3.10. Импульсный способ регулирования координат

Импульсный способ регулирования координат электропривода связан с периодическим импульсным изменением параметров каких-либо элементов электрических цепей ДПТ. (например, резисторов) или подводимого к ДПТ напряжения. Способы импульсного регулирования повторяют основные способы регулирования координат ДПТ независимого возбуждения и связаны с импульсным изменением сопротивления добавочного резистора в цепи якоря, магнитного потока и подводимого к якорю напряжения. Импульсный способ реализуется как в разомкнутой, так и в замкнутой системах электропривода.

Импульсное регулирование сопротивления добавочного резистора R_дв цепи якоря осуществляется в схеме рис. 3.36,апутем периодической коммутации (замыкания и размыкания) по определенному закону ключаК.

Существуют два основных способа управления ключом K– широтно-импульсное и частотно-импульсное. При широтно-импульсном управлении период коммутации ключаT_к, состоящий из времени замкнутогоt_зи разомкнутогоt_pсостояний ключа, остается постоянным, а изменяется отношение времени замкнутого состояния ключаt_зк периодуT_к. Это отношение называется скважностью и обозначается буквой

т. е. при широтно-импульсном управлении изменяется время замкнутого состояния ключа t_зпри неизменном периоде.

При частотно-импульсном управлении время t_зостается неизменным, меняется период коммутации ключаТ_к, а также и ее частота. Заметим, что и при таком способе управления меняется скважность у. Таким образом, скважность оказывается универсальным показателем для обоих способов управления и им удобно пользоваться при анализе импульсных способов регулирования координат.

Семейство механических характеристик ДПТ независимого возбуждения при импульсном регулировании получим методом предельных (граничных) характеристик, проанализировав для этого граничные режимы работы ключа К: его постоянно разомкнутое и постоянно замкнутое состояния. По схеме рис. 3.36,авидно, что при замкнутом ключеК (=1) резисторR_двыведенR_диз цепи якоря и ДПТ в соответствии с этим имеет естественную механическую характеристику (прямая1на рис. 3.36,б). При разомкнутом ключеК (=0) резисторR_дполностью введен и ДПТ имеет уже искусственную, реостатную характеристику (прямая2на рис. 3.36,б). При работе ключа с промежуточными значениями скважности (0<<1) механические характеристики располагаются между этими двумя граничными характеристиками, как это показано на рис. 3.36,б.

Математическое выражение для семейства характеристик рис. 3.36, б, которое здесь приводится без вывода, имеет следующий вид:

.

Импульсное регулирование магнитного потока ДПТ независимого возбуждения реализуется в схеме рис. 3.37, а. В этой схеме в цепь обмотки возбуждения включен добавочный резисторR_ви параллельно ему ключК,скважность работы которогоможет регулироваться в пределах от 0 до 1. Воспользуемся и в этом случае методом предельных характеристик для получения семейства искусственных характеристик. При=1 ключКпостоянно замкнут, резисторR_взашунтирован (закорочен), по обмотке возбуждения протекает номинальный ток и ДПТ имеет естественную характеристику (рис. 3.37,б).

При =0 ключКпостоянно разомкнут, резисторR_ввведен в цепь обмотки возбуждения, ток возбуждения и магнитный поток уменьшены и ДПТ имеет искусственную характеристику, располагающуюся выше естественной. При промежуточных значениях скважностихарактеристики располагаются между этими двумя предельными характеристиками.

Схема импульсного регулирования напряжения на якоре ДПТ приведена на рис. 3.38, а.КлючК,как и в предыдущих схемах, периодически замыкается и размыкается, при этом его управление осуществляется по широтно-импульсному или частотно-импульсному принципу. При замкнутом ключеКток в якоре ДПТ протекает под действием напряжения сетиU_c,aпри разомкнутом – под действием ЭДС самоиндукции, замыкаясь через диодV.Ток в якоре ДПТ имеет при этом пульсирующий характер. Регулируя скважность у работы ключа, можно получать различные механические характеристики ДПТ.

Рис 3.38 Регулирование скорости ДПТ независимого возбуждения импульсным изменением напряжения а–схема, б–характеристики

При скважности =1 на якорь ДПТ постоянно подается полное напряжение сети и ДПТ имеет естественную характеристику, показанную на рис. 3.38,б. При разомкнутом ключеК.(=0) напряжение не подается, ДПТ оказывается включенным по схеме динамического торможения и его механическая характеристика проходит через начало координат. Промежуточным значениям скважности 0<<1 соответствуют механические характеристики, располагаемые между этими двумя предельными граничными характеристиками.

