Атанов И.В. Автоматизированный электропривод - файл n1.doc

приобрести
Атанов И.В. Автоматизированный электропривод
скачать (2945.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2946kb.18.09.2012 11:46скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

2 Типовые схемы управления асинхронным двигателем

с фазным ротором



Схемы управления АД с фазным ротором, которые выпускаются в основном на среднюю и большую мощность, должны предусматривать ограничение токов при их пуске, реверсе и торможении с помощью добавочных резисторов в цепи ротора.

Схема пуска асинхронного двигателя в одну ступень в функции времени и торможения противовключением в функции ЭДС. После подачи напряжения происходит включение реле времени КТ (рис.4), которое своим размыкающим контактом разрывает цепь питания контактора КМЗ, предотвращая тем самым его включение и преждевременное закорачивание пусковых резисторов в цепи ротора.




Рисунок 4 - Схема пуска АД в одну ступень в функции времени и торможения противовключением в функции ЭДС

Включение АД производится нажатием кнопки SB1, после чего включается контактор КМ1. Статор АД подсоединяется к сети, электромагнитный тормоз YB растормаживается и начинается разбег АД. Включение КМ1 одновременно приводит к срабатыванию контактора КМ4, который своими контактами шунтирует не нужный при пуске резистор противовключения Rд2, а также разрывает цепь реле времени КТ.

Последнее, потеряв питание, начинает отсчет выдержки времени, после чего замыкает свой контакт в цепи контактора КМЗ, который срабатывает и шунтирует пусковой резистор Rд1 в цепи ротора, и АД выйдет на свою естественную характеристику.

Управление торможением обеспечивает реле напряжения KV, контролирующее уровень ЭДС (скорости) ротора. С помощью резистора Rp оно отрегулировано таким образом, что при пуске, наводимая в роторе ЭДС будет недостаточна для его включения, а в режиме противовключения, уровень ЭДС достаточен для его включения.

Для осуществления торможения АД нажимается кнопка SB2, размыкающий контакт которой разрывает цепь питания катушки контактора КМ1. После чего АД отключается от сети и разрывается цепь питания контактора КМ4 и замыкается цепь питания реле КТ. В результате этого контакторы КМЗ и КМ4 отключаются и в цепь ротора АД вводится сопротивление Rдl+Rд2.

Нажатие кнопки SB2 приводит одновременно к замыканию цепи питания катушки контактора КМ2, который, включившись, вновь подключает АД к сети, но уже с другим чередованием фаз сетевого напряжения на статоре. АД переходит в режим торможения противовключением. Реле KV срабатывает и после отпускания кнопки SB2 будет обеспечивать питание контактора КМ2 через свой контакт и замыкающий контакт этого аппарата.

В конце торможения, когда скорость будет близка к нулю и ЭДС ротора уменьшится, реле KV отключится и своим размыкающим контактом разорвет цепь катушки контактора КМ2. Последний, потеряв питание, отключит АД от сети и схема придет в исходное положение. После отключения КМ2 тормоз YB, потеряв питание, обеспечит фиксацию (торможение) вала АД.

Схема пуска асинхронного двигателя в одну ступень в функции тока и динамического торможения в функции скорости. Работает схема следующим образом (рис. 5).

Она включает в себя контакторы КМ1, КМ2 и КМЗ; реле тока КА; реле контроля скорости SR, реле напряжения промежуточное KV, понижающий трансформатор для динамического торможения ТV; выпрямитель VD1…VD4. Максимальная токовая защита осуществляется с помощью QF, защита от перегрузки АД — тепловыми реле КК1 и КК2.




Рисунок 5 - Схема пуска АД в одну ступень в функции тока и динамического торможения в функции скорости
После подачи напряжения с помощью автоматического выключателя QF, для пуска АД нажимается кнопка SB1 и включается контактор КМ1, через контакты которого статор двигателя подключается к сети. Бросок тока в цепи ротора вызовет включение реле тока КА и размыкание цепи контактора ускорения КМ2. Тем самым разбег АД начнется с пусковым резистором R в цепи ротора.

Включение контактора КМ1 приводит также к шунтированию кнопки SB1, размыканию цепи контактора торможения КМЗ и включению промежуточного реле напряжения КV, что тем не менее не приведет к включению контактора КМ2, так как до этого в этой цепи разомкнулся контакт реле КА.

