Барабанов лекции
.pdf
|
-61- |
|
R у1 |
Wу1 |
U у1= |
Wу2 |
U у2= |
R у2
Ф |
Фр1 |
Фр2 |
|
||
|
|
t |
|
|
Фр∑ |
Wр1
Rу 
w у
U у=
R у
w у
Uу=
Wр2
Zн
а
U~
Wр1
Zн
Wр2
а
U~
Wр1 V 
Zн
Wр2
в
U ~
Рис. 4.3
Rу 
w у
U у=
R у
wу
U у=
Рис. 4.4
б
U~
Wр1
Zн
Wр2
б
TV
V1
Wр1
Zн
U ~
Wр2
V2
г
-62-
4.2.2. Введение обратной связи в МУ Для повышения коэффициента усиления МУ в них вводят обратную
связь. В ДМУ для этого используют дополнительную обмотку, аналогичную обмотке управления, по которой пропускают часть тока нагрузки. Рассмотрим
|
U≈ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zн |
|
Wос |
|
|
|
|
Wр1 |
|
|
Wр2 |
||
|
|
Wу |
|
|
|
|
Uу |
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
Iри |
|
Kос < 1 |
|
|
|
IрΣ |
|
|
||
4 |
|
2′′ |
|
|
|
|
|
|
|
2′ |
|
|
|
|
|
|
|
4′′ |
4′ |
|
IрΣ |
|
|
|
3 |
|
|
γ |
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
3′ |
1′′ |
|
|
|
|
3′′ |
1′ |
|
|
|
|
1 |
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Hу3 |
Hу1 Hу2 |
H |
||
|
Hос |
Hос1 |
Hос |
|
|
|
3 |
|
|
2 |
|
|
|
|
в |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.5 |
|
|
|
|
|
U≈ |
|
|
|
|
|
|
|
Zн |
|
|
|
|
|
Wос |
|
|
|
|
Wр1 |
|
|
Wр2 |
|
|
|
|
|
Wу |
|
|
|
|
|
|
Uу |
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
Iри |
|
Kос > 1 |
|
|
|
|
|
IрΣ |
1′′′′ |
|
|
|
|
|
|
1′′′ |
||
3 |
2′′′′ |
|
|
|
2′′′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
γ 2 |
3" |
|
3′ |
|
|
|
|
|
|
2 |
1′′ |
1′ |
|
|
|
|
2′′ |
|
|
||
|
|
2′ |
1 |
|
|
|
Hу3 |
Hу2 |
Hу1 Hос2 |
H |
|||
Hос3 |
|
|
|
Hос1 |
|
|
|
|
|
г |
|
|
|
эффект введения положительной обратной связи в ДМУ (рис. 4.5,а, 4.5,б). Напряжённость, создаваемая рабочей обмоткой Hр и обмоткой обратной
связи Hос , определяется
|
|
|
Hос = |
|
I W |
Hр = |
IрWр |
|
||||
|
|
|
|
ос |
ос |
; |
|
, |
||||
|
|
|
|
|
|
l |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|||
где Iос |
= KKв Iр ; Kв |
= |
Iпр − |
Iобр |
|
- коэффициент передачи выпрямителя. |
||||||
Iпр |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Коэффициент передачи по цепи обратной связи определяется
-63-
K |
|
= |
Hос |
= KK |
|
Wос |
, |
|
|
|
|
||||||
|
ос |
|
H |
р |
в W |
|||
|
|
|
|
|
р |
|||
а в интерпретации графика рис. 4.5 он будет Kос = tgγ .
Введение сигнала обратной связи приводит к деформации характеристи- |
||||||||
ки Iн = |
f ( Hу ) . Рассмотрим следующие ситуации. |
|
||||||
Случай 1: Kос |
< 1. |
|
|
|
||||
Правая полуплоскость. |
|
|
||||||
Рассмотрим картину для тока управления Iу и Kос1 = |
tgγ 1 : |
|||||||
а) |
Iу |
= |
Iу1 , Hос1 = |
0 - рабочий ток характеризуется точкой 1; |
||||
б) |
I у |
= |
Iу1 , H1 = |
Hр1Kос1 - рабочий ток характеризуется точкой 1′. |
||||
Однако амплитуда рабочей точки 1′ |
соответствует току управления Iу1 . Сле- |
|||||||
довательно, при том же токе Iу1 при наличии обратной связи с коэффициен- |
||||||||
том передачи Kос1 = tgγ |
1 рабочий ток будет соответствовать точке 1′′, где |
|||||||
Iр′′1 > Iр1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
Для тока управления Iу2 и Kос1 = tgγ 1 : |
|
|||||||
а) |
Iу |
= |
Iу2 ; Hос = |
0 имеем ток Iр2 (точка 2); |
|
|||
б) |
Iу |
= |
Iу2 ; Hос2 = |
|
Hр2 Kос1 имеем ток I II р2 (точка 2′′). |
|||
Рассматривая |
весь |
диапазон |
изменения Iу ( Hу ) , |
получим кривую |
||||
IрΣ ( Hу ) |
при введении |
обратной |
связи (пунктирная линия); исходная - |
|||||
Iри ( Hу ) |
(сплошная линия). Результирующая кривая при введении обратной |
|||||||
связи имеет большую крутизну по сравнению с исходной.
Левая полуплоскость. |
||
Обратная связь из положительной превращается в отрицательную, что |
||
приводит к уменьшению крутизны характеристики Iр ( Hу ) . Рассуждая ана- |
||
логично для токов Iу3 |
, Iу4 и Kос построим точки характеристики. |
|
Для тока Iу3 имеем: |
||
а) Iу = |
Iу3 ; Hос = |
0 имеем ток Iр3 (точка 3); |
б) Iу = |
Iу3 ; Hос = |
Hр3Kос1 имеем ток I I р3 (точка 3′ ). |
Значение тока I I р3 меньше тока Iр3 и получено при том же токе |
||
управления |
Iр3 т.е. рабочая точка переносится в точку 3′′. |
|
|
|
Iу4 |
|
-64- |
Для |
тока |
процедура |
построения аналогична. |
Врезультате в правой полуплоскости коэффициент усиления возрастает,
ав левой - убывает. Такой режим, когда Kос < 1, используется в усилителях.
ос > 1. В коммутационных схемах МУ работают в ключевом
р( Hу ) должна быть релейной,
что можно получить при Kос > 1 (рис. 4.5,г).
Управляющий ток имеет отрицательный знак. Имея это ввиду далее
оперируем с его модулем. Выделим два характерных луча обратной связи, со- ответствующих токам управления Iу1( Hу1 ) и Iу2 ( Hу2 ) и являющихся гра-
ничными касательными к исходной характеристике Iр ( Hу ) . Для тока управления Iу1 и Kос = tgγ 2 :
а) Iу = |
Iу1 ; Hос = |
0 имеем ток Iр1 (точка 1); |
б) Iу = |
Iу1 ; Hос = |
Hос1= Hр Kос2 имеем ток IрII1 < Iр1< IрIV1 . Возмож- |
ные значения тока нагрузки получены при токе Iу . Точка 1( Iр1 ) является не- устойчивой и по достижении этого значения ток сразу же скачком возрастает
до значения IрII1 |
и далее скачком до значения |
I рIV1 . |
||||
Для тока управления Iу2 и Kос2 = tgγ 2 : |
||||||
а) Iу = |
Iу2 ; |
Hос = |
0 имеем ток Iр2 (точка 2); |
|||
б) Iу = |
Iу2 |
; |
Hос |
= |
Hр Kос2 имеем ток IрII2 |
< Iр2< IрIV2 . |
Состояние |
IрIV2 |
является неустойчивым, |
т.е. уменьшение тока происхо- |
|||
дит скачкообразно со значения IрIV2 до значения IрII2 .
Аналогично характеристика строится для других значений тока управле- ния. При дальнейшем увеличении Iу крутизна характеристики уменьшается.
В результате при введении обратной связи с коэффициентом передачи больше единицы характеристика Iр ( Iу ) принимает вид петли гистерезиса в зоне нулевых и малых токов управления, а в левой полуплоскости ее крутиз-
|
Iу2 |
|
< |
|
|
Iу |
|
< |
|
Iу1 |
|
система неустойчива. При |
|
на резко уменьшается. . В зоне |
|
|
|
|
|
|
|||||||
токах управления Iу < Iу1 и Iу > |
Iу2 |
МУ работает в ключевом режиме. В |
|||||||||||
этом диапазоне должен лежать ток управления МУ работающих в коммута- ционных режимах. Следует иметь ввиду, что при коммутации цепей пере- менного тока схема не реверсивная. Одновременно с режимом коммутации происходит усиление сигнала по мощности.
