☼ 1. Классификация ЭП. Основные положения механики ЭП. …

☺ 2. (Устойчивость ЭП. Приведение Мс.н. и Jм к валу ЭД.)

Привод работает устойчиво, если при отклонении скорости от установившегося значения _у возникает динамический момент, возвращающий его в исходное состояние, или привод статически устойчив, если приращение скорости и динамический момент М_дин имеют разные знаки, т. е. М_дин / < 0, а при М_дин / >0 - неустойчивый режим работы привода.

При малых реальные нелинейные механические характеристики могут быть заменены линейными, тогда приращения момента двигателя М и будут линейно зависимыми: М=, M_с =_с, в этом случае М_дин=М-М_с = (-_с) . (1.4)

Уравнение статической устойчивости будет иметь вид М_дин / =-_с< 0 или < _с. (1.5)

Коэффициент пропорциональности характеризует жесткость механических характеристик. Из (1.5) следует, что необходимым и достаточным условием статического установившегося режима работы электропривода является

М() = М_с();<_с. (1.6)

На рис. 1.7 приведена механическая характеристика асинхронного двигателя (АД) М() и механическая характеристика рабочей машины (РМ) М_с()=const, т. е. _с=0.

Рис. 1.7. Механические характеристики асинхронного двигателя М((о) и рабочей машины М_с((й)

Устойчивому режиму работы ЭП соответствует точка 1, так как здесь <0. В точке 2 ЭП работает в неустойчивом режиме, так как >0.

Для упрощения анализа механической системы электропривода его параметры, как было сказано выше, необходимо привести к валу электродвигателя.

Приведение момента сопротивления машины М_с.н. к валу двигателя может быть осуществлено исходя из условия равенства мощностей на валу электродвигателя и рабочей машины с учетом потерь в передаточном механизме, т. е. Р_м = Р_п или

M_MM=M_п, (1.7)

где_п коэффициент полезного действия передаточного механизма.

В установившемся режиме:

М_м=М_с.м. , М=Мс

тогда (1.7) можно записать в следующем виде:

Мс.м. м=Мсп откуда

Мс = (Мс.м. м)\ п (1.8)

/м=iп — передаточное число передаточного механизма,

Тогда Мс= Мс.м./(iпп) (1.9)

В режиме торможения передача энергии происходит в обратном направлении, тогда

Мс=(Мс.м.* п)/iп (1.10)

Приведение момента инерции машины к валу двигателя выполняется исходя из условия сохранения кинетической энергии механической системы электропривода:

(J’м²)/2=(Jм² _м)/2

Где J’м — момент инерции рабочей машины, приведенный к валу двига­теля из (1.11):

J’м=Jм/i²_п

Для поступательно движущихся масс

J’м=(mV²)/ ² =m,

Где =V²/ ², радиус приведения.

☻ 3. Переходные процессы в ЭП. Определение Тэ и Тм и времени переходного процесса tп,tт,tв.

Переменный режим работы электропривода вызывает возникновение переходного процесса, оказывающего влияние на его работу. Переходным процессом в электроприводах называется процесс перехода из одного установившегося режима в другой.

Анализ переходных процессов позволяет определить условия получения максимальной производительности и качества выпускаемой продукции на данном технологическом оборудовании.

Практический интерес представляют также изменения во времени и максимальные значения вращающего момента М, тока I, мощности Р, нагрева отдельных частей и двигателя в целом. Все эти электрические и механические показатели взаимосвязаны и определяют производительность, надежность и экономичность электропривода в эксплуатации.

На протекание переходных процессов в электроприводах влияют различные виды инерционности: электромагнитные, механические и тепловые, которые в конечном итоге оказывают на процессы замедляющее действие. Степень влияния каждой инерционности характеризуется постоянными времени: электромеханической Тм, электромагнитной Тэ и тепловой Тт.

При анализе основных переходных режимов, как правило, учитываются механические и электромагнитные инерционности, так как тепловые инерционности значительно (на несколько порядков) больше вышеназванных.

. В большинстве случаев электромагнитная постоянная времени Тэ=L/R — (где L - индуктивность силовой цепи электродвигателя, Гн; R - общее суммарное сопротивление силовой цепи двигателя, Ом) достаточно мала (Тэ примерно = 0), а электромеханическая постоянная времени привода Тм имеет достаточно большое значение Т_м >> Тэ. В расчетах переходных процессов можно учитывать только Т_и, которая выражается в секундах и характеризует интенсивность протекания переходного процесса, т. е. время, за которое электропривод, обладая моментом инерции J, разгоняется от неподвижного состояния до скорости идеального холостого хода под действием неизменного момента, равного начальному пусковому моменту:

Тм=( J ₀)/Мп.нач.

Определение времени пуска и торможения. Временем пуска называется время, за которое электропривод разгоняется от скорости ₀=0 до скорости, соответствующей установившемуся режиму работы, т. е. до скорости _2=у. Если привод разгоняется до номинальной скорости, тогда ₂ = _у = _н, и время пуска определяется выражением

Определение времени пуска и торможения. Временем пуска называется время, за которое электропривод разгоняется от скорости ₀=0 до скорости, соответствующей установившемуся режиму работы, т. е. до скорости _2=у. Если привод разгоняется до номинальной скорости, тогда ₂ = _у = _н, и время пуска определяется выражением

tп=(J н)/(Мп.ср – Мс.ср), (1.18)

где J-общий момент инерции привода,кг*м²;М_п.ср.-среднее значение вращающего момента за время пуска, Н*м; М_с._ср. - среднее значение момента сопротивления машины, приведенное к валу двигателя, Н*м.

Временем торможения называется время, за которое электропривод замедляет скорость от установившегося значения скорости ₂ = у (в частном случае ₂ = _н) до скорости, равной нулю ₁ = 0, под действием тормозных моментов и момента сопротивления, и определяется выражением

tт=(J н)/(Мт.эл.ср.+Мс.ср.+Мт.мех.ср.), (1.19)

где Мт.эл.ср - среднее значение тормозного момента, развиваемого электрической машиной за время торможения, Н*м; Мт.мех.ср - среднее значение тормозного момента, развиваемого электромеханическим тормозом за время торможения, Н*м.

Если в электроприводе отсутствует принудительное торможение (Мт.эл., Мт.мех.= 0), тогда время замедления привода называется временем свободного выбега и из (1.19) следует

tв=(J н)/( Мс.ср.) (1.20)

☻ 4. Определение зависимости (t), I(t), M(t) в переходных процессах ЭП постоянного тока

Определение времени пуска и торможения электропривода постоянного тока. В электроприводах полиграфических машин необходимым условием является обеспечение плавного нарастания скорости от нуля до заданного значения во всех режимах работы машины.

В современных приводах это обеспечивается плавным нарастанием напряжения якоря, кроме того, необходимо обеспечить постоянство тока якоря в течение всего времени разгона. Обычно I_п = (1,2-1,3)I_н, тогда среднее значение тока в процессе пуска Iср =I_п и М_п.ср = Iсp = (1,2-1,3)М_н. Здесь с— постоянная электродвигателя.

Среднее значение момента сопротивления равно

Mc.cp.=(Mc₀+Mc.н)/2 (1.21)

где М_с0 и М_с.н. - моменты сопротивления машины, приведенные к валу двигателя при =0 и =_н соответственно (определяются по механической характеристике машины М=f(). Время разгона электропривода определяется по формуле (1.18).

В полиграфических машинах, как правило, используют принудительное торможение с помощью электромеханического тормоза и электрическое торможение (динамическое или рекуперативное). Электромеханический тормоз создает постоянный тормозной момент, зависящий от его конструктивных параметров. Динамическое или рекуперативное торможение осуществляется переводом электрической машины из дви­гательного режима работы в генераторный после подачи команды «Стоп». Начальное значение тока якоря, а следовательно, и тормозного момента, зависит от тормозного сопротивления (при динамическом торможении) и параметров управляющего воздействия инвертора (при реку­перативном торможении). Среднее значение тормозного момента М.т.эл.ср=0,5Мт.эл.нач, а время торможения определяется по формуле (1.19).

Определение времени пуска и торможения в электроприводах переменного тока осуществляется по тем же формулам, что и для ДПТ.

Значение среднего вращающего момента за время пуска определя­ется как полусумма начального пускового и критического моментов (паспортные данные):

Мп=(Мп+Мк)/2=(пМн+кМн)/2 (1.22)

Электрическое торможение в электроприводах переменного тока, как правило, динамическое. При этом обмотки статора отключаются от источника питания, и по одной или нескольким обмоткам обеспечивается протекание постоянного тока.

Аналитический расчет времени торможения достаточно сложный из-за отсутствия в каталогах и справочниках ряда параметров двигателей. Поэтому расчет базируется на эмпирических соотношениях. Так, при тормозном токе Iт=2Iн, где Iн - номинальный ток статора, максимальный тормозной момент Мт.эл.max=Mк, а среднее значение тормозного момента Мт.эл.ср.=0,3Мн

Для электроприводов с асинхронным двигателем с фазным ротором Наибольшее среднее значение тормозного момента М. _{эл с} можно получить при введении в цепь ротора дополнительного сопротивления, при котором S_кр ~ 0,5, и токе подмагничивания Iт. = 2 Iн (максимально допус­тимый тормозной ток), тогда М _{т.эл с} = 0,7 Мн.

