функция узла с тахогенератором:

W(p) = K_{тг *} Т_р / Т_р + 1 4.17.

4.7. Усилительные элементы

Для усиления электрических сигналов снимаемых с датчиков с других элементов САР, можно применять магнитные усилители, электромашинные усилители с поперечным полем и полупроводниковые (транзисторные) усилители. Магнитные усилители применяют главным образом как промежуточные суммирующие усилители, когда необходима гальваническая развязка цепей управления и силовых цепей. Как элемент системы управления МУ является сложным нелинейным импульсным звеном. При некоторых частных условиях его работы МУ можно рассматривать как непрерывное апериодическое звено с чистым запаздыванием. Для повышения быстродействия МУ питают напряжением повышенной частоты 400 - 1000 Гц. В качестве источника повышенной частоты применяют преобразователи постоянного напряжения в переменное прямоугольной формы (мультивибраторы с магнитной связью).

Электромашинный усилитель с поперечным полем (ЭМУ), как это известно из курса электрических машин, представляет собой агрегат, состоящий из гонного АД с КЗР и генератора постоянного тока с четырьмя щётками, две из которых установлены на нейтрале основного магнитного потока, и закорочены, а две другие на нейтрале поперечного поля, возникшего при протекании тока через замкнутую цепь первые двух щёток. Напряженно снимается с последних двух щёток (рис.4.9.)

Для компенсации реакции якоря от тока нагрузки по продольной оси на статоре располагается распределённая компенсационная обмотка КО, МДС которой регулируют при помощи шунтирующего сопротивления R_ш. По продольной оси машины для улучшения её коммутации расположены обмотки дополнительных полюсов ДП. ЭМУ серии ЭМУ-А снабжены специальными размагничивающими обмотками переменного тока и последовательной ОВ в поперечной цепи статора.

Благодаря действию этих обмоток значительно уменьшено влияние гистерезиса магнитной цепи и тока нагрузки ЭМУ на его внешние характеристики.

Полупроводниковые усилители, являются основным видом усилителем в современных АСУЭП в качестве промежуточных, суммирующих и управляющих. Наибольшее распространение получили усилители постоянного тока (УНТ). Они выполняются с числом каскадов от 1-4 с непосредственной связью между каскадами, операционные усилители в интегральном исполнении. Для электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости до 2000:1 применяют усилители по схемам МДМ (модулятор-усилитель переменного тока - демодулятор).

4.8. Управляющие элементы

Чтобы обеспечить качественную и надевшую работу САР во всех режимах, высокую степень их устойчивости при колебаниях нагрузки, быстрое затухание колебательных процессов в схемы обратных связей вводят различные корректировки, управляющие этими режимами. Их осуществляют при помощи, управляющие элементов. К ним относят пассивные корректирующие элементы, динамические мосты, регуляторы, функциональные преобразователи и вычислительный устройства.

В качество пассивных корректирующих элементов используют различные RC -цепи: дифференцирующие, интегрирующие, интегрально - дифференцирующие (рис. 4.10.)

На рисунке 4.10а) представлена схема и логафмическая амплитудная характеристика замедляющей, (интегрирующей) RC- цепи. На рисунке 4.10б) - схема и логарифмическая амплитудная характеристика форсирующей RC-цепи.

На рис. 4.10в) -схема и интегрально - дифференцирующей цепи.

Интегрирующую цепочку применяют для деформации низкочастотной части ЛАЧХ разомкнутой системы, дифференцирующая – для деформации высокочастотной части ЛАЧХ. Интегрально – дифференцирующие звено изменяет среднечастотную часть ЛАЧХ системы.

Стабилизирующий трансформатор также относят к пассивный корректирующими элементам. Он представляет собой двухобмоточный трансформатор с воздушным зазором в магнитопроводе, величину которого можно регулировать. На первичную обмотку подают входное напряжение, с сопротивления нагрузки снимается сигнал, содержащий первую производную от него.

При включении корректирующих звеньев в систему управления их характеристики искажаются. Для уменьшения искажения необходимо соблюдать условие, чтобы входное сопротивление последующего звена было на порядок больше, а выходное и сопротивление предыдущего звена - на порядок меньше, чем выходное и соответственно, входное сопротивление данного корректирующего звена.

