4. Определение параметров цепи “слива” энергии вращающихся частей для системы электропривода оптического телескопа с необратимым источником питания

Расчет параметров дискретно включающейся тормозной цепи, устанавливаемой в поперечную ветвь СФ, проведем только для случая работы системы электропривода в режиме с периодическим выходом тока якоря на уровень ограничения, наиболее тяжелым для тормозной цепи.

Импульсная мощность, возвращаемая нагрузкой в интервалы рекуперации, может быть определена также, как и в рассмотренном случае с емкостью в поперечной ветви СФ, из соотношения 3.12:

(4.1)

Мощность, выделяемая в балластном сопротивлении такой цепи будет зависеть от относительной продолжительности двух интервалов рекуперации на периоде изменения сигнала на входе замкнутой системы электропривода – Т:

(4.2)

Естественно, что по условиям надежной и долговечной работы электродвигателя недопустимо превышать в системе некоторую предельную частоту входного сигнала - , определяемую предельной длительностью интервалов протекания по якорной цепи ДПТ тока , превышающего номинальное значение для выбранного типа двигателя, на периоде входного сигнала Т– . Эти предельные параметры могут быть определены из того условия, что эффективное значение тока якоря ДПТ не должно, в выбранном нами режиме работы замкнутой системы электропривода, превышать номинального тока двигателя; в противном случае не будет соблюдаться технические требования к тепловому режиму двигателя:

(4.3)

Так как в режиме токоограничения , то

(4.4)

Принимая во внимание полученные ранее соотношения, связывающие время реверса и время рекуперации как , также учитывая 3.11, 4.4, предельную частоту реверса можно определить как:

(4.5)

Подставляя 4.5 в 4.2, получим выражение для определения возможной максимальной мощности рассеяния:

(4.6)

Если принять за базовую величину мощность потерь в якоре машины при протекании в нем номинального тока, то относительной номинальной мощности будет соответствовать выражение:

(4.7)

Формула (4.7) справедлива при условии выделения на балластном сопротивлении всей энергии рекуперации. Однако, в реализуемых на практике транзисторных ШИП источник силового питания, как было отмечено ранее, обязательно имеет емкостной выход для обеспечения безопасной коммутации силового оборудования. Поэтому при совместной установке конденсатора поперечной ветви СФ и тормозной цепи, включающейся при превышении напряжения на емкости величины предварительно выбранного напряжения импульсная мощность будет определяться энергией:

(4.8)

рассеиваемой за - время подключения к выходному каскаду транзисторного ШИП балластного сопротивления тормозной цепи. Эта мощность равна

(4.9)

Так как заряд емкости конденсатора фильтра происходит в этом режиме работы замкнутой системы электропривода постоянным током , а следовательно меняется линейно, то справедливо следующее соотношение:

(4.10)

или

где

Тогда импульсная мощность может быть определена как

(4.11)

Средняя мощность, выделяемая на балластном сопротивлении тормозной цепи будет зависеть от относительной длительности интервалов рассеяния энергии в сопротивлении за период реверсов в системе Т в соответствии с выражением

(4.12)

Тогда получим:

(4.13)

Учитывая , имеем

(4.14)

Так как для этого режима работы максимальное относительное напряжение на емкости поперечной ветви фильтра определяется выражением 3.14, то

(4.15)

Сравнивая выражения 4.7 и 4.15 можно отметить, что чем выше значение , тем большая часть рекуперируемой энергии переходит в емкость поперечной ветви СФ и, следовательно, будут меньше габариты сопротивления и выше к.п.д. всей системы электропривода в целом.

Если учесть, что условие 2.34 предъявляет более жесткие требования к выбору параметров тормозной цепи, то, решая совместно 2.34 и 4.14, получим выражение для определения предельной относительной мощности балластного сопротивления дискретно функционирующей тормозной цепи:

(4.16)

На рис.4.1 изображены зависимости для уровней токоограничения в системе: и .

Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод о том, что с ростом предварительно выбранного предельного напряжения по отношению к среднему значению напряжения питания ШИП, увеличивается значение коэффициента , при котором происходит подключение балластного сопротивления к источнику питания, и что на начальном участке характеристик относительная мощность балластного сопротивления сильно зависит от величины выбранного , особенно при относительно низких значениях напряжения .

Поскольку на конденсатор поперечной ветви фильтра одновременно воздействуют постоянная составляющая напряжения питания и переменная составляющая ~, то, как было уже отмечено, его параметры необходимо определять из условия не превышения номинального напряжения конденсатора определенного типа во всех режимах работы замкнутой системы электропривода суммой амплитуды переменной составляющей напряжения и среднего значения напряжения питания . Учитывая относительно невысокие частоты тока питания транзисторного ШИП, воздействующего на конденсатор СФ, и рекомендации по применению конденсаторов различного типа, остановимся на конденсаторах с оксидным диэлектриком, имеющих наименьшие удельные емкости и заряды. Удельные емкости и заряды обычно являются удельными параметрами конденсаторов при постоянном и пульсирующем напряжениях.

