книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики

Оглавление

3

Введение

Электронные устройства промышленной автоматики (ЭУПА) предназначены для преобразования электрической энергии промышленной сети и мощных источников автоном­ ного питания в энергию управления электрическими исполнительными устройствами и механизмами, для норми­ рования ее по величине и упорядочения во времени в соот­ ветствии с принципом их работы. Такими исполнитель­ ными устройствами могут быть электрические двигатели постоянного и переменного тока, шаговые двигатели, элек­ трические нагревательные элементы, мощные осветитель­ ные приборы, гальванические ванны, электродуговые и индукционные нагревательные системы, мощные лазерные и электронно-лучевые установки, сварочные автоматы и др. На основе ЭУПА строятся также источники электропи­ тания радиоэлектронной аппаратуры, обеспечивающие по­

ния (ОУ) определяется первичными измерительными пре­ образователями, информационные сигналы которых уси­ ливаются, нормируются и преобразуются в стандартную унифицированную форму (амплитуду постоянного напря­ жения, частоту импульсов или цифровой код) с помощью блока согласующих, нормирующих и преобразующих элементов и подаются в логическую информационную часть САУ.

Логическая информационная часть выполняет опера­ ции логической и арифметической обработки информаци­ онных сигналов и в соответствии с сигналами задания и ал­ горитмами работы вырабатывает информационные воздей­ ствия для управления состоянием объекта. В качестве логической информационной части могут использоваться простейшие устройства аналогового и цифрового регулирова­ ния, вырабатывающие управляющие воздействия в результа­ те преобразования ошибки управления по элементарным законам — пропорционально-интегральному, пропорцио­ нально-дифференциальному, пропорционально-интегрально-

5

потокэнергии

Рис. В.1

дифференциальному и другим, а также сложные системы цифровой обработки информации с решением задач идентификации, оптимизации, статистической обработки информации и т. д. Независимо от структуры и степени сложности логической информационной части на ее выходе формируется слаботочный информационный управляющий сигнал, который необходимо преобразовать в упорядоченный поток электри­ ческой энергии для выполнения работы по управлению объектом. Не­ посредственно эта работа осуществляется исполнительными устройст­ вами и механизмами путем перемещения рабочих органов ОУ, нагре­ вания его составных частей, изменения освещенности и т. д., а энергия, необходимая для этой работы, потребляется от сети и упорядочива­ ется в соответствии со значениями сигналов логической информаци­ онной части САУ и особенностями работы конкретно применяемого исполнительного устройства или механизма. Так, если в качестве исполнительного механизма ОУ используется электродвигатель пере­ менного тока, число оборотов которого зависит от частоты питающего напряжения, то в качестве регулирующего и преобразовательного устройства необходимо использовать регулируемый преобразователь частоты напряжения промышленной сети в частоту напряжения пита­ ния электродвигателя, изменяемую в широких пределах в соответст­ вии с управляющим воздействием. Аналогично, если САУ управляет позиционированием каких-либо деталей или изделий (например, при автоматической набивке печатных плат), где в качестве исполни­ тельного механизма используется многофазный шаговый двигатель, то задачей регулирующей и преобразовательной части является фор­ мирование системы прямоугольных импульсов заданной длительности, амплитуды и частоты, сдвинутых в пространстве друг относительно друга на фиксированный фазовый угол, величина которого определя­ ется конструкцией шагового двигателя. При регулировании темпера­ туры ОУ для дозирования количества тепла, рассеиваемого на нагре­ вательных элементах, необходимо вырабатывать систему управляемых по длительности или амплитуде импульсов электрической мощности, взаиморасположение и величина которых определяется схемой вклю­

6

При питании электронных узлов постоянным стабилизированным напряжением задачей регулирующей и преобразующей части САУ яв­ ляется выпрямление переменного напряжения, сглаживание его пуль­ саций, стабилизация амплитуды.

Таким образом, роль регулирующих и преобразовательных эле­ ментов в структуре любой системы автоматического или автоматизи­ рованного управления огромна. Если логическая информационная часть системы управления в некоторых случаях может быть заменена оператором или вообще отсутствовать (например, в разомкнутых систе­ мах), то наличие исполнительных механизмов, а значит, и устройств управления ими (регулирующих и преобразующих) необходимо всегда. Качество работы силового тракта системы управления во многом опре­ деляет качество работы и всей системы. Какими бы точными и своевре­ менными не были информационные сигналы управления, они не смогут обеспечить требуемое качество работы системы, если неудачно или не­ полностью учтены особенности силовой части системы.

С учетом того, что экономичность работы системы определяется в основном расходами энергии в силовом тракте, ее к. п. д. в большой степени зависит от правильного выбора схемы и режимов работы регу­ лирующих и преобразующих элементов.

До появления силовых коммутирующих и регулирующих полупро­ водниковых приборов (мощных высоковольтных транзисторов и ти­ ристоров) в качестве регулирующих и преобразовательных элементов ОУ преимущественно использовались электромагнитные и электромашинные усилители и преобразователи, что тормозило развитие высо­ коэффективных систем управления, так как мощные электромагнит­ ные и электромашинные преобразователи имеют большие габаритные размеры и массу, малый к. п. д., значительную инерционность. Толь­ ко разработка электронных регуляторов и преобразователей, состав­ ляющих основу электронных устройств промышленной автоматики, позволила полностью реализовать возможности современных высоко­ производительных устройств для обработки информации (микропро­ цессоров и управляющих вычислительных машин) и создать высоко­ эффективные, экономичные системы управления с малыми габаритны­ ми размерами и массой, высоким к. п. д. и длительными сроками эксплуатации.

