- ГЛАВА 2. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА
- §2.3.Импульсный способ регулирования скорости исполнительных двигателей постоянного тока
- Решение задач по ТОЭ, ОТЦ, Высшей математике, Физике, Программированию.
- § 2.3. Импульсное управление исполнительным двигателем постоянного тока
- § 2.4. Динамические характеристики исполнительных двигателей постоянного тока
- § 2.5. Конструкции исполнительных двигателей постоянного тока
ГЛАВА 2. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА
§2.3.Импульсный способ регулирования скорости исполнительных двигателей постоянного тока
Широтно-импульсный способ управления. Наиболее широкое применение из всех видов импульсного регулирования для управления двигателями постоянного тока нашло широтно-импульсное регулирование напряжения (ШИР).
При импульсном способе (рис 2.13) к микродвигателю подводятся импульсы неизменного по амплитуде напряжения управления Uу.ном,в результате чего его работа состоит из чередующихся периодов разгона и торможения. Если эти периоды малы по сравнению с полным временем разгона и остановки ротора, то угловая скорость ротора не успевает к концу каждого периода достигать установившихся значений и установится некоторая средняя угловая скорость ωcp . Значение ωcp при неизменных моменте нагрузки и напряжении возбуждения однозначно определяется относительной продолжительностью импульсов ε :
где tи— длительность импульса; Ти — период.
С увеличением относительной продолжительности импульсов (рис.2.13, ε ‘> ε ) угловая скорость ротора растет ( ω’cp > ωcp ).В период паузы tп ротор обязательно должен тормозиться. Если это условие не будет выполняться, то угловая скорость ротора при любом значении ? будет непрерывно увеличиваться, пока не достигнет значения угловой скорости х.х., так как во время импульса угловая скорость будет возрастать, а во время паузы – оставаться практически неизменной.
С ростом частоты управляющих импульсов амплитуда колебаний скорости уменьшается; среднее значение угловой скорости остается при этом неизменным.
Принципиальные схемы импульсного регулирования показаны на рис. 2.14.
Если к валу двигателя приложен статический момент нагрузки, приводящий к механическому торможению двигателя во время паузы, то возможно применение схемы (рис.2.14,а), в которой ключ К в течение одной части цикла подключает якорь непосредственно к источнику питания, создавая положительный момент (разгон), в течение же другой части – отключает якорь от источника питания (торможение). Если двигатель работает без или с малой статической нагрузкой, то возможно применение электрического торможения (динамического или противовключением) во время паузы. Например, в схеме на рис. 2.14,б ключ К переключает во время паузы якорь на сопротивление Rд для осу¬ществления динамического торможения. В качестве ключевых элементов в современных схемах используются транзисторы или тиристоры; контактные электромагнитные реле, ввиду их низкого быстродействия, практически не применяются.
Рассмотрим механические и регулировочные характеристики исполнительного двигателя постоянного тока при импульсном управлении с торможением за счет статического момента сопротив¬ления Mст на валу (рис.2.14,а). Под механической характеристикой при импульсном управлении понимают зависимость средней угловой скорости от среднего значения момента при неизменной относительной продолжительности импульсов ε. Под регулировочной характеристикой понимают зависимость средней угловой скорости ротора от относительной продолжительности импульсов ε при неизменном среднем моменте на валу двигателя.
В зависимости от параметров двигателя схемы управления и момента нагрузки возможны два основных режима работы двигателя: режим прерывистого тока и режим непрерывного тока.
Режим прерывистого тока характеризуется тем, что ток якоря течет во время импульса, а в течение основного времени паузы tп равен нулю. Этот режим может возникнуть в схеме рис. 2.14,а при τя ωcp*=1 — Mcp*/ε , (2.23)
Механические характеристики – линейные и начинаются из одной общей точки х.х.; жесткость механических характеристик уменьшается при уменьшении ε . Регулировочные характеристики – нелинейные; регулирование возможно только при Mcp*!!=0.
Режим непрерывного тока характеризуется тем, что во время паузы tп уменьшающийся ток якоря iя продолжает протекать по якорю в том же направлении, что и во время tи.
Этот режим может возникнуть, например, при регулировании по схеме рис. 2.14,а при Tи ωcp*=ε — Mcp* , (2.24)
Механические и регулировочные характеристики будут иметь такой же вид, как и при непрерывном якорном способе управления (см.рис. 2.7) с заменой α на ε . Как видно, закон регулирования угловой скорости в режиме непрерывного тока получается линейным.
В реальных схемах импульсного управления режим работы двигателя в одном диапазоне моментов и угловых скоростей ближе к режиму непрерывного тока, в другом – к режиму прерывистого тока.
