RU2457611C1

RU2457611C1 - Method for control of dc electric motor excitation flux within dual-zone speed regulation system

Info

Publication number: RU2457611C1
Application number: RU2011118178/07A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Карандаев (RU); Александр Сергеевич Карандаев; Вадим Рифхатович Храмшин (RU); Вадим Рифхатович Храмшин; Рифхат Рамазанович Храмшин (RU); Рифхат Рамазанович Храмшин; Александр Андреевич Лукин (RU); Александр Андреевич Лукин; Юрий Петрович Журавлев (RU); Юрий Петрович Журавлев; Павел Владимирович Шиляев (RU); Павел Владимирович Шиляев; Вячеслав Васильевич Головин (RU); Вячеслав Васильевич Головин
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2012-07-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: according to the method, one additionally compares the thyristor converter EMP with its rated value; if the said value is exceeded, one proportionally reduces the preset value of the parameter regulated via the excitation circuit which is assumed to be the electric motor EMP. The proposed method enables the electric drive reliability enhancement due to activation of the electric motor extra-excitation mode and due to improvement of commutation conditions with high energy characteristics preserved.

EFFECT: provision for a minimum margin of the thyristor converter rectified EMP by way of excluding EMP overregulation in the impact load application and its stabilisation at the preset level when the load current increases in excess of the rated value.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тиристорных электроприводах постоянного тока с двухзонным регулированием скорости, работающих с ударным изменением нагрузки, преимущественно в электроприводах широкополосных станов горячей прокатки.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in thyristor DC electric drives with dual-zone speed control, working with shock changes in load, mainly in electric drives of wideband hot rolling mills.

Известен способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости, описанный в работе устройства для управления возбуждением электродвигателя постоянного тока, согласно которому заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, при достижении которого начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, устанавливают ниже номинального значения, при ударном приложении нагрузки в режиме ослабления потока возбуждения заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, повышают до номинального уровня по апериодическому закону первого порядка, при этом в качестве параметра, регулируемого по цепи возбуждения, принимают ЭДС электродвигателя (см. авт. св. СССР №892634, Н02Р 5/06).A known method of controlling the excitation flux of a DC motor in a dual-zone speed control system, described in the device for controlling the excitation of a DC motor, according to which the set value of a parameter controlled by the excitation circuit, upon reaching which the weakening of the excitation flux of the electric motor starts, is set below the nominal value, during shock application of the load in the mode of attenuation of the excitation flow, the set value of the parameter, uemogo of the excitation circuit, is increased to the rated value of an aperiodic law of first order, wherein as a parameter controlled by the excitation circuit, receiving the motor EMF (see. auth. binding. USSR №892634, N02R 5/06).

Недостатком известного способа является низкая надежность электропривода из-за невозможности исключения перерегулирования выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя при отработке ударного приложения нагрузки.The disadvantage of this method is the low reliability of the electric drive due to the impossibility of eliminating the overshoot of the rectified EMF of the thyristor converter when working out the shock application of the load.

Кроме того, известный способ не позволяет стабилизировать выпрямленную ЭДС тиристорного преобразователя при увеличении тока нагрузки выше номинального значения, которое для рассматриваемого класса электроприводов происходит в режиме разгона электродвигателя под нагрузкой при прокатке с ускорением. Величина тока в данном режиме достигает полутора-двух номинальных значений, что приводит к значительному увеличению выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, следовательно, требует увеличения запаса выпрямленной ЭДС. Реальная величина запаса выпрямленной ЭДС, устанавливаемая с учетом ее перерегулирования в динамических режимах и увеличения тока нагрузки выше номинального значения, в электроприводах прокатных станов составляет 16-22%, что приводит к увеличению потребления реактивной мощности и, как следствие, ухудшению энергетических характеристик электропривода.In addition, the known method does not allow to stabilize the rectified EMF of the thyristor converter when the load current increases above the nominal value, which for the class of electric drives under consideration occurs in the acceleration mode of the electric motor under load during accelerated rolling. The current value in this mode reaches one and a half to two nominal values, which leads to a significant increase in the rectified EMF of the thyristor converter, therefore, it requires an increase in the supply of the rectified EMF. The actual value of the stock of the rectified EMF, established taking into account its overshoot in dynamic modes and an increase in the load current above the nominal value, is 16-22% in electric drives of rolling mills, which leads to an increase in reactive power consumption and, as a consequence, to a deterioration in the energy characteristics of the electric drive.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости, по которому заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, устанавливают ниже номинального значения на величину, определяемую по зависимости:The closest analogue to the claimed object is a method of controlling the excitation flux of a DC motor in a two-zone speed control system, according to which the set value of a parameter controlled by the excitation circuit is set below the nominal value by an amount determined by the dependence:

где L_Э - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока, Т_Т - постоянная времени контура тока, a - отношение постоянных времени контуров скорости и тока, k₁ - коэффициент, k₁=1,4 и k₁=1,05 - для одно- и двукратноинтегрирующей систем автоматического регулирования скорости соответственно, I_{CT max} - максимальный ток статической нагрузки; и при достижении заданного значения параметра, регулируемого по цепи возбуждения, начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, а при ударном приложении нагрузки указанное значение повышают до номинального уровня по апериодическому закону второго порядка. Причем в качестве параметра, регулируемого по цепи возбуждения, принимают выпрямленную ЭДС тиристорного преобразователя (см. пат. РФ №2154892, Н02Р 5/06).where L _E is the equivalent inductance of the rectified current circuit, T _T is the time constant of the current circuit, a is the ratio of the time constants of the speed and current circuits, k ₁ is the coefficient, k ₁ = 1.4 and k ₁ = 1.05 - for one and double-integrating automatic speed control systems, respectively, I _{CT max} - maximum static load current; and upon reaching a predetermined value of a parameter controlled by the excitation circuit, the weakening of the excitation flux of the electric motor begins, and when the load is shocked, this value is increased to the nominal level according to the second-order aperiodic law. Moreover, as a parameter controlled by the excitation circuit, a rectified EMF of the thyristor converter is adopted (see Pat. RF No. 2154892, Н02Р 5/06).

