Решетов С.А. Электроснабжение воздушных судов Учебник для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

ИУ1 НУ2

В Г

Рис.

4.6. Схема пуска и пусковые характеристики двигателя постоянного тока

тивлению в цепи якоря: R = R

+ R

+ #

, где R

— сопротивление

обмотки якоря. По мере увеличения скорости ЭД возрастает противо-

ЭДС двигателя, ток и момент ЭД уменьшаются, что ведет к затягива-

нию процесса пуска. Для его интенсификации шунтируют первую сту-

пень пускового реостата R1 контактами контактора КУ1, что приво-

дит к увеличению тока, момента ЭД и дальнейшему росту угловой ско-

рости со. При расчете пусковых реостатов сопротивление их ступеней

выбирают таким образом, чтобы колебания тока при переключении

происходили в заданном диапазоне (/, ... /

на характеристике

рис.

4.6, б). Характеристика со (t) определяет изменение угловой скоро-

сти на этапах пуска и А/

. Для построения схемы и принятия мето-

да (принципа) управления ЭП в период пуска принципиальным явля-

ется выбор управляющего параметра, измене-

ние которого должно вызывать шунтирование

ступеней пускового реостата. Из рис. 4.6, б

следует, что такими параметрами могут быть

ток /, угловая скорость со, время /. Изло-

женное выше в принципе относится и к ЭД

переменного тока с фазным ротором. Основное

отличие заключается в схеме включения сту-

пеней пускового реостата контактами КУ1 и

КУ2 (рис. 4.7). Имея в виду, что пуск осу-

ществляется по разомкнутым схемам управ-

ления, рассмотрим три возможных способа

пуска.

Пуск с управлением по времени. Для

реализации данного принципа управления

необходимо использовать реле времени с за-

данной настройкой. Число реле времени в

схеме равно числу пусковых ступеней. Реле

времени дает импульс на включение соответ-

Рис.

4.7. Схема пуска

ств

Щего контактора, который своими сило-

асинхронного двигателя выми контактами шунтирует требуемую сту-

с фазным ротором пень пускового реостата.

Время работы ЭП на некоторой k-й ступени (выдержка времени при

настройке реле) зависит от начального

нач

и конечного М

кон

зна-

чений моментов ЭД на данной ступени, момента статического сопро-

тивления М

и электромеханической постоянной времени привода Г

Электрическая схема автоматического управления, осуществляю-

щая пуск двигателя М по принципу независимой выдержки времени

приведена на рис. 4.8, а. При подаче напряжения получает пи-

тание реле КРУ1, которое размыкает контакты в цепи катушек кон-

тактов КУ1 и КУ2. Пуск ЭД осуществляется кнопкой Л77, замыкаю-

щей цепь контактора КЛ. Катушка КЛ самоблокируется. Одновре-

менно размыкается цепь реле КРУ!. Двигатель создает пусковой мо-

мент М

и начинает разгоняться (рис. 4.8, б, механическая характе-

ристика /). При этом мгновенно срабатывает реле КРУ2 (оно имеет

выдержку только при замыкании своих размыкающих контактов) и раз-

мыкает свой контакт в цепи контактора ускорения второй}ступени

КУ2.

Реле времени КРУ1 при замыкании своего размыкающего кон-

такта подает питание на контактор КУ1 и шунтирует первую ступень

реостатом R1. Одновременно шунтируется катушка реле КРУ2.^Ра-

бота двигателя характеризуется механической характеристикой 2.

Реле времени КРУ2 с выдержкой времени, соответствующей работе

на второй ступени, замыкает цепь катушки контактора КУ2, который

закорачивает вторую ступень пускового реостата R2 и обеспечивает

выход ЭД на естественную характеристику 3 и увеличивает свою ско-

а) куг куг ff) со

рость до тех пор, пока его момент не станет равным моменту М

. При

дв

= М

возникает условие равномерного движения, и если момент

равен номинальному значению момента нагрузки УИ

, то ЭД рабо-

тает с номинальной скоростью со,,.

Достоинства метода автоматического пуска — простота и надеж-

ность. Схема хорошо реагирует на изменения статического момента.

Так, например, если момент М'

больше расчетного М

, то за время вы-

держки на первой ступени ЭД разгонится до скорости coj < со,. Одна-

ко при переходе на вторую ступень момент М[ будет больше, чем мо-

мент M

и разгон на второй ступени будет более'форсированным. Это

позволяет получить средний динамический момент за период пуска

примерно постоянным (т. е. выдержать при пуске примерно постоян-

ное ускорение). Поэтому практически не изменится и продолжитель-

ность пуска.

Пуск с управлением скорости. В этом случае применяют реле, ко-

торые дают импульс на контакторы ускорения при достижении угло-

вой скоростью расчетных значений. Обычно применяются реле, осу-

ществляющие косвенный контроль скорости. Для ДПТ такой конт-

роль осуществляется по ЭДС якоря, а для ЭД переменного тока с фаз-

ным ротором и синхронных — по ЭДС или частоте тока ротора

(рис.

4.9, а). Катушки контакторов ускорения в данном случае осуще-

ствляют контроль ЭДС якоря, которая при независимом возбуждении

ДПТ пропорциональна скорости. Напряжения на контакторах уско-

рения U

и (7

а2

отличаются от ЭДС на значение падения напряже-

ния в якорной цепи

(рис. 4.9, б).

Команда на включение ЭД подается кнопкой КП. При этом получа-

ет питание катушка контактора КЛ, который замыкает цепь якоря

ЭД и самоблокируется. ЭД начинает разгоняться при введенных в

якорную цепь ступенях пускового реостата R1 и R2. По мере роста

скорости двигателя нарастает напряжение на контакторах ускорения,

которое через некоторое время t

достигает значения <У

а1

, соответст-

вующего настройке контактора ускорения КУ1. Он срабатывает, шун-

тируя R1. При этом происходит дальнейшее нарастание скорости,

Рис.