Знание характера зависимостей заряда конденсатора фильтра и мощности балластного сопротивления тормозной цепи от коэффициента , равного отношению энергоемкости машины к энергоемкости конденсатора фильтра при напряжении питания ШИП, может позволить оптимально выбрать состав и параметры поперечной ветви необратимого источника питания. Здесь необходимо учесть, что постановка тормозной цепи, кроме увеличения количества устанавливаемого оборудования, увеличит и потери мощности в системе. Постановка же только одного конденсатора, без тормозной энергии, может привести к неоправданно большим габаритам батареи конденсаторов фильтра.

При окончательном решении задачи по выбору структуры и параметров элементов поперечной ветви СФ следует учитывать не только типовые режимы работы системы электропривода, рассмотренные нами, но и два случая применения транзисторного ШИП. В первом случае ШИП используется в сочетании с малоинерционной нагрузкой при относительно больших частотах воспроизведения входного сигнала, а во втором в качестве усилителя мощности для управления двигателем с большой электромеханической постоянной времени, и, естественно, более низкими частотами воспроизведения входного сигнала.

Зависимость накладывает менее жесткие условия на выбор конденсатора фильтра и поэтому в дальнейшем будем принимать во внимание только и , как полностью определяющие максимально возможный уровень пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра.

Предельное напряжение, при котором к конденсатору СФ подключается балластное сопротивление дискретно функционирующей тормозной цепи целесообразно выбирать из условия ограничения напряжения поперечной ветви СФ напряжения, на которое рассчитаны силовые ключи ШИП. Обычно оно находится в пределах .

Уровни возможных пульсаций напряжения на конденсаторе поперечной ветви СФ существенно зависят от параметров ДПТ, конденсатора, силовых ключей ШИП и заданных динамических качеств замкнутой системы электропривода.

При значениях , меньших , вся энергия рекуперации возвращается в емкость конденсатора СФ и установка тормозной цепи не требуется. При выборе величины значительная часть энергии рекуперации рассеивается в балластном сопротивлении тормозной цепи, в связи с чем снижается к.п.д. устройства в целом и происходит значительное тепловыделение. Поэтому для выработки рекомендаций по определению емкости конденсатора необходимо располагать кроме зависимостей относительной мощности балластного сопротивления (рис.4.1), характеристиками заряда конденсатора фильтра в области возможных пульсаций напряжения на конденсаторе СФ, также в функции , что даст возможность сравнить удельные показатели конденсатора и балластного сопротивления.

Как уже отмечалось, заряд конденсатора является удельным параметром и определяет его объем, массу и стоимость. Учитывая, что выражение, определяющее заряд можно записать в виде

(4.17)

На рис.4.2 изображены зависимости , в предположении, что . На рис.4.2 изображены зависимости условного заряда конденсатора и относительной мощности балластного сопротивления от совместно с графиками , , построенными для случая: , , , а также прямая линия, соответствующая: . Анализ приведенных зависимостей показывает, что выбор больших значений напряжений ограничения позволяет снизить относительную мощность при некотором увеличении условного заряда . Так в нашем случае, при имеем: , .

Таким образом, представленные в этом разделе зависимости условного заряда конденсатора СФ и относительной мощности

балластного сопротивления тормозной цепи в области допустимых перенапряжений на конденсаторе, дают достаточно полное представление о путях выбора состава оборудования поперечной ветви фильтра и его параметров.

На рис.4.3 изображена структурная схема алгоритма выбора и расчета параметров элементов поперечной ветви СФ транзисторного ШИП, построенная на основе полученных выше расчетных соотношений. В блоке 2 структурной схемы алгоритма производится ввод исходных данных систем "первичный источник питания СФ-ШИП-ДПТ", необходимых для расчета, т.е. , а также напряжение ограничения , при котором предполагается включение тормозной цепи. Далее в блоке 3 вычисляются постоянные коэффициенты, не подлежащие изменениям в цикле 5-11. В блоке 5 коэффициенту присваивается определенное значение с последовательным увеличением его значения до конечной величины: . Для каждого из этих значений в боках 6 и 7 соответственно определяются значения емкости конденсатора, возможные перенапряжения на нем в низкочастотной области и , характеризующие возможные пульсации напряжения в области частот, содержащихся в токе питания ШИП, при отработке замкнутой системой электропривода гармонического входного сигнала. Далее в блоке 8 из этих двух напряжений выбирается наибольшее, причем напряжение при этом не может быть больше напередзаданного в блоке 2 напряжения ограничения , а в блоке 9 определяем для этих же значений заряд конденсатора и мощность балластного сопротивления. Таким образом, в результате произведенных вычислений в блоках 5 и 6