Недостатком известного способа является низкая надежность электропривода вследствие превышения током возбуждения электродвигателя своего номинального значения (перевозбуждение электродвигателя) в диапазоне скоростей, близких к номинальному уровню, при токах нагрузки электропривода ниже номинального.The disadvantage of this method is the low reliability of the electric drive due to exceeding the excitation current of the electric motor of its nominal value (overexcitation of the electric motor) in the speed range close to the nominal level, at load currents of the electric drive below the nominal.

Поддержание выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя на номинальном уровне независимо от величины тока статической нагрузки электродвигателя приводит к тому, что при малых токах нагрузки возникает значительное усиление потока возбуждения. В соответствии с уравнением равновесия якорной цепи:Maintaining the rectified EMF of the thyristor converter at a nominal level, regardless of the magnitude of the current of the static load of the electric motor, leads to a significant increase in the excitation flux at low load currents. In accordance with the equilibrium equation of the anchor chain:

где: R_Э - эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока, Ф_Н - номинальный поток возбуждения, k - конструктивная постоянная электродвигателя, ω_Н - номинальная угловая частота вращения электродвигателя, Е_Н - номинальное значение ЭДС электродвигателя, Е_dН - номинальное значение ЭДС тиристорного преобразователя, I_СТН - номинальный ток статической нагрузки; номинальное значение выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (Е_dН) превышает номинальную ЭДС двигателя (Е_Н) на величину падения напряжения в цепи выпрямленного тока (I_{СТ Н}R_Э) при номинальном токе статической нагрузки (I_{СТ Н}). Величина падения напряжения (I_{СТ Н}R_Э) составляет 10-12% номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (E_dН).where: R _E is the equivalent resistance of the rectified current circuit, Ф _Н is the nominal excitation flux, k is the design constant of the electric motor, ω _Н is the nominal angular frequency of rotation of the electric motor, Е _Н is the nominal value of the EMF of the electric motor, Е _dН is the nominal value of the EMF of the thyristor converter, I _STN - rated current of static load; the nominal value of the rectified EMF of the thyristor converter (E _dH ) exceeds the nominal EMF of the motor (E _N ) by the value of the voltage drop in the rectified current circuit (I _{ST N} R _E ) at the rated static load current (I _{ST N} ). The magnitude of the voltage drop (I _{ST N} R _E ) is 10-12% of the nominal rectified EMF of the thyristor converter (E _dN ).

В случае если ударное приложение нагрузки происходит при скорости, близкой к номинальной, что соответствует работе в режиме ослабления потока возбуждения менее чем на 10-12%, то поддержание выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (Е_dН) на номинальном уровне может быть обеспечено только за счет повышения ЭДС электродвигателя (соответственно на 10-12%). Увеличение ЭДС произойдет за счет усиления потока возбуждения Ф на 10-12% относительно номинального значения Ф_Н. Номинальный поток возбуждения обеспечивается в рабочей точке кривой намагничивания, близкой к режиму насыщения (рабочая точка находится на "колене" кривой намагничивания). Поэтому усиление потока возбуждения на 10-12% приведет к увеличению тока возбуждения выше номинального в 1,4-1,7 раза, что недопустимо.If the shock application of the load occurs at a speed close to the nominal one, which corresponds to operation in the mode of attenuation of the excitation flux by less than 10-12%, then the rectified EMF of the thyristor converter (E _dН ) can be maintained at the nominal level only by increasing EMF of the electric motor (10-12%, respectively). An increase in EMF will occur due to the increase in the excitation flux F by 10-12% relative to the nominal value of F _N. The nominal excitation flux is provided at the working point of the magnetization curve close to the saturation mode (the working point is on the “knee” of the magnetization curve). Therefore, an increase in the excitation flux by 10-12% will lead to an increase in the excitation current above the nominal one by 1.4-1.7 times, which is unacceptable.

Рассмотренный режим перевозбуждения электродвигателя будет возникать при токах статической нагрузки ниже номинального, в диапазоне рабочих скоростей, близких к номинальному уровню (не превышающих ω_Н на 10-12%). Поскольку электроприводы прокатных станов работают в широком диапазоне изменения нагрузки, в различных скоростных режимах, реализация рассмотренного известного способа управления потоком возбуждения для этого класса электроприводов нецелесообразна.The considered mode of overexcitation of the electric motor will occur at static load currents below the nominal, in the range of operating speeds close to the nominal level (not exceeding ω _N by 10-12%). Since electric drives of rolling mills operate in a wide range of load changes, in different speed modes, the implementation of the known known method of controlling the excitation flow for this class of electric drives is impractical.

