Функциональная схема преобразователя

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Коломенский институт (филиал)

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Московский государственный открытый университет»

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Кафедра автоматики и электроники машиностроении

УТВЕРЖДЕНО

Советом КИ (ф) МГОУ

Председатель Совета

___________________

______________2010 г.

Локальные системы управления

Лабораторный практикум

Направление: подготовки дипломированных специалистов

220000 – «Автоматика и управление»,

специальность

220201 - «Управление и информатика в технических системах»,

Направление: подготовки бакалавров

220200- «Автоматизация и управление»

Коломна 2010

УДК 004.7 Печатается в соответствии

ББК 32.97 с решением учебно-методического

Ц – 73 совета Коломенского института

(филиала) Московского

Государственного открытого

Университета от 21. 05. 2010г.

№52-10/УМС

Локальлные системы управления: Лабораторный практикум для студентов очной и очно-заочной формы обучения по специальности 220201 – Управление и информатика в технических системах, по направлению 220200 – Автоматизация и управление:/ Сост. Щенов Н.Н. – Коломна: КИ МГОУ, 2010. – 42 с.

Лабораторный практикум составлен в соответствии с Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 220000 – «Автоматика и управление» и бакалавра 220200 – «Автоматизация и управление».

Лабораторный практикум одобрен на заседании кафедры «Автоматика и электроника в машиностроении» Коломенского института МГОУ (протокол № 7 от 24.04.2010) и утверждена учебно-методическим советом.

УДК 004.7

ББК 32.97

Ц - 73

© Щенов Н.Н.

© КИ (ф) МГОУ, 2010

2
Содержание

Введение……………………………………………………………………….. 5

1. Лабораторная работа №1…………………………………………………… 6

1.1 Цель работы ………………………………………………………………..6

1.2 Общие положения ………………………………………………………....6

1.3 Функциональная электрическая схема преобразователя ………………..8

1.4 Импульсный усилитель мощности ……………………………………….10

1.5 Порядок выполнения работы ……………………………………………..12

1.6 Содержание отчета …………………………………………….………..…13

1.7 Контрольные вопросы ……………………………………………………..14

2. Лабораторная работа №2…………………………………………………….14

2.1 Цель работы ……………………………………………………………… ..14

2.2 Состав лабораторной установки ….……………………………………….14

2.3 Назначение регулятора ………………………………………………….…14

2.4 Основные технические характеристики регулятора …………………….14

2.5 Функциональная электрическая схема регулятора ………………………15

2.6 Принципиальная электрическая схема регулятора ………………………18

2.7 Порядок выполнения работы ……………………………………………...21

2.8 Содержание отчета …………………………………………………………24

2.9 Контрольные вопросы ……………………………………………………..24

3. Лабораторная работа №3 ……………………………………………………25

3.1. Цель работы ………………………………………………………………..25

3.2 Общие положения ………………………………………………………….25

3.3 Принципы построения и работы САРЧ с пропорционально-интегральным законом регулирования ………………………………………………………..25

3.4. Описание лабораторной установки ………………………………………28

3.5. Описание принципиальной схемы регулятора ………………………….30

3.5.1. Плата 1 …………………………………………………………………...30

3.5.2. Плата 2 ……………………………………………………………………31

3.5.3. Плата 3 ……………………………………………………………………34

3.5.4. Плата 4 ……………………………………………………………………37

3.6. Порядок выполнения работы ……………………………………………..40

3.7. Содержание отчета ………………………………………………………...41

3.8. Контрольные вопросы …………………………………………………….42

4. Литература …………………………………………………………………...43

Введение

Методические указания предназначены для студентов очного отделения по специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах», очно-заочного отделения по специальности 220200 «Автоматика и управление» и используются при выполнении лабораторных работ по курсу «Локальные системы управления». Цикл из трех лабораторных работ служит для изучения работы непрерывных и релейных аналоговых систем управления и регулирования устройств автоматики, а также принципа работы электропривода постоянного тока. Помимо этого, стенды предназначенные для выполнения указанных работ позволяют производить изучение составных частей систем управления и регулирования. Первая и третья работы выполняются на специальных стендах разработанных и изготовленных в лабораториях института, а вторая лабораторная работа построена на базе промышленного регулятора.

