Усилители импульсных следящих приводов
8.6. УСИЛИТЕЛИ ИМПУЛЬСНЫХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ
Усилители импульсных СП предназначены для усиления электрических импульсных сигналов, содержащих информацию о сигнале рассогласования. B общем случае структурная схема такого усилителя (см. рис. 78, e) состоит из следующих функциональных элементов: УПТ, дискретного элемента, схемы управления, выходного каскада. Выходной каскад является самым важным и определяющим с точки зрения структуры всего усилителя и получения регулировочных характеристик управляемого двигателя. Для реализации импульсного режима работы усилителя выходной каскад строят на базе силовых транзисторов и тиристоров, управляемых импульсами, поступающими с выхода схемы управления.
Рис. 100. Транзисторный усилитель импульсного СП
Назначение дискретного элемента заключается в преобразовании непрерывного сигнала в последовательность импульсов, промодулированных сигналом рассогласования по амплитуде, частоте, длительности, сдвигу фаз. В усилителях с транзисторным выходным каскадом находит применение широтно-импульсная модуляция, осуществляемая с помощью ШИМ. В усилителях с тиристорным выходным каскадом наряду с ШИМ применяют устройства, вырабатывающие импульсы с переменной фазой для регулирования угла отпирания тиристоров.
Для усиления входного сигнала по амплитуде, суммирования сигналов рассогласования и корректирующих связей, а также для развязывания цепей ИР и каскадов усилителя на входе предусматривается УПТ с непосредственным усилением. Следует отметить, что различные по функциональному назначению элементы усилителя могут быть объединены в одном устройстве. Например, ШИМ может выполнять роль схемы управления.
Транзисторные усилители в импульсном режиме. Для пояснения сущности импульсного способа регулирования мощности рассмотрим работу мостового выходного каскада усилителя (рис. 100). В исходном состоянии, когда отсутствует управляющий импульс, транзисторы VT5, VT7 заперты, а транзисторы VT6, VT8 насыщены и совместно с диодами VD5, VD7 закорачивают обмотку двигателя M.
При поступлении управляющего импульса на базу VT7 транзистор открывается на время, равное длительности импульса. Для предотвращения сквозных токов транзистор VT6 запирается инвертирующим импульсом. Источник напряжения, подключенный к нагрузке на это время, через насыщенные транзисторы VT5, VT8 создает максимальный импульс тока. Во время паузы источник отключается, ток спадает через транзистор VT8 и диод VD7. В результате на нагрузке создается ток, среднее значение которого зависит от соотношения длительностей импульса и паузы.
Таким образом, отличие импульсного метода управления транзисторами от непрерывного заключается в способе регулирования энергией источника питания. При непрерывном способе транзисторы в цепи источника питания выполняют роль управляющих элементов, сопротивление которых зависит от значения входного сигнала, и регулируют силу тока через нагрузку. При импульсном методе транзисторы, открываясь, подключают к нагрузке все напряжение источника питания, но регулируют время его подключения в соответствии с длительностью импульсов, зависящей от значения входного сигнала.
Преимущества импульсного метода перед непрерывным заключаются в возможности работы транзисторов без специального подбора, обеспечении минимальной мощности рассеяния транзисторов и больших мощностей (несколько киловатт). При одной и той же схеме выходного каскада источник питания можно подключать к нагрузке или отключать его, используя различные законы коммутации транзисторов· диагональный, симметричный, несимметричный. Законы коммутации формируются схемами управления, представляющими собой транзисторные релейные устройства. Схемы управления содержат запирающие (UЗ) и насыщающие (UOT) источники, поочередно подключаемые к переходам эмиттер—база силовых транзисторов. Основными требованиями, предъявляемыми к схемам управления, являются формирование прямоугольных импульсов и минимизация мощности рассеяния в цепях управления силовыми транзисторами.
Для обеспечения импульсного режима работы выходного каскада в усилитель включают УПТ, два ШИМ, две схемы управления (см.
рис. 100). В качестве УПТ могут быть использованы ОУ, дифференциальный эмиттерный повторитель или ФЧВ. Сигнал с УПТ суммируется с пилообразным напряжением и поступает на входы ШИМ1 и ШИМ2, выполненных на тех же элементах, что и ШИМ, представленный на рис. 90, но с применением транзисторов другой проводимости. Сигнал с выхода ШИМ1 подается на схему управления СУ1, собранную на транзисторах VT3, VT4, работающих в противофазе, и содержащую источники UOT и UЗ. Состояние транзисторов VT5, VT6 определяется состоянием транзисторов VT3 и VT4, которые в режиме насыщения подключают к базам VT5, VT6 цепь источника UЗ.
В исходном состоянии (при отсутствии входного сигнала) относительная продолжительность импульсов на выходе ШИМ1 равна нулю, и транзистор VT3 схемы управления закрыт запирающим напряжением, создаваемым делителем R5—R7. Напряжение насыщающего источника UOT через делители R8, R9 и R8, R10 открывает транзисторы VT4 и VT6. Транзистор VT5 запирается напряжением UЗ через насыщающий транзистор VT4. Состояние ШИМ2, аналогичное состоянию ШИМ1, определяет закрытое состояние VT7 и открытое состояние VT8. В результате якорь двигателя M оказывается закороченным через открытые транзисторы нижних плеч моста, диоды VD5, VD7 и шину +UП источника питания.
