Элементы систем автоматики (ЭСА)

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Элементы систем автоматики (ЭСА). (курс лекций) Красноярск 2019 Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 1 СОДЕРЖАНИЕ Введение Глава 1. Параметры и характеристики элементов 1.1. Основные понятия и определения, классификация элементов 1.2. Основные координаты и характеристики элементов 1.3. Формирование характеристик с помощью обратной связи по выходной координате Глава 2. Управляемые преобразователи напряжения и тока 2.1. Генераторы постоянного тока (ГПТ) 2.2. Электромагнитный усилитель поперечного поля 2.3. Магнитные усилители 2.4. Вентильные преобразователи напряжения постоянного тока (ВП) 2.4.1. Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) 2.4.2. Тиристорные преобразователи напряжения (ТПН) 2.5. Индуктивно-емкостные преобразователи тока Глава 3. Преобразователи частоты (ПЧ) 3.1. Трехфазные преобразователи частоты с автономным инвертором 3.2 Непосредственные преобразователи частоты Глава 4. Унифицированные блоки систем регулирования 4.1. Регуляторы 4.2. Согласующие элементы Глава 5. Датчики 5.1. Общее понятия 5.2. Датчики угла и рассогласования 5.2.1. Потенциометрические датчики 5.2.2. Емкостные датчики 5.2.3 Цифровой датчик угла 5.3. Датчики скорости 5.3.1. Тахогенератор постоянного тока 5.3.2. Тахогенератор постоянного тока 5.3.3. Частотные тахогенераторы 5.3.4. Тахометрический мост 5.3.5. Цифровые датчики скорости 5.4. Датчики электрических величин Список литературы 2 3 3 6 12 15 15 26 28 33 41 48 51 55 55 64 67 67 77 84 84 85 95 97 99 103 103 105 106 108 109 112 115 Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 2 Введение При управлении сложными производственными процессами в промышленности и строительстве широко используют элементы и системы электроавтоматики, преобразуются с помощью сигналы входа которых и выхода качественно и количественно различных средств и систем автоматизации. Система электроавтоматики - это совокупность объекта управления и электрического автоматического управляющего устройства, взаимодействующих между собой. Системы и устройства электроавтоматики выполняют такие задачи, как контроль, сигнализация, блокировка, защита и автоматическое управление. Устройства автоматического контроля определяют годность продукции и правильность протекания техпроцесса, обеспечение надежной и безаварийной работы оборудования и др. Устройства сигнализации преобразуют сигналы, применяемые в системах автоматики, в сигналы, воспринимаемые человеком. Это, как правило, показания сигнальных ламп, стрелок приборов, цифровых панелей, электроннолучевых индикаторов, звуковые сигналы (гудок, звонок, сирена и т.д.). Сигнализация часто сопровождается автоматической записью на бумагу, магнитную ленту с помощью регистрирующих приборов. Устройства блокировки и защиты предотвращают неправильный порядок работы средств электроавтоматики или техпроцесса и обеспечивают отключение соответствующего оборудования при ненормальных режимах. Они довольно разнообразны. Это предохранители и автоматические выключатели, отключающие сеть при перегрузке; температурные датчики - от перегрева подшипников; котлы, баки - от повышения давления или понижения уровня жидкости. Основное требование к устройствам защиты и блокировки - высокая надежность работы. Системы электроавтоматики функционируют по команде обслуживающего персонала по заданной программе или автоматически в зависимости от назначения каких-либо параметров. Они воздействуют на объект управления для достижения поставленной задачи управления. Важными разновидностями Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) электроавтоматики являются автоматизированный 3 электропривод, электромагнитные и электронные устройства автоматики. 1. Параметры и характеристики элементов 1.1. Основные понятия и определения, классификация элементов Под термином «элемент» системы автоматики понимают устройство, входящее в состав автоматизированной системы управления (АСУ) как конструктивная или техническая единица, выполняющее определенную функцию управления и обладающее относительно простыми свойствами между его входными и выходными величинами. Из этого следует, что «элемент» это не математическое звено, а реально, конструктивно оформленное техническое устройство. Причем, мы с вами рассматриваем «элемент» обобщенно, как некоторый «черный ящик» с неизвестным внутренним содержанием, но известными внешними свойствами относительно его входных и выходных величин. В понятие элемента включены не все элементы, обуславливающие АСУ, а только те, которые выполняют управляющие функции. Многообразие систем автоматики обуславливает огромный класс элементов даже при сделанных ограничениях. Применительно к нашей специальности этот круг сужается и ограничивается рамками систем автоматизированного привода (АЭП). Структурная схема элементов, совместно составляющих АЭП, приведена на рис.1.1. как видно из рисунка элементы по энергетическому признаку можно разделить на две группы: - силовые, через которые основной поток энергии проходит, преобразуется или подводится к конечному объекту управления - рабочему органу РО; так называемая энергетическая часть (правая сторона рисунка); - управляющие элементы, которые вырабатывают, преобразуют и подводят сигналы управления силовыми элементами, через которые реализуется управление энергетическим потоком; информационная часть привода (левая часть рисунка). УП - управляемые преобразователи (подводят эл. энергию к двигателю) Д- двигатель (преобразует эл. энергию в механическую) КЦ - кинематическая сеть (механические преобразовательные элементы) РО - рабочие органы производственных механизмов ЗУ- элементы задающего устройства (вырабатывают сигналы, формирующие технологическую программу работы АЭП) Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 4 Р - регуляторы (выполняют преобразование сигнала, необходимое для регулирования соответствующей координаты АЭП) С - согласующие элементы (согласуют входные и выходные координаты) ДС- датчики (преобразуют контролируемую координату в электрический сигнал) Управляющие элементы (информационная часть АЭП) Элемнты задающего устройства Силовые элементы (энергетическая часть АЭП) Регуляторы и согласующие элементы Поток электрической энергии УП Датчики Д КЦ Поток механической энергии РО Рис. 1.1. Структурная схема элементов составляющих АЭП Основным силовым элементом является двигатель Д. Именно двигатель осуществляет электромеханическое преобразование энергии, что составляет физико-энергетическую сущность электропривода. Поэтому двигатель как главный элемент АЭП является совместно с электрическими входными цепями и выходной механической частью объектом изучения в курсе «Теория электропривода». К дисциплине «Элементы автоматизированного электропривода» отнесен один вид силового элемента – управляемый преобразователь. Однако данный силовой элемент объединяет в своем понятии Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 5 большое разнообразие преобразователей. По функциональному признаку их можно подразделить на три категории: преобразователи напряжения (источники напряжения), преобразователи тока (источники тока) и преобразователи частоты. В зависимости от вида преобразования энергии можно выделить преобразователи электромеханические (например, генераторы постоянного и переменного тока), электромагнитные (магнитные усилители, индуктивно-емкостные источники тока), электрические (полупроводниковые преобразователи). Наиболее многочисленную современную группу преобразователей составляют полупроводниковые преобразователи: тиристорные преобразователи переменного тока в постоянный ток, транзисторные преобразователи постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией, тиристорные и транзисторные преобразователи частоты с автономными инверторами и с непосредственной связью с сетью. Управляющие элементы по сравнению с силовыми характеризуются большим разнообразием и большей быстротой развития, в особенности применительно к элементам, построенным на базе микроэлектроники. В зависимости от места в структуре АЭП управляющие элементы можно разделить на две группы: - элементы, формирующие задание на движение и определяющие статические и динамические свойства АЭП; эти элементы образуют систему управления электроприводом и являются его неотъемлемой частью; - элементы, формирующие свойства силового элемента и входящие в его состав неотъемлемой частью; эти элементы при исследовании АЭП отдельно не рассматриваются, а математическое описание силового элемента дается с учетом управляющего элемента в его составе. Объектом изучения в данном курсе являются управляющие элементы первой группы, которую, в свою очередь, можно подразделить по функциональному признаку на следующие подгруппы: элементы задающего устройства, которые вырабатывают сигналы, формирующие технологическую программу работы АЭП; - регуляторы, которые выполняют преобразование сигнала, необходимое для регулирования соответствующей координаты электропривода; - датчики, которые преобразуют контролируемую координату в электрический сигнал, используемый как сигнал обратной связи; - согласующие элементы, которые согласуют входные и выходные координаты соединяемых управляющих элементов по техническим характеристикам, роду тока, типу и уровню сигнала и т.п. Данная классификация не исключает, а, напротив, предполагает большое разнообразие управляющих элементов по техническому исполнению. Примерами элементов задающего устройства могут служить аналоговые и цифровые задатчики интенсивности, программные блоки, построенные на логических дискретных элементах. В качестве регуляторов используют типовые блоки, выполненные на основе операционных усилителей. Примерами датчиков скорости и положения являются тахогенераторы постоянного и переменного тока, сельсины, импульсные, индуктосинные и оптические поворотные датчики. К Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 6 согласующим элементам могут быть отнесены фазовые детекторы, эмиттерные повторители, усилители мощности, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.д. Таким образом, функции регуляторов и датчиков могут выполнять элементы как аналоговые, так и цифровые, в качестве элементов задающего устройства и регуляторов могут использоваться как специализированные элементы- задатчики и блоки регуляторов, так и вычислительные элементы унифицированной микроЭВМ. 1.2. Основные координаты и характеристики элементов. Общей математической моделью элемента может служить многополюсник, полюсам которого соответствуют внешние координаты элемента (рис. 1.2.). В состав выделенных внешних координат x1 , x 2 ,..., x n - входные управляющие воздействия, у - выходная величина, v - возмущающее воздействие по источнику питания, z - возмущающее воздействие по нагрузке. Координатами элемента являются функциональные величины, аналоговые и дискретные, которые могут не совпадать с их физическими носителями. Например, в качестве управляющего воздействия может быть принята фаза, а ее физическим носителем является электрический импульс соответствующего напряжения; выходной величиной может быть частота, а ее физической реализацией - напряжение, ток, последовательность импульсов. (x) U x1 x2 xn ( ) z y x ( ) z y (z) a) б) Рис.1.2. Исходное (а) и упрощенное (б) представление элемента как многополюсника Внутри элемента можно выделить некоторую величину  - внутреннюю координату, которая имеет определяющее значение в формировании выходной величины. Например, для генератора при постоянной угловой скорости ЭДС (выходная величина) определяется результирующей МДС возбуждения, а для тиристорного преобразователя ЭДС является функцией угла открывания тиристоров. Для элементов, выходной величиной которых принята ЭДС или напряжение, возмущающим воздействием по нагрузке z является ток выходной цепи, а возмущением по источнику питания v – колебания напряжения сети. В Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 7 дальнейшем будем полагать, что источник питания достаточно мощный и возмущение v отсутствует, при этом элемент будет характеризоваться тремя внешними координатами: x,y,z. Выходная величина представляет собой функцию двух переменных: y  f ( x, z ) . Принимая возмущающее воздействие за неизменный параметр, получаем семейство характеристик у   x при z  const , которые будем называть характеристиками управления (рис 1.3,а). Зависимость выходной координаты от входной характеризует управляющее свойство элемента. Если входное воздействие принять за неизменный параметр, а величину z – за аргумент, то функция f ( x, z ) представится другим семейством характеристик: y   ( z ) при x  const , которое назовем семейством внешних характеристик (рис. 1.3,б). y y z1 z2 z3 x1 z4 x2 x3 а) x б) z x4 Рис. 1.3. Характеристики управления (а) и внешние характеристики элемента (б). Эти зависимости определяют реакцию элемента на нагрузку. Возмущение по нагрузке вносит неоднозначность в функции управления, что отрицательно сказывается на управляющем свойстве элемента, так как нарушается определенность передачи управляющего входного сигнала элементом. Чем меньше наклон внешних характеристик, тем меньше вносятся искажения в характеристики управления. Если dy / dz  0 для всего диапазона заданного изменения величин z и x, то возмущения по нагрузке не влияют на характеристики управления, при этом семейство кривых вырождается в одну характеристику управления y   (x) , не зависящую от изменения параметра z. Отсутствие влияния возмущений по нагрузке характерно для элементов управления дискретного действия. Итак, общая исходная модель элемента в виде «черного ящика» многополюсника с внешними координатами x,y,z (см. рис. 1.2,б) дополнена определенным содержанием. Так, выяснено, что главная функция элемента – управляющая, в соответствии с которой входное воздействие преобразуется и Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 8 передается на выход элемента. Преобразование воздействия определяется характеристикой управления. Возмущение по нагрузке в общем случае вносит искажение в преобразование управляющего сигнала. При наличии нескольких входов для координаты x элемент выполняет сначала функцию суммирования, а затем функцию преобразования результирующего управляющего сигнала. При этом выполняется свойство равнозначности, или идентичности, входов, а именно одна и та же характеристика управления может быть отнесена к любому входному воздействию, когда другие воздействия равны нулю, или к суммарному воздействию, т.е. y   (a1 x1 )  ...   a n x n    a1 x1  ...  a n x n , x 2  ...  x n  0; x1  ...  x n 1  0, где a1 ,..., a n – масштабируемые постоянные коэффициенты, обеспечивающие равенство. Для широкого класса аналоговых элементов электропривода возможна дальнейшая конкретизация их функционального представления. Выходная координата формируется физически, как было отмечено выше, некоторой внутренней координатой . Тогда с помощью этой координаты элемент можно разделить функционально на два блока – Б1 и Б2 (рис.1.4.). γ x1 x2 Б2 Б1  y xn БН z Рис. 1.4. Блочная структурная модель элемента Во входном блоке Б1 происходит суммирование управляющих сигналов и их преобразование в координату , являющуюся выходной величиной для Б1. В выходном блоке величина  преобразуется в выходную координату y. Влияние возмущения по нагрузке учитывается как дополнительный сигнал  на входе Б2. Для обеспечения равнозначности входных сигналов блока Б2 возмущение по нагрузке подается на вход Б2 в общем случае в виде нелинейной функции   z, y  ,которая формируется в блоке нагрузки БН. В соответствии с полученным блочным представлением элемента, изображенным на рис. 1.4, имеем характеристики управления: Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 9 для входного блока Б1 y  1 x; для выходного блока Б2 y   2    ; для элемента в целом y  (1 ( x)   ( z, x))   ( x, z) . Рассмотрим характерные для элементов случаи. Входной сигнал возмущающего воздействия  является функцией только нагрузки z, т.е.    (z ) . Тогда при линейном блоке Б1, когда 1 ( x)  k1 x , характеристики управления элемента определяются выражением y   2 k1 x   z    2 (k1 ( x   ( z) / k1 )) . Из этого выражения следует, что при x=const характеристики управления конгруэнтны в направлении оси x (рис. 1.5,а). При линейном блоке Б2 характеристики управления y   2 (   )  k 2 (1 ( x)   ( z)) При z=const конгруэнтны в направлении оси у (рис.1.5,б). Если дополнительно будет также линейным блок нагрузки БН, когда  ( z)  k H z , то внешние характеристики элемента y  k 2 1  x   k 2 k H z  y 0  x   k 2 k H z будут линейны. y y y z0 Z0=0 y01 x1 z2 z2 y02 x2 z1 z1 /k1 а) x x3 y03 k2  x в) z б) Рис. 1.5. Характеристики управления при линейных блоках входном (а), выходном (б) и внешние характеристики при линейном блоке нагрузки элемента (в). Согласно терминологии теории автоматического управления коэффициенты пропорциональности для линейных характеристик управления получают названия передаточных коэффициентов соответственно для Б1 k1, для Б2 k2 и для всего элемента k  k1k 2 . Таким образом, математическая модель блочного типа (см. рис.1.4) дает определенную детализацию в функциональном представлении элемента по сравнению с исходной моделью в виде простого многополюсника (см. рис. 1.2). Применительно к отобранному для изучения классу элементов АЭП расчетная модель с двухкаскадным преобразованием входного управляющего сигнала Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 10 оказывается достаточно общей. В ней отражаются и нелинейность преобразования, и учет влияния нагрузки. Следует отметить, что выделенные входной и выходной блоки элемента могут характеризоваться не только нелинейностью, но и инерционностью. В элементах инерционность обусловлена главным образом электромагнитными цепями, а также конденсаторными фильтрами во входных и выходных цепях. При наличии инерционности характеристики становятся статическими, т.е. справедливыми только в установившихся режимах. Наиболее просто инерционность учитывается для линейных цепей. Поэтому в дальнейшем блок Б1 или Б2, обладающий учитываемой инерционностью, будем в основном рассматривать в линейном приближении, когда его характеристика аппроксимируется отрезками прямой. Линеаризированный блок математически описывается как апериодическое звено: Блок Б1 T1 p  1  k1 x ; Блок Б2 T2 p  1y  k 2 (  ) , где Т1 и Т2 – постоянные времени входного и выходного блоков, с. В составе АЭП элементы соединены между собой. При последовательном соединении входной блок Б1 последующего элемента служит нагрузочной цепью для выходного блока Б2 предыдущего элемента. Поэтому важными параметрами элемента являются его входное и выходное сопротивления. Пусть входной величиной х будет напряжение Uвх, а выходной величиной у – ЭДС Е. Тогда блочную функциональную модель элемента можно преобразовать в электрическую схему замещения, состоящую из двух цепей – входной с сопротивлением Rвх и выходной с ЭДС Е и сопротивлением Rвых (рис. 1.6, а). Ток цепи нагрузки Iн является возмущающим воздействием для данного элемента. Входное сопротивление определяется отношением R ВХ  U ВХ / I ВХ , а выходное сопротивление – выражением RВЫХ  ( E0  U ВЫХ ( I Н )) / I Н , где E0  U ВЫХ 0  ЭДС холостого хода, равная напряжению при токе нагрузки I Н  0 . Наличие RВЫХ делает неоднозначной зависимость U ВЫХ от управляющего воздействия, поэтому за выходную координату желательно принимать не напряжение, а ЭДС, вынося величину Rвых из элемента и добавляя ее к сопротивлению нагрузки (рис. 1.6, б). Величина Rвых может быть представлена в общем случае в виде суммы двух составляющих:   RВЫХ  , RВЫХ  RВЫХ   const – линейная составляющая результирующего сопротивления, т.е. где RВЫХ  постоянное сопротивление внутренней цепи элемента, Ом; RВЫХ - нелинейная составляющая результирующего сопротивления, зависящая от тока нагрузки и ЭДС, Ом.  Так, для генератора постоянного тока сопротивление RВЫХ определяется  обусловлено реакцией якоря, для сопротивлением якоря, а сопротивление RВЫХ Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 11  тиристорного преобразователя соответствует результирующему RВЫХ сопротивлению источника питания, приведенному к выпрямленной цепи, а  обусловлено режимом прерывистого тока. При наличии составляющей RВЫХ  сопротивление RВЫХ нежелательно относить к величине Rн, так как при этом RВЫХ параметры нагрузочной цепи оказываются переменными, что затрудняет выполнение анализа и синтеза системы АЭП с данным элементом. Более удобным  оказывается форма обратной способом учета нелинейного сопротивления RВЫХ связи по цепи нагрузки Б1 Iвх Б2 Iн  Uвх Rвых Rвх Uвых Е Rн а) Б2 Iн Б2   Е0 Rвых Е R`вых Rн Е0 Rн б) в) Рис. 1.6. Исходная (а) и преобразованные (б,в) расчетные схемы замещения элемента Iн= const=0 К2 Iн,R``вых Е0  Рис. 1.7. Нелинейная и линеаризированная характеристики управления элемента  относят к (рис. 1.6, в), при этом постоянную составляющую сопротивления RВЫХ RН , за выходную координату принимается ЭДС  , E  E 0  I Н RВЫХ а на вход блока Б2 подается сигнал отрицательной обратной связи  / k 2 ,    I Н , Е   I Н R ВЫХ Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 12 где k 2  dE0 / d - среднее значение передаточного коэффициента на интервале  (рис. 1.7.). изменения ЭДС от Е0 до E0  I Н RВЫХ Таким образом, согласно схеме замещения, изображенной на рис. 1.6,в, выходная цепь элемента представляется электрическим контуром с неизменными параметрами и ЭДС, определяемой по характеристике управления холостого хода с учетом нелинейной обратной связи в общем случае по току и ЭДС. При линеаризации характеристики выходного блока, когда E 0  k 2  , где k 2  dE0 / d  const , и при линейной инерционной входной цепи для элемента может быть записано выражение E  k1U ВХ  /T1 p  1   I Н , E k 2 , где k1   / U ВХ - передаточный коэффициент входной цепи; Т1- постоянная времени входной цепи, с. Данному выражению соответствуют структурная схема, изображенная на рис. 1.8. Uвых γ K2 K1/T1p+1 Е μ μ(IнE) Iн Рис. 1.8. Структурная схема элемента с инерционным входным блоком 1.3. Формирование характеристик с помощью обратной связи по выходной координате К характеристикам элементов АЭП предъявляются требования, соответствующие необходимым статическим и динамическим свойствам элемента. К таким свойствам применительно к важной группе элементов – управляемым преобразователям (УП) относятся необходимое значение и стабильность коэффициента усиления, ограничение на требуемом уровне выходной координаты, требуемый статизм внешней характеристики и т.п. Отмеченные свойства можно придать УП при использовании обратной связи по выходной координате в сочетании с дополнительным входным безинерционным усилителем с ограничением по выходу. Следует отметить, что речь идет о дополнительно вводимой обратной связи, а не о той функциональной связи, которая может быть выделена в составе элемента. Структурная схема УП с дополнительными обратной связью и усилителем представлена на рис.1.9. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 13 kо.н (ky) U3 Uвх УП Uy kо.нRn Iн Рис.1.9. Структурная схема УП с входным усилителем и обратной связью по напряжению Так как практически выходной величиной УП является напряжение U П  EП  I Н RП то обратная связь по напряжению будет состоять из двух составляющих: связи по ЭДС и связи по току, т.е. U OH  K OH E П  K OH R П I H , где RП  RВЫХ - постоянное сопротивление внутренней цепи преобразователя, Ом; K ОН - коэффициент обратной связи по напряжению. Рассмотрим задачу стабилизации напряжения VII в заданном диапазоне тока нагрузки от I H  0 до I Н  I MAX . Степень стабилизации определяется статизмом внешней характеристики   E 0  U H  / E 0   I H R П  ( E H  E 0 )  / E 0 где EН ,U Н , I Н – номинальные значения ЭДС, напряжения и тока нагрузки. Данную задачу решим с помощью отрицательной обратной связи по напряжению. Пусть известны коэффициент обратной связи Кон и исходные характеристики УП и усилителя в предположении, что RВЫХ  0 и KY  const . Тогда можно построить E   3 (U 3 ) и результирующие характеристики для замкнутого контура УП E  3 (I H ) . Решим обратную задачу: по заданному статизму внешней характеристики, номинальным значениям тока и напряжения и при известной характеристике управления УП определить параметры обратной связи и входного усилителя. Если задаться максимальным значением задающего напряжения U З max , можно найти значения Uк, коэффициента усиления усилителя и коэффициента обратной связи U K  U 3 max  (( E0  EKO ) / E0 ) ; K Y  U НАС / U K ;  ))  (1/ KY ) . KOH  (U НАС /( E0  EKO Задача построения характеристик для УП с обратной связью упрощается, если исходная характеристика управления линейна, т.е. E  K П U ВХ В этом случае получим Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 14 Kу  Кп  (Uз  Кон  Rп  Iн); 1  Ку  Кп  Кон 1 Iн  Rп   1  Ку  Кп  Кон Ес При большом коэффициенте усиления, когда KY  K П  KOH  1 E E  U З / K OH   I H RП ;   0 U  const . Таким образом, отрицательная обратная связь по напряжению поддерживает его постоянным при изменении тока нагрузки с точностью до значения статизма. Физически стабилизация напряжения объясняется тем, что при увеличении тока нагрузки снижение напряжения уменьшает отрицательный сигнал обратной связи, что приводит при неизменном задающем напряжении к росту ЭДС элемента. Чем больше коэффициент усиления, тем сильнее действует обратная связь и в большей мере возрастает ЭДС. Теоретически при K Y   напряжение не зависит от тока нагрузки и УП становится идеальным регулируемым источником напряжения с внешними линейными характеристиками. Действие обратной связи прекращается, когда усилитель входит в насыщение (U Y  U k ) и ЭДС достигает максимального значения E MAX  K П U НАС , которое остается неизменным при дальнейшем росте I H . Рассмотрим влияние положительной обратной связи по напряжению на характеристики УП на примере схемы с промежуточным усилителем, приведенной на рис.1.9, в которой связь по ЭДС K OH E  положительна, а по току K OH R П I H  отрицательна. Тогда U ВХ  K Y U З  K OH E  K OH RП I H . Если характеристика управления УП линейна, т.е. E  K ПU ВХ , то получим выражение для ЭДС: Е КУ  К П  (U З  К ОН  RП  I Н ) 1  К П К П  К ОН Принимая для обратной связи так называемое критическое значение коэффициента KO.H .K .  1/( KY  K П ) I H  U З / KO.H .K .  RП   KY  K П  U З / RП   const . Для такой настройки положительной связи ток нагрузки при изменении ЭДС остается постоянным. Внешние характеристики УП приобретают вид вертикальных прямых, смещаемых по оси абсцисс пропорционально задающему напряжению (рис.1.10). Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) a1’’ U30=0 U31 a2’’ U32 a3’’ U33 15 Emax Iн Icm1 Icm2 Icm3 Рис.1.10. Внешние характеристики УИТ Преобразователь представляет собой идеальный регулируемый источник тока. Насыщение усилителя ограничивает внешние характеристики сверху значением E MAX  K П U НАС . Тогда для токов нагрузки I H  U З / K OH R П УП работает в режиме источника напряжения, а для I H  U З / K OH RП в режиме источника тока. 2. Управляемые преобразователи напряжения и тока. 2.1. Генераторы постоянного тока (ГПТ). В системах АЭП ГПТ применяются в качестве управляемых преобразователей (УП) напряжения, подводимого к двигателю. В энергетическом отношении ГПТ – электромеханический преобразователь энергии, в котором механическая энергия, поступающая с вала приводного двигателя (АД или СД), преобразуется в электроэнергию постоянного тока. Достоинства преобразовательного агрегата с ГПТ: - линейность преобразования управляющего сигнала в выходную ЭДС в большом диапазоне его изменения; - отсутствие искажений в напряжении питающей сети переменного тока от работы генератора; - слабое влияние колебаний напряжения питающей сети на выходную ЭДС генератора; - возможность работы с высоким и регулируемым коэффициентом мощности. Недостатки: - невысокий результирующий КПД (за счет потерь в генераторе и приводном электродвигателе); - большие массогабаритные двигатели (3 и более машин); - значительные затраты на установку преобразовательного агрегата; Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 16 - шум при работе, существенная инерционность в канале управления. Общие показатели для генераторов: - для малой и средней мощности до 100-200 кВт отсутствует компенсационная обмотка; - ГПТ мощностью более 2-3 кВт имеют дополнительные полюса, число которых равно числу главных полюсов; - щетки генераторов устанавливаются на геометрической нейтрали; - максимальная перегрузочная способность по току якоря для большинства генераторов равна 2 при продолжительности перегрузки до 3 с и 1,5 до 60 с. Электрическая схема генераторов для общего случая возбуждения приведена на рис.2.1. Φq Фq LG1 Rp U в1 Uв1 М M LG1 LG3 LG3 LG 4 G G Φq Фq LG5 LG4 Φдп Ф ДП LG5 iя iя LG2 LG 2 UI’’ Нагрузка Рис.2.1. Электрическая схема ГПТ для общего случая возбуждения Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 17 Магнитный поток продольной оси Ф d создается МДС обмоток возбуждения независимой LG1,LG2 – параллельной (шунтовой), LG3 – последовательной (сериесной). Ф q – магнитный поток по поперечной оси создается МДС якорной обмотки ГПТ (при наличии LG4 Фq  0 ). Магнитный поток Фдп от дополнительных полюсов LG5, действует в зоне щеточных контактов, улучшая процесс коммутации. Электрическое состояние генератора (рис. 2.2.)характеризуется тремя внешними и одной внутренней координатами: - напряжение или пропорциональное ему в статических режимах МДС и ток цепи обмотки независимого возбуждения (U B1, FB1, I B1 ) – управляющее воздействие; - ЭДС - ( Er , er ) – выходная величина; - ток якорной цепи ( I a , ia ) – возмущающее воздействие по нагрузке; - результирующая МДС одного полюса (F) – внутренняя координата. Строчными буквами обозначены мгновенные значения в динамических режимах, а прописными – установившиеся значения. Uв1 Еr,er F (Fв1,Iв1) Ia,ia Рис.2.2. Блочно-функциональное представление ГПТ Взаимосвязь между координатами определяется по формуле: EГ  k  Г  Ф(F ), где k  pN / 2a – конструктивная постоянная машины; р – число пар полюсов; а – число пар параллельных ветвей якорной обмотки; N – число активных проводников;  Г – угловая скорость генератора; Ф(F) – магнитный поток одного полюса в зазоре машины. Без учета реакции якоря (при КО или без КО, но при малых нагрузках) результирующая МДС по продольной оси: F  Fd  FB1  FB2  FB3 , где Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) FВ1  U В1  WВ1 ; а В1  RВ1 FВ/ 2  E Г  WВ 2 ; а В 2  RВ 2 18 W R W  FВ/ 3  I a   В 3  Я . Г В 2  а В 2  RВ 2   аВ 3 где F1,F2,F3 – МДС LG1,LG2,LG3 aB1 , aB 2 , aB 3 – число пар параллельных ветвей обмоток LG1,LG2,LG3 RB1, RB 2 – сопротивления LG1,LG2 RЯ . Г – сопротивления якоря генератора Знак «+» – если включение LG1,LG2,LG3 согласное, при встречном включении знак «-» . Таким образом, ЭДС генератора оказывается однозначной функцией результирующей МДС по продольной оси Fd, слагаемые которой линейно зависят от внешних координат, U B1 , E Г , I а что облегчает расчет статических характеристик генератора. Зависимость EГ  0 ( Fd ) является характеристикой управления генератора, которая может быть определена экспериментально, как характеристика холостого хода, при отключении якорной цепи и параллельной обмотки. Характеристики управления относительно входной величины U В1 , при I Я  const , а также внешние характеристики генератора могут быть построены графическим методом. На прямолинейном участке характеристики управления коэффициент передачи по МДС равен K rd  E r / Fd . Коэффициент передачи по току для любой из обмоток возбуждения K ГТ  EГ / I В  K Гd  WB / aВ Коэффициент усиления по напряжению K Г  Er / U B  K rd  W ( RВ  aВ ) Динамические характеристики генератора определяют его уравнением возбуждения. При этом принимаются следующие основные допущения: - потоки рассеяния по продольной оси отсутствуют; - напряжение генератора не зависит от ЭДС самоиндукции якорной обмотки, т.