Система электропривода

 

Использование: в автоматизированных электроприводах с тиристорным и транзисторными усилителями мощности. Сущность: система электропривода с двигателем постоянного тока содержит главный контур регулирования скорости, релейную обратную связь по току, реализованную с помощью нелинейного элемента типа "зона нечувствительности", и обратную связь по среднему квадрату тока, образованную вторым нелинейным элементом с функцией F(i) = i²sign i, усредняющим фильтром и умножителем. Это позволяет уменьшить потери энергии и повысить надежность в широком диапазоне изменения скорости и нагрузки. 7 ил.

Изобретение относится к электроавтоматике и предназначено для использования в автоматизированных электроприводах с тиристорными и транзисторными усилителями мощности.

Известны системы электроприводов, содержащие электродвигатель постоянного тока, задатчик и датчик скорости, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам элемента сравнения, выход которого подключен к входу регулятора скорости, датчик тока якорной обмотки двигателя, регулятор тока, один вход которого подключен к выходу регулятора скорости, второй вход через нелинейный элемент соединен с выходом датчика тока, а выход через усилитель мощности подключен к якорной обмотке двигателя (А.с. СССР N 653708, МКИ H 02 P 5/06. Опубл. 25.03.76, БИ, N 11; А.с. СССР N 1108592, МКИ H 02 P 5/06. Опубл. 15.08.84. БИ N 30; Усилители полупроводниковые линейные серии УПЛ-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 2 АЭ.380.166 ТО).

Известные технические решения относятся к классу регулируемых электроприводов с подчиненным регулированием координат, в частности, к системам регулирования скорости с подчиненным контуром регулирования тока. В таких системах при простой технической реализации достигается высокое качество регулирования скорости и ограничение тока в переходных режимах. Однако, потери энергии в якорной обмотке в таких системах электроприводов не контролируются и в переходных процессах могут достигать больших значений, что снижает надежность работы двигателей. Следует отметить, что в электроприводе потери энергии пропорциональны квадрату тока, а электромагнитный момент мгновенному значению тока. При использовании тиристорных или транзисторных усилителей мощности якорный ток двигателя содержит переменную составляющую, величина которой изменяется при изменениях режимов работы системы электропривода (Перельмутер В.М. Сидоренко В.А. Системы управления тиристорынми электроприводами постоянного тока. М. Энергоатомиздат, 1988, с. 304). Кроме того, при изменениях температуры окружающей среды по-разному изменяются ограничения для действующего тока и момента двигателя. Так, при снижении температуры прочность металлических конструкций, составляющих объект регулирования электропривода, уменьшается. Следовательно, требуется уменьшение уставки токограничения. Условия охлаждения двигателя, наоборот, при снижении температуры улучшается. Поэтому допустимы большие действующие токи. Удовлетворение противоречивых требований коррекции действующего тока и момента при изменениях температуры с помощью одной обратной связи по току в известных системах невозможно.

Следовательно, недостаток известных систем электроприводов низкая надежность работы.

Из известных устройств наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является система электропривода, содержащая электродвигатель постоянного тока, задатчик и датчик скорости, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам элемента сравнения, выход которого подключен к объединенным входам регулятора скорости и релейного элемента с характеристикой усилитель мощности, выход которого подключен к якорной обмотке электродвигателя, датчик тока, включенный последовательно с якорной обмоткой двигателя, усредняющий фильтр и блок перемножения, коммутатор, первый и второй информационные входы которого подключены к выходам соответственно датчика тока и блока перемножения, управляющий вход соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход подключен к второму входу регулятора тока, первый вход которого подключен к выходу регулятора скорости, а выход подключен к входу усилителя мощности, первый вход элемента ИЛИ подключен к выходу нелинейного элемента, а второй вход через последовательно соединенные усредняющий фильтр и пороговый элемент подключен к выходу блока перемножения, первый вход которого подключен к выходу датчика тока, а второй вход через блок выделения модуля подключен к выходу датчика напряжения, соединенного параллельно с якорной обмоткой электродвигателя [патент РФ по заявке N 5013528/07 от 8.10.91, положит.реш. от 6.04.92, МКИ H 02 P 5/06 N 2001498, 1993,(37)] Известная система электропривода содержит два контура регулирования: главный, образованный регулятором скорости и датчиком скорости, и внутренний подчиненный, который в зависимости от режима работы электропривода выполняет подчиненное регулирование тока или мощности. В установившихся режимах, при малых ошибках регулирования скорости и при отсутствии перегрузок по мощности в подчиненном контуре действует отрицательная обратная связь по току, благодаря чему обеспечивается постоянство статических характеристик системы. В динамических режимах при больших изменениях ошибки регулирования скорости и при перегрузках во внутреннем контуре действует отрицательная обратная связь по мощности, благодаря чему минимизируется мощность, потребляемая электродвигателем.

