Краткое описание функциональной схемы

Для осуществления автоматического регулирования необходимо измерить сигнал обратной связи, затем этот результат в виде напряжения сравнить (произвести алгебраическое суммирование) с заданным в виде напряжения значением регулируемой величины и направить результат сравнения регулируемому объекту. Обычно энергии измерительного органа оказывается недостаточно для воздействия на объект регулирования, поэтому возникает необходимость в применении усилительного устройства.

Регулятор тока якоря получает на вход сигнал задания с выхода регулятора скорости и сигнал обратной связи с выхода датчика тока. На выходе он формирует напряжение управления . Сигнал обратной связи по току снимается с датчика на основе трансформаторов тока, установленных на стороне переменного тока. Датчик тока осуществляет гальваническое разделение цепей управления от главных цепей и усиление по напряжению.

На регулятор тока (РТ) возлагаются также другие функции:

1. Установка задания на переключение соответствующих пар транзисторов в зависимости от разности сигналов задания тока и обратной связи по току.

2. Обеспечение режима торможения электродвигателя.

В системах подчиненного регулирования выходной сигнал регулятора скорости является сигналом задания тока для регулятора тока.

На регулятор скорости и связанные с ним узлы возлагаются дополнительные задачи:

1. Ограничение сигнала допустимым значением, которое может зависеть от значения потока двигателя Ф,

2. Ограничение скорости изменения тока di/dt,

3. Формирование требуемой жесткости механических характеристик электропривода,

4. Прием сигналов задания скорости двигателя,

5. Обеспечение изменения ЭД с определенным ускорением и др.

Синтез контура тока

Для обеспечения желаемых динамических характеристик привода примем в качестве регулирующих устройств в контуре тока релейные элементы на каждую фазу двигателя. Используя безынерционные свойства реле, можно настроить систему регулирования на предельное быстродействие, зависящее от параметров контура скорости. Наличие релейных элементов приводит в существенной нелинейности всей системы в целом. Если не принять соответствующих предосторожностей, то автоколебания, возникающие в релейной автоматической системе, приводят к столь значительному изменению выходной величины линейной части, что релейная система становится неработоспособной.

Для уменьшения изменения выходной величины необходимо либо устранить автоколебания, либо увеличить частоту возможных автоколебаний. Последнее следует из того, что модуль частотной характеристики линейной части системы обычно с ростом частоты стремится к нулю и, следовательно, чем выше будет частота автоколебаний, тем будет меньше изменение выходной величины [2].

В связи с этим важное значение приобретают способы увеличения частоты колебаний или, если это возможно, устранения этих колебаний.

Способы повышения частоты автоколебаний:

1. Уменьшение гистерезиса b реле. При этом прямая –b, параллельная оси абсцисс, приближается к действительной оси, точка пересечения частотной характеристики релейной автоматической системы и прямой b смещается вверх. Увеличивается частота автоколебаний, уменьшается их амплитуда.

Недостаток: Невозможно получить частоты автоколебаний выше частоты , получаемой при нулевой петле гистерезиса b = 0.

2. Введение отрицательного гистерезиса b. Изменяется направление переключений, прямая –b пройдет выше оси абсцисс, частоты автоколебаний увеличиваются .

3. Изменение параметров линейной части системы.

3.1. Уменьшение электромеханической постоянной времени .

3.2. Введение внутренней обратной связи.

Применяя соответствующие обратные связи, можно изменять параметры линейной части системы, а следовательно, и частоту возможных автоколебаний.

Линеаризация.

Релейный элемент является существенно нелинейным элементом. Выходная величина релейного элемента (управляющее воздействие) изменяется скачком, когда входная величина (управляющий сигнал) проходит пороговые значения. В интервале между моментами времени, соответствующими прохождению входной величиной пороговых значений, выходная величина релейного элемента неизменна.

Такие свойства релейного элемента позволяют сравнительно простыми средствами коммутировать большие мощности, но пропорциональность между выходной и входной величинами здесь отсутствует.

Если одновременно с управляющим сигналом на вход релейного элемента подавать дополнительное периодическое воздействие, то релейный элемент может при определенных условиях приобрести свойства пропорциональности. При этих условиях релейный элемент эквивалентен линейному усилителю. Характерной особенностью такого усилителя является зависимость коэффициента усиления от «амплитуды» внешнего воздействия А. Увеличение последней уменьшает коэффициент усиления. Если в релейной системе создать высокочастотные (по сравнению с внешним воздействием) колебания, то релейная система приобретает свойства линейной или пропорциональной системы, причем настройка этой последней системы может осуществляться за счет изменения «амплитуды» этих относительно высокочастотных колебаний. Роль фильтра в релейной системе будет играть ее линейная часть.

