Устройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока. Импульсное управление двигателем


Широтно-импульсное управление двигателем постоянного тока

  1. Цель работы

Практическое изучение принципа регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока с помощью широтно-импульсного регулятора. Оценка влияния частоты коммутации и индуктивности якорной цепи двигателя на качество регулирования. Исследование механических характеристик электропривода при действии обратной связи по скорости вращения.

  1. Указания к самостоятельной работе

При подготовке к лабораторной работе необходимо по учебникам, конспектам лекций изучить тему «Электроприводы постоянного тока с широтно-импульсным управлением»: устройство, принцип действия, способы регулирования частоты вращения, механические и регулировочные характеристики в разомкнутой и замкнутой системе регулирования [1,2], а также лабораторный практикум к выполнению лабораторной работы 5.

  1. Принцип действия, характеристики системы широтно-импульный преобразователь двигатель постоянного тока и описание лабораторного стенда

3.1 Принцип действия, характеристики системы ШИП-ДПТ

Принцип широтно-импульсного управления двигателя постоянного тока поясняет рис. 3.1. На схеме штриховой линией очерчен электронный ключ VS, который периодически подключает цепь якоря двигателя М на выход неуправляемого выпрямителя V с напряжением ud. На отрезке времени tо, когда ключ VS замкнут, ток iя якоря двигателя создается напряжением Ud. При этом часть энергии, поставляемой выпрямителем V, запасается в якоре двигателя М в виде магнитного поля.

На отрезке времени tз, когда ключ VS разомкнут, ток iя якоря двигателя М протекает в прежнем направлении, но через шунтирующий диод VD, используя для этого энергию электромагнитного поля индуктивностей якорной цепи двигателя М.

Рис 3.1. Схема (а) и диаграмма (б) напряжений и тока при широтно-импульсном управлении

Среднее значение напряжения uя на якоре двигателя М за период TК коммутации VS ключа определяется по формуле

(3.1)

где­ скважность импульсов; ­ напряжение на выходе выпрямителяV.

Таким образом, напряжение Uя определяется путем изменения скважности импульсов. Для изменения скважности импульсов применяется широтно-импульсный модулятор ШИМ (рис. 3.1,a).

ШИМ состоит из генератора опорного напряжения (ГОН), нуль-органа сравнения (НО) и формирователя выходных импульсов (ФИ). Генератор ГОН вырабатывает треугольное напряжение u0 c частотой fк=1/Tк, которое сравнивается в НО с управляющим напряжением uу. В момент равенства этих напряжений и при условии, что Uу > u0, ФИ вырабатывает импульсы, включающие VS. При импульсном управлении ток в якоре двигателя М имеет колебательный характер. При этом пульсации составляют (2-10)% от номинального значения тока якоря. Величина пульсаций I якорного тока определяется выражением

(3.2)

где rя, Lя - соответственно активное сопротивление и индуктивность якорной цепи двигателя М; - электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя.

Из уравнения (3.2) видно, что величина пульсаций якорного тока обратно пропорциональна частоте коммутации fк и электромагнитной постоянной Тэ , а также зависит от величины скважности  импульсов. Наибольшие пульсации якорного тока возникают при =0,5. Для уменьшения пульсаций тока целесообразно увеличивать частоту коммутации ключа. В преобразователях с тиристорными ключами частота коммутации выбирается в пределах 200 - 2000 Гц, в преобразователях на транзисторах - в пределах 2 - 40 кГц.

Для обеспечения тормозных режимов при регулировании скорости вращения и сбросе нагрузки используется схема с двумя силовыми ключами (рис.3.2,а). Если в схеме работают ключ VS1 и диод VD1, то имеет место двигательный режим работы электропривода (сплошные стрелки). При этом энергия на движение вала потребляется из сети постоянного тока. При работе ключа VS2 и диода VD2 электропривод переводится в тормозной режим (штриховые стрелки) с рекуперацией энергии движения вала в сеть. Диаграмма тока iя якоря и тока iс питающей сети соответственно для двигательного и тормозного режимов изображены на рис. 3.2, б и в. Диаграмма токов показывает, что ток iс сети носит импульсный характер с изменением направления при тормозном режиме.

Для повышения эффективности торможения, особенно при низких скоростях вращения вала, необходимо увеличить время замыкания ключа VS2 и иметь в цепи якоря достаточную суммарную индуктивность.

Рис. 3.2. Схема (а), диаграмма (б и в) работы и механические характеристики электропривода с широтно-импульсным управлением

Механические характеристики электропривода с широтно-импульсным управлением для двухквадрантного режима работы представлены на рис 3.2,г. Характеристики не имеют области прерывистых токов, и их жесткость определяется активным сопротивлением якоря двигателя М. Уравнение механических характеристик может быть записано в виде:

(3.3)

где - скорость вращения холостого хода;- постоянная двигателя М;- ток короткого замыкания цепи якоря.

В импульсных преобразователях в качестве электронных ключей применяются силовые транзисторы и транзисторные модули, которые должны надежно работать в широких пределах входного напряжения и тока нагрузки, иметь высокую перегрузочную способность и обеспечивать требуемую частоту fк коммутации.

studfiles.net

Устройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока

Содержание

Введение

1. Анализ исходных данных и выбор схемы

2. Принцип работы устройства

3. Расчёт цепи схемы управления

3.1. Расчёт генератора линейно изменяющегося напряжения

3.2. Расчёт сравнивающего устройства

3.3. Расчёт исполнительного устройства

4. Построение механической и регулировочной характеристик электродвигателя

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Машины постоянного тока до сих пор активно применяются в качестве двигателей (ДПТ) и генераторов (ГПТ). ДПТ имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и сравнительно мягкие механические характеристики, а кроме того мало подвержены внешним воздействиям. Благодаря этому они активно используются в промышленности, особенно в областях регулирования и системах автоматики.

Исполнительные двигатели постоянного тока (ИДПТ) являются одной из наиболее распространенных составных частей исполнительных механизмов. Поэтому двигатель является либо чисто инерционным звеном, либо инерционным звеном, соединенным совместно с другими звеньями, он обладает способностью сглаживать пульсации управляющего напряжения Uу, усредняя его. Это позволяет использовать регулирующие устройства, работающие в импульсном режиме (управляемые выпрямители, широтно-импульсные усилители и т.п.), когда изменения напряжения управления, непрерывно подводимого к двигателю, а путем изменения времени, в течение которого к двигателю подводится накопительное напряжение.

Конструкция ДПТ сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.

Эта работа направлена на построение устройства управления (УУ) к одному из многих представителей класса ИДПТ. Здесь будут рассматриваться основные принципы построения УУ ИДПТ и приведен расчет одного устройства для двигателя с мощностью P = 75 Вт и скоростью вращения n = 5000 об/мин.

1. Анализ исходных данных и выбор схемы

В данной курсовой работе предлагается рассчитать схему импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока (ИДПТ).

Наиболее подходящим по бланку задания двигателем является СЛ-525, т.к. у него высокая продолжительность непрерывной работы (2000 ч.), высокий КПД (59%). В дальнейшем будем использовать этот двигатель, все расчеты ведутся по его данным.

В соответствии с бланком задания двигатель СЛ-525 питается от двух независимых источников напряжения (двигатель с независимым возбуждением), которые подают энергию соответственно на якорную обмотку и обмотку возбуждения. Из этого следует, что принципиально возможно два варианта управления: якорное, когда обмотка возбуждения подключена постоянно к источнику с неизменным напряжением (а на якорную обмотку подают напряжение управления только при необходимости вращения двигателя) и полюсное, при этом якорная обмотка подключена на источник с неизменным напряжением, а напряжение, подводимое к обмотке возбуждения, изменяется. Фактически при полюсном управлении изменяется магнитный поток. Данный способ применяется сравнительно редко, т.к. при Uв = 0 в ИДПТ имеется остаточный поток, а, следовательно, и небольшой электромагнитный момент, приводящий к самоходу двигателя, что недопустимо в точных системах, где применяются двигатели. Кроме того, при данном способе управления регулировочные характеристики могут быть неоднозначны и нелинейны, что также можно отнести к недостаткам этого способа управления.

