книги / Электрооборудование одноковшовых экскаваторов

личины. Таким образом, обратная связь, действующая встречно .основному воздействию, является отрица­ тельной.

Исходя из сказанного функциональная схема систе­ мы автоматического регулирования и управления экска­ ваторным приводом в общем виде должна иметь сле­ дующие элементы (рис. 5-1):

Рис. 5-1. Структурная схема автоматизированного электропривода экскаватора с суммирующим усилителем.

измерительный элемент (датчик) 1 и 2, который из­ меряет величину, подлежащую управлению (регулиро­ ванию) в данном объекте 9, и преобразует ее в величину другого типа, более удобную для воздействия на эле­ мент сравнения в виде обратных связей 3 и 4;

элемент сравнения 6, где сигналы датчика сравнива­ ются с предписанным значением регулируемой величины (с. заданием t/Bx), при наличии их расхождения элемент} сравнения передает сигнал ошибки или расхождения АС/ в виде соответствующего командного воздействия на исполнительный орган;

усилительный элемент 7, в котором усиливается сиг­ нал ошибки до значения i/y, достаточного для управле­ ния исполнительным устройством;

задающий элемент (задатчик 5), который служит для установки заданного значения регулируемой вели­ чины;

исполнительный орган 8, исполняющий командное воздействие U7 и в соответствии с этим восстанавливаю­ щий заданное значение регулируемой величины.

В приведенном выше примере при ручном регулиро­ вании объектом управления является двигатель рабоче­ го механизма: регулируемой величиной— частота вра-

щения двигателя (вернее напряжение генератора); дат­ чиком— вольтметр и амперметр; исполнительным орга­ ном — генератор; задающим элементом — резистор, а функции управляющего органа (элемента сравнения) выполняет человек.

В системе автоматического электропривода экскава­ тора, приведенной на рис. 5-2, реализована рассмотрен­ ная выше функциональная схема. Здесь измерительным элементом служит резистор /?0,с (датчик /), включенный на напряжение генератора. При изменениях напряжения генератора в нем изменяется ток, а следовательно, и падение напряжения на той его части, откуда снимается

т

лйчение потребляемого двигателем Д тока, так и пони­ жение регулируемой величины — напряжения на выво­ дах генератора Г за счет увеличения потери напряже­ ния в нем. В этом случае уменьшится напряжение на выводах обмотки ОН усилителя, а следовательно, ее ток и м. д. с. FB. Тогда в результате сравнения при неиз­ менном значении F3 м. д. с. задающей обмотки 03 уве­ личится результирующая м. д. с. на. входе усилителя, а в итоге напряжение и ток его выхода. При этом ток возбуждения в независимой обмотке генератора (OBHI и OBH1I) и напряжение генератора возрастут, т. е. ре­ гулируемая величина будет стремиться к прежнему зна­ чению. Так происходит автоматическое поддержание за­ данной частоты вращения рабочего механизма.

Следует заметить, что генератор является также электромашинным усилителем; его коэффициент усиления равен ka= B vJUy. Если за выходную и входную принимаются разноименные величины, то их отношение принято называть в теории регулирования не ко­ эффициентом усиления, а ужо передаточным коэффициентом. На­ пример, для генератора, если выходной величиной будет его э. д. с. Яг, а входной м. д. с. обмотки возбуждения Fовн, передаточный коэффициент равен /гг= £ г/Яовн.

Система, регулирования, где выходная величина свя­ зана с ее входом через обратную связь, называется

замкнутой системой, а подобная обратная связь — глав­ ной, основной (3 на рис. 5-1 и 5-2). Помимо нее, бывают другие (вспомогательные, промежуточные) обратные связи для стабилизации системы и улучшения качества регулирования (цепи усилителя ОСТ и ОСЯ), а также для ограничения момента при стопорении двигателя' 4

действия в виде сигнала обратной связи х0,с. Коэффициент обрат­ ной связи по напряжению генератора может быть записан и так: fton^=FBIUr.

С возрастанием коэффициента обратной связи уве­ личивается действие обратной связи, и она становится сильнее (большой) или более глубокой. Причем увели­ чивается чувствительность реагирования системы на. из­ менение регулируемой величины. Чувствительность та-

164

кой системы определяется в первую очередь общим ко­ эффициентом усиления, который при последовательном соединении нескольких элементов подсчитывается пере­ множением их коэффициентов усиления.

Процессы в отдельных элементах рассматриваемой системы (рис. 5-1 и 5-2) без учета инерционностей мож­ но описать следующими приближенными уравнениями: уравнением замыкания системы AF=F3— FBt где 7^= =&он£7г; уравнением усилителя с коэффициентом пере­ дачи (ky)Uy=kYAF\ уравнением цепи обмотки возбуж­ дения генератора ОВН с сопротивлением гв

IB= ~^-k2Uyz= ft2 ^ F^

где

и уравнениями управляемого объекта согласно (3-4)

где гя,г— сопротивление якоря генератора и согласно (4-21)

■Ер—k\IB—k\k2kyAF.