е. u Г  eГ  ia  RЯГ - трансформаторная ЭДС в коммутируемых секциях равна нулю. Решая систему уравнений, описывающей динамический режим генератора относительно ЭДС и суммарной мгновенной МДС по продольной оси, получим уравнение: СВ  W R deГ U W WВ 2 W  Fd  В1 В1  еГ   iа   В 3  В 2  Я . Г dt RВ1  aВ1 RВ 2 * aВ 2  aВ 3 aВ 2 RВ 2 где СВ  2р k Г  WВ21 WВ23 WВ2.Т WВ22      2 2 2  RВ1  а В1 RВ 2  а В 2 Ra  а В 3 RВ.Т   ,    ,  Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 19 где СВ – конструктивный параметр цепи возбуждения, A  c / B ; WВГ – число витков эквивалентного контура вихревых токов. Характеристика ГПТ согласно этого уравнения имеет следующий вид (рис.2.3.). Отсюда видно, если U B1 имеет полярность (+), то мы имеем процесс запуска (или намагничивания ГПТ), если U B1  0 , происходит процесс торможения (или размагничивания) генератора; если U B1 имеет (-), то происходит процесс реверса или перемагничивания генератора. Большое применение в эл. приводе находят генераторы значительной мощности, имеющие компенсационную обмотку и обладающие большим КПД и высоким cos  . Самым распространенным является генератор с независимым возбуждением (рис. 2.4.). er CВ(der/dt )<0 CВ(der/dt )>0 Fо.н=0 Fо.н<0 Fо.н>0 fd Рис.2.3. Характеристика управления генератора k2 k1 Rд Uон Rр LG G er Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 20 Рис.2.4. Эл. схема ГПТ с независимым возбуждением . eГ  k  Ф   L При этом Ф  kiiB ( k i  const на линейном участке кривой намагничивания, определяют по справочным, пренебрегая гистерезисом). U В  iВ  rВ  L(diВ / dt )  iВ  (1  LВ p / rВ )) p  d / dt TГ  LУ / rВ . ТГ – гл. магнитная постоянная времени тока Тогда iВ  U В /(rВ (TГ p  1)), подставляем в уравнение еГ еГ  К  К1 КГ  U В1 Г rв  (TГ  р  1) К1  К   Г  const , rв окончательно получим e KГ  U В1 ТГ  р 1 передаточная функция WГ ( р)  ЕГ ( р) КГ  U В1 ( р) Т Г  р  1 Структурная схема на рис. 2.5. Kов er Uон Kr/Trp+1 Кoi iя Рис. 2.5. Структурная схема Характеристики управления обладают высокой линейностью (рис. 2.6,а), внешние параллельны оси тока (рис.2.6, б). еГ еГ Iв1 Iв2 iв а) iаIв3 б) Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 21 Рис. 2.6. Характеристики управления Этой передаточной функции соответствуют амплитудная L() и фазовая () логарифмические характеристики (рис. 2.7). 20LgKr полоса пропускания Kr/Tr 1/Tr -450 -20дец/дек -900 Рис. 2.7. ЛАЧХ и ЛФЧХ генератора Форсирование переходных процессов. Для ГПТ с НВ (Р>100 кВт) постоянная времени значительно больше 1 с. Такая инерционность затягивает переходные процессы и значительно ограничивает его полосу пропускания. Для форсировки (убыстрения) переходных процессов применяют следующие два способа: уменьшение эквивалентного значения ТГ или изменение ЭДС генератора за счет управления напряжением возбуждения. К2 К1 Rд Uв Rв G Ег LG Iв LG Uз Uв G Ег Rл Рис. 2.8. Схемы включения ГПТ с НВ: а) непосредственное включение на выпрямитель U ВН ; б) через управляемый При первом способе ( R Д включено постоянно) необходимо подводить повышенное значение U B с тем, чтобы в номинальном режиме выполнялось Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 22 условие: U BH  U B  I BH R Д , т.е. к обмотке возбуждения подводилось номинальное значение U BH . Второй способ заключается в том, что к обмотке возбуждения на время переходного процесса прикладывается повышенное напряжение, которое должно мгновенно, в конце процесса, уменьшено до требуемого установившегося значения. Это достигается введением с помощью контакта К2 резистора R Д (рис. 2.8, а) или снижением напряжения за счет отрицательной связи по напряжению генератора (рис.2.8, б штриховая линия). Такой способ форсировки называют форсировкой с отсечкой. Степень форсировки переходных процессов характеризуется коэффициентом форсировки: kФ  U BO / U B.УСТ . , где U BO – начальное значение напряжения на обмотке возбуждения при I B  0 , В; U B.УСТ .– установившееся значение напряжения на обмотке возбуждения, В. Для первого случая kФ  RP  RB  R R  R Д  P В RB ( RP  R Д )  RВ  RP RД  kP Т Г  TГ kФ  1 k P  (k ф  1)    RВ RP  R Д RP  R Д (k Р  1) K Р  R P / R Д – кратность разрядного сопротивления R B – сопротивление обмотки возбуждения. Для схемы возбуждения с шунтируемым дополнительным резистором kФ  R р  RВ  R R  R Д  р В R р  RВ  RP  RВ RД  k р kф  1 kр 1  ;  RВ . Для схемы с управляемым возбудителем kф  где U HAC U HAC  , U B.УCT . kУ . B..(Uз  kO. H  Е Г .УСТ . ) UН – напряжение насыщения управляемого возбудителя kУВ – коэффициент усиления возбудителя kОН – коэффициент отрицательной связи по напряжению генератора kOH  R2 /( R1  R2 ) . Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 23 С помощью kФ можно подсчитать напряжение цепи возбуждения и управляемого возбудителя, а также сопротивление R Д . Графики переходных процессов для обоих случаев на рис.2.9. 1 – eГ  EГУСТ (1  у  е / T r ) с постоянно введенным сопротивлением 2 - eГ  KФ EГУСТ (1  et / Tr ) с форсировкой Как видно из графиков форсировка с отсечкой более эффективна, т.к. повышенное напряжение возбуждения остается неизменным. Отделим to , когда надо снять форсировку, т.е. eГ  ЕГ .УСТ . 1  (1  et0 / TГ )kФ (kФ  1) / kФ  et0 / TГ t0  TГ en kФ / kФ  1  t0 / TГ  en (kФ  1) / kФ Uв Uво 2 U в, уст. Тг’ eг Кф Ег,уст Тг Ег, уст. Тг’ 2 1 t Рис.2.9. Графики переходных процессов В электроприводе имеют место задачи, где требуется не форсирование процесса, а, напротив, дефорсирование в целях ограничения ускорения и поддержание его постоянным. В этих случаях инерционность генератора оказывается полезной. Однако при апериодическом характере переходного процесса в соответствии с передаточной функцией темп изменения ЭДС генератора, ограниченный инерционностью в начальный момент, не сохраняется постоянным, а непрерывно уменьшается. Обеспечить ограничение и постоянство Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 24 темпа изменения ЭДС можно с помощью схемы с критическим самовозбуждением генератора (рис. 2.10). Условием критического самовозбуждения является равенство сопротивления цепи самовозбуждения RCE передаточному коэффициенту по току данной обмотки, т.е. RCВ  k Г .T  RKP . Полученное значение сопротивления называется критическим. Так как k Г .Т .  k ГdWCВ aCВ , то можно записать k Гd WCВ  1. aCВ RCВ (*) Это означает, что при критическом самовозбуждении коэффициент усиления генератора относительно обмотки самовозбуждения должен быть равен 1. Данное условие имеет также и графическую интерпретацию: равенство углового коэффициента прямой МДС самовозбуждения WCВ /( aCВ RCВ ) величине 1 / k Гd означает параллельность характеристики управления генератора и прямой суммарной МДС в осях E Г , Fd Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) ОВ1 УВ ОВ2 25 Rд Ег G Uв1 Rл а) с критическим самовозбуждением с двумя обмотками Rв/2 Rд УВ Uз Uв 1 Wов/2 Rв/2 Wов/2 G Ег Rл б) с критическим самовозбуждением с одной обмоткой Рис. 2.10. Схемы включения обмоток возбуждения генератора Для варианта схемы возбуждения с двумя обмотками (ОВ1 и ОВ2) (рис. 2.10,а) RВ 2  RKP  k ГdWВ 2 / aВ 2 , R Д  RKP  RВ 2 , где RВ 2 - сопротивление параллельной обмотки, Ом; R Д - дополнительное сопротивление в цепи параллельной обмотки, Ом. Для варианта с одной, но разделенной на две равные части обмоткой возбуждения (рис.2.10,б) RCВ  2( R Д  RВ / 2)  RKP  k ГdWВ / aВ , R Д  ( RKP  RВ ) / 2 , где R Д - сопротивление резистора, дополнительно включаемого последовательно с симметричной мостовой цепью самовозбуждения, Ом. Цепь самовозбуждения выполняет функцию положительной обратной связи по ЭДС, ее МДС FСВ действует согласно с МДС независимой обмотки FВ1 и при линейной характеристике генератора EГ  k Гd ( FВ1  (WCВ /( aCВ RCВ ) EГ . Подставляя условие (*) в данное, получаем, что FВ1  0 . Таким образом, любое значение ЭДС обеспечивается самим генератором без постороннего источника возбуждения, т.е. статическая мощность источника независимого возбуждения равна нулю. Однако с учетом нелинейности характеристики управления генератора FВ1  0 и для обеспечения номинального возбуждения потребуется тем большее значение FВ1HOM , чем сильнее насыщен генератор в этом режиме. Данный способ возбуждения позволяет существенно снизить мощность управления генератором: Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 26 Для схемы с двумя обмотками возбуждения (см. рис. 2.10,а) PY   U В.HOM I В.HOM . Для схемы с одной разделенной обмоткой возбуждения (см. рис. 2.10,б) PY  2  2U В.HOM . I В.HOM . , где   FВ1.HOM / Fd .HOM – относительное значение МДС независимого возбуждения; U В. HOM , I В. HOM . – номинальные значения напряжения и тока возбуждения в схеме независимого возбуждения. Динамические режимы генератора с критическим самовозбуждением в пределах прямолинейного участка его характеристики управления будут определяться общим уравнением возбуждения deГ  k ГU B1  iЯ RЯГ , (**) dt где k Г  k Гd (WB1 /( aB1RB1 )) , TГ  TВ1  TВ 2 для схемы с двумя обмотками возбуждения ТГ (рис. 2.10,а); kГ  RKP / RВ , Т Г  2 рk Гd WВ2 RВ  R Д k Г RВ а В2 RВ  2 R Д для схемы с одной разделенной обмоткой возбуждения (см. рис. 2.10,б). Генератор с критическим самовозбуждением представляет собой в динамике интегральное звено с передаточной функцией WГ ( p)  k Г / TГ p Темп интегрирования при неизменных параметрах kГ и TГ определяется значением выходного напряжения управляемого возбудителя UВ1. Для получения устойчивого установившегося режима работы генератора на прямолинейном участке характеристики управления на вход возбудителя вводится напряжение отрицательной обратной связи. При этом уравнение (**) дополнено уравнением для управляемого возбудителя, и совместное их решение даст выражение ТГ deГ  kУ k Г (U З  kО. Н .еГ  kО. Н . Rа. Г .iа )  iа RаГ . dt Данному уравнению соответствует структурная схема, приведенная на рис.2.11. Отрицательная обратная связь оказывается блокированной, когда управляемый возбудитель работает на участке насыщения и генератор, являясь интегратором, имеет максимально допустимый темп изменения ЭДС. При работе возбудителя на усилительном участке характеристики управления отрицательная связь переводит генератор в режим работы апериодического звена с передаточной функцией: W ( p)  1 / kОН , Т Г p  1 где TГ  TГ /( kY k Г kO.П . ) . Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 27 kон Uо.н Uз ег Kr/Trp (кy;Uнас) Rяг/kr iя kонRяг Рис. 2.11. Структурная схема генератора с критическим самовозбуждением и отрицательной обратной связью по напряжению При высоком коэффициенте усиления возбудителя постоянная Т Г мала, и генератор по свойствам приближается к безыинерционному звену для частот   1 / Т Г . 2.2. Электромагнитный усилитель поперечного поля Простейшим электромагнитным усилителем (ЭМУ) является генератор постоянного тока с независимым возбуждением, поскольку мощность возбуждения составляет несколько процентов от выходной мощности машины. Значительно большой коэффициент усиления по мощности (до 10 4) имеют ЭМУ поперечного поля за счет двух каскадов усиления. ФLG1 LG Rш LG Lу Фа Lу б а Uэ а Uу Rу Фу б Iэ Рис. 2.12. Принципиальная схема ЭМУ поперечного поля ЭМУ представляет собой генератор, имеющий на якоре обмотку, типичную для машин постоянного тока. Шихтованную магнитную систему выполняют как с явно, так и с неявно выраженными полюсами. На коллекторе располагаются две пары щеток: аа и бб. Поперечные щетки замкнуты между собой. Под действием потока Ф у, создаваемого обмоткой управления LG, в цепи короткозамкнутых щеток возникает значительный ток. Результатом этого Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 28 является магнитный поток Фа, неподвижный в пространстве. В витках обмотки якоря, пересекающих поток Фа, наводит ЭДС Eэ, которая снимается щетками бб и подводится к нагрузке Rн. Ток выходной цепи ЭМУ Iэ создает поток реакции якоря по продольной оси Фа, уменьшающий действие потока управления Ф у. Для ослабления действия продольной составляющей реакции якоря Фа в усилителе имеется компенсационная обмотка LG1. В зависимости от положения ползунка потенциометра RШ магнитный поток компенсационной обмотки может быть меньше Фa (недокомпенсация), равен Фa (полная компенсация) и больше его (перекомпенсация). На рис 2.13. изображена регулировочная характеристика (а) ЭМУ поперечного поля EЭ  f (U у ) и внешние характеристики (б) U Э  f (U у ) при различных коэффициентах компенсации. Наклон внешних характеристик характеризуется величиной эквивалентного сопротивления RЭ , зависящего от активного сопротивления якорной цепи и степени компенсации. Величину RЭ определяют из опытных данных (по аналогии с ГПТ): RЭ  U Э / I Э Eэ Uэ ФLG1>Фа ФLG1=Фа ФLG1<Фа Uу Iэ рис 2.13 В соответствии RЭ  U Э / I Э эквивалентное сопротивление ЭМУ может быть положительным (при недокомплексации) отрицательным ( при перекомплексации). В системах регулирования ЭМУ, как правило, недокомпенсирован; величену RЭ можно определить по формуле RЭ  1,75Rа , где Rа - справочное значение сопротивления якорной цепи. Получим передаточную функцию ненагруженного ЭМУ. Входной координатой является напряжение обмотки управления U у , а выходной – ЭДС короткозамкнутой обмотки якоря Eкз . По аналогии с ГПТ передаточная функция первого каскада усиления W1 ( p)  Eкз ( р) / U у ( p)  K1 /(Tу p  1), где K1 - передаточный коэффициент первого каскада усилении K1  Eкз / U у ; T1 - электромагнитная постоянная времени обмотки управления T1  Lу / Rу ; Lу , R у - индуктивность и сопротивление обмотки управления. Входной координатой второго каскада усиления ЭМУ является ЭДС короткозамкнутой обмотки. А выходной – ЭДС обмотки якоря EЭ , снимаемой щетками бб. Передаточная функция второго каскада Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 29 W2 ( p)  EЭ ( p) / Eкз ( p)  K2 /(Tкз p  1), где К 2 передаточный коэффициент второго каскада усиления; K2  EЭ / Eкз ; Tкз - электромагнитная постоянная короткозамкнутой цепи (значения ее приводится в справочниках): Tкз  Lкз / Rкз ; Lкз , Rкз индуктивность и активное сопротивление короткозамкнутой цепи. На основании W1 ( р), W2 ( p) передаточная функция ЭМУ поперечного поля WЭ ( р)  W1 ( p)W2 ( p)  KЭ , (Tу р  1)(Tкз р  1) где K Э передаточный коэффициент ЭМУ по напряжению, К Э  К1К 2  EЭ . Uу Эму поперечного поля имеет несколько обмоток управления (до 4), что обеспечивает простоту суммирования нескольких сигналов управления. Если в схеме использовано n обмоток управления, то постоянная времени первого каскада определяется как сумма постоянных времени отдельных обмоток: n Tу   Tуi , i 1 где Tуi - постоянная времени i  й j, управления. В справочной литературе приводятся значения постоянных времени обмоток управления, определяемые только индуктивностью и сопротивлением обмоток: Tуi справ  Lуi / Rуi . Действительное значение электромагнитной постоянной времени обмотки управления зависит от величины добавочных индуктивности и сопротивления, обусловленных схемой включения: Tуi  Lуi  Lдоб i Rуi  Rдоб i  Ry i  Tyi справ Rуi  Rдоб i  Lдоб i Rуi  Rдоб i . Заметим что благодаря двухкаскадному усилению сигналов ЭМУ поперечного поля имеют лучшее быстродействие, чем ГПТ независимого возбуждения. 