Системы импульсно-фазового управления

ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Элементы и устройства замкнутых систем управления электроприводами

2.1.1. Классификация элементов АЭП

Под термином «элемент» автоматизированного электропривода понимается входящее в него устройство, выполняющее определенную функцию управления, в соответствии с которой входное воздействие элемента преобразуется в выходное.

АЭП можно представить в виде совокупности силовых и управляющих элементов (рис. 2.1). Силовые элементы преобразуют, регулируют и подводят к рабочему органу (РО) механизма основной поток энергии. Управляющие элементы формируют, преобразуют и подводят сигналы управления к силовым элементам. К силовым элементам относятся управляемые преобразователи энергии УПЭ, электродвигатели (М), передаточные механизмы (ПМ), рабочие органы машин и механизмов.

Управляющие элементы можно разделить на две группы:

1) элементы систем управления вентилями УПЭ, которые преобразуют сигнал управления с выхода системы автоматического управления (САУ) в открывающие импульсы;

2) элементы САУ, формирующие задающие и управляющие воздействия и определяющие статические и динамические свойства АЭП.

По функциональному признаку элементы второй группы делятся на следующие виды:

• регуляторы (Р), которые вычисляют разность сигналов задания и обратной связи (рассогласование) и на ее основе формируют управляющее воздействие, приводящее регулируемую координату к заданному значению;

• датчики (Д), преобразующие управляемую координату в электрический сигнал, используемый как сигнал обратной связи;

Рис. 2.1. Структурная схема автоматизированного электропривода

• задающие элементы (ЗЭ), которые формируют задающие воздействия, определяющие технологическую программу работы АЭП;

• согласующие элементы (СЭ), которые согласуют выходные и входные координаты соединяемых элементов по роду тока, виду и уровню сигналов и т.п.

Регуляторы

Регулятор выполняет вычисление рассогласования и его преобразование в управляющее воздействие в соответствии с определенной математической операцией. В САУ используются в ос-

новном следующие типы регуляторов: пропорциональный (П), интегральный (И), пропорционально-интегральный (ПИ), пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД). В зависимости от вида преобразуемых сигналов различают аналоговые и цифровые регуляторы. Аналоговые регуляторы (АР) реализуются на основе операционных усилителей, цифровые — на основе специализированных вычислительных устройств или микропроцессоров. Аналоговые регуляторы преобразуют только аналоговые сигналы, являющиеся непрерывными функциями времени. При прохождении через АР преобразуется каждое мгновенное значение непрерывного сигнала.

Для реализации АР операционный усилитель (ОУ) включается по схеме суммирующего усилителя с отрицательной обратной связью. Тип регулятора и его передаточная функция определяются схемой включения резисторов и конденсаторов в цепях на входе и в обратной связи ОУ.

При анализе регуляторов воспользуемся двумя основными допущениями, которые с высокой степенью точности выполняются для ОУ с отрицательной обратной связью в линейном режиме работы:

• дифференциальное входное напряжение и_вх ОУ равно нулю;

• инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ тока не потребляют, т.е. входные токи /_и ~ /_ни ~ 0 (рис. 2.2). Так как неинвертирующий вход подключен к шине «нуль», то, согласно первому допущению, потенциал ср_а инвертирующего входа также равен нулю. С учетом этого в соответствии с законом Ома

В предположении, что /_и = /_ни = 0, запишем для узла «о» первый закон Кирхгофа:

При равенстве сопротивлений входных резисторов последнее уравнение примет вид

или

(2.1)

где — рассогласование. Знак «-» означает, что

сигналы управления и рассогласования изменяются в противо-фазе.

Рис. 2.2. Функциональная схема пропорционального регулятора

Перейдя к приращению переменных в уравнении (2.1) и использовав преобразование Лапласа, получим передаточную функцию П-регулятора:

где Кп — коэффициент пропорционального усиления.

Таким образом, в П-регуляторе осуществляется пропорциональное усиление (умножение на постоянную Кп) сигнала рассогласования м_рас.

Коэффициент Ал может быть как больше, так и меньше единицы. На рис. 2.3 представлена зависимость П-регулятора при изменении сигнала рассогласования м_рас.

