10 Характеристика «вход-выход» ув и способ её линеаризации.

Характеристика «вход-выход» определяет зависимость среднего значения выпрямленной э.д.с. УВ от сигнала (напряжения) на входе его системы импульсно-фазового управления (СИФУ), т.е. E_d = f(u_у). Рассмотрим такую характеристику применительно к УВ с СИФУ, в которой сигнал u_у сравнивается с пилообразным опорным напряжением u_п (Рис.10.1).

Рис.10.1. Функциональная схема системы импульсно-фазового управления m-фазным УВ (а) и диаграммы сигналов, поясняющие работу одного канала (б).

На схеме приняты обозначения: БП – блок питания; СУ – синхронизирующее устройство; Ф – фильтр ГПН – генератор пилообразного напряжения; НО – нуль-орган; ФДИ – формирователь длительности импуольсов; УО – управляющий орган; ВЧГ – высокочастотный генератор; РИ – распределитель импульсов; ВУ – выходное устройство; Т1, Т2 – тиристоры.

На Рис.10.1б показаны формы сигналов: U_cа – синхронизирующее напряжение первого канала СИФУ; U_п – пилообразное напряжение; U_уи – форма напряжения на входе ФДИ; U_у1, U_у2 – форма управляющих импульсов тиристоров анодной (Т1) и катодной (Т2) групп вентильного комплекта;

В момент равенства u_у = u_п вырабатывается импульс управления соответствующим тиристором. Начальный угол управления a_нач при u_у= 0 устанавливается напряжением смещения U_см. Обычно a_нач устанавливается таким, чтобы при u_у=0 и отсутствии э.д.с. в цепи нагрузки (E = 0) величина выпрямленного тока I_d равнялась нулю. С учётом зоны прерывистого тока, это достигается при a_нач = ^p/₂ + ^p/_m.

Регулировочная характеристика СИФУ с таким значением a_нач запишется в виде

p p p p p p

a = a_нач - ¾ u_у = ¾ + ¾ - ¾ u_у = ¾ + ¾ - p u_у^* ,

U_пм 2 m U_пм 2 m

где U_пм – максимальное значение пилообразного напряжения, а u_у^*= u_у/ U_пм.

Имея регулировочные характеристики E_d(a), например, на Рис.5.6 (лекция 5) и регулировочную характеристику СИФУ по выражению (10-1) можно построить результирующие характеристики «вход-выход» Е_d(u_у). На Рис.10.2 такие характеристики приведены для реверсивного (двухкомплектного) выпрямителя с раздельным управлением при m = 6 в виде зависимости относительных величин Е_d^*(u_у^*), где Е_d^*= Е_d/ Е_m и u_у^*= u_у/ U_пм.

При раздельном управлении тиристорные группы «В» и «Н» работают поочерёдно и независимо друг от друга, поэтому результирующая характеристика «вход-выход» реверсивного УВ представляет собой комбинацию из характеристик «вход-выход» двух нереверсивных УВ. Для одного комплекта они располагаются правее пунктирной синусоиды x(u_у^*), т.е. в первом, четвёртом и третьем квадрантах координатной плоскости и соответствуют комплекту «В».

Рис.10.2. Характеристики «вход-выход» реверсивного УВ с раздельным управлением при , tgθ_мк = 0,5, m=6 и различных значениях э.д.с. нагрузки (ξ=-0,4; 0; 0,4)

_____ в р.н.т. - - - в р.п.т. Пунктирная синусоида Е^*_dξ(u_у^*) определяет границу раздела характеристик комплектов «В» и «Н».

Для второй группы характеристики располагаются левее пунктирной синусоиды x(u_у^*), т.е. в третьем, втором и первом квадрантах и соответствуют комплекту «Н». Граничная кривая (пунктирный отрезок синусоиды

x(u_у^*)= Sin pu_у^* (10-2)

разделяет «области» этих характеристик и соответствует нулевому току нагрузки, т.е. режиму идеального холостого хода УВ, когда э.д.с. нагрузки не ровна нулю. Переход с регулировочной характеристики одного комплекта на регулировочную характеристику другого происходит в моменты переключения логического устройства при нулевом токе нагрузки, т.е. всегда в одной из точек граничной кривой (10-2). Избежать прерывистых токов с таким принципом регулирования невозможно².

Сплошными линиями на Рис.10.2 показаны характеристики «вход-выход» в режиме непрерывного тока, т.е. зависимости Е_d1^*(u_у1^*) и Е_d2^*(u_у2^*) для первого «В» и второго «Н» комплектов УВ соответственно. Пунктирными линиями в области между характеристикой (10-2) и одной из характеристик Е_d1^*(u_у1^*) или Е_d2^*(u_у2^*) располагается множество характеристик «вход-выход» в режиме прерывистого тока для комплектов «В» или «Н» соответственно. В качестве примера такие характеристики показаны на Рис.10.2 для трёх значений э.д.с. двигателя (x= -0,4; 0; 0,4) и значении tgq = 0,5. При токе нагрузки равном нулю эти характеристики сходятся к пунктирному участку синусоиды

x(u_у^*) = Sin(π·u_у^*). (10-3)

Таким образом, характеристики «вход-выход» реверсивного УВ с раздельным управлением существенно нелинейны и неоднозначны, ибо их форма зависит не только от сигнала u_у, но и от величины э.д.с. нагрузки Е. Учитывая этот факт выпрямленную э.д.с. E_d можно условно представить в виде суммы из двух слагаемых:

E_d = E_dx + E_di, (10-4)

где E_dx– среднее значение э.д.с. УВ, компенсирующее э.д.с. нагрузки ξ, т.е. E_dx=Е;

E_di – среднее значение составляющей э.д.с. УВ, равное падению напряжения в активном сопротивлении нагрузки (в якорной цепи), т.е. E_di= I_dR_я.