Зависимость скорости и вращающего момента двигателя от времени можно рассчитать аналитически, если механические характеристики двигателя и механизма линейны, а момент сопротивления машины М_с (рис. 1.8), приведенный к валу двигателя, постоянен.

Рис. 1.8. Механические характеристики электропривода при линейных характеристиках ДПТ и рабочей машины (М_с = const)

Динамический момент в этом случае является функцией скорости, т. е.

Мдин=k(₀--). (1.23)

Здесь k-коэффициент пропорциональности, определяемый по начальным условиям.Перепад скорости в зависимости от Мc равен =₀-, где ₀ - скорость идеального холостого хода; — текущее значение скорости двигателя.

Если М_с = 0 и = 0, то

Мдин =k(_о-) (1-24)

В начальный момент пуска = 0 и Мдин=Мдин max=Мп, поэтому из

уравнения (1.23) следует М_{дин mах} = k у,откуда k=Мдинmax/у Подставляя значение k в (1.24), получим

Мдин=(Мдин max/₀)*(у-) (1.25)

Исходя из того, что М_дин =J(d/dt)и разделяя переменные

dt=J(d/Mдин),определим время, в течение к-ого скорость электропривода достигает значения :

(1.26)

где _нач — скорость в начале переходного процесса

(1.27)

Где Тм=J/k=(J/Mдин max)у=J₀/Мп –электромеханическая постоянная времени электропривода.

Решая уравнение (1.27) относительно , найдём

= у(1-е^-t/Tм)+ нач*е^-t/Tм (1.28)

Если разгон происходит от _нач=0, тогда уравнение (1.28) примет вид

= _у(1+ e^-t/Tм), (1.29)

т. е. характер изменения скорости экспоненциальный (рис. 1.9).

Рис.1.9 Зависимости,М,I=f(t)для ЭП с линейными характеристиками

Помимо характера изменения скорости важно знать закон изменения вращающего момента, развиваемого двигателем в функции времени, т. e.M = f(t). Подставляя в уравнение (1.28) значения , нач и у, выраженные через соответствующие М, Мнач и Му определим

=(₀- ₀)(М/Мп), нач=(₀- ₀)(Му/Мп)

После подстановки получим

М=М_у(1-е^-t/Tм)+Мнач* е^-t/Tм. (1.30)

В случае разгона от нач=0 до у=с, Му=Мс, Мнач=Мп уравнение (1.19) примет вид

М=Мс(1- е^-t/Tм )+Мп е^-t/Tм (1.31)

Полученные зависимости изменения скорости и вращающего момента справедливы для электроприводов постоянного тока с ДПТ независимого возбуждения и переменного тока с АД с фазным ротором и с сопротивлениями в цепи ротора.

Для указанных двигателей зависимость тока якоря (ротора) пропор­циональна моменту, т.е. М=сI, где с - коэффициент двигателя, из (1.31) следует

I=Ic(1- е^-t/Tм)+Iп е^-t/Tм (1.32)

Зависимости со, М и /=/(£) для электроприводов с линейными характеристиками приведены на рис. 1.9.

☻ 5. Графоаналитический метод определения зависимости =f(t) в ЭП с АД к.з.р.

Аналитический расчет зависимостей =f(t) и М =f(t) для электроприводов с АД к.з.р. весьма затруднителен, так как конструкция ротора исключает возможность введения дополнительных сопротивлений в его цепь. Поэтому ограничить абсолютное скольжение в переходных процессах небольшими значениями можно только путем плавного измене­ния частоты тока статора. Таким образом, в случае плавного разгона с заданным ускорением необходимо использовать частотно-регулируемый электропривод со специальным узлом задания темпа разгона. На рис. 1.10 представлены переходный процесс и механическая характе­ристика электропривода с АД к.з.р. при прямом пуске.

,M

Рис. 1.10. Переходный процесс (а ) и механическая характеристика (б) электропривода с АД к.з.р.

На практике для оценки длительности переходного процесса и его характера при нелинейных механических характеристиках можно использовать графоаналитический способ. Например, метод площадей, основанный на уравнении движения электропривода в конечных приращениях:

/t= (1.33)

Механические характеристики двигателя и рабочей машины изображаются во втором квадранте (рис. 1.11). По ним строится кривая динамического момента. Для режима пуска, например, М_дин = М-М_с =f().

Полученная кривая разделяется на m участков, причем чем больше m, тем точнее будет искомая зависимость. М _дин на каждом участке принимается равным среднему значению. Тогда для любого к-го участка

tк=J(к/Мдин.к)

Этому значению времени, откладываемому по оси абсцисс в первом квадранте, соответствует ордината _к-1+. Проведя построение для всех участков, получаем зависимость = f(t), тогда время разгона будет равно

(1.35)

М Мдин Мс

Мдин1

Графоаналитический метод определения

времени разгона электропривода:

1 — вращающий момент двигателя;

2 — момент сопротивления машины;

3 — динамический момент

Пользуясь этим же методом, можно построить зависимость =f(t) и определить время переходного процесса и для других режимов рабо­ты электропривода (торможения, переход от одной скорости к другой и т. д.). При этом М_дин = ±М - ±М_с необходимо найти с учетом знаков составляющих моментов.

6. Передаточная функция ДПТ и структурная схема. Уравнение электромеханической характеристики ДПТ с независимой обмоткой возбуждения.

Электродвигатели постоянного тока (ДПТ) имеют независимое, последовательное и смешанное возбуждение. ДПТ независимого возбуждения выпускаются двух типов: с обмоткой возбуждения, расположенной на полюсах статора машины, и с постоянными магнитами на полюсах. ДПТ последовательного и смешанного возбуждения имеют электромагнитную систему возбуждения.

В электроприводах постоянного тока, используемых в полиграфических машинах, как правило, применяют ДПТ с независимой обмоткой возбуждения (рис. 2.1). Статические и динамические свойства электродвигателя оказывают существенное влияние на качество работы привода в целом, поэтому необходимо изучение их электромеханических свойств.

ДПТ представляет собой электромеханический преобразователь и в общем случае описывается приведенными ниже уравнениями при следующем допущении: источники питания цепи якоря и возбуждения обладают бесконечной мощностью (идеализированные), сопротивление соединительных проводов равно нулю, напряжение U и U = const.

U=iяRя+IЯ(diя/dt)+кФ,

М=кФiя, (2.1)

M-Mc=J(d/dt),

Uв=iяRв+Lв(diв/dt),

Здесь Rя=Rя.о+Rд.п суммарное активное сопротивление якорнойцепи двигателя, Ом; Я_яо — сопротивление обмотки якоря; Rд.п — сопротивление обмоток дополнительных полюсов; L_я=L_яо+L_{д п} — суммарная индуктивность якорной цепи двигателя, Гн; кФ=Е - эдс якоря, В; к=pN/2а — конструктивный коэффициент; p,N,a — соответственночисло пар полюсов, активных проводников и параллельных ветвей обмот ки якоря; со — угловая скорость двигателя, рад/с; Ф — магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения или постоянными магнитами, Вб; R_B — активное сопротивление обмотки возбуждения, Ом; L_в — индуктивность обмотки возбуждения, Гн; М и М_с — соответственно вращающий момент, развиваемый двигателем, и момент сопротивления на валу двигателя, Н*м; J— общий момент инерции привода, равный сумме моментов инерции двигателя J дв момента инерции передаточного механизма, J_п и момента инерции машины J_м, приведенного к валу двигателя, Н*м.

☻ 8. Устройство и принцип действия БДПТ. Структурная схема. Принципиальная схема БДПТ с четырёхфазной обмоткой.

Бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ) — бесконтактные машины постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов с одно- или многообмоточным статором, который является обмоткой якоря. Эти двигатели отвечают перечисленным выше требованиям.

Современные магнитные материалы позволяют создать БДПТ мощностью от единиц ватт до десятков киловатт, поэтому могут использоваться в главных и вспомогательных электроприводах. БДПТ исполь­зуются в электроприводах, которые дол­жны обеспечить очень высокую точность поддержания заданной скорости (до 0,01%).

Рис2.7. Пространственное расположение магнитного потока Ф1 статора и МДС обмотки якоря двигателя с постоянными магнитами

Принцип действия. В коллекторных ДПТ магнитный поток (Ф), создаваемый обмоткой возбуждения, неподвижен и имеет постоянное направление. Вектор намагничивающей силы (НС) обмотки якоря (ОЯ) расположен под углом 90° относительно вектора магнитного потока Ф.С помощью коллектора угол 90° сохраняется и при вращении якоря (рис. 2.7).

В БДПТ на вращающейся части-роторе расположены постоянные магниты, а обмотка якоря расположена на статоре (рис.2.8).

