Лабораторная работа

Изучение и исследование широтно-импульсного

преобразователя для приводов постоянного тока

1. Цель работы.

1. Ознакомиться с принципом действия, схемой и работой широтно-импульсного преобразователя (ШИП), используемого в автоматизированном электроприводе;

2. Изучение параметров и характеристик транзисторного реверсивного ШИП.

2. Основные сведения.

В работе рассматривается импульсный метод управления частотой вращения. Данный метод регулирования широко используется в автоматизированных электроприводах для регулирования частоты вращения двигателя.

Широтно-импульсный преобразователь – устройство, предназначенное для регулирования частоты вращения двигателя не плавным изменением питающего напряжения, а подачей кратковременных импульсов на якорную обмотку двигателя.

Схема, поясняющая этот способ регулирования, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема импульсного регулирования частоты вращения двигателя.

Цепь обмотки якоря двигателя независимого возбуждения периодически подключается к источнику напряжения ключом К. При замыкании цепи якоря на время t₁ к обмотке якоря подводится напряжение U = U_ном при этом ток нарастает до значения I_max (см. рис. 2).

При размыкании ключа ток уменьшается, достигая значения I_min, замыкаясь через диод VD. При следующем замыкании ключа К ток в якоре вновь достигает значения I_max и т.д. Таким образом, к цепи обмотки якоря подводятся импульсы напряжения, амплитудное значение которых равно напряжению U источника.

Среднее значение напряжения прикладываемого к двигателю, U_ср [В]:

U_ср = Ut₁ / T = U, где

t₁ – длительность импульса напряжения;

T – время между двумя следующими друг за другом импульсами напряжения;

 = t₁ / T – коэффициент управления (скважность).

Рис. 2. Графики U = f(t), I = f(t) при импульсном регулировании частоты вращения двигателя.

Ток в обмотке якоря определяется средним значением:

I_ср = 0,5(I_max + I_min).

Частота вращения двигателя при импульсном регулировании:

n = (U – i_срr) / C_eФ_э, где

Ф – магнитный поток двигателя;

C_e = pN / 60a – конструкторская постоянная двигателя;

N – общее число активных проводников обмотки якоря,

N / 2a – число активных проводников входящих в одну параллельную ветвь;

p – число пар полюсов.

Импульсное регулирование обеспечивает изменение частоты вращения лишь в сторону уменьшения от номинальной. Для снижения пульсации тока в цепи якоря включают дроссель L. Частота работы ключа составляет 200-400 Гц, т.к. на повышенных частотах легче добиться уменьшения пульсации выходного напряжения.

На рис. 3 показана схема импульсного регулирования напряжения, где в качестве ключа используют тиристор VS. Включается тиристор (что соответствует замыканию ключа) подачей кратковременного импульса от генератора импульсов ГИ на управляющий электрод. Цепь из дросселя L₁ и конденсатора C, шунтирующая тиристор, служит для выключения последнего между двумя управляющими импульсами. При включении тиристора конденсатор C перезаряжается по контуру C  VS  L₁  C и к тиристору прикладывается напряжение, обратное напряжению сети.

Рис. 3. Принципиальная схема при импульсном регулировании частоты вращения двигателя с тиристорным ключом.

Время открытого состояния тиристора (t) определяется параметрами цепи L₁C:

t = (L₁C)^1/2, где

L₁ – индуктивность дросселя, Гн;

C – емкость конденсатора, Ф.

Среднее значение напряжения U_ср подводимого к обмотке якоря, регулируется изменением частоты следования управляющих импульсов. Частота вращения двигателя с постоянными магнитами регулируется на обмотке якоря только в сторону уменьшения от номинального значения.

Для изменения направления вращения якоря (реверсирование) двигателя в данной схеме необходимо изменить направление тока в обмотке возбуждения. При одновременном изменении направления тока в обеих обмотках якоря двигатель не меняет направление вращения.

Тиристорные ШИП могут быть выполнены с одним, общим для всех силовых тиристоров коммутирующим устройством или с раздельными для тиристоров правого и левого вращения коммутирующими устройствами.

