Електроприводи постійного струму з широто - імпульсним регулюванням

Розвиток силової перетворювальної техніки, насамперед силових транзисторів з ізольованим затвором (IGBT біполярні транзистори з ізольованим затвором) відкрило широкі можливості створення регульованих джерел постійної напруги (струму), які знаходять широке застосування в електроприводах постійного струму.

Основні переваги IGBТ - транзисторів: високі параметри силового кола (напруга до 1500В, струм до 500А з можливістю паралельної роботи), мала потужність управління; висока частота перемикань - десятки кГц; модульна конструкція, що об'єднує транзистор, швидкодіючий зворотній діод і елементи кола управління і захисту, роблять ці прилади ідеальними ключами, що дозволяють з високою частотою здійснювати комутацію електричних кіл.

Принцип роботи приводу з двигуном постійного струму незалежного збудження і транзисторним широтно-імпульсным регулятором напруга з'ясовується з розгляду схеми Рис. 2.17.

Рис. 2.17 Схема приводу постійного струму з широтно-імпульсным регулятором напруги

У цій схемі якірне коло двигуна періодично підключається до джерела живлення постійного струму (некерований випрямляч UZ), що має постійну величину напруги . Включення - відключення напруги живлення здійснюється ключем - транзистором UT. Частота комутацій кола постійна, дорівнює .

Рис. 2.18 Принцип ШІР напруги

Величина середньої напруги, що поступає до якоря двигуна, визначається відношенням часу включеного стану ключа до часу періоду комутацій , як це показано на (Рис. 2.18). Якщо час включеного стану великий і складає порядку , то середня напруга, що поступає на двигун, буде максимальна і складатиме . Якщо зменшувати час включеного стану ключа VT, то середнє значення напруги зменшуватиметься (воно пропорційно заштрихованій площі на (Рис. 2.18), що поділена на Т_к).

З (Рис. 2.18) витікає, що середня напруга широтно-імпульсного регулятора рівна

(2.20)

Величину називають скважністю імпульсів.

При розмиканні ключа VT струм в якірному колі двигуна припиниться миттєво не може, оскільки коло якоря має значну індуктивність. Через це після відключення VT струм буде під дією ЕРС самоіндукції обмотки якоря протікати через шунтуючий діод VD2.

Перехід струму якоря від транзистора VT до діоду VD2 ілюструється діаграмами представленими на Рис. 2.19.

Рис. 2.19 Діаграми напруг і струмів у ШІР

Величина пульсацій струму залежить від частоти комутацій : чим вище частота, тим менше амплітуда пульсацій. Нині широтно-імпульсні регулятори (ШІР) проектуються з частотою 210кГц і більш. При високих частотах амплітуди пульсацій струму будуть незначними і істотно менше, ніж при використанні тиристорних перетворювачів з імпульсно - фазовим управлінням, що живляться від промислової мережі напругою частотою 50Гц.

Середня напруга, що поступає на якірне коло двигуна, дорівнюватиме і, отже, механічні характеристики електроприводу в цій схемі описуватимуться формулою:

(2.21)

Відмітимо, що може змінюватися від 0 до 0,95. Величина залежить від схеми випрямлення. При досить потужному фільтровому конденсаторі вона наближається до амплітудного значення лінійної напруги змінного струму.

Механічні характеристики нереверсивного приводу постійного струму незалежного збудження з ШІР регулятором напруги аналогічні характеристикам на (Рис. 2.13).

Важливою перевагою схем з широтно-імпульсним регулюванням напруги є те, що на вході перетворювача встановлюється некерований випрямляч, внаслідок чого його (по першій гармоніці) наближається до одиниці.

Рис. 2.20 Схема реверсивного привода з ШІР регулятором напруги

Для реалізації реверсивного приводу з ШІР регулятором напруги використовується мостова схема включення силових транзисторних ключів, показана на (Рис. 2.20). У цій схемі якір двигуна включений в діагональ моста ключів . Протікання струму в одному напрямі відбувається через транзисторні ключі , в іншому через ключі . Для забезпечення безперервності струму служать діоди VD.

Широтно-імпульсне регулювання напруги може в цій схемі здійснюватися двома способами: перший аналогічний розглянутому для нереверсивних схем (Рис. 2.18), другий передбачає двополярну комутацію за час кожного періоду тактової частоти.

Рис. 2.21 Діаграма напруг ШІР при двополярній комутації

У останньому випадку протягом часу включені ключі VT1 і VT3, а протягом часу () включені ключі VT2 і VT4. Середня напруга на навантаженні (якірному колі двигуна) буде пропорційна різниці заштрихованих площ. Коли напругу позитивно, коли воно дорівнює нулю; коли середня напруга негативна. Недоліком цього алгоритму ШИР є необхідність передбачати деяку паузу при перемиканні ключів.

Величина середньої напруги при двохполярній комутації буде:

Де

Застосовується також комбінований алгоритм комутації, коли при значеннях здійснюється двуполярная комутація, а при однополярна.

У схемах з широто імпульсними регуляторами і нерегульованим джерелом постійного струму режим рекуперативного гальмування неможливий. Тому для приводів невеликих потужностей використовується режим противмикання з обмеженням струму якоря величиною скважності. Енергія гальмування витрачається в якірному колі двигуна, здійснюючі нагрів обмоток. Можливий режим динамічного гальмування, коли якірне коло двигуна замикається на гальмівний резистор R через транзисторний ключ VT5.

Література

1. Ключев В.И. Теория электропривода. Учебное пособие для ву­зов. Изд 2 - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 704с.

2. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизи­рованного электропривода - М.: Энергия, 1979. - 616с.

3. Чиликин М.Г., Соколов ММ, Терехов В.М., Шинянский А.В. Основы автоматизированного электропривода - М.: Энергия. - 560с.

4. Ильинский Н.Ф., Рожанковский Ю.В., Горнов А. О. Энергосбе­режение в электроприводе - М.: Высшая школа, 1989. - 127с.

5. Ильинский Н.Ф. Электроприводы постоянного тока с управ­ляемым моментом - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 144с.

6. Зимин Е.Н., Кацевич В.Л., Козырев С.К Электроприводы по­стоянного тока с вентильными преобразователями - М.: Энергоатомиз­дат, 1981. - 192с.

7. Справочиник по автоматизированному электроприводу /Под ред. В.А.Елисеева и А.В.Шинянского/ - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 616с.

8. Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧГТУ - Горький: Волго-Вятское изд., 1989. - 320с.

9. Розман Я.Б., Брейтер Б.З. Устройство, наладка и эксплуата­ция электроприводов металлорежущих станков - М.: Машиностроение, 1985.-208с.

10. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электроприво­да- М.: Энергоатомиздат, 1987. - 224с.

11. Соколов ММ, Рубцов В.П. Дискретный электропривод ме­ханизмов электротермических установок - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 120с.

12. Иванов Г.М., Онищенко Г.Б. Автоматизированный электро­привод в химической промышленности - М: Машиностроение, 1975. - 312с.

13. Онищенко Г.Б., Локтева ИЛ. Вентильные каскады и двига­тели двойного питания - М.: Энергия, 1979. - 174с.

14. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод - М.: Энергоатомиздат, 1986.-416с.

15. Сафронов Ю.М. Электроприводы промышленных роботов - М.: Энергоатомиздат, 1990.