Способ якорного управления с широтно-импульсным регулированием напряжения якоря

Этот способ управления широко используется в современных судовых САУ, так как по сравнению с аналоговым транзисторным регулированием (см. рис. 5.23) обеспечивает значительное снижение потерь энергии в регуляторе, т.е. имеет более высокий КПД. Рассмотрим принцип широтно-импульсного регулирования на примере схемы нереверсивного широтно-импульсного преобразователя (ШИП) напряжения на транзисторах (рис. 5.27).

Рис. 5.27. Принцип широтно-импульсного регулирования

 

В цепи якоря устанавливается управляемый коммутатор цепи якоря на основе бесконтактного ключа на транзисторе VT1. Диод VD1 предназначен для защиты перехода коллектор-эмиттер транзистора от перенапряжений при запирании, когда возникающая на индуктивности якоря э.д.с. самоиндукции замыкается через:диод и источник питания. С помощью широтно-импульсного модулятора (ШИМ) формируются импульсы управления транзистором постоянной частоты, причем длительность импульсов пропорциональна величине входного напряжения управления (см. рис. 5.21).

Период следования импульсов T = l/ f выбирается значительно меньшим, чем электромеханическая постоянная времени ИД Т_эм. В результате за один импульс частота вращения изменяется в незначительных пределах.

Реальные схемы сервоприводов с ШИП являются реверсивными, т.е. цепь якоря представляет собой мостовую схему (рис.5.28). Направление вращения определяется выбором пары коммутируемых транзисторов: VT1 и VT4, либо VT2 и VT3.

Чаще всего используются транзисторные ШИП, мощность которых ограничивается диапазоном 300–400 Вт. Такие сервоприводы имеют хорошие точностные показатели, широкий регулировочный диапазон частоты вращения и обладают наиболее высоким КПД.

Для ИД большей мощности применяются тйристорные ШИП, недостатком которых является усложнение якорной цепи в связи с необходимостью введения специальных схемных устройств для запирания тиристоров по анодной цепи при снятии импульсов управления.

 

Двухфазные асинхронные двигатели с полым немагнитным короткозамкнутым ротором

Общие понятия

В качестве ИД переменного тока основное применение нашел двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

В зависимости от конструкции короткозамкнутого ротора ИД бывают с полым немагнитным ротором, с обычным короткозамкнутым ротором, с полым ферромагнитным ротором и с массивным ферромагнитным ротором.

На судах в основном применяют двухфазные асинхронные двигатели с полым немагнитным ротором (двигатели Феррариса). Выпускаются мощностью от десятых долей ватта до нескольких сотен ватт. Двигатели применяются при промышленной частоте (50 Гц) и повышенных частотах (200, 400, 500 и 1000 Гц).

Конструктивное устройство двигателя Феррариса представлено на рис. 5.29. Двигатель имеет два статора (внешнийи внутренний), ротор в виде полого немагнитного цилиндра, корпус и подшипниковые щиты.

Двигатель имеет две статорные обмотки, расположенные в пространстве под углом 90° относительно друг друга. Одна обмотка (1–1¢) постоянно питается от сети с напряжением и_в и называется обмоткой возбуждения. К другой обмотке (2–2¢) – обмотке управления – подается управляющее напряжение и_у.

Внешний статор набирается из листов электротехнической стали и не отличается от статора обычной асинхронной машины. В его пазах располагаются обмотки управления и возбуждения. Внутренний статор также набирается из электротехнической стали и служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути магнитного потока, проходящего через воздушный зазор. Полый ротор выполняется из сплавов алюминия. Своим дном ротор жестко крепится к валу. Толщина стенок ротора в зависимости от мощности двигателя колеблется в пределах от 0,2 до 1,0 мм. Вследствие малой массы ротор обладает незначительным моментом инерции, что является ценным свойством любого ИД.

С учетом толщины немагнитного ротора общая величина воздушного зазора между статорами составляет 0,5—1,5 мм. Большая величина воздушного зазора приводит к росту намагничивающего тока, низкому коэффициенту мощности и малому КПД. Из-за большого намагничивающего тока приходится увеличивать раз­меры машины. По габаритам и массе двигатель с полым немагнитным ротором больше исполнительных двигателей постоянного тока той же мощности в 2—4 раза.

Принцип действия, как и у любого асинхронного двигателя, состоит в создании обмотками статора вращающегося магнитного поля, которое взаимодействует с токами, наведенными в роторе, вследствие чего возникает вращающий момент. Схематически обмотки представлены на рис. 5.30. Они могут быть изолированы, как на рисунке, но могут быть разделены и включены по мостовой схеме (см. у Жадобина).

При наличии напряжений на статорных обмотках по ним протекают токи i _в и i _у, в общем случае не равные по значению и сдвинутые во времени на некоторый угол φ:

                      (5.54)

Каждый из токов создает пульсирующее магнитное поле, направленное по оси соответствующей обмотки. МДС обмоток:

                  (5.55)

Пульсирующую МДС однофазной обмотки можно представить в виде суммы двух МДС, вращающиеся в пространстве в противоположные стороны с одинаковой угловой скоростью w и равных по абсолютному значению половине амплитуды пульсирующей МДС (рис. 5.31). МДС, вращающуюся в напра­влении вращения ротора, считаем прямой (F _пр), а МДС, вращающуюся в противоположном направлении – обратной (F _обр),

Взаимодействие двух пульсирующих магнитных полей, сдвинутых во времени и пространстве, приводит к возникновению вращающегося магнитного поля.