Питание обмотки статора осуществляется таким образом, чтобы между вектором НС якоря и вектором Ф сохранялся угол 90°. При вращающемся роторе это можно обеспечить за счет переключения обмоток статора с помощью специального полупроводникового коммутатора (ПК). ПК должен обеспечить два условия: обмотки должны подключаться в определенный момент времени и с заданной последовательностью. Пространственное положение ротора определяется с помощью специальных датчиков положения ротора (ДПР).

ДПР подразделяются на индуктивные; трансформаторные; магнитодиодные; оптронные; емкостные; на основе датчика Холла.

ПК и ДПР являются неотъемлемой частью БДПТ (рис. 2.9) и выполняют функции коллекторно-щеточного узла ДПТ.

@Рис. 2.8. Пространственное расположение мдс 1, обмотки статора и магнитного потока ф2 ротора в бесконтактном двигателе в исходном положении (а) и при повороте ротора на угол а (б)@

+ U -

Uп

ПК

ЭД

ДПР

ОС

Рис2.9. Структурная схема БДПТ: ПК-полупроводниковый коммутатор; ЭД-электродвигатель; ДПР-датчик положения ротора; ОС – обратная связь

ПК представляет собой полупроводниковый коммутатор, выполненный на силовых транзисторах или тиристорах, работающих в ключевом режиме (рис. 2.13). Управление силовыми ключами осуществляется специальной схемой управления по сигналам датчика положения ротора (ДПР).

На роторе расположены магниты датчика положения ротора, а на полюсных наконечниках статора (в пазах) двух смежных полюсов установлены датчики Холла (ДX1,2). Рассмотрим работу четырехфазного БДПТ с коммутатором, выполненным на транзисторах VT1- VT4 (рис. 2.13).

@Рис.2.13. Принципиальная схема бесконтактного двигателя@

Управление силовыми ключами осуществляется специальной схемой управления по сигналам датчика положения ротора (ДПР).

На роторе расположены магниты датчика положения ротора, а на по­люсных наконечниках статора (в пазах) двух смежных полюсов установ­лены датчики Холла (ДX1,2). Рассмотрим работу четырехфазного БДПТ с коммутатором, выполненным на транзисторах VT1- VT4 (рис. 2.13).

1. =0.

Под ДХ1 «N» (U₂ = U_2н - напряжение на выходе ДХ) на выходе 4 «+», на выходе.3 «-», транзистор VT2 открыт, a VT4 — закрыт.

Под ДХ2 нет магнита на выходах, U₂ = 0, VT1 и VT3 закрыты. Ток протекает по w2, ротор вращается против часовой стрелки на 90°.

2. = 90°.

Под ДХ2 «S» на выходе3 «+», на выходе 4 «-», транзистор VT3 от­крыт. Под ДХ1 магнита нет, VT1,2я4 закрыты. Ток протекает по w3, и ротор поворачивается на 90°.

3. =180°.

Под ДХ1 «S» на выходе 3 «+», на выходе 4 «-», транзистор VT4 открыт, a VT1,2иЗ закрыты. Ротор поворачивается на 90°. Под ДХ2 магнита нет.

4. = 270°.

Под ДХ2 «N» на выходе 4 «+», на выходе 3 «-», транзистор VT1 открыт, a VT2, 3 и 4 закрыты. Поворот на 90°,

= 360°. Далее цикл повторяется.

М»п/п	а,°	ДХ1	ДХ2				h
1	0-90	N	—	0	1	0	0
2	90-180	—	5	0	0	1	0
3	180-270	S	_	0	0	0	1
4 5	270-360	—	N	1	0	0	0
	0-90	N	-	0	1	0	0

Вращающий момент БДПТ имеет, как и ток, пульсирующий характер. Однако пульсации незначительны. При работе с механизмами, у вторых момент инерции много больше, чем/_дв, пульсация скорости практически отсутствует. Так как БДПТ работает с собственной такто-°и частотой, то скорость ротора может быть выбрана любой. М = с1ф since при ш = const.

Поддержание заданной скорости в ЭП с БДПТ осуществляется за счет введения обратной связи по напряжению на обмотках якоря, по эдс обмоток якоря или по скорости ротора.

Жесткость собственной электромеханической характеристики БДПТ достаточно высока, изменение скорости ЭД при увеличении момента сопротивления на валу составляет несколько процентов. Введение одной из приведенных выше обратных связей приводит к увеличению жесткости электромеханической характеристики практически до абсолютно жесткой (рис. 2.15).

☻ 9. Шаговые двигатели. Устройство, принципы действия и назначения. Индукторные ШД, устройство, принцип действия, основные параметры.

Шаговые двигатели (ШД) применяются в дискретных следящих и позиционных системах электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости. ШД осуществляют преобразование электрических импульсов в угловые перемещения — шаги, поэтому могут использоваться в электроприводах, обеспечивающих точное перемещение без обратной связи.

Шаговые двигатели представляют собой разновидность синхронных двигателей, так как электромагнитный момент, действующий на ротор, создается в результате взаимодействия магнитного поля полюсов статора и ротора.

В электроприводах используются реактивные (с пассивным рото­ром), магнитоэлектрические (с активным ротором) и индукторные ШД (рис. 2.16). * Рис. 2.16. Шаговые двигатели:а — реактивный; б — магнитоэлектрический; в — индукторный; г — развертка статора и ротора индукторного двигателя*

Индукторные шаговые двигатели имеют зубчатый ротор с равномерно расположенными z_р зубцами и гребенчатые зубцовые зоны статора на явно выраженных полюсах (рис. 2.16, в), снабженных обмотками. Число фаз обмоток статора от 2 до 6. Зубцы соседних полюсов статора смещены относительно зубцов ротора. Для ШД с числом пар полюсов р = 4 смещение зубцов составляет четверть зубцового шага ротора (рис. 2.16, г). При отключении обмотки 1 и подаче управляющего импульса на обмотку 2 ротор сделает шаг, линейное перемещение которого равно . Угловой шаг индукторных ШД =(2z_c/n), где п — общее число полюсных выступов или пазов статора, имеет очень большой диапазон — от долей градуса до 15° и частоту приемистости до нескольких килогерц.

Для получения непрерывно-дискретного вращения ротора необходимо обеспечить раздельное (поочередное) включение обмоток статора. || Быстродействие шаговых двигателей определяется скоростью протекания электромагнитных процессов при переключении управляющих импульсов с одной или группы обмоток статора на другую. Оно зависит от постоянной времени Т_э =(Lф/Rф), где Lф. — индуктивность обмотки фазы, Гн; R_ф — активное сопротивление обмотки, Ом. || Для повышения быстродействия ШД возможно включение добавочного сопротивления в цепь фазы, тогда Тэ=(Lэ/(Rф+Rд)).Частота вращения ротора ШД зависит от частоты управляющих импульсов, поступающих от системы управления. || Наибольшая частота следования управляющих импульсов, при которой ШД отрабатывает их без потери шага, называется приемистостью fпр и измеряется числом шагов в секунду. Частота приемистости fпр зависит от нагрузки на валу ШД. Номинальному режиму работы соответствует f_пр.н.

ШД управляется с помощью полупроводникового коммутатора, который преобразует заданную последовательность управляющих импульсов в m-фазную систему импульсов напряжения прямоугольной формы.

К основным параметрам ШД относятся: т — число фаз обмоток статора; — угловой шаг, град; Мmax, М_н — максимальный и номинальный вращающий моменты, Н*м; J — момент инерции ротора, кг*м²; fmax, f _Н — максимальная и номинальная частота приемистости, Гц; Uф.н — номинальное напряжение обмоток статора, В; I— ток обмотки фазы в стати­ческом режиме, А.

В общем случае ШД описывается системой из т+1 уравнений элек­трического равновесия и уравнением движения электропривода:

R _кi_к+ || j=1,2,3,…,m+1; ||

((2.24) формулы в 3 строчки и в фигурных скобках, || - разделение между фор-ми)

где к = 1,2, 3,...; т — номера электрических контуров, образованных фазами ШД; к = т+1 — номер контура, заменяющего постоянные магниты; U_K, i_K — мгновенные значения напряжения и тока к-го контура; R_k — сопротивление к-го контура; J — общий момент инерции привода, приведенный к валу ШД; М. — момент сопротивления нагрузки, приведенный к валу двигателя; 0 — угол поворота ротора; р — число пар полюсов; L — индуктивность контура.

В уравнении (2.24) сумма членов является эдс самоиндукции и взаимной индукции, действующей в j-м контуре, а сумма членов является эдс вращения, наводимого в том же контуре при движении. Внешнее воздействие задается в виде периодически изменяющихся фазных напряжений U_K, которое зависит от способа коммутации и является нелинейным. Уравнения (2.24) нелинейные с периодически изменяющимися коэффициентами (эдс есть функция ) и описывают как установившиеся, так и переходные режимы работы. Обобщенные предельные механические характеристики ШД с активным (а) и реактив­ным (б) ротором представлены на рис. 2.19.

☻ 10. Однополупериодная схема ТП. Работа ТП при активной и активно-индуктивной нагрузке. Мгновенные и средние значения напряжений токов в нагрузке.