Поэтому в основу расчета следует положить принцип якорного управления двигателем. Одним из недостатков этого способа является большая мощность управления. Именно с целью ее уменьшения и следует использовать принцип импульсного управления двигателя по якорной обмотке.

При таком способе двигатель управляется напряжением, подводимым к якорю с определенной длительностью. Для оценки длительности импульса вводится относительная величина, равная и называемая коэффициентом заполнения (обратная величина - - скважность).

В этой формуле tu - время импульса, Т - период следования импульсов.

Работа двигателя при импульсном управлении состоит из чередующихся периодов разгона и торможения, причем периоды разгона должны быть малы по сравнению с электромеханической постоянной времени двигателя - тогда скорость вращения якоря w(t) не успевает к концу периода достигнуть установившегося значения.

Мгновенная скорость якоря электродвигателя будет непрерывно колебаться относительно среднего значения wСР, которое при неизменных моменте нагрузки и напряжении возбуждения однозначно определяется коэффициентом заполнения t. Причем амплитуда этих колебаний тем меньше, чем больше отношение электромеханической постоянной двигателя к периоду следования импульсов Т. С ростом частоты управляющих импульсов и с увеличением электромеханической постоянной времени амплитуда колебаний скорости уменьшается. Среднее значение скорости увеличивается с ростом относительной продолжительности импульсов, подаваемых на электродвигатель, и зависит от момента нагрузки и напряжения импульса Umax, что необходимо учитывать при применении данного способа управления.

Вообще, к импульсному регулированию существуют два подхода:

  • При постоянном t изменяется напряжение питания, тогда управление сводится к подаче энергии в цепь якоря, изменяемой по величине, но в фиксированные моменты времени. Способ практически не используется, т.к. имеется полная аналогия якорного управления.

  • Собственно импульсное регулирование, которое в свою очередь можно подразделить на частотно-импульсное и широтно-импульсное управление.

Названия этих методов говорят сами за себя.

Так при частотно-импульсном регулировании t изменяется с изменением частоты следования импульсов. При этом длительность импульса не изменяется. По абсолютной величине она остается постоянной.

При широтно-импульсном регулировании частота импульсов остается постоянной, а tu изменяется.

Для дальнейшего рассмотрения и последующего расчета следует принять именно этот способ.

2. Принцип работы устройства

Структурную схему наиболее просто и часто встречающегося варианта широтно-импульсного регулирования работы двигателя можно увидеть на рис.1.

На данном рисунке ГЛИН - это генератор линейно изменяющегося напряжения. С помощью него создается частота следования импульсов. Диаграммы, иллюстрирующие работу устройства, изображены на рис.2,3.

Схема работает следующим образом. ГЛИН подает импульсы на один из входов устройства сравнения - U(t), на другой вход поступает сигнал постоянного уровня Uоп (рис.2, 3а). В случае, если U(t) Uоп, на выходе устройства сравнения возникает последовательность импульсов прямоугольной формы. Если же U(t) > Uоп, на выходе наблюдается низкий уровень сигнала (логический ноль). Импульсы возникают с частотой ГЛИН. Длительность импульсов изменяется посредством регулирования величины опорного напряжения (рис.2, 3б). Источник опорного напряжения реализуется с помощью потенциометра. В качестве устройства сравнения используется компаратор напряжения. Учитывая, что сигнал, выдаваемый компаратором невелик (I = 0,005А), его необходимо усилить. Для этого в схеме предусмотрен усилитель. В таком усилителе, как в обычном импульсном, нельзя использовать в качестве разделительных элементов конденсаторы и трансформаторы, поскольку вместе с изменением длительности импульса при неизменной частоте изменяется постоянная составляющая, которая не передается разделительными элементами. Таким образом, данный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока. В данной курсовой работе усилитель выполнен на базе ключей с резистивной связью.

Импульсный сигнал, усиленный усилителем, управляет работой квантующего элемента, который является электронным прибором (транзистором или тиристором), работающем в ключевом режиме. Когда ключ открыт, напряжение от источника питания поступает на якорную обмотку двигателя. Скачок напряжения в виде импульса приводит к разгону двигателя, а пауза определяет режим торможения двигателя. Посредством чередования разгона и торможения двигателя устанавливается средняя скорость вращения его вала. Причем пульсации скорости являются незаметными благодаря инертности двигателя и достаточно большой частоте следования импульсов (рис.2в, 3в).

В данной схеме в качестве источника переменного напряжения используется именно ГЛИН, т.к. именно он обеспечивает плавность и линейность регулирования подачи импульсов. Если бы в качестве такого источника был использован, например, источник напряжения с сигналом вида U(t) = |sin wt|, то ближе к амплитуде данного сигнала имелась бы существенная нелинейность, и регулирование не было бы плавным.

3. Расчет цепи схемы управления

3.1 Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения

Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню.

Как правило, высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. Мы будем использовать схему изображенную на рис.4

Рисунок 4 - Схема ГЛИН

Как видно из схемы на рис.4.

При исключении из данной схемы тиристора, подключенного параллельно конденсатору C, получается интегратор. Выходное напряжение определяется выражением:

Когда выходное напряжение превысит напряжение Uоп, тиристор откроется и конденсатор С разрядится через него. При этом напряжение UC = Uвых снизится до уровня напряжения Uоткр на тиристоре в открытом состоянии, после чего тиристор закроется, и процесс зарядки конденсатора постоянным током повторится. Очевидно, для того чтобы операционный усилитель не входил в насыщение, необходимо выполнить условие [2,стр.212].

Далее выберем операционный усилитель К140УД5Б, он имеет следующие основные характеристики [3, стр.403]

Коэффициент усиления не менее Кус = 3 × 104

Входное дифференциальное сопротивление Rвх.диф=2,5 МОм

Напряжение питания Uпит = ±5..±18 В

Максимальное выходное напряжение Uвых max = ±11 В

Сопротивление нагрузки, не менее Rн=1 кОм

Так же подберем тиристор. Наиболее подходящим является тиристор КУ103К обладающий следующими основными характеристиками [6]

Напряжение в открытом состоянии Uоткр= 1 В

Обратное напряжение Uобр =10 В

Прямой ток управляющего электрода Iпр=15 мА

Исходя из величины Iпр зададимся Uоп и Rб, при этом учтем условие

, т.е .

Тогда, если ,

то получаем .

Как известно управление ДПТ, как правило, осуществляют на частотах f = 10..1000 Гц. Тогда по формуле:

получим при C = 0.1 мкФ, f = 900 Гц , E = 15 В тогда R равно:

3.2 Расчет сравнивающего устройства

Сигнал с выхода ГЛИН (операционного усилителя) подается на один из входов компаратора напряжения. Наиболее подходящим компаратором является К554СА2, который имеет следующие основные характеристики [5, стр.158].

Коэффициент усиления Кu= 75×103

Напряжение высокого уровня (лог. 1) U1 = 2,5 ¸ 4 В

Напряжение низкого уровня (лог. 0) U0 = 0¸0.3 В

Напряжение питания Uпит = +12 ; -6 В

Минимальное сопротивление нагрузки Rnmin = 2 кОм

Рисунок 5 - Схема сравнивающего устройства

Рассчитаем работу компаратора: пусть Е=19 В. Для этого необходимо рассчитать полюса подстроечного (переменного) сопротивления R. Обозначим полюс, соединяющий +Е с неинвертирующим входом компаратора, как R’, а другой (+Е - земля) – как R”. Входным током компаратора можно пренебречь ввиду большого входного сопротивления. Т.к Uвх, на входе компаратора не превосходит 10В, необходимо, чтобы Umax R”=10 В, тогда получаем т.к.