Недостаток такой системы электропривода низкая надежность работы электродвигателя при широком диапазоне изменения скоростей и нагрузок. Это объясняется тем, что при работе системы не осуществляется одновременный контроль потерь в якорной обмотке двигателя и электромагнитного момента. Потери энергии в якорной обмотке пропорциональны квадрату тока, а электромагнитный момент мгновенному значению тока. При использовании тиристорных или транзисторных усилителей мощности якорный ток двигателя содержит переменную составляющую, величина которой изменяется при изменениях режимов работы системы электропривода. Кроме того, при изменениях температуры окружающей среды по-разному изменяются ограничения для действующего тока и момента двигателя. Так, при снижении температуры допускаются большие действующие токи, но меньшие максимальные значения момента.

Следовательно, недостаток известной системы электропривода низкая надежность работы электродвигателя при широком диапазоне изменения скоростей и нагрузок.

Цель предполагаемого изобретения повышение надежности работы путем уменьшения потерь энергии и ограничения тока.

Поставленная цель достигается тем, что в известную систему электропривода, содержащую электродвигатель постоянного тока, задатчик и датчик скорости, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам элемента сравнения, выход которого подключен к объединенным входам регулятора скорости и релейного элемента с характеристикой усилитель мощности, выход которого подключен к якорной обмотке электродвигателя, датчик тока, включенный последовательно с якорной обмоткой двигателя, усредняющий фильтр и блок перемножения, введены первый нелинейный элемент типа "зона нечувствительности" и второй нелинейный элемент с характеристикой F(i) i²sign i, включенный между выходом датчика тока и входом усредняющего фильтра, выход которого подключен к первому входу блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом релейного элемента, а выход соединен с первым вычитающим входом усилителя мощности, второй вычитающий вход которого подключены через нелинейный элемент типа "зона нечувствительности" к выходу датчика тока, а суммирующий вход подключен к выходу регулятора скорости.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением заявляемое техническое решение имеет следующие отличительные признаки: первый нелинейный элемент типа "зона нечувствительности"; второй нелинейный элемент с характеристикой F(i) i²sign i.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна".

При реализации предлагаемого изобретения повышается надежность работы системы электропровода за счет уменьшения потерь энергии в якорной обмотке и ограничения тока. В установившихся режимах при малой ошибке регулирования (например, меньше 5% ) в системе действует только один регулятор скорости, благодаря чему обеспечиваются высокие быстродействия и точность стабилизации скорости. При увеличении ошибки, например, при изменении задающего или возмущающего воздействия, в системе включается отрицательная обратная связь по квадрату тока, благодаря чему в переходном процессе обеспечивается минимизация потерь в якорной обмотке. В случае превышения током допустимого значения, в системе электропривода включается отрицательная обратная связь по току, обеспечивающая ограничение тока и, следовательно, момента. В результате в системе электропривода обеспечиваются: высокая точность регулирования скорости в установившихся режимах; высокое быстродействие;
малые потери энергии в якорной обмотке в переходных режимах;
быстродействующее ограничение тока и момента.

При этом повышается надежность работы системы электропривода.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "положительный эффект".

По каждому отличительному признаку приведен поиск известных технических решений в области электроавтоматики и автоматизированного электропривода.

Известны нелинейные элементы типа "зона нечувствительности" в системах электроприводов (Башарин А. В. Новиков В.А. Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л. Энергоиздат, 1982, с. 74-77, рис. 2-19). В известном и предлагаемом технических решениях указанные элементы выполняют аналогичные функции ограничение тока в переходных режимах.

Нелинейные элементы с характеристикой F(i) i²sign i в известных устройствах аналогичного назначения не обнаружены.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "существенные отличия".

Сущность предполагаемого изобретения поясняется фиг. 1-7. На фиг.1 приведена функциональная схема системы электропривода, которая содержит: задатчик скорости 1, элемент сравнения 2, релейный элемент 3, регулятор скорости 4, блок перемножения 5, усредняющий фильтр 6, усилитель мощности 7, первый нелинейный элемент типа "зона нечувствительности" 8, второй нелинейный элемент с характеристикой F(i) i²sign i 9, электродвигатель постоянного тока 10, датчик тока 11, датчик скорости 12.