Однофазная однополупериодная схема ТП состоит из трансформатора Тр, тиристора V, системы фазового управления СФУ и нагрузки R_н (рис. 2.35* Рис. 2.35. Однополупериодная схема ТП с активной нагрузкой (а), временные диаграммы напряжений, токов управления и нагрузки (б)*).

Напряжение U на вторичной обмотке трансформатора равно

U_ab=U_asint.

В течение времени, пока потенциал точки b выше потенциала точки а, к катоду тиристора V приложен более высокий потенциал, чем к аноду, поэтому тиристор V не может проводить ток. Такое условие сохраняется в течение полупериода, который является нерабочим. В рабочий полупериод (_А > _в) ток по нагрузке будет протекать только с момента включения V, определяемого моментом подачи управляющего импульса, т. е. углом отпирания тиристора а, который определяет запаздывание момента подачи управляющего импульса относительно начала рабочего полупериода. Для рассматриваемого случая — 0,2, 4 и т. д.

Среднее значение напряжения на нагрузке U_d равно интегралу функции изменения этого напряжения в течение периода 2, деленному на этот период. Для однополупериодной схемы интегрирование производится в пределах рабочего полупериода:

При = 0 U_d имеет наибольшее значение и обозначается U_d0: U_d0=(/)U_a=0,45U_a

Очевидно, что при = 180°U_d = 0.

Таким образом, для регулирования напряжения на нагрузке от 0 до U_d0 угол отпирания должен изменяться от 180° до 0.

Мгновенное значение тока в нагрузке равно i_d=(U_d/R_н)=i_a

Среднее значение тока в нагрузке за период равно I_d = (Ud/Rн) =I_а.

При чисто активной нагрузке форма тока совпадает с формой на­пряжения. На практике такая схема не используется, так как напряже­ние и ток в нагрузке имеют большие пульсации, и приведена здесь только Для пояснения принципа работы управляемого выпрямителя.

☻ 11. Однофазная мостовая симметричная схема ТП. Работа ТП на якорь ДТП. Электромеханическая характеристика ДПТ при питании от ТП.

Силовая часть ТП включает в себя четыре тиристора V1- V4 (по одному в каждом плече моста). Они в основном используются для питания цепи якоря ДПТ мощностью до 5 кВт (рис. 2.38, а). В первом полупериоде U_c тиристоры V1 и V3 находятся в открытом состоянии и соединяют цепь якоря дви­гателя с сетью в периоде < t < + . В момент (+) V2 и V4 переходят в открытое состояние, при этом к тиристорам V1 и V3 через открытые V2 и V4 прикладывается напряжение обратной полярности и закрывает их. Такая коммутация тиристоров называется естественной. Ток якоря двигателя iя в этом случае протекает по тиристорам V2 и V4.

В течение интервала, заключенного между аил, энергия из сети передается к двигателю, так как U, i, U_я и i_я положительны (обусловливают положительное направление потока энергии). В течение интервала между л и (+) часть энергии из якорной цепи возвращается в сеть, поскольку в этот период напряжение сети и ток изменили свое направление на противоположное, а напряжение Uя и ток i_я имеют разные направления (рис. 2.38, а* Рис. 2.38. Однофазная симметричная схема ТП с ДПТ независимого возбуждения: а — схема силовой цепи; б — диаграммы токов и напряжений для режима непрерывного тока якоря*), определяющие направление потока энергии от двигателя к сети. Такой режим называется рекуперативным, а режим работы преобразователя — инверторным.

Среднее напряжение на нагрузке за полупериод будет равно алгебраической сумме положительной и отрицательной площадей. Из рис. 2.38, б видно, что при = 90° эти площади одинаковы, поэтому результирующее напряжение равно нулю. При >90° среднее напряжение якоря будет отрицательным. Это свидетельствует о том, что электрическая машина работает в режиме генератора и создает тормозной момент, а также может использоваться для рекуперативного торможения.

Уравнение для якорной цепи двигателя имеет вид: Uя=U=Rяiя+Lя(diя/dt)+eя, при < t< +.

Cреднее значение напряжения якорной цепи равно

U_d=(1/)

Уравнение электромеханической характеристики будет иметь вид

где — текущее значение скорости двигателя, рад/с; ₀ — скорость идеального холостого хода, рад/с; - перепад скорости, рад/с; с - постоянная двигателя, В*с/рад; R—сопротивление якорной цепи ДПТ.||Сопротивление якорной цепи R =R_я + Rп, где Rп - эквивалентное суммарное сопротивление тиристорного преобразователя, зависящее от падений напряжений в ТП, а именно прямое падение напряжения Uт= (0,5—1)В на тиристорах и падение напряжения в процессе коммутации тиристоров U_K. Причем U_K >>Uт, и зависит от угла коммутации, т. е. периода, в течение которого происходит переключение тиристоров. Угол коммутации зависит от тока нагрузки, угла отпирания тиристоров и индуктивностей силовой цепи.

☻12.Трехфазная мостовая симметричная схема ТП. Назначение, принцип действия. Работа ТП на якорь ДПТ.

Трехфазная мостовая симметричная схема ТП используется в элек­троприводах мощностью более 20 кВт и с широким диапазоном регули­рования скорости (Д >10).

Силовая часть ТП содержит шесть тиристоров, а система фазового управления имеет шесть одинаковых каналов управления, которые вы­рабатывают управляющие импульсы и распределяют по соответствую­щим тиристорам (рис. 2.40, а). Нумерация тиристоров соответствует очередности их включения. В момент t = /6 + при подаче управля­ющих импульсов на тиристоры V1 и V6 они открываются, и цепь якоря ДПТ оказывается подключенной к фазам А и В, а напряжение на якоре равно U_я = U_A- U_B= U_AB. Тиристоры V1 и V6 будут проводить ток до момента t = /6 + + /3, после чего открывается тиристор V2 и закрывается V6 (обратным напряжением «естественная коммутация») и якорь двигателя подключается через V1 и V2 к фазам А и В, т. е. Uя = =U_A-U_C= U_AC. Далее работает пара тиристоров V3 и V2U_я = U_BC; V3 и V4Uя =U_ВА; V5 и V4Uя=U_ВА; V5 и V6Uя=U_СВ.

Нетрудно заметить, что в каждой паре работающих тиристоров один из работающих в предыдущем периоде времени остается во включенном состоянии, а второй сменяется очередным в соответствии с алгоритмом их работы. Момент включения тиристоров соответствует углу отпирания а. Частота напряжения на нагрузке в 6 раз больше частоты сети. Большая частота и наличие индуктивности нагрузки создают ус­ловия, обеспечивающие непрерывность тока нагрузки (рис. 2.40, б).

Из графиков на рис. 2.40, б, в следует, что среднее значение напряжения на нагрузке будет положительным в диапазоне изменения угла отпирания тиристоров в пределах от = 0 до < /2. При = /2 напряжение на нагрузке равно нулю, т. е. преобразователь закрыт.

Здесь U_ф — фазное напряжение сети; U_л — линейное напряжение сети.

Тогда максимальное значение напряжения на выходе ТП при =0 равно U_d0 = 1,35 U_л.

ТП, построенный по трехфазной мостовой симметричной схеме, может работать не только в выпрямительном режиме, но и в инверторном режиме, который служит для рекуперативного торможения привода. При этом эдс якоря ДПТ должна превышать среднее значение вы прямленного напряжения преобразователя, тогда ток якоря изменит направление на противоположное. Электрическая машина в этом случае работает в генераторном режиме, т.е. происходит преобразование кинетической энергии привода в электрическую и передача ее в питающую сеть. Для получения этого режима угол должен быть больше /2 (рис. 2.40, г* Рис. 2.40. Электропривод постоянного тока с ТП, построенным по трехфазной мостовой симметричной схеме:a — схема силовой цепи; б-г — диаграммы приразличных углах отпирания тиристоров в режиме непрерывного тока*).

В режиме рекуперативного торможения скорость и эдс падают, и в случае необходимости поддержания тока якоря на заданном уровне и обеспечения постоянства тормозного момента необходимо соответствующее регулирование угла .

☻ 13. СФУ ТП. Назначение. Структурная схема СФУ «горизонтального» и «вертикального» типа. Основные параметры, достоинства и недостатки.

Системы фазового управ- '* ления (СФУ) тиристорами предназначены для выработки требуемого тока управления и распределения по тиристорам в соответствии с их алгоритмом работы в силовой части преобразователя. СФУ подразделяются на одно- и многоканальные и в зависимости от способа изменения фазы тока управления на системы горизонтального, вертикального, дискретного и цифрового управления.

К основным требованиям, предъявляемым к СФУ, относятся: амплитуда тока управления Iя должна быть не менее номинального тока управления Iу.н данного тиристора; длительность Iy (на уровне Iу.н) должна быть достаточной для обеспечения нарастания анодного тока тиристора до уровня тока удержания Iвкл, вне зависимости от характера нагрузки (практически, достаточно иметь длительность тока управления tи > 1 мс или 18° эл.);В многофазных ТП ток управления должен иметь импульсную (прямоугольную) форму с крутизной переднего фронта порядка 10 А/с или с длительностью переднего фронта 0,05 мс, а в угловой мере 0,9° эл.;

быстродействие системы должно быть максимальным, а инерционность не более 10 мс;

число каналов СФУ и их структура должны соответствовать схеме силовой части преобразователя.

