Теоретичні відомості. Зміст 1. Мета роботи 2. Теоретичні

Зміст

Мета роботи

Ознайомлення з принципом роботи широтно-імпульсного перетворювача та отримання механічних характеристик розімкненої та замкненої системи „Нереверсивний транзисторний перетворювач напруги – двигун постійного струму” (НТПН-ДПС).

Теоретичні відомості

Одним із способів регулювання напруги споживачів є метод імпульсного регулювання напруги. Існує два способи імпульсного регулювання: перший – широтно-імпульсна модуляція напруги (ШІМ) – зміна інтервалу провідності ключа при постійній частоті включення, другий – частотно-імпульсна модуляція напруги (ЧІМ) – зміна частоти перемикань при постійному інтервалі провідності. При цьому регулюється відносний час провідності ключа, від чого в свою чергу залежить велична середньої напруги на навантаженні.

Перетворювачі що дозволяють здійснювати широтно-імпульсне регулювання напруги на навантаженні називають широтно-імпульсним перетворювачем (ШІП)

Класифікація ШІП постійної напруги:

1) Залежно від можливості зміни полярності напруги на навантаженні ШІП поділяються на:

– реверсивні, що перетворюють напругу в імпульсну з постійною амплітудою, різною тривалістю й полярністю за один період;

– нереверсивні, що перетворюють напругу в імпульсну з постійною амплітудою й полярністю, але різною тривалістю.

Нереверсивні ШІП діляться на паралельні й послідовні.

У послідовних вентиль включається послідовно навантаженню, при цьому напругу на навантаженні одержують не вище вхідної. У паралельних ШІП робочий вентиль включається паралельно навантаженню. Характерною рисою паралельних ШІП є можливість одержання на навантаженні напруги вище напруги живлення, однак такі перетворювачі потребують встановлення накопичувачів енергії (дроселів).

2) Залежно від способів комутації ШІП розрізняються на:

– ШІП із залежними вузлами комутації (залежні);

– ШІП з автономними вузлами комутації (незалежні).

Функціональна схема та часові діаграми роботи нереверсивного послідовного широтно-імпульсного перетворювача представлені на рис. 1.

а)	б)

Рисунок 1 – Схема нереверсивного ШІП (а) та його часові
діаграми роботи (б)

При аналізі широтно-імпульсних перетворювачів будемо вважати що: вентилі є ідеальними ключами із часом перемикання що наближається до нуля, внутрішній опір джерела дорівнює нулю.

Робота ШІП на активно-індуктивне навантаження. Для захисту вентиля від перенапруг на вході ШІП ставиться фільтр.

Середнє значення напруги на навантаженні:

, (1)

де - коефіцієнт заповнення імпульсів, – час включеного стану вентилю, – цикл роботи ШІП.

ШІП найбільшою мірою задовольняють основним вимогам, що пред'являються до напівпровідникових перетворювачів систем електроприводу:

– одержання хороших статичних і динамічних характеристик електропривода в цілому;

– практична відсутність зони переривчастих струмів;

– достатня перевантажувальна здатність для забезпечення форсування в перехідних режимах роботи електропривода;

– високий ККД;

– жорсткість зовнішньої характеристики і мала інерційність;

– висока перешкодозахищеність і надійність;

– мала маса і габарити;

– практична відсутність впливу на мережу живлення.

Силова частина перетворювача побудована на основі UltraFast IGBT транзисторного ключа. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) – являє собою біполярний p-n-p транзистор, керований від порівняно низьковольтного MOSFET-транзистора (MOSFET – польові транзистори з ізольованим затвором) з індукованим каналом (рис. 2).

а)	б)

Рисунок 2 –Еквівалентна схема ІGBT транзистора (а) та його умовно-графічні позначення (б)

Узагальнена функциональна схема системи керування швидкістю ДПС з НЗ за структурою з підсумовуючим підсилювачем представлена на рис.3.

Рисунок 3 - Функціональна схема системи керування електроприводом

Якірна обмотка двигуна М живиться від нереверсивного транзисторного перетворювача напруги UZ. – напруга на виході випрямляча, – вхідна напруга випрямляча (напруга завдання випрямляча). Характерною особливістю структури з підсумовуючим підсилювачем є те, що формується як вихідний сигнал підсилювача з коефіцієнтом підсилення , на вхід якого подається сумарний сигнал напруг завдання швидкості та зворотних зв’язків за струмом якоря і швидкості . формується за допомогою шунта RS. Використовується або додатний, або від’ємний зворотний зв’язок за струмом (додатному на рис.3 відповідає знак „+”, від’ємному – „-”). формується за допомогою тахогенератора. Використовують, як правило, лише від’ємний зворотний зв’язок за швидкістю.

