5.3. Широтно-импульсные модуляторы

В маломощных следящих системах широкое распространение по­лучило импульсное управление двигателями постоянного тока [4] . Свойство транзисторов работать в ключевом режиме позволяет дос­таточно просто осуществить, импульсное управление с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При этом среднее значение на­пряжения на якоре двигателя регулируется за счет изменения дли­тельности (ширины) импульса. Для того, чтобы свести к минимуму пульсации скорости, обычно частота импульсов выбирается для систем широтно-импульсного управления на транзисторах в преде­лах 1-5 кГц. В основу работы ШИМ заложен принцип сравнения периодически линейно изменяющегося напряжения и сигнала управле­ния [3]. Блок схема устройства ШИМ представлена на рис.5.3.

На рис.5.3а обозначены: ЗГ - задающий генератор импуль­сов, ГПН - генератор пилообразного напряжения, К - компаратор, ИУМ - импульсный усилитель мощности. На рис.5.3б приведены временные диаграммы напряжений ШИМ. При переключениях компаратора на его выходе формируются прямоугольные импульсы , длительность которых прямо пропорциональна текущему значению . В качестве, задающего генератора импульсов можно исполь­зовать мультивибратор на операционном усилителе в автогенераторном режиме (рис.5.4).

Операционный усилитель включен.компаратором с по­ложительной обратной связью по цепи . За­ряд конденсатора происхо­дит по цепи и время импульса

Интервал паузы (см. рис.5.3б) определится при перезарядке емкости С по цепи

Период повторения импульсов

Генератор пилообразного напряжения строится на двух опе­рационных усилителях: компараторе и интеграторе (рис.5.5).

Рис. 5.5

Длительность tu входного положительного импульса Uзг определяет длительность спада напряжения пилы Уоп, дли­тельность стадии нарастания пилы Уоп равна паузе tn между импульсами Uзг (см. рис. 5.2.б).

Реверсивное управление двигателем можно осуществить по мостовой схеме, образованной четырьмя транзисторными ключами (рис.5.6), к одной диагонали которой подведено напряжение пи­тающей сети, а к другой подсоединен якорь двигателя

Рис. 5.6

Напряжение Uшим поочередно открывает транзисторы Т1 _, Т4 , либо Т2 , Т3 в зависимости от требуемого направления вращения двигателя. Транзисторы Т5 , Т6 , Т7 обеспечивают динамическое торможение двигателя при его реверсе. Расчет схемы заключается в выборе транзисторов, исходя из максимального импульсного тока и напряжения питания. Из-за большой частоты переключения транзисторов широтно-импульсный модулятор можно считать безинерционным звеном и его коэффициент передачи

Кшим ₌ Ugном/Uу,

где Ugном - номинальное напряжение питания якоря двигателя;

Uу - напряжение управления широтно-импульсным модулятором.

5.4. Тиристорные преобразователи

В следящих системах средней и большой мощности для управ­ления двигателями постоянного тока вместо ЗМУ часто используют тиристорные преобразователи

Рис. 5.7

На рис. 5.7 приведена реверсивная двухполупериодная схема управления двигателем при параллельно-встречном включении ти­ристоров. При отсутствии управляющего напряжения тиристоры блокированы в обоих направлениях и находятся под действием полного переменного напряжения. При подаче положительного им­пульса на управляющий электрод тиристор проводит ток только в течение положительной полуволны и запирание его произойдет в момент изменения полярности напряжения сети переменного тока. Изменяя момент включения или угол отпирания с помощью системы фазового управления, можно регулировать среднее значение тока через нагрузку.

Расчет тиристорного преобразователя начинается с выбора тиристоров и выпрямительного трансформатора Тр , Средние зна­чения выпрямленного напряжения Ud и тока Id должны равняться номинальному напряжению Uн и току якоря Iя , вы­бранного двигателя. Среднее значение напряжения Ud ,связано с фазным напряжением обмотки U2 зависимостью:

Ud= ,

где - угол отпирания тиристора.

