2.1.    АНАЛИЗ РАБОТЫ ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА СОПРОТИВЛЕНИЯ

Рассмотрим принцип импульсного регулирования сопротивления роторной цепи асинхронного двигателя, обеспечивающего, в конечном итоге, регулирование скорости двигателя (рис. 2.1).

Для уменьшения массогабаритных показателей добавочного сопротивления Rдоб (рис. 2.1, а) и упрощения схемы управления, Rдоб обычно включается в цепь выпрямленного тока ротора. Значение сопротивления цепи ротора изменяется импульсным методом с помощью коммутатора К, шунтирующего резистор Rдоб. При замкнутом ключе К коммутатора из цепи ротора выведено дополнительное сопротивление Rдоб, чему соответствует механическая характеристика 1 (рис. 2.1, б), близкая к естественной характеристике двигателя. Отличие характеристики 1 от естественной обусловлено наличием в роторной цепи собственного эквивалентного сопротивления неуправляемого выпрямителя UZ и сопротивления сглаживающего дросселя L (см. рис. 2.1, а).

Если ключ К включать и отключать с определённой, достаточно высокой частотой fк = 1/Tк, то выпрямленный ток

(idp), пропорциональный фазному току ротора (i2), будет колебаться около некоторой средней величины (I), не достигая при этом своих установившихся значений (рис. 2.2). Амплитуда колебаний тока зависит от частоты коммутации (fк) и значения суммарной индуктивности выпрямленной цепи ротора (Ld): чем больше частота и индуктивность, тем меньше амплитуда колебаний. В промышленных приводах частота коммутации устанавливается постоянной на уровне 200…500Гц. Значение индуктивности (Ld)выбирается в зависимости от желаемого уровня пульсаций тока ротора (0,02…0,05) Idpн.

Среднее значение выпрямленного тока ротора (Idp), которым определяется момент двигателя при данном скольжении, зависит от скважности (относительной продолжительности включения) процесса коммутации ключа К:

ε = t1/Tк.

Чем больше скважность, то есть чем больше время замкнутого состояния ключа К на периоде коммутации (Тк), тем больше среднее значение тока (Idp).

Подпись:  
Рис. 2.3. Схема импульсного регулирования выпрямленного тока ротора
Таким образом, периодически замыкая и размыкая ключ коммутатора с определённой частотой fк и регулируемой скважностью (ε), можно, если пренебречь пульсациями, плавно изменять сопротивление роторной цепи.

Принципиальная схема силовой части асинхронного электропривода с импульсным регулированием выпрямленного тока ротора приведена на рис. 2.3. В цепи ротора двигателя включён неуправляемый выпрямитель UZ, собранный по трёхфазной мостовой схеме. Цепь выпрямленного тока ротора содержит дроссель L и добавочный резистор Rдоб, периодически шунтируемый тиристором VS1 тиристорного коммутатора.

Работа тиристорного коммутатора происходит следующим образом. При подаче управляющего импульса на вспомогательный коммутирующий тиристор VSк, он открывается, и происходит заряд коммутирующего конденсатора Ск выпрямленным током выпрямителя UZ полярностью (см. рис. 2.3).

По окончании процесса заряда весь выпрямленный ток (idp) протекает через резистор Rдоб. Тиристор VSк закрывается (напряжение между анодом и катодом его имеет отрицательную полярность). Если теперь подать управляющий импульс на тиристор VS1, то он откроется (полярность напряжения, прикладываемая к электродам «анод – катод», имеет положительный знак). Резистор Rдоб будет зашунтирован. Ток ротора из-за наличия индуктивности роторной цепи нарастает по экспоненциальному закону. Происходит колебательный перезаряд конденсатора Ск через

диод VDк и дроссель Lк полярностью, показанной (см. рис. 2.3) в скобках. При повторном открывании VSк это напряжение прикладывается положительным потенциалом к катоду тиристора VS1, что приводит к его закрыванию. Выпрямленный ток ротора спадает по экспоненциальному закону. Происходит вновь колебательный перезаряд конденсатора Ск через дроссель Lк и диод VD1 полярностью, показанной (см. рис.2.3) без скобок. Далее цикл повторяется.

Если э
лектропривод длительное время работает на полной скорости, когда тиристор VS1 открыт, то конденсатор Ск должен достаточно долго сохранять свой заряд для последующего гашения тиристора VS1. Поскольку время сохранения полного заряда конденсатора ограничено, в коммутатор введена цепь подзаряда конденсатора. Подзаряд конденсатора осуществляется от дополнительного выпрямителя UZк через цепь, образованную Ск-VS1- Lк- Rк-UZк. Резистором Rк устанавливается требуемое значение зарядного тока.

Открытому состоянию тиристора VS1 соответствует механическая характеристика 1 (см. рис. 2.1, б), закрытому – характеристика 4. Соотношение открытого и закрытого состояния определяет скважность процесса коммутации и вид механической характеристики. При постоянной скважности 0 < ε < 1 получается характеристики типа 2 или 3 (см. рис. 2.1, б), причём ε 2 > ε 3.