Дополнительное высокочастотное воздействие, осуществляющее линеаризацию релейной системы, может быть создано при помощи вынужденных колебаний или автоколебаний, если эти колебания существуют и устойчивы [2].

Процесс линеаризации аналогичен процессу модуляции. Релейный элемент представляет собой модулятор, дополнительное периодическое воздействие соответствует несущей частоте, а внешнее воздействие (управляющий сигнал) — модулирующему сигналу.

Более точно в релейном элементе при наличии дополнительного периодического воздействия происходит своеобразная широтно-импульсная модуляция. Отсюда вытекает соотношение между частотой модулирующего сигнала и несущей, при которой процесс модуляции будет осуществлен без существенных искажений. Отношение частоты несущей к частоте сигнала должно быть по крайней мере больше трех[2]. Это накладывает ограничения на скорость изменения управляющего сигнала.

Линеаризация автоколебаниями.

В качестве дополнительного периодического воздействия, производящего линеаризацию релейной системы, могут быть использованы автоколебания самой релейной системы, если частота их такова, что внешнее воздействие по сравнению с ними можно считать медленно изменяющимся.

Так как обычно частота автоколебаний относительно низка, то для осуществления линеаризации необходимо применять способы повышения этой частоты автоколебаний.

В таблице № 2 приведены некоторые передаточные функции ускоряющих элементов и их характеристики.

Таблица № 2.

№	Выражение годографа	Вид годографа
1
2
3
4

Выделим из структурной схемы электропривода с синхронной машиной, включенной по схеме вентильного двигателя, контур тока (рис. 4.1).

Рис. 4.1

Передаточная функция линейной части системы , причем степень числителя не больше степени знаменателя.

, (4.0)

Выражение для частотной характеристики разомкнутой релейной системы без зоны нечувствительности имеет вид:

. (4.1)

Физический смысл выражения (4.1) состоит в том, что результирующая частотная характеристика представляется в виде суммы простейших характеристик, кратных нечетным частотам. Это вытекает из того, что выходной сигнал релейного элемента, имеющий прямоугольную форму, раскладывается в бесконечную сумму ряда Фурье с нечетными гармониками (рис. 4.2.).

Рис. 4.2

Нечетность прямоугольных колебаний относительно начала работы релейного элемента определяет нечетность гармоник.

- частотная характеристика релейной автоматической системы.

- частотная характеристика системы без ускоряющего элемента.

- частотная характеристика системы с ускоряющим элементом.

(4.2)

Характеристика релейной системы может быть определена по частотной или временным характеристикам или в некоторых случаях по передаточной функции линейной части системы.

В дальнейших расчетах будем пользоваться последним методом.

Согласно [2], если передаточная функция такова, что можно найти её полюсы, то характеристика релейной системы может быть определена через передаточную функцию (точнее через полюсы передаточной функции) не в виде ряда, а замкнутой форме.

При действительных отрицательных, не кратных и ненулевых полюсах передаточной функции справедливо равенство:

, (4.3)

где - полюсы передаточной функции линейной части системы.

- число полюсов передаточной функции линейной части.

Рис. 4.3

Запишем передаточную функцию линейной части системы без ускоряющего элемента:

(4.4)

Согласно выражению (4.4), передаточная функция имеет всего один полюс .

(4.5)

(4.6)

Рис. 4.4.

В качестве ускоряющего элемента, повышающего частоту автоколебаний в системе, примем . Выражение годографа УЭ согласно таблице № 2 имеет вид:

, (4.7)

где .

Учитывая рекомендации [2], назначим параметры ускоряющего элемента:

(4.8)

На рис. 4.5 представлен годограф ускоряющего элемента , а также результирующий годограф линейной части контура тока .

Рис. 4.5

Анализируя поведение годографов на рис. 4.5 можно сделать вывод, что постоянная времени ускоряющего элемента снижает результирующий годограф линейной части и его точку пересечения с прямой –b. Уменьшение способствует увеличению автоколебаний системы.

Следует отметить, что увеличение коэффициента передачи ускоряющего элемента также увеличивает частоту автоколебаний, одновременно смещая фазу выходного сигнала в сторону отставания. Результирующий коэффициент передачи линейной части контура тока при этом уменьшается.

На рис. 4.6 приведена структурная схема линеаризованного контура тока. Для сравнения на осциллограф выведены сигналы контура тока без линеаризации (рис. 4.7).