Снижение надежности электропривода в известном способе происходит также вследствие перенапряжения на якоре электродвигателя при токах нагрузки, не превышающих номинального уровня. Напряжение на якоре в установившемся режиме работы под нагрузкой превышает ЭДС электродвигателя на величину падения напряжения на сопротивлении якорной цепи электродвигателя. В режиме холостого хода при I_СТ≈(0,1÷0,3)I_Н равенство ЭДС электродвигателя Е выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (Е_dН) приведет к превышению напряжением на якоре U_Я своего номинального значения и, как следствие, к ухудшению условий коммутации на коллекторе и соответственно к снижению надежности электропривода.A decrease in the reliability of the electric drive in the known method also occurs due to overvoltage at the motor armature at load currents not exceeding the nominal level. The voltage at the anchor in the steady-state mode of operation under load exceeds the EMF of the motor by the magnitude of the voltage drop across the resistance of the armature circuit of the motor. In idle mode at I _CT ≈ (0.1 ÷ 0.3) I _{H, the} EMF of the electric motor E of the rectified EMF of the thyristor converter (E _dН ) will lead to the voltage at the armature U _I exceeding its nominal value and, as a result, to worsening conditions commutation on the collector and, accordingly, to reduce the reliability of the electric drive.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в формировании минимального запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя путем исключения ее перерегулирования в режиме ударного приложения нагрузки и стабилизации ее на заданном уровне при увеличении тока нагрузки выше номинального.The technical problem solved by the invention is to form a minimum supply of rectified EMF of the thyristor converter by eliminating its overshoot in the shock application of the load and stabilizing it at a given level with an increase in the load current above the nominal.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости, по которому заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, устанавливают ниже номинального значения на величину, определяемую по зависимости: (L_Э/(k₁·T_Т·a)I_{СТ max}), где L_Э - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока, T_Т - постоянная времени контура тока, а - отношение постоянных времени контуров скорости и тока, k₁ - коэффициент, k₁=1,4 и k₁=1,05 - для одно- и двукратноинтегрирующей систем автоматического регулирования скорости соответственно, I_{СТ max} - максимальный ток статической нагрузки; и при достижении заданного значения параметра, регулируемого по цепи возбуждения, начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, а при ударном приложении нагрузки указанное значение повышают до номинального уровня по апериодическому закону второго порядка, отличающийся тем, что дополнительно сравнивают ЭДС тиристорного преобразователя с его номинальным значением и при превышении указанного значения осуществляют пропорциональное снижение заданного значения параметра, регулируемого по цепи возбуждения, в качестве которого принимают ЭДС электродвигателя.The problem is solved in that in the known method of controlling the excitation flux of a DC motor in a two-zone speed control system, according to which the set value of a parameter controlled by the excitation circuit is set below the nominal value by an amount determined by the dependence: (L _E / (k ₁ · T _T · a ) I _{CT max} ), where L _E is the equivalent inductance of the rectified current circuit, T _T is the time constant of the current circuit, and is the ratio of the time constants of the speed and current circuits, k ₁ is the coefficient, k ₁ = 1.4 and k ₁ = 1.05 - dl mono- and dvukratnointegriruyuschey automatic speed control systems, respectively, I _{ST max} - the maximum current of the static load; and when the specified value of the parameter is adjusted along the excitation circuit, the weakening of the excitation flux of the electric motor is started, and when the load is shocked, the specified value is increased to the nominal level according to the second-order aperiodic law, characterized in that they additionally compare the EMF of the thyristor converter with its nominal value and exceeding the specified value, a proportional decrease in the set value of the parameter, controlled by the excitation circuit, is carried out, as to take EMF motor.

Технический результат заключается в повышении надежности электропривода за счет исключения режима перевозбуждения электродвигателя и улучшения условий коммутации при сохранении высоких энергетических характеристик.The technical result consists in increasing the reliability of the electric drive by eliminating the overexcitation mode of the electric motor and improving the switching conditions while maintaining high energy characteristics.

Использование ЭДС электродвигателя в качестве параметра, регулируемого по цепи возбуждения, известно и широко применяется в тиристорных электроприводах прокатных станов (см. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд., 1982. - С.64-70).The use of EMF of an electric motor as a parameter controlled along the excitation circuit is known and widely used in thyristor electric drives of rolling mills (see Basharin A.V., Novikov V.A., Sokolovsky G.G. Control of electric drives. - L.: Energoizdat. Leningrad Dep., 1982.- P.64-70).

Как в известном, так и в заявляемом объекте указанный параметр предназначен для задания начала второй зоны регулирования скорости в тиристорных электроприводах постоянного тока за счет ослабления потока возбуждения электродвигателя.Both in the known and in the claimed object, the specified parameter is intended to set the start of the second zone of speed control in thyristor DC drives due to the weakening of the excitation flux of the electric motor.

Отличительный признак, заключающийся в снижении ЭДС электродвигателя пропорционально превышению выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя своего номинального значения, в известных технических решениях не обнаружен.A distinctive feature, which consists in reducing the EMF of the electric motor in proportion to the excess of the rectified EMF of the thyristor converter of its nominal value, is not found in the known technical solutions.

В заявляемом способе совокупность заявленных отличительных признаков позволяет ограничить ток возбуждения электродвигателя на номинальном уровне, т.е. исключить режим перевозбуждения электродвигателя, а также обеспечить повышение коммутационной устойчивости электродвигателя за счет исключения перенапряжения на якоре. Это позволит повысить надежность электропривода при поддержании высоких энергетических характеристик, обеспечиваемых за счет автоматического формирования минимального запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя.In the inventive method, the totality of the claimed distinctive features allows you to limit the excitation current of the electric motor at a nominal level, i.e. to exclude the mode of overexcitation of the electric motor, and also to increase the switching stability of the electric motor by eliminating overvoltage at the anchor. This will improve the reliability of the electric drive while maintaining high energy characteristics provided by the automatic formation of a minimum supply of rectified EMF of the thyristor converter.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

- на фиг.1 представлена схема устройства, реализующая способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости;- figure 1 presents a diagram of a device that implements a method of controlling the excitation flux of a DC motor in a dual-zone speed control system;