2.3. Магнитные усилители Принцип действия магнитных усилителей (МУ) основан на нелинейности характеристики намагничивания B  f (H ) ферромагнитных материалов (рис 2.14, а) B,M LG B=f(H) LG1 Uc Zн M=f(h) Iy Iн H Рис. 2.14 Простейший нереверсивный МУ состоит из дросселя насыщения, включенного в цепь переменного тока последовательного с нагрузкой Z Н (рис 2.14, б). При Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 30 изменении тока управления I y в обмотке управления LG изменяется реактивное сопротивление рабочей обмотки LG1. Это приводит к изменению тока нагрузки I Н в выходной цепи. Напряжение на нагрузке U Н  I Н Z Н  U C Z Н / ( RН  Rдр )2   2 ( LН  Lдр )2 , где RН , LН , Rдр , Lдр - активные сопротивления и индуктивности соответственно нагрузки и дросселя. Индуктивность дросселя Wp 2 S dB Lдр   , l dH где S, l - сечение и длина средней линии сердечника дросселя;  - магнитная проницаемость. Iн IIноНО Iy Iу Рис. 2.15 На рис. 2.15 изображена регулировочная характеристика простейшего МУ I Н  f ( I Н ) . Характеристика симметрична относительно оси ординат. При токе управления IУ  0 ток нагрузки I НO минимален, но не равен нулю, так как при этом индуктивность дросселя имеет значение. Сердечники мощных МУ изготавливают из трансформаторной стали; для усилителей малой мощности обычно используют железоникелевые сплавы типа пермаллоя и другие с высокой магнитной проницаемостью. Приведенная на (рис 2.14, б) схема МУ имеет существенный недостаток, ограничивающий его применение: за счет переменного тока рабочей обмотки в обмотки управления наводится значительная ЭДС, искажающая управляющий сигнал. Для устранения этого явления применяют двухдроссельные МУ, включенные по управляющей обмотке навстречу друг друга (рис. 2.16, а) Wy Wcм Uc Iy Wy Wp1 U Uy Zн Uc Wp1 Zн y Wp1 Wp1 Iн Iн Рис. 2.16 В соответствии с (рис 2.15) простейшие магнитные усилители не реагируют на изменение полярности управляющего напряжения. Этот недостаток устраняют Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 31 применением специальной обмотки смещения WСМ , питаемой постоянным током (рис 2.16, б). Обмотка смещения осуществляет сдвиг регулировочной характеристики МУ по отношению к управляющему сигналу (рис 2.17). Iн I НО Iно Fу FFсм СМ Fу Рис 2.17 Простейший МУ усиливают управляющий сигнал по мощности несколько десятков раз, что не всегда достаточно при использовании их в системах регулирования. Для увеличения коэффициента усиления и расширения функциональных возможностей в магнитных усилителях применяют внутренние и внешние обратные связи. Вариант схемы МУ с внешней обратной связью по току приведен на рис.2.18, а а) б) Wсм в) Wос Iн Uc Wу Wp1 Iн Zн Uу Wp2 Iy VD1-VD4 Iy Рис.2.18 Ток нагрузки выпрямителя VD1-VD4 протекает по обмотке обратной связи. Регулировочные характеристики магнитного усилителя при различных значениях коэффициента обратной связи приведены на рис.2.18 б, в. Направление тока в обмотке обратной связи определяется только схемой выпрямителя и не зависит от полярности управляющего напряжения. Поэтому для одной ветви регулировочной характеристики обратная связь оказывается положительной (направления магнитных потоков обмоток управления и обратной связи совпадают), а для другой – отрицательной. При коэффициенте обратной связи Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 32 KОС  1 магнитный усилитель работает в релейном режиме (рис 2.18, в). Широко применяются МУ с положительной внутренней обратной связью по току. Схема одного из вариантов подобных МУ с выходом на постоянном токе приведена на рис. 2.19. Обратная связь осуществляется включением диодов VD1-VD4 в цепь рабочих обмоток так, чтобы по ним протекал пульсирующий ток. Постоянная составляющая пульсирующего тока дополнительно подмагничивает сердечники МУ, что эквивалентно действию обратной связи по току. Uc Wy Wсм VD1-VD4 Wp1 Rн Uy Wpy Рис. 2.19 Коэффициент внутренней обратной связи равен отношению напряженности поля обратной связи к среднему значению напряженности, создаваемой переменным током, т.е. KОС  H ОС I ОСWОС   1, H ср I срWР где I ОС  Шср и WОС  WР . Фактически K ОС немного меньше единицы в связи с неидеальностью диодов (наличие обратного тока). Достоинство внутренней обратной связи – отсутствие специальной обмотки обратной связи. Недостаток – сложность изменения K ОС . При необходимости изменения полярности выходного напряжения (выход на постоянном токе ) или его фазы (выход на переменном токе) применяют реверсивные магнитные усилители. На рис. 2.20, а изображена схема реверсивного МУ с выходом на постоянном токе. Он состоит из двух нереверсивных магнитных усилителей, включенных по дифференциальной схеме. Напряжение нагрузки равно разности напряжений на балластных сопротивлениях Rб1 и Rб 2 . Регулировочные характеристики дифференциального МУ приведены на рис 2.20, б. Магнитный усилитель как элемент систем управления является дискретным звеном со сложной формой выходных импульсов. Однако с учетом фильтрующего действия других элементов, входящих в систему, его часто можно представить непрерывным звеном. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 33 Как показывает практика, инерционность МУ в основном определяется параметрами обмоток управления. Для управляющей цепи справедливо уравнение U у  Lу diу dt  R у i у , (2.1) где U y , iy , Ry , Ly - напряжение, ток, сопротивление и индуктивность обмотки управления. б) а) Wсм1 U Wос1 TV1 Wp1 Wy1 I1 Wp1 Uн Iн U1(Iy) Rб1 Uн(Iy) Rн Wp2 Wy2 Iу Rб2 I2 U2(Iy) Wp2 Wос2 Wсм2 TV2 U Рис 2.20 Заметим, что индуктивность обмотки управления зависит от степени насыщения сердечника, т.е. является величиной переменной. Для упрощения математических соотношений предположим, что при относительно небольших изменениях напряжения управления Ly  const . Если пренебречь отставание тока нагрузки от тока управления в переходных режимах для ненасыщенных сердечников, то W y I y  WP I Н СР (2.2) или Iy  I WP I Н СР  Н СР , Wy KI где I Н СР - среднее значение тока нагрузки; K I - коэффициент усиление МУ по току; WP  WP1  WP 2 при последовательном включении рабочих обмоток. Среднее значение напряжения на сопротивлении нагрузки U Н СР  RН I Н СР . (2.3) С учетом (2.2) и (2.3) уравнение (2.1) принимает вид L y dU Н СР RН K IU y   U Н СР (2.4) Ry R y dt или KUU y  Ty dU Н СР dt  U Н СР , Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 34 где Ty - электромагнитная постоянная времени обмотки управления, Ty  Ly / Ry : KU - коэффициент усиления магнитного усилителя по напряжению, KU  RН K I / Ry  ( RН / Ry )  (Wy / WP ). В соответствии с выражением (2.4) передаточная функция магнитного усилителя WНУ ( р )  U Н СР ( р ) U у ( р)  KU . Ty p  1 т.е. при сделанных допущениях МУ эквивалентен инерционному звену. Постоянную времени МУ с несколькими включениями обмотками управления определяют как сумму постоянных времени отдельных обмоток аналогично соответствующим расчетам ЭМУ. В системах регулирования магнитные усилители выполняют следующие функции: предварительное усиление сигналов; управление двигателями постоянного и переменного тока ( силовые преобразователи); суммирование нескольких сигналов; преобразование постоянного напряжения (тока) в модулированные колебания переменного тока и некоторые другие. Достоинство МУ: надежность в работе; повышенная виброустойчивость; большая чувствительность; возможность суммирования нескольких сигналов; питание от сети переменного тока; готовность к рабате сразу после включения. Недостатки магнитных усилителей: значительная инерционность; малое входное сопротивление; низкий КПД реверсивных схем; невозможность создания режима рекуперации. Увеличение быстродействия МУ достигается за счет повышения частоты питающего напряжения, каскадного включения нескольких магнитных усилителей, использования специальных схем быстродействующий МУ. 2.4. Вентильные преобразователи напряжения постоянного тока (ВП). На сегодня широкое применение ВП в системах АЭП обусловлено выпуском надежных малогабаритных тиристоров и транзисторов. На их основе для электропривода постоянного тока разработаны два типа преобразователей: тиристорные преобразователи (ТП) напряжения переменного тока в постоянный и широтно-импульсные преобразователи (ШИП) неизменного напряжения постоянного тока в регулируемое напряжение постоянного тока. Тиристорные преобразователи (ТП). Достоинства: - высокий КПД из-за незначительного падения напряжения на тиристоре (<1В); - малая инерционность 0,01…0,02 с, обусловленная фильтрами в цепях управления и неуправляемостью тиристоров в течении интервала проводимости; - высокая надежность при использовании быстродействующей защиты и модульно-блочном исполнении ТП. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 35 Недостатки: - низкий коэффициент мощности при глубоком регулировании напряжения; - искажения питающего напряжения, вносимые работой ТП; - повышенный уровень излучаемых радиопомех. Функциональная схема ТП имеет вид (рис. 2.21) Б2 Uy Б1 сифу μ ВГ БН Ed Id μ(Id) Рис. 2.21. Функциональная схема ТП. - входная координата – напряжение управления U Y ; - выходная координата – выпрямленная ЭДС Ed (Ed – средняя на интервалах проводимости в установившихся режимах и еd – переходных). Входной блок Б1 преобразует величину U Y в угол открывания тиристоров , а выходной блок Б2 преобразует величину  в Еd. Технически Б1 представляет собой систему импульсно-фазового управления (СИФУ), а блок Б2 – вентильную группу ВГ (опр. схема включения комплекта тиристоров). - возмущающее воздействие – ток нагрузки Id, который через функциональный блок нагрузки БН поступает на вход Б2. Отметим: влияние Id на Ed проявляется только в режиме прерывистых токов. В режиме непрерывистых токов ЭДС является функцией только угла открывания. E d  E d 0 cos  . Для m-фазной схемы ТП: Ed 0  E2m (m /  ) sin(  / m)  2E2 (m /  ) sin(  / m) , где Е2m- амплитудное значение фазной ЭДС на входе ТП Е2- действующее значение m- число фаз Действующее значение фазного тока I2 на входе ТП определится через выпрямительный ток Id I2  1 2 2  Id  .   Id 2   m m  Внутреннее сопротивление ТП (приведенное к цепи нагрузки): RdП  RП  RИП  RВ , Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 36 где RП  (m / 2 ) x2T – эквивалентное сопротивление ТП, вызываемое перекрытием вентилей, Ом; x2Т - индуктивное сопротивление рассеяния фазы трансформатора, приведенное ко вторичной цепи, Ом; RВ  U В / I dH – расчетное сопротивление вентилей, Ом; RИП - результирующее активное сопротивление источника питания, Ом. Наибольшее распространение получили нулевые и мостовые схемы включения вентильных групп (рис.2.22,а,б,в,г). 1 схема. Самая простая, но самый большой уровень пульсации, частота 3 fc  150 Гц. Ток Id дополнительно подмагничивает трансформатор, что требует увеличение габаритов трансформатора. Для двигателей до 1-10 кВт. 2 схема. Высокая частота пульсации 6 fc  300 Гц, не требуется уравнительный реактор, но необходимасамая большая мощность трансформатора, схема соединения первичной обмотки трансформатора ∆, если Υ, то сильное подмагничивание всех частей трансформатора, повышенное значение Rdn. Для двигателей 1-5 кВт. 3 схема. Вентильные группы работают параллельно, поэтому необходим реактор L, чтобы исключить коммутацию вентилей с одной группы на другую, т.е. работа обеих групп независима. Нет подмагничивания трансформатора, т.к. обмотки включены встречно и МДС на одном стержне противоположны. Частота пульсаций 6 fc  300 Гц. Меньшее значение SТ и самое малое Rdn. Для больших мощностей и токов. 4 схема. Выпрямленная ЭДС при одном и том же вторичном напряжении трансформатора в 2 раза больше; пульсаций выпрямленной ЭДС в 2 раза больше по частоте и меньше по амплитуде; вентильные группы могут подключаться к сети без трансформатора; для электропривода в десятки и сотни кВт. A B C Zн a c а) трехфазная Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) Ed 0  E2 m 3   sin  0.83  Em  2  0,83  E2  1.17  E2 3.14 3 1  I d  0,58  I d 3 ST  1,35  I d  Ed 0 I2  Rdп  3  X 2T  R2T  RB 2  A x1 B C y1 z1 a2 b2 c2 VS1 VS3 VS5 VS4 VS6 VS2 Zн б) шестифазная Ed 0  2  E2  6  * sin  6  1,35  E2 1  I d  0,41  I d 6 ST  1.55  I d  Ed 0 I2  Rdп  6  X 2T  R2T  RB 2  A x1 y1 z1 a1 b1 c1 B C L a2 x2 Zн VS1 VS3 VS5 b2 y2 c2 z2 VS4 VS6 VS2 в) 3-х фазная с уравнительным реактором 37 Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) E0  E 2 m 3   sin  3 38  0.83  Em  1.17  E2 I2  1 Rdп  1 3 1   X 2T   R2T  RB 2 4  2  I d  0.29  I d (т.к. параллельно работают) 2 3 ST  1,26  I d  Ed 0 а b c VS1 VS 4 VS3 VS 6 VS 5 ZН VS 2 г) 3-х фазная мостовая Рис. 2.22. Схемы включения вентилей E 0  2  (1,17 E 2 )  2,34  Е 2  1,35  E 2 п I 2  0.817  I d S T  1.05  I d  E d 0 Rdп  6 2   X 2T  2  R 2T  2  R B Е2п- действительное значение линейной ЭДС вторичной цепи трансформатора Схемы а – г — нереверсивные. Реверсивные ТП комплектуются двумя нереверсивными и объединяются электрически по цепям нагрузки и по цепям СИФУ. Для удобства анализа работы СИФУ ТП обычно нумеруются тиристоры в вентильных группах в соответствии с очередностью их открывания, начиная отсчет с фазы а. Диаграммы очередности открывания тиристоров для приведенных ниже схем имеют вид (рис.2.23.). Основу СИФУ представляет блок управления БУ, управляющий одним тиристором (рис.2.24.) ГОН – генератор опорного напряжения, который синхронизирован с напряжением питания тиристора; ФСУ – фазосмещающее устройство, которое регулирует фазу управляющего импульса; Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 39 ГИ – генератор импульсов, вырабатывает необходимый для открывания тиристоров импульс. Широкое применение в современных СИФУ аналогового типа находит так называемый вертикальный принцип управления. В таких СИФУ разностный сигнал U ОП  U Y при изменении управляющего напряжения U Y изменяет момент перехода через нуль относительно вторичной ЭДС е2Т, соответственно регулируется фаза открывающего импульса (рис.2.25). 120 120 120 Катодная группа VS1 VS3 VS2 VS5 VS4 60 60 VS6 60 60 VS2 60 60 Анодная группа Для 3 и 4 схемы 120  120  VS1 120  VS2 VS3 Для 1 схемы 60  60  VS 1 VS 2 60  VS 3 60  VS 4 60  VS 5 60  VS6 Для 2 схемы Рис. 2.23. Диаграмма очередности открывания тиристоров Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 40 ГОН Uоп Uу VS ФСУ ГИ Рис. 2.24. Функциональная схема блока управления СИФУ ed π/m UОП Uy>0 t Uy  0 ωt Uy=0 Uy  0 Uy<0 t ωt   2   2   2 Рис.2.25. Диаграмма регулирования фазы открывающего импульса по вертикальному принципу Синхронизация напряжений U ОП и е2Т выполняется таким образом, чтобы при U Y  0 угол открывания    / 2 2, что соответствует E d  0 для режима непрерывных токов. Для выполнения этого условия фазовый сдвиг между опорным напряжением и вторичной ЭДС для любого тиристора с номером i должен составлять:  i   ОП i   2T   / m . Управляющие свойства ТП определяются их характеристиками управления Ed   (UУ ) . В соответствии с общей функциональной схемой (см. рис. 2.21) внутренняя координата ТП – угол открывания α – выделяет в составе ТП две части: СИФУ и ВГ, математическим описанием которых будут характеристики управления СИФУ   У (UУ ) и вентильной группы E d   ВГ ( )  E d 0 cos  . Очевидно, что результирующая характеристика управления ТП определиться как сложная Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 41 функция, т.е. Ed  ВГ  (UУ )   (UУ ) . Поскольку для всех ТП характеристики управления вентильных групп одинаковы, то вид результирующей характеристики будет зависеть от характеристики управления СИФУ, в свою очередь, в определяемой видом опорного напряжения. Так как открывающий импульс выдается в моменты равенства опорного напряжения на его спадающем участке и напряжения управления, то зависимость  (UУ ) определяется формой опорного напряжения и его фазовым сдвигом по отношению к напряжению силовой цепи тиристора. Если при UУ  0 ,    / 2 , то при косинусоидальной форме опорного напряжения UОП  Uпm cos  (рис. 2.26,а) Uоп Uоп Uу Uпm Uпm  t= / 2  t= / 2 =0 =0 t t Uпm Л а) б) Рис. 2.26. Косинусоидальное (а) и пилообразное (б) опорные напряжения СИФУ. Тогда характеристика СИФУ определиться выражением:   arccos( UY / Uпм ) . Эта подстановка в выражение для Ed определит характеристику управления ТП при косинусоидальном опорном напряжении E d  E d 0 cos(arccos UY E )  d0 UУ . U пm U пm Характеристика оказывается прямолинейной с коэффициентом усиления kП  Ed0 U пm в диапазоне изменения U У от  Uпm до  Uпm Для пилообразной формы опорного напряжения (рис. 2.16, б) имеем линейную зависимость UОП от α: U оп   2U пm      . л  2 Обратная функция определит характеристику управления СИФУ   2  л 2U пm UУ , Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 42 где  Л – угловой интервал линейного рабочего участка опорного напряжения, рад; U пm – максимальное значение опорного напряжения на концах линейного участка, В. Подстановка дает выражение для характеристики управления ТП при пилообразном опорном напряжении:    л E d  E d 0 cos(  л U Y )  E d 0 sin UЛ . 