Электрические приводы постоянного тока.

Основным признаком таких приводов является наличие в их составе в качестве двигателя электрических машин постоянного тока, а в зависимости от типа регулирующего устройства приводы делятся на четыре группы:

- генераторные,

- тиристорные,

- транзисторные,

- шаговые.

В генераторных приводах (см. рис.6.5.) в качестве регулирующего элемента используется генератор постоянного тока, ротор которого приводится во вращение приводным, чаще всего асинхронным двигателем переменного тока. Выходное напряжение генератора пропорциональное управляющему входному сигналу на обмотке управления генератора подается непосредственно на якорь двигателя постоянного тока. Обратная связь по скорости осуществляется с помощью датчика, представляющего собой маломощный генератор постоянного тока, конструктивно находящийся на одном валу исполнительного двигателя. Генераторные приводы являются устаревшими и в новых разработках не используются.

 

3х380 в. 50 Гц. ОВ

Приводной Управляемый Uрег. М Исполнитель-

двигатель генератор ный механизм

 

ОУ

Г

Задатчик Усилитель

скорости

 

Рис. 6.5. Структурная схема генераторного привода.

М – исполнительный двигатель постоянного тока, Г - генератор – датчик скорости вращения двигателя, ОВ- обмотка возбуждения двигателя, ОУ- обмотка управления генератора.

 

Структурная схема тиристорного привода показана на рис. 6.6. Привод состоит из пускозащитного устройства АВ, согласующего трансформатора ТР, тиристорного преобразователя УТМ, исполнительного двигателя М, датчика обратной связи Г и устройства формирования управляющих импульсов для тиристоров СИФУ. Регулирующим элементом в таких приводах является тиристорный преобразователь, представляющий собой управляемый тиристорный мост. Тиристоры обладают существенным для управления принципом, а именно, запиранием его переходов при приложении к тиристору обратного напряжения, поэтому принцип регулирования заключается в пропускании через исполнительный двигатель части полуволны входного переменного напряжения. Величина этой части зависит от момента открывания тиристора до окончания полуволны. Такие части полуволн формируются по всем фазам питающего напряжения и после фильтрации подаются на якорь приводного двигателя. Величина выходного напряжения тиристорного моста таким образом зависит от величины пропускаемой части полуволны и числа этих полуволн.

 

А АВ ТР

УТМ

В

 

С М

Г

Задатчик СИФУ

скорости

 

 

Рис.6.6. Структурная схема тиристорного привода постоянного тока.

АВ – автоматический выключатель, ТР – согласующий трансформатор, УТМ – управляемый тиристорный мост, М- исполнительный двигатель, Г – генератор – датчик скорости, СИФУ – схема формирования управляющих импульсов.

 

На рис.6.7. приведена схема 12-пульсного тиристорного преобразователя. Согласующий трансформатор преобразователя ТР1 служит для согласования номинальных напряжений питающей сети и исполнительного двигателя привода, а также для получения трех дополнительных фаз питающего напряжения, формируемых на трех встречно включенных дополнительных обмотках трансформатора. Мост, таким образом, состоит из 12 управляемых тиристоров (по два на каждую фазу), пропускающих части обоих полуволн периода: положительной и отрицательной при реверсировании двигателя. Пропущенные через тиристоры части полуволн интегрируются дросселями L и подаются на якорь исполнительного двигателя. Для синхронизации импульсов открывания тиристоров с фазами входного напряжения используется маломощный трансформатор Тр2, с выходов которого подаются напряжения на блок СИФУ.

 

 

А В С

 

 

ТР

 

X Y Z x y z -x -y -z

-X -Y -Z

 

D2 СИФУ

D1

D4

D3

D6

D5

 

D8

D7

D10

D9

D11 D12

DR1 DR2

 

M

 

 

Рис.6.7. Принципиальная схема 12-ти пульсного тиристорного преобразователя.

 

 

Блок СИФУ предназначен для формирования управляющих сигналов для тиристоров управляемого моста. На рис.6.8. показана структурная схема СИФУ по одному каналу управления мостом. Работа схемы иллюстрируется циклограммой, показанной на рис. 6.9. Входное синусоидальное напряжение U cх, снимаемое с соответствующей обмотки трансформатора Тр2 (рис.6.7.) после фильтрации на блоке Ф подается на два формирователя ПЭ1 и ПЭ2, где из обоих полуволн синусоиды формируются однополярные импульсы ПЭ1 и ПЭ2 длительностью 176 градусов (полуволна – 180 градусов). По задним фронтам импульсов ПЭ1 и ПЭ2 формируются короткие (не более 4 градусов) импульсы F, используемые для формирования пилообразных импульсов Uгпн, длительностью, равной длительности импульсов ПЭ1 и ПЭ2. На схеме сравнения производится сложение пилообразных импульсов с уровнем напряжения задатчика скорости U зад. При совпадении амплитуд этих двух сигналов нуль-орган НО формирует короткий импульс, который взводит триггер Т. При изменении состояния триггера одновибратор S формирует одиночный импульс, который на разрешении сигналов ПЭ1 и ПЭ2 проходит на усилители импульсов УИ1и УИ2. В зависимости от направления вращения двигателя, задаваемого в виде второго сигнала на входах блоков УИ, импульсы подаются на управляющие электроды тиристоров прямой или обратной ветви тиристорного моста. В результате на двигатель проходят части полуволн входного напряжения. Для 12 – пульсной схемы тиристорного моста, показанного на рис. 6.7. необходимо шесть каналов СИФУ, т.е. 6 приведенных на рис 6.8 схем.

