Технические средства замкнутых схем управления электропривода

Современные замкнутые системы управления ЭП реализуются, как правило, на основе полупроводниковых элементов и устройств, отличающихся при правильном их выборе и использовании широ­кими функциональными возможностями управления, автоматиза­ции и диагностики, надежностью в эксплуатации, высоким КПД и относительно невысокой стоимостью. Силовая часть замкнутых ЭП реализуется на основе того или иного преобразователя - выпрямителя, инвертора, преобразователя часто­ты, регулятора напряжения постоянного или переменного тока. В этих преобразователях используются диоды, тиристоры, транзисто­ры и различные модули (интегрированные устройства) на их основе. Справочные данные по этим полупроводниковым элементам приведены в [11] и [12].

Диоды -неуправляемые полупроводниковыеприборы, обладающие односторонней проводимостью. Диод проводит ток при подаче на него напряжения в прямом направлении («+» - на аноде, « -» на катоде).

Тиристоры -вентили с неполным управлением.

Вентили с неполным управлением характеризуются тем, что переход из состояния «выключено» в состояние «включено» возможен даже при кратковременном воздействии маломощным сигналом по цепи управления при наличии на вентиле напряжения в прямом направлении («+» - на аноде, «-» на катоде), т.е. напряжения такой полярности, при которой он может пропускать ток. Переход вентиля из «включено» в состояние «выключено», т.е. запирание вентиля и прекращение протекания через него прямого тока, возможен только при смене полярности напряжения на вентиле (на выводах «анод-катод»), т.е. при приложении к нему напряжения обратной полярности («-» - на аноде, «+» на катоде). Таким образом, неполная управляемость означает, что вентиль можно включить воздействием по цепи управления, но невозможно выключить по цепи управления. В качестве примера характеристик современных однооперационных управляемых вентилей приведем предельные эксплуатационные показатели тиристоров серии Т:

-рабочие токи - до 10000 А;

-рабочее напряжение – до 6500 В;

-ударные токи –до 100 кА;

-коммутируемые мощности до 10 МВт в длительном режиме и до 500 МВт в импульсном режиме.

Вентили с полным управлением характеризуются тем, что их можно отпереть и запереть при наличии на них прямого напряжения воздействием только по цепи управления.

Основными вентилями с полным управлением являются запираемые (двухоперационные) тиристоры, которые принято обозначать как GTO - (Gate Turn Off)и силовые транзисторы с изолированным затвором, обозначаемые как IGBT- (Isolated Gate Bipolar Transistor).

Запираемые (двухоперационные) тиристоры отличаются от обычных (однооперационных) тиристоров тем, что их можно запереть подачей короткого импульса тока обратной полярности в цепь управляющего электрода. Следует отметить, амплитуда этого импульса управления должна быть не менее одной трети импульса анодного тока, протекавшего через вентиль перед его выключением. Такая большая величина импульса тока цепи управления объясняется невысоким коэффициентом усиления то току k_β при запирании тиристора. Поэтому для запираемых тиристоров важны не средние значения прямого тока, а максимальные (мгновенные) значения, по которым они маркируются. Достигнутые предельные параметры запираемых тиристоров: по прямому току - до 2,5 кА, по напряжению - до 6 кВ, по частоте переключения - до 2-3 кГц, по коэффициенту усиления по току выключения k_β до 3-5.

В последние годы GTO- тиристоры были модифицированы и создан новый тип вентиля - тиристор, коммутируемый по управляющему электроду (GCT- Gate Commutated Thyristor или IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor). В нем за счет того, что весь ток включения-выключения коммутируется через управляющий электрод, на порядок сокращается время коммутации и коммутационные потери. Это позволило создать IGCT- тиристор на 3 кА, 3,5кВ. Для него в отличие от GTO- тиристора не требуется снабберов - специальных внешних цепей, формирующих траекторию рабочей точки при выключении тиристора.

В простейшем случае снаббер – это конденсатор, ограничивающий скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре при его выключении. Последовательно с конденсатором включается активное сопротивление для ограничения тока конденсатора.

Транзисторы.Принципиальным отличием транзисторовот обычных и запираемых тиристоров, включаемых и выключаемых короткими импульсами управления, является то, что для них наличие сигнала управления необходимо в течение всего времени прохождения через транзистор прямого тока. Предельные электрические параметры транзистора, определяющие возможности его применения в устройствах силовой электроники, зависят от типа транзистора.

Биполярные транзисторы представляют собой трехслойные полупроводниковые структуры p-n-p или p-n-р, в которых имеются два p-n перехода: база-эмиттер и база-коллектор. Промышленность выпускает силовые биполярные транзисторы на токи до сотен ампер с напряжением в сотни вольт и максимальными частотами переключения до единиц килогерц.

Основные недостатки биполярных транзисторов связаны с заметными потерями мощности на управление (током по базе) и невысоким быстродействием.

Полевые транзисторы.В отличие от биполярных транзисторов, работающих с двумя типами носителей тока - электронами и дырками, полевые транзисторы используют один (униполярный) тип носителя тока. Проводимость канала между истоком и стоком (определенными аналогами эмиттера и коллектора биполярного транзистора) модулируется с помощью электрического поля, прикладываемого к каналу в поперечном направлении с помощью третьего электрода- затвора (управляющего электрода). Канал может быть двух типов: n-типа или p-типа. Управляющим параметром для выходных характеристик у полевых транзисторов п - типа является напряжение на затворе (на входе транзистора), а не ток входа, как у биполярного транзисторов. Входная цепь полевого транзистора высокоомна. В динамике (при переключении транзистора) требуются импульсы тока в цепи управления для быстрого заряда (разряда) входной емкости затвор- сток транзистора. У полевого транзистора с каналом р-типа аналогичные свойства и характеристики, только у них при включении в схему изменяют полярности напряжения на стоке и затворе (относительно истока) на обратные.

Вторая разновидность полевых транзисторов - это транзисторы с изолированным затвором (МДП – транзисторы). В отличие от полевых транзисторов с р-п - переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с близлежащей областью токопроводящего канала в МДП – транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика. По этой причине МДП – транзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором. МДП - транзисторы (структура металл - диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO₂. Отсюда другое название этих транзисторов - МОП - транзисторы (структура металл-окисел-полупроводник).

Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (10¹²—10¹⁴ Ом).

Принцип действия МДП – транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

За рубежом эти транзисторы носят название MOSFET.

Достоинство полевых транзисторов - малые затраты мощности на управление и высокое быстродействие в результате переноса тока в них носителями одного знака (основными носителями), в отличие от биполярных транзисторов, где ток в средней части прибора (базе) переносится медленными (неосновными) носителями. Но по предельным значениям выходных напряжений и тока полевые транзисторы заметно уступают биполярным, что определяет их использование в низковольтных устройствах силовой электроники с высокими частотами процессов преобразования электрической энергии.

Комбинированные транзисторы.В последнее время находят широкое применение комбинированный транзистор, объединяющий в себе полевой транзистор с изолированным затвором и биполярный транзистор (на выходе), названный биполярным транзистором с изолированными затворамиIGBT. Он имеет высокое входное сопротивление. Параметры выходных напряжений и тока выше, чем у биполярного транзистора. В настоящее время промышленность выпускает IGBT-транзисторы на токи от 50 до 3600 А и диапазон рабочих напряжений 600/1200/1700/3300/4500/6500 В, что позволяет создать преобразовательные системы с мощностью от 0,5 кВт до 1 ГВт. Конфигурация модулей: от одиночного ключа и чоппера до полного трехфазного моста и однофазной трехуровневой системы IGBT.

Подобно полевым транзисторам IGBT имеют изолированный затвор и управление транзистором осуществляется изменением напряжения на затворе. Ток управления и мощность управления незначительны. Прямое падение напряжения существенно меньше, чем у МОП транзисторов и составляет около полутора вольт, По быстродействию IGBT уступают полевым транзисторам, но значительно превосходят биполярные, Основными преимуществами являются высокая рабочая частота и КПД, а также устойчивость к перегрузкам, благодаря чему, IGBT успешно вытесняют из преобразовательной техники силовые биполярные транзисторы и запираемые тиристоры.

Отметим, что для транзисторов всех рассмотренных типов общим является наличие на их входах сигналов управления на все время протекания тока в выходной цепи вентиля. В то же время для GTO- тиристоров необходимы импульсы управления противоположной полярности только в моменты отпирания и запирания тиристора.

Сравнительная оценка по допустимым диапазонам мощности и частоты силовых полупроводниковых преобразователей, выполненных на однооперационных тиристорах, запираемых тиристорах (GTO), полевых транзисторах (MOSFET) и биполярных транзисторах с изолированным затвором

(IGBT) приведена в табл.17. в

Таблица 17.Сравнительная оценка характеристик силовых полупроводниковых приборо

Управляющие устройства. Для выработки законов управления двигателем, который реа­лизуется силовым преобразователем, замкнутые схемы ЭП содер­жат определенный набор управляющих элементов: задающие (про­граммные) устройства, определяющие уровень и характер изме­нения регулируемой координаты; датчики регулируемых коорди­нат и технологических параметров, дающие информацию о ходе технологического процесса и работе самого ЭП; регуляторы и фун­кциональные преобразователи, вырабатывающие управляющее воздействие на основе сигналов задающих устройств и датчиков координат и параметров; согласующие элементы, позволяющие соединить в единую схему все указанные элементы за счет согла­сования их входных и выходных сигналов по роду тока, уровням и виду сигналов и др.

Техническая реализация управляющих устройств современного ЭП весьма разнообразна. Они различаются по своей элементной базе, роду тока, мощности, конструктивному исполнению и мно­гим другим признакам. По характеру преобразования сигналов ус­тройства управления подразделяются на аналоговые и дискретные.

Аналоговые устройства и элементы характеризуются наличием функциональной (линейной или нелинейной) зависимости между входным и выходным сигналами, при этом выходной сигнал может принимать любое значение. Примером силовых аналоговых уст­ройств могут служить управляемые выпрямители и преобразовате­ли частоты, у которых напряжение и частота на выходе могут регу­лироваться в широких пределах в зависимости от уровня входного управляющего сигнала.

Дискретные элементы и устройства могут иметь только нулевой или максимальный выходной сигнал, который появляется или ис­чезает при достижении входным сигналом определенного значения. Примерами дискретных элементов могут служить реле и бескон­тактные логические элементы. На основе дискретных элементов микропроцессорных контроллеров создаются цифровые схемы управления ЭП.

Все рассмотренные выше силовые и управляющие устройства на­ходят применение в автоматизированных ЭП. До относительно недавнего времени задающие, регулирующие, согласующие и функциональные устройства, а также датчики ко­ординат ЭП выпускались отдельными сериями, «россыпью», что затрудняло проектирование схем управления, их наладку и эксплу­атацию. Прогрессивным явлением в создании технических средств управления стала разработка микропроцессорных систем управления, выполняемых с использованием микропроцессорных контроллеров.

Важной характеристикой схем управления ЭП является наличие или отсутствие в них возможности изменения (перенастройки) ал­горитма функционирования. По этому признаку они подразделя­ются на схемы с жестким (неизменным) алгоритмом и схемы с изме­няемым (программируемым) алгоритмом.

В схемах с жестким алгоритмом преобразование сигналов осуще­ствляется в соответствии со схемой соединения и характеристиками элементов. Для изменения алгоритма функционирования такой схе­мы необходима замена (перемонтаж) соответствующих элементов.