Горизонтальный метод управления. При данном методе источник переменного напряжения (ИПН) выдает напряжение, находящееся в определенном соотношении с анодным напряжением управляемого тиристора. Выходное напряжение фазосдвигающего устройства (ФСУ) смещено относительно напряжения выхода ИПН в горизонтальном направлении. В общем виде структурная схема одного канала горизонтального СФУ приведена на рис. 2.41. В случае необходимости в состав СФУ вводят формирователь импульса (ФИ) и усилитель мощности (УМ). На рис. 2.42 приведена принципиальная схема ТП с системой гори­зонтального управления.

Источником переменного напряжения, в данном случае синусоидального, является вторичная обмотка трансформатора со средней точ­кой. Совместно с потенциометром R и конденсатором С они представляют собой фазосдвигающий мост. Напряжение диагонали моста U_ab сдвинуто относительно напряжения сети U_АВ на угол (рис. 2.43), который зависит от сопротивления R.

Так, при R=0 напряжениеU_ab совпадает по фазе с напряжениемU_AB угол отпираниябудет близок к нулю. При R »х_c. сдвиг по фазе напряжения U_ab близок к 180°, и соответственно угол тоже будет близок к 180°, т.е. 0<<180°.

Рассмотрим работу СФУ (рис. 2.42). В первый полупериод (0- ), являющийся рабочим для тиристора V1, потенциал точки а выше потенциала точки b, и ток управления будет протекать по цепи a—R1—V8—УЭ—К—V7— b. Как только ток управления Iу=(Uab/R1) станет равным I _у.н, тиристор V1 откроется и обеспечит протекание тока по на­грузке подцепи «A -V1- Я1-Я2-V2 -Я».

Во второй полупериод (-2) ток Iy протекает по цепи «b—R2—V9—УЭ —К—V6—а», а ток нагрузки по цепи «B—V3—Я1—Я2—V4—Л».

Недостатком рассмотренной схемы является длительный ток управ­ления и несимметричная работа тиристоров V1 и V3, связанная с формой тока управления. Кроме того, такую схему практически невозможно использовать в замкнутых системах регулирования.

На рис. 2.44, а приведена схема горизонтальной системы управления тиристором, построенная на основе релаксационного генератора импульсов на базе однопереходного транзистора V4. Напряжение питания U_n схемы управления формируется посредством сопротивления R7 и стабилитрона V3 и имеет трапецеидальную форму (рис. 2.44, б). С момента подачи напряжения питания конденсатор С начинает заряжаться через резисторы R1 и R2, и напряжение U₃ на эмиттере V4 начинает возрастать по экспоненциальному закону с постоянной времени заряда Т= С (R₁ + R₂). Когда U достигнет значения U_{a опт}, сопротивление перехода «эмиттер — база 1» становится близким к нулю. Конденсатор разряжается в основном по цепи «+U_с—Э—Б1—R5—У5_ЪЭ—УЭ —К—Uc», транзистор V5 открывается, и ток управления становится рав­ным номинальному, что приводит к отпиранию тиристора V1. Управляющий импульс имеет крутой передний фронт. Длительность управляющего импульса зависит от параметров цепи разряда конденсатора (R4, R5), а амплитуда регулируется сопротивлением R6. Достоинством данной схемы является импульсная форма тока управления и незави­симость угла а от колебаний напряжения сети.

Вертикальный метод управления. При этом методе формирование управляющего импульса производится в результате сравнения на нелинейном элементе значений переменного (синусоидального, пилообразного, треугольного, экспоненциального и т. д.) и постоянного напряжений. В момент, когда их разность меняет знак, происходит формирование импульса. Фазу импульса можно регулировать, изменяя значение постоянного напряжения

Задающее устройство (ЗУ) формирует напряжение управления U которое может иметь определенное значение или изменяться по заранее заданному закону и в конечном итоге определяет угол отпирания тиристора . Генератор переменного напряжения (ГПН) вырабатывает периодически изменяющееся напряжение (в дальнейшем это напряжение будем называть опорным, так как его форма и период постоянны), форма и длительность которого зависят от диапазона регулирования угла отпирания тиристора. Кроме того, рабочий участок опорного напряжения U_on должен быть совмещен с рабочим полупериодом анодного напряжения тиристора. Это совмещение называется фазировкой. По знаку U_m противоположно U. Алгебраическая сумма U и U_m определяет напряжение входа U_m формирователя импульсов (ФИ). Формирование управляющего импульса происходит в момент, когда U_m меняет знак.

☼ 14. Однофазная однополупериодная схема ТП с релаксационным генератором.

☻ 15. Импульсные преобразователи. Назначение, принцип действия. Несимметричная и симметричная схема ИП.

В электроприводах постоянного тока все большее применение находят транзисторные импульсные преобразователи. Это связано с появлением силовых транзисторов с большим током коллектора (свыше десятков ампер) и высоким допустимым коллекторным напряжением (свыше сотен вольт). Принцип Действия импульсных преобразователей основан на том, что напряжение на нагрузку подается через ключевой элемент К (рис.2.55), который периодически замыкается и размыкается. Время каждого состояния задается системой управления (СУ). При этом среднее значение напряжения на нагрузке будет зависеть от соотношения времен замкнутого (t₃) и разомкнутого (t_p) состояний ключа К и определяется следующим выражением:

где U_d — среднее значение напряжения на нагрузке; Т= t₃ + t_p

— период переключения К; f=1/T –частота переключения К.

Отношение t₃/T=q называется скважностью работы К. Изменяя скважность q, можно регулировать напряжение на нагрузке от нуля до максимального значения, равного U_вх (при t_р=0). Такое регулирование мажно рассматривать как модуляцию входного напряжения ключом К. Возможны три способа модуляции U_вх: 1)широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при этом t_з — переменная, а f— постоянная;

2)частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), t₃ — постоянная, а f —переменная;

3)широтно-частотная модуляция (ШЧМ), t₃ и/— переменные.

Наибольшее распространение получили импульсные преобразователи с ШИМ входного напряжения, которые называются широтно-импульсными преобразователями (ШИП) (рис.2.56*Схема (а) и графики напряжения тока (б) импульсного преобразователя*). Транзисторный ключ VT периодически подключает якорь ДПТ к источнику нерегули­руемого напряжения U₁ При этом в рабочую часть периода t3 энергия, потребляемая из сети, преобразуется в ДПТ в полезную работу. Часть энергии при этом запасается в виде электромагнитной энергии. Во время паузы t VT закрыт, цепь якоря замыкается через V_о, и двигатель продолжает работать за счет запасенной энергии.

Период коммутации VT не зависит от частоты сети и определяется только динамическими характеристиками силовых транзисторных ключей. Обычно в ШИП частота коммутации f составляет несколько килогерц. При малых значениях внутреннего эквивалентного сопротивления (R _п) источника постоянного тока напряжение U_вх не зависит от нагрузки ДПТ. Тогда жесткость электромеханических характеристик определяется только сопротивлением якоря ДПТ, т. е. жесткость электромеханических характеристик будет на уровне естественной, и описывается следующим уравнением (рис. 2.57*Зависимости (Iср) привода с ШИП):

В электроприводах постоянного тока, как правило, используются реверсивные ШИП (рис. 2.58, а*Схема (а) и графики напряжения при симметричном (б) и несимметричном (в) режимах работы реверсивного ШИП*), силовая часть которых построена по мостовой схеме и включает в себя четыре транзисторных ключа VT1-VT4 с обратными диодами VD1-VD4. Такие ШИП используются в двух случаях.

Во-первых, для исключения режима прерывистого тока двигателя с целью получения линейных электромеханических характеристик во всем диапазоне изменения нагрузки на валу двигателя. В этом случае ШИП работает в симметричном режиме, а транзисторные ключи работают в течение периода попарно. В период t₁ включены VT1 и VT2, а в период t₂—VT3 и VT4. При этом на якорь ДПТ подается разнополярное напряжение(рис.2.58,б).Среднее значение напряжения на якоре равно U_я=U_bx(2q-1).

Из предыдущего выражения следует, что скважность q должна регулироваться в пределах от 0,5 до 1. При q = 0,5 U_d =0, а при q < 0,5 U_d меняет знак, что приведет к изменению направления вращения двигателя. Во-вторых, реверсивные ШИП применяются для создания несимметричного режима. В этом режиме коммутируются транзисторные ключи VT1 и VT2, и привод работает аналогично схеме, представленной на рис. 2.56, а. Вторая пара ключей VT3 и VT4 используется в случае необходимости изменения направления вращения ДПТ. В этом режиме работы ШИП напряжение на якоре однополярное (рис. 2.58,в).

Управление транзисторными ключами осуществляется специальными микросхемами ШИМ, которые преобразуют непрерывное входное напряжение U_у в прямоугольные импульсы с переменной длительностью.