При 0 , cos = 1 получим значение фазного напря­жения U2=1.11Ud. Тогда максимальное обратное напряжение на тиристоре бу­дет равно

Uоб.max = U2=2.22 Uн.

Действующий ток, протекающий через тиристорIт, рав­ный действующему току вторичной обмотки Ха можно определить по формуле:

Iт =I2= = .

Зная значения Uоб.max и Iт, по справочнику выбираются тирис­торы.

Типовая мощность выпрямительного трансформатора связана с номинальной мощностью, потребляемой в нагрузке соотношением

Sтр=1.34Pн, где Pн =UнIя.

Подробный расчет можно найти в [6] .

В системах импульсно-фазового управления наибольшее расп­ространение получили системы вертикального раздельного управ­ления тиристорами, при котором сигнал управления сравнивается с линейно нарастающим опорным напряжением и в момент их ра­венства формирователь выдает импульс заданной длительности, не­обходимой для включения тиристора.

Рис. 5.8

Блок-схема системы управления реверсивного преобразова­теля с раздельным управлением приведена на рис.5.8. Первый тиристорный комплект T1,T2 связан с фазосмещающим устройством ФСУ1 и выходными формирователями ВФ1, второй комплект Т3T4 управляется ФСУ2, и ВФ2. На входе обоих выходных формирователей установлены логические элементы И, связанные с устройством раздельного управления УРУ. УРУ представляет собой логическое устройство, на вход которого поступает информация о полярности выходного тока преобразователя i вых. Одновременное включение тиристорных комплектов исключается введением логического запре­та R1R2=0. Включение тиристоров при реверсе двигателя воз­можно только при i вых=0 .При этом случае УРУ формирует R1=1 или R2=1 в зависимости от полярности напряжения управления Uу.

Рассмотрим пример схемной реализации ФСУ вертикального типа на базе операционных усилителей (рис.5.9).

Рис. 5.9

Компаратор А1 фиксирует полярность напряжения сети, при положительной полуволне на выходе компаратора отрицательное напряжение V и ключ на полевом транзисторе Т закрыт. Напряжение U0 интегрируется интегратором на операционном усилителе А2 и при выборе RзС =1/w.

Uu(t)=

Амплитуда этого напряжения должна быть равна U2m для этого при t=T/2, где Т=1/fc , а fc - частота сети, необходимо выбрать U0= Um .

На выходе интегратора А2 напряжение Uи, суммируется на резисторах R5R4 с постоянным напряжением Um , а резуль­тате получаем опорное напряжение Uon .

На компараторе Аз происходит сравнение опорного напряжения Uon и управляющего Uу при их равенстве компаратор переключается.

Положительный импульс Uк после компаратора А3 далее дифференцируется цепочкой C2R7. После чего положительный им­пульс через диод Д3 подается на заторможенный мультивибра­тор А4, который формирует управляющий импульс для отпирания тиристора.

На второй половине периода, на выходе компаратора А1 - положительное напряжение, которое отпирает ключ на полевом транзисторе Т. Конденсатор С1 разряжается и компаратор не срабатывает. В выпрямителе в это время включаются дру­гие тиристоры, для включения которых используется другие каналы управления, аналогичные описанному. Выходные формирователи ВФ1 и ВФ2 необходимы для того, чтобы повысить мощность управляю­щих импульсов[5].

На рис.5.10 приведен пример выходного каскада для управ­ления тиристорами. Сопротивления R2R3 опреде­ляются из условий обеспечения нормальной работы управляю­щей цепи тиристора и связаны с максимально допустимыми напряжением и током управлении Uymax и Iуmaх.

При динамических расчетах тиристорный преобразователь на­иболее часто рассматривается как безинерционное звено с вклю­ченным на его входе апериодическим звеном с постоянной времени T=2/w.

Рис. 5.10