Статического состояния

При изменении нагрузки двигателей постоянного тока происходит следующее. Предположим, например, что двигатель последовательного возбуждения работал с моментом Af t == Мcl и частотой вращения п,; моменту Mt соответствовал ток /я1 (см. 9.25). Предположим далее, что момент статического сопротивления возрос и стал равен Мс2 > Afcl, В: первое мгновение после увеличения момента сопротивления из-за механик ческой инерционности двигателя частота вращения не изменится и будет равна и,. Вследствие этого не изменятся ЭДС Е1г ток /я1 и момент М1 двигателя. Поскольку Мс2 >Mj, начнется переходный процесс, при котором частота вращения и ЭДС будут уменьшаться, а ток и момент будут возрастать. Установившийся режим наступит при частоте вращения и2, при которой наступит равенство М2 = Мс2.

Предположим, что двигатель работает при постоянном моменте статического сопротивления (Мс = const) и что некоторому току возбуждения /В1 соответствуют ЭДС ?01, ток /,, углы ф, и 9, ( 11.12,а).

Характер изменения момента статического сопротивления, создаваемого рабочей машиной, в свою очередь определяется производственным процессом. Производственным процессом определяются и те основные факторы, которые влияют на величину статического момента. Такими факторами могут быть скорость, путь, время и т. д.

Здесь увеличение скорости происходит под действием динамического момента Мдин. Динамический момент, возникающий в электроприводе, является результатом совместного действия моментов двигателя и статического сопротивления. Его величина и знак определяются соотношением моментов М и Мс.

В основу построения нагрузочных диаграмм электропривода положено уравнение движения. Поскольку в установившихся режимах, т. е. при М = Мс, нагрузочные диаграммы производственного механизма совпадают с нагрузочными диаграммами электропривода, построение участков нагрузочных диаграмм, относящихся к переходным режимам, является одной из ответственных и трудных задач. В большинстве случаев моменты двигателя и статического сопротивления в переходных режимах имеют сложную зависимость от скорости. Аналитическое решение уравнения движения в этом случае невозможно, поэтому прибегают к графическим или граф о-а налитическим методам, которые подробно рассмотрены в специальной литературе по электроприводу.

Движение электропривода, как и всякого механизма, подчиняется законам динамики и определяется действующими силами (моментами). Вращающий момент Мк„, развиваемый двигателем, в любой момент времени уравновешивается суммой моментов статического сопротивления Мс и динамического (инерционного) Мдин-

Статический момент, приложенный к валу двигателя, состоит из слагаемого, соответствующего полезной работе, совершаемой механизмом, и работе сил трения. Моменты статического сопротивления подразделяют на реактивные и активные (потенциальные). Реактивные моменты (моменты сил трения, сопротивления резанию и пр.) препятствуют движению и в уравнении (3.1) всегда принимаются со знаком «плюс». Потенциальные моменты (моменты от силы тяжести, сжатия, растяжения или скручивания упругих тел) могут либо препятствовать движению, либо способствовать ему, В первом случае они принимаются со знаком «плюс», во втором — «минус». Статические моменты определяют расчетным или экспериментальным путем.

При равенстве вращающего момента двигателя и момента статического сопротивления, возможно состояние динамического равновесия: частота вращения электропривода не изменяется. При нарушении равновесия между моментами двигателя и сопротивления частота вращения двигателя начинает изменяться. Если Af;in>Mc, привод ускоряет свое движение, если МДП<МС — замедляет. В соответствии с уравнением (3.1) динамический момент определяется разностью между моментами двигателя и сопротивления. Положительному динамическому моменту соответствуют ускорение электропривода и возрастание кинетической энергии; отрицательному — замедление привода и убывание кинетической энергии.

системы, а затем совместно решить эти уравнения. Однако такой путь весьма громоздок и трудоемок. Для упрощения задачи все моменты инерции и моменты статического сопротивления приводят к одной частоте вращения (например, к частоте вращения двигателя), для которой составляют и решают одно уравнение движения. При этом пользуются известными законами теоретической механики.

При всяком нарушении равновесия между моментами двигателя и статического сопротивления наступает переходный процесс, сопровождающийся изменением: частоты вращения, момента и силы тока двигателя и запаса кинетической энергии электропривода и механизма. К переходным процессам относятся пуск, торможение, реверсирование, изменение нагрузки или частоты вращения во время работы механизма и пр. Характер протекания переходных процессов электропривода определяется прежде всего законами изменения движущих моментов и моментов сопротивления всего агрегата.

Пользоваться формулой (3.5) для нахождения времени переходного процесса в ряде случаев затруднительно, так как моменты двигателя и статического сопротивления часто не являются аналитическими интегрируемыми функциями частоты вращения.

