Pakhomov_A_N__Krivenkov_M_V_Elektricheskiy_privod_uchebnoe_posobie

Рис. 5.16

161

Для изменения амплитуды и формы напряжения на нагрузке каждый период T делится на n равных интервалов длительностью τ = T / n . На рис. 5.15, б в качестве примера показана коммутация ключей 1 и 2 на i-ом интервале для положительного полупериода выходного напряжения. Тогда на каждом интервале к нагрузке будет прикладываться не полное напряжение U , а лишь его часть – среднее значение за i-й интервал U срi :

U

срi

=

U × ti1

=

U × ti1

= U × g

i

.

ti1 + ti2

t

Меняя на каждом интервале

относительную ширину импульса Uсрi

U

gi =

ti1

, можно легко управлять

1,0

t

средним за интервал напряжени-

ем U срi , т. е. формировать на ка-

0,5

ждом полупериоде любую нуж-

ную форму напряжения, как пока-

зано на рис. 5.16. С увеличением

0

1 2 3 ... ... ... ... ... ... n/2

n будет уменьшаться t и ступен-

чатая кривая будет приближаться к заданной плавной.

Используя ШИМ, можно формировать любые нужные формы кривой тока, учитывая изменяющиеся в процессе работы параметры нагрузки. В современных ПЧ ШИМ позволяет при любой требуемой выходной частоте преобразователя изменять нужным образом амплитуду напряжения, управляя магнитным потоком двигателя, и формировать при любой нагрузке на валу близкую к синусоидальной форму тока двигателя.

Полно реализовать широкие возможности ШИМ удалось лишь в последние 5-10 лет с появлением на рынке «совершенных» ключей, в частности, транзисторных модулей IGBT с напряжением до 1200 В, током до 600 А и частотой коммутации до 30 кГц, а также средств управления ими.

Наряду с рассмотренными выше ПЧ с явно выраженным звеном постоянного тока иногда используются преобразователи, в которых нет промежуточного звена постоянного тока, а питающая трехфазная сеть непосредственно связана с нагрузкой – статорными обмотками АД через группы управляемых выпрямителей (рис. 5.17, а). Такие ПЧ называют преобразователями частоты с непосредственной связью (НПЧ).

Каждая фаза АД снабжена двумя комплектами встречно-параллельно включенных управляемых выпрямителей, выполненных на простейших полууправляемых ключах – тиристорах. Управляя выпрямителями, можно обеспечить условия, при которых на каждой фазе двигателя в положительный полупериод требуемого выходного напряжения («+» на рис. 5.17, б) проводит один комплект тиристоров А1, а в отрицательный («–») – другой комплект А2.

					162
			Сеть
		Uc		fc	uA	Tc
A1	A2	B1	B2	С1	С2	ωt
		A	B	C		T
		U = var	M	f = var
			а			б
					Рис. 5.17

Из рис. 5.17, б следует, что период выходного напряжения T и, следовательно, частота f = 1/ T зависят от момента переключения комплектов ти-

ристоров и могут изменяться в некоторых пределах. Верхняя частота ограничена, поскольку при приближении Т периоду сетевого напряжения Tc выход-

ное напряжение оказывается сильно искаженным, поэтому на практике часто принимают f ≤ fc / 2 (менее 25 Гц для промышленной сети).

Амплитуда выходного напряжения НПЧ может изменяться за счет изменения угла отпирания ключей, как показано на рис. 5.17, б.

К преимуществам НПЧ следует отнести схемную простоту, реализуемость на простых, дешевых ключах, возможность двусторонней передачи мощности, малые потери в силовом канале. Однако, такие недостатки, как ограничение верхнего диапазона выходной частоты, сильное искажение как питающего, так и выходного напряжения, ограничивают его применение лишь отдельными специальными электроприводами.

Для изменения трехфазного напряжения без регулировки частоты используется типичная схема трехфазного тиристорного преобразователя напряжения (ПН), включаемого между сетью переменного тока и АД

(рис. 5.18, а).