,то получаем при R” = 100 кОм,

Сопротивление лучше всего взять СП-2-3б из ряда Е6, сопротивление из этого ряда наиболее распространены, имеют достаточную мощность и хорошие характеристики (точность подстройки 1%, кОм).

3.3 Расчет исполнительного устройства

Исполнительное устройство в данной схеме представляет собой электрический ключ. Построение электрического ключа на основе составного биполярного транзистора обусловлено следующими факторами:

1) Отсутствие реверса в разрабатываемой схеме.

2) Сравнительная простота реализации электрического ключа на биполярном транзисторе.

3) Управление состоянием транзисторного ключа осуществляется с помощью управляющего входного сигнала.

4) Малый выходной ток компаратора.

5)Требования к минимальному сопротивлению нагрузки компаратора.

Реализация электрического ключа на основе составного биполярного транзистора приводит к уменьшению мощности, получаемой от предыдущего звена схемы. В этом случае пара транзисторов VT1, VT2 работает как один, но с коэффициентом усиления по току, равным:

.

При этом транзистор VT1 потребляет меньшую мощность и, как правило, обладает значительным коэффициентом по току.

Рисунок 6 - Составные транзисторы.

Выберем составные n-p-n транзисторы, подключенные по схеме Дарлингтона. При работе составных транзисторов в ключевом режиме их включают обычно в цепь по схеме с общим эмиттером, как изображено на рис.6. Двигатель, которым необходимо управлять, как правило, включают в коллекторную цепь транзисторов. А для компенсации противо ЭДС якоря двигателя параллельно коллекторной цепи транзисторов включают диод VD1. Например, серии Д7Б с Uобр max = 100 В. Управляющий сигнал подают в цепь базы. При работе транзисторов в ключевом режиме цепь между коллектором и эмиттером может быть либо замкнута, либо разомкнута.

Рисунок 7 - Схема транзисторного ключа.

Т.к мы выбрали двигатель СЛ-525 [1], то получаем следующие входные данные для транзисторного ключа:

Uном = 110 В

Pном = 75 Вт

Iном = 1,2 А

Отсюда можем найти

Исходя из Uном и Iном выберем транзистор VT2. Наиболее подходящим транзистором оказался: n-p-n транзистор КТ809А, который имеет следующие характеристики [7, стр.429]:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ = 30

Обратный ток коллектора IK0 max = 3 мА

Постоянный ток коллектора IK = 3 А

Постоянное напряжение эмиттер-база UБЭ max = 4 В

Постоянный ток базы IБ = 1,5 А

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер UКЭ max = 400 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора РК max = 40 Вт

Рабочая температура pn– перехода Tn раб = - 60 +1250С

Максимальная температура перехода Тп max = 1500С

Зададимся значением Еп, пусть Еп = 110 В. Определим параметры схемы, необходимые для обеспечения режима насыщения транзистора.

Рисунок 8 - Выходные ВАХ транзистора КТ809А

Построим нагрузочную прямую по постоянному току. Далее имеем

При этом ток в коммутируемой цепи не зависит от параметра транзистора, а зависит только от параметров внешней цепи ( и ). Для обеспечения режима насыщения и крайнего верхнего положения рабочей точки необходимо в цепь базы транзистора подать соответствующий управляющий сигнал.

Минимальное значение тока базы должно быть не меньше . В общем случае:

Для реального тока базы должно выполнятся, условие, т.е. реальный ток базы больше или равен току насыщения базы. И, как правило, с целью повышения надежности работы транзисторного ключа при различных температурах, а также для удобства замены транзистора в случае выхода из строя, эти величины связывают через степень насыщения S. Но в нашем случае, т.к. мы используем схему на составных транзисторах, то достаточно задаться значением S, только для транзистора VT1, который будем рассчитывать далее. Значит для данного транзистора (VT2) будем иметь . Теперь из входных характеристик можно определить минимальное напряжение, которое необходимо подать на вход ключа для того, что бы перевести транзистор в режим насыщения.

Рисунок 9 - Входные ВАХ транзистора КТ809А

Как видно . Из расчетов для транзистора VT2 окончательно получаем,

, , .

В качестве транзистора VT1 используется транзистор КТ603А со следующими основными характеристиками [ 7, стр.317]:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ = 80

Обратный ток коллектора(при Тс = -400 ¸ +250С) IKO max = 1 мкА

Постоянный ток коллектора IK max = 1 А

Постоянный ток базы IБ max = 0,2 А

Постоянное напряжение эмиттер-база UБЭ max = 7 В

Постоянное напряжение коллектор -эмиттер UКЭ max =120 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора РК max = 0,8 Вт

Максимальная температура коллекторного перехода Тп max = 1500С

Значит, общий коэффициент усиления по току базы будет: =30×80=2400

Для транзистора VT1 получаем, т.к. , то должно выполняться следующее соотношение: ==70 мА, где - ток базы транзистора VT2. Значит по уже известным формулам можно записать:

Зададимся значением степени насыщения S = 2, тогда получим мА, а затем построим выходные ВАХ для транзистора КТ603А.

Рисунок 10 - Входные ВАХ транзистора КТ603А

Получим, что . Рассчитаем необходимое сопротивление :

В режиме запирания транзистора в силу ничтожно малой величины теплового тока коллектора, на вход транзисторного ключа можно не подавать отрицательное запирающее напряжение. Для запирания транзистора будет достаточно и нулевого уровня напряжения.

4. Построение механической и регулировочной характеристик электродвигателя

При описании работы двигателя в установившемся режиме используют механическую и регулировочную статические характеристики.

Под механической характеристикой понимают зависимость установившейся средней частоты вращения ротора от среднего значения момента при неизменной отрицательной продолжительности импульсов tu.

Под регулировочной характеристикой понимают зависимость установившейся средней частоты вращения ротора от относительной продолжительности импульсов tu при неизменном среднем моменте на валу двигателя.

В зависимости от соотношения электромагнитной постоянной времени обмотки якоря tя и величины Тu, от схемы управления, момента нагрузки и тока в цепи якоря возможны два основных режима работы двигателя при импульсном управлении: режим прерывистого тока и режим непрерывного тока.

Режим прерывистого тока возможен при tя< Тu и характеризуется тем, что во время паузы tn ток в якоре равен нулю. В технических условиях на двигатель не было указано индуктивности его обмотки, поэтому можно предположить, что она очень мала, и tя заведомо удовлетворяет указанному условию. В этом случае характеристики двигателя определяются следующими выражением:

(*)

где - средняя частота вращения вала двигателя;

Мср : tu - среднее за период Тu значение вращающего момента.

Все величины - в относительных единицах.

Выражение (*) при tu=const представляет собой уравнение механической характеристики, а при Мср = const уравнение регулировочной характеристики. Из анализа этого выражения можно сделать выводы:

  1. Механические характеристики линейны и начинаются из одной общей точки холостого хода (=1, Мср=0). Жесткость механических характеристик, т.е. отношение приращения момента к приращению частоты вращения ротора, уменьшается по мере уменьшения tu.

  2. Регулировочные характеристики нелинейны. Регулирование возможно только при Мср ≠ 0, т.к. при Мср = 0 установившееся значение средней частоты вращения ротора =1, при любом tu.

Согласно бланку задания нам требуется построить характеристики двигателя в абсолютных единицах. В числе прочих справочных данных для двигателя имеются следующие:

Номинальная частота вращения nном=4400 об/мин

Номинальный момент на валу двигателя Mном=0,196 Н∙м

Пусковой момент Mпуск=0,49 Н∙м

Теперь запишем уравнение (*) с учетом того что

, а

(**)

теперь подставив в уравнение (**) точки (Mном; nном) и (Mпуск;0)(условие равенства скорости двигателя 0 в момент пуска), и для простоты вычислений приняв =1, получаем:

об/мин

Теперь мы можем построить механические и регулировочные характеристики для данного двигателя.