Напряжение на входе регулятора не должно превышать значения Трастах, определяемого из условия

(2.2)

- максимальное значение выходного напряжения ОУ.

Рис. 2.3. Временные диаграммы работы пропорционального регулятора

Если условие (2.2) не выполняется, то регулятор входит в состояние насыщения и теряет управляющие свойства. При уменьшении |и_рас | до значений, меньших регулятор вновь переходит в линейный режим работы.

Интегральный регулятор (И-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ конденсатора Coy (рис. 2.4). Передаточная функция И-регулятора

где Т_И = R₃C_Oy — постоянная интегрирования, с.

Рис. 2.4. Функциональная схема интегрального регулятора

В И-регуляторе осуществляется интегрирование сигнала рассогласования Ирас-

Если входной сигнал u_pac изменяется скачком, то щ изменяется линейно, достигая за время t = Г_и значения входного £Vc (рис. 2.5). При действии на входе И-регулятора постоянного сигнала £/рас в течение времени

где £/„ых о — начальное выходное напряжение при t = 0, регулятор входит в насыщение и будет находиться в нем, пока рассогласование Ирас не изменит знак.

Рис. 2.5. Временные диаграммы работы И-регулятора

Пропорционально-интегральный регулятор(ПИ-ре-гулятор) реализуется включением в обратную связь резистора R_oy и конденсатора С_Оу (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Функциональная схема ПИ-регулятора

Передаточная функция ПИ-регулятора

является суммой передаточных функций пропорционального и интегрального регуляторов. Так как ПИ-регулятор обладает свойствами П- и И-регуляторов, то он осуществляет одновременно пропорциональное усиление и интегрирование сигнала рассогласования м_рас. Если рассогласование м_рас изменяется скачком от нуля до -С/рас, то вначале осуществляется его пропорциональное усиление до значения К_п £/_рас, а затем интегрирование во времени с постоянной интегрирования Т_и (рис. 2.7). При действии на входе ПИ-регулятора постоянного сигнала t/_pac в течение времени

Рис. 2.7. Временные диаграммы работы ПИ-регулятора

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор) реализуется в простейшем случае включением в ПИ-регуляторе параллельно резисторам R₃ и R_Oc конденсаторов С₃ и Сое (рис. 2.8)..

регулятор входит в состояние насыщения.

Рис. 2.8. Функциональная схема ПИД-регулятора Передаточная функция ПИД-регулятора

— коэффициент пропорцио-

нального усиления ПИД-регулятора; Тц = RoyC₃ — постоянная дифференцирования; Г_и = R₃Coy — постоянная интегрирования; Г, = Л_Оу С_Оу ;T₂=R₃C₃.

Передаточная функция ПИД-регулятора является суммой передаточных функций пропорционального, интегрального и дифференциального регуляторов. ПИД-регулятор осуществляет одновременно пропорциональное усиление, дифференцирование и интегрирование сигнала рассогласования м_рас.

2.1.3. Датчики координат АЭП

Структурная схема датчика. В АЭП для получения сигналов обратной связи по управляемым координатам используются датчики. Датчик представляет собой устройство, информирующее о состоянии управляемой координаты АЭП путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрический сигнал.

Управляемыми в АЭП являются электрические и механические координаты: ток, напряжение, ЭДС, момент, скорость, перемещение и т.д. Для их измерения используют соответствующие датчики.

Датчик координат АЭП структурно может быть представлен в виде последовательного соединения измерительного преобразователя (ИП) и согласующего устройства (СУ) (рис. 2.9). Измерительный преобразователь преобразует координату х в электрический сигнал напряжения и (или тока /), пропорциональный х. Согласующее устройство осуществляет преобразование выходного сигнала и ИП в сигнал обратной связи ы_Ос. который по величине и форме удовлетворяет САУ.

Рис. 2.9. Структурная схема датчика координат АЭП

Датчики тока. Датчики тока (ДТ) предназначены для получения информации о силе и направлении тока двигателя. К ним предъявляют следующие требования:

• линейность характеристики управления в диапазоне от 0,1/_НОм до 5/ном не менее 0,9;

• наличие гальванической развязки силовой цепи и системы управления;

• высокое быстродействие.

