Материал: Системы управления исполнительными механизмами.

При отсутствии тормозного момента ротор займет положение, при котором его ось совпадет с осью фазы А (рис. 4.13, первый такт). Если теперь отключить фазу А и включить фазу В, вектор

NS и ротор повернутся на 90° (второй такт). При включении фазы А

на напряжение обратной полярности (третий такт) NS и ротор повернутся еще на 90° и т.д. Если к ротору ШД приложен момент нагрузки, то при переключении фаз ротор будет отставать от век-

тора NS на некоторый угол qн = arcsin(Mн/Mmax).

Рис. 4.13. Реверсивный шаговый двигатель (первый–четвертый такты работы)

В зависимости от типа электронного коммутатора управление шаговым двигателем может быть однополярным или разнополярным, симметричным или несимметричным, потенциальным или импульсным [17, 18, 23].

Характер движения ротора шагового двигателя определяется частотой и характером изменения управляющих импульсов. Реверс шагового двигателя производится путем изменения последовательности коммутации токов в обмотках, приводящего к изме-

118

нению направления вращения магнитного поля на обратное направление.

Применительно к СУИМ ШД может в большинстве случаев рассматриваться как безынерционное или апериодическое звено, схожее (формулы (4.17), (4.18)) с постоянной времени пуска, не превышающей нескольких миллисекунд.

4.3. Силовые преобразователи энергии

Силовые преобразователи энергии (СПЭ) служат для преоб-

разования электрической энергии промышленной питающей сети в электрическую энергию с параметрами, отличающимися от параметров питающей сети. Преобразованная энергия отличается видом напряжения, уровнем, частотой и др. В результате СПЭ выполняет функции своеобразного силового адаптера, обеспечивающего в общем случае возможность регулирования этих величин для управления ЭИМ.

Применительно к ПИМ и ГИМ силовые преобразователи энергии в сочетании с ЭИМ обеспечивают необходимое давление и расход сжатого газа (жидкости) с помощью компрессоров и насосов.

В СУИМ применяют следующие типы СПЭ:

–электромагнитные усилители (в настоящее время не выпускаются вследствие низких энергетических и регулировочных показателей);

–электромашинные усилители-преобразователи (электромашинные усилители, электромашинные генераторы и др.) для питания ЭИМ передвижных, подъемно-транспортных установок, мощных ЭИМ в бумагоделательной, металлургической промышленности и т.п.;

–полупроводниковые (тиристорные, транзисторные, симисторные) для питания ЭИМ самого широкого назначения;

–электрические, пневматические, гидравлические СПЭ и их сочетания для питания ПИМ и ГИМ.

119

Электромашинные преобразователи. Системы регулирова-

ния ряда электроприводов ИМ могут содержать в качестве силового регулируемого преобразователя электромашинный агрегат, содержащий гонный двигатель и генератор постоянного тока, выходная ЭДС которого регулируется изменением тока возбуждения. Функциональная схема такого электромашинного агрегата приведена на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Функциональная схема силового электромашинного преобразователя

Якорь генератора приводится во вращение с постоянной скоростью с помощью гонного асинхронного двигателя (АД). Обмотка возбуждения (ОВГ) генератора питается от регулируемого тиристорного возбудителя (ТВ). При определении ММ преобразователя будем полагать, что г = const, а также примем следующие допущения:

120

–пренебрегаем реакцией якоря;

–пренебрегаем влиянием вихревых токов (для машин малой мощности это допущение является общепринятым).

Для определения ММ СПЭ требуется найти зависимость еп =

=(Uув). Запишем соотношения для приращений координат, предполагая, что СУИМ работает в «малом»:

еп = Сег г Фг;Фг = Kфг wвг iвг,

где wвг iвг = Fг, Сег г = const, Kфг г гн const; Сег – кон-

Fг Fгн

структивная постоянная; wвг – число витков обмотки возбуждения генератора.

Коэффициент Kфг линеаризует кривую насыщения магнитной цепи генератора.

Математическая модель процессов в цепи возбуждения генератора аналогична ММ цепи возбуждения электродвигателя и представляет собой апериодическое звено первого порядка:

где Rвг, Tвг – эквивалентные параметры цепи возбуждения генератора.