-65-
4.2.3. Магнитные материалы Материал магнитопровода должен иметь определённые характеристики.
В зависимости от величины коэрцитивной силы различают магнитотвердые
( Hс = 10 − 103 А/см) и магнитомягкие ( Hс =
Для создания элементов и устройств главным образом магнитомягкие материалы, группы:
10− 2− 10− 1 А/см) материалы.
электроавтоматики применяют которые можно разделить на 3
1)электротехнические стали;
2)сплавы на основе железа с другими ферромагнитными металлами (ни- кель, кобальт, алюминий);
3)ферриты (неметаллические ферромагнетики).
Электротехнические стали (Э31, Э41, ...) представляют собой низкоугле- родистые стали с повышенным содержанием кремния. Они наиболее дешевы и имеют большие индукции насыщения (1,8 - 2,3 Тл), что позволяет создавать на их основе компактные и дешёвые электромагнитные элементы. Вместе с тем, у них чувствительность к изменению внешнего поля, создаваемого об- мотками, невелика.
Железоникелевые сплавы (пермаллои) дороже стали в 15 - 20 раз. Они имеют меньшие значения индукции насыщения, но позволяют получать вы- сокочувствительные элементы за счет малой коэрцитивной силы и высокой начальной магнитной проницаемости. Маркируются 50НП, 65НП (50, 65 - % Ni ). Общий их недостаток - низкая механическая прочность и чрезвычай- ная чувствительность к деформациям.
Железокобальтовые сплавы (пермендюры), содержащие от 30 до 50% кобальта (35 КХ и 50 КФА), имеют наиболее высокие значения индукции на- сыщения (до 2,4 Тл), что позволяет создавать магнитные усилители и другие устройства наименьших габаритных размеров и массы.
Железоалюминиевые сплавы (Ю16, ...), имея среднюю величину индукции насыщения и малую коэрцитивную силу, обладают повышенной (в 10 - 20 раз большей, чем пермаллои) износоустойчивостью. Их широко применяют для изготовления магнитных головок в устройствах магнитной записи, где в про- цессе работы головка непрерывно трётся о поверхность ленты.
Ферриты (1,3 ВТ; 0,16 ВТ и др.) представляют собой неметаллические магнитные материалы (твёрдые растворы), изготавливаемые из смеси окислов железа с окислами магния, меди, марганца, никеля и других металлов. Общая формула ферритов имеет вид MeOFe2 O3 , где Me - тот или иной металл. Они
имеют характеристику с ярко выраженной петлёй гистерезиса. Удельное электрическое сопротивление ферритов в миллионы раз больше, чем метал- лических ферромагнитов, что практически устраняет вихревые токи. Это по- зволяет перемагничивать ферриты с частотой порядка сотен килогерц.
-66- |
|
4.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ |
КОММУТАЦИОННЫЕ |
УСТРОЙСТВА |
|
4.3.1.Транзисторные устройства
Врассматриваемых АУ транзисторы работают в режиме транзисторного
Uвх Rб
0
Rсм
Ек |
I к |
iбn > iбn-1 |
|
Rк |
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
|
|
|
VT |
|
|
|
0 |
Iк1 |
|
|
|
|
iб = |
0 |
|
Uвых1 |
U к |
|
|
|
U вых0 |
|
+ Uсм |
|
|
|
а |
|
б |
|
Рис. 4.6 |
|
|
|
насыщения ключа (рис. 4.6).
Транзистор работает в ключевом режиме. При iб = 0 он дополнительно запирается напряжением смещения + U см . Его обратное сопротивление вели- ко и значительно превышает сопротивление Rк . Выходное напряжение клю-
ча, если схема работает для формирования ступенчатого напряжения, опреде- ляется
U вых |
= |
|
Rкэ |
Eк |
, |
|
Rк |
+ |
Rкэ |
||||
но так как Rкэ >> Rк , то U вых ≈ Eк . При подаче управляющего тока в цепь базы транзистор полностью открывается. В случае, если нагрузка включена в
цепь коллектора (вместо Rкэ , то при закрытом транзисторе ток нагрузки Iн ≈ 0 , а при открытом определяется вольт-амперной характеристикой тран- зистора и величиной сопротивления нагрузки.
4.3.2. Тиристорные устройства Тиристоры в настоящее время получили широкое распространение, так
как позволяют коммутировать большие мощности. Работают всегда согласно своим физическим свойствам в ключевых режимах. Обратимся к вольт- амперным характеристикам диода и тиристора (рис. 4.7).
Тиристор в отличие от диода при прочих равных условиях открывается при подаче импульса тока на управляющий электрод. Закрывается при изме-
|
|
-67- |
нении |
полярности |
анодного напряжения или уменьшении его |
ниже значения, соответствующего напряжения спрямления U спр .
Iн |
VD |
VS |
Uа |
Uспр |
a |
+ |
VD |
|
Iн |
Zн |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VS |
|
Iн |
Zн |
|
||
+ |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б
Рис. 4.7
Тиристоры применяются в различных схемах, но наиболее широко - в силовых цепях электропривода по схеме широтно-импульсных преобразова- телей и управляемого выпрямителя различных исполнений. Эти вопросы рас- сматриваются в курсе «Автоматизированный электропривод».
В настоящее время промышленность выпускает тиристорные пускатели серии ТУР и ПТ, ТПУ. Их можно классифицировать следующим образом:
1. По роду тока нагрузки: а) для цепей I = const :
-с однополупериодным выпрямлением;
-с двухполупериодным выпрямлением; б) для цепей I = var:
-однофазные; -трёхфазные.
2.По функциональным возможностям:
а) включено - выключено; б) включено - выключено - реверс. 3. По наличию защиты:
а) от перегрузок по Imax ;
б) от длительных перегрузок при незначительном превышении номи- нального тока;
в) от изменения напряжения U > 11.Uн ; U < 0.85Uн .
Силовая часть пускателя серии ТУР для одной фазы (другие идентичны) приведена на рис. 4.9, а характеристики пускателей ТУР, ПТ даны в табл. 4.1, 4.2. Типоряд тиристрных пускателей по коммутируемой мощности достаточ- но широк и переркрывает основой диапазон потребителей машиностроитель- ных производств.
-68-
Таблица 4.1
Параметры |
|
Тип |
|
|
|
|
|
|
ТУР-3-1 |
|
ТУР-Зр-1 |
|
|
|
|
U сети ,В |
220, З80 |
|
220, 380 |
Сигнал управления |
U у = const ,полярность отрицательная, |
||
|
|||
|
одно и двух п/п выпрямление |
||
|
|
|
|
Мощность сигнала управления, Вт |
0,05 |
|
0,05 |
|
|
|
|
Мощность выхода, Вт |
250-3500 |
|
200-7500 |
|
|
|
|
Масса, кг |
9 |
|
25 |
|
|
|
|
Габаритныe размеры, мм |
360х190х190 |
|
370х370х220 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4.2 |
Параметр |
ПТ-16-38 |
ПТ-16-380-Р |
ПТ-40-380 ПТ-40-3800 |
ПТУ-63-380 |
||
U сети , В |
380 |
380 |
380 |
380 |
380 |
|
Число фаз |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
|
Iн , А |
16 |
16 |
40 |
40 |
63 |
|
U у , В |
24 |
24 |
24 |
24 |
24 |
|
Iу , А |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
|
Масса, кг |
18 |
25 |
22 |
34 |
60 |
|
А1 |
|
VS 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L1 |
|
|
TI1 |
TI2 |
A2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
R2 |
|
VS2
Рис. 4.8
Основные элементы схемы одной фазы (другие аналогичны) работают следующим образом. В положительный полупериод открываются тиристоры VS1, (VS3, VS5) , в отрицательный - VS2 ( VS4, VS6). Группа трансформаторов тока ТТ1( ТТЗ, ТТ5) служит для организации управления тиристорами, а трансформаторов тока ТТ2( ТТ4, ТТ6) для организации защиты от перегрузок. В аварийных режимах защита организована по управляющему электроду - прекращается подача управляющих импульсов.