В качестве измерительных преобразователей в ДТ используются трансформаторы тока, дополнительные (компенсационные) обмотки сглаживающих дросселей, элементы Холла, шунты.

ДТ на основе трансформаторов тока в основном используются в АЭП постоянного тока для измерения тока двигателей при питании их от симметричных мостовых однофазных и трехфазных выпрямителей (рис. 2.10).

Для однофазного выпрямителя используется один трансформатор тока (ТА1), а для трехфазного — три трансформатора (ТА1...ТАЗ), включенных в звезду. Для обеспечения режима работы трансформаторов тока, близкого к режиму короткого замыкания, их вторичные обмотки нагружаются низкоомными резисторами Rtt (0,2...1,0 Ом). Преобразование переменного напряжения вторичных обмоток осуществляется выпрямителем VD1...VD4 (VD1...VD6).

Рис. 2.10. Функциональные схемы электропривода постоянного тока с трансформаторными датчиками, тока

Структурно датчик тока можно представить последовательным соединением нескольких измерительных преобразователей (рис. 2.11). Коэффициент передачи датчика тока

где К_Св = 'i /'я — коэффициент передачи по току силового выпрямителя; Луг — сопротивление нагрузочного резистора; — коэффициент трансформации трансформатора тока; — коэффициент передачи измерительного выпрямителя.

Так как i_t = /_я, то К_Съ = 1. Для однофазной схемы коэффициент передачи измерительного выпрямителя К_ив = 1, а для трехфазной К_ив = 2. Следовательно, коэффициент передачи однофазного датчика &_дт = Rn /Ктт, а трехфазного &_дт = 2 Rrr /Ктт ■

Рис. 2.11. Структурная схема трансформаторного датчика тока

Характеристика управления трансформаторного датчика тока приведена на рис. 2.12. Из нее видно, что трансформаторные датчики тока якоря не позволяют получать информацию о направлении тока в якоре. Вторым недостатком является невозможность их применения для измерения тока якоря при питании двигателей от полууправляемых выпрямителей. Достоинство же таких датчиков заключается в возможности использования сигнала ыдт для защиты тиристоров по току.

Рис. 2.12. Характеристика управления трансформаторного датчиктока

Широкое распространение для измерения тока двигателей получили датчики тока на основе шунтов. Шунт представляет собой четырехзажимный резистор с чисто активным сопротивлением Л_ш (безындуктивный шунт), к токовым зажимам которого подключается силовая цепь, а к потенциальным — измерительная.

По закону Ома падение напряжения на активном сопротивлении и = R_mi.

Для ослабления влияния шунта на прохождение тока в цепи двигателя его сопротивление должно быть минимальным. Номинальное падение напряжения на шунте составляет обычно 75 мВ, поэтому его необходимо усилить до требуемых значений (3,0...3,5 В). Так как шунт имеет потенциальную связь с силовой цепью, датчик тока должен содержать устройство гальванической развязки. В качестве таких устройств применяются трансформаторные и оптоэлектронные устройства. Структурная схема датчика тока на основе шунта приведена на рис. 2.13. Коэффициент передачи

где К_г,_р, A'yc — коэффициенты передачи устройства гальванической развязки и усилителя соответственно.

Рис. 2.13. Структурная схема датчика тока на основе шунта

В настоящее время все большее распространение получают датчики тока на основе элементов Холла, которые выполняются из полупроводникового материала в виде тонкой пластинки или пленки (рис. 2.14). При прохождении электрического тока /хпо пластинке, расположенной перпендикулярно к магнитному полю с индукцией В, в пластинке наводится ЭДС Холла вх_:

где К_х — коэффициент, зависящий от свойств материала и размеров пластинки.

Рис. 2.14. Получение ЭДС Холла в элементе Холла

Датчик тока на основе элемента Холла схематично представлен на рис. 2.15. Он содержит магнитопровод 1, в воздушном зазоре которого размещен элемент Холла 3, подключенный к усилителю 4. При прохождении тока двигателя i_№ по шине 2, расположенной в окне магнитопровода, возникает магнитный поток, пропорциональный i_№. Следовательно, при постоянном токе элемента Холла /_х ЭДС е_х пропорциональна току двигателя i_m.

