Управление ДПТ с независимым возбуждением

 

В электроприводах постоянного тока широкое применение получило импульсное управление. Сущность импульсного управления состоит в том, что изменение частоты вращения достигается не за счет изменения величины напряжения, а путем изменения времени, в течение которого к двигателю подводится номинальное напряжение. То есть при импульсном управлении на двигатель подается последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой , а изменение скорости вращения достигается путем изменения скважности импульсов. Для реверсивного управления двигатель включается в мостовую схему.

 

Рис. 2.16. Мостовая схема включения

 

Диоды служат для того, чтобы защиты транзисторов от пробоя в моменты из закрытия.

Наибольшее применение получили два вида коммутации:

– симметричная; включение и выключение ключей происходит по диагонали моста, т.е. ключи К1, К4 и К2, К3 работают в противофазе; на двигатель подаются двуполярные импульсы;

– несимметричная; в этом случае ключи переключаются по стойкам, при этом один из ключей другой стойки замкнут, а другой разомкнут; на двигатель подаются однополярные импульсы.

Рис. 2.17. Диаграммы импульсов

 

При симметричном методе коммутации среднее за период напряжение равно:

;                                                              (2.10)

при несимметричном:

,                                                                (2.11)

где  – скважность импульса.

 

Простейший модулятор длительности импульсов, построенный по схеме компаратора, приведен на рис. 2.18.

 

Рис. 2.11. Модулятор длительности импульсов:

 – входной сигнал;  – пилообразное напряжение.

 

Величина  выбирается такой, чтобы при симметричном методе нулевому входному сигналу соответствовала скважность , а при несимметричном компаратор не опрокидывался. Модулятор преобразует медленно меняющийся входной сигнал в последовательность импульсов, скважность которых пропорциональна величине входного сигнала. Коэффициент передачи модулятора определяется выражением:

;

;  – напряжение, при котором происходит переключение.

Делитель  образует зону гистерезиса, ширина которой определяется величиной шума. Гистерезис препятствует случайным срабатываниям компаратора.

 

Рис. 2.18. Диаграммы напряжение модулятора длительности импульсов

 

В последние годы в ряде областей и технике нашли применение бесконтактные двигатели постоянного тока. Интерес к этому классу электрических машин обусловлен их высокой надежностью, способностью работать бесшумно при высоких частотах вращения, во взрывоопасных средах, на больших высотах и т.п. Эти двигатели имеют также хорошие статические и динамические характеристики, приближающиеся к характеристикам коллекторных двигателей постоянного тока.

БДПТ малой и средней мощности выполняются чаще всего на базе синхронной машины с постоянными магнитами на роторе. Обмотки якоря располагаются неподвижно на статоре и подключаются к источнику постоянного тока по средствам полупроводникового инвертора–коммутатора. Силовые ключи коммутатора, коммутирующие обмотку, управляются по сигналу, поступающего с датчика положения ротора (ДПР). ДПР выполняется в одном корпусе с двигателем.

 

 

Введение позиционной обратной связи превращает синхронную машину с инверторами в бесконтактный аналог машины постоянного тока, имеющий падающие механические характеристики. В настоящее время находят применения две разновидности БДПТ, отличающие типом обратной связи по положению. В первой разновидности обратная связь осуществляется с помощью параметрических датчиков положения, находящихся в чувствительных элементах (ЧЭ), которые некоторые свои параметры под воздействием какого-либо физического фактора: магнитного поля, излучения и т. д. Такие датчики фиксируют лишь положения ротора, равные числу силовых ключей коммутатора и чаще всего называются дискретными.

Эта схема с дискретным датчиком имеет трех секционную обмотку на статоре, которая подключается к источнику питания с помощью коммутатора, имеющего три ключа: VT1, VT2, VT3. Вход каждого из них соединен с выходом соответствующего ЧЭ датчика. Сигнальный сектор имеет угловой размер больше периода коммутации. Наличие перекрытия в работе, т.е. одновременное отпирание двух ключей, обеспечивает возникновение пускового момента, не зависимо от положение ротора. Двигатели, выполненные по этой схеме, наиболее близки к коллекторным, однако имеют и ряд существенных отличий.