Построим механические характеристики для =0,5, =0,25 и =0,1 проще всего это сделать, воспользовавшись уравнением (**) приняв при этом n=0.Найдем координаты первой точки:

1

0.5

0.25

0,1

n,об/мин

0

0

0

0

M ,Н∙м

0,49

0,245

0,1225

0,049

Что касается второй точки то, как следует из свойств механической характеристики описанных выше, это будет точка (0,).Теперь построим механические характеристики.

Рисунок 11 - Механические характеристики.

Теперь построим регулировочные характеристики, для этого воспользуемся уравнением (**). Составим следующую таблицу:

При Н∙м

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

n,об/мин

0

3666

4888

5499

5866

6111

6285

6416

6518

6599

При Н∙м

0,25

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

n,об/мин

0

1222

2750

3666

4277

4714

5041

5296

5500

При Н∙м

Теперь построим регулировочные характеристики двигателя:

Рисунок 12 - Регулировочные характеристики.

Далее изобразим относительный график заполнения импульса и частоты вращения ротора при высоте импульсов Uном и моменте на валу двигателя Mном.

Рисунок 13 - Относительный график заполнения импульса и частоты вращения ротора

Где величины n1 и n2 определяются по формулам:

Где - среднее в интервале значение вращающего момента двигателя, отн.ед.; -статический момент сопротивления на валу отн.ед.; -момент инерции ротора;

-постоянная машины.

Заключение

В результате выполнения курсовой работы было рассчитано устройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока. В основу расчета лег принцип широтной модуляции сигнала. Применение интегральных схем значительно упростило устройство и повысило его надежность.

При расчете было сделано допущение о малой индуктивности якоря, и весь расчет велся на активное сопротивление обмотки двигателя.

Кроме того, ввиду большого быстродействия транзисторных ключей и сравнительно малой частоты генерирования линейно изменяющегося напряжения переходные процессы в электронных компонентах также не принимались в рассмотрение, и весь расчет велся для устойчивого режима.

В ходе исследования работы двигателя при переменном tuи различных значениях момента М были построены механические и регулировочные характеристики электродвигателя в абсолютных единицах, по которым можно определить характер работы двигателя.

Список используемой литературы

  1. Копылов. Справочник по электрическим машинам. – М.:Энергоатомиздат, 1989г – 688с.

  2. Основы промышленной электроники. Под ред. проф. В.Г.Герасимова. - М.: Высшая школа, 1986г - 336с.

  3. Интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. Б.В.Тарабрина. - М.: Радио и связь, 1983г -528с.

  4. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины и микромашины. – М.: Высшая школа, 1990г -528с.

  5. Подлипенский В.С., Петренко В.Н.Электромагнитные и электромашинные устройства автоматики. – К.: Вища школа, 1987г -592с.

  6. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. Под общ. ред. Н.Н.Горюнова. -М.: Энергия, 1976г -744с.

  7. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под ред. Б.Л.Перельмана. -М.: Радио и связь, 1981г -656с.

  8. Лукашенков А.В. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Лабораторная работа №16. Расчет и исследование бестрансформаторных усилителей мощности. Методические указания. -Тула.: ТулПИ, 1988г -32с.

baza-referat.ru

Широтно-импульсное управление электроприводами.

Все выше рассмотренные способы параметрического регулирования скорости, задают определенную скорость при неизменном значении параметров.

При большом числе ступеней скорости требуется значительное число коммутаций аппаратуры, что ведет к увеличению стоимости оборудования, к уменьшению надежности. Для уменьшения коммутаций аппаратуры применяют импульсный способ регулирования определенных параметров схемы.

;

R=R0– при замкнутом К;

R=R0+Rдоп– при разомкнутом К.

;

;

;

.

Импульсное изменение параметров, в данном случае Rя в цепи якоря двигателя, реализуется введением личного сопротивленияRд в цепь якоря (ключК– разомкнут) или выведением сопротивленияRд (ключК закорачивают).

Коммутацию ключа обычно осуществляют таким образом, что в период коммутации Тк=const, меняется лишь соотношение времени замкнутого состояния и разомкнутого состояния ключа.

Т.е. сопротивление меняется от R0 доR0+Rд.

Такой способ коммутации называют широтным и время замыкания ключа в относительных единицах - называется скважностью.

Другой способ, когда tз=const, а меняется периодТкназывают частотным управлением.

При неизменном значении tз=constнаступаетtр=const(квазиустановившейся режим).

В этом случае при замыкании ключа ток растет от минимального до максимального Rядв=R0.

При размыкании ключа сопротивление в цепи якоря: Rя=R0+Rд.

.

В квазиустойчивом режиме величины максимального, минимального, среднего тока постоянны, а значит и постоянна по величине средняя величина скорости. Для перехода к механической характеристике необходимо определить эквивалентное сопротивление якорной цепи.

;;;

;;;

.

Широтно-импульсный способ регулирования скорости применим для механизмов, работающих в повторно кратковременных режимах, так как управление осуществляется в цепях малой мощности, данный способ позволяет получить бесступенчатое плавное регулирование скорости. Широтно-импульсный способ позволяет повысить жесткость механической характеристики, если ввести обратную связь по скорости или напряжению.

Энергетические показатели этого способа регулируются несколько хуже, чем при реостатном регулировании.

Для двигателя постоянного тока увеличиваются потери за счет пульсации тока относительно его средней величины.

Для асинхронного двигателя, кроме увеличения потерь за счет пульсации выпрямительного тока, увеличиваются потери за счет искажения тока обмоток асинхронного двигателя при включении их в обмотки двигателя.

Регулирование скорости изменением питающего напряжения. Понятие об электроприводе по системе уп-д.

Регулирования скорости изменением напряжения возможно как в приводах постоянного тока, так и переменного.

Для реализации этого способа необходимо иметь источник напряжения. Напряжение на зажимах, которого изменяется в достаточно широких пределах. Т.е. необходим управляющий преобразователь электрической энергии. Наиболее широкое распространение получили электрический машинный преобразователи для приводов постоянного тока, для приводов постоянного и переменного тока – вентильный преобразователь.

Для асинхронного двигателя иногда применяется управляющая схема, где для регулирования напряжения применяют автотрансформаторы и трансформаторы с переменными коэффициентами напряжения.

Электрические машинные преобразователи постоянного тока представляют собой генератор постоянного тока, приводимый во вращение асинхронным двигателем или синхронным двигателем. Изменение напряжения на его зажимах производится за счет регулирования потока возбуждения машины. Регулирование напряжения производится изменением угла управления тиристоров или скважности в системе ШИР-Д.

Расчетная мощность преобразователей равна или несколько больше мощности двигателя. Для всех типов преобразователей соответствует одна и та же эквивалентная схема, где регулирование преобразователей представляется в виде ЭДС, величина которой постоянно меняется в процессе регулирования. В состав эквивалентной схемы входит сопротивление преобразователя, система соединения проводов и сопротивление якоря.

Механическая характеристика для двигателя в системе УП-Д имеет выражение аналогичное выражению механической характеристики в естественной схеме включения двигателя.

;.

Жесткость искусственной механической характеристики значительно хуже, чем жесткость естественной механической характеристики.

.

Однако по сравнению с реостатным способом жесткость значительно выше, особенно на низких скоростях.

Большим достоинством регулирования скорости в системе УП-Д является то, что регулирование скорости производится воздействием не на главные цепи, а на цепи управления устройством, мощность которого невелика. Это приводит к повышению плавности регулирования.

Регулирование в таких системах идет вниз от основной скорости, изменением величины ЭДС при постоянстве магнитного потока. Регулирование постоянным моментом. также возможно регулирование скорости вверх от основной изменением, ослаблением магнитного потока при постоянстве ЭДС генератора равна его номинальной величине Ег=Епн.

Регулирование идет при постоянстве Р, допустимый моментМ:

;.

studfiles.net

Импульсное управление электроприводом - это... Что такое Импульсное управление электроприводом?