По мере увеличения скорости АД уменьшаются ЭДС и ток в роторе. При некотором значении тока в роторе, равном току отпускания реле К А, оно отключится и своим размыкающим контактом замкнет цепь питания контактора КМ2. Он включится, зашунтирует пусковой резистор R, АД выйдет на свою естественную характеристику.

Отметим, что вращение АД вызовет замыкание контакта реле скорости SR в цепи контактора КМ3, однако он не сработает, так как до этого разомкнулся контакт контактора КМ1.

Для перевода АД в тормозной режим нажимается кнопка SB2. Контактор КМ1 теряет питание и отключает АД от сети переменного тока. Благодаря замыканию контактов КМ1 включится контактор торможения КМЗ, контакты которого замкнут цепь питания обмотки статора от выпрямителя VD, подключенного к трансформатору ТV, и тем самым осуществится перевод АД в режим динамического торможения. Одновременно с этим потеряют питание аппараты KV и КМ2, что приведет к вводу в цепь ротора резистора R, двигатель начинает тормозить.

При скорости двигателя, близкой к нулю, реле контроля скорости SR разомкнет свой контакт в цепи катушки контактора КМЗ. Он отключится и прекратит торможение АД. Схема придет в исходное положение и будет готова к последующей работе.

Принцип действия схемы не изменится, если катушку реле тока КА включить в фазу статора, а не ротора.


Лекция №9

Автоматизированный ЭП с синхронными

электродвигателями
Вопросы

1) Общие сведения по АЭП с синхронными двигателями (СД)

2) Схема включения, режимы работы

3) Типовые схемы управления ЭП с СД
1 Общие сведения по АЭП с синхронными двигателями
Широкое применение СД обусловлено их высокими технико-экономическими показателями.

СД имеет высокий коэффициент мощности, близкий к единице или даже опережающий.

КПД современных СД составляет 96…98%, что на 1…1,5% выше КПД АД с теми же габаритными размерами и скоростью.

В синхронных двигателях имеется возможность регулирования перегрузочной способности посредством регулирования тока возбуждения.

СД обладает абсолютно жесткой механической характеристикой.

Важным преимуществом СД является наличие большого воздушного зазора, вследствие чего его характеристики и свойства мало зависят от износа подшипников и неточности монтажа ротора.

Для общего применения выпускаются двигатели серий СД2 и СД3 мощностью от 132 до 1000 кВт

Синхронные двигатели нашли применение в с.х. для привода мощных насосов, компрессоров.


2 Схемы включения, режимы работы
Статор СД выполняется аналогично статору АД, подключаемой к сети переменного тока. Ротор СД может быть явнополюсным и неявнополюсным в виде цилиндра. Ротор СД вращается с той же частотой вращения, что и вращающееся магнитное поле созданное обмоткой статора. Отсюда и название машины – синхронный ЭД (рисунок 1). В качестве источника питания для обмотки возбуждения чаще используется генератор постоянного тока небольшой мощности (0,3…3% от мощности СД), называемый возбудителем, который устанавливается на одном валу с СД. Регулирование тока возбуждения осуществляется резистором тока возбуждения возбудителя.

В современных системах автоматического регулирования возбуждение СД обеспечивается тиристорными управляемыми выпрямителями.

Вращающийся момент СД создается только в том случае, если ротор будет вращаться со скоростью магнитного поля, т.е. синхронно с вращающимся полем. Таким образом механическая характеристика СД представляет собой горизонтальную линию с ординатой ?о, которая имеет место до некоторого максимального значения Мmax , превышение которого приводит к выпадению СД из синхронизма, т.е. к нарушению синхронного вращения ротора и магнитного поля.



Рисунок 1 – Схема включения и механическая характеристика СД
Пуск СД. При неподвижном роторе и подключенных: обмотки статора и возбуждения, из-за постоянно изменяющихся взаимных направлений магнитных полей статора и ротора СД будет развиваться не постоянный по направлению, а знакопеременный вращающийся момент, следовательно СД не может разогнаться до синхронной скорости без применения специальных мер по его запуску.

Один из способов пуска, который нашел ограниченное применение, заключается в том, что ненагруженный СД разгоняется вспомогательной машиной до синхронной частоты, после чего осуществляется его синхронизация с сетью. На представленной схеме (рисунок 1), возбудитель, на период пуска может работать в двигательном режиме, раскручивая вал СД.

