СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННО-РЕАКТИВНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Датчики низкой частоты

Г Предполагается, что диапазон частот рассмотренных в гл. 5 систем частотного управления ограничен пределами от долей герца до величины порядка 50 щ, т. е. диапазоном низких частот. Изме­нение частоты напряжения пре­образователя в этих системах определяется задающим гене­ратором частоты (датчиком низкой частоты), который дол­жен иметь на своих выходах три управляющих напряжения регулируемой частоты, сдви­нутых по отношению друг к другу на угол 120° эл. Ча­стота выходных напряжений должна быть связана линей­ной зависимостью с величиной управляющего напряжения, подаваемого на вход датчика низкой частоты. При изменении полярности или фазы управляющего на­пряжения должно меняться чередование фаз выходного напряже­ния, а мощность на выходе датчика низкой частоты должна быть достаточна для управления силовыми транзисторами преобразо­вателя частоты системы частотного управления.

В качестве датчика низкой частоты, обеспечивающего трехфаз­ное напряжение на своих выходах в указанном диапазоне частот, могут быть использованы переключающие кольцевые коммутаторы [Л. 35; 52] или бесконтактные сельсины с применением в качестве генератора частоты сельсина, ротор которого вращается в пульси­рующем поле статора при помощи вспомогательного двигателя. Кольцевые коммутаторы могут быть выполнены на триггерах, фер - рит-транзисторных или феррит-диодных ячейках.

Рассмотрим работу кольцевого коммутатора, состоящего из трех триггеров I, II, III (рис. 51).

Предположим, что в начальный момент времени to транзисторы Ті всех триггеров были открыты (обозначено буквой О), а Г2 за­крыты (обозначено буквой 3). Тогда при подаче на общий вход коммутатора очередного отрицательного отпирающего импульса Unтранзистор Т триггера I перебросится в противоположное состоя­ние, т е транзистор Ті закроется, а Т2 откроется. Переброс в про­тивоположное состояние триггера / произойдет в момент поступле­ния очередного отпирающего импульса ввиду того, что отрицатель­ное смещение на входе транзистора Т2 этого триггера оказывается больше по абсолютной величине, чем на других входах закрытых транзисторов триггеров II и III, вследствие того, что вход тран­зистора Т2 триггера I соединен с выходом закрытого транзистора Т2 триггера III, тогда как входы остальных закрытых транзисторов соединены с выходами открытых транзисторов.

to

Рис 52 Состояния транзи­сторов триггеров кольцевого коммутатора при подаче на его вход отпирающих им­пульсов

Рис 53. Временная диаграмма напряже­ний на выходах транзиторов кольцевого коммутатора.

После переброса триггера I в противоположное состояние на­пряжение на выходе его транзистора Т2 упадет практически до нуля, а на выходе транзистора Ті возрастет до определенного зна­чения При этом отрицательное смещение на входе транзистора Т2 триггера II увеличится по абсолютной величине по сравнению со всеми закрытыми транзисторами, и в результате этого следующий импульс перебросит триггер II в противоположное состояние.

Далее, при поступлении отпирающих импульсов переброс триг­геров будет осуществляться так, как это представлено в таблице на рис. 52. Согласно этой таблице на рис 53 построена временная диаграмма напряжений на выходах отдельных транзисторов триг­геров кольцевого коммутатора. Как видно из диаграммы, на выхо­дах кольцевого коммутатора можно получить напряжения прямо­угольной формы U А, Uв, Uс, сдвинутые относительно друг друга на 120° эл., и напряжения прямоугольной формы —UА, —UB, —Uc, сдвинутые по отношению к указанным выше напряжениям соответ­ственно на 180° эл.

В качестве примера выполнения датчика низкой частоты с ис­пользованием кольцевого коммутатора на триггерах рассмотрим схему, приведенную «а рис. 54. Схема работает следующим образом.

Входной сигнал в виде постоянного напряжения любой поляр­ности через выпрямитель В поступает на генератор Ройера, кото­рый служит задающим генератором. С его выхода напряжение прямоугольной формы поступает на вход формирователя импуль­сов через ключ, выполненный на транзисторах Т3 и Г4. Ключ отпирается при достижении входным напряжением значения, при

Котором задающий генератор начинает работать на Нарастающей ветви входной характеристики. Напряжение открытия ключа опре­деляется потенциалом открытия кремниевого диода Д, включенного в направлении проводимости тока управления ключа. Для возмож­ности управления ключом при помощи напряжения, подаваемого на вход задающего генератора, последний включен между обмотками двух трансформаторов: трансформатора задающего генератора Тр1 и вспомогательного трансформатора Тр2.

В качестве формирователя импульсов используется полупровод­никовое реле, выполненное на транзисторах Т5, Т6. Импульсы отри­цательной полярности с выхода формирователя поступают на об­щий вход кольцевого коммутатора, выполненного на транзисто­рах Т7— Т12. В кольцевом коммутаторе используются три триггера. Связи между триггерами выполнены согласно схеме рис. 51.