Исключив промежуточные переменные из приведен­ ных выше уравнений, установим связь между рассогла-

-сованием (ошибкой стабилизации) AF, требуемым зна­ чением регулируемой величины F3 и падением напряже­ ния /ягя,г:

ляется расчетным или опытным путем, если разорвать отрицательную обратную связь по регулируемой вели­ чине (см. поз. 3 на рис. 5-1), тогда система регулиро­ вания окажется разомкнутой, причем входом для нее будет задающий элемент 5, а выходом — измеритель­ ный 1.

165

Йз (6-3) очевидно, что с помощью подбора величины k7 регулятора-усилителя установившуюся ошибку AF можно сделать сколь угодно малой и получить высокую точность регулирования. Однако увеличение коэффици­ ента сверх определенных пределов может привести к ухудшению работы системы в переходных режимах. Система становится неустойчивой, или возрастают дли­ тельность, переходного режима и величина перерегули­ рования (см. § 5-3).

Анализ уравнения (5-2) показывает, что отрицатель­ ная обратная связь по напряжению генератора (поз. 3 на рис. 5-1 и 5-2) состоит из двух составляющих: сиг­ налов отрицательной обратной связи по э. д. с. генера­ тора (&он£г) и положительной обратной связи по току якоря (&он/я/я,г) •Наличие второй составляющей приво­ дит к возрастанию 3. д. с. генератора при возрастании тока якоря. Следовательно, введение отрицательной об­ ратной связи по напряжению генератора увеличивает жесткость рабочего участка характеристики. На рис. 4-2 эта характеристика изображена штриховой линией /'.

Обратная связь может быть положительной, отрица­ тельной, жесткой, гибкой, линейной и нелинейной. На­ помним, что положительная. обратная связь действует согласно с входным воздействием (складывается), отри­ цательная — встречно (вычитается).

Если воздействие выходной величины непрерывно и пропорционально значению регулируемой, величины, т. е. х0|с=Явых, то обратная связь называется оюесткой и ли­ нейной. В схеме управления главными электропривода­ ми, например, экскаватора типа ЭКГ-4,6’ главная обрат­ ная связь — жесткая отрицательная и называется ли­ нейной, непрерывно действующей обратной связью по напряжению генератора.

она называется гибкойкгде dxBUIJdt — отношение беско­ нечно малых величин выходного сигнала и времени. Сигнал гибкой обратной связи не зависит непосред­ ственно от выходной величины (как это имеет место при жесткой обратной связи), а зависит только от скорости ее изменения {dxBUxIdt). Поэтому гибкая обратная связь действует только в переходном режиме и исчеза­ ет в установившемся режиме работы системы. Гибкую

1G6

обратную связь иногда называют исчезающей, в то вре­ мя как жесткая обратная связь действует во всех режи­ мах работы системы.

Если воздействие выходной величины на вход начи­ нается только после достижения регулируемой величи­ ной определенного наперед заданного значения, то об­ ратная связь называется, связью с зоной нечувствитель­ ности или нелинейной. Примером такой обратной связи (4 на рис. 5-1 и 5-2) в схеме управления экскаватором типа ЭКГ-4,6 является нелинейная отрицательная токо­ вая обратная связь. Ее начало действия определяется

Рис.. 5-3. Структурная схема двухконтурной системы подчиненного регулирования автоматизированного электропривода экскаваторов.

напряжением сравнения Ucv независимого источника то­ ка, к которому она подключена через полупроводнико­ вые вентили, включенные определенным образом. Эта нелинейная' обратная связь по току нагрузки двигателя вступает в действие только тогда, когда ее напряжение UR (падение, напряжения на сопротивлении R при про­

вует как обычная жесткая отрицательная связь, ограни­ чивая ток нагрузки в главной цепи до предельного (сто­ порного) значения за счет резкого снижения напряже­ ния генератора вплоть до полной остановки двигателя. При стопорении двигателя м. д. с. FTтокоограиичивающей обмотки ОТ усилителя, действующая против м. д. с. Fa задающей обмотки, становится примерно равной по­ следней, а результирующая м. д. с. усилителя — нулю, что приводит в итоге к, уменьшению до нуля тока выхо­ да усилителя, а следовательно, и тока независимой об­ мотки возбуждения генератора ОВН. Такая нелннен-

167

стик элементов, содержащих магнитную цепь. Так, на­ пример, в качестве нелинейного элемента используются МУ (см. § 3-9), применяемые в некоторых системах уп­ равления, как обладающие ограниченным выходным напряжением (см. элементы PH и РТ на рис. 5-3 и 5-4). Нелинейные характеристики СМУ и ПМУ используются для формирования обратной связи с отсечками по току и напряжению (см. § 7-1, 7-4, 7-5).