 Импульсное управление электроприводом

        метод управления частотой вращения или вращающим моментом электродвигателей, основанный на периодическом изменении параметров цепей двигателя или схемы его присоединения к источнику энергии. Например, при замкнутом контакте импульсного элемента (ИЭ) (см. рис.) цепь якоря Я подключена к источнику Uп и двигатель разгоняется. При разомкнутом контакте двигатель тормозится статическим моментом нагрузки Mc. Среднее значение частоты вращения n определяется относительным временем τ1 включения ИЭ и нагрузкой Mc, т. е., меняя продолжительность импульса питающего напряжения, можно регулировать частоту вращения в широких пределах. В качестве коммутирующих ИЭ применяются реле, контакторы, магнитные усилители, ионные приборы, транзисторы. Подобные схемы отличаются низкими кпд и коэффициентом использования двигателя при глубоком регулировании частоты вращения.

         Для И. у. э. характерны простота и надёжность, а схема управления на транзисторах отличается, кроме того, высокой экономичностью, малыми габаритами и массой, поэтому такие схемы широко применяются в самолётных электроприводах и металлообрабатывающих станках.

         Лит.: Твердин Л. М., Система УРВ-Д с импульсным регулированием скорости вращения, в кн.: Автоматизированный электропривод, в. 2, М., 1960; Нагорский В. Д., Управление двигателями постоянного тока с помощью импульсов повышенной частоты, «Изв. АН СССР. Отделение технических наук», 1960, № 2.

        

        Импульсное регулирование частоты вращения электродвигателя: а — схема включения электродвигателя и временная диаграмма его работы; б — механические характеристики электропривода; ИЭ — импульсный элемент управления; Я — якорь электродвигателя; Uп — источник электроэнергии; Mc — нагрузка: uя — напряжение на якоре; iя — ток в якоре; n — частота врашения.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

  • Импульсная техника высоких напряжений
  • Импульсные источники света

Смотреть что такое "Импульсное управление электроприводом" в других словарях:

  • ИМПУЛЬСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ — управление скоростью или вращающим моментом электродвигателя путём периодич. включения и отключения источника питания. В качестве переключающих импульсных элементов применяются транзисторы, реже магн. усилители и тиристоры. Для систем И. у. э.… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • 1: — Терминология 1: : dw Номер дня недели. «1» соответствует понедельнику Определения термина из разных документов: dw DUT Разность между московским и всемирным координированным временем, выраженная целым количеством часов Определения термина из… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • программное обеспечение — 01.01.80 программное обеспечение (в области электросвязи) [software <telecommunication>]: Программы ЭВМ, процедуры, правила и любая сопутствующая документация, имеющие отношение к работе аппаратуры, сети электросвязи или другого… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

dic.academic.ru

Вопрос 13

13. Управление двигателями постоянного тока с помощью управляемых выпрямителей и импульсных схем, способы реализации и основные характеристики

Управляемые выпрямители, т.е. выпрямители выходного напряжения, которое можно регулировать, являются удобным средством регулирования двигателей постоянного тока и широко используются в промышленности.

Управляемые выпрямители создают пульсирующий ток. Полезной является только постоянная составляющая тока, а переменная вызывает дополнительные потери. Поэтому ее стремятся снизить.

В общем случае, основным средством снижения переменной составляющей является конденсатор, включенный параллельно нагрузке. Однако, в случае управления двигателем, такой способ применить трудно, т.к. для двигателя даже небольшой мощности емкость сглаживающего конденсатора должна составлять 1000-10тыс. мкФ и даже Ф. Поэтому, для снижения переменной составляющей при питании двигателя используют режим непрерывного тока.

Если собственной индуктивности двигателя не хватает, то последовательно с ним устанавливаются дроссели.

Существует большое число вариантов схем УВ, но все они по принципу действия делятся на однополупериодные и двухполупериодные.

1. Однополупериодные схемы:

меняя момент открытия теристора, меняем уровень напряжения; - угол отпирания тиристора.

- потенциал на аноде > чем потенциал на катоде; если нет разности потенциалом между А и К, то тиристор закрыт.

- нужно подать импульс напряжения на УЭ, чтобы его открыть;

- для закрытия тиристора необходимо снизить разность потенциалов между А и К или поменять полярность.

Применяется система импульсно фазового управления (для изменения )

СУ – синхронизирующее устройство (отслеживает переход Uсети через 0)

ГПН – генератор пилообразного U

СС – схема сравнения

ФИ – формирователь импульсов

Uоп – опорное напряжение

СУ отслеживает переход Uсети через 0 и в этот моментвремени вырабатывает импульсное пилообразное напряжение, кот.подается на СС. На 2-й вход СС подается Uу, в-ну которого можно менять (его формирует САУ). В момент равенства сигнала ГПН и Uу СС заставляет ФИ сформировать импульс, отпирающий тиристор.

некоторые особенности УВ: ток через индуктивность не может прекращаться мгновенно, следовательно, тиристор некоторое время остается в открытом состоянии)

2. Двухполупериодные схемы:

Схема управления двигателем:

Механическая характеристика:

- сопротивление диода

- угол отпирания тиристора

-электромагнитный коэффициент

Схема управления двигателем:

Iя – ток якоря

Iс – ток сети

Iд – ток через диод

,

где S – скважность

U – напряжение питания

Механическая характеристика:

Коммутация ключа должна осуществляться с высокой частотой (кГц) -> двигатель вращается плавно за счет своей инерционности. Для изменения частоты вращения двигателя необходимо менять γ. Это можно осуществить двумя способами:

  1. широтно-импульсная модуляция (ШИМ):

  1. частотно-импульсная модуляция (ЧИМ):

ЧИМ реализуется проще. Однако, для того, чтобы получить нулевое напряжение γ должна быть равна нулю, а для этого tц = бесконечности, что не реализуемо. Поэтому, ЧИМ не позволяет обеспечить глубокое регулирование и чаще используется ШИМ.

Мостовая схема ШИ – преобразование:

Возможны 2 варианта управления схемой:

  1. направление вращения выбирается при помощи к3 или к4, в котором включен постоянный ток. А скорость вращения изменяется ключами к2 или к1 с использованием ШИ управления.

  2. диагонали к1-к4 и к2-к3 коммутируются с использованием Ши управления. Направление и среднее значение тока будет определяться соотношением длительности включенного состояния этих диагоналей.

при γ > 0.5 частота увеличивается,

при γ < 0.5 частота уменьшается.

Наиболее удобным элементом управления для мощных приводов является терристор.

T1 – основной силовой коммутационный элемент

Rб – балансный резистор

Rб, T2, С – элементы, обеспечивающие запирание терристора T1

Втечении длительности импульса включенностиT1 открыт и через якорь протекает ток от источника питания. Помимо этого ток протекает по цепи: «+» источника питания – Rб – С – T1 – «-» источника питания. Под действием этого тока конденсатор заряжается в полярности, указанной на рисунке, когда необходимо закрыть T1 подается управляющий сигнал на T2. Это приводит к тому, что конденсатор подключается параллельно T2, причем положительный потенциал подается на катод, а отрицательный – на анод, что приводит к запиранию T1.