Найдем результирующую МДС в произвольной точке А, смещенной относительно обмотки управления на угол α, при сдвиге во времени токов обмоток на угол j. Учитывая сдвиг статорных обмоток в пространстве на 90° и считая, что магнитное поле в воздушном зазоре распределено по гармоническому закону, напишем выражения для МДС в некоторой произвольной точке А:

Разложим каждое пульсирующее поле F _ви F _yна два равных круговых, вра­щающихся в противоположные стороны. Это можно сделать при помощи известных формул тригонометрии.

Первые слагаемые МДС F _ви F _yвращаются в одну сторону, а вторые – в противоположную.

Запишем выражения для прямой и обратной результирующих МДС:

Как видно, при условиях  обратное поле равно нулю, и в машине возникает круговое магнитное вращающееся поле.

Таким образом, в двухфазном двигателе с обмотками, смещенными в пространстве на 90°, круговое поле наблюдается при соблюдении двух условий: равенство амплитуд МДС и фазовый сдвиг 90 эл. град. Невыполнение хотя бы одного из этих условий приводит к тому, что круговое поле преобразуется в эллиптическое.

Эллиптическое поле состоит из двух неравных круговых полей, вращающихся с одинаковой угловой скоростью в противоположные стороны (рис. 5.32). Конец вектора F результирующей МДС при вращении описывает эллипс, форма которого зависит от соотношения между амплитудами F _{в т} и F _{у т} . Эллиптическое поле вращается с угловой скоростью ω в сторону наибольшего кругового поля. Можно сказать, что МДС F _пр создает вращающий момент, а F _обр – тормозящий момент.

При равенстве нулю одной из МДС или при j = 0 в двигателе создается пульсирующее магнитное поле.

Непосредственное измерение магнитных потоков и МДС в реальных машинах затруднительно, поэтому о характере вращающегося магнитного поля обычно судят по напряжениям, приложенным к статорным обмоткам.

Для режимов работы, близких к номинальным, можно написать приближенные равенства

где w _в и w _y – количество витков обмоток.

Для создания кругового магнитного вращающегося поля необходимо иметь равенство магнитных потоков Ф_{в т} = Ф_{у т} . Из равенства потоков следует, что

                                               (5.56)

Таким образом, принцип действия исполнительного двигателя состоит в том, что под действием вращающегося магнитного поля (эллиптического или кругового) в роторе создаются вихревые токи. Взаимодействие этих токов с вращающимся магнитным полем приводит к возникновению вращающего момента, который увлекает ротор в сторону вращения магнитного поля. Изменение направления вращения происходит при изменении фазы напряжения обмотки управления на 180°.

Способы управления. Регулирование частоты вращения исполнительного двигателя осуществляют путем изменения напряжения управления по модулю или фазе. На практике нашли применение три способа управления:

– амплитудное, при котором изменяется амплитуда напряжения управления при неизменной его фазе;

– фазовое, при котором изменяется фаза напряжения управления при неизменной его амплитуде;

– амплитудно-фазовое, при котором одновременно изменяются амплитуда напряжения управления и сдвиг по фазе между напряжениями управления и возбуждения.

При всех способах управления изменение угловой скорости исполнительного двигателя происходит за счет деформации вращающегося магнитного поля. Максимальной угловая скорость исполнительного двигателя будет при круговом вращающемся магнитном поле, когда отсутствует обратное (тормозное) магнитное поле. Уменьшение угловой скорости достигается за счет увеличения эллиптичности магнитного поля, в результате чего возрастает обратное (тормозное) круговое поле. После преобразования эллиптического поля в пульсирующее исполнительный двигатель должен остановиться.

Каждому способу управления соответствует определенная схема включения исполнительного двигателя (рис. 5.33).

При амплитудном управлении (рис. 5.33, а) постоянный фазовый сдвиг 90° осуществляется фазосдвигающим устройством ФСУ. Регулируется напряжение управления. В соответствии с (5.56)

                                           (5.57)

где a – коэффициент сигнала.

При фазовом управлении (рис. 5.33, б) коэффициентом сигнала является величина sinφ. При sinφ = 0 пульсирующее поле, при sinφ =1 – круговое вращающееся поле, при sinφ < 0 – реверс.

Амплитудно-фазовое управление (рис. 5.33, в) практически осуществляется последовательным включением фазосдвигающего конденсатора. Реализация проще, так как не требуется ФСУ. При регулировании U _у изменяется частота вращения ротора Þ меняется ток возбуждения Þ меняется напряжение на конденсаторе,что приводит к изменению напряжения U _в как по амплитуде, так и по фазе. Схема управления рассчитывается таким образом, чтобы при номинальном напряжении управления U _у.ном в двигателе имелось круговое вращающееся поле в режиме пуска, т.е. чтобы обеспечивался максимальный пусковой момент.