	ПН
БУ	VS1-
	VS6

M

а

Рис. 5.18

u

ωt

0 α

180o

б

163

Три пары встречно-параллельно включенных тиристоров управляются блоком управления БУ, который подает на них открывающие импульсы в моменты, сдвинутые на угол α относительно момента естественной коммутации. Благодаря этому напряжение на выходе ПН меняется от U = Uн ( α = 0 )

теоретически до U = 0 при α = 180° (рис. 5.18, б). Закрывание тиристоров происходит естественным способом при изменении полярности напряжения.

ПН, отличающиеся предельной простотой, доступностью элементной базы (тиристоры), малыми габаритами, высокой надежностью и низкой стоимостью, давно используются в мировой практике в качестве регуляторов скорости маломощных, обычно однофазных двигателей (доли кВт) и в качестве устройств плавного пуска трехфазных двигателей значительной (десятки и сотни кВт) мощности. Они же могут использоваться и для управления напряжением в целях энергосбережения при ω ≈ const, но сильно меняющейся нагрузке.

5.4.Контрольные вопросы

1.Какие виды коммутирующих устройств существуют и каково их назначение?

2.Какими параметрами характеризуются свойства электромагнитного

реле?

3.Какое основное назначение имеет реле времени?

4.Чем магнитный пускатель отличается от контактора?

5.Какое основное назначение и устройство имеет реле максимального

тока?

6.Как определяют уставки токов в автомате с комбинированным расцепителем?

7.Могут ли плавкие предохранители защитить потребитель от пере-

грузки?

8.Какие виды резистивных элементов применяются в силовых резисто-

рах?

9.Какие функции выполняют электрические машины, входящие в состав электромашинных преобразователе?

10.Какие достоинства и недостатки имеют электромашинные преобразователи по сравнению с полупроводниковыми?

11.Как устроен реверсивный тиристорный преобразователь напряжения постоянного тока?

12.Какие достоинства и недостатки имеют преобразователи частоты с непосредственной связью и со звеном постоянного тока?

13.В чем заключается принцип работы импульсных регуляторов напряжения?

164

6.ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ИНФОРМАЦИОННОГО

ИУПРАВЛЯЮЩЕГО КАНАЛОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

6.1.Общие вопросы преобразования информации в электроприводе

Воснове любой автоматизированной системы (контроля и управления) лежит информация о состоянии технологического процесса или оборудования. Эту информацию в виде значений отдельных физических величин получают с помощью соответствующих технических устройств – датчиков.

Основное назначение датчика – измерение физических величин и параметров. Конечной целью процесса измерения является сравнение данного значения измеряемой величины x с некоторым ее «эталонным» (заданным)

значением x . Однако говорить о непосредственном сравнении можно лишь при измерении линейных размеров, массы, времени и некоторых других величин. Многие физические величины не подвергаются непосредственному сравнению, поэтому процесс измерения связан с преобразованием измеряемой величины в другую величину. Кроме этого, информация о значении контролируемой величины должна быть представлена в виде определенной физической величины, удобной для передачи на расстояние и дальнейших преобразований. Эта величина называется выходным сигналом x′ .

Исходя из выше сказанного, можно сформулировать определение датчика – устройство, измеряющее физическую входную величину (входной сигнал x ) и преобразующее ее в выходной сигнал x′ , удобный для дальнейшей обработки и передачи на расстояние.

Информация о переменных передается по каналам прямой (через УУ) и обратной (через ИУ) связи (рис. 1.1). Она обрабатывается регуляторами – информационными преобразователями, формирующими управляющие воз-

действия u на основе информации о сигналах ошибок εх = x − x′ , и фильт-

рами – информационными преобразователями, выделяющими полезную составляющую из сигналов x и x′ , поступающих с датчиков.

В общем случае УУ обеспечивает приём команд (запуск, останов процесса управления и др.) и уставок заданных значений, называемых далее задающими воздействиями, от системы управления более высокого уровня и (или) от человека-оператора и осуществляет в соответствии с этими «указаниями» процесс управления. В зависимости от характера задающих воздействий, поступающих на вход УУ, а также от типа сигналов, идущих от ИУ и вырабатываемых УУ, системы управления электроприводов делятся на два класса: аналоговые (непрерывные) и дискретные. В первом случае входные и выходные сигналы УУ – непрерывные функции времени, во втором случае – дискретные с квантованием по времени и (или) уровню. В соответствии с эти различается и элементная база ИУ и УУ.