|
-69- |
4.4. ФАЗОВЫЕ |
ДИСКРИМИНАТОРЫ |
Фазовые дискриминаторы (ФД) основаны на принципе коммутации одно- го сигнала другим. Выходной сигнал ФД пропорционален разности фаз двух сигналов (гармонических или прямоугольных), поданных на его входы. При- меняются в основном в качестве элементов сравнения сигналов задания и от- работки (поступающих с датчиков обратной связи) в фазовых системах управ- ления. По принципу действия и элементной базе различают ФД четырех типов: электромеханические; электронные на основе управляемых выпрями- телей; электронные на основе потенциального триггера и усилителей посто- янного тока; электронные с запоминающей ёмкостью и с выходом в цифро- вом коде.
4.4.1.Электромеханические ФД
Впростейшем случае ФД состоит (рис. 4.9) из высокочувствительного
поляризованного реле,
KP
Uоп P
на которое подаётся опорное напряжение U оп , а кон-
Rн |
такты его коммутируют цепь нагрузки с |
||||
|
|
|
сопротивлением Rн , на которое через |
||
|
|
|
|||
|
|
|
|||
Iн |
контакты реле подаётся преобразуемое |
||||
|
Uр |
(рабочее) напряжение U |
р |
. Схема рабо- |
|
|
|
|
|
|
|
тает по принципу управляемого выпря- мителя. Опорный сигнал коммутирует рабочий. Он подключает рабочее на- пряжение к сопротивлению нагрузки на
полупериод опорного сигнала. При этом из синусоиды рабочего сигнала (рис.4.10) «вырезаются» участки длиной в полупериод опорного сигнала.
Uр |
KP |
Iн |
а |
Uр |
|
Uр |
t |
t |
t |
KP |
|
KP |
t |
t |
t |
Iн |
|
Iн |
t |
t |
t |
б |
|
в |
Рис. 4.10 |
|
|
Если фазовый сдвиг ϕ = 900 |
-70- |
|
(рис. 4.10,а), то |
имеет место |
обычное полупериодное выпрямление. Если ϕ =180° (рис. 4.10,б), то на выхо- де формируется инверсный сигнал. Выходной сигнал является функцией раз- ности фаз опорного и рабочего сигналов (рис. 4.10,в).
Среднее значение тока на сопротивлении нагрузки Rн определяется
|
|
|
|
ϕ |
T |
|
+ |
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
U |
рm |
2π |
|
|
2 |
|
2π |
t dt= |
U рm |
cosϕ . |
||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Iср |
|
∫ |
|
sin |
||||||||||||
2π |
TRн |
|
|
T |
π |
Rн |
||||||||||
|
|
ϕ |
|
T |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
2π |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Вместо поляризованных реле используют вибропреобразователи, на- пример, типа ВПГ-62. Частота питания преобразователя и преобразуемого сигнала, поступаемого с датчиков обратной связи следящих систем, как пра- вило 400, 500, 1000 Гц. В настоящее время электромеханические ФД приме- няются редко ввиду малого срока службы (200 - 400 ч) коммутирующего элемента и возникающих помех. Большее распространение получили ФД других типов.
4.4.2. Диодные ФД |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Наибольшее распространение в преобразовательных аналоговых схемах |
|||||||||
получили балансные ФД. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Рассмотрим базовую схему однополупериодного ФД (рис. 4.11,а). |
|
||||||||
|
V1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
TV1 |
+ |
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C1 |
|
|
|
|
Uр1 |
ϕ |
= |
0 |
0 |
U1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Uр |
a |
|
|
Uоп |
Uвых |
|
|
|
|
|
|
|
|
ϕ |
|
||||
|
+ |
|
|
|
|
R2 |
|
B |
|
|
|
|
|
|
C2 |
U1 |
|
|
|
|
Uр2 |
|
|
|
|
|
|
||
|
ϕ |
|
= 1800 |
U2 |
α 1 |
|
|||
|
|
|
A |
Uр1 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
α |
2 |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
U2 |
U |
р2 |
|
V2 |
|
|
|
Uоп |
C |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
TV2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
Uоп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
Рис. 4.11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|