6. ИМПУЛЬСНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

При импульсном управлении к электродвигателю подводится последовательность импульсов, постоянная по амплитуде напряжения и различная по длительности (рис. II.26). Последовательность импульсов может быть как однополярной, так и разнополярной. При однополярной последовательности работа электродвигателя состоит в чередовании периодов разгона и торможения. Обычно эти периоды Т малы в сравнении с электромеханической постоянной времени электродвигателя, и поэтому ротор за не успевает разогнаться до скорости установившегося значения.

Рис. II.26. Управляющие импульсы и кривые изменения скорости

Рассмотрим случай работы электродвигателя от однополярных импульсов. За время одного импульса ротор разгоняется на величину а за время паузы ротор тормозится и поэтому устанавливается средняя скорость величина которой зависит от относительной продолжительности импульса Мгновенная скорость

ротора электродвигателя будет непрерывно колебаться при импульсном управлении и величина колебаний ее относительно среднего значения будет зависеть от величины электромеханической постоянной времени и длительности периода Т. Чем больше отношение электромеханической постоянной времени к периоду тем меньше величина колебаний скорости электродвигателя.

Рис. II.27. Схемы импульсного регулирования: а — торможение в период паузы за счет нагрузки; б — динамическое торможение; в — торможение при коэффициенте

Если в период паузы ротор не тормозится, то при любой относительной продолжительности импульса его скорость будет расти до максимального значения, так как во время импульса скорость ротора увеличивается, а в период паузы не меняется. Средняя скорость ротора при импульсном управлении зависит также от величины момента нагрузки Мн и напряжения импульса но обычно они постоянны и поэтому в таких случаях среднее значение скорости зависит только от относительной продолжительности импульсов у. Для обеспечения чередования между собой периодов разгона и торможения применяют электронные ключи и электромагнитные реле (рис. II.27). Электронные ключи обеспечивают большую частоту переключений, поэтому они предпочтительнее.

Рис. II.28. Схема импульсного регулирования с бесконтактным управляющим элементом

На рис. II.27 показаны три схемы импульсного регулирования угловой скорости вращения электродвигателей постоянного тока. Схема рис. 11.27, а в период паузы обеспечивает торможение ротора за счет момента нагрузки, схема рис. II.27, б — путем динамического торможения. В схеме рис.

II.27, в ротор неподвижен при относительной продолжительности импульсов а при у 0,5 ротор вращается.

Полупроводниковые элементы позволяют создать бесконтактные системы регулирования электродвигателем постоянного тока с помощью импульсного управления. На рис. II.28 показана схема импульсного регулирования скорости электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением (при источнике с большим запасом по мощности). Обмотка якоря условно вынесена за его пределы. Управление электродвигателем осуществляется по цепи якоря с помощью полупроводникового триода с общим эмиттером. Такая схема может развивать большую мощность в якоре при незначительной мощности

рассеяния в триоде, если триод работает в ключевом режиме. Для этого необходимо, чтобы в течение импульса триод находился в насыщении и все подведенное напряжение питания прикладывалось к якорю. Э. д. с. самоиндукции, возникающая в якоре в момент запирания триода, может привести к увеличению напряжения на триоде и к его пробою. Для того, чтобы этого избежать, якорь шунтируется диодом.

Механическая характеристика электродвигателя постоянного тока при импульсном управлении устанавливает зависимость средней угловой скорости вращения от момента нагрузки при Уравнение моментов для периода разгона и торможения ротора электродвигателя запишем в следующем виде:

где — момент инерции ротора;

— угловая скорость вращения;

— момент, развиваемый электродвигателем;

— момент нагрузки.

Допустим, что момент электродвигателя в пределах действия импульса и торможения постоянен. Это допущение не вносит существенных погрешностей в характеристики, так как время действия импульса много меньше электромеханической постоянной времени электродвигателя.

