3. УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО УСИЛИТЕЛЯ

Полупроводниковая техника позволяет создать электрические приводы, имеющие в качестве силовой части систему транзисторный или тиристорный усилитель — исполнительный электродвигатель (ТУ-ИД).

В настоящее время разработаны транзисторные усилители, предназначенные для управления электродвигателями постоянного тока мощностью до киловатта, и тиристорные усилители, предназначенные для управления электродвигателями мощностью до сотен киловатт.

Электрический привод (ЭП) с полупроводниковыми усилителями и исполнительными электродвигателями постоянного тока имеет ряд достоинств, основные из которых:

большая перегрузочная способность исполнительного двигателя; меньшая постоянная времени (несколько микросекунд для электродвигателей с гладким ротором), т. е. большее быстродействие ЭП;

возможность использовать ток якоря как информацию о величине момента ИД.

Ниже рассмотрено несколько схем силовых полупроводниковых усилителей, используемых для управления исполнительными электродвигателями постоянного тока.

Схема ЭП с транзисторным усилителем (ТУ) в значительной степени определяется схемой его выходного каскада. В свою очередь, выбор схемы выходного каскада ТУ зависит от типа применяемого электродвигателя, его мощности, а также требований, предъявляем к ЭП в отношении качества его работы.

Уравнение системы транзисторный усилитель — исполнительный электродвигатель (ТУ-ИД) имеет более простой вид, чем уравнение

системы ЭМУ-ИД или уравнение системы и для электродвигателя постоянного тока может быть записано следующим образом:

Здесь использованы обозначения, принятые в § II.2, Ту — постоянная времени транзисторного усилителя. Так как то уравнение системы может быть также записано в виде

На рис. приведены схемы предназначенные для управления электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения.

Рис. II.12. Принципиальная схема оконечной части транзисторного усилителя мощностью до

В этих схемах детально изображены оконечные части усилителей, схемы каскадов предварительного усилителя не раскрыты, поскольку они могут быть выполнены по различным типовым схемам усилителей переменного и постоянного тока; в частности, в качестве предварительного каскада может быть применен операционный усилитель.

Схема, приведенная на рис. II.12, является наиболее простой схемой, так как она содержит в выходном каскаде В К лишь два плеча (триоды работающих в режиме класса А. Особенность схемы состоит в том, что она управляется от однотактного предварительного усилителя выходное напряжение которого подается на второй предварительный усилитель построенный на триодах и далее поступает на базу нижнего (по схеме) оконечного триода Для обеспечения управляемости верхнего (по схеме) триода выходного каскада ВК а также для обеспечения требуемой линейности

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

статической характеристики ТУ применен коммутирующий диод в цепи якоря электродвигателя и введена отрицательная обратная связь по напряжению и току (с сериесного сопротивления якоря электродвигателя. Сигнал этой обратной связи подается с помощью делителя на эмиттер триода

Назначение диода состоит в том, чтобы запирать верхний (по схеме) триод выходного каскада при наличии тока в нижнем триоде , наоборот, открывать верхний триод при отсутствиитока в нижнем триоде. Исполнительный электродвигатель включен между верхним и нижним плечами выходного каскада и средней точкой двух последовательно включенных источников питания, выполненных на диодах

Для обеспечения более полного насыщения верхнего триода выходного каскада (с целью увеличения к. при максимальном сигнале на его выходе) применен дополнительный источник питания, выполненный на диодах Этот источник запитывает базу эмиттерного повторителя на триоде в верхнем плече выходного каскада. Для балансировки выходного каскада при отсутствии входного сигнала предусмотрен регулировочный потенциометр Для защиты триодов выходного каскада от перенапряжений в схему ТУ введены диоды

Подобная схема целесообразна на выходную мощность усилителя до 100 Вт.

На рис. II. 13 изображена схема оконечной части имеющего мощность до нескольких киловатт.