С учетом приведенных соотношений ММ генератора может быть представлена в виде передаточной функции:

где Kг – коэффициент передачи генератора,

Kг KтвСег гwвгKфг ,

Rвг

где Kтв – коэффициент передачи тиристорного возбудителя.

121

Для генераторов средней и большой мощности влияние вихревых токов отразится на увеличении Твг на величину постоянной времени вихревых токов. Иногда их модель представляют в виде апериодического звена второго порядка [17, 18].

Тиристорные преобразователи. Тиристорные преобразователи

(ТП) применяются в качестве источников регулируемого напряжения для питания якорной цепи или цепи возбуждения коллекторных электродвигателей постоянного тока (ДПТ) ИМ. Для управления асинхронным двигателем (АДКР) тиристорный преобразователь применяется в качестве управляемого выпрямителя для регулирования напряжения в цепи постоянного тока частотного преобразователя со звеном постоянного тока. На рис. 4.15 приведена обобщенная функциональная схема тиристорного преобразователя.

Тиристорный преобразователь (ТП) как элемент системы управления должен быть описан в статике и динамике.

Статическая модель. Статическая характеристика представляет собой регулировочную характеристику еп = (Uу).

Разобьем ТП на два основных модуля – систему импульснофазового управления (СИФУ) и силовую часть (см. рис. 4.15).

Рис. 4.15. Упрощенная функциональная схема тиристорного преобразователя

ММ силовой части. Схемотехника силовой части представляет собой один или два комплекта управляемых вентилей, включенных по нулевой или мостовой схеме (встречно-параллельной или перекрестной).

122

Опишем статическую зависимость еп = ( ). Для зоны непрерывного тока

eп еd 0 cos ,

еd 0 KсхЕ2ф,

где ed0 – максимальное средневыпрямленное (среднее) значение ЭДС преобразователя; Е2ф – вторичная фaзная ЭДС силового трансформатора; Kсх – коэффициент схемы силового комплекта вентилей, Kсх = 2,34 – для мостовой схемы, Kсх = 1,17 – для нулевой схемы.

Для зоны прерывистых токов

где – интервал проводимости тока; m – пульсность выпрямленного напряжения преобразователя ( < /m).

Заметим, что в зоне непрерывного тока = m.

ММ СИФУ. Статическая зависимость = (Uу) при наиболее распространенном вертикальном способе управления СИФУ определяется видом опорного напряжения СИФУ.

При пилообразном (линейном) опорном напряжении искомая статическая зависимость будет иметь вид

Следует заметить, что реальный диапазон изменения угла отпирания тиристоров, как правило, не превышает 5 –175 . Минимальный (5 ) угол отпирания определяется максимальной ЭДС тиристорного преобразователя, а ограничение максимального угла (175 ) предохраняет реверсивный тиристорный преобразователь от «прорыва» инвертора. Кроме того, важен правильный выбор начального угла отпирания тиристоров нач, зависящего от способа управления комплектами тиристоров реверсивного преобразовате-

123

ля и параметров активно-индуктивной нагрузки преобразователя. В любом случае этот угол равен полусумме углов отпирания тиристоров обоих комплектов вентилей, т.е.

нач 1 2 ,

2

где 1, 2 – углы отпирания тиристоров выпрямительной и инверторной групп вентилей. Как правило, начальный угол отпирания тиристоров нач находится в диапазоне 90°–125°, причем нач = 90° выбирается только при совместном согласованном управлении комплектами вентилей.

При гармоническом (косинусоидальном) опорном напряжении

статическая характеристика преобразователя будет характеризоваться зависимостью

где Uоп м – максимальное значение опорного напряжения СИФУ. Результирующие статические зависимости еп = (Uу) можно

получить, например, графоаналитическим способом [17, 18]. Они характеризуются аналитическими зависимостями:

где Kтп – коэффициент передачи тиристорного преобразователя, определяемый выражением Kтп = Еd0/Uоп м. В современных СПЭ статические зависимости еп = (Uу) методами технической линеаризации удается свести к линейным зависимостям.

Динамическая модель. Модель ТП в динамике с учетом его временных или частотных свойств выбирается в зависимости от характера решаемой задачи.

Для целей синтеза САУ на практике применяют три модели: 1. В виде безынерционного звена:

124