Рис. 2.15. Упрощенная схема датчика тока на основе элемента Холла

Датчики напряжения. В качестве измерительного преобразователя напряжения в электроприводе используются резистивные делители напряжения (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Функциональная схема датчика напряжения Выходное напряжение делителя

Датчик напряжения помимо делителя может содержать также устройства гальванической развязки и усилитель. В этом случае коэффициент передачи датчика напряжения

а выходное напряжение датчика м_дн = &дн "дв ■

Датчики ЭДС. При невысоких требованиях к диапазону регулирования скорости (до 50) в качестве главной обратной связи в электроприводе применяется обратная связь по ЭДС.

Принцип действия датчика ЭДС якоря основан на вычислении ЭДС по известному уравнению для якорной цепи:

(2.3)

где и_я, /_я — соответственно напряжение и ток якоря; Ь_я._п, R_a._n — индуктивность и активное сопротивление якорной цепи.

Схемотехническая реализация выражения (2.3) затруднена из-за необходимости получения сигнала, пропорционального производной тока якоря /„.

Преобразуем выражение (2.3) по Лапласу:

(2-4)

где — электромагнитная постоянная якорной

цепи.

Разделим выражение (2.4) на

(2.5)

Функциональная схема датчика ЭДС, который реализован в соответствии с выражением (2.5), представлена на рис. 2.17. Для измерения напряжения используется делитель на резисторах R2, R3 с выходным напряжением

где £д_Н = Ri/(R2 + Кз) — коэффициент передачи датчика напряжения.

Рос. 2.17. Функциональная схема датчика ЭДС якоря

Для измерения тока используется дополнительная обмотка L1.2 сглаживающего дросселя. Напряжение и_я через делитель, RC-филътр и повторитель А1 подается на сумматор А2. На вход

суммирования А2 подается также сигнал, пропорциональный падению напряжения Л_я.ц/_Я. Выходное напряжение м_дэ усилителя А2 для установившегося режима работы получим на основании уравнения

(2.6)

При условии выражение (2.6) можно

записать так:

«дэ =£дэ(м_я - Я_я.ц1_я) = к_аэе_я,

— коэффициент передачи датчика ЭДС.

Датчики скорости. Для получения электрического сигнала, пропорционального угловой скорости ротора двигателя, используются тахогенераторы и импульсные датчики скорости. Тахо-генераторы применяются в аналоговых САУ, импульсные — в цифровых.

К датчикам скорости предъявляются жесткие требования по линейности характеристики управления, стабильности выходного напряжения и уровню его пульсаций, так как они определяют статические и динамические параметры привода в целом.

Широкое распространение в электроприводе получили тахогенераторы постоянного тока с постоянными магнитами. Для уменьшения уровня оборотных пульсаций тахогенераторы встраиваются в электродвигатель. Основной характеристикой тахогене-ратора является зависимость его ЭДС от скорости:

где — коэффициент передачи тахогенератора, или

крутизна характеристики.

В импульсных датчиках скорости в качестве первичного измерительного преобразователя используются импульсные преобразователи перемещения, у которых количество импульсов пропорционально углу поворота вала. В зависимости от измеряемой

скорости, диапазона регулирования и требуемой динамической точности используют два варианта цифрового измерения скорости. Оба способа основаны на цифровой реализации выражения

где — угол поворота вала за время — число импульсов

преобразователя за время — число импульсов преобразователя за один оборот вала.

При первом варианте осуществляется подсчет импульсов преобразователя за фиксированный (эталонный) интервал времени т.е.

где — коэффициент передачи датчика скорости.

Этот вариант применяется при высокой скорости вращения.

При втором варианте осуществляется измерение временного интервала А?, за который от преобразователя поступает фиксированное (эталонное) число импульсов Л^_эт, т.е.

где — коэффициент передачи датчика скорости.

Такой вариант используется при низкой скорости вращения.

Датчики положения. В настоящее время в электроприводе для измерения пермещения подвижных частей машин и механизмов применяются индукционные и фотоэлектронные преобразователи.

К индукционным относятся вращающиеся трансформаторы, сельсины и индуктосины. Индуктосины могут быть круговыми и линейными.