В этом усилителе выходной каскад В К построен по мостовой схеме на триодах (соединенных параллельно по несколько триодов). В диагонали моста включен электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения. Управляется выходной каскад от предварительных силовых усилителей У: для верхнего по схеме (левого) плеча моста от усилителя, построенного на триодах и для нижнего (левого) плеча моста от усилителя на триодах Правая часть моста выполнена аналогичным образом.

Предварительные усилители управляются от широтно-импульсного модулятора ШИМ, построенного на триодах для одного (левого) плеча схемы, и на триодах для другого (правого) плеча схемы. Напряжение на вход ШИМ подается от усилителя

Особенностью работы рассматриваемой схемы является то, что силовые триоды выходного каскада работают в режиме переключения: при этом переключение триодов сопровождается паузой между открытием верхних и нижних триодов одного плеча. Это гарантирует отсутствие токов короткого замыкания через оба левых (или правых) плеча выходного каскада.

Работа схемы ШИМ состоит в том, что напряжение с выхода усилителя последовательно складывается с пилообразным напряжением, снимаемым с конденсатора и подается на пороговый элемент, выполненный на триоде (для левого плеча). На этом элементе производится сравнение указанной выше суммы напряжений с постоянным напряжением на делителе При изменении напряжения

на выходе усилителя изменяется скважность импульса на выходе триода от нуля до единицы. Это обусловливает изменение напряжения на выходе плеча усилителя от нуля до максимального значения. Работа правого плеча усилителя происходит аналогичным образом (в противофазе).

Питание выходного каскада В К осуществляется от трехфазного выпрямителя, выполненного на диодах а питание предварительных усилителей производится от трехфазного выпрямителя на диодах Питание усилителей верхних плеч осуществляется от двух трехфазных выпрямителей, выполненных на диодах и на Диодах . С целью обеспечения выработки пилообразного напряжения, питание трансформатора осуществляется напряжением прямоугольной формы, обеспечиваемой каскадом на триодах

Для защиты триодов выходного каскада от перенапряжений предусмотрены диоды

Применение в рассмотренной схеме двух раздельных источников питания — высоковольтного для выходного каскада и низковольтного для предварительных усилителей позволяет уменьшить мощность рассеяния на триодах предварительного усилителя. В тех случаях, когда возникает необходимость еще более повысить к. п. д. силового транзисторного усилителя (например, при ограниченной мощности сети питания, или когда имеются затруднения с отводом тепла), применяется в котором согласование силовых выходных триодов и предварительных усилителей производится с помощью трансформатора. Схема такого ТУ приведена на рис. II. 14.

Основным отличием этой схемы от схемы; изображенной на рис. II.13, является то, что напряжение на выходе собранного на триодах усиливается двухтактным трансформаторным каскадом (предварительным усилителем выполненным на триодах С трансформатора выходное напряжение этого каскада подается через выпрямители на диодах на базы триодов выходного мостового каскада ВК. Два других триода выходного каскада управляются аналогичным образом от напряжения на выходе Согласование напряжения прямоугольной формы с выхода ШИМ с предварительным усилителем осуществляется с помощью двух ключей на триодах для одного плеча ТУ и двух ключей для другого плеча Указанные ключи обеспечивают подачу напряжения прямоугольной формы от трансформатора на триоды усилителя таким образом, что это напряжение в течение половины времени длительности импульсов подается на триоды усилителя одного плеча, а в течение другой половины времени — на триоды усилителя другого плеча. Благодаря этому напряжение на выходных трансформаторах практически отсутствует в паузах между импульсами ШИМ, а при полном сигнале с выхода ШИМ скважность управляющего сигнала на входе силовых триодов выходного каскада равна единице. Обеспечение синхронизации работы ключей усилителя и пилообразного напряжения ШИМ (на конденсаторах достигается путем запитки ключей и

конденсаторов от одного трансформатора напряжением прямоугольной формы. При таком способе согласования элементов оконечной части ТУ целесообразно применение общего высоковольтного источника питания.

Данный усилитель применяется в диапазоне мощностей до нескольких киловатт.