☻ 16. Тахогенераторы постоянного и переменного тока, импульсные тахогенераторы. Назначение, принцип действия, основные характеристики.

Тахогенераторы предназначены для преобразования угловой скорости двигателя или рабочего органа механизма в электрический сигнал. Выполняют в системах управления электроприводами функции датчиков или измерителей скорости.

Тахогенераторы (ТГ) представляют собой специализированные электрические машины небольшой мощности, выходное напряжение Uтг которых пропорционально угловой скорости со их якоря (ротора). Основное требование к тахогенераторам заключается в максимальном приближении зависимости U_ТГ () к линейной, что определяет точность их работы. По принципу действия различают тахогенераторы постоянного и переменного тока.

Тахогенераторы постоянного тока. Тахогенератор постоянного тока представляет собой электрическую машину постоянного тока с независимым возбуждением или постоянными магнитами (рис. 2.92, а *Схема (а) и характеристики тахогенератора постоянного тока (б)*). Входная координата ТГ — угловая скорость, а выходная — напряжение U_вых, выделяемое на сопротивлении нагрузки. Так как: E_ТГ=kФ=I ( R _{Т Г} + R _Н ) , то U_вых=((kФ)/(1+R_ТГ/R_Н)) =k_ТГ, где k_ТГ =(kФ)/(1+R_ТГ/R_Н) - передаточный коэффициент ТГ, В*с/рад; k —pN/2па — конструктивная постоянная; Ф — магнитный поток возбуждения, Вб; R_{т г} — сопротивление якорной обмотки и щеточного контакта, Ом.

Передаточный коэффициент ТГ, строго говоря, не остается постоянным при изменении скорости из-за нелинейности сопротивления щеточного контакта и реакции якоря. Поэтому в характеристике наблюдается определенная нелинейность в зонах малых и больших скоростей (рис. 2.92, б). Нелинейность в зоне малой скорости уменьшают при помощи металлизированных щеток с малым падением на­пряжения. Нелинейность характеристики из-за реакции якоря снижается ограничением сверху скорости и увеличением сопротивления нагрузки. При выполнении указанных мероприятий характеристику ТГ можно считать практически прямолинейной.

На работу ТГ существенное влияние оказывают конструктивно-технологические погрешности. Это коллекторные пульсации напряжения, обусловленные конечным числом коллекторных пластин, пульсации из-за зубцовой конструкции якоря, оборотные пульсации, вызванные несимметрией воздушного зазора. Погрешности от указанных пульсаций сильнее искажают выходной сигнал ТГ в области низких скоростей. При снижении скорости уменьшается их частота и увеличивается амплитуда относительно уровня передаваемого сигнала. Эти погрешности ог­раничивают нижний предел скорости ТГ. Для уменьшения перечислен­ных пульсаций тахогенераторы выполняются с повышенным числом коллекторных пластин, со скошенными по винтовой линии на одно зубцовое деление пазами якоря, с увеличенным воздушным зазором. Тахогенераторы высокой точности выполняются с полым беспазным якорем. Для дополнительного снижения пульсации к выходу ТГ подклю­ет конденсатор (рис. 2.92, а), при этом передаточная функция ТГ приобретает вид:

где - постоянная времени фильтра, с.

Конденсатор С выполняет функцию фильтра высокочастотных, относительно угловой скорости, пульсаций. Чем больше Т_ф., тем меньше пульсации выходного напряжения ТГ. Однако при этом ограничивается частотная полоса пропускания ТГ.

Тахогенераторы переменного тока. Наибольшее распространение получили тахогенераторы, выполненные на базе асинхронной двухфазной машины. На статоре имеются две взаимно перпендикулярные обмотки: обмотка возбуждения, расположенная по оси , и выходная обмотка, расположенная по оси и включенная на сопротивление нагрузки Z_Н (рис. 2.93*Схема асинхронного ТГ переменного тока*). Для уменьшения момента инерции ротор выполняется тонкостенным в виде полого стакана из немагнитного материала (обычно алюминиевого сплава). Внутри ротора размещается неподвижный стальной шихтованный сердечник, по которому замыкается магнитный поток.

Для получения выражения для выходного напряжения ТГ воспользуемся методом симметричных составляющих. В соответствии с этим методом напряжение возбуждения представляется вектором в комплексной плоскости (рис. 2.94*Векторная диаграмма асинхронного ТГ*). Вектор заменяется двумя симметричными двухфазными системами векторов: — прямая последовательность и — обратная последовательность. Исходную векторную систему можно формально рассматривать как несимметричную двухфазную систему, в которой один из векторов, а именно . Тогда запишем уравнение баланса для напряжения:

Для каждой симметричной системы напряжений справедлива схема замещения асинхронной машины. Поскольку прямая и обратная пос­ледовательности напряжений создают магнитные поля, вращающиеся в противоположных направлениях, различие в схемах замещения бу­дет заключаться только в разных скольжениях:

для прямого поля s1=1-(/_c) = 1 - '; для обратного поля s₂ = 1+ (/_c) =1+’,

где _с — синхронная скорость ротора, т.е. скорость поля, рад/с; ' — относительная скорость ротора, рад/с. Напряжение на выходе ТГ пропорционально угловой скорости ротора, т.е. U_ТГ=к_ТГ.

Однако следует иметь в виду, что при изменении направления угловой скорости изменяется фаза выходного напряжения на 180°. В области малых скоростей выходная эдс практически пропорциональна скорости, а с ростом скорости линейность выходной характеристики несколько нарушается (рис. 2.95*амплитуда и фазовая характеристики асинхронного ТГ*), к_тг уменьшается, что ведет к соответствующим погрешностям. Поэтому для исключения погрешностей при выборе тахогенератора следует учитывать диапазон изменения скоростей. Кроме того, наибольшая точность работы тахогенератора обеспечивается в режиме, близком к режиму холостого хода.

☻ 17. Регуляторы в САУ ЭП. П и ПИ-регуляторы. Коэффициент передачи и передаточные функции регуляторов.

В электроприводе в основном применяют стандартные регуляторы на базе операционных усилителей (ОУ) постоянного тока с большим коэффициентом усиления, изготовленные по микроэлектронной технологии в интегральном исполнении. При практическом применении О У необходима коррекция частот­ных характеристик, так как в противном случае возможны автоколебания, когда ОУ охватывается обратной связью. Цепи коррекции индивидуальны для каждого типа ОУ и приводятся в технических условиях на ОУ. Пример корректирующих цепей приведен на рис. 2.113 *Схема регулятора* (цепи R_к1 - С_к1 и C_к2). Кроме того, применяют схемы компенсации нулевого уровня выходного сигнала.

Регуляторы электроприводов строят на основе ОУ, охваченных обратной связью (см. рис. 2.113). Рассмотрим схему, в которой входное воздействие подается на инвертирующий вход. Если входное сопротивление усилителя велико и собственным потреблением энергии можно пренебречь, то i₀ = i1, или

Где Z0(p) и Z1 (р) — полные операторные сопротивления входной цепи и цепи обратной связи регулятора.

Учитывая, что u₀ (р) = u_вых(р), можно получить приближенное выражение для передаточной функции регулятора, справедливое при бесконечно большом коэффициенте усиления k: W_per(p)=u_вых(p)/u_вх(р)=-Z(p)/Z₀(p).

При конечном значении входного сопротивления и коэффициента усиления k передаточная функция регулятора несколько усложняется:

В системах регулируемого электропривода наибольшее применение находят несколько типовых регуляторов,

Пропорциональный регулятор (П-регулятор): Передаточная ф-ция Параметр . П-регулятор может быть получен, если выбрать Z1= R_l и Z_o =R₀. В этом случае передаточная функция регулятора представляет собой постоянную величину. Включение в цепь обратной связи последовательной цепочки R1C1 с полным сопротивлением (1+pR_lC_l)R_l /(pR_lC_l) создает пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор).

Передаточная ф-ция Параметр

☻ 18. Датчики тока, напряжения и скорости. Назначение, принцип действия.

В электроприводе применяют многочисленные измерительные устройства (датчики) для введения в систему управления приводом необходимой информации об электрических и неэлектрических величинах (параметрах движения).

Наибольшее распространение в регулируемом электроприводе имеют датчики напряжения, тока и скорости, необходимые для формирования замкнутых контуров в системе регулирования. Известны две основные системы образования токовой обратной связи: по переменному току, потребляемому преобразовательным устройством или двигателем, и по постоянному току двигателя.

Датчик тока якоря ДПТ на основе дифференциального диодного оптрона. Основной узел датчика (Д) обведен на рис. 2.115 *Схема датчика постоянного тока* пунктиром. На вход основного узла через фильтр (R_ф , С_ф.) подается напряжение с обычного измерительного шунта R_ш на 75 мВ, включенного в цепь якоря двигателя. Выходным напряжением U_дт датчика служит паде­ние напряжения на резисторе R4, вводимое в систему автоматического регулирования.

В основном узле датчика имеется линейная интегральная микросхема DA, выход которой питает светодиод СД дифференциального диодного оптрона V. Вспомогательный фотодиод ФД2 и резистор R2 обра­зуют цепь внутренней жесткой отрицательной обратной связи, которая резко уменьшает влияние внешних факторов, например температуры, на передаточную характеристику датчика U_ДТ = f(I).

Это объясняется тем, что напряжение U_oc благодаря большому коэффициенту усиления микросхемы автоматически поддерживается равным входному напряжению U₁ независимо от внешних условий. Следовательно, автоматически поддерживается на заданном уровне ток вспомогательного фотодиода. Полагая, что относительные изменения коэффициентов передачи тока для обоих фотодиодов одинаковы, можно с достаточной для практики точностью считать, что ток основного фотодиода ФД1 также не зависит от внешних условий и всецело определя­ется значением входного напряжения U1.

Параметры схемы следует выбрать так, чтобы характеристика датчика сохраняла линейность до такого значения тока якоря, на который настроена система токоограничения.. Резистор R3 предназначен для того, чтобы предотвратить размыкание внутренней отрицательной обратной связи в датчике при токе якоря, равном нулю.

Датчик напряжения постоянного тока. Такого рода датчик необходим в автоматизированных ЭП-х с обратной связью по напряжению на якоре двигателя для гальванической развязки цепей управления от силовой цепи.

Схема основного узла датчика напряжения и параметры элементов этой схемы полностью совпадают со схемой и параметрами основного узла датчика тока якоря, рассмотренного выше. Поэтому на рис.2.116*Схемы датчика постоянного напряжения* приведены лишь входная и выходная цепи датчика напряжения. Резисторы R1 и R2 выбирают с таким расчетом, чтобы при U=U напряжение U_i на входе основного узла было равно 75 мВ. В этом случае при R₄ = 50 кОм выходное напряжение датчика будет составлять примерно 10 В.

Обычно выход датчика подключают к входу линейной интегральной микросхемы, регулирующей напряжение на якоре. Источник питания датчика не должен иметь гальванической связи с источником питания регулятора.

Датчики переменного напряжения. Датчики переменного напряжения, как правило, включают в себя маломощный понижающий трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку силовых цепей и системы управления. Для датчиков синусоидального напряжения характерно наличие выпрямителя с емкостным фильтром. Если входное напряжение синусоидально, то напряжение на конденсаторе пропорционально амплитудному, среднему и действующему значениям контролируемого напряжения. Если входное напряжение искажается, то эти зависимости нарушаются. Поэтому для несинусоидальных сигналов датчики действующих и средних значений напряжений содержат функциональные блоки (интеграторы, перемножители и др.), необходимые для вычисления соответствующих значений.

Датчики переменного тока изготовляются на базе трансформатора тока, вторичная обмотка которого замкнута на резистор. При этом напряжение на резисторе пропорционально току первичной обмотки. Для получения постоянного сигнала, пропорционального среднему или действующему зна­чению переменного синусоидального тока, применяют схемы выпрям­ления (рис. 2.117), аналогичные схемам датчиков напряжения

Импульсные датчики скорости. В современных системах автоматического управления электроприводами с большим диапазоном регулирования скорости и высокой точностью поддержа­ния заданной скорости (менее 0,5%) используются цифровые (импульсные) датчики скорости (ЦДС). Функционально в ЦДС можно выделить две основные части: импульсный преобразователь скорости — датчик импульсов ДИ, преобразующий угловую скорость вала в импульсы с частотой f, пропорциональной скорости, и кодовый преобразователь-счетчик импульсов СИ, формирующий в интервале измерения T цифровой код А выходной величины датчика скорости (рис.2.118*Структурная схема цифрового датчика скорости*). Датчик скорости может быть выполнен на основе индуктосина или фотоэлектрического кодового диска. В любом варианте датчик ско-Рости вырабатывает две серии импульсов, сдвинутых по фазе на /2, ^<оторые используются для определения угловой скорости и ее знака.

☻ 19. Контактные и бесконтактные задатчики скорости. Назначение, принцип действия.

Потенциометрический задатчик. Наиболее простым элементом из применяемых для введения в систему автоматического управления сигнала задания является проволочный потенциометр, питаемый стабильным напряжением постоянного тока. Несмотря на недостаточно высокую надежность, обусловленную наличием скользящего контакта, этот элемент имеет широкое применение. Обычно используются цилиндрические проволочные потенциометры с вращающейся рукояткой, поскольку они имеют небольшие размеры и могут быть легко встроены в пульты управления машинами. Задаваемое значение величины, в единицах которой отградуирована шкала потенциометра, указывается стрелкой на оси. Потенциометр подключается к блоку питания БП (рис. 2.123*Схема потенциометрического задатчика напряжения*), а с движка снимается напряжение U_з на нагрузку R_н. Потребляемая от БП мощность уменьшается с увеличением общего сопротивления потенциометра R1, однако одновременно возрастает отклонение градуировочной кривой от прямой линии. Обычно потенциометр выбирают так, чтобы его сопротивление по крайней мере в 5-10 раз было меньше сопротивления нагрузки.

Потенциометрический задатчик с плавным нарастанием напряжения задания. Простейшая схема подобного устройства приведена на Рис. 2.124, а, а на рис. 2.124, б*Схемы потенциометрических задатчиков с плавным нарастанием напряжений* дан график изменения напряжения зада­ния в функции времени, если выполняются условия R_H >>R₂,, R₂ >> R_1. График представляет собой экспоненту с постоянной времени Т= R₂C.

Временем разгона (пуска) машины можно считать t_п = 3Т. К этому моменту напряжение задания достигает значения 0,95 U_1.

Безусловными достоинствами данной схемы являются простота и надежность. Недостаток — нелинейность процесса роста напряжения задания и, как следствие этого, повышенные значения ускорения и динамического момента в электроприводе на начальном этапе процесса и затяжка второй части процесса.

Размыкание контакта реле К вызывает процесс разряда конденсатора и снижение напряжения задания. Постоянная времени этого процесса приблизительно такая же, как при пуске, т. е. равна R₂C, так как R₂>>R_1. Если по каким-либо причинам нужно уменьшить время разряда конденсатора, параллельно конденсатору следует включить нормально замкнутый контакт того же реле К и разрядное сопротивление.

Рассмотренная схема позволяет «запоминать» выбранную скорость машины. Если не изменять положение движка потенциометра R1, то после каждого включения реле К машина автоматически будет выходить на одну и ту же скорость, определяемую напряжением U₁. На рис. 2.124, в приведена усовершенствованная схема задающего устройства, в которой обеспечивается почти линейный характер процесса разгона машины. По-прежнему требуется выполнение следующих условий:1)сопротивление нагрузки R_н должно более чем в 10 раз превышать сопротивление резистора R3, через который проходит зарядный ток конденсатора; 2)сопротивление резистора R3 должно более чем в 10 раз превышать сопротивление потенциометра R1.

Обычно нагрузкой задающего устройства служит вход-е сопротивление линейной интегральной микросхемы, регулирующей скорость двигателя или напряжение на обмотке якоря. Чтобы входное сопротивление было максимально возможным, нужно использовать схему с подачей сигнала на неинвертирующий вход операционного усилителя, на базе которого построен регулятор. Входное сопротивление последнего составляет несколько мегом, и при расчетах его можно принимать бесконечно большим.

Если в качестве R1 взять проволочный потенциометр с сопротивлением, например, 1 кОм, а резистор R3 будет иметь сопротивление 20 кОм, то можно считать выполненным и второе условие.

Потенциометрические задатчики скорости с сервоприводом. Электроприводы крупных полиграфических машин, например рулонных ротационных печатных машин, имеют несколько постов управления Пуск таких машин должен происходить под наблюдением оператора Время разгона рулонной машины должно быть достаточно большим чтобы не происходило обрыва бумажной ленты.

В соответствии с указанными выше принципами управления разработано и применяется несколько видов задающих устройств, в том чис­ле устройств с потенциометром и серводвигателем, иногда называемых реостатными задатчиками.

В схеме на рис. 2.125, а использован серводвигатель постоянного тока с постоянными магнитами. При замыкании контактов реле К1 двигатель получает правое вращение, при замыкании контактов реле К2 -левое вращение. Вал двигателя через редуктор Р с очень большим передаточным числом i_п приводит в движение вал цилиндрического потенциометра R1.

При включении реле К1 напряжение U₃ и скорость машины увеличиваются, при включении реле К2 — уменьшаются.

На валу реостата имеются кулачковые шайбы, воздействующие на концевые выключатели, которые ограничивают угол поворота этого вала _в обоих направлениях путем отключения катушек реле К1 или К2.

В схеме на рис. 2.125, б использован серводвигатель переменного тока. Реверс ротора осуществляется за счет перевода конденсатора из цепи одной обмотки возбуждения в цепь другой при переключении кон­тактов реле К1 и К2.

Обе схемы имеют существенный недостаток — невысокую надежность. Контакт между движком потенциометра и проволочным сопротивлением может нарушаться из-за механических повреждений. В связи с этим целесообразно применять бесконтактные задатчики скорости.