Робоча характеристика перетворювача в статичному режимі апроксимується прямою

, (2)

де I – струм перетворювача (якоря двигуна); RП – внутрішній опір перетворювача; KПР – коефіцієнт передачі перетворювача без навантаження ().

В динаміці перетворювач апроксимується аперіодичною ланкою першого порядку.

, (3)

де Tμ – мала стала часу, яка визначається інерційністю фільтрів перетворювача та запізненням при відкриванні тиристорів.

Структурна схема системи керування на основі структурної схеми ДПС з НЗ та функціональної схеми рис.3 представлена на рис.4.

Рисунок 4 - Структурна схема системи керування

На рис.4 введені наступні позначення: KI, Kω – коефіцієнти зворотних зв’язків за струмом якоря та швидкістю. J – сумарний приведений до валу двигуна момент інерції установки; M – момент на валу двигуна; – момент опору на валу двигуна; – добуток конструктивної сталої двигуна і номінального потоку збудження; – сумарний активний опір якірного кола; – стала часу якірного кола.

На основі структурної схеми при p=0 можна отримати рівняння статичних характеристик

, (4)

де ω – швидкість обертання двигуна; верхній знак відповідає додатному зворотному зв’язку, нижній – від’ємному.

Розглянемо найбільш характерні випадки.

1. Розімкнена система керування (KI = 0, Kω = 0).

Рівняння (4) прийме вигляд

, (5)

де - швидкість холостого ходу; - жорсткість електромеханічної характеристики.

Вигляд статичних характеристик представлено на рис.5.

Рисунок 5 - Статичні характеристики розімкненої системи керування

2. Система керування з додатним зворотним зв’язком за струмом ( ≠ 0, Kω = 0).

Рівняння (4) прийме вигляд:

, (6)

де ; .

. (7)

Швидкість холостого ходу двигуна при організації додатного зворотного зв’язку за струмом якоря не змінюється. Жорсткість в залежності від величини KI може бути від’ємною або додатною.

Умови абсолютної жорсткості електромеханічної характеристики ():

. (8)

При , - характеристики абсолютно м’які.

Статичні характеристики системи керування представлено на рис.6.

При = const і < 0 система керування є нестійкою, тому на практиці обмежується граничною величиною (8).

Розглянемо фізику процесів. Нехай на валу двигуна збільшився момент опору . Тоді відповідно збільшився струм якоря I і зменшились швидкість ω і напруга перетворювача . Напруга зросте, що викличе зростання і швидкості ω. В залежності від величини буде компенсовано якусь частину просідання швидкості, швидкість повернеться до попереднього значення або перевищить його (рознос).

Рисунок 6 - Статичні характеристики системи керування з додатним зворотним зв’язком за струмом

3. Система керування з від’ємним зворотним зв’язком за швидкістю ( = 0, Kω ≠ 0)

Рівняння (4) прийме вигляд

, (9)

де ; .

Звідси можна зробити висновок, що:

. (10)

. (11)

При введенні від’ємного зворотного зв’язку за швидкістю швидкість холостого ходу двигуна зменшується, а жорсткість електромеханічної характеристики збільшується.

Гранична жорсткість характеристики

. (12)

Статичні характеристики представлені на рис.7.

Рисунок 7 - Статичні характеристики системи з від’ємним зворотним зв’язком за швидкістю

4. Система керування з від’ємним зворотним зв’язком за швидкістю та додатним за струмом ( ≠ 0, Kω ≠ 0)

Рівняння (4) прийме вигляд

, (13)

де ; .

. (14)

. (15)

Швидкість холостого ходу двигуна знижується за рахунок введення від’ємного зворотного зв’язку за швидкістю.

Абсолютна жорсткість досягається при

. (16)

Статичні характеристики представлені на рис.8.

Рисунок 8 - Статичні характеристики системи керування з від’ємним зворотним зв’язком за швидкістю та додатним за струмом

Напруги вибрані такими, щоб усі характеристики виходили з однієї точки (0, ).