Схемы с программируемым алгоритмом позволяют менять уп­равление за счет изменения программы, управляющей работой ап­паратной части этих устройств. Реализация таких устройств осу­ществляется с использованием средств компьютерной (микропро­цессорной) техники управления и характеризует собой одну из важ­нейших тенденций развития современных ЭП. Использование этих систем обеспечивает широкую унификацию производства комплектных средств управ­ления, упрощает проектирование, наладку и эксплуатацию ЭП, улуч­шает их технико-экономические показатели.

Аналоговые элементы и устройства управления электропривода [1]

Работу таких элементов и устройств рассмотрим на примере си­стем УБСР.

Аналоговая ветвь УБСР-А выполняется из набора транзистор­ных усилителей постоянного тока, командных и задающих уст­ройств, функциональных преобразователей, датчиков координат, устройств согласования и блоков питания и рассчитана на уни­фицированный сигнал постоянного тока (0±10) мА, (0 ± 24) В, что позволяет использовать в ней транзисторы общего назна­чения.

Развитием аналоговой ветви УБСР явилась разработка серии УБСР-АИ на интегральных микросхемах, применение которых по­зволило улучшить технические характеристики схем управления и расширить их функциональные возможности. Блоки УБСР-АИ раз­мещаются на сменных ячейках со штепсельными разъемами и име­ют печатный монтаж. Эта серия рассчитана на унифицированный электрический сигнал ±10 В, ±5 мА, позволяющий соединять ее эле­менты с дискретными элементами УБСР-ДИ и другими устройства­ми автоматизации технологических процессов.

Командные (задающие) устройства реализуются на базе сельсинного командоаппарата типа СКА. Они выпускаются в трех испол­нениях - с приводом от рукоятки (СКАР), педальным приводом (СКАП) и маховичковым приводом (СКАЗ).

Рассмотрим электрическую схему сельсинного командоаппара­та (рис. 188, а). Однофазная обмотка статора сельсина ОС подклю­чается к сети переменного тока напряжением U_c = 110 В частотой 50 Гц. Выходное напряжение переменного тока U_вых снимается с двух фаз обмотки ротора и далее выпрямляется с помощью неуправляе­мого выпрямителя VD или фазочувствительного выпрямителя ФЧВ. В первом случае выходное напряжение U_вых1 будет иметь постоянную полярность, а во втором случае полярность сигнала U_вых2 будет за­висеть от сдвига фаз напряжений статора и ротора. Таким обра­зом, ФЧВ является по существу выпрямителем, полярность сигнала на выходе которого определяется фазой входного напряжения пе­ременного тока.

При повороте ротора сельсина амплитуда наводимых в его об­мотках ЭДС и соответственно выходного напряжения U_вых изме­няется от нуля в начальном положении ротора (φ = 0) до макси­мального значения при φ = 90° (см. рис. 188, б) по кривой U_вых1(φ). Для получения примерно линейной зависимости выходного сиг­нала командоаппарата в функции угла поворота ротора исполь­зуется зона φ = ± 60°.

На основе сельсинного командоаппарата выполняются и задатчики интенсивности УБСР типов БЗС и БСШД. В задатчике интен­сивности БЗС ротор перемещается однофазным реверсивным ис­полнительным двигателем типа РД-09, а в задатчике БСШД - с по­мощью шагового двигателя типа ШДР 711.

В схемах управления, в том числе и в УБСР, широко использу­ются и потенциометрические задающие устройства (задатчики) с линейным и вращательным движением ползунка. Схема, приведен­ная на рис. 189, а, обеспечивает получение двухполярного сигнала на выходе, а схемы на рис. 189, б, в - однополярного.

Если ползунки потенциометров перемещать с помощью испол­нительных двигателей, то они смогут выполнять функции задатчиков интенсивности. По такому принципу в УБСР выполнен блок скорости реостатный (БСР), в котором двигатель РД-09 через ре­дуктор перемещает ползунки двух потенциометров типа РПП. Угол поворота валиков потенциометра от 0 до 300⁰, крайние их положений ограничиваются микровыключателями.