На основе этого приведем структурную схему управления :

ФИ – формирователь импульсов

ЗГ – задающий генератор

ГПР – генератор пилообразного напряжения

studfiles.net

Импульсное управление - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Импульсное управление

Cтраница 1

Импульсное управление предполагает, что передача энергии де раб0чего рабочему органу тоже происходит через удар. Решаем дифференциальные уравнения между s ударами.  [1]

Импульсное управление переносом металла при сварке происходит при разомкнутом цикле воздействий. Отделение капель определяется частотой следования импульсов тока ( 50 и 100 Гц), изменяемых ступенчато.  [3]

Импульсное управление Двигателями малой мощности и микродвигателями осуществляют с помощью импульсных прерывателей, в которых коммутирующими элементами являются транзисторы. Для управления двигателями средней и большой мощности применяют прерыватели с тиристорами. Так как тиристор в отличие от транзистора является не полностью управляемым вентилем то для запирания его применяют различные схемы искусственной коммутации, обеспечивающие прерывание проходящего тока путем подачи на его электроды обратного напряжения.  [5]

Импульсное управление широко применяют при питании двигателей от сети постоянного тока, а также в автономных устройствах, где необходимо использовать аккумуляторы электрической энергии.  [7]

Импульсное управление осуществляется следующим образом.  [8]

Импульсное управление асинхронным двигателем с фазным ротором в цепи выпрямленного тока простыми средствами обеспечивает плавное и в широких пределах ( в замкнутых системах) регулирование угловой скорости с высоким быстродействием.  [9]

Импульсное управление заключается в регулировании подачи реагента дозатором изменением средней частоты вращения его электродвигателя.  [10]

Импульсное управление скоростью АД основывается на изменении среднего значения напряжения на АД путем изменения продолжительности подключения АД к сети. При таком управлении АД поочередно работает в режимах включено - выключено. В режиме включено обмотка статора присоединяется к сети и АД разгоняется в течение некоторого времени работы тр. В режиме выключено АД отсоединяется от сети и в течение некоторого времени т0 работает на выбеге.  [11]

Импульсное управление предполагает, что передача энергии де раб0чего рабочему органу тоже происходит через удар. Решаем дифференциальные уравнения между s ударами.  [12]

Импульсное управление, удовлетворяющее ограничениям (1.13) ( в любом из возможных вариантов), назовем допустимым.  [13]

Часто импульсное управление тринисторами осуществляется с помощью ЯС-цепей, в которых в качестве включающего сигнала используется импульс тока разряда конденсатора через цепь управляющего электрода.  [14]

ЭГСС импульсного управления - система, в которой осуществляется релейное, широтно-импульсное ( широтно-амплитудное) или числовое управление.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

Курсовая Устройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока

Содержание

Введение

1. Анализ исходных данных и выбор схемы

2. Принцип работы устройства

3. Расчёт цепи схемы управления

3.1. Расчёт генератора линейно изменяющегося напряжения

3.2. Расчёт сравнивающего устройства

3.3. Расчёт исполнительного устройства

4. Построение механической и регулировочной характеристик электродвигателя

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Машины постоянного тока до сих пор активно применяются в качестве двигателей (ДПТ) и генераторов (ГПТ). ДПТ имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и сравнительно мягкие механические характеристики, а кроме того мало подвержены внешним воздействиям. Благодаря этому они активно используются в промышленности, особенно в областях регулирования и системах автоматики.

Исполнительные двигатели постоянного тока (ИДПТ) являются одной из наиболее распространенных составных частей исполнительных механизмов. Поэтому двигатель является либо чисто инерционным звеном, либо инерционным звеном, соединенным совместно с другими звеньями, он обладает способностью сглаживать пульсации управляющего напряжения Uу, усредняя его. Это позволяет использовать регулирующие устройства, работающие в импульсном режиме (управляемые выпрямители, широтно-импульсные усилители и т.п.), когда изменения напряжения управления, непрерывно подводимого к двигателю, а путем изменения времени, в течение которого к двигателю подводится накопительное напряжение.

Конструкция ДПТ сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.

Эта работа направлена на построение устройства управления (УУ) к одному из многих представителей класса ИДПТ. Здесь будут рассматриваться основные принципы построения УУ ИДПТ и приведен расчет одного устройства для двигателя с мощностью P = 75 Вт и скоростью вращения n = 5000 об/мин.

1. Анализ исходных данных и выбор схемы

В данной курсовой работе предлагается рассчитать схему импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока (ИДПТ).

Наиболее подходящим по бланку задания двигателем является СЛ-525, т.к. у него высокая продолжительность непрерывной работы (2000 ч.), высокий КПД (59%). В дальнейшем будем использовать этот двигатель, все расчеты ведутся по его данным.

В соответствии с бланком задания двигатель СЛ-525 питается от двух независимых источников напряжения (двигатель с независимым возбуждением), которые подают энергию соответственно на якорную обмотку и обмотку возбуждения. Из этого следует, что принципиально возможно два варианта управления: якорное, когда обмотка возбуждения подключена постоянно к источнику с неизменным напряжением (а на якорную обмотку подают напряжение управления только при необходимости вращения двигателя) и полюсное, при этом якорная обмотка подключена на источник с неизменным напряжением, а напряжение, подводимое к обмотке возбуждения, изменяется. Фактически при полюсном управлении изменяется магнитный поток. Данный способ применяется сравнительно редко, т.к. при Uв = 0 в ИДПТ имеется остаточный поток, а, следовательно, и небольшой электромагнитный момент, приводящий к самоходу двигателя, что недопустимо в точных системах, где применяются двигатели. Кроме того, при данном способе управления регулировочные характеристики могут быть неоднозначны и нелинейны, что также можно отнести к недостаткам этого способа управления.

Поэтому в основу расчета следует положить принцип якорного управления двигателем. Одним из недостатков этого способа является большая мощность управления. Именно с целью ее уменьшения и следует использовать принцип импульсного управления двигателя по якорной обмотке.

При таком способе двигатель управляется напряжением, подводимым к якорю с определенной длительностью. Для оценки длительности импульса вводится относительная величина, равная и называемая коэффициентом заполнения (обратная величина - - скважность).

В этой формуле tu - время импульса, Т - период следования импульсов.

Работа двигателя при импульсном управлении состоит из чередующихся периодов разгона и торможения, причем периоды разгона должны быть малы по сравнению с электромеханической постоянной времени двигателя - тогда скорость вращения якоря w(t) не успевает к концу периода достигнуть установившегося значения.

Мгновенная скорость якоря электродвигателя будет непрерывно колебаться относительно среднего значения wСР, которое при неизменных моменте нагрузки и напряжении возбуждения однозначно определяется коэффициентом заполнения t. Причем амплитуда этих колебаний тем меньше, чем больше отношение электромеханической постоянной двигателя к периоду следования импульсов Т. С ростом частоты управляющих импульсов и с увеличением электромеханической постоянной времени амплитуда колебаний скорости уменьшается. Среднее значение скорости увеличивается с ростом относительной продолжительности импульсов, подаваемых на электродвигатель, и зависит от момента нагрузки и напряжения импульса Umax, что необходимо учитывать при применении данного способа управления.

Вообще, к импульсному регулированию существуют два подхода:

  • При постоянном t изменяется напряжение питания, тогда управление сводится к подаче энергии в цепь якоря, изменяемой по величине, но в фиксированные моменты времени. Способ практически не используется, т.к. имеется полная аналогия якорного управления.

  • Собственно импульсное регулирование, которое в свою очередь можно подразделить на частотно-импульсное и широтно-импульсное управление.

Названия этих методов говорят сами за себя.

Так при частотно-импульсном регулировании t изменяется с изменением частоты следования импульсов. При этом длительность импульса не изменяется. По абсолютной величине она остается постоянной.

При широтно-импульсном регулировании частота импульсов остается постоянной, а tu изменяется.

Для дальнейшего рассмотрения и последующего расчета следует принять именно этот способ.

2. Принцип работы устройства

Структурную схему наиболее просто и часто встречающегося варианта широтно-импульсного регулирования работы двигателя можно увидеть на рис.1.

На данном рисунке ГЛИН - это генератор линейно изменяющегося напряжения. С помощью него создается частота следования импульсов. Диаграммы, иллюстрирующие работу устройства, изображены на рис.2,3.