Вращающимися трансформаторами (ВТ) называются электрические микромашины переменного тока, преобразующие угол поворота а в синусоидальное напряжение, пропорциональное этому углу. В системе автоматического регулирования вращающиеся трансформаторы используются в качестве измерителей

рассогласования, фиксирующих отклонение системы от некоторого заданного положения.

Вращающийся трансформатор имеет на статоре и роторе по две одинаковые однофазные распределенные обмотки, сдвинутые между собой на 90°. Напряжение с обмотки ротора снимается с помощью контактных колец и щеток или с помощью кольцевых трансформаторов.

Принцип действия ВТ в синусном режиме основан на зависимости напряжения, наведенного в обмотке ротора пульсирующим магнитным потоком статора, от углового положения осей обмоток статора и ротора.

Пусть к обмотке А (рис. 2.18) подведено синусоидально изменяющееся напряжение и_А = U_max sin со?. Проходящий в обмотке ток создает продольный пульсирующий магнитный поток. Если ось вторичной обмотки В совпадает с осью первичной (а = 0), то во вторичной обмотке Сбудет наведена ЭДС е_в = Е_тзх sin со? (рис. 2.18, а). При повороте вторичной обмотки В на угол а (рис. 2.18, б) в ней будет наводиться меньшая ЭДС е_в = (E_mXi cos a) sin со/. При а = 90° (поперечное расположение обмотки В на рис. 2.18, в) пульсирующий магнитный поток статора не сцепляется с вторичной обмоткой, и ЭДС в ней не будет наводиться.

Если относительно неподвижной катушки статора поворачиваются две одинаковые катушки — синусная и косинусная, расположенные под прямым углом друг к другу (рис. 2.18, г), то амплитуды наведенных в них ЭДС будут изменяться по закону соответственно синуса и косинуса:

e_Sin = (-Emax sin a) sin со?; e_cos = (E_max cos a) sin со?.

Вращающийся трансформатор может использоваться также в фазовращательном режиме. В этом случае на взаимно перпендикулярные обмотки статора подаются напряжения, сдвинутые во времени на 90° эл. Токи, созданные этими напряжениями, возбуждают два пульсирующих потока, которые образуют суммарное вращающееся магнитное поле. Это поле наводит в обмотках ротора синусоидальные ЭДС с постоянными амплитудой и частотой, равной частоте питающих статор напряжений. Фаза этих ЭДС будет определяться углом а поворота относительно статора.

Рис. 2.18. Схематическое представление принципа действия вращающегося трансформатора

Сельсин представляет собой электрическую микромашину переменного тока, имеющую две обмотки: возбуждения и синхронизации. В зависимости от числа фаз обмотки возбуждения различают одно- и трехфазные сельсины. Обмотка синхронизации всегда трехфазная. В САУ широкое распространение получили бесконтактные сельсины с кольцевым трансформатором.

Обмотка синхронизации бесконтактного сельсина с кольцевым трансформатором размещается в пазах статора, обмотка возбуждения — в пазах или на явно выраженных полюсах ротора сельсина. Особенность кольцевого трансформатора состоит в том, что его первичная обмотка располагается на статоре, а вторичная — на роторе. Обмотки имеют вид колец, размещенных в магнитной системе, состоящей из кольцевых магнитопроводов статора и ротора, которые на роторе соединяются внутренним магнитопро-водом, а на статоре — внешним. В САУ сельсины используются в амплитудном и фазовращательном режимах.

Схема включения обмоток сельсина в амплитудном режиме представлена на рис. 2.19. Входной координатой сельсина в этом режиме является угол поворота ротора т. За начало отсчета принята осевая линия обмотки фазы А.

Рис. 2.19. Функциональная схема включения обмоток сельсина в амплитудном режиме

При подаче на обмотку возбуждения переменного напряжения — амплитудное значение напряжения возбуждения) возникает пульсирующий магнитный поток, действующий по осевой линии обмотки возбуждения. При этом в фазах обмотки синхронизации наводятся ЭДС той же частоты, амплитуды которых изменяются в зависимости от угла поворота ротора относительно статора, а фазы выходных напряжений неизменны. При отклонении ротора на угол т ЭДС фазных обмоток соответственно равны:

где к — коэффициент трансформации между статорной и роторной обмотками при их соосном положении.

