5. УПРАВЛЕНИЕ СЕРИЕСНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА ОТ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО УСИЛИТЕЛЯ

Реализация привода с высокими динамическими характеристиками на базе сериесного исполнительного электродвигателя с одной обмоткой возбуждения затруднена, так как такой электродвигатель неустойчиво работает на участке торможения из-за самовозбуждения электродвигателя в этом режиме. Задача управляемого торможения сериесного электродвигателя может быть достаточно просто решена, если его обмотка возбуждения будет выполнена из двух полуобмоток. Изменение направления вращающего момента такого электродвигателя осуществляется подключением к силовому преобразователю последовательно соединенных якоря и той или другой полуобмотки возбуждения, что позволяет изменять направление потока возбуждения без изменения направления тока якоря.

Большинство приводов на базе сериесного электродвигателя строится либо по схеме управляемый выпрямитель (УВ) — сериесный электродвигатель с расщепленной обмоткой возбуждения (СД) при наличии силовой питающей сети переменного тока, либо по схеме тиристорный преобразователь с принудительной коммутацией ТП — СД при наличии силовой сети постоянного тока. В том и другом случаях использование сериесного электродвигателя с расщепленной обмоткой возбуждения дает силовой части привода ряд преимуществ по сравнению с системой тиристорный усилитель — электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения. Эти преимущества следующие.

1. Схемы реверсивных тиристорных усилителей, работающих на СД с расщепленной обмоткой возбуждения, обладают большей простотой и надежностью. В управляемом выпрямителе группы тиристоров в этом случае включены навстречу друг другу, что исключает контур для протекания уравнительного тока. В тиристорном преобразователе с принудительной коммутацией исключается возможность появления сквозных токов.

2. Упрощается блок управления, так как сокращается количество силовых тиристоров.

3. Обмотки возбуждения и якорь СД могут быть зашунтированы буферными диодами, что повышает эффективность тиристорного усилителя.

4. Не требуется специального источника для питания обмотки возбуждения.

5. Механические характеристики привода на базе СД отмечаются повышенными пусковыми моментами.

6. Энергетические характеристики СД, питающегося от тиристорного усилителя напряжением с большими пульсациями, близки к характеристикам при его питании постоянным током.

Рис. II.21. Принципиальная схема системы управляемый выпрямитель — сериесный двигатель с расщепленной обмоткой возбуждения

Принципиальная схема силовой части привода, выполненная на базе УВ и СД, приведена на рис. II.21. Управляемый выпрямитель содержит две группы тиристоров, каждая из которых обеспечивает вращение электродвигателя в одном направлении. Первая группа состоит из тиристоров а вторая — из тиристоров Параллельно каждой группе тиристоров включены буферные диоды Включение тиристоров УВ осуществляется от блока управления. Исполнительный электродвигатель содержит две полуобмотки

Принципиальная схема силовой части привода, выполненная на базе ТП и СД, приведена на рис. II.22, а. Регулирование скорости СД осуществляется изменением отношения длительности времени в течение которого он подключен к силовой сети, и длительности периода широтноимпульсной модуляции т.

Подключение СД к питающей сети осуществляется включением силовых тиристоров или в зависимости от необходимого направления вращения. Гашение силовых тиристоров и, следовательно, отключение электродвигателя от сети осуществляется включением

вспомогательных тиристоров которые подключают к силовым тиристорам предварительно заряженный конденсатор Предварительный заряд конденсатора осуществляется по цепи: плюс источника питания — транзистор резистор конденсатор транзистор резистор диод минус источника питания. Якорь двигателя и обмотки возбуждения зашунтированы буферными диодами Диаграммы напряжений, характеризующих работу схемы, приведены на рис. II.22, б.

Рассмотрим статические и динамические характеристики силовой части следящего привода с сериесным электродвигателем на примере системы УВ-СД для случая раздельного способа управления группами тиристоров, т. е. при отсутствии начального тока якоря.

Рис. II.22. Принципиальная схема и диаграммы напряжений системы тиристорный преобразователь с принудительной коммутацией — сериесный двигатель с расщепленной обмоткой возбуждения

При анализе электромагнитных процессов в системе УВ-СД примем следующие допущения:

падение напряжения на диодах в прямом направлении и тиристорах во включенном состоянии равно нулю;

сопротивление тиристоров в выключенном состоянии и диодов при приложении к ним обратного напряжения бесконечно велико; параметры СД не зависят от режима его работы; переключение тиристоров осуществляется мгновенно; кривая намагничивания СД имеет два участка — ненасыщенный, где магнитная индукция линейно зависит от тока возбуждения и для которого справедливы соотношения:

где среднее значение тока возбуждения СД;

— среднее значение тока якоря CД;

с — коэффициент противо-э. д. с. ненасыщенного СД;

— коэффициент пропорциональности между током и моментом, развиваемым ненасыщенным СД, и насыщенный, где магнитная индукция максимальна и который характеризуется соотношениями:

взаимоиндукция между обмотками возбуждения и обмоткой якоря исполнительного электродвигателя отсутствует;

ток исполнительного электродвигателя непрерывен.

Рис. II.23. Эквивалентная схема и диаграммы напряжения системы УВ-СД в режиме разгона СД: а — эквивалентная схема; б — диаграмма напряжения

Особенностью рассматриваемой системы является различный характер электромагнитных процессов в режиме разгона и торможения, а также при различных углах регулирования. Эквивалентная схема и диаграммы напряжений системы УВ-СД при разгоне двигателя приведены на рис. II.23, а, б, а при торможении — на рис. II.24, а, б.