Рис. II.29. Кривая разгона и торможения

Рис. II.30. Механические характеристики электродвигателя при разгоне и торможении

Изменение скорости электродвигателя ввиду сделанного допущения будет линейным (рис. II.29): для периода разгона

для периода торможения

где — момент электродвигателя на интервале торможения.

В установившемся режиме и

Для участка разгона механическая характеристика электродвигателя выражается равенством (рис. II.30, характеристика 1):

где — пусковой момент;

— угловая скорость холостого хода.

Механическая характеристика при динамическом торможении на участке торможения выражается равенством (рис. II.30, характеристика 2)

где

— сопротивление якоря;

— дополнительное сопротивление при динамическом торможении.

Подставив равенства (II.78) и (II.79) в (II.77), найдем

Равенство (11.80) представляет собой механическую характеристику электродвигателя при импульсном управлении. Импульсные механические характеристики для различных у пересекаются в одной точке, координаты которой могут быть найдены по пересечению естественной характеристики электродвигателя при и характеристики динамического торможения при

Подставив соответственно в равенства (II.62) и (II.79), найдем:

Из равенств (II.81) и (11.82) определим координаты точки пересечения А:

Зная величину и координаты точки А, механическую характеристику электродвигателя находят как прямую, проходящую через эти две точки. Точка с координатой лежит в интервале (рис. II.31).

Если дополнительное сопротивление при динамическом торможении отсутствует, то и равенство (11.80) приобретает вид

где

Механические характеристики, построенные по равенству (11.85), представляют собой семейство параллельных прямых, как и характеристики электродвигателя с независимым возбуждением при управлении от источника с непрерывным напряжением. Если учесть, что то из равенства (11.85) найдем

Для схемы, приведенной на рис. II.28, режимы генераторного и динамического торможения невозможны, так как ток через якорную обмотку может протекать только в одном направлении. Причем мгновенное значение тока якоря за период коммутации может быть прерывным и непрерывным.

Рис. II.31. Механические характеристики электродвигателя при различных коэффициентах у при

Рис. II.32. Ток в якорной цепи

Это зависит от соотношения величин угловой скорости ротора электродвигателя, момента сопротивления и электромагнитной постоянной времени якорной цепи. Если на интервале паузы ток якоря не успеет упасть до нуля к моменту подачи следующего импульса, то ток в якорной обмотке будет иметь непрерывный характер. Так будет в случае, если Если же это условие не будет выполняться, то будет промежуток времени, когда ток через шунтирующий диод в прямом направлении протекать не будет (рис. II.32).

Для малоинерционных электродвигателей, у которых электромагнитная постоянная времени мала, ток якоря имеет форму прямоугольных

импульсов. Уравнение напряжений на интервале действия импульса будет иметь следующий вид:

на интервале паузы

где — ток, протекающий в якоре на интервале действия импульса;

— ток, протекающий в якоре на интервале паузы.

Из равенства (11.87) найдем

В конце интервала действия импульса ток в якоре

Из равенств (11.87) и (11.90) найдем

Полученное уравнение (11.91) справедливо для интервала времени

Подставив в равенство (II.91) значение и положив найдем

Среднее значение тока в якорной обмотке в установившемся режиме

Подставив выражения (11.89) и (11.91) в равенство (11.93), найдем

Учитывая выражение (11.92), можно записать

Зная среднее за период значение тока, найдем среднее значение момента

Полученное соотношение справедливо для условия . Если же это условие не выполнено, то наступает режим непрерывных токов.

Характеристики, соответствующие равенству (II.96), приведены на рис. II.33.

Рис. II.33. Семейство характеристик

Если электромагнитная постоянная времени электродвигателя в сравнении с периодом коммутации ключа Т мала, что характерно для малоинерционных электродвигателей с печатным якорем, то ток в якорной обмотке имеет вид прямоугольных импульсов, амплитуда которых определяется равенством (II.97):

Уравнение механических характеристик будет определяться равенством

Следовательно, механические характеристики будут иметь вид, подобный характеристикам электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением реостатного регулирования от источника с постоянным напряжением.