Схема работает следующим образом. ГЛИН подает импульсы на один из входов устройства сравнения - U(t), на другой вход поступает сигнал постоянного уровня Uоп (рис.2, 3а). В случае, если U(t) Uоп, на выходе устройства сравнения возникает последовательность импульсов прямоугольной формы. Если же U(t) > Uоп, на выходе наблюдается низкий уровень сигнала (логический ноль). Импульсы возникают с частотой ГЛИН. Длительность импульсов изменяется посредством регулирования величины опорного напряжения (рис.2, 3б). Источник опорного напряжения реализуется с помощью потенциометра. В качестве устройства сравнения используется компаратор напряжения. Учитывая, что сигнал, выдаваемый компаратором невелик (I = 0,005А), его необходимо усилить. Для этого в схеме предусмотрен усилитель. В таком усилителе, как в обычном импульсном, нельзя использовать в качестве разделительных элементов конденсаторы и трансформаторы, поскольку вместе с изменением длительности импульса при неизменной частоте изменяется постоянная составляющая, которая не передается разделительными элементами. Таким образом, данный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока. В данной курсовой работе усилитель выполнен на базе ключей с резистивной связью.

Импульсный сигнал, усиленный усилителем, управляет работой квантующего элемента, который является электронным прибором (транзистором или тиристором), работающем в ключевом режиме. Когда ключ открыт, напряжение от источника питания поступает на якорную обмотку двигателя. Скачок напряжения в виде импульса приводит к разгону двигателя, а пауза определяет режим торможения двигателя. Посредством чередования разгона и торможения двигателя устанавливается средняя скорость вращения его вала. Причем пульсации скорости являются незаметными благодаря инертности двигателя и достаточно большой частоте следования импульсов (рис.2в, 3в).

В данной схеме в качестве источника переменного напряжения используется именно ГЛИН, т.к. именно он обеспечивает плавность и линейность регулирования подачи импульсов. Если бы в качестве такого источника был использован, например, источник напряжения с сигналом вида U(t) = |sin wt|, то ближе к амплитуде данного сигнала имелась бы существенная нелинейность, и регулирование не было бы плавным.

3. Расчет цепи схемы управления

3.1 Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения

Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню.

Как правило, высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. Мы будем использовать схему изображенную на рис.4

Рисунок 4 - Схема ГЛИН

Как видно из схемы на рис.4.

При исключении из данной схемы тиристора, подключенного параллельно конденсатору C, получается интегратор. Выходное напряжение определяется выражением:

Когда выходное напряжение превысит напряжение Uоп, тиристор откроется и конденсатор С разрядится через него. При этом напряжение UC = Uвых снизится до уровня напряжения Uоткр на тиристоре в открытом состоянии, после чего тиристор закроется, и процесс зарядки конденсатора постоянным током повторится. Очевидно, для того чтобы операционный усилитель не входил в насыщение, необходимо выполнить условие [2,стр.212].

Далее выберем операционный усилитель К140УД5Б, он имеет следующие основные характеристики [3, стр.403]

Коэффициент усиления не менее Кус = 3 × 104

Входное дифференциальное сопротивление Rвх.диф=2,5 МОм

Напряжение питания Uпит = ±5..±18 В

Максимальное выходное напряжение Uвых max = ±11 В

Сопротивление нагрузки, не менее Rн=1 кОм

Так же подберем тиристор. Наиболее подходящим является тиристор КУ103К обладающий следующими основными характеристиками [6]

Напряжение в открытом состоянии Uоткр= 1 В

Обратное напряжение Uобр =10 В

Прямой ток управляющего электрода Iпр=15 мА

Исходя из величины Iпр зададимся Uоп и Rб, при этом учтем условие

, т.е .

Тогда, если ,

то получаем .

Как известно управление ДПТ, как правило, осуществляют на частотах f = 10..1000 Гц. Тогда по формуле:

получим при C = 0.1 мкФ, f = 900 Гц , E = 15 В тогда R равно:

3.2 Расчет сравнивающего устройства

Сигнал с выхода ГЛИН (операционного усилителя) подается на один из входов компаратора напряжения. Наиболее подходящим компаратором является К554СА2, который имеет следующие основные характеристики [5, стр.158].

Коэффициент усиления Кu= 75×103

Напряжение высокого уровня (лог. 1) U1 = 2,5 ¸ 4 В

Напряжение низкого уровня (лог. 0) U0 = 0¸0.3 В

Напряжение питания Uпит = +12 ; -6 В

Минимальное сопротивление нагрузки Rnmin = 2 кОм

Рисунок 5 - Схема сравнивающего устройства

Рассчитаем работу компаратора: пусть Е=19 В. Для этого необходимо рассчитать полюса подстроечного (переменного) сопротивления R. Обозначим полюс, соединяющий +Е с неинвертирующим входом компаратора, как R’, а другой (+Е - земля) – как R”. Входным током компаратора можно пренебречь ввиду большого входного сопротивления. Т.к Uвх, на входе компаратора не превосходит 10В, необходимо, чтобы Umax R”=10 В, тогда получаем т.к.

,то получаем при R” = 100 кОм,

Сопротивление лучше всего взять СП-2-3б из ряда Е6, сопротивление из этого ряда наиболее распространены, имеют достаточную мощность и хорошие характеристики (точность подстройки 1%, кОм).

3.3 Расчет исполнительного устройства

Исполнительное устройство в данной схеме представляет собой электрический ключ. Построение электрического ключа на основе составного биполярного транзистора обусловлено следующими факторами:

1) Отсутствие реверса в разрабатываемой схеме.

2) Сравнительная простота реализации электрического ключа на биполярном транзисторе.

3) Управление состоянием транзисторного ключа осуществляется с помощью управляющего входного сигнала.

4) Малый выходной ток компаратора.

5)Требования к минимальному сопротивлению нагрузки компаратора.

Реализация электрического ключа на основе составного биполярного транзистора приводит к уменьшению мощности, получаемой от предыдущего звена схемы. В этом случае пара транзисторов VT1, VT2 работает как один, но с коэффициентом усиления по току, равным:

.

При этом транзистор VT1 потребляет меньшую мощность и, как правило, обладает значительным коэффициентом по току.

Рисунок 6 - Составные транзисторы.

Выберем составные n-p-n транзисторы, подключенные по схеме Дарлингтона. При работе составных транзисторов в ключевом режиме их включают обычно в цепь по схеме с общим эмиттером, как изображено на рис.6. Двигатель, которым необходимо управлять, как правило, включают в коллекторную цепь транзисторов. А для компенсации противо ЭДС якоря двигателя параллельно коллекторной цепи транзисторов включают диод VD1. Например, серии Д7Б с Uобр max = 100 В. Управляющий сигнал подают в цепь базы. При работе транзисторов в ключевом режиме цепь между коллектором и эмиттером может быть либо замкнута, либо разомкнута.

Рисунок 7 - Схема транзисторного ключа.

Т.к мы выбрали двигатель СЛ-525 [1], то получаем следующие входные данные для транзисторного ключа:

Uном = 110 В

Pном = 75 Вт

Iном = 1,2 А

Отсюда можем найти

Исходя из Uном и Iном выберем транзистор VT2. Наиболее подходящим транзистором оказался: n-p-n транзистор КТ809А, который имеет следующие характеристики [7, стр.429]:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ = 30

Обратный ток коллектора IK0 max = 3 мА

Постоянный ток коллектора IK = 3 А

Постоянное напряжение эмиттер-база UБЭ max = 4 В

Постоянный ток базы IБ = 1,5 А

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер UКЭ max = 400 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора РК max = 40 Вт

Рабочая температура pn– перехода Tn раб = - 60 +1250С

Максимальная температура перехода Тп max = 1500С

Зададимся значением Еп, пусть Еп = 110 В. Определим параметры схемы, необходимые для обеспечения режима насыщения транзистора.

Рисунок 8 - Выходные ВАХ транзистора КТ809А

Построим нагрузочную прямую по постоянному току. Далее имеем

При этом ток в коммутируемой цепи не зависит от параметра транзистора, а зависит только от параметров внешней цепи ( и ). Для обеспечения режима насыщения и крайнего верхнего положения рабочей точки необходимо в цепь базы транзистора подать соответствующий управляющий сигнал.