SM2

SM3

Рис. 6.2

165

6.2. Управляющие элементы и устройства электропривода

Техническая реализация управляющих устройств современного электропривода весьма разнообразна. Они различаются по своей элементной базе, роду тока, мощности, конструктивному исполнению и ряду других признаков.

Контактные устройства и элементы управления. Они характеризу-

ются наличием механических контактов, и к ним относятся кнопки и ключи

управления, командоконтроллеры и реле.

Кнопки управления предназначены для пода-

SB1

SB3

чи оператором управляющего воздействия на

электропривод, например для его включения и

выключения. Они различаются по величине (нор-

SB2

SB4

мальные и малогабаритные), числу замыкающих и

размыкающих контактов, форме толкателя. Две и

Рис. 6.1

более кнопки, смонтированные в одном корпусе,

образуют кнопочную станцию.

Одноцепные кнопки (кнопки с замыкающим SB1

или размыкающим

SB2 контактом на рис. 6.1) изображаются в нормальном состоянии без оказания на них какого-либо воздействия.

Двухцепные кнопки SB3-SB4 (рис. 6.1) имеют обе пары контактов с

единым приводом.
Ключи управления (универсальные	переключатели)	0
предназначены для подачи управляющего	воздействия на						2
		1SM1
электропривод имеют два или более фиксированных поло-

жений рукоятки и несколько замыкающих и размыкающих контактов SM. Количество контактов ключей и диаграмма их работы могут быть самыми различными. На рис. 6.2 в среднем положении (позиция 0) замкнут

контакт SM1, SM2-SM3 – разомкнуты, в положении 1 – замыкается SM2 и размыкается SM1, в положении 3 – в замкнутом состоянии находится контакт SM3.

Командоконтроллеры (командоаппараты) предназначены для коммутации нескольких маломощных электрических цепей. Эти аппараты имеют ручное управление от рукоятки или педали с несколькими положениями. Командоаппараты классифицируются по числу коммутируемых цепей, виду привода контактной системы, числу рабочих положений рукоятки (педали), диаграммы включения и выключения контактов. Электрическая схема аналогична ключу управления.

Электромагнитное реле представляет собой аппарат, предназначенный для коммутации слаботочных цепей управления электропривода в соответствии с электрическим сигналом, подаваемым на его катушку. Область применения реле очень широкая. Они используются в качестве датчиков тока и на-

166

пряжения, промежуточных элементов для передачи команд из одной цепи в другую и размножения сигналов, датчиков времени, выходных элементов различных датчиков координат. Они выполняют самые разнообразные функции управления контроля, защиты и блокировок в автоматизированном электроприводе (см. разд. 6.5).

По принципу действия реле не отличаются от контактора (рис. 5.1) – при превышении напряжения (тока) в цепи катушки некоторого значения (напряжения срабатывания), создаваемая им электромагнитная сила станет больше противодействующей силы возвратной пружины и якорь притянется к сердечнику, замыкая при этом контакты.

Реле времени KT характеризуется тем, что его контакты замыкаются (размыкаются) с некоторой задержкой после получения сигнала управления.

Аналоговые устройства и элементы управления оперируют с непре-

рывными во времени (аналоговыми) электрическими сигналами и выполняются, как правило, с использованием полупроводниковых (бесконтактных) приборов. Основным видом аналоговых устройств управления является операционный усилитель, на базе которого создаются различные регуляторы и преобразователи электрических сигналов.

Операционные усилители (ОУ) обладают большим коэффициентом усиления (коэффициент усиления по напряжению Kу ≥ 1000) и широкой полосой пропускания. Необходимые свойства усилителю придаются с помощью устройств, включаемых на его входе и в цепи обратной связи (между его выходом и входом).

U

U

Z0 ( p)

вх1 Z1( p)

...

вхi Zi ( p)

Рис. 6.3

			На рис. 6.3 приведена обобщенная
			схема включения ОУ для реализации типо-
			вых передаточных функций регуляторов и
			суммирования сигналов. Для нее выходная
			величина в операторной форме определя-
	Uвых
			ется выражением:
			n
			U вых ( р) = −Ζ0 ( р)∑	U вхi ( p)	, (6.1)
			i=1 Ζ1i ( p)

где Z1i(р), Z0(р) – соответственно операторные сопротивления i-ой входной цепи и цепи обратной связи.

