ПТМ. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭП ПОСТОЯННОГО ТОКА

ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

114.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Основной характеристикой регулируемого электропривода является диапазон регулирования скорости – отношение максимальной скорости привода к минимальной .

В электроприводах подачи диапазон регулирования достигает значения 10 000 и более (в приводе главного движения он около 1000).

Диапазон регулирования скорости привода ограничен сверху и снизу. Верхний предел регулирования скорости определяется механической прочностью элементов привода, процессами тепловыделения, работоспособностью подшипников. В приводе постоянного тока существенно сказываются коммутационные ограничения.

.Нижняя скорость привода определяется главным образом устойчивостью вращения при колебаниях момента нагрузки и внутренних возмущениях (изменениях параметров). Момент сил сопротивления вызывает снижение скорости привода на величину, зависящую от жесткости механической характеристики:

.

Относительное снижение скорости привода под нагрузкой называют статической ошибкой или статизмом привода

.

Чем выше жесткость механической характеристики, тем меньше статизм привода. Из последней формулы видно, что статическая ошибка связана со значением скорости холостого хода . Если в процессе регулирования происходит уменьшение скорости холостого хода, то статизм привода увеличивается. Это обстоятельство является органическим недостатком регулируемого электропривода, ограничивающим диапазон регулирования.

Если регулирование происходит вниз от номинальной скорости при номинальном моменте, то

, (14.1)

т.е. при заданной максимально допустимой статической ошибке привода диапазон регулирования полностью зависит от жесткости механических характеристик.

Уравнение механической характеристики ЭД имеет вид

,

где модуль жесткости механической характеристики.

Допустимая нагрузка ЭД постоянного тока с независимым возбуждением определяется номинальным током I_ном якоря. Допустимое значение момента ЭД зависит от магнитного потока и тока якоря М_доп = kФI_ном.

Если регулирование производится за счет изменения напряжения на якоре, то магнитный поток остается неизменным и при любой скорости момент также постоянен М_доп = const; I_ном = const.

Это регулирование с постоянным моментом, при котором мощность изменяется пропорционально скорости Р = МQ.

Регулирование с постоянным моментом осуществляется вниз от номинальной скорости, так как в длительном режиме работы напряжение на якоре можно только уменьшать по сравнению с номинальным.

Краткой характеристикой динамических свойств привода является среднее значение ускорения в переходный период. Его определяют по аналогии с апериодическим переходным процессом, характерным для звена первого порядка. Приращение скорости и времени выбирают на начальном участке переходной характеристики, близком к линейному. При этом считают

,

где – время, за которое привод разгоняется до скорости, равной 0,63 , что соответствует времени, равному одной постоянной времени для линейного динамического звена первого порядка.

Рассмотрим структуру регулируемого электропривода (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Обобщенная структурная схема регулируемого электропривода

Для разомкнутой системы электропривода

,

где W₁ и W₂ – передаточные функции привода по управляющему воздействию и возмущению.

В статическом режиме при р = 0 получим

,

где К₁ и К₂ – статические коэффициенты преобразования.

Таким образом, диапазон регулирования разомкнутой системы привода

(14.2)

Введем в систему электропривода отрицательную обратную связь по скорости (показана пунктиром на рис. 14.3), тогда уравнение статического режима

,

где К_ос – коэффициент преобразования цепи обратной связи по скорости.

Определим диапазон регулирования замкнутого привода

, (14.4)

Поскольку , можно считать, что диапазон регулирования скорости увеличивается в К раз. Обратная связь по скорости является наиболее эффективным средством увеличения диапазона регулирования. Для этого достаточно увеличивать общий коэффициент преобразования (усиления) системы. Однако существуют ограничения – при больших значениях К система может потерять устойчивость. Отрицательная обратная связь по скорости оказывает на привод стабилизирующее действие. При этом уменьшаются статическая ошибка и коэффициент неравномерности вращения.

14.2. СИЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭП ПОСТОЯННОГО ТОКА

Силовые преобразователи являются наиболее специфическими элементами привода и предназначены для преобразования переменного (чаще всего трехфазного) тока в постоянный ток регулируемого напряжения. Такие преобразователи необходимы в цепи якоря регулируемого привода подачи, в цепи якоря и возбуждения привода главного движения. В станкостроении применяют электроприводы с управляемыми тиристорными выпрямителями или транзисторными широтно–импульсными преобразователями.

Тиристорные управляемые выпрямители. Устройство и конструкция тиристора известны из курса электроники. Здесь же достаточно представить себе тиристор как выпрямитель с ограниченным управлением. При включении в цепь переменного тока тиристор может быть открыт в положительный полупериод при подаче импульса напряжения на управляющий электрод. После исчезновения управляющего напряжения тиристор остается в проводящем состоянии до тех пор, пока анодное напряжение не станет равным нулю. Регулирование выпрямленного напряжения происходит путем изменения фазового угла управляющего импульса, который открывает тиристор и тем самым изменяет длительность его работы в оставшуюся часть полупериода.

Рис. 14.3. Нулевая (а) и мостовая (б) схемы тиристорных

управляемых выпрямителей

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения применяют многофазные схемы тиристорных преобразователей, которые можно разделить на нулевые (однотактные) и мостовые (двухтактные).

В нулевых схемах (рис. 14.3, а) нагрузка, например якорь двигателя, подключается к нулевой точке вторичной обмотки трансформатора. Тиристоры включены в каждую фазу и могут быть объединены своими катодами или анодами. В первом случае говорят о катодной группе тиристоров, а во втором – об анодной. Для сглаживания пульсации выпрямленного тока последовательно с нагрузкой включен реактор, представляющий собой дроссель с большой индуктивностью. В нулевой схеме используется только одна полуволна переменного напряжения в каждой фазе. Мостовая схема (рис. 14.3., б) может быть получена при последовательном соединении двух нулевых схем – анодной и катодной. В мостовых схемах используются обе полуволны переменного напряжения, однако число тиристоров здесь вдвое больше, чем в нулевых схемах.

В приводах подачи нагрузкой тиристорного преобразователя служит якорь двигателя, однако результаты, полученные в этом разделе, могут быть распространены и на случай питания цепей возбуждения двигателей постоянного тока.

Рассмотрим принцип работы тиристорного преобразователя на примере более простой трехфазной нулевой схемы. ЭДС в фазах вторичной обмотки трансформатора сдвинуты на угол (m–число фаз). Пренебрегая падением напряжения на самих тиристорах, эти ЭДС можно рассматривать как потенциалы концов обмотки относительно нулевой точки, т. е. потенциалы анодов соответствующих тиристоров Не будем учитывать эффект управления и примем, что каждый тиристор пропускает ток тогда, когда потенциал его анода выше потенциала катода (рис. 14.4, а).

Рис. 14.4. Графики выходного напряжения тиристорного преобразователя: а – неуправляемый преобразователь. б – управляемый преобразователь. в – режим прерывистых токов

В промежуток времени – ток может пропускать только тиристор VT1 (см. рис. 14.4,а), так как напряжение фазы А, приложенное к катодам тиристоров VT2 и VT3, превышает напряжение двух других фаз и запирает тиристоры VT2 и VT3. В момент ЭДС фазы В становится равной ЭДС фазы А и затем превышает ее, т. е. с момента начинает пропускать ток тиристор VT2 и ЭДС фазы В запирает тиристоры VT1 и VT3.

Процесс перехода тока с одного тиристора на другой под действием ЭДС вторичной обмотки трансформатора называют естественной коммутацией. Период – носит название периода естественной коммутации. Естественная коммутация свойственна неуправляемым выпрямителям. Среднее значение выпрямленной ЭДС в этом режиме

. (14.5)

При выводе этой формулы начало координат перенесено в точку , а под Е₂ подразумевается действующее значение ЭДС на вторичной обмотке трансформатора.