На рис. 4 приведена схема части тиристорного ШИП с последовательной коммутацией и одним коммутирующим устройством, питающимся от общего с силовыми тиристорами источника напряжения. Мостовая схема образована тиристорами VS1-VS4, причем в зависимости от необходимого направления вращения якоря двигателя, включенного в диагональ моста, управляющие импульсы подаются с помощью схемы управления либо на тиристоры VS1 и VS4, либо на тиристоры VS2 и VS3, осуществляя, таким образом, равномерную работу ключей.

Рис. 4. Принципиальная схема тиристорного ШИП.

Последовательное коммутирующее устройство, состоящее из вспомогательного тиристора VS_K, конденсатора C_К и дросселя L_К, в моменты подачи на тиристор VS_K импульсов гасит в зависимости от направления вращения либо тиристор VS2, либо тиристор VS4. Тиристоры VS1 и VS3 не запираются, обеспечивая замыкание цепи для тока якоря i_Я во время паузы t = (T  t₁). На рис. 4 пунктиром показан ток i_Я, замыкающийся под действием ЭДС якоря через VS1 и диод VD2 (при реверсе этот ток замыкается через тиристор VS3 и диод VD1). Зарядка коммутирующего конденсатора происходит через диод VD_K и дроссель L_K от напряжения сети U.

Реверсивное управление двигателем при импульсном методе можно осуществить по мостовой схеме ШИП (рис.5), образованной четырьмя транзисторными ключами, к одной диагонали подведено напряжение питающей сети, а к другой присоединен якорь двигателя. Такая схема используется при относительной невысокой мощности двигателя до 300 Вт.

Диоды служат для замыкания цепи якоря через источник напряжения в те отрезки времени, когда ток якоря течет под действием ЭДС самоиндукции навстречу напряжению источника.

Ключи работают попарно, т.е. на интервале t₁ замкнуты ключи VT1 и VT3 и на верхний зажим якоря подан плюс, а на интервале t₂ замкнуты ключи VT2 и VT4 и на верхний зажим подан минус источника. В результате к двигателю подается напряжение:

U_ср = (Ut₁ – Ut₂) / T.

Считая  = t₁ / T и учитывая, что t₂ = T – t₁, получим

U_ср = (2 - 1)U.

Рис. 5. Мостовая схема ШИП.

Следовательно, механическая характеристика определяется выражением:

_ср = (2 - 1) / k_эм – (R_яM) / k_эм, где

k_эм – единый электромагнитный коэффициент;

R_я – сопротивление обмотки якоря.

Изменяя , можно изменить не только значение, но и направление угловой скорости. При 1    0,5 угловая скорость при холостом ходе положительная, при 0,5    0 она отрицательная. Кроме широтно-импульсного метода регулирования частоты вращения существует также частотно-импульсный метод.

При широтно-импульсном управлении изменяют длительность замкнутого состояния ключа при неизменной длительности цикла (T = t₁ + t₂ = const), а, следовательно, и частоте переключений (частоте коммутаций) f₁ = 1 / T = const.

При частотно-импульсном управлении длительность замкнутого состояния ключа t₁ = const, а изменяется частота и, следовательно, длительность цикла. Второй способ характеризуется простыми схемными решениями, но не позволяет осуществлять глубокое регулирование угловой скорости, т.к. для   0 необходимо T  , т.е. по существу вырождается идея импульсного регулирования с высокой частотой переключений. Поэтому наиболее распространен первый из указанных способов, позволяющий изменять  от 0 до 1.

Если же в течение времени t₂ ток якоря успевает снизиться до 0, то наступает режим прерывистого тока. В этом режиме механические характеристики теряют линейность и жесткость. На рис. 6 он обозначен пунктирной линией.

Рис. 6. Механические характеристики ШИП.

Можно показать, что граничное значение тока якоря, при котором наступает режим прерывистого тока, связан с пусковым током двигателя I_п = U / R_я выражением:

I_гр  I_п(1 - ) / (2T_яf_k).

Следовательно,  = 1 / 2I_{гр max} = I_п / (8Т_яf_k), где

T_я – постоянная времени якоря.

Следовательно, сузить зону прерывистых токов можно увеличивая Т_я или f_k. Увеличение Т_я включением добавочного дросселя нерационально, т.к. снижает динамические показатели привода. Возможности же увеличения частоты коммутации обычно ограничиваются для транзисторных ключей тепловыми потерями в них в режиме переключений, а для тиристорных ключей – временем восстановления их управляющих свойств.