Среднее значение импульсного регулируемого сопротивления (Rd) линейно зависит от скважности [67]:

Rd = Rдоб ×(1 - ε)                                                      (2.1)

и определяет среднее значение выпрямленного тока ротора:

Idp =.                                                        (2.2)

Здесь Edo – среднее значение выпрямленной ЭДС ротора при его неподвижном состоянии; S – скольжение; Rэ – эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока ротора, которое определяется по формуле:

Rэ = ,                                               (2.3)

где m – пульсность выпрямителя (для мостовой схемы m = 6); Хд – индуктивное сопротивление фазы двигателя, приведённое к цепи ротора; Rд – активное сопротивление фазы двигателя.

Индуктивное сопротивление фазы двигателя, приведённое к цепи ротора, определяется следующим образом:

Хд = Х2 + Х1‘,

Здесь Х2 – индуктивное сопротивление фазы ротора; Х1‘ = Х1/Kе2 – индуктивное сопротивление фазы статора, приведённое к ротору (Kе – коэффициент трансформации двигателя).

Активное сопротивление фазы двигателя равно:

Rд = R2 + R1‘,

где R2 – активное сопротивление фазы ротора; R1‘ = R1/Kе2 – активное сопротивление фазы статора, приведённое к ротору.

Сопротивление Rдоб выбирается исходя из обеспечения возможности регулирования скорости во всём диапазоне изменения нагрузок. В частности, его можно выбрать таким, чтобы начальный пусковой момент на характеристике 4 (см. рис. 2.1, б) был меньше момента холостого хода Мхх.

Если же в связи с особенностями производственного механизма (например, при активном моменте нагрузки) наличие «мёртвой зоны», где невозможно регулирование скорости (см. рис. 2.1,б, участок между характеристикой 4 и осью ординат), недопустимо, то

последовательно с резистором Rдоб можно включить конденсатор С1, как это показано штриховой линией (см. рис. 2.3). При полном заряде конденсатора С1 и закрытом тиристоре VS1 ток в цепи ротора будет равен нулю, то есть граничная механическая характеристика будет совпадать с осью ординат, «мёртвая зона» будет отсутствовать.

Подпись:  
Рис. 2.5. Временная диаграмма работы системы управления
Параметры элементов, составляющих схему коммутатора (значения сопротивлений, индуктивностей, ёмкостей) определяются исходя из обеспечения качественного процесса коммутации. Выбор элементов производится после анализа электромагнитных переходных процессов в цепи ротора, который позволяет рассчитать максимальные значения напряжений и токов для всех элементов роторной цепи.

Рассмотрим один из вариантов схемы управления тиристорным коммутатором (рис. 2.4). Она состоит из пяти основных узлов: генератора пилообразных импульсов, компаратора, детектора фронта, формирователя и узла токоограничения. Генератор пилообразного напряжения построен на трёх операционных усилителях А1, А2, А3 и вырабатывает напряжение Uоп (рис. 2.5). Наклон кривой пилообразного напряжения определяется ёмкостью конденсатора С1 (см. рис. 2.4), сопротивлением R1 и значением напряжения (Uп). Период колебаний генератора задаётся операционным усилителем А2 и значением прямого п
адения напряжения на диоде VD2.

Операционный усилитель А4 используется в качестве суммирующего усилителя

сигнала задания и обратной связи. На усилителе А5 реализован компаратор, при напряжении Uу, превышающем Uоп на выходе А5, появляется импульс Uа (см. рис. 2.5).

Одновибраторы, реализованные на элементах D1, D2 и D5, D6, выполняют функцию детектора фронта и выдают положительные импульсы Uв и Uс при наступлении, соответственно, фронтов нарастания и спадания сигнала Uа. Продолжительность импульсов может регулироваться в пределах 20…200 мкс, для обеспечения надёжного открытия тиристоров VS1 и VSк коммутатора сопротивлениями R13, R14 и конденсаторами С2, С3 (см. рис. 2.4).

Импульсы Uв и Uс поступают на формирователи, выполненные на базе транзисторов Дарлингтона VT1,VT2 и VT3, VT4 и импульсных трансформаторов. На усилителе А6 и триггере D7 реализован узел токовой защиты, блокирующий поступление управляющих импульсов на тиристор VS1.

Если в переходных режимах изменение напряжения управления (Uу) происходит достаточно медленно по сравнению с периодом коммутации, то тиристорный коммутатор со схемой управления можно представить как безинерционное звено с ограничением. Входной величиной этого звена является управляющее воздействие (Uу), выходной – скважность (e). Регулировочная характеристика коммутатора имеет вид (рис. 2.6).

Коэффициент передачи звена может быть подсчитан по выражению:

             (2.4)

где Uуmax – максимальное значение опорного пилообразного напряжения. Значение    Uу = Uуmax соответствует e = 1.

Если учесть дискретность управления системы управления коммутатором, передаточная функция коммутатора может быть описана выражением:

Wк(p) = Kу ,                                                   (2.5)

где τу – время чистого запаздывания, вносимое системой управления, τу ~ Tк/2.