Типовые электрические схемы
11.2. ТИПОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
ИСП с транзисторными усилителями мощности.
Одна из возможных принципиальных схем ИСП с транзисторным усилителем мощности и двигателем постоянного тока показана на рис. 131. Выходной каскад усилителя ИСП построен по мостовой схеме на транзисторах VT1—VT4, работающих в режиме переключения и осуществляющих управление двигателем по цепи якоря. Диоды VD5—VD8 служат для исключения инверсных токов через насыщенные транзисторы в момент их запирания. Реверс двигателя осуществляется изменением полярности напряжения за счет режима несимметричной коммутации транзисторов. Заданный режим реализуется о помощью импульсного усилителя (работа которого описана в п. 6, гл. 8), состоящего из двух идентичных ШИМ A1 и A2 и двух схем управления A3 и A4.
B рассматриваемом ИСП в качестве измерителя рассогласования применена двухотсчетная сельсинная передача: на сельсинах BC1 и BE1 грубого отсчета и на сельсинах BC2 и BE2 точного отсчета, связанных между собой редукторами q1, q2. Переключение работы ИСП с точного на грубый отсчет осуществляется синхронизирующим устройством, выполненным на диодах VD1—VD4 и резисторах R1, R2.
Выделенный схемой синхронизации сигнал рассогласования через фильтр C1, R3 поступает на вход трехкаскадного УПТ в интегральном исполнении. Первым каскадом усилителя является однополупериодный демодулятор, состоящий из интегрального прерывателя DA1, трансформатора T1 и резистора R4 Суммирование выпрямленного и отфильтрованного контуром R5, C2 сигнала рассогласования и корректирующего сигнала ОС осуществляется по схеме параллельного сложения на резисторах R6, R7, Суммарный сигнал поступает на вход усилителя напряжения, оба каскада которого выполнены на интегральных микросхемах DA2, DA3 и резисторах R8—R12. Весь каскад усиления на ОУ является фазоинверсным для получения на выходе разнополярного сигнала, необходимого для работы импульсного усилителя.
Рассмотрим работу привода. При отсутствии рассогласования сигнал управления равен нулю, широтно-импульсные модуляторы A1 и A2 не коммутируются и со схем управления A3 и A4 поступают сигналы, открывающие транзисторы VT2, VT4 и запирающие транзисторы VT1, VT3. Транзисторы VT2, VT4 совместно с диодами VD6, VD8 закорачивают якорь двигателя M, обеспечивая ему электродинамическое торможение.
При появлении в приводе рассогласования напряжение, пропорциональное погрешности, снимается со статорной обмотки сельсина BE2 при углах, меньших угла переключения ?п, и сельсина BE1 при углах, больших ?п. Полярность сигнала управления на выходе ДМ зависит от знака рассогласования. А так как состояние ШИМ определяется знаком сигнала управления, то от этого зависит, какая из пар транзисторов VT1, VT2 или VT3, VT4 начнет переключаться и, следовательно, в какую сторону будет отрабатывать двигатель M.
Рис. 131. ИСП с транзисторным усилителем
Так, если отрицательное напряжение поступит на вход A1, то он начинает коммутироваться и схема управления A3 вырабатывает последовательность однополярных импульсов — на транзистор VT2 положительных, закрывающих его, и на транзистор VT1 отрицательных, открывающих его. А так как состояние транзисторов VT3 и VT4 осталось неизменным, то ток через якорь двигателя потечет справа налево в течение длительности импульса через транзисторы VT1, VT4, разгоняя двигатель и уменьшая рассогласование в приводе.
Для получения заданных динамических свойств в ИСП применена корректирующая гибкая ОС, сформированная с помощью тахогенератора BR, делителя R14, R15 и дифференцирующего контура C4, R13. Сигнал, пропорциональный второй производной от угла поворота выходного вала, подается на вход УПТ в полярности, противоположной полярности сигнала погрешности. Суммарный сигнал уменьшается, напряжение на якоре двигателя тоже, а следовательно, перерегулирование в приводе уменьшается и устойчивость возрастает.
Рассмотренный привод отличается простотой, высоким быстродействием и хорошими энергетическими характеристиками.