Наибольшее распространение получил другой способ пуска СД, называемый асинхронным. Для его реализации на роторе СД укладывается дополнительная пусковая обмотка, выполняемая аналогично короткозамкнутой обмотке АД типа беличьей клетки. В этом случае при подключении СД к сети его разбег происходит аналогично АД при замкнутом контакте S1 и разомкнутом контакте S2, т.е с дополнительным сопротивлением в роторе (исключается перенапряжение, облегчается пуск, Rдоп=8…12RОВ). При достижении подсинхронной скорости ?=0,95?0, контакт S1 размыкается, а S2 замыкается - ток подается в обмотку возбуждения двигателя и он втягивается в синхронизм с сетью (рисунок 2).

Пусковые свойства СД характеризуются Мпуск и Мвх (входной) или подсинхронной момента, т.е. момента, развиваемого двигателем при ?=0,95?0.

Стремление увеличить Мпуск, путем повышения Rв приводит к уменьшению Мвх. Поэтому характеристики необходимо согласовать и по Мn и Мвх (рисунок 3). В данном случае на характеристике 2, хотя и обеспечивается больший пусковой момент, но синхронизм не может быть обеспечен, т.к. Мвх2с.




Рисунок 2 – Пуск СД первоначально по характеристике 1, аналогично АД, затем переход на характеристику 2




Рисунок 3 – Пример согласования Мn , Мвх , Мс; на характеристике 2 синхронизм не может быть обеспечен, т.к. Мвх2с

При определенной величине нагрузки, СД может выйти из синхронизма. Для определения области устойчивой работы и перегрузочной способности СД служит угловая характеристика, отражающая зависимость развиваемого двигателем момента М от угла сдвига фаз Q между U и Е (Э.Д.С.) двигателя (рисунок 4). Выражение угловой характеристики синхронного двигателя имеет вид

М=Мmax·sinQ.

Следовательно с повышением Q, от 0є до 90є, момент, развиваемый двигателем растет и достигает максимума при Q=90є, далее – убывает. Номинальный момент двигателя соответствует Q =20…25є.

Величина перегрузочной способности .




Рисунок 4 – Угловая характеристика СД

СД может работать в режиме генератора параллельно с сетью, когда нагрузочный момент на валу будет иметь отрицательное значение (для торможения такой режим практически значения не имеет, т.к. при этом нельзя получить понижение скорости).

Для торможения СД обычно применяют динамическое торможения, отключая и закорачивая обмотку статора на добавочные резисторы, но не отключая источник возбуждения (характеристики такие же как и у АД в динамическом торможении интенсивность торможения зависит от Uвозб)

Торможение СД противовключением практически не применяется в виду сложности управления, и необходимости отключения СД при подходе к нулевой скорости.

СД, имея высокий cos?, часто используется для повышения коэффициента мощности.

При пуске СД большой мощности (сотни, тысячи кВт), возникает необходимость ограничения пусковых токов, что достигается чаще всего использованием добавочных резисторов, реакторов или автотрансформаторов (рисунок 5).

Рисунок 5 – Пуск СД с реактором и автотрансформатором

В случае с реактором, при отключенном КМ2 осуществляется пуск СД с реактором в цепи статора, обеспечивая снижение пусковых токов. При достижении подсинхронной скорости замыкается выключатель КМ2, шунтируя реактор. Автоматизация пуска обычно осуществляется в функции времени.

В случае использования автотрансформатора, при пуске замыкают выключатели КМ1, КМ3, к СД подводится пониженное напряжение. При достижении подсинхронной скорости отключается КМ3 и замыкается КМ2. Автотрансформаторный пуск всегда является более дорогостоящим.

Сравнивая два рассмотренных пуска, необходимо отметить, что при использовании автотрансформатора пусковой ток снижается пропорционально квадрату отношения напряжения СД и сети, а при использовании реакторов и резисторов – пропорционально этому отношению.
3 Типовые схемы управления ЭП с СД

Релейно-контактные схемы управления СД кроме обычных операций по включению и отключению двигателя и ограничению пусковых токов должны обеспечивать его синхронизацию с сетью. Рассмотрим типовые схемы ЭП с СД, обеспечивающие управление возбуждением при синхронизации СД с сетью.

Типовая схема управления возбуждения СД в функции скорости. Подключение обмотки возбуждения к источнику UB осуществляется контактором КМ2 (рис. 6, а), который управляется реле скорости KR. Катушка этого реле связана с частью разрядного резистора Rp через диод VD.