Схема включения обмоток сельсина в фазовращательном режиме представлена на рис. 2.20. Входной координатой сельсина в этом режиме является угол поворота т, а выходной — фаза ср выходной ЭДС е„ых по отношению к переменному питающему напряжению. Обмотка синхронизации получает питание от источника трехфазного напряжения с неизменной амплитудой. Образующееся вращающееся магнитное поле наводит в обмотке ротора, ось которой сдвинута на угол х относительно начала отсчета, ЭДС

где Umax — амплитудное значение фазного напряжения обмотки синхронизации.

Рис. 2.20. Функциональная схема включения обмоток сельсина в фазовращательном режиме

Амплитуда и частота ЭДС е_ВЫК не зависят от угла поворота х ротора сельсина. Угловое положение ротора влияет только на временную фазу ср этой ЭДС. Поскольку число пар полюсов ротора и статора сельсинов в большинстве случаев равно единице, то значение временной фазы ср численно равно угловому перемещению х ротора сельсина, выраженному в градусах (рис. 2.21):

Рис. 2.21. Осциллограммы ЭДСе_ВЬп, наводимой в обмотке

при трех угловых положениях: q>i = 0 (кривая 1), <р₂ = 90°эл. (кривая 2),

<рз = 180°эл. (кривая 3), ф₄ = - 90°эл. (кривая 4)

Фотоэлектрический преобразователь перемещения состоит из трех основных частей: механической, оптической и электронной.

Механическая часть служит для точного вращения входного вала преобразователя, на котором расположен растровый диск. Механическая часть имеет базовые поверхности для установки и присоединения фотоэлектрического преобразователя к валу механизма. Корпус преобразователя защищает оптическую и электронную части от пыли, влаги и механического воздействия.

Оптическая часть (рис. 2.22) содержит светодиод 1, линзу 2, растровую индикаторную пластину 3 и растровый диск 7.

Рис. 2.22. Упрощенный вид оптической части фотоэлектрического преобразователя

световой поток светодиода 1 проходит через линзу 2, растровый диск 7, растровую индикаторную пластину 3. При вращении растрового диска меняется интенсивность света, который пропускается через растровое сопряжение, образуемое диском 7и пластиной 3. В результате меняется фототок через основные фотодиоды 4 и 6. На индикаторной пластине растры расположены в четырех секторах. Штрихи каждого из секторов смещены относительно друг друга на 1/4 периода растра. Четыре фотодиода, установленных против каждого из этих секторов, и сопрягаемые с ними растры диска формируют основные первичные сигналы, изменяющиеся по синусоидальному sin т и косинусоидальному cost законам, где т — относительное смещение подвижного и неподвижного растров (рис. 2.23). Фотодиод 5, расположенный ниже фотодиодов 4 и 6, формирует дополнительный сигнал начала отсчета один раз за оборот преобразователя. Первичные сигналы всех трех каналов поступают на электронную часть, осуществляющую формирование прямоугольных импульсов.

Электронная часть (рис. 2.24) имеет три канала, каждый из которых содержит предварительный усилитель 1, компаратор 2 и выходные усилители 3 и 4. Предварительный усилитель усиливает первичный сигнал до необходимой величины, а компаратор формирует прямоугольные импульсы. Выходные усилители 3 и 4 служат для получения прямого и инверсного сигналов каждого

Рис. 2.23. Временные диаграммы работы фотоэлектрического преобразователя

Рис. 2.24. Структурная схема электронной части фотоэлектрического преобразователя

канала и усиления их по мощности. В результате на выходах преобразователя формируется шесть сигналов. Число импульсов п на каждом из выходов пропорционально углу поворота ф вала преобразователя:

где к_пр — коэффициент передачи преобразователя; z — число импульсов за один оборот вала преобразователя. _ Наличие четырех выходов преобразователя с сигналами С/_ь U\, U2, Uг обусловлено необходимостью определения направления вращения и дает возможность при числе импульсов z за один оборот вала преобразователя формировать в измерительной системе z, 2z, 4z импульсов.