Напряжения с коллекторов транзисторов каждого триггера, из­меняющиеся согласно диаграмме рис. 53, поступают на эмиттерные повторители (транзисторы Т2і— Т2б), при помощи которых осу­ществляется согласование между выходами кольцевого коммута­тора и входами усилителей датчика низкой частоты. Для измене­ния чередования фаз выходных напряжений датчика низкой час­тоты предусмотрены ключи на транзисторах Тіз— Т2о, включенные на входах эмиттерных повторителей. Для этой же цели может быть применен реверсивный кольцевой коммутатор. Как видно из прин­ципа работы схемы рис. 54, при закрытых ключах Тц, Т7, Тig и открытых Тц, Гіб, Тis, Т2о на выходах фаз Л и С появляются напряжения соответственно UА, —U А, U с, —Uc, а при противопо­ложных состояниях ключей, т. е. при открытых транзисторах TiS, Т is, Ti7, Т їв и закрытых Ти, Т16, Г is, Т2 о — напряжения U с, —Uc,

и А, и А-

Чередования фаз напряжений на выходах фазы В остаются без изменения. Поскольку изменение чередования фаз на выходах датчика низкой частоты должно осуществляться при изменении полярности напряжения входного сигнала, то состояние ключей должно определяться этим же сигналом. С этой целью в схему включен триггер, выполненный на транзисторах Т27 и Т2Ъ, управ­ляющий работой ключей изменения чередования фаз. На вход одного из транзисторов триггера, например Т21, подано напряжение входного сигнала. В этом случае при положительной полярности на базе транзистор Т27 закрыт, а транзистор Т2в открыт и, следо­вательно, ключи Тіз, Тis, Ті?, Тig закрыты, а ключи Тц, Уїв» TiS, Т20 открыты. В случае изменения полярности входного сигнала на про­тивоположную транзистор Т27 открывается, а транзистор Т28 за­крывается, и ключи соответственно изменяют свое состояние на противоположное.

Для правильной работы схемы преобразователя частоты при нарастании входного сигнала от нуля необходимо, чтобы выбор чередования фаз в зависимости от полярности этого напряжения был произведен ранее запуска кольцевого коммутатора. Другими словами, состояние транзисторов Т27 и T2R триггера, управляющего работой ключей выбора чередования фаз, устанавливается несколько ранее открытия ключа (Т3 и Тц) формирователя импульсов путем соответствующего выбора параметров схемы.

Выходы эмиттерных новторителей связаны с оконечнйіми усили­телями, служащими для управления транзисторами преобразователя

Ввиду того, что в трехфазном мостовом инверторе три тран­зистора имеют объединенные коллекторы, а другие три транзи­стора — объединенные эмиттеры для управления транзисторами с объединенными коллекторами, необходимо иметь три гальвани­чески не связанные между собой цепи для сигналов управления, а для управления транзисторами с объединенными эмиттерами — три цепи с общей точкой. Для этой цели в схему датчика низкой частоты введены три оконечных усилителя с гальванически не свя­занными выходами (усилители фаз А (С), С (Л), В) и три усили­теля —А (—С), —С (—Л), —В, выходы которых имеют одну общую точку, связанную с общей шиной (земля).

Оконечный усилитель с гальванически не связанными выхо­дами, например усилитель фазы Л (С), состоит из эмиттерного по­вторителя на транзисторе Т29 и транзистора Т30 (работающего в ключевом режиме), в коллекторной цепи которого включен гене­ратор Ройера (Г3і, Г32), вступающий в работу при открытом тран­зисторе Т3о. На выходе генератора, т. е. на вторичной обмотке его трансформатора, установлен выпрямитель, напряжение которого яв­ляется выходным. Провалы напряжения до нуля, образующиеся на выходе выпрямителя в моменты коммутации транзисторов генера­тора, не вызывают запирания мощного транзистора преобразова­теля, так как частота коммутации генератора выбирается не менее 2 кгц и продолжительность скважности выходного напряжения не превышает 10—20 мксек. Этого времени недостаточно для запира­ния мощного транзистора ввиду наличия у него запаздывания при запирании.

Оконечный усилитель, гальванически связанный с общей шиной, например усилитель фазы —Л (—С), состоит из эмиттерного повто­рителя на транзисторах Г33 и Т34. В эмиттерную цепь транзистора Г34 включается последовательно нагрузка база — эмиттер мощного транзистора преобразователя.

.Питание датчика низкой частоты с кольцевым коммутатором осуществляется от блока питания, имеющего на выходе напряже­ние —12 в и +3 в по отношению к общей шине (земля). Напря­жение —12 в стабилизировано при помощи полупроводникового ста­билизатора, нестабилизироваиное напряжение +3 в служит для подачи смещения на базы транзисторов. Диапазон регулирования частоты выходного напряжения находится в пределах 1,6—50 гц (кратность изменения 30).