При включении контактора КМ1 (его цепи управления на рис. 6,а не показаны) обмотка статора СД подключается к сети переменного тока и образует вращающееся магнитное поле, которое вызовет появление момента двигателя, под действием которого он начнет разбег, и, кроме того, появляется ЭДС в обмотке возбуждения СД.

Под действием ЭДС по катушке реле KR начнет протекать выпрямленный ток, оно включится и разомкнет цепь питания контактора КМ2. Тем самым разбег СД будет происходить без тока возбуждения с закороченной на разрядный резистор Rр обмоткой возбуждения.

По мере роста скорости ротора его ЭДС, а тем самым ток в катушке реле KR, снижаются. При подсинхронной скорости ток в катушке реле KR станет меньше тока отпускания, оно отключится и вызовет тем самым включение контактора КМ2. Контактор КМ2 подключит обмотку возбуждения к источнику UB и произойдет синхронизация СД с сетью.

Схема управления возбуждением СД в функции тока. Эта схема (рис. 6,б) содержит реле тока КА, обмотка которого питается от трансформатора тока ТА, и реле времени КТ.


Рисунок 6 - Узлы схем управления возбуждением СД, построенные в функции скорости (а) и тока (б)
При подключении СД к сети контактором КМ1 в цепи обмотки статора возникает бросок пускового тока, что приводит к срабатыванию реле КА, контакт которого замыкает цепь питания реле времени КТ, что приводит к отключению контактора возбуждения КМ2. Разбег СД, как и в предыдущем случае, осуществляется с закороченной на разрядный резистор Rр обмоткой возбуждения. В конце пуска при подсинхронной скорости СД и уменьшении тока в статоре отключается, реле КА и катушка реле времени КТ теряет питание. Через заданную выдержку времени включается контактор КМ2 и через его контакты обмотка возбуждения подключается к источнику Uв после чего СД втягивается в синхронизм.

Лекция №10

Технические средства замкнутых схем

управления АЭП
Вопросы

  1. Аналоговые элементы и устройства управления ЭП

  2. Дискретные элементы и устройства управления ЭП

  3. Датчики скорости и положения в замкнутых ЭП


Современные замкнутые системы управления ЭП реализуются, как правило, на основе полупроводниковых элементах. В то же время подключение ЭД осуществляется с помощью рассмотренных электрических аппаратов с ручным и электромагнитным управлением.

Техническая реализация управляющих устройств современного ЭП весьма разнообразна. Они различаются по своей элементной базе, роду тока, мощности, конструктивному исполнению и многим другим признакам. Одним из основных признаков подразделения устройств управления является характер преобразования сигналов, по которому они делятся на аналоговые и дискретные.

Для аналоговых устройств характерна функциональная (линейная и нелинейная) зависимость между входным и выходным сигналами, при этом выходной сигнал может принимать любые значения. Примерами силовых аналоговых устройств могут служить управляемые выпрямители и преобразователи частоты, у которых напряжение и частота на выходе могут регулироваться в широких пределах.

Дискретный элемент может иметь только два уровня выходного сигнала — нулевой и максимальный, который появляется или исчезает при достижении входным сигналом определенного значения. Примерами дискретных элементов могут служить реле и бесконтактные логические элементы. На основе дискретных элементов создаются цифровые схемы управления ЭП.

До относительно недавнего времени задающие, регулирующие, согласующие и функциональные устройства, а также датчики координат ЭП выпускались отдельными сериями, «россыпью», что затрудняло проектирование схем управления, их наладку и эксплуатацию. Прогрессивным явлением в создании технических средств управления стала разработка унифицированной блочной системы регулирования (УБСР). Использование этой системы обеспечивает широкую унификацию производства комплектных средств управления, упрощает проектирование, наладку и эксплуатацию ЭП, улучшает технико-экономические показатели их работы.

Система УБСР имеет несколько ветвей — аналоговую, выполняемую на обычных элементах электроники (УБСР-А) и на интегральных микросхемах (УБСР-АИ), и дискретную (цифровую) на обычных элементах (УБСР-Д) и микросхемах (УБСР-ДИ).

1 Аналоговые элементы и устройства управления ЭП
Аналоговая ветвь УБСР-А состоит из набора транзисторных усилителей постоянного тока, командных и задающих устройств, функциональных преобразователей, датчиков координат и блоков питания. Развитием аналоговой ветви УБСР-А явилась разработка серии УБСР-АИ на интегральных микросхемах, применение которых позволило улучшить технические характеристики схем управления и расширить их функциональные возможности. Блоки УБСР-АИ размещаются на сменных ячейках со штепсельными разъемами и имеют печатный монтаж.