Для регулирования напряжения на тиристоры должно быть подано управляющее напряжение. При этом управляющий импульс может быть смещен относительно точки естественного открывания на произвольный фазовый угол к (рис. 14.4, б). Смещение управляющего импульса на угол ос задерживает вступление в работу очередного тиристора и продлевает работу предыдущего. Среднее значение выпрямленной ЭДС будет пропорционально cos :

. (14.6)

При работе тиристорного преобразователя напряжение на его зажимах меньше, чем среднее значение выпрямленной ЭДС. Это снижение объясняется падением напряжения на самом тиристорном преобразователе, падением напряжения на активном сопротивлении схемы и падением напряжения, связанным с процессом коммутации тиристоров.

Для питания реверсивных приводов постоянного тока необходимы реверсивные тиристорные преобразователи. В станкостроении в основном применяют два способа реверсирования ЭД: контакторное переключение цепи якоря при малом числе реверсов и использование двух комплектов тиристорных преобразователей для обеспечения высокого быстродействия при переходе привода из одного квадранта механической характеристики в другой.

При контакторном управлении реверсом и питании от одного комплекта тиристорных преобразователей переключение должно осуществляться при минимальном токе в цепи якоря. Для этого напряжение на зажимах преобразователя снижается, затем производится переключение контакторов в цепи ЭД и последующее увеличение напряжения преобразователя. Все это вызывает увеличение длительности реверса.

Двухкомплектные реверсивные преобразователи выполняют по встречно–параллельной схеме (рис. 14.5). Характеристики двухкомплектного преобразователя во многом определяются системой управления. Используют совместное и раздельное управление.

Рис. 14.5. Схема реверсивного тиристорного преобразователя

Особенностью совместного управления является уравнительный ток, который протекает по замкнутому внутреннему контуру, составленному из встречно включенных комплектов ТП1 и ТП2. Для ограничения мгновенных значений уравнительного тока в цепь преобразователей включают реакторы L1 ... L4.

Уравнительный ток представляет собой дополнительную нагрузку, которая снижает КПД привода. Но, вместе с тем, он выполняет полезные функции, предотвращая режим прерывистых токов при малых нагрузках. Это облегчает переход тиристорного комплекта из выпрямительного в инверторный режим и делает внешние характеристики реверсивного тиристорного преобразователя прямолинейными.

При раздельном управлении комплекты тиристоров работают поочередно. В I и IV квадранте используется один комплект, во II и III –другой. Во время работы одного комплекта другой комплект закрыт, что исключает появление уравнительного тока и делает ненужными реакторы L1... L4. Это упрощает преобразователь, но усложняет систему управления, в которую должен быть включен логический блок, в функции которого входит выбор комплектов тиристоров в зависимости от знака управляющего напряжения и взаимная блокировка комплектов.

С силовым тиристорным преобразователем связана система импульсно–фазового управления (СИФУ). Назначение СИФУ заключается в преобразовании непрерывного сигнала в импульсный сигнал управления, фаза которого изменяется пропорционально входному воздействию.

Поскольку угол управления отсчитывается от момента естественного открывания тиристора, работа СИФУ должна быть согласована с напряжением питания тиристорного преобразователя. Управляющие импульсы должны иметь достаточную мощность и высокую крутизну, необходимую для четкого открывания тиристоров.

Структурная схема СИФУ, работающей по принципу вертикального управления, представлена на рис. 14.6, а. Управляющее напряжение My поступает на вход фазосдвигающего устройства (ФСУ), в котором сравнивается с опорным напряжением, вырабатываемым генератором опорного напряжения (ГОН). При этом график опорного напряжения перемещается по вертикали (рис. 14.6, б). При равенстве напряжений на выходе нуль–органа (ЯО) появляется сигнал, который проходит через блок усиления и формирования импульсов (УФ) и поступает на управляющий электрод тиристора.

Рис. 14.6. Структурная схема (а) и графики, поясняющие принцип вертикального управления (б) СИФУ

Важнейшим узлом СИФУ является генератор опорного напряжения U_оп. В большинстве случаев в качестве опорного напряжения принимают отрезок синусоиды, синхронизированной с напряжением питания тиристора.

Управляющий импульс вырабатывается СИФУ в тот момент, когда опорное напряжение равно напряжению управления. На основании рис. 14.6, б можно написать

.

Откуда угол управления

Подставив это выражение в формулу (14.6), получим

,

т. е. между выпрямленным напряжением тиристорного преобразователя и напряжением управления устанавливается линейная зависимость.

