Лекция 12. Электропривод постоянного тока.

Схема привода

Электропривод получил своё название по применённому в его схеме преобразователю подведённой энергии в механическую энергию перемещения выходного вала привода. Указанным преобразователем является электродвигатель. Другими словами, энергия электромагнитного поля преобразуется в механическую энергию.

В качестве примера рассмотрим электропривод с двигателем постоянного тока (ДПТ). Для управления ДПТ широко применяется импульсный метод регулирования скорости. Схемы импульсного управления имеют высокий к.п.д., что характерно для релейного управления, а при высокой частоте следования импульсов позволяет использовать преимущества, характерные для непрерывного управления. Привод применяется при мощностях до нескольких сот ватт.

-

На рисунке приведена мостовая схема импульсного управления электродвигателем (ЭД). Мост составлен из четырёх ключей К₁…К₄. К одной диагонали моста подключено напряжение питания U_П, в другую диагональ включена обмотка якоря ИД.

В исходном положении при отсутствии сигнала управления ключи К₁ и К₃ (или К₂ и К₄) замкнуты и обмотка якоря ЭД закорочена, т. е. реализуется режим динамического торможения.

При сигнале управления какого-либо знака ключ К₃ - разомкнут, ключ К₄ – замкнут. Ключи К₁ и К₂ в противофазе замыкаются со скважностью, пропорциональной сигналу управления. При замкнутом ключе К₁ по якорю протекает ток управления и создаётся движущий момент. При замкнутом ключе К₂ – якорь закорачивается и двигатель тормозится.

При поступлении сигнала управления противоположного знака ключ К₁ - разомкнут, ключ К₂ – замкнут, а ключи К₃ и К₄ в противофазе замыкаются. При этом по якорю течёт средний ток в противоположном направлении и создаётся движущий момент противоположного знака.

Указанный принцип управления (т. н. несимметричный закон управления) реализуется на практике довольно просто с источником пилообразного напряжения.

Один из возможных вариантов принципиальной схемы привода постоянного тока с широтно-импульсным управлением приведён на схеме.

-U

УМ

УМ

ППР

ППР

ИЦ

МВ

УН

q

U_oc

U_вх

+U

В

В схеме мультивибратор (МВ) генерирует прямоугольные импульсы. Интегрирующая цепь (ИЦ) преобразует их в пилообразное напряжение. С учётом напряжения смещения U_cм это напряжение прикладывается к полупроводниковым реле (ППР). ППР через усилитель мощности управляет ключами Т₁…Т₄. Ключи выполняют переключения, описанные ранее. Поскольку у ключей индуктивная нагрузка, то в схеме предусмотрены диоды для замыкания обратных токов. Диоды во входной цепи позволяют весь сигнал усилителя напряжения (УН) прикладывать ко входу соответствующего ППР.

Уравнения движения исполнительного механизма с ДПТ.

При подаче управляющего сигнала на вход усилителя привода по обмотке управления ЭД протекают импульсы тока, которые можно заменить средними значениями.

В результате исполнительный механизм, состоящий из импульсного усилителя и ДПТ можно описать следующей системой уравнений:

где U_ЯСР- среднее за период значение напряжения, приложенное к якорю двигателя (близко к величине U_П), I_ЯСР- среднее значение тока якоря, R_Я-сопротивление якоря ЭД, С_С-коэффициент противодействия ЭД, _ДСР -среднее значение скорости якоря ЭД, LЯ-индуктивность обмотки якоря. Момент движущий на валу ЭД:

где М_ДВСР-среднее значение момента ЭД, с_М-коэффициент момента ЭД.

Приведённое уравнение баланса моментов на валу ЭД записывается в виде:

где М_Н-момент нагрузки привода, q-передаточное отношение редуктора, связывающего выходной вал ЭД с валом привода, I_ДВ-момент инерции якоря ЭД.

Момент нагрузки, действующий на валу привода, записывается в виде:

где I_H-момент инерции нагрузки, -угловая скорость вращения выходного вала привода, k_ВТ-коэффициент вязкого трения в нагрузке, k_Ш-коэффициент шарнирного момента на выходном валу привода, -угол отклонения выходнго вала привода.

С_М

q

k_BT

k_Ш

с_С q s

I_Я s

U_BX

I_Я

М



На основании приведённой системы уравнений структурная схема исполнительного механизма будет иметь вид: Приведённое описание исполнительного механизма с ДПТ справедливо при больших значениях несущей частоты импульсного усилителя Т_НТ_ПР (несущая частота исчисляется килогерцами, а частота среза привода 10…60 1/с).

Передаточная функция и структурная схема

привода с ДПТ и импульсным

полупроводниковым усилителем мощности

В настоящее время для регулирования скорости ДПТ широко применяются усилители мощности, работающие в режиме переключения. Усилители этого типа имеют высокий к.п.д., они практически безынерционны и позволяют получать статические и динамические характеристики двигателя близкие к характеристикам при управлении от аналогового усилителя.

На основании принципиальной схемы привода и при описании импульсных процессов в обмотках двигателя будем пользоваться осреднёнными напряжениями и токами, что справедливо при частотах среза привода в диапазоне 2…10 Гц, при частотах модуляции, составляющие килогерцы.При описании системы уравнений в дальнейшем будем опускать индексы средних значений, что справедливо при принятом соотношении частот.

Элемент сравнения сигналов:

где U_BX - входной сигнал привода, U_OC-напряжение обратной связи.

Усилитель напряжения:

где k_u – коэффициент усиления усилителя по напряжению.

Скважность широтно-импульсного модулятора:

где k_Г - коэффициент передачи по скважности.

Напряжение, приложенное к якорю двигателя:

г де U_П - напряжение питания.

Напряжение якоря на основании закона Ома связано стоком якоря соотношением:

Cреднее значение момента на валу привода:

Уравнение движения выходного вала привода:

Уравнение нагрузки на выходном валу:

Уравнение цепи обратной связи:

где k_OC – коэффициент обратной связи.

Вид структурной схемы, составленной на основании приведённых уравнений, представлен на рисунке.

L_Я s

k_Ш

В структурную схему введено звено чистого запаздывания e^-ts, связанное с запаздыванием в контуре из-за частотной модуляции широтно-импульсного сигнала.

Структурную схему можно преобразовать, свернув внутренние контуры к виду стандартных звеньев где: