Приведем ряд силовых схем тиристорных электроприводов

Фазовое управление (вертикальный способ управления). Питание двигателей постоянного тока осуществляется от тиристорных преобразователей, например, в электроприводе ЭТ-3Р (см.силовую схему рис.10.17). Вертикальный способ управления заключается в том, что изменение фазы управляющего импульса обеспечивается изменением управляющего напряжения относительно некоторого опорного напряжения и генерации управляющего импульса при равенстве управляющего и опорного напряжений. Для вертикального способа фазосмещения наиболее широко используются два вида опорных напряжений: линейно изменяющееся во времени и синусоидальное.На рис.10.19 показано формирование выходного напряжения преобразователя при линейно изменяющемся опорном напряжении.

Рис.10.17.Встречно-параллельная схема с нулевым выводом

Системы импульсно-фазового управления (СИФУ) делятся на две основных группы: синхронные СИФУ и асинхронные.В тиристорных электроприводах наиболее распространены синхронные СИФУ, имеющие блок синхронизации.Синхронизация с питающей сетью заключается в том, что управляющие импульсы для каждого тиристора преобразователя генерируются в диапазоне, жестко связанном с периодичностью повторения анодного напряжения и использующие момент перехода фазных напряжений на положительную полуволну.При этом синхронизирующий импульс задерживается на угол b (для трехфазных систем b = 30^°). Упрощенная функциональная схема системы вертикального управления представлена на рис.10.18.

Рис.10.18

Элементы этой схемы:

СУ - синхронизирующее устройство;

ГПН - генератор пилообразного напряжения;

СС - схема сравнения;

ФИ - формирователь импульсов управления тиристорами;

РИ - распределитель импульсов управления тиристорами;

ТП - тиристорный преобразователь.

Диаграмма напряжений и токов в силовой цепи и элементах схемы управления представлена на рис. 10.19.

Рис.10.19

На синхронизирующее устройство подаются напряжения трех фаз. В моменты времени, соответствующие точкам, в которых положительные фазные напряжения равны (см.рис.10.19), синхронизирующее устройство вырабатывает синхронизирующие импульсы, запускающие ГПН. Напряжение ГПН подается на сравнивающее устройство, где оно сравнивается с напряжением управления. В моменты равенства U_гпн = U_у устройство сравнения выдает управляющие импульсы на блок формирования управляющих напряжений для тиристорного преобразователя.Временная разница между импульсами блоков СС и СУ определяет угол управления a. Диаграммы напряжения на выходе преобразователя, тока якоря и частоты вращения при a = 30^° эл. представлены на рис.10.19.

Частота вращения якоря

W = Uяmax cosa / Yad - r_я M_cт / Yad ² (10.46)

Механические характеристики электродвигателя постоянного тока при питании якоря от одной группы тиристорного преобразователя представлены на рис.10.20.

Рис.10.20

Отличительной особенностью этих характеристик является наличие зоны нелинейности при малых M_cт в области прерывистых токов.Явление прерывистого тока вызвано тем, что с уменьшением тока якоря при снижении момента нагрузки уменьшается запас электромагнитной энергии в индуктивных элементах якорной цепи и это приводит к тому, что величины ЭДС самоиндукции оказывается недостаточно для поддержания тока якоря при отрицательных напряжениях на анодах тиристоров.При этом на якоре будет действовать не среднее напряжение, как при протекании тока якоря, а только положительная полуволна, что приводит к увеличению выпрямленного напряжения. В режиме прерывистых токов наблюдается появление бросков тока.Кроме того, бестоковая пауза вносит отклонение в работу системы регулирования: во время бестокового отрезка времени сигнал обратной связи по току отсутствует и происходит накопление сигнала задания тока интегратором регулятора тока (регуляторы тока, как правило, выполняют ПИ- типа). Все это приводит к возрастанию пульсаций частоты вращения электродвигателя в режимах близких к холостому ходу.Для исключения перерегулирования, вызванного бестоковой паузой, необходимо принятие специальных мер,одной из которых может служить отключение входа интегратора регулятора тока на время паузы.

Описанное явление отсутствует при совместном симметричном управлении тиристорными блоками реверсивного преобразователя. Напряжение выпрямительной группы тиристоров U₁ =

U_d0 cosa₁ , а напряжение инверторной группы U₂ = U_d0 cosa₂ . Если фазы управляющих импульсов тиристорного преобразователя удовлетворяют условию a_{1 +} a_{2 =} p и процессы в обеих тиристорных блоках происходят одновременно, средние значения напряжений работающих фаз равны между собой и по отношению к двигателю U₁ = - U₂. Однако мгновенные значения напряжений параллельно включаемых фаз не равны, поэтому появляются уравнительные токи, замыкающиеся как через якорь, так и минуя якорь двигателя.Для ограничения уравнительных токов на выходе тиристорного преобразователя включены уравнительные реакторы, однако они снижают быстродействие системы.

Приведем ряд силовых схем тиристорных электроприводов, рис. 10.21 - 10.23.

Рис.10.21. Силовая схема тиристорного электропривода ЭТ-6

Выходное напряжение преобразователя этого электропривода, в отличие от ЭТ-3Р, имеет пониженные пульсации, время квантования в два раза меньше.

Мостовая схема встречно-параллельного включения представлена на рис.10.22.

Рис.10.22. Силовая схема тиристорного электропривода ЭТУ- 3601

Мостовая перекрестная схема преобразователя представлена на рис. 10.23.Дроссели L₁ , L₂ могут быть выполнены насыщающимися.Перекрестная схема уступает встречно-параллельной по техническим и весовым показателям, так как она имеет трехобмоточный трансформатор, имеющий больший вес и стоимость, чем двухобмоточные трансформаторы других схем.

Рис.10.23

Тиристорный преобразователь с реверсором может иметь вид, показанный на рис.10.24.

Рис.10.24. Силовая схема тиристорного электропривода 5У-3608

Силовая часть схемы образована трехфазным двухполупериодным управляемым выпрямителем. Реверс осуществляется с помощью тиристорного моста - реверсора. Пусть в исходном состоянии открыты тиристоры Т1 и Т3. Для осуществления рекуперативного торможения управляемый выпрямитель переводится в режим зависимого инвертора и, как только проводившие ток вентили закроются,открывается вторая пара тиристоров Т2 -Т4, обеспечивая перекачку запаса энергии электрической машины в питающую сеть. После торможения электродвигателя до остановки управляемый выпрямитель переводится вновь в выпрямительный режим и двигатель разгоняется в обратном направлении.

Импульсное управление. Сущность импульсного управления состоит в том, что регулирование частоты вращения электродвигателя не за счет изменения величины напряжения управления, а за счет изменения времени, в течение которого подводится это напряжение.При импульсном управлении работа двигателя состоит из чередующихся периодов разгона и торможения, то есть частота вращения двигателя непрерывно колеблется относительно некоторого среднего значения. С увеличением относительной продолжительности включенного состояния среднее значение частоты вращения растет.Амплитуда колебаний частоты вращения тем меньше, чем больше отношение электромеханической постоянной времени к периоду следования импульсов.Основными схемами импульсного управления являются схемы с тиристорными или транзисторными преобразователями.Для быстродействующих электроприводов с широким диапазоном регулирования, высокой точностью и хорошими энергетическими показателями важно, чтобы преобразователь обладал малой инерционностью, двусторонней проводимостью и малым сопротивлением выходного каскада. Этим требованиям отвечают транзисторные преобразователи с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения.

Пусть питание двигателя постоянного тока осуществляется от транзисторного преобразователя как, например, в электроприводе ЭШИМ-1 или ПРП1, рис.10.25.

Рис.10.25

В этой схеме: НВ - неуправляемый выпрямитель, С_{ф -}конденсатор фильтра, К- компаратор.

Возможна частичная рекуперация энергии от двигателя в конденсатор.При возрастании напряжения на конденсаторе выше нормы компаратор, сравнивая напряжение конденсатора с эталонным, открывает транзистор VT- 5 и происходит частичный разряд конденсатора на сопротивление R_т.

Упрощенная функциональная схема системы импульсного управления представлена на рис.10.26.

Рис.10.26

Элементы этой схемы:

ГТЧ - генератор тактовой частоты;

ГПН - генератор пилообразного напряжения;

СС - схема сравнения;

ФИ1,ФИ2 - формирователи управляющих сигналов;

Т - триггер.

Напряжение U_ук - напряжение управления ключами преобразователя.

Диаграмма напряжений и токов в силовой цепи и элементах схемы управления представлена на рис. 10.27.

Рис.10.27

Задающим элементом системы управления является генератор тактовой частоты.Он определяет длительность цикла. Обычно тактовая частота выбирается в пределах 1-2 кГц. Импульсы ГТЧ запускают генератор пилообразных напряжений и первый формирователь импульсов, который активизирует триггер.Триггер направляет управляющие сигналы на открытие транзисторных ключей. На якорь двигателя подается напряжение источника питания.

Напряжение ГПН подается на сравнивающее устройство, где оно сопоставляется с управляющим напряжением. В моменты равенства U_гпн = U_у устройство сравнения выдает управляющие импульсы на второй формирователь импульсов управления, который опрокидывает триггер и транзисторные ключи закрываются. Временная разница между импульсами ГТЧ и блока СС определяет время включения (управления) двигателя в цикле.Коэффициент скважности g=t_у/t_ц. Диаграммы напряжения на выходе преобразователя, тока якоря и частоты вращения при g= 0,75 представлены на рис.10.27.