Механические и регулировочные характеристики для этого случая представлены на рис. 2.15. Граница перехода из одного режима в другой показана пунктирной линией (механические характеристики,рис.2.15,а). С целью обеспечения линейности регулировочных характеристик (рис.2.15,б) диапазон прерывистых токов стремятся сузить.
Основные преимущества импульсного способа управления – меньшее значение средней потребляемой двигателем мощности; возможность управления при нерегулируемом источнике постоянного тока, например, бортовой аккумуляторной батарее. Однако аппаратура управления в общем случае более сложная, чем при непрерывном управлении.
На рис.2.16 приведена классификация основных типов широтно-импульсных преобразователей. Широтно-импульсные преобразователи состоят из силовой части, выполняемой на транзисторах, тиристорах или запираемых тиристорах, и схемы управления; питаются они от сети постоянного тока.
На первых этапах применения полупроводниковых ШИП выбор транзисторной или тиристорной элементной базы основывался на следующих соображениях. Транзисторные ШИП имеют относительно малую мощность, невысокую перегрузочную способность по току (2-2,5 Iном), но позволяют реализовать частоту импульсов до 5 кГц. Тиристорные ШИП более мощные и лучше выдерживают перегрузки по току и напряжению, но позволяют работать с импульсами частотой не более 1 кГц и требуют более сложной схемы управления.
Однако в настоящее время подход к выбору силовой элементной базы ШИП несколько меняется, что объясняется двумя основными факторами. С одной стороны, созданы силовые модули на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором, по мощности и перегрузочной способности практически не уступающие тиристорным и работающие на частотах до 10кГц. С другой стороны, в настоящее время все более широко выпускаются достаточно мощные запираемые тиристоры , которые в отличие от обычных тиристоров можно и закрыть подачей соответствующего потенциала на управляющий электрод.
Принцип работы транзисторного ШИП основан на использовании транзисторов в ключевом режиме: транзистор пропускает ток при подаче управляющего сигнала и перестает его пропускать после снятия сигнала.
Транзисторные ШИП в первом приближении можно считать идеальными звеньями с бесконечно малой инерционностью и бесконечно малым внутренним сопротивлением и для анализа систем ШИП-Д пользоваться выражениями механической характеритики и передаточной функции, полученной непосредственно для двигателя.
Принцип работы ШИП на запираемых тиристорах не имеет существенных отличий от работы транзисторного ШИП.
Принцип работы ШИП с обычными тиристорами в отличие от транзисторных имеет две основные особенности. Во-первых, в состав тиристорного ШИП входит схема искусственной коммутации, которая должна при питании тиристора от сети постоянного тока в требуемый момент времени изменить полярность на аноде и катоде и запереть тиристор. Связано это с тем, что тиристор после отпирания теряет управляемость и запереть его подачей сигнала на управляющий электрод невозможно. Во-вторых, запирание тиристора требует определенного времени, что не позволяет реализовать относительную продолжительность импульсов ε , достаточно близкую к нулю.
Системы с тиристорными ШИП.В схемах искусственной коммутации, которые подразделяются на схемы параллельного и поледовательного типов, для запирания тиристоров обычно используется заряд, накапливаемый конденсатором.
В схемах с параллельной коммутацией, один из вариантов которых показан на рис. 2.17,а, конденсатор С подключен непосредственно к основному тиристору Т1, который отпирается импульсами управления Uи1, следующими с требуемым периодом Ти. Конденсатор С заряжается через добавочное сопротивление Rg и открытый тиристор Т1 до напряжения Uc ≠ U .Для запирания тиристора Т1 – завершения подачи силового импульса на якорь двигателя Я, в момент времени tи подается управляющий импульс Uик на управляющий электрод вспомогательного тиристора Тк.
Тиристор Тк отпирается, конденсатор С начинает разряжаться и напряжение Uc, приложенное к тиристору Т1 в запирающем для него направлении, запирает тиристор Т1. При спаде разрядного тока до значения, меньшего удерживающего тока тиристора, запирается и тиристор Тк.
В схемах с последовательной коммутацией, один из вариантов которых показан на рис. 2.17,б, последовательно с якорем двигателя и основным тиристором Т1 включен дроссель L. Коммутирующая цепь, состоящая из конденсатора С, дополнительного дросселя Lк и диода Дк, подключается к источнику постоянного тока с напряжением Uк !! Uк.
При подаче управляющего импульса на вспомогательный тиристор Тк он открывается и возникает колебательный контур LC, в котором начинает протекать ток разряда конденсатора. В дросселе L возникает ЭДС самоиндукции, значение которой в первый момент времени равно Uc, а направление – противоположно току. Потенциал анода тиристора Т1 становится ниже потенциала катода, и тиристор запирается. Затем в результате колебательных процессов, происходящих в колебательных контурах LC и DкLкC, запирается тиристор Тк и заряжается конденсатор С.