2.1.4. Задающие элементы

К задающим элементам относятся устройства ввода задания (задатчики скорости, силы тока и т.д.) и задатчики интенсивности. По виду сигналов задающие элементы делятся на аналоговые и цифровые.

Простейшими задающими элементами являются потенцио-метрические. Для электропривода с малым диапазоном скорости используется один потенциометр (рис. 2.25), с большим — два (рис. 2.26). Потенциометр R1 служит для грубого задания скорости, R2 — для точного. Для повышения точности задания скорости задающие элементы питаются стабилизированным напряжением ±U_nm. Как правило, ±U_mri = ±10 В.

Рис. 2.25. Потенциометрический задатчик скорости

Вместо потенциометров со скользящим контактом в электроприводе большой мощности используются бесконтактные задатчики скорости. Основой их являются бесконтактные сельсины и вращающиеся трансформаторы, выходное напряжение которых пропорционально углу поворота вала на требуемый угол.

Рис. 2.26. Потенциометрический задатчик скорости с точным заданием

В качестве цифровых задатчиков используются многопозиционные переключатели. Они представляют собой десятипози-ционные (или более) переключатели сегментного типа с барабанным толкателем. На цилиндрической поверхности барабана нанесены номера сегментных ламелей, с которыми поочередно замыкается общий круговой вывод переключателя при переводе барабана из одного механически фиксируемого положения в другое. Многопозиционные плоские переключатели позволяют при наборе обычного десятичного числа получать на выходе то же число, но в двоичном либо двоично-десятичном коде.

В качестве бесконтактного цифрового задатчика используется фотоэлектрический преобразователь перемещения, число импульсов на выходе которого пропорционально углу поворота вала на требуемый угол.

Задатчики интенсивности служат для получения линейного (в большинстве случаев) закона изменения во времени задающего сигнала, в частности сигнала задания скорости. Функциональная схема аналогового задатчика интенсивности представлена на рис. 2.27 и состоит из компаратора А1 и интегратора А2, охваченных обратной связью. При ступенчатом изменении входного сигнала щ компаратор А1 входит в состояние насыщения с напряжением м₂ > з интегратор А2 начинает интегрировать напряжение и₂. Интегрирование продолжается до момента равенства напряжений Mi и щ. С этого момента входное напряжение щ интегратора А2 устанавливается на уровне щ. Скорость изменения во времени напряжения щ на выходе задатчика интенсивности

где #2max — напряжение насыщения компаратора А1.

Рис. 2.27. Функциональная схема задатчика интенсивности

Контрольные вопросы

1.Дайте определение понятия «элемент» АЭП.

2. Какие элементы АЭП относятся к силовым, а какие — к управляющим?

3. Каково назначение регуляторов АЭП?

4. Какие требования предъявляются к датчикам тока?

5. Назовите достоинства и недостатки трансформаторных датчиков тока.

6.Для чего в АЭП используются датчики ЭДС?

7.Напишите выражение для передаточных функций П-, ПИ-, ПИД-регуляторов.

8.Опишите варианты цифрового измерения скорости.

Системы импульсно-фазового управления

2.2.1. Принципы управления тиристорами

В выпрямителях в качестве управляемых ключей используются тиристоры. Для открывания тиристора необходимо выполнение двух условий:

• потенциал анода должен превышать потенциал катода;

• на управляющий электрод необходимо подать открывающий (управляющий) импульс.

Момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора называется моментом естественного открывания. Подача открывающего импульса может быть задержана относительно момента естественного открывания на угол открывания. Вследствие этого задерживается начало прохождения тока через вступающий в работу тиристор и регулируется напряжение выпрямителя.

Для управления тиристорами выпрямителя используется система импульсно-фазового управления (СИФУ), выполняющая следующие функции:

• определение моментов времени, в которые должны открываться те или иные конкретные тиристоры; эти моменты времени задаются сигналом управления, который поступает с выхода САУ на вход СИФУ;

• формирование открывающих импульсов, передаваемых в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристоров и имеющих требуемые амплитуду, мощность и длительность.

По способу получения сдвига открывающих импульсов относительно точки естественного открывания различают горизонтальный, вертикальный и интегрирующий принципы управления.