- на фиг.2 представлены кривые переходных процессов тока электродвигателя, выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, ЭДС электродвигателя, максимальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (при нулевом угле управления), тока возбуждения электродвигателя в режиме изменения нагрузки при применении заявляемого способа;- figure 2 presents the transient curves of the current of the electric motor, the rectified EMF of the thyristor converter, the EMF of the electric motor, the maximum rectified EMF of the thyristor converter (at a zero control angle), the excitation current of the electric motor in the load change mode using the proposed method;

- на фиг.3 представлены кривые переходных процессов тока электродвигателя, выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, ЭДС электродвигателя, максимальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (при нулевом угле управления), тока возбуждения электродвигателя в режиме изменения нагрузки при применении способа, взятого за прототип;- figure 3 presents the transient curves of the current of the electric motor, the rectified EMF of the thyristor converter, the EMF of the electric motor, the maximum rectified EMF of the thyristor converter (at a zero control angle), the excitation current of the electric motor in the load change mode when applying the method taken as a prototype;

- на фиг.4 представлена кривая намагничивания электродвигателя независимого возбуждения, поясняющая взаимосвязь тока и потока возбуждения.- figure 4 presents the magnetization curve of an electric motor of independent excitation, explaining the relationship of current and excitation flux.

Устройство, реализующее заявляемый способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости, содержит регулятор ЭДС 1 (фиг.1), в цепь обратной связи которого включен первый блок ограничения 2. Первый вход регулятора ЭДС 1 подключен к выходу первого источника задающего напряжения 3, второй вход - к выходу нелинейного элемента 4, третий вход подключен к выходу функционального преобразователя 5, а четвертый - к выходу датчика ЭДС 6 электродвигателя. Первый вход нелинейного элемента 4 соединен с выходом второго источника задающего напряжения 7, а второй - с выходом датчика выпрямленной ЭДС 8 тиристорного преобразователя. Первый вход функционального преобразователя 5 через управляемый ключ 9 соединен с его выходом, второй его вход соединен с выходом первого источника задающего напряжения 3, а третий - с выходом третьего источника напряжения 10. Управляющий вход управляемого ключа 9 соединен с выходом датчика статического тока 11.A device that implements the inventive method for controlling the excitation flux of a DC motor in a dual-zone speed control system contains an EMF controller 1 (Fig. 1), the feedback block of which includes the first restriction unit 2. The first input of the EMF controller 1 is connected to the output of the first reference voltage source 3, the second input to the output of the nonlinear element 4, the third input is connected to the output of the functional Converter 5, and the fourth to the output of the EMF sensor 6 of the electric motor. The first input of the nonlinear element 4 is connected to the output of the second source of the driving voltage 7, and the second to the output of the rectified EMF sensor 8 of the thyristor converter. The first input of the functional Converter 5 through a controlled key 9 is connected to its output, its second input is connected to the output of the first source of the supply voltage 3, and the third to the output of the third voltage source 10. The control input of the controlled key 9 is connected to the output of the static current sensor 11.

Элементы, входящие в состав устройства (фиг.1), представляют собой общеизвестные в области электротехники блоки, которые могут быть выполнены с помощью элементов аналоговой блочной системы регуляторов (см. Перельмутер В.М., Сидоренко В.А. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - С.126-142).The elements that make up the device (Fig. 1) are well-known blocks in the field of electrical engineering that can be performed using elements of an analog block system of regulators (see Perelmuter V.M., Sidorenko V.A. Constant thyristor electric drive control systems current. - M .: Energoatomizdat, 1988. - P.126-142).

На фиг.2 и фиг.3 представлены кривые переходных процессов токов I₁, I₂ якоря электродвигателя, соответствующие различным по величине значениям статических токов нагрузки I_СТ1, I_СТ2 в установившихся режимах: I_СТ1 равен номинальному току I_Н; I_СТ2=0,5I_Н (индексы "1" и "2" в обозначениях соответствуют процессам при указанных токах). Представлены кривые ЭДС электродвигателя Е₁, Е₂, выпрямленных ЭДС тиристорного преобразователя E_d1, E_d2, максимальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя при нулевом угле управления E_d0 и токов возбуждения I_В1, I_В2 электродвигателя. Индексами "н" и "max" обозначены соответственно номинальные и максимальные значения параметров, индекс "ст" соответствует установившимся значениям параметров в статическом режиме.Figure 2 and figure 3 presents the transient curves of the currents I ₁ , I _{2 of the} motor armature, corresponding to different values of the static load currents I _CT1 , I _CT2 in steady state: I _CT1 is equal to the rated current I _N ; _CT2 = 0,5I I _H (the subscripts "1" and "2" designations correspond to the processes at the indicated currents). The EMF curves of the electric motor E ₁ , E ₂ , the rectified EMF of the thyristor converter E _d1 , E _d2 , the maximum rectified EMF of the thyristor converter at zero control angle E _d0 and the excitation currents I _B1 , I _{B2 of the} electric motor are _presented . The indices "n" and "max" denote the nominal and maximum values of the parameters, respectively, the index "st" corresponds to the steady-state values of the parameters in static mode.

На фиг.4 представлена кривая намагничивания, характерная для мощных электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения. Координаты кривой указаны в относительных единицах, за базисные значения приняты номинальные поток возбуждения и соответственно ток возбуждения электродвигателя.Figure 4 presents the magnetization curve characteristic of powerful DC electric motors of independent excitation. The coordinates of the curve are indicated in relative units, the nominal excitation flux and, accordingly, the excitation current of the electric motor are taken as basic values.