Сравнение схем с параллельной и последовательной коммутацией показывает, что в схемах с последовательной коммутацией время запирания силовых тиристоров меньше за счет наличия колебательного контура. Однако наличие дросселя L в силовой цепи приводит, естественно, к росту постоянных времени системы ШИП-Д. Важным преимуществом схем с последовательной коммутацией является то, что заряд конденсатора происходит во время паузы в силовой цепи. Следовательно, длительность силового импульса tи можно снижать до значений, близких к нулю, не опасаясь того, что конденсатор не успеет зарядиться до требуемого напряжения. Это позволяет существенно расширить диапазон регулирования в область малых скоростей, вплоть до нуля. Выбор конкретной схемы зависит от требований к системе ШИП-Д.
Рассмотренные выше схемы ШИП были нереверсивными, реверсивные ШИП имеют двойной комплект ключевых элементов, включенных наиболее часто по мостовой схеме.
Особенности статических и динамических характеристик. Уравнение механических характеристик системы может быть получено на основе уравнений механических характеристик двигателя (2.4.) с учетом внутреннего сопротивления преобразователя Rшип.экв. Например, в режиме непрерывного тока уравнение будет иметь вид
Передаточная функция системы ШИП-Д может быть получена на основе теории непрерывных систем автоматического управления, поскольку частота коммутации тиристоров обычно настолько велика, что пульсацией угловой скорости двигателя при анализе динамических процессов можно пренебречь.
Тиристорный ШИП можно рассматривать как усилительное звено с запаздыванием τзап , вносимым схемой управления ШИП. Тогда передаточная функция ШИП
где Кшип – коэффициент передачи ШИП, равный отношению приращений среднего напряжения на якоре Uя.ср и напряжения управления Uу на входе схемы управления ШИП.
Постоянные времени двигателя τ′м и τ′я должны учитывать эквивалентное активное сопротивление Rшип.экв и индуктивность L шип.экв преобразователя, т.е. характеризуют динамические свойства двигателя в системе:
В целом ряде практических случаев значением Rшип.экв можно пренебречь, а в L шип.экв учитывать только индуктивность дросселя L при последовательной коммутации.
Следует отметить, что в реальных схемах время запаздывания обычно невелико и в первом приближении им можно пренебречь. По сравнению с системой УВ-Д система ШИП-Д отличается более высоким быстродействием при широком диапазоне регулирования скорости.
Решение задач по ТОЭ, ОТЦ, Высшей математике, Физике, Программированию.
| Главная | Цены | Оплата | Примеры решений | Отзывы | Ccылки | Теория | Книги | Сотрудничество | Форум |
| Теория / Электрические микромашины / Лекция 20. Импульсное управление исполнительным двигателем постоянного тока |
§ 2.3. Импульсное управление исполнительным двигателем постоянного токаВ связи с развитием полупроводниковой техники все шире применяется импульсное управление исполнительным двигателем. Суть его заключается в том, что частоту вращения двигателя регулируют не величиной постоянно подводимого напряжения, а длительностью питания двигателя номинальным напряжением. Одна из возможных схем импульсного управления приведена на рис. 2.7,а. Там же (рис. 2.7,б) показаны графики скорости при различных t. В период, когда электронный ключ открыт, питающее напряжение полностью подается на двигатель, ток якоря увеличивается, двигатель развивает положительный момент и частота вращения возрастает; когда электронный ключ закрыт, ток под действием запаса электромагнитной энергии продолжает протекать в том же направлении но через обратный диод. При этом он уменьшается, момент двигателя уменьшается, угловая скорость вращения падает.
Рис. 2.7. Схема импульсного управления (а), графики скорости вращения (б) при разных τ. (τ2 > τ1) Работа двигателя состоит из чередующихся периодов разгона и торможения. И, если эти периоды малы по сравнению с электромагнитной постоянной времени якорной цепи Тэм.а, устанавливается некая средняя скорость, однозначно определяемая относительной продолжительностью включения (скважностью) t = tи/T, где tи — длительность импульса напряжения; T — период. Частота управляющих импульсов составляет 200-400 Гц, в результате период Управление, при котором изменяется соотношение длительности импульса tи и паузы tп при постоянном периоде Т, называется широтно-импульсным. Если параметры схемы подобраны так, что колебания тока, момента и угловой скорости вращения небольшие, работа двигателя практически не отличается от работы при постоянном напряжении, за которое можно принять среднее напряжение за период управления Т: Uср = Uномtи/T = tUном.