При разгоне СД в диапазоне углов регулирования уравнение для тока в интервале проводимости тиристора, т. е. при имеет вид

В интервале — тиристоры заперты и ток СД протекает через буферный диод. При этом имеем уравнение

где — соответственно индуктивность обмотки возбуждения и обмотки якоря;

соответственно мгновенные значения тока СД в интервале проводимости тиристора и интервале проводимости диода;

соответственно активное сопротивление обмотки возбуждения и обмотки якоря СД.

Решая уравнения (11.42) и (11.43) при получим среднее значение тока СД в режиме разгона и диапазоне изменения угла регулирования

Рис. II.24. Эквивалентная схема и диаграмма напряжений системы УВ-СД в режиме торможения СД: а — эквивалентная схема; б — диаграмма напряжения

Решая совместно уравнения (11.40) и (11.44), найдем выражения для средних значений тока и момента, развиваемого ненасыщенными СД, в режиме разгона в рассматриваемом диапазоне углов регулирования:

Решая совместно уравнения (11.41) и (11.44), определим те же выражения для насыщенного СД:

В диапазоне углов регулирования буферный диод не работает и уравнение системы УВ-СД в режиме разгона СД имеет вид

Среднее значение тока и момента ненасыщенного СД определяется при этом из выражений:

Для насыщенного СД эти выражения имеют вид:

Рассмотрим режим торможения СД.

Эквивалентная схема и диаграмма напряжений системы УВ-СД с буферными диодами в этом режиме приведены на рис. II.24, а, б.

В диапазоне углов регулирования и интервале времени, на котором открыты тиристоры электромагнитные процессы в системе УВ-СД описываются следующими уравнениями:

где — взаимоиндуктивность между обмотками возбуждения.

В интервале проводимости диодов уравнения системы УВ-СД имеют вид:

где — соответственно мгновенные значения тока якоря, тока первой полуобмотки возбуждения, тока второй полуобмотки возбуждения и тока возбуждения СД в интервале проводимости тиристора; — соответственно мгновенные значения тока якоря, тока первой полуобмотки возбуждения, тока второй полуобмотки возбуждения и тока возбуждения СД в интервале проводимости диода.

Суммируя первые и вторые уравнения систем уравнений (11.52) и (11.53) и учитывая остальные уравнения этих систем, получим:

Решая уравнения (11.54) при получим, что среднее значение тока якоря в режиме торможения и диапазоне углов регулирования равно:

Для определения тока возбуждения СД в режиме торможения вычтем вторые уравнения систем уравнений (11.52) и (11.53) из первых.

Учитывая остальные уравнения этих систем, найдем:

Решая уравнения системы (11.56) при получим, что среднее значение тока возбуждения СД в режиме торможения и диапазоне углов регулирования

Из уравнения (11.57) видно, что ток возбуждения системы УВ-СД с буферными диодами в режиме торможения не зависит от скорости исполнительного двигателя и определяется только углом регулирования. Поэтому в такой системе исключен режим самовозбуждения СД.

Используя равенства (II.40) и (11.55), определим выражения для среднего значения тока якоря и момента, развиваемого ненасыщенным СД в режиме торможения:

Применяя равенства (11.41) и (11.55), определим средние значения тока и момента, развиваемого насыщенным СД:

В диапазоне углов регулирования всегда открыт один из тиристоров У В и электромагнитные процессы в системе УВ-СД описываются уравнениями (11.52). При этом средние значения тока возбуждения, тока якоря и момента, развиваемого ненасыщенными СД, равны:

Для насыщенного СД в этом же диапазоне углов регулирования средние значения тока возбуждения, тока якоря и момента равны:

Из выражений (11.45), (11.47), (11.49), (11.51), (11.59), (11.61), (11.64) и (11.67), характеризующих зависимость момента исполнительного двигателя от скорости в системе УВ-СД при различных режимах ее работы, может быть получена механическая характеристика СД.

Рис. II.25. Механическая характеристика системы УВ-СД

Семейство механических характеристик двигателя с сериесной расщепленной обмоткой возбуждения, работающего от УВ с буферными диодами и раздельным управлением, приведена на рис. II.25. Из рис. видно, что УВ с буферными диодами обеспечивает работу СД как в двигательных, так и в тормозных режимах. При этом может быть реализовано управляемое торможение исполнительного электродвигателя, поскольку, изменяя угол регулирования при заданном моменте, можно получить любую скорость СД.

Анализ динамики системы затруднен ввиду нелинейности ее механических характеристик. Такой анализ может быть произведен при рассмотрении линеаризованных уравнений системы. При этом считаем, что СД ненасыщен, а его момент и скорость определяются средними значениями тока и напряжения.

Уравнения системы УВ-СД относительно средних значений тока и напряжения в режиме разгона имеют вид:

где — среднее напряжение — средний ток

Положим, что

где — текущие значения напряжения, тока, скорости и внешнего момента — приращения напряжения, тока, угловой скорости и внешнего момента СД.

Подставляя (II.69) в (11.68), учитывая, что

и пренебрегая величинами второго порядка малости, получим в преобразованном по Лапласу виде

где — электрические постоянные времени СД;

— механические постоянные времени СД;

Таким образом, в линейном приближении система УВ-СД при разгоне может быть представлена звеном второго порядка, параметры которого меняются в функции тока и угловой скорости.

В режиме торможения уравнения системы УВ-СД имеют вид:

где обозначено:

средние значения токов первой и второй обмоток возбуждения тока якоря и тока возбуждения СД. Преобразуя систему уравнений (11.71), получим:

Линеаризуя систему (11.72) подобно тому, как это делалось выше, получим

где

Таким образом, в режиме торможения система в линейном приближении также может быть представлена звеном второго порядка, параметры которого зависят от тока и угловой скорости и отличаются от параметров той же системы в режиме разгона.