Кривые, представленные на фиг.2 и фиг.3, отражают качественную картину переходных процессов при ударном приложении нагрузки, происходящем в момент времени t₁. Предполагается, что момент статической нагрузки изменяется скачком, переходные процессы соответствуют процессам в двухконтурной системе автоматического регулирования скорости при настройке на модульный оптимум. Кроме того, показаны процессы при плавном увеличении нагрузки в интервале времени t₃-t₄.The curves presented in figure 2 and figure 3, reflect the qualitative picture of transients during shock application of the load occurring at time t ₁ . It is assumed that the moment of static load changes abruptly, transients correspond to processes in a dual-circuit system of automatic speed control when tuning to a modular optimum. In addition, processes with a smooth increase in load in the time interval t ₃ -t ₄ are shown.

Способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости осуществляют следующим образом.The method of controlling the excitation flow of a DC motor in a dual-zone speed control system is as follows.

Управляющий вход управляемого ключа 9, включенного в цепь обратной связи функционального преобразователя 5, соединен с выходом датчика статического тока 11. При равенстве нулю сигнала на выходе датчика статического тока 11 ключ 9 замкнут и шунтирует выход функционального преобразователя 5. На входы регулятора ЭДС 1 подаются сигнал задания E₀ с выхода первого источника 3 задающего напряжения и сигнал обратной связи с выхода датчика ЭДС 6. Благодаря включению первого блока ограничения 2 величина ЭДС электродвигателя в режиме работы без нагрузки устанавливается ниже номинальной в соответствии с заданием E₀, определяемым по зависимости:The control input of the controlled key 9 included in the feedback circuit of the functional converter 5 is connected to the output of the static current sensor 11. If the signal at the output of the static current sensor 11 is equal to zero, the key 9 is closed and shunts the output of the functional converter 5. A signal is sent to the inputs of the EMF controller 1 job E ₀ output from the first drive voltage source 3 and a feedback signal from the output EMF of the sensor 6. By incorporating the first block 2 limit value of the motor emf in operation without load set below the face in accordance with setting E _0, defined by the relationship:

где E_Н - номинальная выпрямленная ЭДС электродвигателя. Остальные обозначения соответствуют параметрам, представленным в зависимости (1). Это обеспечивает необходимый запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в динамическом режиме при ударном приложении нагрузки. На входы функционального преобразователя 5 с выходов соответственно первого 3 и третьего 10 источников задающего напряжения подаются сигналы E₀ и E_Н. Суммарный сигнал на входах функционального преобразователя 5 равен разности E_Н-E₀.where E _N - nominal rectified EMF of the electric motor. The remaining designations correspond to the parameters presented in dependence (1). This provides the necessary supply of rectified EMF of the thyristor converter in dynamic mode during shock application of the load. The inputs of the functional Converter 5 from the outputs, respectively, of the first 3 and third 10 sources of the reference voltage signals E ₀ and E _N. The total signal at the inputs of the functional Converter 5 is equal to the difference E _H -E ₀ .

В момент ударного приложения нагрузки появляется сигнал на выходе датчика статического тока 11 и управляемый ключ 9 размыкается. В результате этого изменяется суммарный сигнал задания на входе регулятора ЭДС 1 и ЭДС электродвигателя повышается до номинального уровня E_Н по апериодическому закону второго порядка. При исчезновении сигнала на выходе датчика статического тока управляемый ключ 9 замыкается и суммарный сигнал задания на входах регулятора ЭДС 1 вновь устанавливается равным заданию E₀.At the moment of shock application of the load, a signal appears at the output of the static current sensor 11 and the controlled key 9 opens. As a result of this, the total reference signal at the input of the regulator EMF 1 changes and the EMF of the electric motor rises to the nominal level E _N according to the second-order aperiodic law. When the signal at the output of the static current sensor disappears, the controlled key 9 closes and the total reference signal at the inputs of the EMF controller 1 is again set equal to the reference E ₀ .

При установке задания ЭДС E₀ в соответствии с зависимостью (3) и его увеличении до номинального уровня E_Н по апериодическому закону второго порядка переходный процесс выпрямленной ЭДС E_d тиристорного преобразователя при ударном приложении нагрузки протекает без превышения номинального значения E_dН при любом быстродействии контура регулирования ЭДС. Сигнал ΔE_d=E_dН-E_d на выходе нелинейного элемента 4, при E_d<E_dН, равен нулю. Блок ограничения 2 регулятора ЭДС 1 электродвигателя настраивают таким образом, что при E_d>E_dН сигнал на выходе регулятора ЭДС 1 ограничивается на номинальном уровне Е=Е_Н.When setting the EMF reference E ₀ in accordance with dependence (3) and increasing it to the nominal level E _Н according to the second-order aperiodic law, the transient process of the rectified EMF E _{d of the} thyristor converter during shock application of the load proceeds without exceeding the nominal value of E _dН at any speed of the control loop EMF. The signal ΔE _d = E _dH -E _d at the output of the nonlinear element 4, when E _d <E _dH , is zero. The restriction block 2 of the EMF controller 1 of the electric motor is adjusted in such a way that at E _d > E _{dН the} signal at the output of the EMF controller 1 is limited at the nominal level E = E _N.