В УБСР предусмотрен и статический (без применения двига­теля) задатчик интенсивности типа ЗИ-2АИ. В этом устройстве, предназначенном для преобразования ступенчатого входного сигнала в линейно изменяющееся во времени выходное напряже­ние, применяются четыре ОУ, один из которых работает в режи­ме управляемого ограничения, второй - в режи­ме интегратора, а третий и четвертый - в режиме инвертора. Ячейка ЗИ-2АИ операционного усилителя обеспечи­вает изменение своего выходного напряжения в пределах ± 10 В за время 0,5-120 с.

В схемах управления ЭП применяются также задатчики интен­сивности, построенные на эффекте протекающего во времени заря­да конденсатора. При подаче на вход цепочки R - С ступенчатого входно­го сигнала U_вх сигнал на ее выходе U_вых будет изменяться по экспо­ненте. Изменяя постоянную времени Т = RС, мож­но получать различный темп изменения выходного сигнала.

Датчики координат электрических приводов

В замкнутых ЭП, как уже говорилось, для формирования требуемых статических и динамических характеристик применяются обратные связи по скорости, положению, току и напряжению, реализуемые с помо­щью соответствующих датчиков. Рассмотрим и некоторые дру­гие датчики, применяемые в аналоговых схемах управления зам­кнутых ЭП.

Датчики напряжения для ЭП с ДПТ выполняются на основе по­тенциометра, включаемого на зажимы якоря М двигателя, как это показано на рис. 190, а. Уровень сигнала обратной связи по на­пряжению U_оп, снимаемого с потенциометра RP,а значит, и коэф­фициент обратной связи по напряжению определяются положени­ем движка потенциометра.

Для получения сигнала обратной связи по напряжению в ЭП с двигателями

переменного тока используются трансформаторные схемы (см. рис. 190, б).

Рис.188. Схема (а) и выходная характеристика (б) сельсинного командоаппарата

Рис.189. Потенциометрические задающие устройства (а, б, в)

Рис. 190. Потенциометрический (а) и трансформаторный (б) датчик напряжения

Аналогичные схемы применяются в систе­ме УВ - ДПТ, где трансформаторы напряжения подключаются к цепям переменного тока управляемого выпрямителя УВ.

В настоящее время находят широкое применение изолированные датчики тока и напряжения фирмы LEM (Швейцария). Перечислим достоинства этих датчиков:

- возможность применения в цепях как переменного, так и постоянного или импульсного токов (напряжений);

- аналоговый выходной сигнал;

- высокая точность преобразования: до 0,1 % от входного тока;

- высокий уровень изоляции между первичной и вторичной цепями;

- нелинейность выходной характеристики: до 0,05 %;

- широкий диапазон преобразования, высокая перегрузочная способность, отличные динамические характеристики;

- надежность (среднее время наработки на отказ превышает 10⁶ часов), стабильность параметров;

- простота применения, малые размеры и вес;

- гарантия изготовителя: 5 лет.

Приведем параметры некоторых датчиков тока и напряжения.

1. Датчик тока (датчик прямого усиления на эффекте Холла): HY 0,5…25-Р:

- номинальное значение входного тока: ± 5; 10; 15; 20; 25 А;

- точность в процентах к номинальному значению тока: 2,5 %;

- диапазон преобразования: 3·I_N А;

- выходной сигнал: 4 В;

- рабочая частота: 0…25 кГц;

- напряжение питания: ± 15 В;

- потребляемый ток: 20 mА;

- рабочая температура: -10…+75^оС;

- габаритные размеры: 36 * 33 * 12.

2. Датчик напряжения (датчик компенсационного типа со встроенным первичным резистором. Тип «С». СV3-VOLTAGE:

- номинальное значение входного напряжения:70- 1400 В;

- точность: ±2% (к номинальному напряжению);

- выходной сигнал: 10 В;

- напряжение питания: ± 15 В;

- рабочая частота: 0-800 кГц;

- время задержки: 0,3-0,4 мкс;

- рабочая температура: -40…+85 ^оС;

- габаритные размеры: 113 * 64 * 77.