4.9. Схема управления пуском ДПТ по скорости и пусковые характеристики

а/ +

Рис.

4.10. Схема пуска ДПТ по току и пусковые характеристики

ЭДС и напряжения на зажимах якоря ЭД. При повышении напряже-

ния на якоре до U

аналогичным образом в момент t

происходит

шунтирование R2 и ЭД выходит на естественную характеристику.

Недостаток этого способа пуска — необходимость настройки кон-

такторов ускорения на различное напряжение срабатывания, что пред-

ставляет определенные технические трудности. Этот недостаток схемы

может быть устранен, если параллельно якорю подключить реле уско-

рения которые бы выполняли функции промежуточных реле, замыкая

при срабатывании цепь кашушек соответствующих контакторов ускоре-

ния Однако при таком решении схема усложняется. Метод чаще все¬

го используется при пуске вхолостую или при малой нагрузке на валу,

когда можно ограничиться одной пусковой ступенью.

Пуск с управлением потока. Данный метод основан на переключе-

нии пусковых ступеней при снижении пускового тока до минималь-

ного значения /,. На рис. 4.10, а показана соответствуй^ часть схе-

мы и пусковые характеристики. После включения линейного контакто-

ра КЛ пусковой кнопкой (на схеме не показана) пусковой ток / в цепи

якоря при введенном пусковом реостате R, в первый момент равный 1

Оэис 4 10 б) будет уменьшаться по мере увеличения скорости двига-

теля При пуске токовое реле ускорения КРУ размыкает контакты в це-

пи контактора ускорения КУ. При уменьшении тока до зна-

чения /,, равного току отпускания, реле КРУ замыкает размыка-

ющий контакт в цепи контактора ускорения КУ, шунтирующего пус-

ковую ступень R. Благодаря этому ток в цепи якоря увеличится до

значения /, и с ростом скорости снова начнет уменьшаться.

В схеме предусмотрено блокировочное реле КРБ у которого время

включения больше, чем время включения реле КРУ. Поэтому при

повторном возрастании тока контактор КУ остается включенным.

4.3. ТОРМОЖЕНИЕ И РЕВЕРСИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Управление процессами торможения ЭД может осуществляться на

основе тех же принципов и технических средств, что и управление пус-

ком- по времени, току и скорости. При работе двигателя на линейном

участке MX при постоянном статическом моменте Л,,, и изменении мо-

мента при торможении от начального значения

иач

до

некоторой

конечной величины ЛГ

К0И

длительность процесса торможения

нач

+ М

'торм

— Ту

Л4кон

Мс

Рассмотрим основные способы торможения, соответствующие ди-

аграммы и узлы принципиальных схем управления двигателями.

Динамическое торможение нереверсивного двигателя Анализ

процесса торможения (рис. 4.11) проводится из условия, что перед на-

чалом торможения ЭД работает с номинальной скоростью со„ при

моменте М = М

. Необходимо уменьшить его скорость путем дина-

мического торможения. Управляющий сигнал на начало торможения

подается кнопкой КС, при помощи которой размыкается цепь контак-

тора КЛ, а затем якорная цепь двигателя М. Контактор КЛ вспомо-

гательными контактами замыкает цепь контактора динамического тор-

,°^^

ия

КДТ и размыкает цепь реле динамического торможения

Реле КРДТ имеет выдержку времени при размыкании, несколько

большую^расчетного времени торможения /

Д/Р

. поэтому цепь контак-

тора КДТ на время торможения при отключении КЛ остается замкну-

той. КДТ замыкает свои силовые контакты и подключает парал-

лельно якорю ЭД резистор R

. При этом якорь ЭД продолжает враща-

ться за счет запасенной кинетической энергии и в его обмотках, пере-

секающих силовые линии магнитного поля, создаваемого обмоткой

возбуждения ОВ, индуктируется ЭДС. Поскольку якорная цепь зам-

кнута, то в ней возникает ток и создается момент динамического тор-

можения /И

. В результате скорость двигателя уменьшается. По-

скольку момент М

зависит от сопротивления в цепи ротора R=R

а) ов

ку

' ' кп

КС тг

КЛ

tzb—I

КЛ

к л >1 1

ш, j

1 r>

1 • -

КЛ

кл

£I

-—D-

КРДТ

-M

о м

d.m

Рис.

4.11. Схема управления динамическим торможением (а), механические ха-

рактеристики (о), переходные процессы (в)

/?д.т,

скорости со и потока, то по мере снижения скорости момент на-

чинает уменьшаться. Для стабилизации момента УИ

Д Т

в зависимости

от скорости уменьшают сопротивление в якорной цепи (штриховой

линией показана характеристика при R'^

< R

'H.T)-

Последний спо-

соб ввиду возможного насыщения магнитной системы при увеличении

тока возбуждения эффективен лишь в зоне, соответствующей ненасы-

щенной магнитной цепи машины. Так как М = f (R, Ф,

со),

то очевид-

но,

что при о)

—>-

0 и УИд.

->- 0. Поэтому полная остановка ЭД в зави-

симости от особенностей объекта, приводимого в движение двигате-

лем М, возможна либо путем включения в конце тормозного пути ме-

ханического тормоза, либо путем торможения силами трения (свобод-

ный выбег).

Якорная цепь ЭД остается замкнутой на время выдержки времени

реле

КРДТ.

Затем после отключения реле контактов КРДТ в цепи

контактора КДТ размыкается якорная цепь и схема подготавливает-

ся к последующему циклу работы. Динамическое торможение позво-

ляет плавно изменять скорость в достаточно широком диапазоне.