На рис. 2.8,а показаны графики тока сети (Ic) и тока якоря (Ia) при относительно больших нагрузках. При малых нагрузках ток двигателя становится небольшим и появляются периоды, когда при закрытом электронном ключе ток якоря уменьшается до нуля. Говорят, наступил режим прерывистых токов (рис.2.8,б). Механические характеристики приобретают перелом и становятся похожими на характеристики двигателя при регулировании реостатом в цепи якоря. В общем случае они имеют вид, представленный на рис. 2.9. Зона, соответствующая прерывистым токам, ограничена пунктирной линией. Критическая относительная частота вращения, при которой наступает перелом, равна
Рис. 2.8. Графики тока сети Ic и тока якоря Ia при больших нагрузках (а) и тока якоря при малых нагрузках (б) Основное преимущество импульсного управления заключается в уменьшении средней потребляемой мощности за счет уменьшения среднего тока. § 2.4. Динамические характеристики исполнительных двигателей постоянного токаМеханические характеристики исполнительных двигателей постоянного тока линейные, поэтому для них выражение электромеханической постоянной времени будет иметь известный вид (1.11). При якорном управлении характеристики параллельные, т.е. пусковой момент и угловая скорость холостого хода изменяются пропорционально коэффициенту сигнала: Мп = aМб, w0 = awб. В этом случае постоянная времени, а следовательно и быстродействие, не зависят от коэффициента сигнала. При полюсном управлении пусковой момент прямо- а угловая частота вращения холостого хода обратно пропорциональны коэффициенту сигнала: Мп = aМб, w0= wб/a. Постоянная времени будет Тм = Jwб/Мбa 2 . Видно, что при полюсном управлении быстродействие в сильной степени зависит от коэффициента сигнала, ухудшаясь с его уменьшением. § 2.5. Конструкции исполнительных двигателей постоянного токаПо конструкции исполнительные двигатели можно разделить на двигатели с ферромагнитным якорем и малоинерционные, не имеющие ферромагнитного сердечника якоря. Двигатели с ферромагнитным якорем и обмоткой возбуждения отличаются от обычных машин лишь тем, что имеют полностью шихтованную магнитную систему (якорь, полюса, станину), что продиктовано стремлением уменьшить потери в стали и увеличить быстродействие в переходных режимах. Это двигатели серий СЛ, МИ, ПБС и др. Есть двигатели (серии ДП и ДПМ), в которых роль обмотки возбуждения выполняют постоянные магниты. В остальном они ничем не отличаются от названных выше. Существуют двигатели, например серии МИГ, в которых обмотка якоря располагается не в пазах (их нет), а непосредственно на поверхности якоря, закрепляясь на ней с помощью специального клея и бандажей. «Беспазовое» исполнение обмотки значительно уменьшает ее индуктивность, улучшает коммутацию и увеличивает быстродействие. Недостатком гладкого якоря является большой немагнитный промежуток между ним и полюсом, что увеличивает размеры обмотки возбуждения. Малоинерционные двигатели выпускаются двух типов: 1) с дисковым якорем и печатной обмоткой; 2) с полым немагнитным якорем и обычной обмоткой. Один из вариантов двигателя первого типа показан на рис. 2.14. В его состав входят: дисковый якорь 1, выполненный из тонкого изоляционного материала, на обеих сторонах которого фотохимическим методом нанесена обмотка якоря; кольца 2 и 3 из магнитомягкой стали, по которым замыкается магнитный поток, созданный постоянными магнитами 4, и щетки 5, непосредственно касающиеся оголенных проводников якоря. Как видно, здесь отсутствует отдельный коллектор. Двигатель второго типа показан на рис. 2.15. Якорь малоинерционных двигателей примерно в 8 раз легче, а момент инерции в 5¸10 раз меньше, чем у обычного двигателя. В результате их постоянные времени в 2¸ 2,5 раза меньше. К тому же они имеют практически безыскровую коммутацию, поскольку их секции обладают меньшей индуктивностью. К недостаткам таких двигателей можно отнести большой воздушный зазор, а, следовательно, большие габариты по сравнению с обычными машинами.  Горючее в баке автомобиля должно соответствовать предусмотренному  Присадки для двигателя помогают «оживить» устаревший  Система работающего двигателя достаточно защищена от  Работу двигателя обеспечивают сразу несколько важнейших |
управления Т оказывается на 2 порядка меньше электромагнитной постоянной времени обмотки якоря
Оперируя средними значениями, получим уравнение, аналогичное (2.4), поскольку в данном случае мы имеем якорное управление