Рассмотрим графики зависимостей каждой из составляющих E_dx и E_di от сигналов u_уξ^* и u_уi^*. Будем полагать, что режим работы УВ определяется, например, точкой А на плоскости Рис.10.2, для которой составляющие E_dx^* и E_di^* определяются соответствующими отрезками оси ординат, а составляющие сигнала управления u_у^* – соответствующими отрезками оси абсцисс u_уx^* и u_уi^*. Очевидно, что для первой составляющей c учётом (10-3)

u_yξ^* = (arksin ξ)/π (10-5)

т.е. характеристика совпадает с координатами точек граничной кривой на Рис.10.2 (пунктирный отрезок синусоиды).

Для второй составляющей u_уi^*= f(E_di^*) характеристика может быть построена лишь графически. Такое построение можно выполнить, перемещая точку А по одной из выбранных характеристик «вход-выход» и используя отрезки u_уi^* и E_di^* в качестве значений координат для искомой зависимости u_уi^*= f(E_di^*). Таким способом построены характеристики, показанные в виде графиков на Рис.10.3 для трёх разных значений x при tgq = 0,5.

Как видим зависимости для каждой из составляющих E_dx^*(u_уx^*) и E_di^*(u_уi^*) существенно нелинейны.

Рис.10.3. Характеристика составляющей э.д.с. УВ Е_di (нелинейного звена НЗ2);

_____ для р.н.т.; - - - для р.п.т.

Рассмотрим способ линеаризации регулировочной характеристики УВ с помощью двух дополнительных нелинейных звеньев НЗ1 и НЗ2 с характеристиками обратными к нелинейностям E_dx^*( u_уx^*) и E_di^*(u_уi^*) соответственно. Это достаточно удобный способ построения замкнутой системы вентильного электропривода постоянного тока и, в частности, удобный алгоритм при его микропроцессорной реализации.

Функциональная схема реверсивного УВ с дополнительными нелинейностями и раздельным управлением комплектами с помощью ЛУ, приведена на Рис.10.4. Схема содержит один комплект СИФУ, управляющие импульсы которого поступают на тиристоры через ключи КВ2 и КН2, к работающему в данный момент комплекту «В» или «Н».

Ключами КВ1 и КН1 инвертируется суммарный сигнал управления u_у на входе СИФУ при смене работающего комплекта.

Рис.10.4. Функциональная схема реверсивного УВ с устройствами линеаризации характеристик и раздельным управлением комплектами для регулируемого электропривода.

Нелинейное звено НЗ2, на вход которого подаётся внешний по отношению к УВ сигнал (например, с выхода регулятора в структуре электропривода), обеспечивает линейную зависимость между напряжением этого регулятора u_р и величиной среднего значения тока I_d или составляющей E_di = I_dR_я. Фактически с помощью НЗ2 достаточно обеспечить равенство E_di^*= u_р^* или E_di^*U_пм = u_р.

Нелинейное звено НЗ1 в канале положительной обратной связи по э.д.с. или по частоте вращения двигателя, если w º Е_д (при постоянном магнитном потоке), обеспечивает линейную зависимость между величинами сигналов обратной связи по э.д.с. нагрузки Е и составляющей э.д.с. УВ E_dx т.е. E_dx^*= x или (К_тгw/U_пм) = x. Его характеристика определяется выражением (10-5).

Сигналы с выходов нелинейных звеньев складываются и подаются через ключ КВ1 или через инвертор И и КН1 на вход СИФУ. Сюда же (на вход СИФУ) подаётся постоянное напряжение смещения U_см, определяющее начальный угол управления a_нач при равенстве нулю суммы сигналов НЗ1 и НЗ2. Последнее означает, что область регулирования управляющего напряжения u_у находится в зоне U_см > u_у > -U_см.

Заметим, что если напряжение смещения в точке суммирования на Рис.10.5 отрицательно U_см = -(¹/₂ + ¹/_m)U_пм, (где U_пм – амплитуда пилообразного напряжения и одновремённо базовая величина для сигналов управления), то характеристика «вход – выход» реверсивного УВ с раздельным управлением комплектами в относительных единицах будет выглядеть так, как это показано на Рис.10.2. Характеристика нелинейного звена НЗ1 в относительных единицах будет представлять собой арксинусную зависимость по выражению (10-5), а нелинейного звена НЗ2 так как это показано на Рис.10.3. Характеристика нелинейного звена НЗ2 в этом случае компенсирует нелинейность УВ по сигналу u_уi (нелинейность графиков на Рис.10.3), а нелинейного звена НЗ1 - по сигналу положительной обратной связи по э.д.с. нагрузки Е. Зависимости E_dx(Е) и E_di(u_р) с характеристиками НЗ1 и НЗ2 в структуре Рис.10.4 получаются линейными во всём диапазоне изменения Е и I_d.

В случае использования микропроцессорных средств для реализации характеристик нелинейных звеньев НЗ1, НЗ2 структуры по Рис.10.4 можно обеспечить практически строгое равенство между составляющей E_dx, формируемой на выходе УВ сигналом положительной обратной связи К_тгw, и фактической величиной Е в цепи нагрузки, а также строгую пропорциональность между сигналом u_р и величиной тока I_d на выходе того же УВ.

Такие качества реверсивного УВ обеспечивают точное управление любыми другими параметрами движения в замкнутой системе вентильного электропривода. Однако, даже при достаточно грубой аппроксимации нелинейностей НЗ1 и НЗ2 с помощью одного или двух изломов (например, с помощью аналоговых устройств на базе операционных усилителей) обеспечиваются вполне удовлетворительные результаты в регулируемых электроприводах с глубоким диапазоном изменения скорости (до1/10000).