При горизонтальном управлении (рис. 2.28) управляющее переменное синусоидальное напряжение щ сдвигается по фазе (по горизонтали) по отношению к напряжению щ, питающему выпрямитель. В момент времени со/ = а из управляющего напряжения формируются прямоугольные отпирающие импульсы U_GT. Горизонтальное управление в электроприводах практически не применяется, что обусловлено ограниченным диапазоном регулирования утла а (около 120°).

При вертикальном управлении (рис. 2.29) момент подачи открывающихся импульсов определяется при равенстве управляющего напряжения щ (постоянного по форме) с переменным опорным напряжением «„ил (по вертикали). В момент равенства напряжений формируются прямоугольные импульсы U_Gr ■

При интегрирующем управлении (рис. 2.30) момент подачи открывающих импульсов определяется при равенстве переменного управляющего напряжения щ с постоянным опорным напряжением U_on. В момент равенства напряжений формируются прямоугольные импульсы Uqt-

Рис. 2.28. Горизонтальный принцип управления

Рис. 2.29. Вертикальный принцип управления

Рис. 2.30. Интегрирующий принцип управления

По способу отсчета угла открывания а СИФУ делят на многоканальные и одноканальные. В многоканальных СИФУ отсчет угла а для каждого тиристора выпрямителя производится в собственном канале, в одноканальных — в одном канале для всех тиристоров. В промышленном электроприводе преимущественное применение получили многоканальные СИФУ с вертикальным принципом управления.

2.2.2. Основные узлы систем управления тиристорными преобразователями

Структурная схема вертикальной СИФУ представлена на рис. 2.31. Она содержит два канала и может быть использована для управления открывающимися в противофазе тиристорами однофазной мостовой схемы. СИФУ состоит из устройства синхронизации УС, генератора опорного напряжения ГОН, сумматора С, нуль-органа НО, формирователя длительности импульсов ФДИ, двух распределителей импульсов РИ и выходных формирователей ВФ. Временные диаграммы работы СИФУ представлена на рис. 2.32.

Рис. 2.31. Структурная схема вертикальной СИФУ

Рис. 2.32. Временные диаграммы работы вертикальной СИФУ

УС служит для получения из питающего выпрямитель напряжения неискаженного синусоидального напряжения синхронизации с требуемыми амплитудой и начальной фазой, потенциально разделенного с сетью. Напряжение синхронизации используется

для формирования широких прямоугольных импульсов и⁺ и и, разрешающих включение соответствующих тиристоров в положительные и отрицательные полупериоды напряжения синхронизации. Кроме того, синхронизирующее напряжение необходимо для формирования последовательности синхронизирующих узких импульсов Но, строго синхронизированных с моментом естественного открывания тиристоров, относительно которых осуществляется сдвиг открывающих импульсов.

ГОН осуществляет формирование пилообразного опорного напряжения и_пИЛ. Возврат ГОН в исходное состояние осуществляется в момент подачи импульса м₀ замыканием разрядного ключа К. В качестве опорного в СИФУ может использоваться также косинусоидальное напряжение.

Сумматор С выполняет операцию алгебраического суммирования напряжений: пилообразного и_пт, управления щ и смещения U_CM. Напряжение смещения U_CM необходимо для задания начального угла открывания а_нач, соответствующего м_у = 0. В момент равенства суммарного напряжения и нулю НО изменяет выходное напряжение с положительного на отрицательное. При этом ФДИ формирует в каждый полупериод синхронизирующего напряжения импульс и_ФД, длительность которого достаточна для надежного открывания тиристоров. Импульсы м_фд распределяются через распределители РИ на соответствующие выходные формирователи ВФ, которые осуществляют усиление открывающих импульсов по мощности и потенциальное разделение СИФУ от силовой цепи.

При увеличении (уменьшении) напряжения щ, действующего встречно напряжению смещения, угол а уменьшается (увеличивается). Изменение угла открывания а приводит к изменению длительности проводящего состояния тиристора и регулированию значения выпрямленного напряжения.

Контрольные вопросы

1. Назовите принципы управления тиристорами.

2. Нарисуйте структурную схему вертикальной СИФУ.

3. Поясните принцип действия вертикальной СИФУ.