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 входитв 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 иинтегрирование сигнала рассогласования м_рас.

2.1.3. Датчики координат АЭП

Структурная схема датчика. ВАЭП 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. Вкачестве 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. Внастоящее 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 обмоткисинхронизации.

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

Ввыпрямителях 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.