Процесс легко автоматизируется, не требует сложной аппаратуры, что

определяет его широкое применение. Недостатки динамического тор-

можения — значительные потери мощности в резисторе

невоз-

можность полной остановки объекта управления вследствие уменьше-

ния момента М

д т

при снижении скорости.

Особенности методов пуска, торможения и реверсирования ЭД пере-

менного тока во многом сходны с подобными процессами ДПТ, рассмот-

ренными ранее. Основное отличие заключается в технической реализа-

ции принципов управления, обусловленных особенностями работы и

конструкции ЭД переменного тока и применяемой аппаратуры.

4.4. ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХФАЗНЫМИ АСИНХРОННЫМИ

ДВИГАТЕЛЯМИ

В отличие от однофазных асинхронных ЭД, имеющих на статоре од-

ну обмотку и используемых обычно r качестве нерегулируемых ЭД,

двухфазные асинхронные ЭД имеют в статоре две обмотки, сдвинутые

в пространстве на 90 электрических градусов, и короткозамкнутый

ротор, выполненный в виде «беличьего колеса» либо в виде полого ме-

таллического цилиндра. Изготавливают цилиндры из немагнитных

(обычно алюминиевых) сплавов при толщине стенок полого цилиндра

0,2 ... 1 мм и ферромагнитных материалов (сталь) при толщине стенок

цилиндра 0,5 ... 3 мм.

Основные требования к двухфазным ЭД, используемым в атомати-

зированном ЭП:

обеспечивать плавное регулирование скорости в широких преде-

лах и реверсирование;

имёть малую инерционность при достаточном движущем моменте;

развивать достаточно большой пусковой момент;

Рис.

4.12.

Схема регулируемого двухфазного конденсаторного двигателя

хар?ктеТис™

ами?

РН0

Механиче

-ими

* регулировочными

быть надежными и достаточно экономичными

Принцип

действия двухфазного асинхронного

ЭД

основан

на том

что два

сдвинутых

пространстве

времени пульсирующих потока

межГп

ВРаЩаЮЩееСЯ магни

™°е

поле.

Для

создания сдвига^о фазе

между потоками

цепь одной

из

обмоток статора

(обмотки

возбужде

ния

)

включают

конденсатор.

Такие

двухфазные

АД

называют

sssrsss?)

(возможно

применение

™ ~;

соответственно механические характеристики

диаграмма потоков

обмоток

статора.

Обмотка

получает питание от

упраы^ц^Гт

роиства

УУ

называется обмоткой

управления.

Управляющей^уст-

ройство может изменять амплитуду потока

или

обеспечив^тГсдвиг

по

фазе.

Пусть

в начальный момент времени мгновенные

значения

„о

токов в обмотках управления и возбуждения

соответствен

результирующий поток

, а

устройство

УУ olec^ZZusmn^m

лишь амплитудного значения

У)

следовательно,

Ф™"р«некотГ

рое

время

значения потоков станут равными

Ф;

Ф'

РезультипуХий

поток

изменится

по

величине и повернется

на

некото^угГф

Очевидно,

что

конец вектора результирующего потока

ФГ

будет

впГ

Впяп^

Г"

ПСУ

Такоев

Р„

^«ся

поле называют элТиптГческТм

оуе?Гн?м

эТ

СЯ

МЗГНИТНЫЙ поток

пересекает ротор

инду™

рует в

нем

ЭДС,

которая вызывает в роторе

ток.

результате

взяимп

действия тока в роторе с вращающимся потоком

^SMCTBSZ"

щи.момент,

под

действием которого ротор

ЭД

начинает вращаться

Ротор

из

немагнитного материала

при тех же

габаритных

разменах

легче,

чем

из

ферромагнитного.

ЭД

обладает меньше/инерцией

одна

ко

оказывает большее сопротивление магнитному потоку

рез'ульта"

те

этого,

выигрывая в

инерционности,

ЭД,

если

не

принять

никаких

мер,

будет иметь относительно меньший вращающий момент

по™

приходится увеличивать

МДС

обмотки статора

Благодаря тому

что

ротор имеет повышенное активное сопротивле-

ние

по

сравнению

индуктивным

хь ,

неустойчивая часть

MX от-

сутствует

пусковой момент

становится примерно равным крити-

ческому

кр

при R

Таким образом,

при

данном значении

уп-

равляющего напряжения

пусковой момент является максимально

возможным,

a MX (см. рис. 4.12, б) и

соответствующая регулировоч-

ная характеристика

со = / ((7

)

будут близки

линейным,

что

позво-

ляет обеспечить достаточную плавность изменения скорости

при уп-

равлении.

Благодаря простоте, надежности, достаточно хорошим регулиро-

вочным характеристикам

малой инерционности двухфазные двига-

тели получили широкое распространение.

4.5. УПРАВЛЕНИЕ

ПРИ

ПОМОЩИ ЗАМКНУТЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

Общей особенностью рассмотренных ранее методов

схем пуска

реверсирования

торможения

ЭД

являлось применение разомкну-

тых систем управления.

основным функциям автоматизированного

ЭП относится поддержание регулируемой величины

на

постоянном

уровне,

также осуществление движения

по

определенной программе,

которая может быть рассчитана

известна заранее (программное

уп-

равление)

или

формироваться

процессе работы объекта (следящее

управление). Выполнение этих функций осуществляется

при

помощи

замкнутых систем автоматического регулирования

(см. рис. 4.3 и

4.4).

Основной статической характеристикой замкнутых

САР

является

точность поддержания заданной величины

при

переменном возмуще-

нии.

Для ЭП

возмущение определяется

основном изменением стати-

ческого момента

который

установившемся режиме равен вращаю-

щему моменту двигателя

М.

Точность регулирования зависит

от

жесткости механических характе-

ристик.