В системе электропривода задатчик 1 и датчик 12 скорости подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам элемента сравнения 2, выход которого подключен к объединенным входам релейного элемента 3 и регулятора скорости 4, выход которого подключен к суммирующему входу усилителя мощности 7, первый вычитающий вход которого подключен к выходу блока перемножения 5, второй вычитающий вход через первый нелинейный элемент 8 соединен с выходом датчика тока 11, а выход подключен к якорной обмотке электродвигателя 10, последовательно с которой включен датчик тока 11, выход которого через последовательно включенные второй нелинейный элемент 9 и усредняющий фильтр 6 подключен к одному из входов блока перемножения 5.

Система электропривода работает следующим образом. Якорная обмотка электродвигателя 10 подключена к выходу усилителя мощности 7. Регулирование скорости Ω двигателя осуществляется изменением напряжения на якорной обмотке. Скорость двигателя 10 измеряется с помощью датчика скорости 12, например, тахогенератора. Ток двигателя 10 измеряется с помощью датчика тока 11, например, шунта. Сигнал U₁₁, пропорциональный току i якорной обмотки двигателя, поступает на входы первого 8 и второго 9 нелинейных элементов. На выходе первого 8 нелинейного элемента типа "зона нечувствительности" формируется сигнал

где K₈ коэффициент передачи первого нелинейного элемента 8;
I_o максимально допустимое значение тока.

Выходной сигнал второго нелинейного элемента
U₉= K₉U²₁₁signU₁₁= K₉K²₁₁i²signi,
где K₉ коэффициент передачи второго нелинейного элемента 9;
K₁₁ коэффициент передачи датчика тока 11.

Сигнал U₉ пропорционален мощности потерь в якорной обмотке P_п r_яi², где r_я сопротивление якорной цепи. Этот сигнал поступает на вход усредняющего фильтра 6, который выделяет среднее значение сигнала U₉, пропорциональное среднему значению квадрата тока

где K₆ коэффициент передачи усредняющего фильтра 6;
среднее значение квадрата тока якорной обмотки.

На суммирующий вход элемента сравнения 2 подается сигнал U₁, пропорциональный требуемому значению регулируемой скорости. На вычитающий вход элемента сравнения поступает сигнал U₁₂ с выхода датчика 12 скорости, пропорциональный скорости Ω вращения якоря двигателя 10. В элементе сравнения 2 происходит вычисление ошибки регулирования e U₁ - U₁₂. Сигнал U₂ с выхода элемента сравнения 2 поступает на вход регулятора скорости 4 и преобразуется им в соответствии с типовым законом регулирования, например, ПИ-.

Сигнал U₂ с выхода элемента сравнения поступает на вход релейного элемента 3, на выходе которого формируется напряжение

где U_e напряжение, соответствующее уровню логической единицы;
ε_o заданное напряжение переключения релейного элемента 3.

Сигнал U₃ с выхода релейного элемента 3 поступает на вход блока перемножения 5, на другом входе которого действует напряжение U₅, пропорциональное среднему квадрату тока якорной обмотки электродвигателя 10. В результате на выходе блока перемножения 5 формируется сигнал

Сигналы U₅ и U₈ с выходов блока перемножения 5 и первого нелинейного элемента типа "зона нечувствительности" 8 поступают соответственно на первый и второй вычитающие входы усилителя мощности 7.

Если ошибка системы по скорости не превышает заданной величины ε_o, т.е. и ток двигателя на превышает значения I_o, заданного уставкой первого нелинейного элемента 8, то выходные сигналы блока перемножения 5 и первого нелинейного элемента 8 U₅ 0 и U₈ 0. В этом случае в системе электропривода действует только одна отрицательная обратная связь по скорости. При использовании ПИ-регулятора скорости 4 система является астатической как по задающему, так и возмущающему воздействиям. Следовательно, в электроприводе обеспечивается высокая точность стабилизации скорости в установившихся режимах и высокое быстродействие при отработке малых отклонений скорости.

В динамических режимах при изменениях сигнала задания или механической нагрузки происходит изменение ошибки регулирования ε. Если величина ошибки превысит значение e_o, происходит переключение релейного элемента 3, и сигнал с выхода блока перемножения 5, пропорциональный среднему квадрату тока якорной обмотки двигателя 10, поступает на первый вычитающий вход усилителя мощности 7. В результате в системе электропривода действует внутренняя отрицательная обратная связь по среднему квадрату тока, благодаря которой происходит минимизация потерь в якорной обмотке при переходных режимах.