Высокие энергетические характеристики электронных регулирую­ щих и преобразовательных устройств промышленной автоматики в большой степени определяются характеристиками силовых электрон­ ных ключей, на основе которых в подавляющем большинстве случаев строятся электронные схемы промышленной автоматики. В закрытом состоянии ключ не потребляет энергии, а в открытом из-за глу­ бокого насыщения падение напряжения на ключе минимально и составляет доли вольта, поэтому рассеиваемая на открытом ключе мощность также минимальна. Особое значение для построения элек­ тронных регуляторов и преобразователей имеют ключи на тиристорах. Регуляторы переменного напряжения выполняются исключительно на тиристорных ключах переменного напряжения. Тиристоры незаме­ нимы в схемах управляемых выпрямителей, преобразователей частоты

7

без выпрямления напряжения, в мощных инверторах, поскольку имеют очень высокие энергетические показатели (коммутируют токи в тыся­

вателях постоянного напряжения в переменное малой и средней мощ­ ности (до десятков киловатт), импульсных регуляторах и стабилиза­ торах постоянного напряжения, что определяется относительной про­ стотой управления ими на постоянном токе.

При несомненном преимуществе ключевого режима регулирующих и преобразовательных элементов следует учитывать и некоторые осо­ бенности схем, определяемые этим режимом. Так, из-за коммутации высокого напряжения и больших токов при малом времени переключе­ ния в электрической сети и радиоканале образуются мощные высоко­ частотные коммутационные помехи, которые при отсутствии соот­ ветствующих средств подавления оказывают вредное влияние на ра­ боту слаботочной аппаратуры, особенно цифровой. Кроме того, даже при малом падении напряжения на открытом ключе при большом токе нагрузки на насыщенном ключе выделяется достаточно большая мощ­ ность — в десятки и сотни ватт, отвод которой затруднен малыми габа­ ритными размерами электронных приборов. Поэтому при проектирова­ нии силовой части систем управления следует уделить пристальное внимание проблеме отвода теплоты от силовых элементов.

Проектирование электронных (статических) преобразователей, ре­ гуляторов и стабилизаторов имеет и ряд других особенностей, которые определяются методами управления ими, числом фаз питающей сети, схемой силовых ключей,- особенностями исполнительных механизмов, характером нагрузки, фильтрующими (инерционными) свойствами на­ грузки и другими факторами.

Применяемые в настоящее время электронные устройства промыш­ ленной автоматики весьма многочисленны по выполняемым функциям и схемотехнической реализации. Тем не менее их объединяют в один класс следующие основные признаки: преобразование электрического напряжения силовой промышленной сети или автономных источников питания одного вида в электрическое напряжение другого вида (напри­ мер, переменного в постоянное, переменного одной частоты в перемен­ ное другой частоты, постоянного в переменное, постоянного напряже­ ния одной величины в постоянное напряжение другой величины). Все эти преобразования выполняются под воздействием слаботочных информационных сигналов, которые внутри каждого типа регулятора или преобразователя преобразуются в систему импульсов заданной

8

_____ Глава 1_______________________

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ЭУПА

1.1.Общие характеристики нагрузок ЭУПА

Типовой нагрузкой регулирующих и преобразовательных элемен­ тов промышленной автоматики являются исполнительные устройства и механизмы систем управления.

По виду используемой энергии исполнительные устройства н меха­ низмы можно подразделить на электрические, гидравлические, пнев­ матические и комбинированные. В промышленных системах автомати­ ческого управления, электроприводе, приводах промышленных робо­ тов, транспортных тележек и штабелеров гибких автоматизированных производств, системах электронагрева и освещения преимущественно применяются электрические исполнительные механизмы и устройства. Среди них широкое распространение получили электромагниты, элек­ тродвигатели постоянного и переменного тока, шаговые двигатели, электромагнитные муфты, нагревательные элементы и другие устрой­ ства. Основные виды электрических исполнительных устройств и меха­ низмов и их предельные характеристики приведены в табл. 1.1 111.

Режим работы исполнительных устройств и механизмов определя­ ется режимом работы систем в целом. В системах, предназначенных для отработки управляющих воздействий, имеющих случайный харак­ тер и поступающих на систему непрерывно, исполнительные устрой­ ства и механизмы работают в кратковременных, повторнократковре­ менных и длительных режимах.

Являясь оконченным, наиболее мощным каскадом системы автома­ тического управления, исполнительные устройства и механизмы ока­ зывают существенное влияние на ее статические и динамические свой­ ства, поэтому их характеристики должны удовлетворять условиям устойчивости и требованиям качества управления и их необходимо рассматривать в неразрывной связи со статическими и динамическими характеристиками управляющих ими регулирующих и преобразова­ тельных устройств.

Несмотря на значительное количество разновидностей, типоразме­ ров и конструкций исполнительных устройств и механизмов, их основ­ ные статические и динамические характеристики можно свести к ряду нескольких типовых звеньев систем автоматического управ­ ления.

Исполнительные двигатели постоянного тока являются одной из наиболее распространенных составных частей исполнительных меха-

10