Рассмотрим примеры реализации передаточных функций регуляторов. Пусть Z1(p) = R1, Z0(p) = R0 (рис. 6.4, а). Тогда выходная величина регу-

лятора определится согласно выражению (6.1) как

U

вых

(р) = −

Z0 ( p)

U

вх

(р) = −

R0

U

вх

(р) = −Κ U

вх

(р),

(6.2)

Z1

( p)

R1

п

167

где Kп – коэффициент пропорционального усиления регулятора.

При подаче на вход регулятора скачка напряжения Uвх на выходе появляется такой же скачок Uвых , усиленный в Kп раз, т. е. происходит пропор-

циональное усиление (рис. 6.4, б). Регулятор в этом случае называется пропорциональным (П-регулятором).

R0	−Uвых
R1
Uвх	KпUвх
	Uвых
	t
	0
а	б

Рис. 6.4

При Z1(р) = R1 и

Ζ

( p) = R +

1

=

R0C0 p + 1

выходное напряжение

С0 р

С0 р

0

0

регулятора равно:

R C p +1

R

1

1

Uвых (р) = -

0 0

Uвх (р)

= -

0

+

Uвх (р) = -

Κп +

Uвх (р). (6.3)

R1С0 р

R1

R1С0 р

Ти р

В этом случае регулятор обладает пропорциональными и интегрирующими свойствами и называется пропорционально-интегральным (ПИрегулятором).

Передаточную функцию ПИ-регулятора можно записать в виде:

W (р) = -

R0C0 p + 1

×

R0

= -

R0

×

R0C0 p + 1

= -Κ

Тиз р + 1

,

p

R С р R

R R С р

п Т

из

р

1

0

0

1

0

0

где Tиз = R0C0 –

время изодрома, в течение которого выходная величина регу-

лятора за счет действия только одной его интегральной астатической составляющей увеличится до значения KпUвх.

При подаче на вход ПИ-регулятора (рис. 6.5, а) скачка напряжения Uвх

линейно срабатывает пропорциональная (статическая) часть регулятора и на выходе появляется скачок, усиленный в Kп раз, а затем начинается процесс интегрирования с постоянной времени Ти (рис. 6.5, б). С прекращением подачи входного напряжения выходное напряжение уменьшается на величину пропорциональной части KпUвх и теоретически должно держаться постоянным.

168

С0

R0

−Uвых

R1

U вх

Uвх

Uвых

KпUвх

0

t

Tиз

Tи

а

б

Рис. 6.5

Ζ1 ( р) =

R1

1

р , то

Если

1 + C R p и Ζ0 ( p) = R0 + С

0

передаточная

функция

1

1

регулятора равна

Wp (р) = −

Z

( p)

= −

(R C p + 1)(R С р + 1)

R С + R С

1

0

0 0

1 1

= −

0 0

1 1 +

R1С0 р

+ R0С1 р

Z1( p)

R1С0 р

R1С0

или

Wp

1

(р) = − Kп +

+ Tд р

Tи р

где Kп = (T0 + T1) / Tи –

коэффициент пропорционального усиления регулято-

ра; T0 = R0C0; T1 = R1C1; Tи = R1C0; Tд = R0C1 –

соответственно постоянные вре-

мени цепей обратной связи, входной, интегрирования и дифференцирования.

В этом случае регулятор содержит пропорциональную, интегральную и

дифференциальную составляющие и называется пропорционально-

интегрально-дифференциальным регулятором (ПИД-регулятором).

С1	R0	С0		−Uвых
R1
Uвх1			Uвых
				t
			0
	а			б

Рис. 6.6

При подаче на вход ПИД-регулятора (рис. 6.6, а) скачка напряжения на выходе мгновенно появляется большой сигнал (рис. 6.6, б), величина которо-

169

го быстро падает до значения пропорциональной (статической) части, после чего начинается процесс интегрирования.

Операционные усилители широко используются также в схемах функциональных преобразователей (сумматоры, блоки перемножения и другие нелинейные зависимости), компараторов, формирователей импульсов, генераторов электрических сигналов, ограничителей и других устройствах.