Рис. 101. Тиристорный усилитель
С подачей входного сигнала напряжение выхода УПТ при указанной на схеме полярности складывается с пилообразным напряжением и ШИМ1 переключается. Это приведет к смене состояний транзисторов СУ1 и транзисторов выходного каскада: транзистор VT5 откроется, VT6 закроется. Состояние ШИМ2 не изменяется так же, как не изменяется состояние транзисторов VT7, VT8. Ток, замыкаясь по цепи +UП—VT8—M—VT5— UП, потечет через обмотку ИД. Изменение напряжения на выходе УПТ вызовет изменение длительности импульсов и изменение частоты вращения ИД.
Смена полярности напряжения на выходе УПТ вернет ШИМ1 в исходное состояние и приведет к коммутации ШИМ2. В результате транзистор VT5 закроется, VT6 откроется, и их коммутация приведет к реверсу ИД.
Тиристорные усилители мощности. Тиристоры благодаря высокой надежности, большому КПД и коэффициенту усиления по мощности нашли применение как усилители мощности. Аналогично транзисторным выходным каскадам в режиме переключения, тиристорный усилитель выполняет роль регулятора мощности источника питания путем изменения времени его подключения к нагрузке. Ha рис. 101, а представлены схема простейшего усилителя на тиристоре VS и поясняющие его работу диаграммы токов и напряжений. B силу многослойности структуры тиристора (рис. 101, б) он обладает односторонней проводимостью в течение времени, корда к его аноду 1 относительно катода 2 приложено положительное напряжение, и открывается при подаче импульса на управляющий электрод 3. Действие управляющего сигнала после того, как тиристор откроется, прекращается.
Отключают тиристор снятием напряжения питания или пропусканием тока противоположного направления. Для выключения тиристора часто используется естественное снижение напряжения до нуля при питании от сети переменного тока. При отсутствии управляющего импульса или подаче его в отрицательный полупериод анодного напряжения со схемы управления A тиристор закрыт, и ток в цепи нагрузки отсутствует. С приходом в положительный полу период управляющего импульса тиристор открывается, подключая все напряжение источника питания к нагрузке и отключая его в конце полу периода. В результате коммутации цепи осуществляется однополупериодное выпрямление, и по нагрузке протекает прерывистый ток. Средняя сила тока Icp нагрузки (рис. 101, в) зависит не только от напряжения UП источника питания и сопротивления нагрузки Rн, но и от угла отпирания тиристора, регулируемого фазой угла смещения ? управляющего импульса: ?2 > ?1, Iср2 < Iср1.
Для уменьшения пульсации тока в нагрузке тиристорные усилители мощности, как правило, строят по двухполупериодной схеме с питанием от однофазной или многофазной сети. Нагрузкой при этом может быть ИД как постоянного, так и переменного тока.
Реверс ИД трудно осуществить с помощью одного тиристора (в силу его односторонней проводимости).
Для этого используют два тиристора или две группы тиристоров, каждая из которых управляется от своей схемы.
Дифференциальная схема включения ИД с трансформатором T и двумя парами встречно-параллельных тиристоров VS1— VS4 представлена на рис. 102, а. Выходной каскад имеет четыре раздельных цепи управления. Вращения двигателя M в одном направлении добиваются подачей импульсов управления на вход тиристора VS1 в один полупериод и на вход тиристора VS2 — в другой полупериод. Для осуществления реверса изменяют порядок формирования импульсов; в первый полупериод управляющие импульсы подают на вход тиристора VS4, во второй — на VS3 (тиристоры VS1, VS2 закрыты).
Сила тока через якорь двигателя определяется углом сдвига фазы управляющего импульса, а в конечном счете — значением сигнала управления. Как видно из схемы, аноды тиристоров VS1-VS4 гальванически связаны и могут быть установлены без изоляции на общий тепло отвод. Аноды тиристоров VS1, VS2 необходимо изолировать от общего тепло отвода.
Как недостаток схемы следует отметить то, что тиристоры в закрытом состоянии подвергаются воздействию обратного напряжения, наводимого во вторичной обмотке трансформатора T.
Рис. 102. Выходные каскады на тиристорах
В выходном каскаде, схема которого дана на рис. 102, б, тиристоры, зашунтированные диодами VDl—VD4, находятся в лучших условиях работы, так как они не подвергаются воздействию обратного напряжения. Кроме того, каждая пара тиристоров (VS1 и VS2, VS3 и VS4) имеет общие катоды, что позволяет упростить схему управления, сделать ее с четырьмя гальванически связанными попарно выходами. В остальном порядок формирования импульсов и работа схемы аналогична первой.