Механические характеристики

ЭД

при

различной жесткости

об-

условлены различными способами

управления (рис.

4.13). Так,

харак-

теристики

2 и 4 —

естественные

при

различном значении

на-

пряжения якоря

> (7

); 3 —

характеристика разомкнутой

си-

стемы управления;

/ —

замкнутой

отрицательной обратной связью

по

скорости. Очевидно,

этом слу-

чае жесткость характеристики

вы-

3 Зак. 831 65

Рис.

4.13.

Механические

характери-

стики

при

различной жесткости

Рис.

4.14.

Функциональная

замкнутой системы

ше.

Это

приводит

меньшему

от-

клонению скорости Лео,

следова¬

тельно,

более высокой точности.

Из графиков видно,

что

замы-

кание системы отрицательной

об-

ратной связью

по

скорости увели-

чивает жесткость. Однако регули-

рование скорости

за

счет снижения

напряжения приведет

ухудшению

точности. Поэтому

этом случае

эффективным может оказаться применение дополнительной положи-

тельной обратной связи

по

нагрузке.

Рассмотрим применение системы

с ЭП

постоянного

переменного

тока.

При

этом основными управляющими воздействиями

для них со-

ответственно являются подводимое напряжение

частота тока

(для

ЭД переменного тока). Схема системы «управляемый преобразователь —

двигатель

(УП —

Д)» приведена

на рис. 4.14.

Выходная величина

вых

объекта управления

ООС подается

узлу сравнения

УС. Она

сопоставляется

заданной величиной

Y (t).

Величина рассогласова-

ния

Адг

ых

= Y (t) —

вых

виде управляющего воздействия

Y по-

ступает

управляемый преобразователь

УП,

где

она

усиливается

и вы-

зывает требуемое изменение напряжения

В зависимости

от

особенностей управляемого преобразователя раз-

личают

два

основных вида систем УП—Д: генератор

—

двигатель

(Г

- Д) и

тиристорный преобразователь —- двигатель (ТП-—Д). Каж-

дая

из них

имеет

ряд

модификаций.

На рис. 4.15

изображена система

— Д с

ООС

по

скорости

тиристорным возбудителем

ТВ,

питающим

обмотку возбуждения генератора

ОВГ.

Генератор

приводится

во

вращение двигателем

М2, в

качестве которого применяют асинхрон¬

ные

или

синхронные

ЭД.

Скорость основного двигателя

Ml,

контро-

~\В

схему

Д Г;дт

)управления

Рис.

4.15.

Система «генератор—двигатель»

тиристорным возбудителем:

ifa

—

обмотка задания управляющего сигнала; ге>с, ш>т

—

обмотки обратных связей

по

ско-

рости

току;

Иъ, Uo.o,

UO.T

—

сигналы

на

входе этих обмоток

лируемая датчиком скорости

ДС,

изменяется

при

изменении напряже-

ния якорной цепи

. В

свою очередь напряжение

при

постоянной

скорости двигателя

М2

пропорционально напряжению

на

ОВ1

Сигнал управления

В г

формируется

результате сравнения сиг-

нала датчика

ДС (7

ДС

пропорционального действительной скорости

о)д,

напряжения

снимаемого

потенциометра

заданной скоро-

сти

пропорционального требуемой скорости. Если система

Г —Д

предназначена

для

стабилизации скорости,

то (7

= const,

если для_уп-

равления,

то U

= var. ЭДС на

выходе преобразователя

при Ф -

const

---=U

fe„=

— U

. с) ku,

где

k?k

—

коэффициенты передачи тиристорного преобразователя

гене-

ратора соответственно.

Замыкание электромеханической системы

ООС

позволяет увели-

чить жесткость

в (1 + К) раз, где К =

а 1г

—

коэффициент

передачи

ЭД.

Штриховой линией

на рис. 4.15, а

показаны датчик напряжения

ДН

реализуемая

его помощью ОС

по

напряжению (У

.„.

этом слу-

чае

ОС по

скорости может отсутствовать. Напряжение

на

входе датчи-

ка

ДН U

= Е —

Из

этого выражения следует,

что ОС по на-

пряжению является комбинированной, состоящей

из ООС по Е

положительной

по

току нагрузки

Положительная

ОС по

нагрузке

позволяет компенсироватьладение напряжения

цепи якоря

ЭД и

спо-

собствует поддержанию пвстоянства напряжения

, а

отрицательная

стабилизирует переходные процессы.

системе обеспечивается высо-

кая жесткость MX.

Для компенсации реакции якоря предусматривают также положи-

тельную

ОС по

току.

Для

этого

якорную цепь генератора

и ЭД

вклю-

чают последовательно датчик тока

ДТ

(шунт). Снимаемое с него напря-

жение

0 т

подают

на

вход

УП.

Обратная связь

по

току применяется

как дополнение

к ОС по

напряжению

или ОС по

скорости. Самостоя-

тельно

же она не

может обеспечить желаемое качество характеристики,

поскольку

не

обеспечивает требуемую стабилизацию скорости.

Положительная

ОС по

току совместно

ООС

по

скорости позволяет

получить высокую жесткость MX

системе.

При необходимости гальванической развязки сигналов

ОС

управ-

ляемый преобразователь должен иметь несколько дополнительных

об-

моток управления, которые получают питание

от

соответствующих дат-

чиков ОС (рис.

4.15, б).

Основными достоинствами системы

Г — Д

являются возможность

плавного регулирования скорости

широких пределах

сравнитель-

ная простота автоматизации. Недостатки системы Г—Д

—

наличие

большого числа электрических машин,

что

определяет высокую стои-

мость оборудования, низкий

к. п. д.,

значительный

шум при

работе.