 

+ А

ПЭ1 & УИ1

U зад.

U синх.

Ф F ГПН НО S

S M

& & R

ПЭ2

& _ УИ2

А

Рис. 6.8. Функциональная схема СИФУ (один канал).

 

 

U вход.

 

 

U пэ1

 

Uпэ2

 

U F

 

 

U задатчика U уст.

 

 

U гпн U тек.

 

U но

 

 

U s

 

U уи1

 

 

U уи2

 

 

U вых.

 

Рис.6.9. Циклограмма сигналов преобразователя (по одной фазе, в одном направлении).

 

 

Транзисторные приводы постоянного тока строятся в основном для маломощных двигателей, поскольку транзисторы, по сравнению с тиристорами, допускают существенно меньшие токи и напряжения. Схема простейшего транзисторного привода показана на рис. 6.10. Схема питается отдельным источником питания E пит. С напряжением, равным номинальному напряжению исполнительного двигателя. Двигатель включен в одну из диагоналей транзисторного моста Т1…Т4, на другую диагональ подается напряжение питания E пит. При подаче открывающего наряжения на базы транзисторов Т1 и Т4 ток от источника питания проходит через якорь двигателя слева направо. При открывании транзисторов Т2 и Т3 ток источника протекает в обратном направлении, т.е. происходит реверс двигателя. Для регулирования скорости двигателя используется принцип широтноимпульсного модулирования управляющих сигналов, подаваемых на базы транзисторов.

 

 

R 1 R2 U пит.

 

 

Т1 Т2

+ U вх.

 

М

- U вх.

 

Т3 Т4

 

Рис.6.10. Принципиальная схема транзисторного привода постоянного тока.

Шаговые приводы построены на использовании характеристик специальных шаговых двигателей постоянного тока. Шаговые двигатели представляют собой многополюсные электрические машины постоянного тока, имеющие зубчатый ротор и четыре или шесть обмоток на статоре. Функциональная схема шагового двигателя показана на рис.6.11. При подаче напряжения на одну из обмоток ротор двигателя поворачивается таким образом, чтобы обеспечить минимальный зазор между магнитным сердечником обмотки и соседним зубцом ротора, т.е. ротор должен повернуться на определенный, заданный конструкцией ротора угол. При подаче напряжения в следующую обмотку ротор снова повернется на такой же угол, чтобы обеспечить минимальный зазор между тем же зубцом и сердечником новой обмотки и т.д. Таким образом подавая поочередно напряжения на обмотки ротор вращается в стартстопном режиме в том направлении, в котором переключаются обмотки статора. При изменении последовательности переключения обмоток производится реверс двигателя. Для уменьшения угла поворота на каждое переключение обмоток, другими словами уменьшения дискретности поворота, можно подать одинаковое напряжение в две соседних обмотки. В этом случае ротор остановится таким образом, что зубец будет находиться между двумя соседними магнитными сердечниками рабочих обмоток. Для шестиобмоточных двигателей можно еще уменьшить дискретность путем последовательной подачи импульсов в две или три обмотки.

 

 

 

ШД

Об1 - +

Об2 - + УУШП

Об3 - -

Об4 - -

 

 

ИП

 

 

Рис. Принципиальная схема четырех - обмоточного шагового двигателя.

 

 

Рис. Циклограмма 4- обмоточного шагового двигателя.

 

 

Об1

Об2 УУШП

 

 

ШД

Об6

ИП

 

Рис. 6.11. Схема включения 6 – обмоточного шагового двигателя: Об1…Об6 – обмотки двигателя, ИП – источник питания, ШД – шаговый двигатель, УУШП – устройство управления шаговым двигателем

Обычно напряжения на обмотки подаются в виде импульсов определенной длительности и частоты. Длительность импульсов определяет собой величину пропускаемого тока и следовательно крутящий момент на валу двигателя, а частота – скорость вращения ротора. Важной особенностью таких двигателей является тот факт, что угол поворота ротора точно соответствует числу переключений обмоток, т.е. числу поданных на привод импульсов, благодаря чему можно отказаться от громоздких измерительных систем и величину перемещения рабочего органа станка можно определять путем простого подсчета импульсов. На рис. 6.12. показана структурная схема 12 – тактного шагового привода. Входные импульсы прямого или обратного хода подаются на двенадцати тактный коммутатор, выдающий на выход сигналы в виде постоянного напряжения по шести фазам в соответствии с циклограммой на рис. 6.13. Эти напряжения поступают в блок потенциальных развязок, предназначенный для гальванической развязки между УЧПУ и исполнительной схемой шагового привода. После усиления напряжений в узле усилителей мощности УМ напряжения подаются на обмотки шагового двигателя, но через узел форсировочных резисторов УФР. Этот узел предназначен для увеличения амплитуды напряжения на обмотках двигателя в первый момент действия напряжения. Этот эффект достигается за счет того, что в первый момент конденсатор С не заряжен, через него течет ток и на обмотку подается все напряжение источника питания (+48 вольт). По мере зарядки конденсатора, ток через него уменьшается и на обмотках остается примерно половина питающего напряжения (+24 в.), так как ток течет только через резистор. Режим форсирования необходим для преодоления трения покоя, поскольку двигатель работает в старт – стопном режиме. Так как снятие напряжения с обмоток осуществляется путем полного закрытия транзисторов в усилителях мощности УМ, накопленная в обмотках двигателя ЭДС самоиндукции разряжается через резистор и диод в блоке УДЦ – узел демпфирующих цепей.

 

 

ШД

+ Имп. вх.

К УПР УМ