Соответственно регуляторы выполняют на интегральных микросхемах. Выпускают унифицированные блочные системы регуляторов (УБСР). Такие усилители не только выполняют функции усиления сигналов, но и формируют законы управления. Они могут реализовать интегрирование, дифференцирующие, суммирование, изменение масштаба. По этому операционные усилители с сопротивлениями, включаемыми в его входные цепи и цепи обратных связей называют регуляторами. Тип регулятора определяется выполняемой им операцией. Если усилитель во всех режимах только усиливает сигнал (его передаточная функция W(р)=K), то такой регулятор называют пропорциональным (П - регулятором).

Если усилитель только интегрирует входной сигнал, то его называют интегральным (И - регулятором). Если усиливает и интегрирует входную величину, то – пропорционально - интегральным (ПИ – регулятором) Если дифференцирует входную величину, то дифференциальным (Д - регулятором) Если усиливает, интегрирует и дифференцирует входную величину, то – ПИД - регулятором.

На рисунке 4.2 а) представлена схема П - регулятора, на рис. 4.2 б) И -регулятора, на рис. 4.2 в) Д - регулятора; ня рис. 4-2 г) ИП - регулятора; на рис. 4.2 д) ПИ - регулятора и на рис. 4.2 е) схема ПИД - регулятора.

Функциональные преобразователи и вычислительные устройства позволяют, реализовать в устройствах управления квадратичные, кубичные и другие зависимости и производить над величинами операции умножения, деления, возведение в квадрат, извлечение квадратного корня, алгебраическое суммирование и т.д.

Функциональные преобразователи построены на принципе кусочно – линейной аппроксимации монотонных функций при помощи резисторов, диодов и опорных напряжений. Вычислительные устройства построены, как правило, на аналоговых элементах с применением ОУ.

4.9. Командные элементы

К командным элементам относят различные задатчики скорости и интегральности. Задатчики скорости задают величину скорости электродвигателя, которую должна контролировать САР. При помощи его можно менять скорость в широких пределах, осуществлять реверс.

Простейшим задатчиком скорости может служить потенциометр с плавным или ступенчатым изменением задающего напряжения (рис.4.12 а) и б)).

Для повышения точности задания его питают от источника со стабилизированным напряжением питания.

Для приводов постоянного тока с двухтонным регулирование скорости (1 - напряжения на зажимах якоря и 2 – изменением напряжения на зажимах ОВ двигателя) применяют сдвоенныепотонциометры с одной рукояткой или от одного сервододвигателя.

Если в АСУЭП применена обратная связь по напряжению или ЭДС двигателя, то на участке 2 ослабления магнитного потока напряжение задания по цепи якоря U_зя должно оставаться постоянным, соответствующим номинальному напряжению на якоре, а на участке 1 регулированная напряжения на якоре, наоборот, неизменно напряжение задания по цепи возбуждения U_зв, соответствующее номинальному потоку двигателя. Если же АСУЭП имеет обратную связь по скорости, то напряжение U_зя возростать на всём диапазоне регулирования скорости, а ослабление магнитного потока по – прежнему начинается лишь после того, как напряжение на якоре достигнет номинального значения. (На рисунке 4.12 нерегулируемая часть потенциометра закрашена).

Вместо потенциометров со скользящими контактами в электроприводах средней и большой мощности применяют бесконтактные задатчики скорости в виде бесконтактных командоаппаратов (БКА), выполненных на сельсинах (рис.4.13.) или с элементами Холла.

При применении серводвигателей реостатные задатчйки скорости используют и в качестве задатчиков интенсивности.

БКА на сельсинах устроен следующим образом. Обмотку статора сельсина подключают к стабилизированному источнику переменного напряжения. К трёхфазным обмоткам ротора через выпрямитель – конденсатор С и входной трансформатор фазового детектора ФД.

При повороте ротора сельсина рукояткой управления или ножной педалью на угол 90^о напряжение на выходах изменяется от нуля до максимума. Параметры ФД выбирают такими, чтобы U_вых2 изменялось от нуля до + Uт .Напряжение U_вых1 используют для изменения напряжения на якоре двигателя, U_вых2 - для управления потоком возбуждения.

БКА с элементами Холла преобразуют механические перемещения ротора в электрические сигналы. Их выпускают с рычажным ручным приводом (КАРХ), с педальным ножным приводом. (КАПХ) и с маковичным ручным приводом со стрелкой - указателем и шкалой (КАЗХ).

Все они имеют ротор - цилиндрический постоянный - магнит, насаженный на вал из немагнитного материала; магнитопровод - магнитопроводящие пластины чередуются с магнитопроводящими; элементы Холла, катушки с сердечниками из полупроводникового материала, расположенные между полюсами магнитопровода. Катушки питаются от стабилизированного источника постоянного тока. На выходе двухкаскадного усилителя формируется сигнал

U_вых = Ф (магнитному потоку, зависящему от угла поворота ротора).