Приведенные на рис. 11.13 и рис. II. 14 схемы ТУ дают возможность реализовывать усилители с достаточно высокими мощностями, значительными зонами линейности статических характеристик. Эти усилители являются малоинерционными и позволяют обеспечить высокое качество работы Однако в некоторых случаях к ЭП не предъявляются повышенные требования к качеству их работы, при этом целесообразно применение в ЭП упрощенных схем рассматриваемых в § 4 настоящей главы.

Рис. II.15. Принципиальная схема системы управляемый выпрямитель — двигатель постоянного тока независимого возбуждения

Управление скоростью исполнительного двигателя постоянного тока с независимым возбуждением мощностью свыше целесообразно осуществлять с использованием тиристорного управляемого выпрямителя УВ.

Принципиальная схема силовой части такого привода приведена на рис. II.15.

Так как система УВ-ИД является новым типом привода, необходимо более подробно рассмотреть особенности его работы.

Реверсивный управляемый выпрямитель содержит две группы тиристоров каждая из которых соединена по наиболее распространенной схеме трехфазного моста. Каждая из групп тиристоров работает только в одном направлении, обеспечивая реверс электродвигателя. Изменение напряжения на якоре электродвигателя осуществляется изменением времени проводимости тиристоров.

Для этого от блока управления на тиристоры подаются управляющие импульсы, фаза которых, характеризуемая углом регулирования а, определенным образом изменяется относительно фазы напряжения питающей сети. При этом зависимость между средним значением выпрямленного напряжения и углом регулирования имеет вид

где — среднее значение выпрямленного напряжения;

— амплитуда напряжения питающей сети; — число фаз управляемого выпрямителя.

Как следует из выражения (11.23), при изменении угла регулирования в пределах имеет место соотношение Такой режим работы управляемого выпрямителя называется выпрямительным. При изменении угла регулирования в пределах имеет место соотношение Такой режим работы управляемого выпрямителя называется инверторным (генераторный режим).

Каждая из групп тиристоров реверсивного УВ может работать как в выпрямительном, так и в инверторном режимах, обеспечивая работу электродвигателя во всех четырех квадрантах механической характеристики, при этом всегда одна из групп тиристоров работает в выпрямительном, а другая в инверторном режиме.

Существенное влияние на статические и динамические характеристики системы управляемый выпрямитель — исполнительный электродвигатель оказывает способ управления группами тиристоров. Существуют способы согласованного и раздельного управления группами тиристоров реверсивного УВ.

При согласованном способе управления отпирающие импульсы подаются на обе группы тиристоров, причем в зависимости от соотношения величин углов регулирования выпрямителя и инвертора согласованное управление может быть линейным (режим класса А) и нелинейным (режим класса

При линейном согласованном управлении углы регулирования выпрямительной и инверторной группами выбираются таким образом, что средние значения выпрямленного напряжения у обеих групп равны между собой. Условие, которому должны удовлетворять углы регулирования тиристорами двух групп, в этом случае может быть получено из равенства (II.23). Это условие можно записать в виде

где — угол регулирования выпрямительной группы;

— угол регулирования инверторной группы.

При выполнении условия (II.24) средние значения выпрямленного напряжения двух групп равны между собой, противоположны по знаку и поэтому взаимно уравновешиваются. Однако при равенстве средних значений выпрямленных напряжений выпрямительной и инверторной групп мгновенные значения напряжений этих групп не

совпадают. Это приводит к появлению неуравновешенной переменной составляющей напряжения между группами. Такое напряжение называют уравнительным напряжением. Уравнительное напряжение создает в контуре, образованном двумя группами тиристоров, уравнительный ток, для ограничения величины которого в контур включают ограничивающие дроссели (см. рис. 11.15). Введение дросселей в схему УВ увеличивает его габаритные размеры и увеличивает электромагнитную постоянную времени якорной цепи, что ухудшает динамические характеристики привода. Одним из способов уменьшения индуктивности уравнительных дросселей является применение способа нелинейного согласованного управления группами тиристоров УВ. При нелинейном согласовании в реверсивном контуре всегда создается постоянная составляющая напряжения, направленная против проводимости тиристоров, что обеспечивается таким соотношением величин углов регулирования, при котором среднее выпрямленное напряжение инверторной группы больше среднего выпрямленного напряжения выпрямительной группы. Выбор углов регулирования при этом способе согласования должен осуществляться согласно условию

где — постоянный угол, величина которого может выбираться в пределах от 0 до .