Схема ИСП, в котором в качестве исполнительного устройства применен асинхронный двигатель АДП-563А, приведена на рис. 132. Для управления такого двигателя в целях уменьшения мощности рассеяния выходных транзисторов выбран усилитель с широтно-импульсной модуляцией напряжения выходного каскада. Выходной каскад усилителя выполнен на транзисторах VT4 и VT5 в режиме переключения по двухтактной схеме с согласующим трансформатором T4, напряжение с которого подается на обмотку управления двигателя М.
Сигнал рассогласования привода, выделенный измерителем рассогласования на двух CKBT (TC и TE), в виде напряжения переменного тока складывается с сигналом принимающего тахогенератора BR, конструктивно выполненного в одном корпусе с двигателем. Суммарное напряжение усиливается каскадом усилителя, построенного на DA1, резисторах R1—R4, и через фильтрующую цепочку C1, R5 подается на вход однополупериодного ДМ, в качестве которого применен интегральный прерыватель DA2 с трансформатором T1 и резистором R7. Для формирования опорного напряжения служит резистор R6 и два стабилитрона VD1и VD2, для сглаживания пульсации выпрямленного напряжения — цепь R8, C2.
Сигнал по постоянному току усиливается ОУ DA3, DA4 c передаточными коэффициентами, определяемыми отношениями R11/R9 и R12/R10. Инвертирование фазы выходного сигнала, необходимое для работы последующих ШИМ, достигается подачей управляющего сигнала на разноименные входы указанных усилителей. С выхода УПТ усиленный сигнал поступает на двухканальный ШИМ (A1 и A2), вырабатывающий последовательность однополярных импульсов со скважностью, зависящей от управляющего сигнала. По устройству ШИМ A2 аналогичен A1 (см. рис. 90), но работает в противофазе с ним, что достигается подачей на их входы разнополярных сигналов.
Рис. 132. ИСП с асинхронным двигателем
Последующее преобразование импульсного напряжения постоянного тока в импульсное напряжение переменного тока осуществляется идентичными по своему построению модуляторами A3 и A4. Раскрытый на рис. 132 модулятор A3 состоит из согласующего транзистора VT1, одновременно усиливающего прямоугольное импульсное напряжение, и двух ключевых коммутаторов, собранных на транзисторах VT2 и VT3, трансформаторе T1, резисторах R13 и R14, диодах VD3, VD4. Частота опорного прямоугольного напряжения Uоп, поступающего с T1, должна соответствовать частоте напряжения возбуждения двигателя и быть в 2 раза выше частоты пилообразного напряжения, а по фазе Uоп должно иметь сдвиг, равный ?/2 по отношению к фазе пилообразного напряжения.
В результате за один период импульса постоянного тока ключи VT2, VT3, попеременно замыкаясь, пропускают импульс тока через верхнюю, а затем через нижнюю обмотку согласующего трансформатора T2. Во вторичной обмотке трансформатора появляются знакопеременные импульсы, длительность которых определяется величиной управляющего сигнала.
Режимы работы ШИМ выбраны так, что они осуществляют принцип трехпозиционного реле. При отсутствии рассогласования в приводе на выходе трансформаторов T2 и T3 напряжения равны нулю и двигатель M обесточен. С появлением управляющего сигнала и в зависимости от его фазы коммутируется верхний или нижний канал ШИМ.
При коммутации нижнего канала импульсы тока, поступая через диоды VD5, VD6 к базам транзисторов VT4 и VT5, попеременно открывают их на время длительности импульса и пропускают коллекторный ток через диод VD11 и полуобмотки трансформатора T4. Частота вращения двигателя будет определяться скважностью импульсов. Реверс двигателя осуществляется сменой знака рассогласования, коммутацией нижнего канала ШИМ и подачей с трансформатора T3 через диоды VD7, VD8 импульсов к базе транзистора VT5, а затем VT4.
В выходном каскаде предусмотрена защита силовых транзисторов VT4, VT5 от ЭДС самоиндукции путем включения диодов VD9, VD10.
Рассмотренный привод отличается простотой конструкции, компактностью, высокой надежностью, что обеспечивается применением бесконтактных элементов и режимом работы усилителя. Однако вследствие большой скоростной погрешности, вносимой тахогенератором, осуществляющим жесткую ОС, применение привода в особо точных системах ограничено.
