Automatic armature current control system of a motor with a pulsed converter model

Abstract

EN: The paper considers an automatic armature current control system of a braked electric motor using a pulse model of a thyristor rectifier that takes into account the discrete nature of the electric energy conversion process and the influence of the ripple component of the control signal on the dynamic characteristics of the closedloop system. The relevance of the study is determined by the widespread application of subordinate control systems in DC electric drives and the necessity to improve their response speed, accuracy, and adequacy of the mathematical description of dynamic processes. It is shown that the use of conventional continuous models of thyristor rectifiers does not allow full consideration of the operating features of the power converter associated with its pulse operating mode and incomplete controllability. The aim of the study is the accurate description of dynamic processes in the automatic armature current control system using a pulse model of the thyristor rectifier and the investigation of conditions for ensuring the ultimate response speed of the system. Based on the z-transform, analytical relationships describing the dynamics of the automatic armature current control system were obtained. The conditions for implementing a finiteduration process were determined, and the parameters of the current controller were synthesized to ensure the maximum response speed of the system. To verify the adequacy of the obtained theoretical results, a simulation model was developed in the MATLAB/Simulink environment using the parameters of a 24 kW 2PO200L motor. The novelty of the proposed study in comparison with known approaches based on the use of a continuous thyristor rectifier model lies in taking into account the influence of the incomplete controllability of the thyristor rectifier on the dynamics of the closed-loop automatic control structure. The practical significance of the work consists in the fact that the application of the analytical relationships obtained in the paper during the development of an automatic control system for the output variable of the thyristor rectifier makes it possible to accurately describe the dynamic process of the armature current control loop in a subordinate speed control system and to calculate the system parameters required to achieve the ultimate response speed through the implementation of a finite-duration process.

UA: У статті розглянуто систему автоматичного регулювання струму якоря загальмованого електродвигуна із застосуванням імпульсної моделі тиристорного випрямляча, яка враховує дискретний характер процесу перетворення електричної енергії та вплив пульсаційної складової сигналу керування на динамічні характеристики замкнутої системи. Актуальність дослідження обумовлена широким застосуванням підлеглих систем керування в електроприводах постійного струму та необхідністю підвищення їхньої швидкодії, точності й адекватності математичного опису динамічних процесів. Показано, що використання традиційних безперервних моделей тиристорного випрямляча не дає змогу повною мірою врахувати особливості роботи силового перетворювача, пов’язані з його імпульсним режимом функціонування та неповною керованістю. Метою роботи є точний опис динамічних процесів у системі автоматичного регулювання струму якоря із застосуванням імпульсної моделі тиристорного випрямляча та дослідження умов забезпечення граничної швидкодії системи. На основі z-перетворення отримано аналітичні залежності, які описують динаміку системи автоматичного регулювання струму якоря. Визначено умови реалізації процесу кінцевої тривалості та синтезовано параметри регулятора струму для забезпечення максимальної швидкодії системи. Для перевірки адекватності отриманих теоретичних результатів розроблено імітаційну модель у середовищі MATLAB/Simulink із використанням параметрів двигуна 2ПО200L потужністю 24 кВт. Новизна запропонованої роботи порівняно з відомими, що базовані на застосуванні безперервної моделі тиристорного випрямляча, полягає в урахуванні впливу на динаміку замкнутої структури автоматичного регулювання неповної керованості тиристорного випрямляча. Практична цінність роботи полягає в тому, що застосування отриманих у статті аналітичних залежностей для розроблення системи автоматичного регулювання вихідної координати тиристорного випрямляча дає змогу точно описати динамічний процес контуру регулювання струму якоря в системі підлеглого регулювання швидкості та розрахувати параметри системи для отримання граничної швидкодії за рахунок реалізації процесу кінцевої тривалості.