4.10. Стабилизация скорости электроприводов

Как уже отмечалось в 4.1, для стабилизации скорости электродвигателей постоянного тока параллельного возбуждения в системах "Преобразователь-двигатель (П-Д) применяют обратные связи. В установившемся режиме основным показателем работы системы стабилизации скорости служит точность поддержания постоянства заданной скорости при воздействии на систему различных возмущений (измерение М_с, напряжение питающей сети, температуры ОВМ и т.п.). Точность системы определяется перепадом скорости при изменении М_с заданных пределах, т.е. жёсткостью или статизмом механических характеристик. В зависимости от требований к точности стабилизации скорости и диапазона регулирования D= / применяют различные варианты обратных связей. Если не требуется большой жёсткости характеристик при небольшом диапазоне регулирования, то применяют простейшие ОС по напряжению. По мере увеличения диапазона регулирования требования к жёсткости характеристик возрастают.

Статизм характеристик замкнутой САР будет наибольшим для нижних характеристик:

S_x.з.мах= =( )*D (4.18)

Таким образом при заданном статизме S_x.з.мах управление диапазона D можно обеспечить только путём соответствующего уменьшения перепада скорости.

Требования к переходным режимам систем стабилизации скорости также были рассмотрены в 4.1 (быстродействие, перерегулирование и число колебаний). Качество системы необходимо рассматривать какпри изменении задающего воздействия, так и при набросе или сбросе нагрузки. Для обеспечения желаемого результата применяют корректирующие обратные связи или последовательную коррекцию в частности многоконтурную систему подчинённого регулирования.

Рассмотрим характеристики различных замкнутых CAP.

1. Схема с обратной связью по напряжению (Рис.4.14.)

напряжение управления регулятором напряжения РН ; U_з -задающее напряжение; U_осн -напряжение обратной связи; Е_п -ЭДС преобразователя; U_п напряжение на зажимах двигателя ;K_и=Е_п/U_уп - коэффициент усиления преобразователя; К_н=U_осн/U_п - коэффициент ОС по напряжению; R_п -сопротивление силовой цепи преобразователя. Тогда можно записать на основе законов равновесия:

(4.19)

Решив систему уравнений относительно U_п получим:

(4.20)

Как видно обратная связь по напряжению действует как своеобразная комбинационная связь отрицательная по ЭДС и положительная по току нагрузки:

Е_п=(U_з+I_яR_пК_н)/(1+К_нК_п) (4.21)

ЭДС преобразователя растёт с увеличением нагрузки за счёт положительной ОС по току.

Падение напряжения в замкнутой системе U_nз при одинаковых нагрузках уменьшается в 1+К_н+К_п раз по сравнению с падением напряжения U_nо в разомкнутой системе. Следовательно, жёсткость характеристик повышается и тем самым обеспечивает поддержание постоянства напряжения на зажимах двигателя, но с ошибкой определяемой статизмом S_хз внешней характеристики преобразователя, так как система статическая:

S_хз= =[ ]/(1+К_пК_н) (4.22)

Как видно, статизм (относительная ошибка регулирования замкнутой системы) зависит от коэффициента усиления преобразователя и коэффициента ОС.

Если возникает необходимость регулирования напряжения в диапазоне, что осуществляется изменением задающего напряжения, то чем глубже D, тем больше относительная ошибка.

Преобразователь с регулятором напряжения представляет собой инерционное звено, двигатель колебательное. Поэтому в начальный период пуска разгон двигателя производится как в разомкнутой системе (скорость нарастает, приближаясь к установившейся). При приближении к заданному значению за счёт положительной ОС по току возникает перерегулирование. Начальная стадия ускоряется, окончание затягивается, так как ПОС по току ухудшает демпфирование системы.

2 Схема с отрицательной ОС по скорости (рис.4.15)

В качестве датчика скорости ДС может быть использован тахогениратор или тахометрический мост. В общем случае входным каскадом преобразователя П служит промежуточный усилитель регулятор скорости РС. Применяя те же допущения и обозначения, что и в предыдущем случае и поланая магнитный поток двигателя постоянным, вводя понятие коэффициента двигателя К_д, запишем систему уравнений: (4.22.)

Решая систему уравнений относительно скорости получим: =U_зК_пК_д/(1+К_сК_пК_д)-I_я