4. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ

Электродвигатели постоянного и переменного тока, электромагнитные муфты и электромагнитные механизмы широко применяются в качестве исполнительных устройств систем автоматики. Полупроводниковые управляющие устройства должны обеспечивать безразрывное регулирование тока нулевой или первой гармоники в обмотке электродвигателя, либо формировать отдельные импульсы тока в обмотке электромагнитной муфты или механизма.

Схемы усилительных каскадов, нагрузкой которых является обмотка управления маломощного двухфазного индукционного электродвигателя, были рассмотрены выше.

Для управления маломощными электродвигателями постоянного тока применяются фазочувствительные усилители [2].

При мощности электродвигателей более нескольких ватт необходимо применять схемы на транзисторах в режиме переключения. Любой из трех импульсных режимов можно осуществить с помощью мостовых переключающих реле [15]. Одна из таких универсальных схем, рассчитанная на ток нагрузки до 10 А, показана на рис. III. 19.

Схема состоит из двух одинаковых переключающих реле, выходные цепи которых образуют мостовую схему с источником питания и нагрузкой, включенными в диагонали моста. В исходном состоянии насыщенные силовые транзисторы типа шунтируют нагрузку Если нагрузкой является обмотка якоря электродвигателя постоянного тока, то для регулирования скорости вращения воздействуют управляющим сигналом на вход левого или правого переключающего реле (точка а или а на рис. 111.19) в зависимости от направления вращения. В обоих случаях нагрузка либо подключается к источнику напряжения, либо замыкается на низкое сопротивление насыщенных транзисторов, т. е. осуществляется первый импульсный режим, наиболее благоприятный по регулировочным и энергетическим показателям для электродвигателя постоянного тока.

Если нагрузкой является обмотка управления ДИД, то схема без изменений может работать в третьем импульсном режиме. Для этого управляющие импульсы подаются поочередно на вход каждого переключающего реле. Частота импульсов на входе каждого реле должна совпадать с частотой напряжения, которым питается обмотка возбуждения.

Для управления переключающими реле используются медленно меняющиеся сигналы, которые во входной цепи реле суммируются с импульсным опорным напряжением, в результате чего переключающее реле совмещает в себе функции широтно-импульсного модулятора.

Рис. III.19. Схема мостового переключающего реле

Рассмотрим следящую систему, в которой мостовое переключающее реле используется для управления электродвигателем постоянного тока. Входной сигнал с сельсина датчика поступает на вход транзисторного (рис. III.20, а). Усиленный сигнал переменного тока демодулируется. После сглаживания пульсаций с помощью -фильтра демодулированное напряжение поступает на вход мостового переключающего реле, где суммируется с опорным напряжением (точки , а к а схемы, изображенной на рис. 111.20, а, подключаются к одноименным точкам схемы, показанной на рис. III.19).

В качестве нагрузки мостового переключающего реле подсоединена обмотка якоря электродвигателя с независимым возбуждением типа номинальная мдщность которого 35 Вт. Силовые транзисторы реле типа обеспечивают пусковой ток электродвигателя, равный

На рис. III.20, б приведена структурная схема следящей системы, элементы которой имеют следующие передаточные функции.

Передаточная функция УГС Этот коэффициент равен 57, так как для сельсина в зоне малых рассогласований коэффициент передачи напряжение трогания электродвигателя, пересчитанное ко входу демодулятора, равно 0,9 В, а зона нечувствительности ±0,5 градуса.

Рис. III.20. (см. скан) Схемы следящей системы: а — принципиальная схема следящей системы; б — структурная схема следящей системы

УГС может быть выполнен по любой из известных схем, например по схеме рис. III.7 с трансформаторным выходом при параллельном питании 22.

Передаточная функция транзисторного переключающего реле с демодулятором, фильтром и источником опорного напряжения

Постоянная времени фильтра выбрана равной и обеспечивает двойную амплитуду пульсаций не более 20% от среднего значения напряжения, что допустимо, так как фазовый сдвиг пульсаций относительно опорного напряжения не изменяется. Частота опорного напряжения равна 400 Гц. При этом постоянная времени переключающего реле в 30 раз меньше постоянной времени двигателя.

Передаточные функции остальных звеньев будут:

- электродвигателя;

— тахогенератора скоростной отрицательной обратной связи;

— сельсина обратной связи;

редуктора

Нелинейность характеристики разомкнутой системы не превышает 10%, зона нечувствительности составляет 5% от зоны пропорционального регулирования. Эквивалентная постоянная времени в разомкнутой по положению системе — с обратной связью по скорости . В замкнутой системе длительность переходного процесса при единичном воздействии по положению, соответствующему зоне пропорционального регулирования, составляет Полоса пропускания 10 Гц.

Транзисторные переключающие схемы при рациональном построении способны обеспечивать высокое качество регулирования электродвигателей постоянного и переменного тока в сочетании с хорошим к. п. д. Это достигается применением режима переключения и такой структуры схем, при которой практически не ухудшаются механические характеристики электродвигателей. Для сохранения естественных механических характеристик электродвигателя ток в его обмотке, являющейся нагрузкой транзисторной схемы, должен быть безразрывным, а отклонения от формы (пульсации) тока во избежание перегрева обмотки — минимальными.

Иные требования предъявляются к транзисторным схемам управления электромагнитными муфтами и электромагнитными механизмами. Эти схемы должны обеспечить предельно быстрое увеличение тока в обмотке управления электромагнитного устройства постоянного тока включении, предельно быстрое уменьшение тока в обмотке при отключении и поддержание тока на заданном уровне в номинальном режиме. Ток в обмотке принципиально должен быть разрывным, а форма его близка к прямоугольной. Такой режим, очевидно, нельзя осуществить с помощью схем, предназначенных

для плавного изменения тока в обмотке электродвигателя (рис. III. 21, а).