Первая работа посвящена изучению устройства и принципа работы реверсивного электропривода.

Во второй работе изучается структура и принцип действия электронного регулятора температуры.

В третьей работе изучаются принципы построения и функционирования системы автоматического регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока.

Выполнение лабораторных работ каждой бригадой студентов производится последовательно.

Лабораторная работа № 1.

Цель работы.

1. Изучить устройство и принцип работы электропривода постоянного тока.

2. Приобрести практические навыки определения основных технических характеристик исполнительных устройств (ИУ) экспериментальными методами.

Общие положения.

Управляемые электродвигатели постоянного тока (ЭПТ) занимают особое место среди электрических исполнительных устройств, применяемых в системах автоматического регулирования (САР). Это обусловлено рядом преимуществ ЭПТ перед другими электрическими исполнительными устройствами (ИУ):

- широкий диапазон плавного регулирования угловой скорости и вращающего момента;

- относительно высокая линейность механических характеристик;

- значительная величина пускового момента;

- высокий коэффициент полезного действия (до 90%);

- высокая надежность;

- удобство управления.

Недостатками электродвигателей постоянного тока являются:

значительная инерционность, невысокая энергоемкость (по сравнению с гидропневмодвигателями), а также наличие коллектора, снижающего надежность двигателя и требующего постоянного технического обслуживания.

Наряду с электродвигателями (исполнительный элемент ИУ) в состав исполнительных устройств входят:

- схема управления исполнительным элементом;

- необходимые обратные связи.

Совокупность электродвигателя и схемы управления составляет собственно электропривод.

В автоматике наибольшее распространение получили два способа управления угловой скоростью электродвигателя постоянного тока:

- якорное (независимое возбуждение);

- полюсное (со стороны обмотки возбуждения).

Одним из основных видов электрического привода в настоящее время

являются электрические приводы постоянного тока с полупроводниковыми преобразователями напряжения и тока. Они выделяются высокой

надежностью, большим быстродействием, лучшими энергетическими,

габаритными и эксплуатационными показателями по сравнению с электромагнитными и другими преобразователями.

В тепловозных системах регулирования такой привод может быть применен для управления регулятором давления топливоподачи, рейкой топливного насоса и т.п. Функциональная схема электрического исполнительного устройства приведена на рисунке 1.2.1.

Рис.1.2.1. Функциональная схема электрического исполнительного

устройства с якорным управлением

П – преобразователь;

УМ – усилитель мощности;

ИЭ (ЭПТ) – исполнительный элемент (электродвигатель

постоянного тока).

Управление электродвигателем с якорным управлением осуществляется путем изменения напряжения тока якоря.

Задатчик формирует сигнал пропорциональный заданной частоте вращения ώз., который преобразуется в преобразователе в зависимости от закона преобразования. В усилителе мощности сигнал усиливается и подается в якорную обмотку электродвигателя постоянного тока.

Статические характеристики таких исполнительных устройств имеют зону нечувствительности (рисунок 1.1.2.).

Рис.1.2.2. Статическая характеристика электрического

исполнительного устройства.

Δ – зона нечувствительности

Поиск оптимального варианта преобразователя для электрического привода заставил обратить внимание на возможность использования полупроводниковых импульсных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией. Сущность импульсного способа управления скоростью вращения электродвигателя постоянного тока состоит в том, что изменение скорости достигается не за счет изменения мощности, непрерывно подводимой к двигателю, а путем изменения времени, в течение которого к двигателю подводится номинальное рабочее напряжение. Иначе говоря, при импульсном управлении к электродвигателю постоянного тока подводится последовательность импульсов напряжения Uн., в результате чего его работа состоит из чередующихся периодов разгона и торможения. Вследствие электрической и механической инерции двигателя установится некоторая средняя скорость, величина которой при неизменных моменте нагрузки и напряжении питания будет однозначно определяться относительной продолжительностью включения τ = tи / Т, где tи – длительность импульса, Т – период.