На рис. 5.34 показаны механические характеристики при различных способах управления. Механические характери­стики устойчивы. Максимальный момент имеет место во время пуска (ν = 0), с ростом угловой скорости вращающий момент уменьшается и при угловой скорости холостого хода равен нулю. При всех способах управления механические характеристики нелинейны. Наиболее близки к линейным характеристики при фазовом управлении, а наименее — при амплитудно-фазовом.

 

Рис. 5.34. Механические характеристики исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором при. амплитудном (а), фазовом (б) и амплитудно-фазовом (в) управлении

 

На рис. 5.35 показаны регулировочные характеристики исполнительного двигателя, которые также нелинейны при всех способах управления. Наиболее близки к линейным характеристики при фазовом управлении, а наименее — при амплитудно-фазовом. Начальные уча­стки регулировочных характеристик практически линейны. Поэтому обычно стараются работать в зоне малых относительных частот вращения, для чего используют двигатели, рассчитанные на повышенную частоту переменного тока. Минимальное напряжение управления, при котором ротор начинает вращаться, преодолевая момент сопротивления, называется напряжением трогания. Напряжение трогания пропорционально моменту сопро
тивления и в относительных единицах равно ему.

Рис. 5.35 Регулировочные характеристики исполнительного двигателя

с полым немагнитным ротором при амплитудном (а), фазовом (б)

и амплитудно-фазовом (в) управлении

 

Самоход исполнительных двигателей. Снятие сигнала управления приводит к появлению в двигателе пульсирующего магнитного поля. Чтобы понять, как реагирует вращающийся двигатель на пульсирующее магнитное поле, необходимо рассмотреть механическую характеристику ИД (рис. 5.36).

Ось частоты вращения может быть представлена в двух вариантах: как ось w или как ось скольжения s. Механические харак­те­ри­стики асинхронных двигателей показаны при двух значениях критического скольжения s _к. Зоной устойчивой работы двигателя является диапазон от s _к до 0, так как на участке механической характеристики в этом диапазоне соблюдается условие dM / d w < 0. Исполнительный двигатель должен устойчиво работать от режима работы на упор (s = 1, w= 0) до режима холостого хода (s = 0, w = w_с – синхронная угловая скорость). Поэтому критическое скольжение асинхронных ИД в отличие от обычных асинхронных всегда больше единицы. Для увеличения критического скольжения ротор ИД выполняют с большим активным сопротивлением.

Теперь пусть в двигателе имеет место пульсирующее поле (от обмотки возбуждения). Привычно разлагаем его на два вращающихся в противоположные стороны круговых поля. Каждая составляющая поля формирует свой вращающий момент (рис. 5.37), а фактический момент М равен разности составляющих М _пр и М _обр.

 

Если s _к < 1 (рис. 5.37, а), то после снятия управляющего напряжения частота вращения и вращающий момент – одного знака, поэтому двигатель продолжит вращение. При s _к > 1 (рис. 5.37, б) на всем протяжении результирующей характеристики знаки частоты вращения и момента противоположны, возникает тормозной момент, и двигатель останавливается. В этом случае время остановки двигателя благодаря действию отрицательного момента будет меньше, чем при одновременном отключении обмоток двигателя от источников питания.

Таким образом, для устранения явления самохода активное сопротивление ротора должно иметь такое значение, при котором критическое скольжение не меньше единицы. Для надежного устранения самохода и увеличения линейности меха­нических характеристик в асинхронных исполнительных двигателях ротор выполняют с повышенным активным сопротивлением, при кото­ром s_к = 2–5.

Динамические характеристики исполнительных двигателей. Динамические характеристики исполнительного двигателя определяются электромагнитными и электромеханическими переходными процессами. Скорость протекания электромагнитных процессов значительно выше, чем электромеханических, поэтому при рассмотрении динамических характеристик учитывают только электромеханические процессы, которые характеризуются электромеханической постоянной времени Т_м.

Механическая характеристика ИД нелинейная. Если скорость меняется в широких пределах, рекомендуется линеаризовать ее прямой, проходящей через точки (М _н, w_н) и (М _пн, 0), т. е. через точки номинального режима и пускового режима. Тогда уравнение механической характеристики

М = М _п – k _ww                                                      (5.58)

Пусковой момент изменяется в зависимости от напряжения управления по закону, близкому к линейному, поэтому

М _п = k_UU _y.                                                             (5.59)

Подставив (5.58) и (5.59) в уравнение вращательного движения

                                                  (5.60)

получаем уравнение динамики ИД:

                               (5.61)

Введя обозначения

                                  

получаем дифференциальное уравнение, из которого находим передаточную функцию двигателя:

                                                       

Если в качестве выходной величины рассматривать угол поворота, то исполнительный двигатель соответствует реальному интегрирующему звену с передаточной функцией

                                                     

Значение Т _м зависит от частоты питания и конструкции ротора. Для асинхронного ИД с полым немагнитным ротором типично Т _м = 0,005–0,1 с.