В общем случае контакт электромагнитного механизма может находиться в одном из четырех возможных состояний: в двух статических — замкнутом и разомкнутом и в двух переходных из одного статического состояния в другое.

Заметим, что при использованных допущениях значение сопротивления Rc> связывающего базу транзистора с источником управляющих импульсов ывх(/), не входит в условие запирания (3.30). Вызвано это следующим обстоятельством: при уменьшении значений Re запирающее напряжение на базе транзистора (см. 3.87, а) уменьшается; однако при этом уменьшается и значение R3K, на котором ток /ко создает напряжение, снижающее плюс на базе транзистора. По этой причине условие запирания можно выполнить в широком диапазоне значений Rc. Однако значение R0 строго регламентируется исходя из условий обеспечения второго статического состояния транзистора — условия насыщения.

Отметим следующее. Поскольку в ждущем мультивибраторе, выполненном по схеме 6.83, а, напряжение на выходе инвертора Э3 в статическом состоянии повторяет напряжение на инверсном выходе Р триггера, то часто возникают предложения подключить вывод резистора /?4 к выводу Р без использования дополнительного инвертора Э3 ( 6.83, б). Однако построение ждущего мультивибратора по схеме 6.83, а более предпочтительно. В ждущем мультивибраторе, выполненном согласно 6.83, б, помимо статического состояния Q = О, Р = 1, необходимого для обеспечения нормального функционирования, возможно в ряде случаев появление второго устойчивого состояния, в котором Q = 1, а напряжение на выходе Р меньше порогового значения ?/ПОр. При случайном возникновении такого устойчивого сочетания напряжений на выходах Р и Q работоспособность устройства нарушается. Ждущий мультивибратор, выполненный по схеме 6.83, а, от этого недостатка свободен.

Соответственно будем разделять ключевой и усилительный режимы эксплуатации полупроводникового прибора. В ключевом режиме прибор имеет два статических (длительно устойчивых) состояния: замкнутое (ключ открыт) — сопротивление прибора близко к нулю, и разомкнутое (ключ закрыт)—сопротивление прибора велико. Переход из одного статического состояния в другое обеспечивается управляющим сигналом, который должен быть больше некоторого граничного значения. Передаваемая через полупроводниковый ключ информация содержится в амплитуде выходного сигнала и может принимать только два значения, поэтому легко представляется в цифровой форме. Ключевой режим—рабочий режим полупроводниковых приборов в цифровых интегральных микросхемах и микроэлектронных устройствах, импульсных преобразователях и стабилизаторах, формирователях импульсов и других схемах.

Быстродействие в ключевом режиме определяется длительностью перехода из одного статического состояния в другое, при этом возможно ускорение этого перехода с помощью цепи управления без искажения передаваемой информации, которая содержится только в амплитуде выходного сигнала. В усилительном режиме передаваемая информация заключена в форме сигнала, и в понятие быстродействия здесь входит сохранение частотно-фазовых параметров сигнала, обеспечение минимальных частотных искажений и т. п.; в итоге инерционность транзистора в усилительном режиме как бы увеличивается, а ее оценка требует более точного учета паразитных реактивных элементов.

импульса. По сути дела управляющий сигнал iy служит лишь для возбуждения ключа, после чего этот сигнал вообще может отсутствовать. В транзисторе входной ток /Б необходим непрерывно для поддержания статического состояния. Указанные особенности тиристора и транзистора иллюстрируют диаграммы включения транзисторного и ти-ристорного ключей ( 3.3). Очевидно, что при прочих равных условиях мощность, потребляемая на входе транзисторного ключа, существенно выше.

Переход из одного статического состояния в другое происходит относительно быстро за время переходных процессов включения и выключения. Учет этих процессов, так же как и в транзисторных ключах, необходим для оценки быстродействия, энергетических потерь и надежности работы тиристора.

В транзисторном ключе для поддержания статического состояния необходимо непрерывно подавать соответствующий сигнал управления.

Таким образом, в области / рабочая точка находится, если МДП-транзистор заперт, в области 3 — если открыт; эти области соответствуют статическим состояниям МДП-транзистора в ключевом режиме эксплуатации. Активная область (область 2) для ключевого режима МДП-транзистора является областью динамического состояния: в этой области рабочая точка находится кратковременно в течение переходного процесса из одного статического состояния в другое (из открытого в закрытое и наоборот).

Количественно усилительный режим характеризуют параметрами малого сигнала, которые описывают выходную и проходную ВАХ МДП-транзистора вблизи точки статического состояния этого режима — около точки покоя.

Кроме «сигнальных» моделей различают статические и динамические модели. Статическая модель отличается от динамической тем, что не содержит частотно-зависимых элементов — конденсаторов и индуктивностей. Такие модели отражают статические состояния полупроводникового прибора при неизменных управляющих сигналах и не учитывают переход из одного статического состояния в другое.