Схемы БДПТ различаются также:

1) по способу соединений обмоток на замкнутые т.е. состоящие из секций, образующей замкнутый контур в виде многоугольника, и разомкнутые (это лучевые обмотки);

2)по числу секций делятся на односекционные, двухсекционные и с большим числом секций;

3) по способу питания – на реверсивные, не реверсивные.

 

 

Из предыдущего рисунка ясно, что БДПТ по сравнению с коллекторным двигателем имеют обращенную конструкцию, то есть обмотка якоря расположена на статоре, а индуктор – на роторе. Индуктор представляет собой постоянный магнит. Двигатели большой мощности в отличие от двигателей малой и средней мощности называются «вентильными» и выполняются с электромагнитным возбуждением.

 

Лекция №5

План

1. Механические и динамические характеристики при импульсном управлении

 

Поскольку подаваемое на якорь напряжение имеет импульсный характер, то, следовательно, также будут иметь место пульсации тока и угловой скорости. Поэтому под механической и регулировочной характеристиками понимается зависимость среднего за период значения угловой скорости.

При выводе соотношений будем считать, что на якорь подается последовательность разнополярных напряжений.

Рис. 2.13. Последовательность импульсов

 

В течение интервала времени  действует напряжение , в течение интервала  – напряжение . Для симметричного закона , для несимметричного . Среднее напряжение на якоре двигателя равно:

,

где  для симметричной коммутации, и  – для несимметричной.

Уравнения движения для первого и второго интервалов времени имеют вид:

– для

;

;

;

– для интервала

;

;

.

Среднее значение момента за период равно . На основании уравнений для моментов получаем:

;

.

Для установившегося режима , отсюда получаем, что:

;

.

Из уравнений для токов следует:

.

Учитывая, что в установившемся режиме , , получаем:

;

.

Таким образом, выражения для механической и регулировочной характеристики имеют вид:

;                                                                                         (2.12)

,                                                                         (2.13)

где

, .

Из (2.12) и (2.13) следует, что характеристики имеет такой же вид, что и при непрерывном управлении.

Рис. 2.14. Механические характеристики

 

Рис. 2.15. Регулировочные характеристики

 

 

Данные характеристики были получены в предположении, что в мостовой схеме имеет мест режим непрерывных токов. Если период импульсов и параметры электрических компонентов таковы, что ток якоря успевает спадать до нуля, то наступает режим прерывистых токов.

 

Рис. 2.16. Режим прерывистых токов

 

Этот режим возникает в зависимости от угловой скорости двигателя и момента на валу. Механическая характеристика в этом случае имеет вид, приведенный на рис. 2.17.

 

Рис. 2.17. Механическая характеристика

 

Ширина области прерывистых токов зависит от частоты импульсов. При стремлении частоты к бесконечности ширина области стремится к нулю, а характеристика будет полностью линейной.

 

Переходный процесс по угловой скорости при приложении к якорной цепи постоянного напряжения имеют вид, приведенный на рис. 2.18.

 

Рис. 2.18. Переходный процесс

 

Так как частота коммутации выбирается такой, что период импульсов меньше электромагнитной постоянной времени двигателя, то считают, что зависимость среднего значения угла поворота двигателя от подаваемого напряжения описывается передаточной функцией (2.6):

.

Приведенные выше зависимости получены в предположении, что ключи идеальны. На практике необходимо учитывать время переключения, сопротивление и ток насыщения транзисторов.

Если на двигатель подается такое напряжение, что транзисторы входят в режим насыщения, то ток якоря будет ограничен:

,

следовательно, момент, создаваемый двигателем, также будет ограничен:

.

Тогда переходный процесс будет состоять из двух отрезков:

– движение, под действием ограниченного момента;

– движение в линейной зоне.

 

Рис. 2.19. Переходный процесс при насыщении

 

 

Лекция №6

План

1. Энергетические потери при импульсном управлении