При импульсном регулировании напряжения возможен режим прерывистого тока. Этот режим наступает при следующих граничных значениях скорости и тока ДПТ:

где Т_я=L_я/R_я–электромагнитная постоянная времени цепи якоря, с.

Область прерывистого тока, в которой характеристики ДПТ криволинейны, расположена на рис. 3.38, бслева от штриховой кривой. В остальной области характеристики ДПТ прямолинейны и описываются следующим выражением:

(3.72)

Для схем импульсного регулирования в современных электроприводах чаще всего применяются бесконтактные полупроводниковые ключи, обычно тиристорные. Работу одного из видов такого ключа, который может использоваться для импульсного регулирования сопротивления добавочных резисторов, поясним с помощью схемы рис. 3.39, а. Роль ключаКвыполняет в этой схеме тиристорVS1,включенный параллельно резисторуR. Открываясь, тиристор шунтирует (закорачивает) резисторR(ключК замкнут), закрываясь, тиристор вводит в электрическую цепь этот резистор. Для закрытия тиристораVS1,включенного в цепь постоянного тока, помимо снятия импульса с его управляющего электрода необходимо обеспечить также более высокий потенциал катода по сравнению с потенциалом анода. В рассматриваемой схеме это достигается включением вспомогательного тиристораVS2и коммутирующих элементов: конденсатораС_к, реактораL_к, диодаVD_к,маломощного источника постоянного токаU_п, диодаVD_презистораR_п. Рассмотрим работу этой части схемы. Допустим, что в исходном положении тиристорVS1открыт, тиристорVS2закрыт, а конденсаторС_кзаряжен со знаком плюс на нижней обкладке. Для закрытия основного тиристораVS1необходимо снять импульс управления сVS1и подать его наVS2.

Последний при этом откроется и к катоду тиристора VS1будет приложен плюс напряжения конденсатораС_к, а к аноду – минус этого напряжения, в соответствии с чемVS1закроется. Теперь конденсаторС_кбудет заряжаться через открытый тиристор VS2 с плюсом на верхней обкладке

Если теперь снять импульс управления с VS2,то он к концу перезаряда конденсатора закроется. При последующей подаче импульса наVS1он вновь откроется, замыкая накороткоR,и при этом вновь начнется перезаряд конденсатора по цепиС_к–VSl–VD_к–L_кдо тех пор, пока потенциал нижней обкладки конденсатора не станет положительным Схема вновь вернется к исходному положению. Описанный процесс работы схемы обеспечивается соответствующим расчетом параметров ее элементов и работой СИФУ. Для первоначального заряда конденсатораС_кслужит источник с напряжениемU_пи элементыVD_пиR_п.

На рис 3.35, бпредставлена еще одна распространенная схема импульсного ключаК, которая обычно используется для импульсного регулирования напряжения. По принципу своего действия она во многом повторяет схему рис. 3.35,аи содержит основнойVS1и вспомогательныйVS2тиристоры и коммутирующие элементыС_к,L_киVD_к. Вместе с тем в этой схеме нет дополнительного источника постоянного токаU_п,поскольку предварительный заряд конденсатораС_кс плюсом на верхней обкладке происходит от напряжения сети при открытии тиристораVS2.ТиристорVS1при этом закрыт (ключКразомкнут) и ДПТ отключен от сети.

При подаче управляющего импульса на тиристор VS1 он открывается и на ДПТ подается напряжение. Одновременно через этот тиристор и элементыVD_киL_кначинается перезаряд конденсатораС_куже с минусом на верхней обкладке. Поэтому при последующем открытии тиристораVS2потенциал анода тиристораVS1окажется более отрицательным, чем потенциал его катода, и тиристорVS1закроется. Изменяя с помощью СИФУ скважность управляющих импульсов тиристораVS1и согласуя при этом подачу импульсов на вспомогательный тиристорVS2,обеспечивает импульсное регулирование напряжения на ДПТ. Соответствующим усложнением схемы рис 3 35,бполучают реверсивные схемы.

Характерной особенностью импульсных регулируемых электроприводов является простота и надежность их схем, определяемая малым числом элементов.

Показатели импульсного регулирования скорости в основном соответствуют непрерывным способам регулирования. Вместе с тем энергетические показатели импульсных электроприводов постоянного тока несколько хуже. Это объясняется наличием в кривой тока якоря переменной составляющей, что приводит к увеличению потерь энергии в ДПТ, а также дополнительными потерями в самом импульсном преобразователе.