Схемы выходных каскадов для управления ИД переменного тока показаны на рис. 102, в, г. Каскад на рис. 102, в выполнен по дифференциальной схеме на двух тиристорах VS1, VS2, и его двухполупериодная работа обеспечивается разрядом соответственно конденсатора C1 или C2.
До момента подачи управляющего импульса тиристоры закрыты, а каждый из конденсаторов заряжен до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора T (разряду препятствуют диоды VD1, VD2). При подаче управляющего импульса в соответствующий полупериод на один из тиристоров (например, VS1) по обмотке управления ИД потечет ток. Одновременно через открытый тиристор происходит перезарядка конденсатора C1. В следующий полупериод тиристор VS1 закрыт, но за счет разряда конденсатора C1 через обмотку управления протекает ток другого направления.
Реверс двигателя обеспечивается подачей импульса управления на тиристор VS2. Ток через VS2 протекает по обмотке управления в том же направлении, что и через VS1, но со сдвигом в 180°, так как тиристоры VS1 и VS2 работают в разные полу периоды. Преимущество такого выходного каскада — простота схемы управления, имеющей два раздельных выхода.
Рис. 103. Трехфазный тиристорный усилитель
Схема выходного каскада, представленная на рис. 102, г, по элементной базе, числу входов и порядку формирования импульсов аналогична схеме на рис. 102, б, но отличается от нее расположением нагрузки и источника питания. При указанной на рис. 102, г мгновенной полярности источника питания и подаче импульса на тиристор VS1 ток течет по пути «+UП» — T1 VS1— VD2—«-UП»; во второй полупериод «+UП»—VS2—VD1—T— «—UП». В магнитопроводе трансформатора T создается переменный магнитный поток, а во вторичной обмотке — переменная ЭДС. Элементы VS3, VS4, VD3, VD4 нижней половины каскада обеспечивают реверс схемы.
Для уменьшения пульсации тока в нагрузке применяют также многофазные схемы питания тиристоров. В трехфазной схеме с нулевым выводом (рис. 103, а) ток нагрузки формируется переключением тиристоров VS1—VS3 в порядке следования фаз A, B, C напряжения питания и в соответствии с законом распределения управляющих импульсов, вырабатываемых фазосдвигающим устройством (рис. 103, б). При угле регулирования ? = 0° в течение положительной полуволны фазы A напряжения питания к работе подготовлен тиристор VS1.
С приходом первого разрешающего импульса тиристор открывается в точке а — точке естественной коммутации вентилей. Ток протекает по цепи фаза A—VS1—L1—M — нулевой зажим. В точке б произойдет переключение тиристоров, так как со схемы управления придет второй разрешающий импульс на тиристор VS2 и т. д. При этом к ИД будет приложено максимальное выпрямленное напряжение, способствующее получению наибольшей частоты вращения.
Рис. 104. Диаграммы, поясняющие работу тиристорного усилителя
Смещение управляющего импульса на угол ? = 0 задерживает включение очередного тиристора и его отключение даже при смене полярности напряжения на аноде. Это видно из диаграмм, представленных на рис. 104, где заштрихованные области соответствуют падению напряжения на нагрузке. При ? = 60° через тиристоры в течение некоторого времени протекает обратный ток от противоЭДС, возникающей на обмотке ИД, и источнику питания возвращается часть запасенной энергии. Результирующий средний ток тиристора становится меньше, напряжение UУ и частота вращения ИД также уменьшаются. При ? = 90° токи, протекающие через тиристор в прямом и обратном направлениях, компенсируются, напряжение UУ = 0 и ИД находится в покое.
Режим работы тиристоров, используемый при углах регулирования 0°=?=90°, называется выпрямительным в отличие от инверторного, получаемого при 90°=?=180°. Выпрямительные свойства тиристоров при этом сохраняются, но они работают в моменты времени, когда к катоду подводится отрицательное по отношению к аноду напряжение. Инверторный режим работы используется для реверса ИД и реализуется применением дополнительных тиристоров VS4—VS6 (см. рис. 103). Ток при реверсе протекает от нулевого зажима через открываемые тиристоры. Таким образом, при отсутствии рассогласования схема управления выдает импульсы со сдвигом в 90°. При рассогласованиях одного знака угол регулирования уменьшается, при рассогласованиях другого знака — увеличивается.
При многофазных источниках питания для каждого тиристора предусматривается свой блок ФСУ и необходимое временное распределение управляющих импульсов.
B динамике тиристорный усилитель может быть представлен апериодическим звеном с передаточной функцией
где kт.у — коэффициент усиления; T — постоянная времени, определяемая как T ?2/?; ? — частота входного сигнала.
Инерционность усилителя обусловлена индуктивностями дросселей и влиянием индуктивности якорной обмотки ИД.
В силовых СП мощностью до десятков киловатт тиристорные усилители успешно конкурируют с ЭМУ, обладая такими преимуществами, как отсутствие коллекторных устройств, вращающихся частей, бесшумность и высокое быстродействие. Как недостаток следует отметить сложность схемы управления и необходимость в источнике питания с мощностью, во много превышающей мощность ИД.
Назад | Содержание
| Вперед