2 2U nm 2U nm Для U У  U nm E d  k ПU Y  Ed 0  ЛU Л . U nm Достоинством косинусоидальной формы опорного напряжения является линейность результирующей характеристики управления ТП. Однако диапазон регулирования угла α составляет менее 180, т.к. практически следует исключить из зоны регулирования окрестности максимума и минимума опорного напряжения, где оно практически не изменяется. В зоне больших значений U у , близких к U пm , возникает опасность превышения управляющим напряжением значения U пm , что приведет к исчезновению открывающих импульсов. Для исключения этого явления в опорном напряжении формируется барьерный пик, увеличивающий максимальное значение U оп . Достаточно широкий диапазон регулирования имеет СИФУ с пилообразным опорным напряжением, однако характеристика управления ТП с такой СИФУ оказывается нелинейной и имеет синусоидальный характер. 2.4.1. Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) Служат для преобразования неизменного напряжения постоянного тока в регулируемое напряжение постоянного тока. Достоинства (по сравнению с ТП): - большая полоса пропускания; - большая линейность характеристики Поэтому ШИП применяются для эл. приводов с высоким быстродействием и точностью регулирования. Недостатки: широтно-импульсная модуляция (ШИМ) выходного напряжения вызывает дополнительные потери от пульсаций рабочего тока и процессов коммутации вентилей. Для режимов рекуперации требуется источник питания ШИП, допускающий оба направления тока. Если такого источника тока нет, то применяют неуправляемый выпрямитель, дополненный соответствующими цепями, в которых должна гаситься рекупированная нагрузкой энергия. Из-за этих недостатков область применения ШИП от долей кВт до нескольких кВт. Функционально ШИП состоит из двух частей (рис. 2.27) Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) Б1 Uу 43 Б2 Еd  ВК ШИМ Рис. 2.27. Функциональная схема ШИП. - входной блок Б1 – широтно-импульсный модулятор ШИМ - выходной блок Б2 – вентильный коммутатор (ВК) ШИМ преобразует входную координату напряжения управления U Y внутреннюю координату – скважность включения вентилей (рис. 2.28.)   во tB , Tk где t B – продолжительность включения импульса напряжения, приложенного к нагрузке, с TK  t B  t 0 – период коммутации вентилей, с to – время отключенного состояния вентилей, с ГОН Uу Uоп ПУ ФУИ  ВК Рис. 2.28. Функциональная схема ШИМ. В состав ШИМ входят: - ГОН – генератор опорного напряжения, который вырабатывает напряжение пилообразной формы UОП с частотой f K  1 / TK - ПУ – порогового устройства, которое выдает нулевой сигнал при U ОП  U Y  0 и единичный при U ОП  U Y  0 - ФУИ – формирователь управляющих импульсов, который преобразовывает сигналы от ГОН и ПУ в управляющие импульсы для силовых вентилей коммутатора ВК - ВК – реализует посредством включения и выключения вентилей (тиристоров или транзисторов) заданную с помощью ШИМ скважность в виде выходной ЭДС ШИП, среднее значение которой: T 1 K d  edt , Tk 0 Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 44 где е – мгновенная ЭДС ШИП, прикладываемая к нагрузке. При работе ШИП на нагрузку WШИП ( p)  К ШИП Еd ( P ) ,  ТШ р 1 U y ( P) TШИП  TТП  0.01 для VS. TШИП  TТП  0.001 для VT. K ШИП  E UП  dнно . U ОПmаx U уном Схема и диаграмма работы нереверсивного ШИП ВК + Uп VD Zн - Рис. 2.29. Схема нереверсивного ШИП. На рис. 2.29 приведена простейшая нереверсивная схема вентильного коммутатора, состоящая из одного ключа ВК и одного диода VD, которая обеспечивает однополярные импульсы выходной ЭДС со средним значением Ed  1  U П t В  U П . Tk Диод VD создает контур для протекания тока под действием ЭДС самоиндукции на интервале отключения коммутатора. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) ВК VD t в 45 VD ВК t0 tв>t0 Еd Uп t VD ВК ВК VD tв=t0 Ed Uп t ВК VD ВК VD tвt0 Еd>0 ВК1, ВК3 VD2, VD4 VD1,VD3 ВК2, ВК4 ВК1, ВК3 VD2, VD4 VD1, VD3 ВК2, ВК4 ВК1, ВК3 VD2, VD4 VD1, VD3 ВК2, ВК4 ed tвt0 Еd>0 ВК1 VD1 VD3 ВК3 ВК1 VD1 VD3 ВК3 ВК1 VD3 VD1 ВК3 ed tв 1 кОм; выходным сопротивлением RВЫХ ≈ 0,2÷1 кОм; полосой пропускания f ≈ 1 мГц. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 73 Дифференциальный каскад операционного усилителя имеет два входа управления: прямой с потенциалом UУ,П и инверсный с потенциалом UУ,И (рис. 4.3, а). Выходное напряжение усилителя определяется произведение коэффициента усиления на разность потенциалов входов усилителя, т.е. U ВЫХ  kУ 0  (U У , П  U У , Н )  kУ 0  U У . (4.1) Относительно входных напряжений UВХ,П и UВХ,И выходное напряжение определяется разностью U ВЫХ  kУ , П  U ВХ , П  kУ , И  U ВХ , И , (4.2) где коэффициенты усиления по прямому kУ,П и инверсному kУ,И входам зависят от схемы включения операционного усилителя. Пусть UВХ=0, и , тогда операционный усилитель включен по схеме прямого усиления с отрицательной связью (рис. 4.3, б). В этой схеме U У , П  U ВХ , П  R4 ,и R3  R4 согласно (4.1)  R4  R1 U ВЫХ  kУ 0    U ВХ , П   U ВЫХ  . R1  R2  R3  R4  Откуда U ВЫХ  kУ 0 R1 1  kУ 0  R1  R2  R4  U ВХ R3  R4 (4.3) и с учетом факта, что kУ 0  1 kУ , П  U ВЫХ R1  R2 R4   . U ВХ R1 R3  R4 (4.4) При R2=R3=0 kУ,П=1 и UВЫХ=UВХ,П=UУ,П, т.е. усилитель работает в режиме эмиттерного повторителя, имеющего высокое входное и низкое выходное сопротивления. а) б) R2 R1 Uвх,и R3 в) R2 R1 R1 Uy,и Uy,п R3 Uвых R2 Uвых Uвх Uвых Uвх R4 Uвх,п RH R4 RП Рис.4.3. Схемы включения операционного усилителя: а – общая; б – по прямому проходу; в – по инверсному проходу Пусть UВХ,П=0, тогда операционный усилитель включен по схеме инверсного усиления с отрицательной связью (рис. 4.3,в). Для данной схемы RП  R3 R4 R3  R4  , UУ,П=0 и справедлива система управления U ВХ  U 0  I ВХ  R1 ; U 0  U ВЫХ  I О ,С  R2 ; Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) I ВХ  I О ,С  U0   74 U0 ; RВХ 0 U ВЫХ . kУ 0 Разрешая систему уравнений относительно входного и выходного напряжений, получаем выражение для коэффициента усиления по инверсному входу операционного усилителя с отрицательной обратной связью kУ , И  kУ 0 U ВЫХ R  2  . U ВХ R1 kУ 0  1  ( R2 / R1 )  ( R2 / RВХ 0 ) 4.5 Так как kУ 0  1, то kУ 0   R2 R1 4.6 Для построения различных регуляторов используется обычно схема включения операционного усилителя с инверсным входом. Необходимые передаточные функции регуляторов могут быть получены за счет комплексных активноемкостных сопротивлений в цепи обратной связи Z0, c и во входных цепях (ZВХ1, ZВХ2) (рис. 4.4). В соответствии со схемой рис. 4.4 и с учетом допущения U0/RВХ0=0 справедливо равенство n I i 1 ВХi I О ,С  0. 4.7 Откуда n U ВХi . i 1 Z ВХi U ВЫХ  Z О,С   4.8 Следовательно, передаточная функция усилителя относительно одного входа (здесь и далее передаточная функция операционного усилителя записывается без учёта инверсии выходного напряжения) получит вид Zo,c ZВХ1 Io,c IВХ1 ZBX2 UВХ1 Ку0 IВХ2 U0 RBX0 UВХ2 UВЫХ Рис.4.4. Общая схема включения регулятора Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 75 б) а) Ro,c RBX UBX 20lg Kn UВЫХ ω Рис.4.5. Схема (а) и ЛАЧХ П-регулятора (б) б) а) α,φ Сo,c -20дб/дек RBX 1/Ти ω UBX UВЫХ φ=-π/2 Рис.4.6. Схема (а), ЛАЧХ и ЛФЧХ И-регулятора (б) W  p  U ВЫХ ( p) Z О ,С ( p)  . U ВХ ( p) Z ВХ ( p) 4.9 В зависимости от вида передаточной функции операционный усилитель рассматривается как тот или иной функциональный регулятор. Рассмотрим передаточные функции, схемы включения и логарифмические частотные характеристики (ЛЧХ) типовых регуляторов. Пропорциональный регулятор (П-регулятор) представляет собой усилитель с жесткой обратной связью (рис. 4.5, а). Его передаточная функция 4.10 WП  р   k П , где k П  RО ,С R ВХ – коэффициент усиления П-регулятора. Согласно (4.10) в пределах полосы пропускания ЛАЧХ параллельна оси угловых частот ω, а фаза равна нулю (рис. 4.5, б). Интегральный регулятор (И-регулятор) получается включением конденсатора в обратную связь (рис. 4.6, а), при этом выполняется функция интегрирования WИ  р   1 ТИ р , 4.11 где Т И  R ВХ С О,С – постоянная интегрирования, с. Фазовый сдвиг выходного сигнала равен – π/2, а ЛАЧХ имеет наклон – 20 дБ/дек (рис. 4.6 б). Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) представляет собой параллельное соединение П- и И-регуляторов, т.е. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 76 Т1 p  1 . ТИ p 4.12 WПИ ( p)  WП ( p)  WИ ( p)  k П  1 ТИ p  Получить данную передаточную функцию можно на одном усилителе включением в его обратную связь активно-емкостного сопротивления Z O,C  p   RO,C  WПИ  р   1 (рис. 4.7, а). Тогда согласно (4.9) C O ,C p RО,С  1 /(CО,С  p) RВХ  T1  p  1 , TИ  p Ro,c Co,c 4.13 L,φ RBX -20 дБ /де к 1/Ти 20lg kп ω 1/Т1 φ б) -π/2 a) Рис. 4.7. Схема (а), ЛАЧХ и ЛФЧХ ПИ-регулятора (б) Ro,c Uнас CВХ L,φ φ= π/2 -UBЫX UBX 1 2 TД) и «меньше» (<). Если U ВХ  U Э  U 0 2 , то единичный сигнал оказывается на выходе >, при этом элемент И1 проводит тактовые импульсы на суммирующий вход (+1) реверсивного счетчика СР. Растет выходное число СР, и соответственно Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 87 Рис. 4.20. Схема АЦП параллельного действия Рис. 4.21. Схема следящего АЦ увеличивается U Э , формируемое ЦАП. Если U ВХ  U Э  U 0 2 , то единичный сигнал появляется на выходе , при этом импульсы от генератора тактовых импульсов проходят на вход вычитания (-1) СР и U Э уменьшается. При выполнении условия U ВХ  U Э  U 0 2 на обоих выходах K выделяются нулевые сигналы и элементы И1 и И 2 оказываются запертыми для тактовых импульсов. Счетчик прекращает считать, и остающееся на его выходе неизменным число появляется на выходе регистра Р. Разрешение на запись числа в регистр дает единичный сигнал элемента ИЛИ—НЕ, включенного на два выхода K. Рассматривая данную схему относительно U ВХ и U Э , можно установить, что АЦП представляет собой замкнутую по выходной координате систему регулирования с регулятором K релейного действия. Система отслеживает эталонным напряжением на выходе ЦАП изменение входного напряжения с установившейся точностью  U 0 2 и выдает на цифровом выходе число, соответствующее U ВХ . Следящий АЦП позволяет быстро преобразовать достаточно медленное изменение входного напряжения. В самом неблагоприятном случае, когда скачком задано максимальное напряжение, для выдачи соответствующей выходной величины в цифровом коде потребуется 2 n  1 тактов. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 88 5. Датчики 5.1. Общее понятия Датчики являются неотъемлемую часть автоматизированного электропривода и используются для контроля действительных значений регулируемых величин. При этом они осуществляют преобразование значения контролируемого параметра в соответствующее ему значение электрического сигнала. Датчики можно классифицировать по принципу измерения и по типу конструкции. По принципу измерения (по абсолютным значениям или приращениям от нулевой точки) они подразделяются на абсолютные или циклические. Абсолютные датчики обеспечивают показания значений текущих параметров относительно начало координат. Их характерной особенностью является то, что они обеспечивают каждому значению контролируемой величины единственное значение выходного сигнала. К этой разновидности датчиков относятся емкостные с переменным зазором, потенциометрические однооборотные и др. Циклические датчики характеризуются тем, что у них изменение параметров выходного сигнала в функции смещения или вращения измеряемых элементов носит циклический характер, т.е. принимает одни и те же значения в различных точках участка измерения. Выходной сигнал циклического датчика может однозначно определить положение каждой точки измеряемого элемента только при наличии в измерительной системе счетчика полных циклов. Циклические датчики являются наиболее распространенными в системах измерения, контролирующих угловые и линейные перемещения. По конструкции датчики могут быть линейными и круговыми. В линейных датчиках для измерения используются линейные перемещения конструкции, в круговых – угловые перемещения. По виду сигналов датчики делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых датчиках выходная величина имеет непрерывный характер, а в цифровых дискретный. Датчики характеризуются рядом метрологических характеристик: величина контролируемого параметра, точность, чувствительность, порог чувствительности, стабильность работы. Величина контролируемого параметра – это коэффициент преобразования, представляющий отношение изменения переменного параметра к величине, вызвавшей это изменение. Точность датчика – это максимальная погрешность во всем диапазоне измерения. Чувствительность датчика – это коэффициент преобразования, представляющий отношение изменения переменного параметра к величине, вызвавшей это измерение. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 89 Порог чувствительности – это величина минимального изменения контролируемого параметра, которое может быть надежно и достоверно преобразовано в изменение соответствующего физического параметра. Стабильность работы датчика – это максимальная разность значений переменного параметра, которая соответствует одной и той же величине контролируемого параметра, измеряемого многократно. 5.2. Датчики угла и рассогласования Под термином «датчики угла» понимаются устройства, преобразующие угловую координату в электрическое напряжение. Это напряжение используется в системах АЭП как сигнал обратной связи по углу или как управляющий сигнал в задающих устройствах. Датчики угла находят применение в следящих системах для измерения угла поворота исполнительного вала. Задание на движение системы может выполняться также с помощью датчика угла, угловой координатой которого является угол поворота командной (задающей) оси. Разность сигналов этих двух датчиков, так называемое «рассогласование», подаётся как управляющий сигнал на вход системы. В этом случае оба датчика могут рассматриваться как «датчик рассогласования». Задание на угловое перемещение может формироваться и без датчика угла с командной осью. Тогда используется эквивалент командной оси, т.е. заданная угловая координата выступает в закодированном виде, например в форме цифровой программы. В таких системах с программным управлением выходной сигнал датчика угла исполнительного вала вводится в программное устройство, вырабатывающее задание на движение. В простейших случаях датчик угла используется как бесконтактный потенциометр, командоаппарат, фазовращатель. Для датчиков угла и рассогласования широкое применение нашли сельсины и вращающиеся трансформаторы. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) θ 90 Uвых. m Сельсин φвых θ C B A C1 θ' P1 P2 C2 C3 UH Рис. 5.1. Координаты (а) и электрическая схема сельсина Сельсин - небольшая электрическая машина переменного тока, имеющая две обмотки: однофазную (обмотку возбуждения) и трехфазную (обмотку синхронизации). По конструктивному признаку сельсины разделяются на два основных типа: контактные сельсины и бесконтактные сельсины. Основное исполнение первого типа — обмотка возбуждения расположена на роторе, обмотка синхронизации — на статоре. Этим уменьшается до двух число контактных колец и исключаются контакты на синхронизирующей связи. Идея бесконтактного сельсина реализуется двумя способами. При первом способе благодаря специальной конструкции магнитопровода ротора неподвижная кольцевая обмотка возбуждения создает в роторе поток, поворачивающийся вместе с ротором. При втором способе обмотка ротора получает питание от вращающейся совместно с ротором вторичной обмотки кольцевого трансформатора возбуждения с неподвижной первичной обмоткой. В схемах датчиков угла входная координата сельсина — угол поворота его ротора  , а выходные координаты — амплитуда U ВЫХ m или фаза φ выходного напряжения по отношению к переменному опорному напряжению (рис. 5.1, а). В зависимости от использования той или другой выходной координаты различают Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 91 амплитудный режим, когда (   const (0 или π), а U ВЫХ m  f ( )) , и режим фазовращателя, когда U ВЫХ m  const а (   f ( )) . В амплитудном режиме обмотка возбуждения получает питание от сети переменного тока (рис. 5.1, б): 5.1 U B  U Bm sin t . Магнитный поток, действующий по осевой линии обмотки возбуждения, наводит соответствующие ЭДС в фазах обмотки статора. Пренебрегая потоком рассеяния и активным сопротивлением обмотки возбуждения, имеем для фазных ЭДС следующие выражения: e A  k T U B m cos  sin t ; 2 ) sin t ; 3 4 cos(  ) sin t . 3 e B  k T U B m cos(  eC  k T U B m 5.2 где kT  Em / EBm  Em / U Bm — коэффициент трансформации между фазной статорной и роторной обмотками при их соосном положении. Здесь за начало отсчета угла поворота ротора  принята осевая линия обмотки фазы А статора. Линейная ЭДС определится разностью соответствующих фазных ЭДС: e AB  e A  e B  3k T U Bm sin(  3   ) sin t ; 5.3 Если начало отсчета угла переместить на  / 3 в направлении к фазе В, то относительно угла -     / 3   в новой системе отсчета e AB  3kT U Вm sin   sin t . 5.4 Характеристика управления сельсина в амплитудном режиме приобретает синусоидальную закономерность: 5.5 E Лm  3kT U Bm sin   . Положительные значения Елm соответствуют   0 , а отрицательные (    ). Для малых  , когда sin   , EЛm  kc, 5.6 где 5.7 k C  3kT U Bm – передаточный коэффициент сельсина и амплитудном режиме. Полученные выражения для характеристики управления и передаточного коэффициента не учитывают погрешностей, вносимых в передачу сигнала сельсином несинусоидальностью распределения магнитной индукции, асимметрией магнитопровода, неравенством параметров фаз статорной обмотки и т. п. Перечисленные факторы обусловливают статические погрешности, искажающие форму характеристики управления. Эти погрешности в зависимости от класса точности изготовления сельсина характеризуются определенным уровнем (рис. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 92 5.2). Наибольшее влияние они оказывают в области малых углов, где полезный сигнал соизмерим с погрешностями. Кроме статических погрешностей при вращении сельсина, появляется скоростная погрешность из-за возникающей в обмотках ЭДС вращения. Эта погрешность увеличивается с ростом угловой скорости. Поэтому рабочие режимы сельсинов характеризуются ограниченным уровнем скорости по условиям допустимой скоростной погрешности. В режиме фазовращателя обмотка статора получает питание от источника трехфазного напряжения с неизменной амплитудой. Образующееся круговое вращающееся поле в любой фиксированной точке статора, удаленной от оси отсчета (оси фазы A) на угол φ. характеризуется магнитным потоком 5.8 Ф  Фm cos(t   ). Следовательно, в обмотке ротора, ось которой сдвинута на угол    относительно начала отсчета, наводится ЭДС eВЫХ  3 E1m cos(t   ), 2 kT 5.9 E1m φ=0 Уровень погрешностей φ=π π Рис. 5.2 Характеристика управления сельсина θ Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 90 где E1m — амплитуда фазной ЭДС статора, В. Таким образом, характеристика управления сельсина и режиме фазовращателя определяется равенством   . 5.10 В системах, в которых требуется более точное измерение угловой координаты вместо сельсинов, применяются синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ). По своему устройству СКВТ —двухфазная микромашина переменного тока. Неявнополюсные статор и ротор имеют по две взаимно перпендикулярные обмотки: обмотку возбуждения и квадратурную на статоре, синусную и косинусную обмотки на роторе (рис. 5.3, а). В амплитудном режиме обмотка возбуждения, расположенная но оси а, получает питание от источника переменного тока: 5.11 uB  U Bm sin t . Тогда в разомкнутых роторных обмотках наводятся ЭДС, амплитуды которых оказываются функциями угла поворота ротора: для косинусной обмотки, расположенной по оси d, Ed m  kTU Bm cos  Em cos , для синусной обмотки, расположенной по оси q, Eqm  kTU Bm sin   Em sin  , 5.12, 5.13 где kт — коэффициент трансформации между обмоткой возбуждения и каждой роторной обмоткой при их соосном положении. Характеристики управления, определяемые (5.12) и (5.13), претерпевают определенные искажения в режиме нагрузки СКВТ, когда его роторные обмотки включены на сопротивления Zнd и Zнq (рис. 5.3, а). Возникающие токи в обмотках ротора (Idm и Iqm ) создают МДС реакции по осям d и q (рис. 5.3, б): Em e j d F d  I dWP Wp cos ; Zd  C1 UB C4    C3  d d FB P4 P1 P2 P3 q Zнq q Fq Zнd Fd Рис. 5.3 Схема (а) и векторная диаграмма СКВТ (б)  Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) Em e  jd F q  I qWP W p sin  , Zq 91 5.14, 5.15 где  d ,  q — фазы отставания токов Id и Iq от ЭДС в цепях роторных обмоток; Z q  Z P  Z Hd — модуль суммарного сопротивления цепи косинусной обмотки, Ом; Z g  Z P  Z Hq - то же синусной обмотки, Ом; Em —амплитуда ЭДС роторной обмотки при соосном положении с обмоткой возбуждения в режиме нагрузки, В; Wp— число витков обмотки ротора. Результирующее МДС по осям статора:  E  e  j d  E e  j d F  F B   m W p cos 2   m W p sin 2   ;  Z  Zq d   5.16  E  e  j d  E  e  j d F  FK  m Wp  m W p  sin   cos ,  Z  Zq d   где F B , F K - МДС обмотки возбуждения и квадратурной обмотки, А. Из (5.16) и (5.17) следует, что при несимметричной нагрузке ротора Z d  Z q  в его обмотках возникают дополнительные ЭДС от потока, создаваемого МДС реакции по оси р. При повороте ротора эти ЭДС изменяются в функции угла и вносят искажения в синусоидальную и косинусоидальную зависимости выходных ЭДС СКВТ. Искажения, вносимые реакцией по оси α, существенно меньше. Хотя МДС данной реакции зависит от угла поворота, однако изменение величины МДС компенсируется соответствующим изменением FВ. При достаточно малом сопротивлении обмотки возбуждения E B  U B  const . Следовательно, магнитные потоки по осям α и Fα. Остаются практически неизменными и искажения от реакции по оси α близки к нулю. При выполнении условия Z d  Z g  Z , которое называется вторичным симметрированием, МДС реакции по оси β обращается в нуль, так как при Z d  Z q ,  d   q , и слагаемые в скобках (5.17) равны и противоположны по знаку, при этом МДС реакции по оси α оказывается постоянной величиной, не зависящей от угла поворота ротора: E m WP E W (sin 2   cos 2  )  m P  const . Z Z Таким симметрированием полностью устраняются искажения характеристик управления СКВТ в режиме нагрузки. В тех случаях, когда по условиям применения СКВТ не удается выполнить вторичное симметрирование, используют так называемое первичное симметрирование, при этом МДС реакции по оси β компенсируются замыканием накоротко квадратурной обмотки и F  0 . Полная компенсация данной реакции имеет место при условии равенства сопротивлений контуров обмотки возбуждения и квадратурной обмотки. С КВТ превосходят по классам точности сельсины. В пределах от пулевого до третьего классов точности допустимые погрешности СКВТ составляют 4— 22'. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 92 Наиболее точные малогабаритные СКВТ, например типа ВТМ нулевого класса, имеют погрешность, не превышающую 1,5''. Θ Θ' d С P4 P1 P2 P3 Uвых ZH q q Рис. 5.4. Однофазная схема включения СКВТ для режима фазовращателя В режиме фазовращателя обмотки статора получают питание от источника двухфазного напряжения. Образующееся при этом круговое поле наводит ЭДС в обмотке ротора, фаза которой линейно изменяется при повороте ротора. Данный режим можно получить в более простой схеме с использованием источника однофазного напряжения (рис. 5.4). В этой схеме принимаем следующие условия: xc  1/(C ))  R ; сопротивление обмотки ротора Z P  R ; сопротивление нагрузки Z Н  R . При подключении обмотки возбуждения к напряжению в обмотках ротора наводятся ЭДС e Pd  E m cos  sin t ; ePq  Em sin  cos t ; где E m  k T U Bm . С соответствии со схемой  ePd  ePq  2 Em cos(  ) sin t ; 4 5.18  2 Em cos(  ) 4 x sin( t   )  E cos(   ) sin( t   ). UC  C m 4 4 4 R 2  xC2 Так как uВЫХ  ePd  uС , то с учетом (5.18) и (5.19) после простых тригонометрических преобразований получим 5.19 u ВЫХ Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП)    Em sin cos(t    ) . 4 4 93 5.20 Если ось отсчета угла переместить на  / 4 против часовой стрелки, то относительно углов      U ВЫХ   4 в новой системе отсчета 2 k T U Вm sin( t   ) . 2 5.21 Таким образом, при U B m  const и вращении ротора амплитуда выходного напряжения U ВЫХ m  2 k T U Вm ==const, а фаза равна углу поворота, при этом 2 характеристика управления СКВТ в данной схеме фазовращателя имеет вид  . 5.22 Из двух сельсинов или СКВТ составляется схема датчика рассогласования, используемая для измерения сигнала рассогласования в следящих системах (рис. 5.5). Ротор сельсина-датчика (СД) соединен с командным штурвалом, а ротор сельсина-приемника (СП) — с исполнительным валом системы (рис. 5.5, а). Одна из роторных однофазных обмоток сельсинов получает питание и выполняет функцию обмотки возбуждения, другая является управляющей обмоткой, в которой наводится выходная ЭДС E ВЫХ m . Соединенные электрически СД и СП работают в амплитудных режимах, имея входной величиной угол поворота СД и выходной напряжение ЭДС СП. Созданные потоком обмотки возбуждения ЭДС в трёхфазной стабилизирующей обмотке (5.2) дают соответствующие токи в замкнутой статорной цепи. Фазные ЭДС статора СП определяются как падения напряжения на реактивных сопротивлениях СП. Тогда для идентичных по параметрам СД и СП, пренебрегая ЭДС вращения, током нагрузки выходной обмотки СП, а также индуктивным сопротивлением рассеяния и активным сопротивлением обмотки возбуждения СД, можно определить амплитудные значения фазных ЭДС СП: xm x  k T m U Bm cos  СД ; Z Z xm xm 2 EB m (CП )  EBт (СД )  kT U Bm cos(СД  ); ; Z Z 3 x x 4 EС m(CП )  EС т(СД ) m  kT m U Bm cos( СД  ), Z Z 3 E A m(CП )  E А т(СД ) где Z  (2R) 2  (2 x s  xm ) 2 - расчетное кажущееся сопротивление одной фазы стабилизирующей цепи СД и СП, Ом; хs — фазное индуктивное сопротивление рассеяния стабилизирующей обмотки одного сельсина, Ом; R—фазное активное сопротивление стабилизирующей обмотки сельсина, Ом; хm—сопротивление взаимной индукции между роторной и статорной обмотками, приведенное к стабилизирующей цепи. Ом; индексом СД отмечены величины, относящиеся к сельсину-датчику, а СП — к сельсину-приемнику. Эти ЭДС Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) трансформируются в обмотку управления СП, давая составляющие выходной ЭДС датчика рассогласования:  ,m  Eвых E Am(СП ) kТ cos CП  94 соответствующие хm U вm cos CД CП ; Z  ,m  Eвых хm 2   2   U вm cos CД   cos CП  ; Z 3   3    ,m  Eвых хm 4   4   U вm cos CД   cos CП  . Z 3   3   В сумме три составляющих дадут результирующее амплитудное значение выходной ЭДС датчика рассогласования  , m  Eвых  , m  Eвых  , m  Eвых, m  Eвых 3 xm   U вm cos(CД  CП ). 2 Z 5.23 Если за согласованное состояние СД и СП принять взаимно перпендикулярное положение осей роторных обмоток, то рассогласование системы определяется увеличенной   СД  СП   / 2. Тогда относительно  характеристика управления датчика рассогласования приобретает синусоидальную закономерность E ВЫХ m  3 xm U Вm sin  . 2 Z 5.24 СП СД θсд θсп Командный вал Евых м UВх м Исполнительный вал а) СКВТ – приемник СКВТ – датчик Евых м UВх м Исполнительный вал Командный вал б) Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 95 Рис. 5.5 Схемы датчиков рассогласования на сельсинах (а) и СКВТ (б) Для малых углов рассогласования EВЫХ m  k ДP , 5.25 гдe k ДP  3 xm U Вm . 2 Z 5.26 - передаточный коэффициент датчика рассогласования, В/рад. Практически для большинства сельских пар в схеме датчика рассогласования k ДP  46  68 В  0,8  1,2 В / град . рад Аналогично сельсинной рассогласования (рис. 6.5, б): E ВЫХ m  пара 5.27 работают СКВТ в xm U Вm sin  . Z схеме датчика 5.28 Тогда относительно  характеристика управления датчика рассогласования приобретает синусоидальную закономерность E ВЫХ m  k ДP  ; 5.29 k ДP  xm U Вm . Z 5.30 где xm и Z—сопротивление взаимной индукции и кажущееся сопротивление стабилизирующей обмотки СКВТ, определяемые так же, как и для сельсинов, Ом. Практически для схемы датчика рассогласования на СКВТ k ДP  0.5  0.8 B / рад. 5.31 Использование сельсина в качестве аналогового датчика угла имеет ограниченные возможности в отношении точности. Практический диапазон измерения углов составляет ±60°. Если требуется измерять большие углы (  max  60 0 ), то сельсин соединяется с рабочим валом через понижающий редуктор с передаточным отношением i P   max /( / 3) . Точность измерения угла при этом снижается в iр раз. 5.2.1. Потенциометрические датчики Эти датчики преобразуют угловое или линейное перемещение движка в выходное напряжение. На рис. 5.6 представлена схема потенциометрического датчика углового перемещения. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 96 R Rд 3 α 2 1 Rд Uвых Рис 5.6 Потенциометрический датчик углового перемещения На выводы 2-3 подается входное постоянное и переменное напряжение. Применяются проволочные и пленочные потенциометры. Проволочные делятся на одно- и многопроволочные, а пленочные – на металлопленочные и полупроводниковые. На рис. 5.7 показана схема потенциометрического датчика линейного перемещения. С учетом регулирования характеристика этих датчиков нелинейная, (рис. 5.8),ее нелинейность тем больше, чем меньше   RН / R , где RН - активное сопротивление нагрузки; R - полное сопротивление потенциометра. При   10  100 нелинейность характеристики составляет 3-0,1% соответственно. Uвых Uвх RH=∞ l Uвх R Rд Uвых RH<∞ RH l(α) lmax(αmax) Рис. 5.7 Рис. 5.8 На базе датчика углового перемещения стоятся потенциометрические измерители углового рассогласования (рис. 5.9). Потенциометры ПД (датчик) и ПП (приемник) включены по компенсационной схеме. αвх=0 αвх + U1 - αвых=0 αвых ПП ПД Uвых Рис. 5.8 Щетки потенциометров крепятся на осях в центрах каркасов и скользят по защищенным поверхностям обмотки. К потенциометрам подведено напряжение питание U 1 . U в ых Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 97 Положение щетки ПД определяется углом поворота командного вала входной угол  вх . Положение щетки ПП определяется угол поворота исполнительного вала ( выходной угол  в ых ), так как потенциометр ПП механически связан с исполнительным валом привода. Выходное напряжение U вых измерителя рассогласования (ИР) равно разности напряжений, снимаемых с обоих потенциометров: U вых  k ПД   вх  k ПП   вых . Здесь k ПД и k ПП - коэффициенты передачи (чувствительности) соответственно датчика и приемника: k ПД  U1 /  ПД max , k ПП  U1 /  ПП max , где  ПД max ,  ПП max - полные углы намотки потенциометров ПД и ПП. Если  ПД max   ПП max , k ПД  k ПП  kир . Следовательно, U вых  kир ( вх   вых )  kир, т.е. выходное напряжение ИР по величине прямо пропорционально углу рассогласования  , а знак U вых определяется знаком  . Напряжение U вых  0 при согласованном положении командного и исполнительного валов (вых  вх ) . Схема ИР по рис. 5.8 может работать лишь в ограниченном диапазоне изменения углов  в х и  вых . Для режима многооборотного вращения применяют кольцевые потенциометры, соединяемые, в частности, четырехпроводной схеме рис. 5.9. αвх αвых Uвых U1 ПД ПП Рис. 5.9 Чувствительность потенциометрического датчика   dU вых / dx , где x - линейное перемещение движка, мм , соответствующее углу поворота  . Величина   (3  5)  103 В / мм . Точность проволочных датчиков может составлять 0,05%; их недостаток ступенчатость характеристики Rд (х) из-за дискретного изменения сопротивления при перемещении щетки движения. Класс точности пленочных потенциометров 0,01%. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 98 Стабильность датчиков характеризуется температурным коэффициентом, который для проволочных датчиков составляет (50  60)  106 I / град , а непроволочных (100  1000)  106 I / град Для обеспечения стабильности работы датчики должны иметь сопротивление, превышающее 1000 Ом. Срок службы потенциометрических датчиков в среднем составляет (2  20)  106 циклов при частоте вращения движка 100-150 об/мин. 5.2.2. Емкостные датчики Емкостные датчики используются тогда, когда требуется малый момент преобразования сигнала, большое передаточное отношение электрической редукции при малых габаритах, применяются в средах, где невозможно применение измерительных элементов с обмотками. Они отличаются простой конструкцией и возможностью бесконтактного съема сигнала. Существуют конструкции емкостных преобразователей, в которых происходит изменение емкости между параллельными пластинами при изменении либо зазоре между ними, либо площади перекрытия пластин при угловом или линейном перемещениях: c  0,885    S / d  0,885    a  l / d , где  диэлектрическая проницаемость; l - длина пластины, см; a - ширина пластины, см; d - зазор между пластинами. Емкостные датчики используются в различных электрических цепях или в контурах генераторов, когда изменение емкости в функции угла поворота приводит к изменению частоты тока или напряжения. В следящих системах применяются дифференциальные датчики, которые включением в мостовую схему преобразуют угол поворота в напряжение (рис. 5.10). Такие преобразователи могут применяться отдельно в качестве датчиков угла или в системе передачи угла, работающих в схеме моста, когда резисторы имеют переменные сопротивления. В этом случае угол поворота ротора емкостного датчика компенсируются поворотом движка потенциометра до баланса моста (U вых  0) , погрешность такой системы определяется в основном нелинейностями резисторов и конденсаторов, а диапазон передачи угла меньше  . В диапазоне угла 2 могут быть применены двух- и трехфазные емкостные преобразователи. В схеме двухфазного емкостного преобразователя (рис 5.11) напряжение питания подается между ротором и средними резисторов R1 и R2 . Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 99 Uвх U1 R1 U R2 U2 Рис. 5.10 Рис. 5.11 Выходное напряжение U1 и U 2 в случае синусоидальной конфигурации рабочей поверхности ротора изменяются в функции угла поворота по синусоидальному закону со сдвигом в  / 2 с периодом  2 . Изменение емкости определяется выражением c  co  cm sin  . К недостатком емкостных преобразователей следует отнести высокоомность выходной цепи, увеличивающую влияние паразитных сигналов, невозможность использовать во влажных средах, так как в этом случае меняется диэлектрическая проницаемость. Для ослабления влияния паразитных сигналов усилитель размещают вблизи емкостного датчика, а герметизация узла емкостного преобразователя позволяет исключить влияние внешней среды. 5.2.3 Цифровой датчик угла Для измерения углов в больших диапазонах и с высокой точностью используются дискретные датчики. Их функциональной выходной величиной является число, представленное в двоичной системе счисления с помощью электрических дискретных сигналов. Необходимая точность достигается соответствующим числом разрядов датчика. Простейший цифровой датчик угла — контактный с кодовым барабаном или кодовым диском (рис. 5.12, а). Диск жестко соединен с валом, угол поворота которого подлежит преобразованию в цифровой код. Кодовый рисунок диска состоит из концентрических колец (дорожек), каждое из которых имеет чередующиеся электрически проводящие и непроводящие участки. Кольцо с наименьшим радиусом, имеющее два участка, относится к старшему разряду выходного числа, а кольцо с наибольшим радиусом к младшему разряду. В каждом последующем от центра кольце число участков удваивается, что соответствует в двоичном коде переходу от одного разряда к другому. К токопроводящим участкам (заштрихованным на рис. 5.12, а) подводится напряжение через внешнее кольцо. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) Щ1 Щ2" Щ2' Щ3' Щ2" 100 Щ3" Щ3" & Щ1 & 1 1 1 & 1 Щ2' +- & Щ3' a0 a2 a1 а) б) Рис. 5.12 Трёхразрядный кодовый диск (а) и схема считывания (б) Считывание осуществляется с помощью токосъемных щеток. Положению щетки на проводящем участке соответствует цифра 1, а на непроводящем — 0. На границе смены участков из-за конечной ширины щеток и их неточной установки по одной прямой появляется неоднозначность считывания, приводящая к ложным значениям выходной величины датчика. Для устранения указанной неоднозначности применяют для каждого разряда, кроме младшего, две щетки, симметрично раздвинутые относительно прямой считывания. Выбор щетки для считывания выполняет логическая схема в зависимости от цифры предыдущего, более младшего разряда. При нулевом сигнале на щетке Щ1 ( y  a0  0 ) считывание осуществляется с опережающей щетки Щ2' ( a1  y 2 ), а при единичном сигнале ( a0  1 ) – с отстающей щетки — Щ2" ( a1  y 2 ) (рис. 5.6, а). Аналогично выполняется считывание и на последующих разрядах в соответствии с алгоритмом 5.32 ai 1  a1 yi1  a i yi1 . Схема, реализующая алгоритм (5.32), приведена на рис. 5.12, б. N а0 θ а1 θ П 2П а2 θ 000 (0) 011 (3) 111 (7) θ Δθ0 а) б) Рис.5.13. Диаграмма выходных сигналов (а) и характеристика управления цифрового датчика угла с трёхразрядным кодовым диском (б). Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) КД 3 101 КД 2 КД1 Измерительный редуктор Исполнительный вал  Рис. 5.14. Цифровой датчик угла с тремя кодовыми дисками с контактным считыванием. Любому углу поворота кодового диска в пределах 360° однозначно соответствует определенное сочетание единиц и нулей в выходных каналах датчика, т.е. определенный числовой эквивалент угла (рис. 5.13). При повороте трехдорожечного кодового диска 360° выходная величина изменяется от 000 до 111, что в десятичной системе счисления означает изменение числа от 0 до 7. В пределах интервала дискретности  0  360 0 / 2 n 5.33 датчик не реагирует на изменение входной величины и его характеристика управления приобретает ступенчатый вид (рис. 5.13,б). Погрешность, вызванная дискретностью,    0 / 2 5.34 тем меньше, чем больше число разрядов n в датчике. Так как на одном кодовом диске трудно реализовать число разрядов более трех-четырех, то для повышения точности датчика применяют несколько кодовых дисков (КД1—КДЗ), соединенных с входным валом через редуктор и поворачивающихся с различными скоростями (рис. 5.14). Контактная система и погрешности измерительных редукторов лимитируют точностные показатели датчика. Практически реализуемое число разрядов в цифровом датчике угла данного типа не превосходит 9—10, что соответствует интервалу дискретности 21—42. Поэтому в высокоточных системах с допустимыми погрешностями менее У контактный датчик применяется для грубого отсчета угла. Точный отсчет выполняется с помощью цифрового датчика угла, в котором основным преобразовательным элементом служит многополюсный СКВТ — индуктосин. На рис. 5.15 приведена схема цифрового датчика угла с индуктосином, работающим в фазовом режиме. Ротор индуктосина, имеющий двухфазную обмотку, жестко, без редуктора, соединен с исполнительным валом. Неподвижный статор имеет однофазную обмотку. Разрешающая способность датчика Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 102 угла при одном и том же числе разрядов повышается с увеличением числа пар полюсов р индуктосина: 3Г G ИС θ ДЧ x Т1 & y1 И1 a0 Т2 & y2 И2 Тn & C y1 уF2 yn F1 R F2 S R T & yИ y1 yc Иn a1 an-1 Рис. 5.15 Схема цифрового датчика угла с индуктосином  0   max / 2 n  360 0 / p  2 n . 5.35 Так, для p  512 и n  8 измеряемый угол  max  42.1 , дискретность датчика угла   42.1  60 : 28 ~ 10 , и разрешающая способность в целом для датчика угла с двухотсчетной системой составит 360  60  60 / 10  1.3  10 6 . Рассмотрим работу схемы. Задающий генератор ЗГ вырабатывает импульсы неизменной частоты , которые поступают на триггерный n-разрядный счетчик — делитель частоты ДЧ. Каждый триггер делит входную частоту пополам. Выходной сигнал последнего триггера Тn, имеющий форму прямоугольных колебаний с частотой f n  f З , Г / 2 n , преобразуется формирователем F1 в синусоидальную форму. Выходное синусоидальное напряжение индуктосина с фазой, пропорциональной углу  , подается на формирователь F2 (блокинггенератор), выдающий импульсы в момент перехода напряжения через нуль от отрицательных значений к положительным. С помощью триггера Т, элемента И и элемента задержки 3 считывающий импульс синхронизируется с импульсами ЗГ и задерживается на полпериода ЗГ. В результате этого при вращении ротора индуктосина считывающий импульс, подаваемый на вторые входы элементов совпадений И1  И n изменяет фазу скачкообразно на  0 , располагаясь в средних положениях между импульсами ЗГ. Этим достигается исключение неоднозначности считывания, так как считывающий импульс никогда не попадает на фронты переключения триггеров T1  Tn . На рис. 5.16 моменты считывания отмечены вертикальными штрихпунктирными линиями. Частота считывания равна частоте старшего разряда счетчика, т. е. 5.36 f СЧ  f n  f З , Г / 2 n Двоичное /n-разрядное число a n  a n1 ...a 0 , определяющее угол поворота индуктосина (0), выделяется в моменты считывания на выходах элементов И1— Ип (см. рис. 5.15). Изменение показания цифрового датчика угла происходит дискретно на единицу младшего разряда через интервал времени t 0 , который обратно пропорционален скорости поворота индуктосина ( d / dt ): Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП)  0 , t 0  d / dt 103 5.37 Из двух цифровых датчиков угла может быть составлен цифровой датчик рассогласования. Для этого цифровые выходы датчиков подаются на входы сумматора, выполняющего операцию вычитания. Датчик задающего угла подключается к входам уменьшаемого Аn, а датчик исполнительного угла — ко входам вычитаемого Вп. Оба датчика должны быть синхронизированы тактовыми импульсами общего задающего генератора. На выходе сумматора выделяется разностный цифровой сигнал Dn. Заранее известный закон изменения задающего угла может быть сформирован в цифровом коде с помощью только вычислительных узлов без использования сложного электромеханического устройства — индуктосина. В этом случае цифровое задающее устройство, синхронизированное по моментам считывания с цифровым датчиком угла, вводит свой выходной сигнал на входы сумматора для уменьшаемого числа. Сигнал рассогласования между цифровым задающим устройством и ЦДУ выделяется на выходе сумматора. В цифроаналоговых системах управления выходной цифровой сигнал преобразуется в аналоговый с помощью ЦАП, описанных в гл. 5 τ x;(f3Г) t у1 t у2 t θ yF2(f=f3Г2-n) t yГ t уИ t уС t τ Рис. 5.16. Диаграмма работы цифрового датчика угла с индуктосином 5.3. Датчики скорости Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 104 Датчики скорости предназначены для преобразования угловой скорости движения рабочего органа механизма в электрический сигнал. В системах автоматизированного электропривода они используются для реализации обратной связи по скорости и подразделяется на тахогенераторы постоянного тока, тахогенераторы переменного тока, частотные тахогенераторы и тахометрические мосты. 5.3.1. Тахогенератор постоянного тока Представляет собой электрическую машину постоянного тока с независимым возбуждением или постоянными магнитами (рис. 5.17). Вал тахогенератора соединен с выходным валом двигателя или механизма. Выходное напряжение U в ых пропорционально угловой скорости  . Чувствительность тахогенератора постоянного тока порядка 15-25 w  0,5  2,5% мВ/(об/мин), точность измерения (для прецизионных тахогенераторов 0,05-0.1). Uвых  C BR RН Eвых ( RН  ) Uвых ( RН  const)  Рис. 5.17 Рис. 5.18 Для дополнительного снижения пульсаций, обусловленных конечным числом коллекторных пластин, зубцовой конструкции якоря, несимметрией воздушного зазора, к выходу тахогенератора подключают конденсатор. При этом передаточная функция имеет вид WТГ ( р)  U вых ( р) kТГ  . ( р) Тф р  1 Постоянная времени Т ф определяется формулой Тф  RТГ С , 1  RТГ / RН Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) передаточный коэффициент kТГ находится из систем уравнений ЕТГ  сеФ  I ( RТГ  RН ), и равен 105 kТГ  IRН /  сеФ kТГ  . 1  RТГ / RН Здесь се  рN / 2a - конструктивная постоянная; Ф - магнитный поток возбуждения, Вб; RТГ - сопротивление якорной обмотки и щеточного контакта, Ом; С – емкость фильтра, Ф; RН - сопротивление нагрузки, Ом. Конденсатор выполняет функцию фильтра высокочастотных относительно угловой скорости пульсации. Чем больше ТФ , тем меньше пульсации в выходном напряжении тахогенератора, при этом ограничивается частотная полоса пропускания. Передаточный коэффициент тахогенератора строго говоря не остается постоянным при изменении скорости из-за нелинейности сопротивления щеточного контакта и реакции якоря, поэтому в регулировочной характеристике наблюдается определенная нелинейность в зонах малой и большой скоростей (рис. 5.18). Внесение ряда конструктивных изменений и увеличение RН позволяет регулировочную характеристику считать практически линейность в пределах рабочего участка, т.е. kТГ  соnst . Недостаток тахогенератора постоянного тока являются значительные погрешности, связанные с наличием щеточного контакта и температурной нестабильностью (изменением сопротивления обмотки в магнитной проницаемости стали). 5.3.2. Тахогенератор переменного тока Тахогенераторы переменного тока (асинхронные, синхронные) применяют с выходом на постоянном токе через полупроводниковый выпрямитель. Синхронный тахогенератор представляет синхронную машину малой мощности. Возбуждение его осуществляется от постоянного магнита расположенного на роторе. Выходные обмотки выполнены по однофазной или трехфазной схемам и расположены на статоре. Отсутствие щеточного контакта обеспечивает высокую надежность работы. Недостаток синхронных тахогенераторов – зависимость частоты выходного напряжения от скорости вращения. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП)  ZН U  полый ротор неподвижный сердечник Рис. 5. 19 У асинхронных 90 частота выходного напряжения не зависит от скорости вращения. Статор асинхронного тахогенератора имеет две обмотки, расположенных под углом (рис. 5.19).  /2 Короткозамкнутый ротор обычно выполняют в виде тонкостенного цилиндра, внутри которого размещается неподвижный шихтованный сердечник. По нему замыкается магнитный поток. Одна из обмоток статора является обмоткой возбуждения. На нее подается переменное напряжение. С другой обмотки снимается выходное напряжение. При неподвижном роторе выходное напряжение равно нулю, т.к. оси обмоток взаимно тахогенераторов UB VT 1 U вых RС   Eo RН VT 2 U ТГ   Eo эмиттерный повторитель тахогенератор Рис. 5. 20 перпендикулярны. При вращении ротора в поле обмотки возбуждения в нем возникают токи и соответствующий им магнитный поток пересекает проводники выходной обмотки, ЭДС наводимая в ней, пропорциональна скорости вращения, а частота равна частоте напряжения возбуждения. При изменении направления вращения изменяется фаза наводимой ЭДС на величину, равную  . Чтобы сгладить пульсации выпрямленной ЭДС с тахогенератора переменного тока, на выходе его устанавливают фильтр, представляющий собой обычное апериодическое звено. Существенные амплитудные и фазные искажения в выходное напряжение может вносить сопротивление нагрузки. Поэтому на практике обычно используют тахогенератор в режиме, близко к холостому ходу. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 91 Для его реализации тахогенератор соединяют с нагрузкой через эмиттерный повторитель, обладающий высоким входным сопротивлением (рис. 5.20). В пределах рабочего участка зависимость ЭДС тахогенератора от его скорости может быть принята линейной. Тогда WТГ ( р)  kТГ  const. Недостатками асинхронных тахогенераторов являются небольшая выходная мощность и ограничение полосы пропускания частоты питающего напряжения. По сравнению с тахогенераторами постоянного тока асинхронный обладает меньшим передаточным коэффициентом. 