Минимальное значение тока базы должно быть не меньше . В общем случае:

Для реального тока базы должно выполнятся, условие, т.е. реальный ток базы больше или равен току насыщения базы. И, как правило, с целью повышения надежности работы транзисторного ключа при различных температурах, а также для удобства замены транзистора в случае выхода из строя, эти величины связывают через степень насыщения S. Но в нашем случае, т.к. мы используем схему на составных транзисторах, то достаточно задаться значением S, только для транзистора VT1, который будем рассчитывать далее. Значит для данного транзистора (VT2) будем иметь . Теперь из входных характеристик можно определить минимальное напряжение, которое необходимо подать на вход ключа для того, что бы перевести транзистор в режим насыщения.

Рисунок 9 - Входные ВАХ транзистора КТ809А

Как видно . Из расчетов для транзистора VT2 окончательно получаем,

, , .

В качестве транзистора VT1 используется транзистор КТ603А со следующими основными характеристиками [ 7, стр.317]:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ = 80

Обратный ток коллектора(при Тс = -400 ¸ +250С) IKO max = 1 мкА

Постоянный ток коллектора IK max = 1 А

Постоянный ток базы IБ max = 0,2 А

Постоянное напряжение эмиттер-база UБЭ max = 7 В

Постоянное напряжение коллектор -эмиттер UКЭ max =120 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора РК max = 0,8 Вт

Максимальная температура коллекторного перехода Тп max = 1500С

Значит, общий коэффициент усиления по току базы будет: =30×80=2400

Для транзистора VT1 получаем, т.к. , то должно выполняться следующее соотношение: ==70 мА, где - ток базы транзистора VT2. Значит по уже известным формулам можно записать:

Зададимся значением степени насыщения S = 2, тогда получим мА, а затем построим выходные ВАХ для транзистора КТ603А.

Рисунок 10 - Входные ВАХ транзистора КТ603А

Получим, что . Рассчитаем необходимое сопротивление :

В режиме запирания транзистора в силу ничтожно малой величины теплового тока коллектора, на вход транзисторного ключа можно не подавать отрицательное запирающее напряжение. Для запирания транзистора будет достаточно и нулевого уровня напряжения.

4. Построение механической и регулировочной характеристик электродвигателя

При описании работы двигателя в установившемся режиме используют механическую и регулировочную статические характеристики.

Под механической характеристикой понимают зависимость установившейся средней частоты вращения ротора от среднего значения момента при неизменной отрицательной продолжительности импульсов tu.

Под регулировочной характеристикой понимают зависимость установившейся средней частоты вращения ротора от относительной продолжительности импульсов tu при неизменном среднем моменте на валу двигателя.

В зависимости от соотношения электромагнитной постоянной времени обмотки якоря tя и величины Тu, от схемы управления, момента нагрузки и тока в цепи якоря возможны два основных режима работы двигателя при импульсном управлении: режим прерывистого тока и режим непрерывного тока.

Режим прерывистого тока возможен при tя< Тu и характеризуется тем, что во время паузы tn ток в якоре равен нулю. В технических условиях на двигатель не было указано индуктивности его обмотки, поэтому можно предположить, что она очень мала, и tя заведомо удовлетворяет указанному условию. В этом случае характеристики двигателя определяются следующими выражением:

(*)

где - средняя частота вращения вала двигателя;

Мср : tu - среднее за период Тu значение вращающего момента.

Все величины - в относительных единицах.

Выражение (*) при tu=const представляет собой уравнение механической характеристики, а при Мср = const уравнение регулировочной характеристики. Из анализа этого выражения можно сделать выводы:

  1. Механические характеристики линейны и начинаются из одной общей точки холостого хода (=1, Мср=0). Жесткость механических характеристик, т.е. отношение приращения момента к приращению частоты вращения ротора, уменьшается по мере уменьшения tu.

  2. Регулировочные характеристики нелинейны. Регулирование возможно только при Мср ≠ 0, т.к. при Мср = 0 установившееся значение средней частоты вращения ротора =1, при любом tu.

Согласно бланку задания нам требуется построить характеристики двигателя в абсолютных единицах. В числе прочих справочных данных для двигателя имеются следующие:

Номинальная частота вращения nном=4400 об/мин

Номинальный момент на валу двигателя Mном=0,196 Н∙м

Пусковой момент Mпуск=0,49 Н∙м

Теперь запишем уравнение (*) с учетом того что

, а

(**)

теперь подставив в уравнение (**) точки (Mном; nном) и (Mпуск;0)(условие равенства скорости двигателя 0 в момент пуска), и для простоты вычислений приняв =1, получаем:

об/мин

Теперь мы можем построить механические и регулировочные характеристики для данного двигателя.

Построим механические характеристики для =0,5, =0,25 и =0,1 проще всего это сделать, воспользовавшись уравнением (**) приняв при этом n=0.Найдем координаты первой точки:

1

0.5

0.25

0,1

n,об/мин

0

0

0

0

M ,Н∙м

0,49

0,245

0,1225

0,049

Что касается второй точки то, как следует из свойств механической характеристики описанных выше, это будет точка (0,).Теперь построим механические характеристики.

Рисунок 11 - Механические характеристики.

Теперь построим регулировочные характеристики, для этого воспользуемся уравнением (**). Составим следующую таблицу:

При Н∙м

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

n,об/мин

0

3666

4888

5499

5866

6111

6285

6416

6518

6599

При Н∙м

0,25

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

n,об/мин

0

1222

2750

3666

4277

4714

5041

5296

5500

При Н∙м

Теперь построим регулировочные характеристики двигателя:

Рисунок 12 - Регулировочные характеристики.

Далее изобразим относительный график заполнения импульса и частоты вращения ротора при высоте импульсов Uном и моменте на валу двигателя Mном.

Рисунок 13 - Относительный график заполнения импульса и частоты вращения ротора

Где величины n1 и n2 определяются по формулам:

Где - среднее в интервале значение вращающего момента двигателя, отн.ед.; -статический момент сопротивления на валу отн.ед.; -момент инерции ротора;

-постоянная машины.

Заключение

В результате выполнения курсовой работы было рассчитано устройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока. В основу расчета лег принцип широтной модуляции сигнала. Применение интегральных схем значительно упростило устройство и повысило его надежность.

При расчете было сделано допущение о малой индуктивности якоря, и весь расчет велся на активное сопротивление обмотки двигателя.

Кроме того, ввиду большого быстродействия транзисторных ключей и сравнительно малой частоты генерирования линейно изменяющегося напряжения переходные процессы в электронных компонентах также не принимались в рассмотрение, и весь расчет велся для устойчивого режима.

В ходе исследования работы двигателя при переменном tuи различных значениях момента М были построены механические и регулировочные характеристики электродвигателя в абсолютных единицах, по которым можно определить характер работы двигателя.

Список используемой литературы

  1. Копылов. Справочник по электрическим машинам. – М.:Энергоатомиздат, 1989г – 688с.

  2. Основы промышленной электроники. Под ред. проф. В.Г.Герасимова. - М.: Высшая школа, 1986г - 336с.

  3. Интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. Б.В.Тарабрина. - М.: Радио и связь, 1983г -528с.

  4. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины и микромашины. – М.: Высшая школа, 1990г -528с.

  5. Подлипенский В.С., Петренко В.Н.Электромагнитные и электромашинные устройства автоматики. – К.: Вища школа, 1987г -592с.

  6. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. Под общ. ред. Н.Н.Горюнова. -М.: Энергия, 1976г -744с.

  7. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под ред. Б.Л.Перельмана. -М.: Радио и связь, 1981г -656с.

  8. Лукашенков А.В. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Лабораторная работа №16. Расчет и исследование бестрансформаторных усилителей мощности. Методические указания. -Тула.: ТулПИ, 1988г -32с.

bukvasha.ru