При превышении выпрямленной ЭДС E_d тиристорного преобразователя своего номинального значения E_dН, что происходит при увеличении тока нагрузки I выше номинального значения I_Н, сигнал ΔE_d на входе нелинейного элемента 4 становится отрицательным, т.к. выпрямленная ЭДС тиристорного преобразователя превышает номинальное значение E_d>E_dН. Нелинейный элемент 4 имеет характеристику (зависимость выходного напряжения от входного), показанную на фиг.1. Как видно из характеристики, при отрицательном входном сигнале на входе, на выходе нелинейного элемента 4 появляется положительный сигнал. Этот сигнал пропорционален превышению выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя своего номинального значения, т.е. пропорциональный разности (E_d-E_dН). Он подается на вход регулятора ЭДС 1, на выходе которого вычитается из сигнала, пропорционального ЭДС электродвигателя E_Н, т.к. в режиме ослабления потока возбуждения блок ограничения 2 ограничивает выходной сигнал регулятора ЭДС 1 на уровне, соответствующем номинальной ЭДС E_Н. Благодаря этому при превышении выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя своего номинального значения осуществляется пропорциональное снижение заданного значения ЭДС электродвигателя и выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя.If the rectified EMF E _{d of the} thyristor converter exceeds its nominal value E _dН , which occurs when the load current I increases above the nominal value I _N , the signal ΔE _d at the input of non-linear element 4 becomes negative, because the rectified EMF of the thyristor converter exceeds the nominal value E _d > E _dH . Non-linear element 4 has a characteristic (dependence of the output voltage on the input), shown in figure 1. As can be seen from the characteristics, with a negative input signal at the input, a positive signal appears at the output of the nonlinear element 4. This signal is proportional to the excess of the rectified EMF of the thyristor converter of its nominal value, i.e. proportional to the difference (E _d -E _dH ). It is fed to the input of the EMF regulator 1, the output of which is subtracted from the signal proportional to the EMF of the electric motor E _N , because in the mode of attenuation of the excitation flow, the restriction unit 2 limits the output signal of the EMF regulator 1 to a level corresponding to the nominal EMF E _N. Due to this, when the rectified EMF of the thyristor converter exceeds its nominal value, the set value of the set EMF of the electric motor and the rectified EMF of the thyristor converter are proportionally reduced.

Изменение координат электропривода при осуществлении заявляемого способа представлено на фиг.2. Задание ЭДС E₀ электродвигателя устанавливают ниже номинального значения E_Н на величину ΔE_{d max}, определяемую по выражению (1). Кривые при ударном приложении номинальной нагрузки обозначены индексом "1". Ударное приложение номинальной нагрузки сопровождается ростом тока I₁ до установившегося значения I_СТ1=I_Н. ЭДС электродвигателя E₁ увеличивается по апериодическому закону второго порядка, в результате чего выпрямленная ЭДС E_d1 тиристорного преобразователя повышается до номинального уровня E_dН без перерегулирования (кривая Е_d1 в течение переходного процесса не превышает E_dН). Ток возбуждения (кривая I_В1) увеличивается от начального значения I_В0, соответствующего заданной начальной ЭДС E₀, до уровня ослабления I_ОСЛ1 (при скорости электродвигателя, близкой к номинальной I_ОСЛ1≈I_Н).Changing the coordinates of the electric drive during the implementation of the proposed method is presented in figure 2. The task of the EMF E _{0 of the} electric motor is set below the nominal value of E _N by the value ΔE _{d max} determined by the expression (1). Curves in shock application of the rated load are indicated by the index "1". The shock application of the rated load is accompanied by an increase in current I ₁ to a steady-state value I _CT1 = I _N. The EMF of the electric motor E ₁ increases according to the second-order aperiodic law, as a result of which the rectified EMF E _{d1 of the} thyristor converter rises to the nominal level E _dH without overshoot (the curve E _d1 during the transient does not exceed E _dH ). The excitation current (curve I _B1 ) increases from the initial value I _B0 corresponding to a given initial EMF E ₀ to the attenuation level I _OSL1 (at an electric motor speed close to the nominal _value I _OSL1 ≈I _N ).

При росте тока I₁ выше номинального I_Н (интервал времени t₃-t₄) положительный сигнал ΔЕ_d=E_d1-Е_dН поступает на инвертирующий вход регулятора ЭДС 1 (фиг.1). В результате этого происходит пропорциональное снижение выходного сигнала регулятора ЭДС 1 и пропорциональное снижение ЭДС электродвигателя. Выпрямленная ЭДС Е_d1 поддерживается на заданном номинальном уровне (кривая Е_d1 в интервале времени t₃-t₄ не превышает номинального значения E_dН). Ток возбуждения I_В1 снижается на величину ΔI_В, соответствующую снижению ЭДС электродвигателя Е₁.When the current I _{1 is} higher than the nominal I _N (time interval t ₃ -t ₄ ), a positive signal ΔЕ _d = E _d1 _{-Е dН} arrives at the inverting input of the EMF controller 1 (Fig. 1). As a result of this, a proportional decrease in the output signal of the EMF regulator 1 and a proportional decrease in the EMF of the electric motor occur. The rectified EMF E _{d1 is} maintained at a given nominal level (the curve E _d1 in the time interval t ₃ -t ₄ does not exceed the nominal value of E _dH ). The excitation current I _B1 is reduced by ΔI _B , corresponding to a decrease in the EMF of the electric motor E ₁ .

При осуществлении способа управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока, принятого за прототип, начальное значение задания выпрямленной ЭДС Е_dЗ (фиг.3) тиристорного преобразователя в режиме холостого хода электропривода устанавливается ниже номинальной выпрямленной ЭДС E_dН на величину ΔE_{d max} в соответствии с зависимостью Е_dЗ=E_dН-(L_Э/(k₁·T_Т·a)I_{СТ max}), пояснения к обозначениям соответствуют представленным выше к зависимости (1).When implementing the method of controlling the excitation flux of a DC motor adopted as a prototype, the initial value of the task of the rectified EMF E _dЗ (Fig. 3) of the thyristor converter in the idle mode of the electric drive is set below the nominal rectified EMF E _dН by ΔE _{d max} in accordance with the dependence E _dЗ = E _dН - (L _E / (k ₁ · T _T · a ) I _{CT max} ), the explanations for the designations correspond to the dependences presented above (1).