Бесконтактные задатчики скорости. На рис. 2.126, а дана функциональная схема задающего устройства с вращающимся трансформатором (ВТ) или бесконтактным сельсином. Питание ВТ должно производиться от стабилизатора напряжения (СН), чтобы напряжение U₃ не зависело от напряжения сети, а зависело лишь от угла поворота ротора ВТ.

На рис. 2.126,6 представлена функциональная схема цифрового задатчика скорости (ЦЗС), построенного на основе элементов промышленной электроники. ЦЗС содержит генератор импульсов (ГИ), реверсивный счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и схему управления.

При включении реле К1 счетчик начинает работать в режиме сложения. Число на его выходе, выраженное в двоичной системе, увеличивается. После преобразования в ЦАП получаем напряжение U₃, нараста­ющее по линейному закону. Если реле К1 отключить, достигнутое значение напряжения U₃ будет зафиксировано, и машина продолжает работать на соответствующей скорости. Для дальнейшего увеличения ско­рости нужно вновь включить реле К1. При включении реле К2 счетчик начинает работать в режиме вычи­тания. Напряжение U₃ и скорость машины плавно снижаются.

☻ 20. Микропроцессорная система управления ДПТ. Назначение работы схемы.

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой совокуп­ность МП и указанных устройств, ее структурная схема приведена на рис. 2.128.

В состав МПС наряду с МП в общем случае входят устройства па­мяти оперативной ОЗУ и постоянной ПЗУ; интерфейсное устройство ИУ; устройства сопряжения УС с внешними объектами; внешние запо­ъминающие устройства ВЗУ; устройства ввода-вывода информации УВВ; общая шина ОШ, включающая в себя ШД, ШУ и ША. Кроме того, на схеме рис. 2.128*Структурная схема МПС* обозначено: СЧЭП — силовая часть ЭП (преобразователь , двигатель, передаточный механизм).

Память ОЗУ и ПЗУ служит для размещения подлежащих обработке данных программы, в соответствии с которой эта обработка должна ве­стись, и результатов обработки. Для расширения возможностей МПС кроме ОЗУ и ПЗУ могут использоваться ВЗУ, к которым относятся накопители информации на гибких магнитных дисках.

Устройства ввода-вывода информации предназначены для обеспе­чения взаимодействия МПС и оператора в удобной для него форме. К устройствам ввода-вывода относятся, например, клавиатура пульта управления МПС, принтер, графопостроители, устройства визуального представления информации (дисплеи) и т. д.

Устройства сопряжения УС обеспечивают связь МПС с различны­ми внешними (периферийными) устройствами. Они могут иметь самые разнообразные схемные и элементные реализации. В частности, для связи МПС с датчиками Д координат ЭП и блоками схемы управления ЭП (СУЭП) широко используются аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) электрических сигналов, обозначенные на схеме УС1 и УС2.

Устройства сопряжения УСЗ и УС4, предназначенные для связи МПС с ВЗУ и УВВ, представляют собой в простейшем случае буферные (промежуточные) регистры памяти для хранения данных, переда­ваемых с ОШ на внешние устройства или обратно. УС, получившие название контроллеров (микроконтроллеров), выполняют более сложные Функции, и их работа может программироваться.

Устройства сопряжения УС5 обеспечивают согласование работы Данной МПС с другими МПС и ЭВМ. Устройства такого типа получи­ли название адаптеров.

Интерфейсные устройства (ИУ) — это совокупность электронных схем, шин и алгоритмов (программ), обеспечивающая управление передачей информации между МП, памятью и внешними устройствами, к которым относятся УВВ, ВЗУ и Д. Говоря кратко, ИУ обеспечивает требуемое взаимодействие МПС с указанными внешними устройствами при изменении режима ее работы. Типичным примером является переход от выполнения одной программы к выполнению другой при поступлении от какого-либо внешнего устройства сигнала управления. Такой переход получил название прерывания. После запрещения прерывающей программы ИУ обеспечивает возврат МПС к работе по прерванной программе. Примерами И У являются таймер, блок прямого доступа к памяти, блок организации прерываний.

Отметим, что совокупность МП, памяти и интерфейса, который включает ИУ, УС и ОШ, получила название микроЭВМ.

По назначению МПС и микроЭВМ можно разделить на универсальные и специализированные.

К универсальным относятся МПС и микроЭВМ, способные как обеспечивать управление различными объектами (в том числе и ЭП), технологическими процессами, промышленными предприятиями и т. д., так и выполнять различные вычислительные операции. Для выполнения этих функций МПС имеет широкий набор внешних (периферийных) устройств, показанных на рис. 2.128. Обычно при конкретном применении часть этих устройств может быть не задействована, т.е. универсальные МПС и микроЭВМ обладают определенной элементной избыточностью.

Специализированными называются МПС, которые уже на стадии своего создания ориентированы на конкретное применение — для схем управления ЭП технологических машин, для бытовых приборов или детских игр, для измерительных систем и т. д. В связи с такой ориента­цией МПС этого типа содержат только те устройства и имеют такое программное обеспечение, которые обеспечивают выполнение этих за­ранее определенных функций.

☻ 21. Процесс нагревания и охлаждения ЭД при Мс=соnst. Уравнение теплового баланса. Вывод уравнения температуры перегрева ЭД =(f) для режима S1.

При ориентировочном анализе тепловых процессов в двигателе обычно делают следующие допущения:

а)двигатель считают однородным телом с бесконечно большой (идеальной) теплопроводностью, при этом температура во всех точках двигателя одинакова;

б)теплоотдачу во внешнюю среду считают пропорциональной перегреву, т. е. учитывают только теплопроводность.

Уравнение теплового баланса двигателя при неизменной нагрузке:

Pdt = Adt + Cd.

Р — потери мощности, выражаемые общим количеством тепла, вы­деляющимся в двигателе за 1 с, Вт;

С—теплоемкость двигателя, т. е. количество тепла, необходимое для увеличения его температуры на 1 °С, Дж/°С;

А — теплоотдача, т. е. количество тепла, отдаваемое двигателем в ок­ружающую среду за 1 с при превышении температуры (перегреве), рав­ном 1 °С, Дж/(с- °С).

Решение этого уравнения при начальном условии =нач и при введении обозначений у=Р/А, Тн=С/А (3.1)

имеет вид: =у-(у-нач) е^-t/Tн

При t = =у , следовательно, у— установившееся значение перегрева двигателя.

Величина Т_н называется постоянной времени нагрева двигателя. Уравнение охлаждения двигателя от у1 до у2 :

=у2+ (у1-у2)е^-t/Tн

Нормируются восемь режимов работы, которые обозначают s1 - s8

1. Продолжительный номинальный режим s1 характеризуется неизменной нагрузкой, приложенной к ЭД на такое длительное время, что превышение температуры всех частей двигателя достигает установившегося значения (рис. 3.2, а). Если исходить из простейшей тепловой модели, то можно считать, что к холодному ЭД (начальное превышение температуры равно нулю) неизменная нагрузка должна быть приложена в течение (3-4) Т_н, Т_н — постоянная времени нагрева для данного двигателя.***

☻ 22. Режимы работы ЭД. Метод эквивалентных величин в расчёте мощности ЭД.

Основу классификации режимов работы составляет их влияние на нагрев ЭД. При этом длительность режима сопоставляется с тепловой инерционностью двигателя и постоянной времени нагрева.

Нормируются восемь режимов работы, которые обозначают s1 - s8

1. Продолжительный номинальный режим s1 характеризуется неизменной нагрузкой, приложенной к ЭД на такое длительное время, что превышение температуры всех частей двигателя достигает установившегося значения. Если исходить из простейшей тепловой модели, то можно считать, что к холодному ЭД (начальное превышение температуры равно нулю) неизменная нагрузка должна быть приложена в течение (3-4) Т_н, Т_н — постоянная времени нагрева для данного двигателя.

2. Кратковременный номинальный режим s2 — режим, при котором неизменная нагрузка прикладывается к ЭД на время, недостаточное для достижения установившегося превышения температуры, после чего двигатель отключается на столь длительное время, что все части его охлаждаются до температуры, совпадающей с температурой окружающей среды (допустимая разность температур 2 °С).

3. Повторно-кратковременный номинальный режим s3 — режим, при котором нагрузка имеет циклический характер и состоит из кратковременных периодов неизменной нагрузки (в течение этих периодов температура ЭД не достигает установившегося значения) и коротких пауз, за время которых двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Во время паузы ЭД отключается от сети .

Максимальная продолжительность цикла в режиме s3 принята 10 мин.

Существуют разновидности повторно-кратковременного режима. В повторно-кратковременном номинальном режиме с частыми пусками S4 пусковые потери оказывают существенное влияние на нагрев ЭД. В повторно-кратковременном номинальном режиме с частыми пусками и электрическим торможением s5 учитываются не только пусковые по­тери, но и потери при электрическом торможении.

4.Продолжительный режим работы с циклически изменяющейся нагрузкой s6 отличается от повторно-кратковременного режима толь­ко тем, что ЭД не отключается от источника питания. Этот режим так­же имеет разновидности: перемежающийся режим с частыми реверса­ми s7 и режим работы с двумя или более скоростями s8.