Недостатки системы

Г — Д

обусловили стремление заменить

не

только

устройство питания обмотки возбуждения генератора постоянного

то-

з»

Преимущества тиристорных устройств привели

значительному

сужению сферы применения системы

Г - Д и

замене

ее

систем^

ти

™ып1

УЛИРОВАНИЕ

СКОРОСТИ

АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

ПРИ ПОМОЩИ ЗАМКНУТЫХ

САР

""А.ельи

ппм^ТЛТ

у1,

авляющих

воздействий

ЭД

с короткозамкнутым

рото-

чТтотаТж

™

лъзо

аНЫ

нап

яжение

подводимое к

статору,

частота тока

которые обычно изменяются одновременно

оотогГпй

п.пи

НЫМ

Т0Р0М

именяют

регулируемые

резисторы

роторной

цепи.С

увеличением сопротивления в цепи ротора

(R.

™

<Яз

МХ

становятся более мягкими

(рис.

4.16,

а) и при одном

вращения

НаГРУ

Гп

Мн

М0ЖН0

ЛуЧИТЬ

Р—чные скорости

вращения

(со

, со

т. д.).

При

этом критический момент

кх>

не

изме-

(напГимео

™

^Г™*™'

ВВОДИМОМ

"пь

(например,

значение

кр

в первом квадранте не

достига-

ется

из-за резкого снижения скорости

со.

При

изменении частоты

Tonst

ГРТ"™

подводимого

статору

ЭД,

при

™

л*

(

"г/i

'IV

меньша

ется

критический

момент

(М

кп

5ения

ня

Г,™ '

1 Т

об

словле

"о

увеличением падения наря-

жения на активном сопротивлении обмоток статора

и жесткости

(сплошные

линии).

Для устранения этого явления следует компен

сировать падение напряжения

на

активном сопротивлении обмоток

статора

выдерживать условие ^"-^ст)

consf Соответству

ХараКТе

ИСТИКИ

«синхронного двигателя

реостатным

ющие

изображены штриховыми линиями

на

рис.

4.16, б.

Досто-

инством такого способа регулирования является плавность измене-

ния

при

высокой жесткости

MX.

Источниками переменной частоты

при регулировании асинхронных

ЭД

обычно служат тиристорные пре-

образователи.

Глава

МЕТОДЫ ДИСКРЕТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

5.1.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При непрерывном управлении

ЭП

исполнительный двигатель,

на-

пример

ДПТ,

подключен

сети непрерывно.

При

дискретном управле-

нии якорь

ЭД,

соединенный последовательно

дросселем

подклю-

чается

сети

напряжением

периодически

помощью коммутатора

(рис.

5.1).

Роль коммутатора играют транзисторные

или

тиристор-

ные ключи

изменяемой скважностью. Часть периода

ЭД

подключен

сети, часть периода отключен.

При

замыкании ключа

ток

якоря

ЭД

нарастает

по

экспоненциальному закону

постоянной времени

т =

(Ь

)/(R

-\-

Величина

определяется индуктивностями

L„

сопротивлениями

, R

дросселя

якоря соответственно.

При

размыкании коммутатора

двигатель отключается

от

сети,

но ток

яко-

ря замыкает через шунтирующий диод

уменьшается

той

же

по-

стоянной времени. Существует несколько способов дискретного

уп-

равления: широтно-импульсное управление (ШИУ), амплитудно-им-

пульсное (АИУ), время-импульсное (ВИУ), частотно-импульсное

(ЧИУ), фазоимпульсное

(ФИУ)

комбинированное.

авиации наибо-

лее широко применяются

ШИУ, АИУ,

ВИУ.

Коммутатор

К,

дроссель

и ЭД

образуют силовую систему

ЭП,

по

которой передается энергия

от

источника

исполнительному механиз-

му. Управляющая система

ЭП

определяет закон управления замыка-

нием

размыканием контактов коммутатора,

т.е.

запиранием

отпи-

ранием силовых транзисторов

или

тиристоров.

Научно-техническая революция привела

значительным измене-

ниям

как в

силовой,

так и в

управляющей системах

ЭП.

силовых

системах существенно изменились полупроводниковые приборы

— си-

ловые транзисторы, управляемые тиристоры, созданы новые материалы,

усовершенствованы системы теп

лоотвода.

результате исполь-

зования новой технологии про-

изводства снизились материало-

емкость

трудоемкость

их из-

готовления, улучшились техни-

ко-экономические показатели

Рис

Схема ДИСК

ретного управления

элементов силовых систем

си- дпт

независимым возбуждением

стем в целом. Созданы и производятся беспотенциальные диодно-

тиристорные и оптотиристорные модули на ток 25 ... 160 А. Разра-

ботаны мощные транзисторы на токи 10 ... 800 А, а также быстро

восстанавливающиеся диоды с временем восстановления 0,1 ... 1 и

3 ... 5 мкс.

Максимально допустимые температуры быстродействующих тири-

сторов повышены от ПО до 125 °С; потери энергии в приборах в прово-

дящем состоянии снижены на 15 ... 20 %. Это позволило практически

в 2 раза уменьшить габаритные размеры и в 4 ...5 раз — массу при-

боров. Значительно возросли динамические показатели быстродейству-

ющих тиристоров — критические скорости нарастания прямого тока

возросли до 800 А/мкс, прямого напряжения — до 1000 В/мкс.

В управляемых ЭП широко используются элементы повышенной

степени интеграции: большие интегральные схемы, микропроцессор-

ные системы и микроЭВМ. Создаются объектно-ориентированные комп-

лексы. Они включают устройства управления и связи локальных ЭП

(например, систем управления рулями высоты с системой более высо-

кой степени иерархии, ответственной за функционирование органов уп-

равления ВС в целом).