Если способ линейного согласованного управления позволяет реализовать линейную статическую характеристику то при нелинейном согласованном управлении в статической характеристике появляется зона нечувствительности тем большая, чем больше

В переходных режимах из-за неполной управляемости тиристоров УВ соотношения (11.24) и (11.25) нарушаются и в контуре кроме статического тока возникает динамический уравнительный ток. Для его исключения в блок управления необходимо ввести апериодическое звено с постоянной времени с при промышленной частоте питающей сети Гц.

Уравнительные токи полностью устраняются при использовании способа раздельного управления группами тиристоров (режим класса В). При раздельном способе управления управляющие импульсы подаются только на одну группу тиристоров, а вторая группа заперта. Поэтому в схеме УВ отсутствует цепь для протекания уравнительного тока. Такой способ приводит к существенному усложнению блока управления выпрямителем, поскольку возникает необходимость подавать и снимать управляющие импульсы в функции тока инверторной группы, так как снятие импульсов с инверторной группы при работе ее в режиме непрерывных токов приводит к аварийному режиму. Ухудшаются также и динамические свойства управляемого выпрямителя вследствие введения фиксированной задержки в цепи управления. Способ раздельного управления целесообразно использовать для приводов мощностью свыше когда усложнение схемы управления оправдано существенным уменьшением веса и габаритов УВ за счет исключения уравнительных дросселей. Для

большинства приводов меньшей мощности наиболее целесообразным является использование способа нелинейного согласованного управления. Лишь при повышенных требованиях к динамическим характеристикам привода следует рекомендовать способ линейного согласованного управления.

Точное определение статических и динамических характеристик системы УВ-ИД представляет собой сложную задачу, поскольку процессы, происходящие в в большинстве случаев описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. Основными нелинейностями УВ являются: нелинейная зависимость между выпрямленным напряжением и углом регулирования, дискретный характер работы выпрямителя, различный характер процессов включения и выключения тиристоров и т. д.

Рис. II.16. Эквивалентная схема работающего на исполнительный двигатель постоянного тока независимого возбуждения и диаграммы напряжения и тока в установившемся режиме: а — эквивалентная схема; б — диаграмма напряжения; в — диаграмма тока

В ряде работ [7], [12], [18] даны приближенные решения уравнений, характеризующих систему УВ-ИД и позволяющих определить ее статические и динамические характеристики.

Рассмотрим процессы, происходящие при работе УВ на электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения. Схема замещения тиристорного -фазного УВ показана на рис. II.16, а, а диаграммы напряжений на рис. На схеме приняты следующие обозначения:

— тиристоры; их включение осуществляется от блока управления;

— индуктивность фазы питающей сети;

— активное сопротивление фазы питающей сети;

— мгновенные значения напряжения фаз питающей сети; — мгновенные значения токов фаз питающей сети;

индуктивность в цепи выпрямленного тока; индуктивность уравнительных дросселей; активное сопротивление в цепи выпрямленного тока;

— активное сопротивление дополнительных полюсов;

— активное сопротивление щеточного контакта;

— активное сопротивление уравнительного дросселя; — мгновенное значение выпрямленного тока; — мгновенное значение выпрямленного напряжения;

— противо-э. д. с. И. Д.

При анализе электромагнитных процессов системы УВ-ИД принимаем следующие допущения: характеристики тиристоров идеальны, параметры питающей сети и цепи нагрузки постоянны и не зависят от режима работы, ток ИД непрерывен.