В рассмотренном датчике низкой частоты в качестве задающего генератора используется генератор Ройера, позволяющий получить указанную выше кратность изменения частоты выходного напряже­ния датчика, а следовательно, и частоты напряжения на зажимах двигателя в зависимости от величины входного сигнала. В случае необходимости увеличения кратности изменения частоты выходного напряжения до 100 в качестве задающего генератора следует при­менять генератор с коммутационным дросселем [Л. 47] или линей­ный преобразователь постоянного напряжения в переменное, час­тота которого пропорциональна величине напряжения на входе [Л. 52]. Применение в качестве генератора низкой частоты трех­фазного бесконтактного сельсина, приводимого во вращение с по­мощью вспомогательного двигателя, позволяет получить на выходе датчика трехфааные синусоидальные напряжения, кратность изме­нения частоты которых лежит в пределах 1—100. Рассмотрим принцип действия бесконтактного сельсина, рабо­тающего в качестве генератора напряжений низкой частоты.

Переменное напряжение UB, в данном случае напряжение пря­моугольной формы, подведенное к обмотке возбуждения ОВ бес­контактного сельсина (рис. 55, а), создает пульсирующее магнит­ное поле, под действием которого индуктируются переменные на­пряжения в обмотках Р, рас­положенных на статоре. Вели­чины этих напряжений зави­сят от положения оси ротора бесконтактного сельсина 'по отношению к осям этих об­моток. При равномерном вра­щении ротора напряжения на обмотках Р будут изменяться по синусоидальному закону.

Вид кривой выходного линейного напряжения сель­сина Uвых показан на рис.

55, б. Для того чтобы оги­бающая кривой выходного на­пряжения сельсина была близ­ка к синусоиде, частота на­пряжения, подводимого к его обмотке возбуждения, при­мерно в десять или более раз должна превышать частоту модуляции /м = ря/60 (р — число пар полюсов сельсина, п — число оборотов сельсина, fM — частота огибающей вы­ходного напряжения).

Выходное линейное на­пряжение сельсина имеет вид биений и не может непосред­ственно использоваться для управления, так как среднее значение его низкочастотной составляющей равно нулю.

Для получения огибающей этого напряжения, изменяющейся по синусоидальному закону, не­обходимо произвести его выпрямление при помощи фазочувстви­тельного выпрямителя — демодулятора, после чего кривая выходного напряжения {/Вых будет иметь вид, приведенный на рис. 55, в.

Принципиальная схема датчика низкой частоты, в котором применен бесконтактный сельсин в качестве генератора синусои­дальных напряжений, представлена на рис. 56. Датчик низкой час­тоты работает следующим образом.

Двухкаскадный усилитель мощности (транзисторы Ті—Ті) пи - тает обмотку управления двигателя Де. К выходной обмотке та­хогенератора ТГ, в качестве которого также используется двух­фазный асинхронный двигатель, присоединен вход усилителя обрат­ной связи. Напряжение обратной связи, пропорциональное скорости вращения двигателя, снимается q сопротивления Ro. c и суммируется

Сеть

С переменным синусоидальным напряжением, снимаемым с выхода фильтра Ф. С изменением величины входного постоянного напря­жения прямо пропорционально изменяется скорость вращения дви­гателя, а следовательно, сочлененного с ним сельсина. В резуль­тате этого изменяется частота биений кривой выходного напряже­ния сельсина (см. рис. 55, б).

Модулятор М служит для преобразования входного постоян­ного напряжения в переменное напряжение прямоугольной формы, частота которого должна быть равна частоте сети питания двига­теля и тахогенератора. Переменное напряжение с выхода модуля­тора превращается в синусоидальное с помощью фильтра Ф. Фазо­сдвигающая цепочка ФУ служит для согласования фазы напряже­ния с выхода фильтра Ф с напряжением, снимаемым с выхода усилителя обратной связи (с сопротивления Ro. c)-

Для получения трехфазной системы синусоидальных напряже­ний к трехфазной обмотке сельсина присоединены шесть демоду­ляторов {Д—Дв), на выходе каждого из которых включена ем­кость, служащая для фильтрации высокочастотной составляющей синусоидального напряжения (см. рис. 56). В результате на вы­ходе датчика получаются две трехфазные синусоидальные системы напряжений, сдвинутые относительно друг друга на 180° эл. При необходимости величины (амплитуды) выходных синусоидальных напряжений, снимаемых с выходов демодуляторов Д—Д6, могут регулироваться, если обмотку возбуждения сельсина питать от не­зависимого усилителя (см. § 13). Диапазон регулирования частоты выходного напряжения датчика лежит в пределах от 0,5 до 50 гц.

При изменении полярности входного сигнала изменяется на­правление вращения сельсина, а следовательно, порядок следова­ния фаз напряжений на выходе демодуляторов.