Широкие перспективы открыло использование микропроцессорной

техники. Микропроцессорные системы обеспечивают нужные для авиа-

ции гибкость, быстродействие, адаптивность, высокую надежность,

контроле- и ремонтопригодность. В настоящее время ЭП самолетов но-

вого поколения (Ту-204, Ил-96 и др.) уже оснащаются встроенными

цифровыми системами контроля и диагностики, позволяющими в поле-

те оценить состояние системы и в случае неисправности выдать экипажу

необходимые рекомендации.

Важнейшими показателями дискретного ЭП являются: диапазон

регулирования частоты вращения; форма напряжения, подаваемого к

ЭД, допустимая кратность перегрузки по току; коммутационные по-

тери; выходное сопротивление каскада; быстродействие и т. д.

При дискретном управлении ЭП используются те же законы, что

и при непрерывном.

5.2. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Широтно-импульсное управление ЭД характеризуется наличием по-

стоянного периода Т (следования импульсов). Изменяется длитель-

ность импульса t

, характеризуемая коэффициентом заполнения

у = tJT (рис. 5.2). При большом коэффициенте у (рис. 5.2, а) средний

ток якоря /

ср

велик Уменьшение у ведет к уменьшению /

ер

(рис. 5.2,

б) и, как следствие, к уменьшению среднего момента М

ср

= С

ср

частоты вращения. В таких схемах, как правило, последовательно с об-

моткой якоря подключается дроссель L

, R

(см. рис. 5.1), что увели-

чивает постоянную времени цепи якоря и уменьшает колебания тока

якоря вокруг среднего значения. В результате частота вращения рото-

рл ЭД за период также меняется

незначительно, тем более, что она

определяется еще и сравнительно

большой механической постоянной

иремени ЭД.

Наличие дросселя приводит к

тому, что, несмотря на ярко выра-

женный импульсный характер -под-

нодимого напряжения U собствен-

но на ЭД, напряжение изменяется

незначительно. Это объясняется

тем, что при большом напряжении

гок в цепи и его производная

dildt

энергично растут, дроссель погло-

щает электромагнитную энергию. При этом значительная часть напря¬

жения. т. е. величина (У

= Ldildt, приходится на долю индуктивно-

сти.

При отключении подводимого напряжения ток в цепи уменьшает-

ся,

производная

dildt

меняет знак, индуктивность отдает ЭД запасен-

ную в ней энергию; тем самым поддерживается напряжение на ЭД.

Существует много разновидностей схем с ШИУ, различающихся ха-

рактером емкостной коммутации, законами и способами управления

силовыми тиристорами и транзисторами. Однако все они могут быть

сведены к трем основным типам: нереверсивная схема с однополярными

импульсами (рис. 5.3, а), нереверсивная схема с однополярными им-

пульсами и динамическим торможением (рис. 5.3, б), реверсивная

Рис.

5.2. Зависимости напряжения и

тока электродвигателя от времени

Рис.

5.3. Типовые электричес-

кие схемы при широтно-им-

пульсном управлении

схема

разнополярными импульсами

(рис.

5.3,

в).

таких схемах закон

управления,

т. е.

частота следования

импульсов,

их

длительность, период,

коэффициент заполнения задаются

——j—

1—I—широтно-импульсным модулятором

ШИМ.

Последний

свою очередь

ис-

пользует информацию, поступающую

к нему

пульта управления операто-

ра,

датчиков обратной связи

и т.д.

Рассмотрим наиболее простую схе-

му

—

нереверсивную схему

однопо-

„ лярными импульсами (см. рис.

5 3 а)

Пренебрегаем электромагнитным запаздыванием

считаем,

что

пере-

ходный процесс

при

включении

выключении напряжения опреде-

ляется лишь механической постоянной времени. Тогда

— М =

Рис.

5.4.

Приближенные зависи-

мости

частоты вращения ротора

от

времени

при

широтно-импульс-

ном

управлении

dt '

где J

мом

ент инерции

ЭД и

механизма;

со

—

частота

вращения ротора;

—

вращающий момент

ЭД; М

—

момент сопро-

тивления. Очевидно,

что

частоту

со

нельзя считать постоянной хотя

ее изменения

за

период

незначительны. Ротор ускоряется

при

нали-

чии импульса напряжения

замедляется

при его

отсутствии

Можно приближенно считать,

что

момент

— М

при

ускорении

ротора и момент

при

его торможении

от

времени

не

зависят. Тогда

для приращения угловой скорости

при

ускорении

А(Оу

-М

при

торможении

До>

(Т-1

(5.1)

(5.2)

Приближенные зависимости

со (/)

представлены

на рис. 5.4. Оче-

w>w

» „

,, ^t,j

iip^/l,V.

ClI)

Hjnoi

П(

видно,

что в

установившемся режиме Дсо„

= —

Дсо

Откуда

Мг

(5.3)

или

= M

T. (5.4)

Механическая характеристика

ЭД с

независимым возбуждением

-w/w

(5.5)

М„.

(1-

или

со

= ш

(1 —

/М

(5.6)

где

со

—

скорость холостого хода;

М„ „

характеристике

при со = 0.

момент

двигателя

на

естественной

<о

= со

|1 —^- -^ =(0,1

—zr^r)-

(

Тогда, решив совместно

(5.4) и

(5.5),

получим

Мк.

з /и I Л М

. зТ

Учитывая,

что в

установившемся режиме

= М

сравнивая

(5.6) и

(5.7),

замечаем, что они полностью совпадают

при 7=1.

Иными

словами, MX

при

широтно-импульсном управлении (ШИУ) имеет тот

же

характер,

что и MX при

введении добавочного сопротивления последо-

интельно

цепь якоря.

Полученные результаты полностью относятся

и к

нереверсивной

схеме

однополярными импульсами

динамическим торможением

(см.