Широкое распространение получили серийные системы управления на основе операционных усилителей постоянного тока – унифицированные блочные системы регуляторов (УБСР), состоящие из транзисторных операционных усилителей, датчиков регулируемых координат, задающих устройств, функциональных преобразователей и источников питания.

Дискретные элементы и устройства в последнее время широко ис-

пользуются для систем управления электроприводов, поскольку они позволяют получить высокую точность, быстродействие и надежность работы, низкое энергопотребление и хорошую помехоустойчивость. Они естественным образом сочетаются с ЭВМ, составляя с ними единую автоматизированную систему управления технологическим процессом. На основе дискретных (цифровых) элементов выполняются задающие устройства, формирующие программу работы электропривода, могут использоваться в регуляторах и входить в состав датчиков.

Дискретные (логические) элементы и устройства могут иметь только два уровня выходного сигнала: «низкий» (соответствует логическим «0» или «ЛОЖЬ») и «высокий» (логические «1» или «ИСТИНА»), который зависит от значения входного сигнала. Они могут выполняться на электромагнитных реле, магнитных элементах и в виде интегральных схем, являющихся современным их исполнением. К базовым относятся логический элемент НЕ (рис. 6.7, а), выполняющий операцию отрицания (инвертирования), логический элемент ИЛИ (рис. 6.7, б), сигнал на выходе которого появляется при наличии хотя бы одного входного сигнала (логическое сложение или дизъюнкция), и логический элемент И (рис. 6.7, в), сигнал на выходе которого появляется только в том случае, когда все входные сигналы равны единице (логическое умножение или конъюнкция). На базе этих элементов строятся

другие функции –

ИЛИ-НЕ (операция Пирса,

рис. 6.7,

г), И-НЕ (операция

Шеффера), равнозначности Y = X1 X 2 (Y = 1 при X1 = X 2 ) и неравнозначно-

сти Y = X1 Å X 2 (исключающее ИЛИ –

Y = 1 при X1 ¹ X 2 ).

X1

X1

Y=X ΛX2

X1

1

1

&

1

Y=X V X

Y=X V X

X

Y=X

X2

1

2

X2

1

X2

1

2

а

б

в

г

Рис. 6.7

170

Кроме этого логические элементы могут выполнять комбинированные логические функции, запоминание определенного уровня входногo сигнала, блокировку, выдержку времени на включение и отключение и другие операции.

Триггер является одним из наиболее распространенных элементов цифровых устройств управления, созданных на базе логических элементов. Он обладает двумя устойчивыми состояниями и способен скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала. С использованием триггеров строятся различные логические и вычислительные узлы, а также генерирующие устройства и устройства памяти. По способу записи информации различают RS-триггер, JК-триггер, D-триггер, Т-

триггер (рис. 6.8).

Q

Q

Q

Q

R

T

J

T

D

T

T

T

S

Q

K

Q

C

Q

Q

а

б

в

г

Рис. 6.8

выходы. Назначения входов

Триггер имеет прямой Q и инверсный Q

триггеров следующее:

R и K –

установка Q = 0 при R = 1 или K = 1;

S и J –

установка выхода Q = 1 при S = 1 или J = 1;

T – тактовый (счетный) вход триггера,

выход которого инвертируется

заднему или переднему фронту тактового сигнала;

D –

установка выхода

Q в состояние, соответствующее уровню на

входе D ;

C –

синхронизирующий вход синхронного триггера, высокий уровень

на котором разрешает воздействие остальных входных сигналов на состояние выходов триггера.

Нетрудно видеть, что название триггера определяется наименованием его входов. Отличие RS-триггера от JK-триггера заключается в том, что для первого комбинация сигналов R = 1Λ S = 1 является запрещенной, а для второго – это команда для инверсии предыдущего состояния выхода Q . На базе

JK-триггеров могут быть построены схемы D-триггера и T-триггера, поэтому его называют универсальным.

Вычислительные цифровые устройства строятся на базе ло-

гических элементов и триггеров, которые предназначены для выполнения различных арифметических операций. К вычислительным устройствам относится счетчики, предназначенные для подсчета числа входных сиг-