Транзисторные импульсные преобразователи. Принцип работы нереверсивного импульсного преобразователя напряжения поясняет рис. 4.12, а. Транзисторный ключ VT периодически подключает якорь двигателя к источнику нерегулируемого напряжения U_d. При этом в рабочую часть периода t₁ энергия потребляется из сети и расходуется ЭД на полезную работу. Часть энергии при этом запасается в виде электромагнитной энергии. Во время паузы t₂ ключ разомкнут, но цепь якоря замыкается через диод VD и ЭД продолжает работать за счет запасенной энергии.

Рис. 14.7. Схема (а) и графики напряжения и гока (б) импульсного преобразователя

Из графиков напряжения на рис. 14.7, б следует, что среднее напряжение за период коммутации

,

где t₁ –длительность импульса напряжения, Т_к –период коммутации; .

Очевидно, что при изменении среднее напряжение на выходе преобразователя будет изменяться. Изменить величину можно несколькими методами. В широтно–импульсных преобразователях (ШИП) для этого изменяют длительность импульса t₁ при неизменном периоде коммутации Т_к.

Период коммутации не связан с частотой сети и зависит от динамических свойств силовых транзисторных ключей. В ШИП частота коммутации составляет несколько килогерц.

В современном электроприводе наибольшее распространение имеют реверсивные ШИП. Реверсивный ШИП (рис. 14.8, а) выполняют по мостовой схеме, состоящей из транзисторных ключей VT1 ... VT4, шунтированных обратными диодами VD1 ... VD4.

Рис.14.8. Схема (а) и графики напряжения при симметричном (б) и несимметричном (в) режиме работы реверсивного ШИП

Существует несколько режимов работы реверсивного преобразователя. При симметричном режиме транзисторные ключи в течение периода коммутации переключаются попарно. В период t₁ работают ключи VT1 и VT2, а в период t₂ VT3 и VT4. При этом на якоре ЭД возникают разнополярные импульсы напряжения (рис. 14.8, б).

Среднее значение напряжения на якоре меняет свой знак при < 0,5 и равно нулю при = 0,5.

Управление ШИП осуществляется широтно–импульсным модулятором (ШИМ). Назначение ШИМ заключается в преобразовании непрерывного входного воздействия в прямоугольные импульсы с переменной длительностью, пропорциональной управляющему напряжению. ШИМ содержит задающий генератор опорного пилообразного напряжения, имеющий частоту . Опорное напряжение сравнивается с управляющим напряжением (рис. 14.9).

Рис.14.9. Графики напряжения широтно–импульсного модулятора

В момент равенства этих напряжений вырабатывается управляющий импульс, переключающий транзисторные ключи. В линейном приближении импульсный преобразователь можно рассматривать как звено чистого запаздывания с передаточной функцией .

Время чистого запаздывания принимается равным периоду коммутации. Поскольку частота коммутации в импульсных преобразователях велика, то мало и экспоненту с полным правом можно заменить линейной зависимостью, что позволяет представить импульсный преобразователь апериодическим звеном с малой постоянной времени .

Однако в большинстве случаев (особенно при высокой частоте коммутации) этой постоянной времени пренебрегают и считают ШИП безынерционным элементом с передаточной функцией .

14.3. РЕГУЛЯТОРЫ И ДАТЧИКИ

В электроприводе в основном применяют стандартные регуляторы, выполненные на базе операционных усилителей (ОУ). ОУ постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Интегральная схема ОУ имеет несколько каскадов усиления. Входной дифференциальный каскад выполнен по мостовой схеме, два плеча которой образованы транзисторами, а два других – резисторами.

Коэффициент усиления ОУ лежит в диапазоне 10⁸...10⁶. При практическом применении ОУ необходима коррекция частотных характеристик, так как в противном случае возможны автоколебания, когда ОУ охватывается обратной связью. Регуляторы привода строят на основе ОУ, охваченных обратной связью. В системах регулируемого электропривода наибольшее применение находят несколько типовых регуляторов, представленных в табл. 14.1.

Таблица 14.1.