рис. 5.3, б). Она

отличается

от

рассмотренной лишь наличием

це-

почки VT2—

обеспечивающей электродинамическое торможение

ЭД

при

открытии транзистора

VT2 и

закрытии

VT1, т. е. при

отклю-

чении питания

от ЭД.

Достоинством

ШИУ

является

то, что

независимо

от

коэффициента

заполнения

к. п. д.

системы велик,

т. е.

мощность электродвигателя

близка

мощности, потребляемой

из

сети. Некоторые потери имеются

и коммутаторе, сопротивлении дросселя, обмотке якоря

ЭД. К

другим

достоинствам относятся: высокая надежность

широком диапазоне

регулирования, хорошая перегрузочная способность, малая длитель-

ность импульса

при

большой рабочей частоте, отсутствие коммута-

ционных перенапряжений, простота, сравнительно низкая стои-

мость, возможность создания

как

нереверсивных,

так и

реверсивных

систем.

Рабочие параметры схем: диапазон регулирования скорости

0,5 ...

...3000

об/мин, отношение

тараном

---

частота коммутации

500 ... 2000 Гц,

время торможения

при

частоте вращения

об/мин око-

ло

0,01 с, при

частоте

1000

об/мин

— 0,012 ... 1,2 с.

5.3.

РЕВЕРСИВНАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Для реверсирования удобно использовать схему

разнополярными

импульсами

(см. рис. 5.3,

в).

Полярность подаваемых

к ЭД

импульсов

напряжения изменяется

зависимости

от

того, какие транзисторы

от-

крыты.

При

работе транзисторов

VT1 и VT3

момент

ЭД

направлен

одну сторону (двигательный режим),

при

работе

VT2 и

VT4—

дру-

гую (режим противовключения).

Тогда

соответствии

с (5.5) и (5.6) в

режиме противовключения

Приращение угловой скорости

при

разгоне

двигательном режиме

с учетом

(5.1)

——)—

Мс

Дсо„=

j^Ll

t„. (5-8)

При торможении в режиме противовключения с учетом (5.2)

-М«.

М ——)+м

Лсо

' t

. (5.9)

В установившемся режиме средняя частота вращения ротора по-

стоянна, т. е. Лсо

= Асо

=Лсо (см. рис. 5.4).

Тогда, решая совместно (5.8) и

(5.9),

находим

. з 27-1- \

М,

После преобразования окончательно получаем

(27

Анализ показывает, что при изменении момента сопротивления

частота вращения со меняется незначительно, т. е. схема имеет

жесткие MX, аналогичные характеристикам системы «генератор —

двигатель». Это ее большое достоинство. Особенность схемы — зави-

симость частоты вращения идеального холостого хода со

(2у — 1)

от времени. Из выражения для со следует, что для заданного направле-

ния вращения коэффициент заполнения у можно менять от 1 до 0,5.

При дальнейшем уменьшении у (от 0,5 до нуля) знак со меняется на об-

ратный, т. е. происходит реверсирование двигателя. К недостаткам

схемы относится ее сравнительная сложность и большие потери в тран-

зисторах. Кроме того, коммутируемые транзисторами токи позволяют

управлять ЭП с двигателями мощностью до 1 ... 1,5 кВт. При повы-

шении мощности можно использовать лишь тиристорные ключи, спо-

собные коммутировать большие токи.

Но при использовании тиристорных ключей возникают трудности

с коммутацией. Они вызваны тем, что после закрытия тиристора не-

обходимо время для восстановления его непроводящих свойств. Следо-

вательно, в схемах с тиристорами невозможно достигнуть у, близким

к единице. Для максимальной компенсации этого недостатка в схему

ШИУ вводится узел, обеспечивающий запаздывание. Кроме того, для

прерывания тока через тиристор необходимы схемы искусственной

коммутации (коммутирующие устройства), так как, используя лишь

управляющий электрод, можно открыть тиристор, но нельзя закрыть

его.

Так, в схеме рис. 5.5, а включение и выключение ЭД производятся

управляемым тиристором VS1. Цепи ЭД и VS1 защищены диодами

VD1 и VD2. Остальные элементы схемы образуют коммутирующее

устройство последовательного типа. Тиристор VS1 открывается при

подаче напряжения на его управляющий электрод, и на ЭД подается

импульс напряжения.

Чтобы снизить до нуля напряжение, подаваемое к ЭД, необходимо

закрыть VS1, тогда ток якоря и тиристора упадет до нуля. Для этого

1>ис.

5.5. Коммутирующие устройства с тиристорными ключами в схемах широт-

ш>-импульсного управления

требуется снять напряжение с управляющего электрода VS1 и подать

напряжение на управляющий электрод тиристора VS2. Тиристор VS2

открывается, и конденсатор С, предварительно заряженный от допол-

нительного источника с напряжением (7„, разрядится на дроссель L1.

11ри этом запирающее напряжение дросселя обеспечивает закрытие

VSI;

импульс напряжения с ЭД снимается. Источник с напряжением

<7„ служит для зарядки конденсатора через дроссель L2 и диод VD4

после его разряда. Недостатком схемы является наличие дросселя L1,

вносящего запаздывание в управление ЭП.

В коммутирующем устройстве параллельного типа (рис. 5.5, б)

разрядный контур С — VS2 — L1, предназначенный для закрытия ти-

ристора VSJ, подключен непосредственно к VSL Однако из-за малого

сопротивления тиристора VS1 при разряде конденсатора на нем созда-

стся лишь небольшое противодействующее напряжение. Поэтому за-

крывается такой тиристор недостаточно эффективно. Другим недо-

статком устройства является повышенная длительность коммутации.

Дроссель L1 служит для создания напряжения, закрывающего тири-

стор VS2. Диоды VD1 ... VD3 снижают перенапряжения при изме-

нении токов в ветвях схемы.

