Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов специальности 220201. 65 «Управление и информатика в технических системах» (стр. 1 из 4)
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тихоокеанский государственный университет»
ЭЛЕКТРОПРИВОД С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
Методические указания
к выполнению лабораторной работы
для студентов специальности 220201.65
«Управление и информатика в технических системах»
Хабаровск
Издательство ТОГУ
2007
УДК 621. 398
Электропривод с широтно-импульсным преобразователем : методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов специальности 220201.65 «Управление и информатика в технических системах» / сост.
С. Н. Коваленко. – Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2007. – 24 с.
Методические указания составлены на кафедре «Автоматика и системотехника». В них приводятся общие сведения, порядок выполнения лабораторной работы на специализированном стенде СШИР-1, требования к оформлению отчёта, даётся перечень рекомендованной литературы, необходимой для выполнения задания.
Печатается в соответствии с решениями кафедры «Автоматика и системотехника» и методического совета института информационных технологий.
ã Тихоокеанский
государственный
университет, 2007
Лабораторная работа
Электропривод с широтно-импульсным преобразователем
Цель: исследование статических и динамических характеристик разомкнутого нереверсивного электропривода с широтно-импульсным преобразователем.
1. Общие сведения
Регулирование напряжения на якоре двигателя постоянного тока (ДПТ) можно осуществить импульсным методом, когда двигатель периодически подключается к источнику питания и отключается от него. При этом в тот период, когда двигатель подключён к источнику питания, происходит передача энергии от источника к электроприводу, которая главным образом передаётся через вал производственному механизму, а часть её запасается в виде кинетической и электромагнитной энергии; в период же отключения электропривод продолжает работать, используя запасённую энергию.
Упрощённая схема силовой части системы импульсного регулирования напряжения на якоре двигателя постоянного тока представлена на рис. 1, а на которой Вп – трёхфазный выпрямитель, К – управляемый ключ, VD – обратный диод, Сф – конденсатор фильтра. В этой системе якорь двигателя с помощью коммутирующего ключа периодически подключается к источнику постоянного тока, напряжение которого неизменно. На интервале замкнутого состояния ключа К tи к якорю двигателя прикладывается среднее значение ЭДС выпрямителя Еd (рис.1, б). Ток якоря iя при этом экспоненциально возрастает вследствие влияния индуктивности якорной цепи (рис.1, в). Диод VD в этом случае закрыт в результате подачи на его анод отрицательного напряжения источника питания. На интервале tП ключ К размыкается и ток якоря iЯ под действием ЭДС самоиндукции спадает через обратный диод VD. В этот период iя=iд . Благодаря диоду VD значительно уменьшаются пульсации тока якоря, а также исключаются коммутационные перенапряжения на ключе и обмотке
 |
якоря. Затем процесс повторяется через каждый период цикла коммутации Тк..
Рис.1. Система импульсного регулирования напряжения на якоре ДПТ: а - упрощённая схема силовой части; б - её эквивалентная схема замещения; в - диаграммы изменения напряжения на якоре двигателя и токов: якоря, потребляемого от источника и в обратном диоде
Временные диаграммы напряжения и токов в схеме построены на
рис. 1, в в предположении равенства нулю падений напряжений на открытых полупроводниковых приборах и равенства нулю внутреннего сопротивления источника питания Rв (рис. 1, б) для постоянного и переменного тока.
Способы регулирования скважности
Как следует из рис. 1, в, среднее значение напряжения на якоре двигателя Uя.ср , а следовательно, и его угловая скорость вращения, может регулироваться
изменением скважности импульсов g = tи / Тк., где tи – длительность импульса,
Тк – период коммутации.
Это изменение может быть получено одним из трех способов:
· регулированием tи – продолжительности включенного состояния К, при
постоянной частоте импульсов f = l/ Тк ; т. е. при Тк = const, а tи = var. Та-
кой способ называется широтно-импульсным регулированием (ШИР);
· регулированием частоты импульсов, при постоянным времени включения К – tи, т. е. при tи = const и Тк = var. Это частотно-импульсный способ регулирования (ЧИР).