Если ток i якорной обмотки двигателя 10 превысит значение I_o, соответствующее максимально допустимому моменту и заданное уставкой первого нелинейного элемента 8, выходной сигнал этого элемента U₈ действует на втором вычитающем входе усилителя мощности 7. В результате этого происходит ограничение тока электродвигателя на заданном уровне I_o.

Таким образом, предлагаемая система электропривода содержит три контура: главный, образованный регулятором скорости 4 и датчиком скорости 12, и два внутренних подчиненных: по току и среднему квадрату тока. Главный контур регулирования обеспечивает высокую точность стабилизации скорости в установившихся режимах. Подчиненный контур регулирования среднего квадрата тока включается в переходных режимах и обеспечивает минимизацию потерь в якорной обмотке двигателя. Внутренний контур с нелинейной обратной связью по току обеспечивает ограничение тока и, следовательно, момента двигателя на заданном уровне.

Следовательно, в предлагаемой системе электропривода повышается надежность работы электродвигателя за счет уменьшения потерь энергии в якорной обмотке и ограничения тока в переходных режимах. Другим важным достоинством предлагаемой системы электропривода является независимая настройка ограничений по моменту и потерям в якорной обмотке двигателя.

С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого в предлагаемом техническом решении, было проведено имитационное моделирование системы электропривода с помощью ЭВМ IBM-PC/AT. Исследовалась система со следующими значениями параметров:
активное сопротивление якорной обмотки двигателя r 1 Ом;
индуктивность якорной обмотки двигателя L 0,01 Г;
момент инерции механической нагрузки, приведенный к валу двигателя I 0,1 кг/м²;
конструктивная постоянная двигателя С 1 В с/рад;
коэффициент передачи датчика скорости K₁₂ 1 В с/рад;
коэффициент передачи датчика тока K₁₁ 1 B/A;
коэффициент передачи второго нелинейного элемента K₉ 1 B^-1;
коэффициент передачи усредняющего фильтра K₆ 1;
постоянная времени усредняющего фильтра T₆ 0,01 c;
параметры релейного элемента 3: U_e 1; ε_o 0,01 B;
коэффициент передачи блока перемножения K₅ 2;
параметры ПИ-регулятора скорости K₄ 0,25; T₄ 0,1 c;
коэффициент передачи усилителя мощности K₇ 10;
параметры первого нелинейного элемента 8: I_o 5 A; K₈ 20.

На фиг. 2-7 приведены результаты моделирования. На фиг.2 показана диаграмма переходного процесса для скорости Ω в системе без обратной связи по току, на фиг. 3 диаграмма процессов для скорости в системе с подчиненным контуром, регулирования мощности (прототип), на фиг.4 диаграмма для скорости в предлагаемой системе. Аналогичные диаграммы для токов приведены на фиг. 5-7 соответственно. Приведенные результаты свидетельствуют об улучшении динамических и энергетических характеристик в предлагаемой системе электропривода по сравнению с прототипом и другими аналогичными устройствами. Потери энергии в якорной обмотке двигателя в предлагаемой системе по сравнению с прототипом уменьшаются на 30% а по сравнению с системой без обратной связи по току на 80% КПД системы при этом возрастает на 6% по сравнению с прототипом и на 30% по сравнению с системой без токовой обратной связи.

Следовательно, в предлагаемой системе электропривода, по сравнению с известной, обеспечивается повышение надежности работы двигателя за счет уменьшения потерь в якорной обмотке и ограничения в переходных режимах.

Использование предлагаемого технического решения в автоматизированном электроприводе позволит повысить технические характеристики и надежность электрооборудования и уменьшить потери энергии.

Формула изобретения

Система электропривода, содержащая электродвигатель постоянного тока, задатчик и датчик скорости, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам элемента сравнения, выход которого подключен к объединенным входам регулятора скорости и релейного элемента с характеристикой:

усилитель мощности, выход которого подключен к якорной обмотке электродвигателя, датчик тока, включенный последовательно с якорной обмоткой двигателя, усредняющий фильтр и блок перемножения, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены первый нелинейный элемент типа "зона чувствительности" и второй нелинейный элемент с характеристикой f(i) i²signi, включенный между выходом датчика тока и входом усредняющего фильтра, выход которого подключен к первому входу блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом релейного элемента, а выход соединен с первым вычитающим входом усилителя мощности, второй вычитающий вход которого подключен через первый нелинейный элемент типа "зона нечувствительности" к выходу датчика тока, а суммирующий вход подключен к выходу регулятора скорости,
где ε ошибка регулирования,
U_е напряжение, соответствующее уровню логической единицы,
e_o заданное напряжение переключения релейного элемента,
i ток якорной обмотки двигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7