Схема, приведенная на рис. II.28, может обеспечить реверсивное управление электродвигателем, если при подаче последовательности импульсов в якорную обмотку изменять направление тока в обмотке возбуждения. Для этого обмотка управления должна управляться по самостоятельному каналу. Так как обмотка управления имеет большую электромагнитную постоянную времени и при реверсе происходит перемагничивание магнитной системы электродвигателя, то его быстродействие при таком регулировании будет не лучшим.

В настоящее время для реверсивного управления электродвигателями постоянного тока применяют разнообразные схемы с полупроводниковыми элементами.

На рис. II.34 приведена схема реверсивного преобразователя для управления двигателем постоянного тока с независимым возбуждением. Якорь включен в диагональ моста, составленного из четырех тиристоров. Коммутирующий конденсатор С заряжается через дроссель и диод перезаряд происходит по цепи Предварительное возбуждение гасящего устройства происходит при отключенной силовой части коммутацией тиристора После нескольких

циклов заряд — перезаряд напряжение на конденсаторе, обусловленное добротностями контуров заряда и перезаряда, становится больше удвоенного питания его напряжения. Если включить тиристоры, например и то в якорной обмотке появится ток. При включении тиристора конденсатор С будет разряжаться через контур

Рис. II.34. Схема реверсивного преобразователя

При запирании тиристоров конденсатор перезаряжается через контур . В течение разряда конденсатора до на тиристорах поддерживается обратное напряжение, необходимое для восстановления запирающих свойств. Тиристор выключается при смене направления тока в колебательном контуре перезаряда конденсатора. Максимальная скважность преобразователя ограничивается временем электромагнитного процесса в контуре перезаряда коммутирующей емкости. Связь контура запирания с нагрузкой существует только в течение рассасывания тока в силовых тиристорах Механические характеристики электродвигателя при такой схеме управления будут аналогичны характеристикам, полученным для схемы рис. II.28.

Рис. II.35. Схема преобразователя для электродвигателя с двумя обмотками возбуждения

На рис. II.35 приведена схема преобразователя [10] для управления электродвигателем постоянного тока последовательного возбуждения с двумя обмотками возбуждения При работе одного из тиристоров, например электродвигатель вращается в одну сторону, результирующий магнитный поток от обмоток возбуждения определяется обмоткой, в которой ток больше (в принятом случае Для вращения ротора в обратную сторону последовательность импульсов подается на тиристор Сопротивление включенное в цепь якоря, обеспечивает форсирование переходных процессов в схеме и ограничивает ток короткого замыкания электродвигателя при относительной продолжительности включения тиристоров

При импульсном управлении электродвигателем постоянного тока обычно электромеханическая постоянная времени много больше периода коммутации цепей управления. Переходные процессы при разгоне и торможении мало отличаются от управления при питании электродвигателя от источника с непрерывным напряжением. Поэтому динамические характеристики таких систем могут исследоваться с помощью линеаризованных уравнений, применяемых для обычных

линейных систем. Передаточную функцию в таком случае можно записать в следующем виде:

где

На рис. II.36 приведена структурная схема электродвигателя постоянного тока, для которой передаточная функция по управляющему воздействию будет иметь вид (II.99).

Рис. II.36. Структурная схема электродвигателя

Однако такое представление электродвигателя при импульсном управлении правомерно в том случае, когда все коэффициенты, входящие в равенство (II.99), постоянны.

В зависимости от схемы управления приводом в режимах слежения могут появляться в якорной цепи и в обмотке возбуждения прерывистые токи, которым соответствуют нелинейные статические характеристики. Для таких режимов коэффициенты и другие в равенстве (II.99) не будут постоянными и поэтому такое представление привода правомерно лишь в ограниченной области характеристик электродвигателя.