При работе УВ на нагрузку в установившемся режиме и условии непрерывности тока нагрузки можно выделить два основных режима его работы:

режим коммутации, в котором ток проводят два тиристора и длительность которого определяется временем коммутации рабочий режим, в котором ток проводит один тиристор и длительность которого равна

В этих двух режимах система УВ-ИД описывается следующими уравнениями:

1. Режим коммутации

2. Рабочий режим

В этих уравнениях имеем:

Из рис. II.16, б видно, что наличие явления коммутации уменьшает величину выпрямленного напряжения при том же угле регулирования по сравнению с режимом холостого хода. Мгновенное

значение падения напряжения в период коммутации равно полуразйостй мгновенных значений напряжений фаз, проводящих ток в этом режиме:

где — мгновенное значение падения напряжения в режиме коммутации.

Вычитая первое уравнение системы (11.26) из второго, получим

Среднее значение падения выпрямленного напряжения УВ из-за наличия режима коммутации равно

где — среднее значение падения напряжения из-за наличия режима коммутации.

Пренебрегая активным сопротивлением фазы питающей сети, а также принимая, что где — среднее значение выпрямленного тока, из выражения (11.27) получим

С учетом падения напряжения на активном сопротивлении фазы питающей сети выражение для среднего выпрямленного напряжения нагруженного УВ имеет вид

Выражение представляет собой фиктивное активное сопротивление управляемого выпрямителя, учитывающее падение напряжения из-за наличия режима коммутации, а равенство (11.28) определяет внешнюю характеристику управляемого выпрямителя при или статическую характеристику

Приведенные соотношения могут нарушаться при существенном снижении тока нагрузки и уменьшении угла регулирования до некоторого граничного значения, при котором величина противо-э. д. с. электродвигателя превысит мгновенное значение напряжения на тиристоре. При этом в системе УВ-ИД возникает режим прерывистых токов, а внешняя и статическая характеристики системы изменяют свой вид. Однако, учитывая то, что режим прерывистых токов соответствует очень малым значениям тока нагрузки (единицы процента

от номинального значения), а соответствующие меры при проектировании системы управления тиристорами позволяют избежать уменьшения угла регулирования меньше предельного значения, можно считать, что в системе УВ-ИД режим прерывистых токов отсутствует. В реверсивном УВ с линейным согласованным управлением группами тиристоров всегда протекает уравнительный ток. Это обстоятельство вообще исключает возможность возникновения режима прерывистых токов.

Рис. II.17. Внешняя характеристика системы УВ-ИД. Максимальное выпрямленное напряжение

Семейство внешних характеристик УВ при различных значениях а показано на рис. II.17, а статическая характеристика на рис. II.18. Из этих рисунков видно, что внешняя и статическая характеристики системы реверсивный УВ-ИД аналогичны соответствующим характеристикам системы ЭМУ-ИД.

В случае, если мощность источника питания значительно превышает мощность исполнительного электродвигателя (на порядок и больше), величинами индуктивности и активного сопротивления источника питания можно пренебречь. Тогда выражение (II.28) принимает вид (II.23).

При нелинейном согласованном управлении реверсивным УВ линейность его характеристик нарушается, что проявляется в появлении излома во внешней характеристике в области малых токов и появлении зоны нечувствительности в статической характеристике.

Рис. II.18. Статическая характеристика системы УВ-ИД

Большой интерес представляют динамические характеристики УВ как элемента следящего привода. Точное их определение затруднено из-за некоторых особенностей УВ. Одна из этих особенностей связана с дискретным характером работы УВ. Действительно, отпирание тиристоров осуществляется в определенные промежутки времени, определяемые частотой питающей сети и количеством фаз выпрямителя. При этом в момент изменения управляющего сигнала меняется период дискретности, причем величина изменения периода зависит как от величины, на которую меняется управляющий сигнал, так и от момента времени, в который это происходит, т. е. от величины угла регулирования перед изменением управляющего сигнала. Это обстоятельство не позволяет в общем случае использовать для

анализа динамических свойств УВ методы теории линейных импульсных систем. Вторая особенность УВ определяется неполной управляемостью тиристоров управляемого выпрямителя. Эта особенность вызывает зависимость времени переходного процесса изменения выходного напряжения от полярности и величины управляющего сигнала. Однако в [12] показано, что дискретность У В не вносит фазового сдвига в управляющий сигнал до определенной частоты его изменения, называемой граничной. Граничная частота определяется из выражения Там же показано, что неполная управляемость тиристоров проявляется только при скорости изменения управляющего сигнала, большей некоторого значения, зависящего от частоты питающей сети. При скорости изменения угла регулирования меньшей, чем круговая частота питающей сети, т. е. при может рассматриваться как безынерционное звено.