ИСП с тиристорными усилителями мощности. В ИСП на базе тиристорного усилителя мощности с выходом на постоянном токе (рис. 133) сигнал управления вырабатывается с помощью двухканального измерителя рассогласования на сельсинах, из которых датчики BC1 и BC2 кинематически связаны с задающим валом, а приемники BE1 и BE2 — с исполнительным валом ИСП. Напряжение, пропорциональное сигналу рассогласования, поступает на вход синхронизирующего устройства, выполненного на диодах VD1—VD4 и резисторах R1 и R2. В зависимости от значения рассогласования выделяется управляющий сигнал переменного тока по каналу ГО или TO.
Для усиления и преобразования переменного сигнала в постоянный служит усилитель A1 в интегральном исполнении. Для исключения попадания постоянного напряжения на вход прерывателя предусмотрен конденсатор C1.
Силовая часть тиристорного привода построена по схеме двухполупериодного выпрямителя и содержит трансформатор T1 со средней точкой и две группы тиристоров VS1, VS2 и VS3, VS4, включенных встречно-параллельно. Нагрузкой выходного каскада является якорная обмотка двигателя M постоянного тока с независимым возбуждением. Управление тиристорами осуществляется блоком, состоящим из двух каналов A2 и A3 фазосдвигающего устройства. Устройство каждого канала, а также назначение элементов (резисторов R3—R10, конденсаторов C2, C3, транзисторов VT1—VT5, диодов VD5—VD8) аналогичны устройству и назначению компонентов ФСУ, изображенного на рис. 92.
В целом блок управления тиристорами обладает характеристикой трехпозиционного реле. При входном сигнале, меньшем напряжения срабатывания АДД, все тиристоры выходного каскада находятся в закрытом состоянии и двигатель полностью обесточен. В случае превышения входным сигналом напряжения срабатывания АДД открывается тот канал ФСУ, на вход которого поступает отрицательный сигнал. Например, при работе A2 управляющие импульсы с трансформатора T2 поступают на тиристоры VS1, VS3. В первый полупериод из них открывается тот тиристор, на анод которого подан «+» напряжения с дифференциальной обмотки трансформатора T1, например VS1. Во второй полупериод напряжения питания открывается тиристор VS2, и по нагрузке в оба полупериода протекает ток одного направления.
Сила тока будет зависеть от угла сдвига ? управляющего импульса, а он в свою очередь — от уровня входного сигнала UУ. Чем больше этот уровень, тем меньше время перезаряда конденсатора ФСУ (рис. 134, а) и тем больше частота импульсов с выходной обмотки T2 (см. рис. 133). Это видно из диаграмм, изображенных на рис. 134, б. Тиристоры открываются первым импульсом из пачки, укладывающейся в полупериод опорного напряжения, на остальные импульсы они не реагируют.
Для синхронизации работы обоих каналов ФСУ служит транзистор VT1(см. рис. 133).
Рис. 133. ИСП с тиристорным усилителем
Со сменой полярности управляющего сигнала начинает функционировать нижний канал ФСУ. При этом вырабатываются импульсы управления с трансформатора T3 и изменяется направление тока через якорь двигателя M. С помощью редуктора q двигатель перемещает нагрузку H и ротор сельсина BE2 до положения нового согласования. В качестве корректирующего устройства применен тахогенератор BR постоянного тока, сигнал с которого дифференцируется контуром R11, C5. Конденсатор C4 применен для сглаживания пульсаций прерывистого тока, протекающего по якорю двигателя.
ИСП с трехфазными тиристорными усилителями. Эти приводы обеспечивают мощность до 300 кВт и требуемое качество управления механизмов подачи металлорежущих станков и установок для разворота больших нагрузок. К ним предъявляют жесткие требования по обеспечению высоких частот вращения нагрузки при ее изменении и изменении внешних факторов (температуры и т. д.). Принципиальная схема привода станка с программным управлением дана на рис. 135. В состав привода входят предварительный усилитель напряжения, блок управления, состоящий из шести идентичных ФСУ (Al—А2), блок пилообразного напряжения A7, электродвигатель M постоянного тока со встроенным тахогенератором BR, дроссели L1, L2.
Рис. 134. Диаграмма работы тиристорного усилителя
Питание двигателя осуществляется от трехфазной сети переменного тока через двухполупериодный выпрямитель VS1—VS6 с нулевым выводом.