Рисунок 1- Схема операционного усилителя
В системе принят унифицированный электрический сигнал + 10 В и ±5мА, позволяющий соединение ее элементов с дискретными элементами УБСР-ДИ и другими устройствами автоматизации технологических процессов.

Операционный усилитель. Основным элементом аналоговой системы является операционный усилитель (ОУ). Он представляет собой усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления (от 5 до 100 тыс.), охваченного отрицательной обратной связью. Схема ОУ приведена на рисунке 1, где через zвх1 ... zвх2,- обозначены в общем случае комплексные активно-емкостные входные сопротивления, а zо.с — комплексное сопротивление цепи обратной связи

,

где ki = Rо.с/Rвхi.

При включении во входные цепи и цепи обратных связей наряду с резисторами конденсаторов ОУ позволяют осуществлять и другие, весьма разнообразные преобразования входных сигналов, необходимые для получения нужных управляющих воздействий в ЭП. Такие схемы получили название регуляторов. В таблице 1 приведены некоторые распространенные схемы регуляторов с использованием ОУ.

Регуляторы. Эти устройства получили свои названия в зависимости от выполняемых ими функциональных преобразований входных сигналов. Пропорциональный П-регулятор. Этот регулятор осуществляет уже рассмотренное выше масштабное (пропорциональное) преобразование входного сигнала с коэффициентом k (инвертирование знака входного сигнала не является принципиальным признаком преобразования). Как видно, выходной сигнал такого регулятора повторяет входной с коэффициентом преобразования К. Отметим, что зависимость Uвых(t) при подаче на вход регулятора ступенчатого входного сигнала получила название его переходной функции.

Интегральный И-регулятор. В цепь обратной связи ОУ включается конденсатор Со.с, а во входную цепь — резистор R1. В результате этого регулятор приобретает свойства интегрирующего устройства и напряжение на его выходе определяется интегралом от входного сигнала.
Таблица 1 – Схемы и характеристики регуляторов с использованием ОУ

Тип


Схема

Вид преобра-зования

Параметры регулятора

Переходная

функция

П






k = RO.C/R1




И





T = R1CO.C




Д





T = RO.CC1




А






k = RO.C/R1
T=RO.CCO.C






Дифференциальный Д-регулятор. Схема соединения обеспечивает дифференцирование входного сигнала с коэффициентом T=Ro.cC1. Переходная характеристика идеального Д-регулятора представляет собой электрический импульс бесконечно большой амплитуды и малой длительности (для упрощения рисунков здесь и далее график входного сигнала Uвых(t) на них не показан).

Апериодический А-регулятор. Переходной функцией такого регулятора является экспоненциальная зависимость выходного сигнала во времени.

Ряд других регуляторов (пропорционально-интегральный (ПИ), пропорционально-дифференциальный (ПД) и пропорциональио-интегрально-дифференциальный (ПИД) осуществляют комплексное преобразование входных сигналов, что требуется при реализации сложных законов управления ЭП.

Функциональные преобразователи. Эти преобразователи входят в состав УБСР-АИ и позволяют возводить в квадрат и извлекать квадратичный корень из входного сигнала (ячейка ПК-1АИ), умножать и делить входные аналоговые сигналы (ячейки УМ-1АИ, УМ-2АИ, МДУ-1АИ), выделять модуль сигнала (ячейка ВМ-1АИ), осуществлять различные нелинейные зависимости между входным и выходным сигналами (ячейка ПФ-1АИ). Эти преобразователи также реализованы на базе одного или нескольких ОУ.

Различные другие нелинейные преобразователи электрических сигналов могут быть получены с помощью многочисленных схем, также реализуемых на основе ОУ. Для примера рассмотрим схему включения ОУ обеспечивающую ограничение сигнала.



Рисунок 2 - Схема (а) и характеристики (б) при ограничении напряжения ОУ
Для выполнения этой функции цепь обратной связи ОУ параллельно резистору включены два стабилитрона VD1 и VD2. До уровня выходного напряжения, соответствующего напряжению пробоя (стабилизации) стабилитронов, ОУ работает как обычный масштабный преобразователь, обеспечивая линейную характеристику. При достижении выходным напряжением уровня Uст происходит пробой стабилитрона, эквивалентное сопротивление цепи обратной связи и тем самым коэффициент усиления ОУ становятся равными нулю и напряжение на выходе перестает изменяться (ограничивается). Включение двух стабилитронов обеспечивает симметричную характеристику Uвых(Uвх).