После ударного приложения номинальной нагрузки, происходящего в момент t₁, (кривая I₁ на фиг.3), выпрямленная ЭДС Е_d1 тиристорного преобразователя повышается до номинального уровня E_dН по апериодическому закону второго порядка без перерегулирования (кривая Е_d1 не превышает значение E_dН). ЭДС электродвигателя Е₁, которая в режиме холостого хода равна Е_dЗ, также повышается до своего номинального уровня E_Н и при установившемся токе нагрузки I_СТ1, не превышающем I_Н, поддерживается на данном уровне. Ток возбуждения (кривая I_В1) увеличивается от начального значения I_ВЗ, соответствующего заданной выпрямленной ЭДС Е_dЗ тиристорного преобразователя, до уровня I_ОСЛ1 (при скорости электродвигателя, близкой к номинальной I_ОСЛ1≈I_Н).After the shock application of the nominal load occurring at time t ₁ (curve I ₁ in FIG. 3), the rectified EMF E _{d1 of the} thyristor converter rises to the nominal level E _dH according to the second-order aperiodic law without overshoot (curve E _d1 does not exceed the value of E _dH ) The EMF of the electric motor E ₁ , which in idle mode is equal to E _dЗ , also rises to its nominal level E _N and with a steady load current I _CT1 not exceeding I _N , it is maintained at this level. The excitation current (curve I _B1 ) increases from the initial value of I _OW corresponding to a given rectified EMF E _{dЗ of the} thyristor converter to level I _OSL1 (at an electric motor speed close to the nominal I _OSL1 ≈I _N ).

При росте тока выше номинального (интервал времени t₃-t₄ на фиг.3) также обеспечивается поддержание выпрямленной ЭДС Е_d1 тиристорного преобразователя на уровне Е_d1=E_dН за счет ее снижения (и соответственно снижения ЭДС электродвигателя Е₁) на величину падения напряжения ΔI_СТR_Э на эквивалентном сопротивлении R_Э цепи выпрямленного тока (здесь ΔI_СТ - приращение тока нагрузки). Ток возбуждения I_В1 снижается на величину ΔI_В, соответствующую снижению ЭДС электродвигателя Е₁.When the current rises above the nominal value (time interval t ₃ -t ₄ in FIG. 3), the rectified EMF E _{d1 of the} thyristor converter is also maintained at the level E _d1 = E _dH due to its decrease (and, accordingly, decrease in the EMF of the electric motor E ₁ ) by the value of the drop voltage ΔI _CT R _E at the equivalent resistance R _{E of} the rectified current circuit (here ΔI _CT is the increment of the load current). The excitation current I _B1 is reduced by ΔI _B , corresponding to a decrease in the EMF of the electric motor E ₁ .

При осуществлении как предложенного способа управления потоком возбуждения (фиг.2), так и способа управления, взятого за прототип (фиг.3), в режиме ударного и плавного изменения нагрузки максимальная выпрямленная ЭДС Е_{d max} тиристорного преобразователя не превышает номинального значения E_dН. Выпрямленная ЭДС Е_d0 тиристорного преобразователя при нулевом угле управления выбирается из условия:When implementing both the proposed method of controlling the excitation flow (Fig. 2) and the control method, taken as a prototype (Fig. 3), in the shock and smooth load change mode, the maximum rectified EMF E _{d max of the} thyristor converter does not exceed the nominal value of E _dН . The rectified EMF E _{d0 of the} thyristor converter at a zero control angle is selected from the condition:

и превышает максимальную выпрямленную ЭДС на составляющую, связанную с ограничением максимального угла регулирования, и составляющую, вызванную отклонениями напряжения питающей сети. За счет этого обеспечивается минимально возможный запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, что обеспечивает высокий коэффициент мощности в установившемся режиме работы под нагрузкой и соответственно снижение потерь электрической энергии, связанных с потреблением реактивной мощности.and exceeds the maximum rectified EMF by a component associated with the limitation of the maximum control angle, and a component caused by deviations of the voltage of the supply network. This ensures the minimum possible supply of rectified EMF of the thyristor converter, which ensures a high power factor in the steady state operation under load and, accordingly, reduction of electric energy losses associated with the consumption of reactive power.

На фиг.2 и фиг.3 представлены также переходные процессы координат электропривода при ударном приложении нагрузки, равной половине номинальной I_СТ2=0,5I_СТН (кривые с индексом "2"). Изменение координат электропривода при осуществлении способа, принятого за прототип (фиг.3), аналогично рассмотренному изменению координат при ударном приложении номинальной нагрузки. Однако поддержание выпрямленной ЭДС Е_d2 в установившемся режиме работы под нагрузкой на номинальном уровне Е_d2=Е_dH (интервал времени t₂-t₃) вызывает повышение ЭДС электродвигателя выше номинального значения Е₂>Е_Н. В соответствии с равенством (2) это приводит к усилению потока возбуждения. При скорости электродвигателя близкой к номинальной, что соответствует ослаблению потока возбуждения менее чем на 10-12%, рабочая точка 2 (фиг.4) расположена вблизи точки 1, соответствующей номинальному потоку возбуждения, которая находится на изломе кривой намагничивания. Показанное на фиг.4 усиление потока возбуждения Ф на 10% номинального (точка 3) в связи с нелинейностью кривой намагничивания приводит к увеличению тока возбуждения I_В в 1,4 раза, что в длительном режиме работы недопустимо. Очевидно, что изменение нагрузки в широком диапазоне, характерное для рассматриваемого класса электроприводов широкополосных станов горячей прокатки, приведет к длительному превышению током возбуждения своего номинального значения (перевозбуждению электродвигателя). Этот режим является аварийным, т.к. вызывает перегрев электродвигателя и аварийные отключения электропривода.Figures 2 and 3 shows transient electric also coordinates the processes under shock load is applied equal to half the nominal I _CT2 = 0,5I _STN (curves "2" index). Changing the coordinates of the electric drive during the implementation of the method adopted for the prototype (figure 3), similar to the considered change in the coordinates of the shock application of the nominal load. However, maintaining the rectified EMF E _d2 in steady state under load at a nominal level E _d2 = E _dH (time interval t ₂ -t ₃ ) causes an increase in the EMF of the electric motor above the nominal value E ₂ > E _N. In accordance with equality (2), this leads to an increase in the excitation flux. When the speed of the electric motor is close to the nominal one, which corresponds to a weakening of the excitation flux by less than 10-12%, the operating point 2 (Fig. 4) is located near the point 1 corresponding to the nominal excitation flux, which is at the kink of the magnetization curve. The increase in the excitation flux Φ shown in Fig. 4 by 10% of the nominal (point 3) due to the nonlinearity of the magnetization curve leads to an increase in the excitation current I _{B by} 1.4 times, which is unacceptable in continuous operation. It is obvious that a change in load over a wide range, characteristic of the class of electric drives of broadband hot rolling mills under consideration, will lead to a long excess of the rated current by the excitation current (over-excitation of the electric motor). This mode is emergency because causes overheating of the electric motor and emergency shutdowns of the electric drive.