Рис. II.19. Диаграммы напряжения и тока системы У В-ИД в режиме нарастания тока двигателя при постоянном угле регулирования

Ограничение скорости изменения управляющего напряжения может быть достигнуто за счет включения на входе блока управления апериодического звена с постоянной времени

В реверсивном управляемом выпрямителе с согласованным управлением группами тиристоров наличие апериодического звена с такой постоянной времени оказывается также необходимым с целью ограничения динамических уравнительных токов, что отмечалось выше. Поэтому реверсивный УВ с согласованным управлением можно считать безынерционным вплоть до граничной частоты Такой вывод позволяет при реализации СП на базе системы УВ-ИД пользоваться линейными методами теории автоматического регулирования.

Для определения динамических характеристик системы УВ-ИД, рассмотрим процесс нарастания тока (рис. II. 19) в заторможенном ИД, работающем от УВ при постоянном угле регулирования. При увеличении тока нагрузки происходит увеличение угла коммутации.

Пренебрегая величиной для периода коммутации можно записать систему уравнений, описывающую электромагнитные процессы в системе

Исключая из системы (11.29) токи тиристоров получим:

Для зоны проводимости одного тиристора имеем следующее уравнение:

Поскольку величина угла коммутации зависит от величины выпрямленного тока, точное решение уравнений (11.30) и (11.31) затруднительно. В работе [18] дано их приближенное решение, сделанное в предположении, что изменение тока за интервал проводимости тиристора мало по сравнению с абсолютным значением тока. Решение этого уравнения имеет вид

Вводя обозначения

найдем уравнение системы УВ-ИД при заторможенном двигателе:

где — суммарная индуктивность силовой цепи, управляемого выпрямителя и исполнительного электродвигателя; — суммарное активное сопротивление силовой цепи, управляемого выпрямителя и исполнительного электродвигателя.

Полученное выражение (11.32) является уравнением, связывающим ток и напряжение системы УВ-ИД в режиме непрерывных токов. Оно показывает, что в линейном приближении силовая часть системы УВ-ИД при заторможенном двигателе эквивалентна апериодическому звену. Режим прерывистых токов не оказывает особого влияния на динамические характеристики системы, поскольку, как уже отмечалось, он характерен лишь для очень малых значений токов, а при согласованном управлении реверсивным управляемым выпрямителем вообще отсутствует. При источнике питания большой мощности

(на порядок превышающей мощность исполнительного электродвигателя) величинами можно пренебречь и тогда и Для определения передаточной функции системы УВ-ИД при незаторможенном ИД с учетом блока управления тиристорами составим систему дифференциальных уравнений в виде, преобразованном по Лапласу.

1. Уравнение блока управления

где — напряжение на входе блока управления;

— постоянная времени апериодического звена на входе блока управления;

— коэффициент усиления блока управления.

Арккосинусоидальная зависимость между углом регулирования и напряжением управления на входе блока управления характерна для управляющих устройств, использующих в качестве опорного напряжения напряжение питающей сети. Апериодическое звено с постоянной времени вводится, как указывалось выше, на входе блока управления для ограничения динамического уравнительного тока в реверсивном УВ с согласованным управлением группами тиристоров. Величина составляет с.

2. Уравнение силовой цепи системы УВ-ИД

3. Уравнение моментов на валу исполнительного электродвигателя

4. Уравнение электромагнитного момента, развиваемого исполнительным электродвигателем

Решая совместно уравнения получим

Обозначим:

Тогда уравнение силовой части системы УВ-ИД примет вид

В уравнениях кроме постоянной времени использованы обозначения, принятые ранее.