Коммутирующее устройство с трансформаторной связью (рис. 5.5,

в)

является разновидностью схемы последовательного типа. Трансфор-

матор, как правило, имеет повышающий коэффициент трансформации,

а его первичная и вторичная обмотки иногда включаются последова-

тельно.

Индуктивная связь между разрядным контуром и силовой цепью

используется, чтобы ускорить закрытие тиристора VS1. Этим частич-

но устраняется недостаток схемы последовательного типа — запаздыва-

ние в управлении ЭП, обусловленное наличием дросселя в силовой

цепи.

Принципиальная электрическая схема привода с ШИУ и последо-

вательной коммутацией приведена на рис. 5.6. При открытии управля-

емых тиристоров VS6 и VS3 ток через ЭД проходит справа налево по

цепи: L2 — VS6 — М — VS3 — L1; при открытии VS4 и VS5 — на-

VS1

-r>r-

.11

ЪъЗ

YlVDiVD5\l VS5i\

У04

VD6

Wil

при

НИИ

ния

оборот. Следовательно, схема

обеспечивает реверсирование.

Тиристоры

VS1 и VS2

вспомо-

гательные.

Они

обеспечивают

закрытие

VS3

(контур

С1 —

VS1

— L1) или VS4

(контур

С2—VS2

— L2).

Интересно,

что

последовательном соедине-

VS4

и VS5

схема управле-

закрывает лишь один

из

них

— VS4. Это и

понятно:

последовательной цепи достаточ-

но прервать

ток в

одном месте.

Кроме того,

на

каждый

из

тири-

сторов

VS4 и VS5

приходится

вдвое меньшее напряжение,

что

облегчает

их

гашение.

Это

поз-

воляет заряжать конденсаторы

С1 и С2 от

основного источника, тогда

как

схеме

на

рис.

5.5, а для их

зарядки использован вспомогательный

источник более высокого напряжения. Диоды

VD3 ... VD6

снижают

перенапряжения

цепи

при

изменении тока якоря.

Рис.

5.6.

Электрическая схема привода

широтно-импульсным управлением

последовательной

коммутацией

5.4.

ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНОЕ

АМПЛИТУДНО-ИМПУЛЬСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Эквивалентное подаваемое

к ЭД

напряжение можно изменить,

ме-

няя ширину импульсов

при

постоянном периоде

их

следования.

При

ВИУ (рис.

5.7)

импульсы, несущие информацию

напряжении, одина-

ковы

по

амплитуде

ширине,

а)

и{ ,

одинакова

частота

их

следова-

ния. Однако импульсы сдвинуты

Й/|Н—Н—\Л

|| | || М

относительно начала каждого

пе-

риода

на

время

аТ. При

этом

ве-

б)

i т 2Т

¥Т

я t

личина

несет информацию

напряжении, которое необходимо

подать

к ЭД.

На

рис. 5.7, а

величины

и аТ

малы,

им

соответствует

малое

на-

пряжение

% ЭД. На рис. 5.7, б

> а

и а

Т > а

Т,

следова-

тельно,

и и

> и

. На рис. 5.7, a

>а

, а

>а

Г,

отсюда

Таким образом

как бы

меняется фаза поступления

им-

пульсов, поэтому иногда представ-

ленные

на рис. 5.7

последователь-

Ь)

1 п

,11

2Т

31 ¥Т Я t

)

21 ЗТ Ы 5Т t

W. п. п

(Х.

1 fin

гг

зт ifi 5т

Рис.

5.7.

Последовательности

им-

пульсов

при

время-импульсном

уп-

равлении

1 л 1 п гт

"л,

27 ЗТ UT 5Т

1 п п п п

ности импульсов называют фазово-

модулированными. Получив

ин-

формацию

параметре

а (или

вре-

мени

аТ),

технически несложно,

имея систему управления, полу-

чить зависящее

от них

подаваемое

ЭД

напряжение

и.

Особенно

удобно

ВИУ при

использовании

микропроцессорных систем. Непре-

менной принадлежностью таких

систем является генератор так-

товых импульсов

—

таймер.

Эти

импульсы удобно использовать

для

измерения времени

аТ и

создания сигнала управления,

вающего требуемое напряжение.

При

АИУ

напряжение, которое необходимо подать

ЭД,

можно оце-

нить

по

амплитуде импульсов

(рис. 5.8).

Ширина импульсов, период

их следования, нулевой сдвиг относительно начала каждого периода

постоянны

для

всех импульсов. Меняется лишь амплитуда

по

мере

из-

менения напряжения.

Это

.видно

из

рис.

5.8, где и

> щ, а

следователь-

но,

амплитуда

> А

Меняется также

площадь импульса,

ко-

торая

при

одинаковой ширине импульсов однозначно определяется

их

амплитудой.

Аналитически импульсную управляющую функцию можно записать

в виде

(А

при (пТ<

t<mT~\-T,

7*2

= const, r = const;

2Т ЗТ *Т 5Т t

Рис.

5.8.

Последовательности

им-

пульсов

при

амплитудно-импульсном

управлении

обеспечи-

«(0

при тГ + Т

< << (m+1) Т, Т —

Г,

= r

= const.

Системы регулирования

таким импульсным элементом относятся

к классу линейных импульсных систем,

так как их

состояние

рав-

ностоящие моменты времени определяется линейными уравнениями

конечных разностях.

Амплитудно-импульсное управление широко используется

авиа-

ционном

ЭП.

Опыт показывает,

что оно

обеспечивает достаточную точ-

ность

при

сравнительно малой мощности управляющего сигнала.

л а

а 6

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

6.1.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Основным устройством электропривода является

ЭД,

преобразую-

щий электрическую энергию

механическую. Работая

электропри-

воде,

ЭД

изменяет режим работы

соответствии

требованиями,

предъявляющимися

нему исполнительным механизмом. Двигателем,