· при изменении как частоты импульсов, так и продолжительности замкнутого состояния К, т. е. при Тк = var и tи = var – широтно-частотный способ импульсного регулирования (ШЧИР).
Наибольшее распространение в технике электропривода получило широтно-импульсное регулирование.
Устройства, преобразующие напряжение сети в регулируемое напряжение питания двигателя постоянного тока с помощью широтно-импульсного регулирования, называются широтно-импульсными преобразователями (ШИП). Схема питания якорной цепи двигателя постоянного тока от ШИП (рис. 1, а) получила название системы ШИП-Д.
Широтно-импульсный преобразователь
Функционально ШИП состоит из двух частей: блока широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и силового блока, который включает в себя выпрямитель (Вп) и силовой коммутатор (СК) (рис. 2, а).
Широтно-импульсный модулятор преобразует входную координату – напряжение управления Uу во внутреннюю координату – скважность включения вентилей g.
В состав ШИМ входят: генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), схема сравнения (СС), распределитель импульсов (РИ) и усилители импульсов (У). ГЛИН вырабатывает с частотой f = l/ Тк напряжение Uглин, ко-
торое может быть синусоидальной, треугольной, пилообразной и т.д. формы.
Схема сравнения анализирует на своем входе два сигнала Uглин и Uу. При Uглин-Uу£ 0 сигнал на выходе схемы сравнения Uс.с (рис. 2, б) положительный максимального уровня, при Uглин-Uу>0 сигнал Uс.с отрицательный максимального уровня. РИ распределяет импульсы управления по силовым ключам коммутатора.
Рис. 2. Система ШИП-Д: а – обобщённая функциональная схема; б – временные диаграммы напряжений в схеме для линейно нарастающего напряжения управления
Силовой коммутатор реализует посредством включения и отключения силовых ключей заданную с помощью ШИМ скважность в виде выходной ЭДС ШИП, среднее значение которой определяется интегралом
(1)Силовой коммутатор в схеме (рис. 1, а) не позволяет изменять полярность выходного напряжения, в связи с чем такую схему называют нереверсивной. Нереверсивная схема формирует однополярные импульсы выходной ЭДС со средним значением согласно (1)
(2)К выходу коммутатора подключен двигатель М для которого Uя.ср = Еп.
Силовой коммутатор может быть реализован также и по реверсивной (мостовой) схеме (рис. 5, б). В этом случае выбор направления вращения осуществляется за счёт парного включения транзисторов VT1, VT4 или VT2, VT3 либо более сложной комбинацией переключения силовых ключей [1].
Динамические свойства ШИП моделируются передаточной функцией с учётом запаздывания в виде
W(p)=Kп е -ТЗ р, (3)
где ТЗ – постоянная времени чистого запаздывания, определяемая как ТЗ = 1/ fк; fк – частота коммутации; Kп – коэффициент передачи ШИП.
Kп= Eп/Uу. (4)
При высокой частоте fк реально ШИП можно считать безынерционным звеном, для которого
W(p)=Kп . (5)
Регулирование скорости в разомкнутой системе ШИП-Д
Хотя напряжение uя изменяется между нулевым и номинальным значением (рис. 1, в), ток двигателя iя из-за наличия индуктивности в якорной цепи совершает незначительные колебания относительно среднего значения. Момент двигателя при этом имеет также незначительную пульсацию. Благодаря этому и механической инерционности двигателя его частоту вращения можно принять постоянной. С учётом этого допущения уравнения электромеханической и механической характеристик при импульсном регулировании имеют вид
; (6)
,
(7)где w – угловая скорость вращения, рад/с; w0 – угловая скорость идеального холостого хода, рад/с; Dw – перепад скорости; с – коэффициент ЭДС двигателя; Еп – ЭДС ШИП; Rя – сопротивление обмоток двигателя; Rп – внутреннее сопротивление ШИП включающее Rв и сопротивление замкнутого ключа К.