Исследование электропривода постоянного тока с широтно-импульсным регулированием Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313.13

И. Ю. МУЛЛИН, А. О. холявко

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Рассматриваются вопросы теории и построения регуляторов напряжения для двигателей постоянного тока. Приводятся расчётные соотношения и результаты исследования, показывающие преимущества схемы на основе ишротно-штулъсного преобразования.

Ключевые слова: регулятор напряжения, силовой ключ, фильтр, широтно-импульсный регулятор.

В настоящее время имеется множество разработок, оптимизирующих работу электропривода. Ставится большое количество задач для модернизации и решения проблем в производстве.

При проектировании высокоэффективных регуляторов напряжения (РН) для устройств управления различными активно-индуктивными нагрузками возникает необходимость выбора из большого числа существующих решений варианта, обеспечивающего наиболее высокие тех-нико-экономические показатели. Объектами управления могут быть однофазные и трехфазные трансформаторы, асинхронные двигатели, двигатели постоянного тока и др. При этом выбор может быть между фазовым управлением (тиристорный регулятор напряжения) и широт-ио-импульсным управлением (ШИП).

Ши ротио-им пульс31 ы й н реобразователь

Регулирование напряжения на якоре двигателя постоянного тока (ДПТ) можно осуществить импульсным методом, когда двигатель периодически подключается к источнику питания и отключается от него [4]. 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.

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. 1, а).

Широтно-импульсный модулятор преобразу-

171И Н

- иу< 0 сиг-

ет входную координату - напряжение управления - во внутреннюю координату - скважность включения вентилей.

В состав ШИМ входят: генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), схема сравнения (СС), распределитель импульсов (РИ) и усилители импульсов (У). ГЛИН вырабатывает с частотой Г ~ 1/ Тк напряжение ишш, которое может быть синусоидальной, треугольной, пилообразной и др. форм.

Схема сравнения анализирует на своём входе два сигнала иглин и иу. При и нал на выходе схемы сравнения исе (рис. I, б) положительный максимального уровня, при иглнн - иу>0 сигнал и,с отрицательный максимального уровня. РИ распределяет импульсы управления по силовым ключам коммутатора.

Посредством включения и отключения силовых ключей силовой коммутатор реализует заданную с помощью ШИМ скважность в виде выходной ЭДС ШИП.

Такую схему называют нереверсивной в связи с тем, что силовой коммутатор в схеме (рис. 1, а) не позволяет изменять полярность выходного напряжения. Такая схема формирует однопо-лярные импульсы выходной ЭДС.

Силовой коммутатор может быть реализован также и по реверсивной (мостовой) схеме (рис. 2, б). В этом случае выбор направления вращения осуществляется за счёт парного включения транзисторов УТ1, УТ4 или УТ2, УТЗ либо более сложной комбинацией переключения силовых ключей. С подробным описанием можно ознакомиться в [4].

Муллин И. Ю., Холявко А. О., 2013

Рис. 1. Система ШИП-Д: а - обобщённая функциональная схема;

иу

шип

глин

и

глин

шим !

I I

б-временные диаграммы напряжений в схеме для линейно нарастающего напряжения управления

УП1

+ о-

<

['77

6 УТ2

У02

а)

+

А У02

УП4

б)

Рис. 2. Схемы силовой части ШИП: а - с возможностью реверса тока якоря; б - мостовая

О) А

СО О

о

Естественная

характеристика

\

0) А

<*гр(Ър)

(х)

о

7=0,75

у=0,5 у=0,2 5

у=0 1СР(МСР)

0

а)

б)

7=0,75

1=0,5 у=0,25

\ср(Мср)

Рис. 3. Электромеханические (механические) характеристики системы ШИП-Д, выполненной по схеме рис. 1,а: а - идеализированные; б-реальные. Здесь со - угловая скорость вращения, рад/с

Сравнение широтно-импульсного регулирования ШИР) и тириеторного

управления

Свойства вариантов формирования выходного напряжения рассматриваются относительно различных параметров управления: в первом (фазового управления) - это угол включения тиристора a, a во втором (ШИР) - коэффициент заполнения импульса D. Однако желательно при принятии решения характеристики устройств рассматривать относительно общего параметра. При формировании сигнала управления тиристором момент включения может быть задан в результате сравнения опорного пилообразного напряжения Uonc напряжением управления Uy.

Сравнение этих двух способов регулирования напряжения по изменению спектрального состава при изменении коэффициента регулирования Кр от 0 до 1 приведено в [5].

Форма выходного напряжения при фазовом управлении удовлетворяет условию f(x)= -f(x+7u) и на основном периоде описывается следующей функцией:

О, х е (0, (1 - К )тг)

(1)

sinx,xe((l-Kp)7r,7t)

Эту функцию можно разложить в ряд Фурье на гармонические составляющие с коэффициентами. которые определяются по формулам

' sin2 TcKp^q = 1

f(x) =

Ti

1

ТС

1 -cos(l ~q)nKp 1 ~cos(i +q)7iKp

1-q

1-q

,(2)

n

sin27cK я К +---[>-

1

TC

I-sin(l-q)7iK sin(l + q)7tK

i'

(3)

1 — с] 1 + я

где Т=2тс; ,3... 2п-1.