Входное воздействие, поступающее в виде программы от аналоговой ЭВМ, сравнивается с сигналом UТГ ОС, реализуемой с помощью тахогенератора BR и делителя R28, R29. Сигнал рассогласования в виде разности U? = Uв — UТГ поступает на первый каскад усилителя, собранный на ОУ DA1и резисторах R1—R4. Каскад на усилителе DA2 и резисторах R5—R9 служит для суммирования сигнала рассогласования с сигналом корректирующей OC по ускорению, реализуемой с помощью сериесного резистора R24, делителя R25, R26 и дифференцирующего контура R27, C3. Усилитель DA3 совместно с резисторами R11—R13 осуществляет инвертирование по фазе управляющего сигнала.
С выхода DA3 сигнал через резистор R14 и диодный ограничитель VD3, VD4 поступает на входы ФСУ (A1—A3), открывающих тиристоры выпрямительной группы VS1—VS3. Неинвертированный управляющий сигнал с выхода DA2 подается через резистор R10 и диодный ограничитель VD1—VD2 на входы ФСУ (A4—A6), управляющих тиристорами инверторной группы VS4—VS6.
Рис. 135. Тиристорный привод станка
Блок управления предназначен для выработки и распределения управляющих импульсов между тиристорами работающей группы. Он состоит из шести ФСУ, из которых на рис. 135 раскрыт только Al. Каждый из ФСУ работает по принципу «вертикального» управления и включает ШИМ, собранный на транзисторах VT1, VT2, резисторах R15—R22, и формирователь импульсов, построенный на основе ждущего блокинг-генератора (транзистор VT3, резистор R23, конденсаторы C1, C2 и диоды VD5—VD7). Для сдвига управляющего импульса при отсутствии рассогласования на 90° относительно точки естественного зажигания тиристора к базе транзистора VT1 через резистор R17 приложено отрицательное смещение. В этом случае блок управления приобретает свойства трехпозиционного реле. При UУ = 0 угол регулирования ? = 90°. Токи, протекающие во всех тиристорах в прямом и обратном направлениях, компенсируются, и напряжение на двигателе M равно нулю.
При положительной полярности сигнала рассогласования (UУ > 0) угол регулирования управляющего импульса, вырабатываемого Al—A3, уменьшается от 90 к 0° (по мере увеличения рассогласования).
Ток через двигатель протекает через тиристоры выпрямительной группы VS1—VS3 от фаз питающего напряжения к нулевому зажиму. Переключение тиристоров внутри работающей группы происходит в порядке следования фаз A, B, C питающего напряжения и в соответствии с поступлением очередного управляющего импульса, сдвинутого на 60° относительно предыдущего (см. рис. 105). Сдвиг по фазе в 60° осуществляется специальной фазировкой пилообразного напряжения в блоке пилообразных напряжений A7 относительно синусоидального напряжения каждого тиристора.
При смене знака рассогласования (UУ < 0) угол регулирования управляющих импульсов, вырабатываемых ФСУ A4—A6, увеличивается от 90 к 180°. Для работы двигателя используется инверторная группа тиристоров VS4—VS6, определяющая направление тока через двигатель от нулевого зажима к фазам питающего напряжения и осуществляющая реверс двигателя. Дроссели L1, L2 предназначены для защиты тиристоров от сквозных токов.
Для защиты тиристоров от пробоя при подаче на управляющий электрод отрицательного по отношению к катоду напряжения последовательно с управляющим электродом включен диод VD8.
Для обеспечения качественных показателей работы привода станка использована корректирующая OC с датчика тока UA. Датчик формирует сигнал, пропорциональный току якоря двигателя (ускорению выходного вала), который после дифференцирования цепочкой C3, R27 подается на вход усилителя.
Основной проблемой при проектировании рассматриваемого привода является минимизация статических погрешностей, так как по своей структуре он является статическим. Существенного снижения суммарной погрешности можно добиться соответствующим выбором элементов схемы и в первую очередь ТГ, а также увеличением коэффициента усиления усилителя. Стабильность частоты вращения выходного звена привода станка обеспечивается в пределах 5 % от установленной.
В заключение следует отметить, что замена ЭМУ статическими тиристорными преобразователями привела к уменьшению массогабаритных характеристик, улучшению энергетических показателей, большей надежности, уменьшению стоимости привода и снижению производственного шума.
Назад | Содержание
| Вперед