5-2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ГЛАВНЫМИ ‘ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

По своему построению все современные системы управления экскаваторными электроприводами подраз­ деляются в основном на два типа схем. П е р в ы й тип с хем представляет систему с одним регулятором — суммирующим усилителем (рис. 5-2), где все обратные связи заводятся на вход этого сумматора (см. § 5-1). Схема может быть одно- и двухкаскадной. Последняя не отличается принципиально от системьт с одним уси-

168

Лйтелем. В этом случае бее сигналы управления суМмйруются в промежуточном усилителе, на выход которого включена обмотка управления силового усилителя (маг­ нитного или электромашинного).

В т о р о й тип схем представляет систему с много­ контурным подчиненным регулированием (см. рис. 5-3). Отличительной особенностью схемы является последова­ тельное включение регуляторов* количество которых со­ ответствует количеству регулируемых величин электро­ привода. В данном случае имеются два регулятора — частоты вращения двигателя, точнее напряжения гене­ ратора PH, и тока якоря РТ. Выходное напряжение ре­ гулятора PH служит задающим сигналом для контроля регулирования тока РТ. Таким образом получается сис­ тема подчиненного регулирования. Кроме простоты синтеза и получения высокого качества регулирования, к достоинствам данной структуры относится возмож­ ность простыми средствами ограничить любую величину системы (в данном случае ограничение тока якорной цечи). Для этого достаточно ограничить предельное вы­ ходное напряжение регулятора частоты вращения, вы­ рабатывающего сигнал задания для регулятора тока. Это практически не требует дополнительных элементов, так как регулятор PH— магнитный усилитель — имеет нелинейную характеристику, т. е. зону насыщения (уча- ч сток 3 на рис. 3-21). До тех пор, пока результирующий сигнал хВх,рн (рис. 5-3) на входе регулятора PH, рав­ ный разности х3,рн — *он> создает режим работы МУ на его насыщенном участке характеристики (например, аб), напряжение выхода МУ—PH остается постоянным (* з ,р т = const). Цепь регулирования для контура II об­ ратной связи по напряжению благодаря магнитной от­ сечке как бы перестает действовать («размыкается»), регулируется только ток якоря /я, заданное значение ко­ торого х3,рт остается постоянным.

Результирующий сигнал х Вх,р т на входе регулятора РТ, равный разности ( х э,р т — *от)» управляет током якоря /я как система с обратной связью. Если этот ре­ гулятор работает в зоне насыщения, получается задер- •жанная обратная связь по току, после выхода из зоны насыщения результирующего сигнала на линейный уча­ сток вступает в действие обратная отрицательная связь по току, вызывая резкое ограничение тока якоря систе­ мы Г—Д.

169

Ёсли ни один из регуляторов не работает в зоне на­ сыщения, то осуществляется регулирование напряжения генератора UT (частоты вращения двигателя). При этом внутренний контур / (обратной связи по току) работает, но его работа подчинена задаче регулирования выход­ ной величины системы.

Применяется эта двухконтуриая схема подчиненного' регулирования в системе Г—Д с СМУ и ПМУ, в кото­ рых отрицательная обратная связь по току якоря посту­ пает на силовой, а по напряжению генератора на проме­ жуточный усилитель (рис. 5-4). Нелинейные характери­ стики силового и промежуточного усилителя используются для формирования обратных связей с от­ сечкамипо току и напряжению.

Кроме того, системы управления главными электро­ приводами экскаваторов по характеру воздействия об­ ратной отрицательной связи по току можно разделить на две группы: схемы с потенциометрической отсечкой

по току (один из вариантов которого описан в § 5-1) и схемы с непрерывной обратной связью по току (с маг­ нитной отсечкой) . Схемы с потенциометрической отсеч­ кой по току в различных вариантах применяются на большинстве серийно выпускаемых экскаваторов. В этих схемах применяется непрерывная отрицательная обратная связь по напряжению генератора.

В схемах с непрерывной отрицательной связью по току (с магнитной отсечкой) используются только маг­ нитные усилители. Такие схемы можно разделить на две группы: с МУ без узла отсечки по напряжению и' с МУ с узлами отсечки по напряжению. Схемы с маг­ нитной отсечкой по току благодаря простоте и надеж­ ности успешно используются при модернизации уста­ ревших схем и находят применение на новых экскава­ торах.

5-3. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЭКСКАВАТОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И ИХ ТИПОВЫЕ ЗВЕНЬЯ

Для исследования динамики системы автоматическо­ го регулирования САР составляются структурные схемы (рис. 5-5), показывающие, из каких динамических звеньев состоит система и как они соединены между со­ бой. На рис. 5-5,а и б показаны соответственно принци­ пиальные схемы, изображенные на рис. 5-2 и 5-4.

170