Быстрое увеличение и уменьшение тока в индуктивно-активной нагрузке требует импульсного повышения выходной мощности транзисторной схемы, что при заданном токе однозначно требует повышения напряжения на нагрузке, а следовательно, и на транзисторах оконечного каскада.

Рис. III.21. (см. скан) Схемы защиты транзистора от перенапряжений при отключении индуктивно-активной нагрузки: а — с нефорсированным отключением; б — с форсированным отключением и реостатным приемником энергии; в и г — с форсированным отключением и стабилитронным приемником энергии; д, е, ж и з — с форсированным отключением и реостатно-емкостными приемниками энергии

Поэтому предел быстродействия электромагнитных устройств определяется допустимыми значениями напряжения на транзисторах.

Ограничение напряжения на транзисторах при форсированном отключении тока индуктивно-активной нагрузки осуществляется с помощью специальных цепей, являющихся приемниками энергии, накопленной в магнитной цепи нагрузки к моменту отключения. Такими приемниками энергии могут быть резистор стабилитрон конденсатор С и другие элементы (рис. III.21). Считая заданным допустимое напряжение на запертом транзисторе доп можно определить время отключения тока нагрузки от установившегося значения до нуля с помощью соотношения

где — временной коэффициент при стабилитронном отключении (рис. 11.21, б, г);

при реостатно-емкостном отключении (рис. III.21, д, е)

при емкостном отключении (рис. III.21, ж, з);

при реостатном отключении (рис. III.21, б).

Для сравнения отметим, что время нефорсированного отключения в каскаде с блокирующим диодом (рис. II 1.21, а) принимается равным Выражение (111.57) является строгим лишь при стабилитронном отключении нагрузки. Остальные значения временного коэффициента получены путем графических расчетов. Величина емкости конденсатора в каждом случае также определяется графическим или по приближенным формулам.

Форсированное включение тока в обмотке электромагнитного устройства осуществляется путем импульсного повышения мощности источника, питающего нагрузку, причем по окончании форсирования транзисторная схема должна обеспечить питание нагрузки от источника номинального (невысокого) напряжения. Эта задача решается различными способами в зависимости от наличия:

1) двух источников (с номинальным и повышенным напряжением);

2) одного источника с повышенным напряжением;

3) одного источника с номинальным напряжением.

В первом случае источники номинального и повышенного напряжения могут быть включены в цепи нагрузки либо последовательно (рис. III.22), либо параллельно (рис. III.23). Схема с последовательным соединением источников обеспечивает в

2 раза меньшее суммарное время включения и отключения тока нагрузки, чем схема с параллельным соединением источников если в обоих случаях принять одинаковые значения максимально допустимого напряжения на транзисторах. Поэтому схема с параллельным соединением источников может применяться лишь в тех случаях, когда решающим является наличие общей точки в цепи управления силовыми транзисторами.

В каждой из этих схем время включения тока можно определить из соотношения

где для схемы с параллельным соединением источников

для схемы с последовательным соединением источников

Величину напряжения источника выбирают по формулам для схемы с параллельным соединением источников; для схемы с последовательным соединением источников.

Коммутация транзисторов осуществляется с помощью полупроводниковых реле и такого реле показана, например, на рис. III.18.

Рис. III.22. Форсирующая схема с последовательным соединением основного и дополнительного источников

Рис. III.23. Форсирующая схема с параллельным соединением источников питания

Во втором случае при наличии единственного источника питания с напряжением форсированное включение происходит так же, как и в первом случае, поэтому время включения определяется соотношением (III.58). После включения требуемую величину тока в нагрузке можно обеспечить двумя методами: непрерывным и импульсным. Непрерывный метод не отличается высоким к. п. д., поэтому необходимо использовать первый или второй импульсный режим регулирования мощности в нагрузке.

По быстродействию схемы, работающие в первом и втором импульсном режимах, эквивалентны схеме с параллельным соединением двух источников (рис. 111.23)

В третьем случае, когда имеется единственный источник питания с номинальным напряжением, форсированное включение нагрузки можно осуществить, используя в качестве эквивалентного источника повышенного напряжения конденсатор, заряженный током

нагрузки при форсированном отключении [15]. Конденсатор может быть включен как параллельно источнику питания, так и последовательно с ним.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает мощные транзисторы с допустимым напряжением до 700 В. Зарубежный опыт показывает, что этот предел может быть доведен до Это заставляет пересматривать сложившиеся представления о быстродействии электромагнитных исполнительных устройств постоянного тока, которое может быть улучшено не менее чем на один порядок, при сохранении высокого к. п. д.

Итак, транзисторные усилительно-преобразовательные устройства являются наиболее универсальным техническим средством кибернетики. Хорошие частотные свойства современных транзисторов позволяют эффективно управлять разнообразными исполнительными устройствами. Освоение методов параллельного соединения большого количества транзисторов открывает возможность регулирования тока нагрузки в сотни ампер при к. п. д. более 90%, причем транзисторные устройства обеспечивают принципиально более высокий к. п. д., чем тиристорные и другие электронные устройства.

При переработке информации транзисторные устройства допускают высокую степень миниатюризации. Использование методов уменьшения суммарной рассеиваемой мощности, а также методов проектирования устройств с гальваническими связями открывает широкие возможности для дальнейшей миниатюризации.

Однако параметры электронных приборов всегда имеют технологический разброс. Поэтому реализация стабильных, надежных и технологичных усилительно-преобразовательных устройств возможна лишь при широком использовании общей отрицательной обратной связи и других методов теории автоматического регулирования.