Кроме того, в диапазоне токов нагрузки ниже номинального поддержание ЭДС электродвигателя на уровне, превышающем номинальное значение Е₂>Е_Н, приводит к увеличению напряжения на якоре. Перенапряжение на якоре вызывает ухудшение условий коммутации (появление искрения и кругового огня на коллекторе), что также снижает надежность электропривода.In addition, in the range of load currents below the nominal value, maintaining the EMF of the electric motor at a level exceeding the nominal value E ₂ > E _N leads to an increase in the voltage at the armature. An overvoltage at the anchor causes a deterioration in switching conditions (the appearance of arcing and circular fire on the collector), which also reduces the reliability of the electric drive.

При осуществлении заявляемого способа управления потоком возбуждения при токе нагрузки ниже номинального (кривые с индексом "2" на фиг.2), благодаря действию регулятора ЭДС 1 (фиг.1), ЭДС электродвигателя Е₂ в установившемся режиме работы под нагрузкой (интервал времени t₂-t₃) и при токе нагрузки выше номинального (интервал t₃-t₄) не превышает заданное номинальное значение Е₂=Е_Н. Соответственно ток возбуждения I_В2 в установившемся режиме равен своему номинальному значению I_ВН. Следовательно, при реализации заявляемого способа не возникает перевозбуждения электродвигателя и ухудшения условий его коммутации, в результате чего повышается надежность электропривода.When implementing the inventive method of controlling the excitation flux at a load current below the nominal (curves with index "2" in Fig. 2), due to the action of the EMF regulator 1 (Fig. 1), the EMF of the electric motor E ₂ in steady-state operation under load (time interval t ₂ -t ₃ ) and at a load current above the nominal (interval t ₃ -t ₄ ) does not exceed the specified nominal value E ₂ = E _N. Accordingly, the excitation current I _B2 in the steady state is equal to its nominal value I _VN . Therefore, when implementing the proposed method does not occur overexcitation of the electric motor and the deterioration of the conditions of its switching, resulting in increased reliability of the electric drive.

Так как выпрямленная ЭДС тиристорного преобразователя независимо от тока нагрузки не превышает номинального значения E_dН, устанавливаются минимально возможное значение Е_d0, выбираемое из условия (4), и соответственно минимальный запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, что обеспечивает высокие энергетические показатели.Since the rectified EMF of the thyristor converter, regardless of the load current, does not exceed the nominal value of E _dH , the minimum possible value of E _d0 , selected from condition (4), and, accordingly, the minimum margin of the rectified EMF of the thyristor converter are set, which ensures high energy performance.

Таким образом, применение заявляемого способа позволяет повысить надежность электропривода за счет исключения режима перевозбуждения электродвигателя и улучшения условий коммутации при сохранении высоких энергетических характеристик, обеспечиваемых за счет формирования минимального запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя путем исключения ее перерегулирования в режиме ударного приложения нагрузки и стабилизации ее на заданном уровне при увеличении тока нагрузки выше номинального.Thus, the application of the proposed method allows to increase the reliability of the electric drive by eliminating the overexcitation of the electric motor and improving the switching conditions while maintaining high energy characteristics provided by the formation of a minimum reserve of the rectified EMF of the thyristor converter by eliminating its overshoot in the shock application of the load and stabilizing it at a given level with increasing load current above the nominal.

Claims

The method of controlling the excitation flow of a DC motor in a two-zone speed control system, according to which the set value of a parameter controlled by the excitation circuit, is set below the nominal value by an amount determined by the dependence: (L _E / (k ₁ · T _T · a) I _CTmax ) where L _E is the equivalent inductance of the rectified current circuit, T _T is the time constant of the current circuit, and is the ratio of the time constants of the speed and current circuits, k ₁ is the coefficient, k ₁ = 1.4 and k ₁ = 1.05 - for one - and double-integrating systems automatically speed regulation, respectively, I _CTmax is the maximum static load current; and when the specified value of the parameter is adjusted along the excitation circuit, the weakening of the excitation flux of the electric motor is started, and when the load is shocked, the specified value is increased to the nominal level according to the second-order aperiodic law, characterized in that they additionally compare the EMF of the thyristor converter with its nominal value and exceeding the specified value, a proportional decrease in the set value of the parameter, controlled by the excitation circuit, is carried out, as to take EMF motor.