Поскольку в системах автоматического регулирования в подавляющем большинстве случаев сигнал управления выделяется в виде напряжения постоянного тока, импульсное регулирование скорости требует введения в схему специального устройства, назначение которого – преобразовывать постоянный или медленно меняющийся сигнал на входе в последовательность импульсов неизменной амплитуды с относительной продолжительностью, являющейся заданной функцией величины этого сигнала.

Аппаратура импульсного управления отличается схемной и конструктивной простотой, имеет малые габариты, вес и позволяет легко управлять скоростью вращения электродвигателей постоянного тока.

Функциональная схема преобразователя.

Рис. 1.3.1. Функциональная схема преобразователя с электроприводом.

Основные узлы преобразователя:

- потенциометр задания R1 – служит для задания величины скорости и направления вращения серводвигателя при испытании преобразователя независимо от общей системы регулирования;

- 2 канала, состоящие из широтно-импульсного модулятора ( канал ШИМ1 и канал ШИМ2) и импульсного усилителя каждый, при работе одного канала вращение серводвигателя осуществляется в одну сторону, а при работе второго – в противоположную;

- генератор пилообразного напряжения – обеспечивает широтно-импульсную модуляцию по линейному закону;

- серводвигатель – служит для перемещения управляющего органа в предполагаемом объекте регулирования (например. рейки топливоподающей системы двигателя) для этого он снабжен преобразователем вращательного движения в поступательное;

- тахогенератор – вырабатывает напряжение, пропорциональное скорости вращения серводвигателя.

Каждый из широтно-импульсноых модуляторов представляет собой компаратор, обеспечивающий выдачу на выходе напряжения одной полярности, если суммарное напряжение Uвх. +Uсм.1,2 больше выходного напряжения генератора пилообразного напряжения Uп., и обратной полярности, в противоположном случае.

Величины Uсм.1 и Uсм.2 настраиваются таким образом, чтобы при Uвх. = 0 оба широтно-импульсных модулятора поддерживали импульсные усилители мощности в запертом состоянии.

Работа широтно-импульсных модуляторов поясняется временной диаграммой представленной на рисунке 1.3.2.

Рис.1.3.2. Временные диаграммы работы широтно-импульсных модуляторов.

Допустим, напряжение Uвх. положительно. Тогда в течение времени t2 - t3 пилообразное напряжение больше суммарного напряжения Uвх. +Uсм.1, и поэтому напряжение на выходе ШИМ1 положительное. В течение второй части периода (промежуток времени t1 - t2 пилообразное напряжение меньше Uвх. +Uсм.1, напряжение на выходе ШИМ1 отрицательно. Таким образом, при Uвх > 0 в канале ШИМ1 вырабатывается прямоугольная последовательность импульсов с коэффициентом заполнения. пропорциональным Uвх.Канал ШИМ2 в это время импульсов не вырабатывает, так как сохраняется условие Uвх. +Uсм.2 > Uп. (амплитуды пилообразного напряжения). Если же входное напряжение станет отрицательным, то на выходе ШИМ1 импульсы будут отсутствовать, а ШИМ2 будет вырабатывать импульсную последовательность. Соответственно приведенному описанию работы ШИМ,в зависимости от полярности напряжения Uвх. ток в нагрузке будет протекать либо в одну, либо в другую сторону. Следует отметить, что для безопасности работы транзисторов напряжения Uсм.1 и Uсм.2 подобраны таким образом, чтобы одновременная работа обеих каналов была исключена.