5.3.3. Частотные тахогенераторы Для высокоточных цифровых систем стабилизации скорости двигателей применяют частотные тахогенераторы – импульсные датчики скорости. Они подразделяются на индукционные, фотоэлектрические. Одна из конструкций частотного индукционного датчика показано на (рис. 5.21). Ротор 2 датчика представляет собой стальной диск с зубцами. Сердечник 1 из трансформаторной стали с одной обмоткой установлен так, чтобы между ним и ротором был требуемый зазор. Обмотка питается постоянным током, создающий магнитный поток. Он замыкается через сердечник, воздушный зазор, зубцы и тело ротора. При вращении ротора со скоростью  величина зазора периодически изменяется. Вследствие этого в обмотке наводится ЭДС датчика скорости с частотой f    p /( 2   ) , где р - число зубцов ротора. На рис. 5.22 приведена схема рассматриваемого датчика. Фильтр из конденсатора и дросселя Д р разделяют постоянную и переменную составляющие напряжение на обмотке датчика. Для усиления переменного тока используют усилитель, который одновременно служит формирователем прямоугольных импульсов. Импульсы датчика преобразуются далее в сигнал в цифровом коде при помощи, например, цифрового преобразователя частоты в ток поступает в систему управления. Посредством интегрирующего усилителя импульсы тока могут преобразованы в аналоговый сигнал, пропорциональный скорости. Недостатком этого датчика являются невозможность определения направления вращения. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 1 92 2 Рис. 5. 21 выходная величина Фильтр Рис. 5. 22 РД 1 234 VD1 VD2 ОСН СМ VD Рис. 5. 23 Рис. 5. 24 Наибольшее распространение в настоящее время получили фотоимпульсные круговые датчики. Принцип действия таких датчиков показан на рис. 5.23. Основным узлом датчика являются вращающийся на его валу стеклянный диск с нанесенными на нем темными штрихами, так называемый растровый диск (РД). Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 93 Наиболее распространены диски с количеством штрихов 1000 и 2500. Источником сигналов с такого датчика являются два фотодиода VD1 и VD2, засвечиваемых через РД от светодиода VD. VD1 и VD2 сдвинуты относительно друг друга на одну четверть периода импульсов. В соответствии с этим поступающие от фотодиода сигналы при вращении датчика сдвинуты относительно друг друга на угол  / 2 (рис. 5.24). Один из этих сигналов называется основным ОСН, а другой – смещенным СМ. Можно выделить четыре последовательных комбинации сигналов от датчиков: 10, 11, 01, 00. При вращении диска в обратном направлении – последовательность обратная. Таким образом, от датчика, имеющего штрихов, имеем 1000 переходов от одной комбинации к другой. Частота смены комбинации прямо пропорциональна скорости вращения датчика f  2N  /  . 5.3.4. Тахометрический мост Вместо тахогенераторов для двигателей постоянного тока в качестве датчиков скорости используют тахометрические мостовые схемы (тахомосты). На рис. 5.25 изображена простая и распространенная схема тахомоста. В одно из плеч моста тахомоста включен якорь двигателя, имеющий сопротивление Rя . Другие плечи моста образованы сопротивлением обмотки дополнительных полюсов и потенциометров R1  R2 . Конденсатор С вместе с сопротивлениями схемы образуют фильтр. На рис. 5.26 показано эквивалентная схема тахомоста без учета индуктивности якорной цепи двигателя. Установившейся режим работы схемы описывается следующими уравнениями: U вых  U Я  U 2 , где  RЯ U Я  U  R R ДП  Я  R2  , U 2  U  R  R 2   1    EЯ    R ДП  R R ДП  Я  ,   откуда Если т.е. при    R ДП RЯ   EЯ   U вых  U   R R  R R ДП  ДП  Я  Я RЯ R2  , RЯ  R ДП R2  R1 R ДП RЯ  т.е. мост уравновешен и U в ых         U  R2 ,     R1  R2   R1 , R2 R ДП  RЯ  R ДП    E Я  kТМ  eЯ ,   При постоянном магнитном потоке двигателя  k  U вых   ТМ     kТМ  ,  kд  где ТФ постоянная времени фильтра Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 94 Согласно схеме на рис.5.26 дифференциальное уравнение тахомоста имеет вид  еЯ , ТФ р  1U вых  kТМ где ТФ постоянная времени фильтра. R ДП С учетом соотношения RЯ  R1 получим R2  RЯ  R ДП R R  R2 R R ТФ  С  1 2 С ( R ДП  R1 )  C  1 2 . R R R1  R2  R1  R2 R1  R2 ДП  Я К недостатком тахомоста относятся малый коэффициент передачи и невысокая точность измерения скорости (из-за непостоянства сопротивления щеточного контакта и изменения сопротивления обмотки двигателя при их нагреве). R1 U C Uвых U2 R2 RДП RЯ  СФ EЯ UЯ RДП RЯ Рис. 5. 25 R1 U вых R2 Рис. 5. 26 5.3.5. Цифровые датчики скорости В современных системах АЭП с большими диапазонами регулирования скорости и высокими требованиями к ее стабилизации точность ТГ может оказаться недостаточной. Для таких систем используются цифровые датчики скорости (ЦДС). Функционально в ЦДС можно выделить две основные части: импульсный преобразователь скорости—датчик импульсов ДИ, преобразующий угловую скорость вала в импульсы с частотой f, пропорциональной скорости, и кодовый преобразователь—счетчик импульсов СИ, формирующий на интервале измерения Т цифровой код An выходной величины датчика скорости (рис. 5.27). Датчик импульсов может быть выполнен на основе индуктосина или фотоэлектрического кодового диска. В любом варианте датчик импульсов вырабатывает две серии импульсов, сдвинутых по фазе на  / 2 , которые используются для определения угловой скорости и ее знака. На рис. 5.28 изображен кодовый диск фотоэлектрического датчика импульсов. На двух дорожках расположены пропускающие свет щели. Свет от источников ИС1 и ИС2 через щели попадает на фотодиоды ВL1 и BL2, которые при этом открыты и пропускают ток. Когда щель выходит из луча света, фотодиоды запирают цепь. При вращении диска с угловой скоростью с ВL1 и BL2 дают чередование максимального и минимального сигналов с частотой Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 95 (  )  аn-1 ДИ f СИ a1 a0 An (  ) Рис. 5.27. Структурная схема цифрового датчика скорости UC1 BL1 BL2 UC2 ω Рис. 5.28. Кодовый диск фотоэлектрического датчика импульсов f Д .Н   N Д .И , 2 5.66 где N Д .И - импульсная емкость кодового диска — число импульсов на один оборот диска. Токовый сигнал фотодиода изменяется по форме и амплитуде при изменении скорости вращения. Поэтому для получения стабильных сигналов с неизменными амплитудой и продолжительностью в состав датчика импульсов входит узел формирования выходных импульсов (рис. 5.29). В усилителе У токовый сигнал фотодиода ВL1 усиливается и симметрируется по полярности Uу1. Усилитель, собранный на транзисторах VT1 и VT2 и работающий с использованием положительной связи в релейном режиме, дает на выходе прямоугольные импульсы U1 с постоянной амплитудой, равной Un, но с переменной продолжительностью. Выходной импульс U ВЫХ с неизменными и амплитудой, и продолжительностью t формируется с помощью одновибратора. Диаграмма работы описанного узла приведена на рис. 5.30. Аналогичный узел имеется и для импульсов второй дорожки кодового диска с фотодиодом BL2. Для каждого направления вращения в датчике импульсов имеется свой выходной канал. Выделение импульсов на каналах положительной скорости (направление «вперед», U ВЫХ B ) или отрицательной скорости (направление «назад», U ВЫХ H ) осуществляется логическим узлом (рис. 5.31). На первом выходном канале импульсы U ВЫХ B появляются при таком направлении вращения, при котором сигнал U2 опережает по фазе на  / 2 сигнал U1, и элемент совпадения И1 открыт Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 96 для импульсов U вых1 . При другом направлении вращения, когда U2 отстает по фазе на  / 2 от U1,  UП BL1 У1 () UУ 1 VT 2 U1 VT1 U вых Рис. 5.29. Схема датчика импульсов iФД t UУ 1 t U1 t Uвых t  1/ f Рис. 5.30. Диаграмма формирования выходного сигнала датчика импульсов Uвых1 S1 & U выхB (   0) U вых2 U1 (ФД1) 1 S2 & U выхН (   0) U2 (ФД 2) Рис. 5.31. Схема разделения по времени импульсов двух каналов в датчике скорости элемент совпадения И2 открыт для импульсов U ВЫХ 2 ,которые поступают на второй выходной канал U ВЫХ H . Формирование цифрового кода на выходе датчика скорости с помощью счетчика может выполняться двояко. На заданном периоде измерения Т счетчик Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 97 может подсчитывать число импульсов, которое будет характеризовать среднее значение скорости: N  f Д .И T   N Д .И T . 2 5.67 Так как младшему разряду датчика соответствует один импульс, то разрешающая способность ЦДС составляет N : 1, а точность измерения   1 / N . Очевидно, дискретность по скорости датчика, об/с, определится величиной no  1 /( N Д . И T ) . 5.68 Таким образом, точность ЦДС тем выше, чем больше измеряемая скорость и период измерения. Например, при N Д .И  600 импульсов/об, T  0.1 , с погрешность ЦДС составит для n  100 об / мин 60 /(1000 * 600 * 0,1)  1 / 1000  0,1% а для n  10 об / мин 1 / 100  10% . Увеличение значения Т для уменьшения погрешности при низких скоростях нежелательно, так как при этом возрастает дискретность по времени и увеличивается расхождение между средним и мгновенным значениями скорости, что может затруднить использование ЦДС и системах управления. Другой вариант формирования цифрового кода скорости состоит в определении интервала времени между двумя импульсами путем подсчета числа высокочастотных опорных импульсов, умещающихся на измеряемом интервале. Данный способ имеет, напротив, максимальную разрешающую способность на самых низких скоростях, когда период следования импульсов максимален и содержит наибольшее число опорных импульсов. Однако высокая точность датчика при низких скоростях относится также лишь к среднему за измеряемый интервал значению скорости. При повышении скорости точность данного ЦДС снижается. Рассмотренные варианты ЦДС обеспечивают высокую точность измерения скорости, и тем большую, чем продолжительней период измерения. Однако данный период измерения вносит в систему управления с ЦДС дискретность по времени, которая вносит искажения в работу высокодинамичных систем. Поэтому для снижения дискретности по времени в быстродействующих системах с управлением по интегралу сигнала рассогласования интегрирование разности скоростей выполняется подсчетом разности непосредственно числа импульсов с задающего устройства и с датчика импульсов с помощью реверсивного счетчика. 5.4. Датчики электрических величин В системах АЭП контролируемыми и регулируемыми координатами являются не только механические величины — угол поворота, скорость, ускорение, но и электрические величины, такие, как ток, напряжение, ЭДС, мощность. Для измерения этих координат используются соответствующие датчики. К числу типовых можно отнести датчики тока (ДТ) и напряжения (ДН). Эти датчики наиболее часто применяются, на их основе строятся датчики ЭДС и мощности. Поэтому к рассмотрению в данном параграфе выделены как типовые именно ДТ и ДН. Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 98 Назначение ДН и ДТ—преобразование входной величины — напряжения или тока цепи преобразователя, двигателя в выходной сигнал, пропорциональный входной величине. Датчики могут выполнять одновременно и функции согласующего элемента — потенциального разделителя, усилителя по напряжению, мощности. В зависимости от вида выходного сигнала датчики разделяются на аналоговые и дискретные (цифровые). На рис. 5.32 изображены обобщенные структурные схемы аналоговых (рис. 5.32, а) и цифровых (рис. 5.32, б) ДН и ДТ. В составе аналогового датчика с выходным напряжением на постоянном токе можно выделить три части: вводную цепь ВЦ, потенциальный разделитель ПР и выходной усилитель Вых. У. Собственно датчиком является вводная цепь — делитель напряжения, шунт, трансформатор напряжения или тока с выпрямителем. Эта цепь преобразует измеряемые напряжения или ток во входное напряжение постоянного тока U BX . Потенциальный разделитель гальванически разъединяет входной и выходной сигналы. Для осуществления в данном датчике потенциального разделения с помощью трансформатора необходимо иметь на входе трансформатора модулятор М, а на U, I ВЦ Uвх М ПР ДМ Uдм ГТИ U, I ВЦ Uвх Вх.У АЦП Вых.У Uвых а) ПР Nвых б) ГТИ Рис. 5.32. Структурные схемы аналоговых (а) и цифровых (б) датчиков напряжения и тока выходе — демодулятор ДМ, работающие вместе с коммутирующим устройством — генератором тактовых импульсов ГТИ. Выходной усилитель формирует усиленный по напряжению и мощности выходной сигнал датчика U ВЫХ . Характеристики управления ДН и ДТ без учета погрешностей прямолинейны: U ВЫХ  k B .Ц k П .Р kУ .BU  k Д .HU ; 5.69 U ВЫХ  k B.Ц k П . Р kУ . B I  k Д .Т I , 5.70 k П . РU ДГ / U BX ; kУ .В  U ВЫХ / U Д .Т ; - передаточные k В.Ц  U ВХ / I ; где kВ .Ц  U ВХ / U ; коэффициенты соответственно вводных цепей ДН и ДТ, потенциального разделения и выходного усилителя (рис. 5.32, а). Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 99 В отличие от безразмерного результирующего коэффициента ДН kДН коэффициент ДТ kДТ имеет размерность сопротивления (Ом), поскольку вводная цепь представляет собой шунт, с которого снимается напряжение: для измеряемой цепи постоянного тока U BX  k B. Ц I  R Ш I ; 5.71 для измеряемой цепи переменного тока U BX  k B.Ц I  kТ .k E RШ I , 5.72 где kТТ – коэффициент трансформации трансформатора k В – передаточный коэффициент выпрямителя. Цифровые ДН и ДТ имеют также в своем составе вводную цепь, потенциальный разделитель и усилитель, но для формирования цифрового выходного сигнала N ВЫХ снабжены АЦП (рис. 5.32,б). При дискретном сигнале потенциальный разделитель просто реализуется с помощью оптопар. Характеристики управления цифровых ДН и ДТ описываются выражениями N ВЫХ  k В . Ц k у k П . Р k АЦПU  k ДНU 5.73 N ВЫХ  k В. Ц kY k П . Р k АЦП I  k ДТ I 5.74 где k у , k П .Р  1, k АЦП – передаточные коэффициенты соответственно входного усилителя, оптронного потенциального усилителя и АЦП. Приведенными примерами не исчерпываются возможные варианты исполнения датчиков напряжения и тока. Так, в отличие от датчиков ДН-2АИ и ДТ-ЗАИ гальваническая развязка цепей может выполняться не на трансформаторах, а на оптронах. Это упрощает структуру датчиков, так как отпадает необходимость в модуляции и демодуляции промежуточного сигнала. Дальнейшее развитие микроэлектроники отразится, конечно, на элементной базе датчиков, однако в функциональном отношении они сохранят свою структуру. В составе датчиков напряжения и тока всегда необходимы входная измерительная цепь, потенциальный разделитель, усилительное и согласующее устройства, что отражено на структурных схемах рис. 5.32. На основе рассмотренных датчиков с использованием регуляторов и согласующих элементов могут составляться схемы датчиков различных величин, непосредственное измерение которых затруднено. В таких датчиках реализуется косвенное выделение измеряемой величины на основании известных соотношений, которые связывают искомую величину с величинами, непосредственно измеряемыми с помощью имеющихся датчиков. Например, датчик мощности цепи постоянного тока можно составить из датчиков напряжения, тока и блока умножения, в котором перемножаются выходные величины датчиков напряжения и тока. Датчик производной тока якоря можно составить из датчиков ЭДС преобразователя, тока и скорости двигателя, выходные величины которых алгебраически суммируются в усилителе с учетом знаков и коэффициентов, определяемых уравнением якорной цепи системы преобразователь—двигатель. Аналогично могут строиться и комплексные датчики неэлектрических величин — момента, ускорения и т. д. Список литературы Элементы устройств автоматизированного электропривода (АЭП) 1. 2. 3. 4. 5. 100 Терехов В.М. Учебное пособие по курсу «Элементы систем автоматизированного электропривода». Управляющие элементы. М.:МЭИ.1978.64 с. Терехов В.М. Элементы систем автоматизированного электропривода. М.:Энергоатомиздат.1987.221 с. Шипилло В.П. Автоматизированный вентильный электропривод. М.:Энергия.1969.400 с. Автоматизированные электроприводы постоянного тока с широтноимпульсными преобразователями /М.Е.Гольц, А.Б.Гудзенко, В.М.Остреров, Л.А.Шпиглер.М.:Энергия.1972.112 с. Кащеев В.А., Кошаев О.В., Лазовский Н.Ф., Титивич В.И.. Элементы автоматизированного электропривода: Учеб. Пособ; КрПИ. – Красноярск, 1989. 132с.