Широтно-импульсные преобразователи на транзисторах имеют симметричное или несимметричное управление.Диаграммы рис.10.26 отображают процессы при несимметричном управлении. Частота вращения якоря

W = g Uяmax / Yad - r_я M_cт / Yad ² (10.47)

Механические характеристики электродвигателя постоянного тока при питании якоря от транзисторного преобразователя, работающего в несимметричном режиме, представлены на рис.10.28.Наибольшая протяженность режима прерывистых токов имеет место при g = 0,5. При

g = 0 и g = 1 возможен только режим непрерывного тока.При высокой частоте ШИМ (f ³ 10 кГц) зона нелинейности практически отсутствует.

Рис.10.28

Отличительной особенностью этих характеристик является наличие зоны нелинейности при малых M_cт в области прерывистых токов. Режим прерывистых токов возможен тогда, когда постоянная времени электромагнитных переходных процессов меньше периода квантования t_{ц, и} характеризуется тем, что во время паузы ток якоря равен нулю_.Очевидно, что закон регулирования частоты вращения элетродвигателя в режиме непрерывного тока получается линейным.Граница перехода из одного режима в другой на рис.10.28 показана штриховой линией.

Этого недостатка можно избежать при симметричном управлении транзисторным преобразователем. Механические характеристики двигателя при этом не имеют нелинейной зоны.Однако электрические и дополнительные потери возрастают и снижают КПД системы. Симметричный способ управления используется в маломощных электроприводах.

Другой способ предотвращения появления прерывистых токов и сокращения зоны нелинейности заключается в введении в цепь якоря индуктивных реакторов, рис.10.29.

Рис.10.29

При несимметричном режиме в период пауз напряжения питания электромагнитная энергия, накопленная в реакторах L_1, L₂ , наряду с электромагнитной энергией, сосредоточенной в индуктивности обмотки якоря, поддерживает протекание тока якоря в прежнем направлении. Выбором величины индуктивности реакторов можно свести зону нелинейности практически до нуля.

ДАТЧИКИ ТОКА, СКОРОСТИ И ПОЛОЖЕНИЯ.

Функционально датчики можно подразделить на два основных типа: датчики внутреннего состояния (локальные) и датчики внешнего состояния (системные датчики).

К системным датчикам относятся:

- датчики положения рабочего органа;

- сенсорные датчики;

- конечные путевые датчики.

К локальным датчикам электропривода относятся:

- датчики положения электропривода;

- датчики положения ротора относительно фаз статора электродвигателя;

- датчики скорости;

- датчики тока;

- датчики магнитного поля электродвигателя.

К датчикам предъявляются следующие общие требования: простота конструкции, малогабаритность, высокая надежность, помехоустойчивость, независимость входных и выходных цепей, простота эксплуатации, возможность абсолютных отсчетов.

Так как работа систем автоматического регулирования оценивается по рассогласованию между входной (командной) и выходной (исполнительной) осями, то целесообразно погрешности всех элементов приводить к этим осям. Если чувствительный элемент (датчик) соединить с исполнительной осью через мультипликатор (редуктор) с передаточным числом i_ред , то одному повороту вала механизма будет соответствовать i_ред поворотов оси чувствительного элемента. Тогда статическая ошибка датчика, приведенная к исполнительной оси, будет в i_ред раз меньше действительной ошибки. За счет выбора передаточного числа редуктора можно уменьшить значение ошибки до допустимых пределов.

Результирующая ошибка системы автоматического регулирования зависит от многих факторов и в общем виде может быть представлена следующим выражением /11 /

d_S =d_b +d_м +d_и +d_к +d_л +d_др,

где d_b - ошибка, обусловленная законом движения задающей оси; d_м - моментная составляющая ошибки, определяемая приложенным к валу исполнительного электродвигателя возмущающим моментом; d_{и -} суммарная инструментальная ошибка задающего и принимающего элементов; d_к -суммарная кинематическая ошибка, учитывающая погрешности при изготовлении редукторов в точном канале входного и выходного валов; d_л - суммарный зазор в кинематической цепи редукторов точного канала входного и выходного валов; d_{др -} ошибка, обусловленная дрейфом нуля усилительных устройств.

Ошибка системы d_уст = d_b + d_м , обеспечивающая заданный закон ее движения, задается в техническом задании как допустимая ошибка. Если значение этой ошибки не оговорено, то принимают d_уст = d_S / 2. Тогда допустимое значение инструментальной ошибки d_и = d_S / 2 -d_к -d_л -d_др. В настоящем разделе основное внимание будет уделено инструментальным ошибкам датчиков.