Зависимости амплитуд гармоник для фазового управления находятся в соответствии с выражением

\=К+

(4)

а для широтно-импульсного управления в соответствии с известным соотношением:

Л

4 ' X, =—sin

щ

\

Нк, 2 р

/

(5)

Применение в качестве регулирующего параметра коэффициента регулирования позволяет сравнить между собой изменения спектрального состава при различных формах опорного напряжения.

Анализ графиков (рис.4) показывает, что:

е амплитуда гармоник в ШИП приблизительно в л/2 раз выше, чем в ТРИ;

• в ШИП минимум суммы амплитуд высших

гармоник достигается при Кр - 1Л/2 , при этом

У,=1,15;

* в ТРН минимум суммы амплитуд высших гармоник достигается при Кр ~ 1, при этом

Необходимо учитывать, что при фазовом управлении частота первой гармоники составляет 50 Гц, а при ШИП она гораздо выше - 1-10 кГц. Поэтому для фильтрации (сглаживания) высших гармоник в ШИП можно использовать фильтры с меньшими весогабаритными показателями. На основе этих исследований был разработан ШИП, с устройством которого можно ознакомиться в [1].

Существует патент на изобретение №2472282 от 28.10.2011 «Реверсивный электропривод постоянного тока» [3].

Известно, что прямой пуск двигателя постоянного тока (ДПТ) сопровождается броском тока в якорной обмотке, который превышает максимально допустимое значение. Это создаёт значительные трудности в эксплуатации ДПТ. Наиболее простой в реализации способ ограничения

кР

О 0.1 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9 1.0

б)

Рис. 4. Графики: а - амплитудный спектр фазового управления; б - амплитудный спектр ш и р отн о - и м пул ьс н ого у правл е н ия

ЧЖ б)

Рис. 5. Форма выходного напряжения регулятора напряжения: а - однофазное; б - трёхфазное

Рис. 6. Принципиальная схема разработанного регулятора напряжения для двигателя постоянного тока [2]

тока предполагает ограничение скорости нарастания напряжения якорной обмотки во время разгона двигателя. Реализация регулирования скорости осуществляется чаще всего с помощью тиристорного преобразователя, выполняемого на 6 или 12 тиристорах. Недостатком данного решения является то, что при фазовом управлении высок уровень высших гармоник, и тиристор выключается естественным образом.

Общим признаком прототипа и предлагаемого решения является наличие в силовых цепях

схемы трёхфазного моста, полярные выводы которого через силовые ключи подключены к одному из концов якорной обмотки двигателя, а другой конец - к нулевой точке питающей сети.

Техническим результатом предлагаемого устройства является снижение напряжения на транзисторах и коммутационных перенапряжений, возникающих в процессе работы, кроме этого, обеспечивается возможность реализации режима реверса и динамического торможения. Для этого регулятор предлагается выполнить в виде трёх-

фазного выпрямительного моста, полярные выходы которого через транзисторы подключены к якорной обмотке ДГ1Т, а другой конец - к нулевой точке. Точки подключения сети к трёхфазному выпрямительному мосту подключены также к нулевому проводу через ЯС-цепи.

Выводы

Основываясь на проведённых исследованиях, можно сделать выводы, что широтно-импульс-ный преобразователь характеризуется большой полосой пропускания и большей линейностью характеристик управления по сравнению с тири-сгорным преобразователем. Поэтому ШИП находит применение для электропривода с высоким быстродействием и точностью регулирования. Он особенно удобен при наличии сети постоянного тока или в автономных установках при питании привода от аккумуляторов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Доманов, А. В. Регулятор переменного напряжения / В. И. Доманов, А. В. Доманов, И. Ю. Муллин // Вестник УлГТУ. - 2009.- №2. -С. 32.

2. Доманов, А. В. Анализ чувствительности системы управления трёхфазного регулятора

напряжения / В. И. Доманов, А. В. Доманов, И. К). Муллин // Промышленные контроллеры АСУ.-2010.-№6.-С. 24.

3. Доманов, А. В. Реверсивный электропривод постоянного тока. / В. И. Доманов, А. В. Доманов, И.К). Муллин // Патент №2472282.

4. Коваленко, С. Н. Электропривод с широт-но-импульсным преобразователем: методические указания / С. П. Коваленко. - Хабаровск : Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2007.

5. Аверин, С. В. Сравнение способов регулирования переменного напряжения с помощью коэффициента регулирования / С. В. Аверин, Ю. Г. Следков // Практическая силовая электроника. - 2002. - №8. - С. 27-29.

Муллин Игорь Юрьевич> ассистент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» энергетического факультета УлГТУ. Имеет 32 научных труда, автор 5 изобретений.

Холявко Артур Олегович, студент Ульяновского государственного технического университета по специальности «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов».