Автоматика. Учебное пособие Ульяновск 2009
 Скачать 1.4 Mb.
|
|
, ppm/°C 50 30 20 Нелинейность, % 0,1 0,35 0,5 Смещение, мВ/А 2/25 3/20 10/40 Т дрейф смещ. мкВ 100 50 25 Диапазон (-3 дБ, кГц 200 10 15 Защищенная двунаправленная схема сдвига уровня позволяет избежать ошибок измерения при воздействии шумов с dV/dt до 50 В/нс. На рис. 2.18 показан пример включения такого токового датчика. Датчики тока также могут вырабатывать сигнал аварии при появлении сквозного тока или тока короткого замыкания для экстренного отключения транзистора или модуля IGBT. 61 Усилитель+ фильтр входного сигнала Детектор избыточного тока Сдвиг уровня Генерирование ШИМ и Восстановление аналогового выходного сигнала Низкое напряжение Высокое напряжение К А/D преобразователю VRH OUT VRL VSS Sync От К DSP РО ОС +15 В G0 G1 VB Vin- Vin+ VS На фазу электродвигателя Рис. 2.18. Схема включения датчика с адаптивным выходным сигналом 62 2.5. Датчики ЭДС Датчики ЭДС применяются в системах ЭП для контроля скорости вращения с определенной точностью [5]. Применяются в системах ЭП с диапазоном регулирования Д = 1 40 только с однозонным регулированием скорости, при постоянстве потока возбуждения Ф дв =const, ЭДС пропорциональна скорости Е . Датчик ЭДС на базе тахометрического моста представлен на риса, где приняты обозначения КО – компенсационная обмотка ДП – дополнительные полюса. Если ко дп я R R R R R 2 1 , то U дэ Е (рис. 2.19, баб) Рис. 2.19. Тахометрический датчик ЭДС Достоинством схемы является простота. К недостаткам следует отнести - температурную нестабильность датчика, вызванную разной величиной тока, протекающего по силовой схеме и схеме делителя и разными условиями охлаждения (погрешность 7 10 %); - низкую точность датчика в переходных режимах, где проявляется влияние индуктивности силовой цепи двигателя. Схема с учетом индуктивности представлена на рис. 2.20. Для того, чтобы добиться соответствия U дэ Ев переходных процессах необходимо соблюдение равенства ко дп я L L L R R 2 1 (2.14) Таким образом, требуется, чтобы выполнялось условие ко дп я ко дп я L L L R R R (2.15) 63 Рис. 2.20. Улучшенная схема тахометрического датчика ЭДС Такое соотношение не всегда соблюдается, поэтому включают дополнительные индуктивности L 1 и L 2 , таким образом сохраняется баланс по активному и индуктивному сопротивлению в схеме тахометрического моста. ко дп я L L L L L 2 1 (2.16) Передаточная функция датчика ЭДС W дэ (р) = К дэ (2.17) В другом варианте схемы датчика ЭДС применяют датчики тока и напряжения – ДТ и ДН. Датчик ЭДС с применением ДН и ДТ представлен на рис. 2.21, где приняты обозначения Ф – фильтр U тк – сигнал токовой компенсации. Рис. 2.21. Датчик ЭДС на основе датчиков тока и напряжения 64 Передаточная функция датчика напряжения дел пр дел д дн дн К К К p U p U р W ) ( ) ( ) ( В соответствии со схемой замещения цепи, представленной на рис. 2.22, можно записать уравнения dt di L iR E U я я д ; яд я я я я я я L U (p) E(p) R I(p) I(p) p L E(p) I(p)R 1 p E(p) I(p)R (1 T p). R Рис. 2.22. Схема замещения датчика ЭДС Включение фильтра на выходе ДН необходимо для сглаживания пульсации сигнала от работы преобразователя, питающего двигатель. В этом случае для получения на выходе усилителя сигнала датчика ЭДС необходимо из сигнала на выходе фильтра вычесть сигнал токовой компенсации U тк iR я тк ф дн дэ U p T U U 1 ; (2.18) 1 ) ( p Т К р W ф дн дэ , (2.19) где Т ф =Т яц =L яц /R яц – постоянная времени того участка цепи, к которому подключен ДН. 2.6. Датчик положения ротора вентильного двигателя Датчик положения ротора (ДПР) предназначен для непрерывного или дискретного измерения углового положения ротора синхронной машины при ее работе в режиме вентильного двигателя. Для вентильного двигателя, в котором применена синхронная машина, в качестве ДПР могут быть использованы вращающиеся трансформаторы, индуктивные, оптические, кодовые датчики или датчики Холла. Для упрощения схемы вентильного двигателя число полюсов ДПР должно быть равным числу полюсов синхронной машины. В противном случае ДПР необходимо присоединять через согласующий механический редуктор. При 65 различии числа фаз двигателя и ДПР необходимо использовать схемы преобразования числа фаз. В состав ВД составным узлом входит ДПР. Основная его функция – выработка информационных сигналов о положении ротора ВД. Для этого используют самые различные датчики – фотоимпульсные, индукционные, на основе элементов Холла и др. В качестве датчиков, определяющих абсолютное положение, наиболее часто используются индукционные (сельсин или вращающийся трансформатор) и ДПР на основе датчика Холла (ДХ). Сравним эти варианты реализации ДПР сточки зрения применения в ВД. Схема элементов ВТ и двигателя приведена на рис. 2.23. S U C U В U У U Рис. 2.23. Вентильный двигатель с ВТ в качестве ДПР ВД в этом случае работает следующим образом. На обмотку возбуждения ВТ подается напряжение со специального генератора t U U M B sin 1 (2.20) При этом на синусной и косинусной обмотках создается ЭДС, пропорциональная углу поворота ротора ВТ. t E E t E E M C M S sin cos sin sin 2 2 , (2.21) где – угол поворота датчика ротора. Для получения информационной составляющей сигнала необходимо провести демодуляцию сигналов. В идеальном случае напряжения S U и C U должны иметь вид cos sin 2 2 U U U U C S (2.22) Однако, после демодуляции информационные сигналы имеют вид 66 Д C Д S U U U U U U cos sin 2 2 , (2.23) где Д – напряжение, на которое отличаются сигналы (2.22) от реальных (2.23). Амплитуда и форма Д зависят от частоты модуляции M , конкретной схемы демодулятора и сглаживающего фильтра. Для совместной работы двигателя и ДПР необходимо их согласовать, те. определенным образом ориентировать датчик по отношению к двигателю. ВТ вырабатывает два сигнала положения ротора (2.23) и изменение его угла уставки одновременно сказывается на синусном и косинусном каналах двигателя. При использовании ДХ схема подключения элементов приведена на рис. 2.24. Работа ВД происходит следующим образом. S U C U П U У U Рис. 2.24. Вентильный двигатель сдатчиками Холла в качестве ДПР На ДХ поступает напряжение питания. Чувствительный элемент ДХ воспринимает магнитный поток от магнитов, расположенных на роторе. Величина потока, воздействующего на ДХ зависит от положения ротора ВД. В идеальном случае напряжения на выходах датчиков должны иметь вид (2.22). Однако, если в предыдущем случае на реальный сигнал оказывал влияние демодулятор (2.23), то при использовании ДХ этот недостаток устраняется и не требуется применение генератора и демодулятора. Происходит упрощение схемы, повышается ее надежность, снижается стоимость. 67 Как ив предыдущем случае, для совместной работы двигателя и ДХ необходимо их согласовать. Однако ДХ синусного и косинусного каналов устанавливаются независимо друг от друга. Поэтому влияние угла уставки требует более подробного анализа, т. к. возможно, что для каждого из каналов будет свой угол уставки S и C 2.7. Вычислители сигналов потокосцепления и момента асинхронного двигателя на основе первичных датчиков На основе рассмотренных датчиков с использованием регуляторов и согласующих элементов могут составляться схемы датчиков различных величин, непосредственное измерение которых затруднено. В таких датчиках реализуется косвенное выделение измеряемой величины на основании известных соотношений, которые связывают искомую величину с величинами, непосредственно измеряемыми с помощью имеющихся датчиков [6]. Работа датчика основана на математическом аппарате, который используется для описания обобщенной электрической машины. Для того, чтобы пользоваться уравнениями обобщенной электрической машины, необходимо преобразовать переменные величины трехфазной машины (оси а, b, c) в переменные величины двухфазной модели (оси α, β). То есть необходимо представить величины а , b X , c X трехфазной системы координат в величины X и X двухфазной системы координат (рис. 2.25). Рис. 2.25. Преобразование трехфазных координат в двухфазные Формулы для преобразования имеют вид c b a X X X X 2 1 2 1 ; (2.24) c b X X X 2 3 2 3 (2.25) Токи и напряжения трехфазной машины в симметричном режиме работы подчиняются условию а) 68 Поэтому достаточно знать значения двух величина и b X , чтобы вычислить третью b a c X X X (2.27) Таким образом, переменные двухфазной системы можно вычислить по формулам a b a b a X X X X X X 2 3 2 1 2 1 ; (2.28) a b b a b X X X X X X 2 3 3 2 3 2 3 (2.29) Применительно к реальным величинам (току и напряжению) уравнения примут вид a i i 2 3 ; a b i i i 2 3 3 ; (2.30) a u u 2 3 ; a b u u u 2 3 3 (2.31) Электромагнитный момент для обобщенной машины согласно [6] вычисляется по формуле i i p M n , где n p – число пар полюсов – потокосцепление. Потокосцепление для оси α может быть получено из уравнения электрического равновесия dt d R i u a (2.32) в виде t dt R i u , (2.33) где R – сопротивление фазы обмотки статора. Аналогично для оси β: t dt R i u (2.34) Таким образом, чтобы вычислить электромагнитный момент двигателя, необходимо знать мгновенные значения двухфазных токов ( a i и b i ) и двухфазных напряжений ( a u и b u ). Все приведенные соотношения реализуются в устройстве, структурная схема которого приведена на рис. 2.26. В качестве звена, выполняющего функции интегратора, используется апериодическое звено первого порядка, необходимое для того, чтобы исключить постоянную составляющую при интегрировании. Как видно из рису интегрирующего звена на всем протяжении частот амплитудно-частотная характеристика имеет наклон минус 20 дб/дек, а фаза равна минус 90˚. Недостатком данной схемы является то, что при низких 69 частотах (в т. ч. постоянный ток) происходит интегрирование входного сигнала, что приводит к постоянному увеличению выходного сигнала и к насыщению интегратора 1 Tp 2 3 3 2 3 2 3 3 2 3 1 1 Tp 1 Рис. 2.26. Структурная схема вычислителя момента и потокосцепления Рис. 2.27. Характеристики интегрирующего и апериодического звеньев Для того, чтобы этого избежать, интегрирующее звено заменяется на апериодическое. Логарифмические характеристики апериодического звена показаны на рис. 2.27. При этом в рабочем диапазоне частот амплитудно- частотная характеристика имеет наклон минус 20 дб/дек, как у интегрирующего звена, а фаза близка к 90˚. А в области низких частот звено работает как усилительное с коэффициентом усиления, равным единице. 70 2.8. Вычислители сигналов скорости и момента вентильного двигателя на основе первичных датчиков На риса приведена схема датчика скорости [10]. Она содержит два множительных звена 1 M и 2 M и два дифференцирующих звена, выполненных по схеме рис. 2.28, б. Напряжения 1 U и 2 U , поступающие от ДПР, определяются выражениями t U U t U U mT mT cos sin 2 1 , (2.35) где mT U – амплитуда выходного напряжения ДПР. Если допустить, что имели бы звенья идеального дифференцирования, то получили бы следующие выражения 2 1 3 U dt dU U ; 1 2 4 U dt dU U ; 1 2 2 1 4 3 ' U dt dU U dt dU U U U ДС t U dt d U dt d U dt d U mT mT mT mT 2 2 2 2 2 2 sin cos (2.36) При наличии реальных дифференцирующих звеньев получаем следующие формулы. Передаточная функция схемы рис. 2.28, б принимает вид 1 1 2 3 1 2 3 p T p T k R C R R R C R р U р U p W д д д p p вх вых д , (2.37) где 2 д C R T д 3 Для изображений выходных сигналов можно записать p U p T p T k p U д д д 1 ' 3 1 ; p U p T p T k p U д д д 2 ' 4 1 ; (2.38) p U p T p U p Т k p U p T p U p T k p U p U p U д д д д д д ДС 1 2 2 1 4 3 ' 1 1 1 sin cos 1 2 2 2 2 p p T U T k t t p T U T k д mT д д д mT д д (2.39) Так как на выходе датчика скорости установлен фильтр, окончательно получаем p p T p T k p U ф Д ДС ДС 1 1 (2.40) На рис. 2.29 приведена схема датчика момента, который состоит из двух множительных звеньев 3 M и 4 M , на входы которых подаются напряжения 1 U и 2 U , а также напряжения i U и i U , пропорциональные токам в фазах. 71 t I U t I U m i m i cos sin , (2.41) где m I – модуль фазного тока. Сигнал на выходе схемы рис. 2.29. ДМ 2 6 5 ' cos sin sin . (2.42) Таким образом напряжение 'ДМ пропорционален модулю тока, который в свою очередь пропорционален электромагнитному моменту двигателя. Учитывая, что в канале измерения i и i установлены фильтры, и такой же фильтр установлен на выходе датчика момента, окончательно получаем p M p Т k p U ф ДМ ДМ 2 1 (2.43) DC U Рис. 2.28. Структурная схема вычислителя сигнала скорости (аи схема дифференцирующего звена (б) 72 ф W ДМ U 1 U U 2 U p U ДМ U Рис. 2.29. Структурная схема датчика момента Таким образом, расчетная структурная схема системы преобразователь – вентильный двигатель для режимов работы с малыми скоростями и использования разработанных датчиков момента и скорости имеет вид, приведенный на рис. 2.30. 1 1 р Т р Т К ф Д ДС П W 1 1 1 р Т К Jp 1 2 K 2 1 р Т K ф ДМ у U ДМ U ДС U Рис. 2.30. Структурная схема ВД с вычислителями момента и скорости |