Если в схеме рисунка 2, а убрать из цепи обратной связи резистор Roс, то схема будет обеспечивать еще одну нелинейную характеристику типа релейной без зоны нечувствительности. Сигнал Uст на выходе такой схемы будет появляться сразу же, как только поступит входной сигнал.


Рисунок 3- Схема (а) и график напряжения на выходе (б) задатчика интенсивности
В схемах управления ЭП применяются также задатчики интенсивности, построенные на эффекте протекающего во времени заряда конденсатора. На рисунке 3,а показана схема простейшего задатчика интенсивности, в котором используются конденсатор С и резистор R. При подаче на вход цепочки R—С ступенчатого входного сигнала UВХ сигнал на ее выходе Uвых будет изменяться по экспоненте. Изменяя постоянную времени Т= RC, можно получать различный темп изменения выходного сигнала.

Датчики координат электрических приводов. В замкнутых ЭП, как уже говорилось, для формирования требуемых статических и динамических характеристик применяются обратные связи по скорости, положению, току и напряжению, реализуемые с помощью соответствующих датчиков. Ряд из них, аналоговые датчики скорости и тока, были рассмотрены ранее. В этом разделе рассматриваются другие виды датчиков, применяемых в аналоговых схемах управления замкнутых ЭП.

Датчики напряжения для ЭП с ДПТ выполняются на основе потенциометра, включаемого на зажимы якоря М двигателя, как это показано на рисунке 4. Уровень сигнала Uo, снимаемого с потенциометра RP, и тем самым коэффициент обратной связи по напряжению определяются положением движка потенциометра.

Для получения сигнала обратной связи по напряжению в ЭП с двигателями переменного тока используются трансформаторные схемы напряжения.

В УБСР реализация цепей обратных связей по току и напряжению осуществляется с помощью ячеек ПН-1АИ и ПН-2АИ, называемых датчиками тока и напряжения. Они позволяют регулировать коэффициенты обратных связей и обеспечивают гальваническую развязку силовых цепей и цепей управления.



Рисунок 4 - Потенциометрический и трансформаторный датчик напряжения
Датчики положения применяются для получения электрического сигнала, пропорционального положению исполнительного органа или вала двигателя. В таких датчиках используются сельсины, потенциометры и вращающиеся трансформаторы.

Сельсинные датчики положения с выходом на постоянном токе соединяются с исполнительным органом или валом двигателя, в результате чего выходное напряжение пропорционально их положению. В ЭП применяются сельсины типов БД160, БД404, БД501, ДИД505, НЭД-101.

Датчики положения на основе вращающихся трансформаторов являются электромеханическими устройствами. Как и сельсины, они позволяют получать напряжение на своем выходе, определяемое положением своей подвижной части.


  1. Дискретные элементы и устройства

управления АЭП
Комплексная автоматизация с использованием средств вычислительной техники и в первую очередь микропроцессорного управления, позволяет существенно повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции, повысить надежность работы оборудования и условия труда обслуживающего персонала.

Многие требования, предъявляемые к ЭП рабочих машин и механизмов при комплексной автоматизации их работы, позволяют выполнить цифровые схемы управления. Они обеспечивают высокие точность и быстродействие работы ЭП и характеризуются надежностью и малым энергопотреблением. Цифровые схемы управления ЭП естественным образом сочетаются с ЭВМ, управляющими технологическими процессами, составляя с ними единую автоматизированную систему управления (АСУ).

Во многих случаях целесообразным оказывается создание смешанных, цифроаналоговых схем управления ЭП, сочетающих в себе наилучшие свойства аналоговых и цифровых (дискретных) элементов и устройств.

Используемые в ЭП цифровые средства можно разделить на следующие группы: логические элементы и триггеры, реализующие простейшие логические операции; цифровые узлы (комплекс элементов), включающие в себя совокупность логических элементов и выполняющих более сложные функциональные преобразования сигналов; цифровые устройства (комплекс узлов), реализующие сложные функции управления ЭП; ЦВМ (комплекс цифровых устройств), являющиеся высшей формой интеграции всех функций по управлению ЭП.

Несмотря на определенную условность такой классификации, она оказывается удобной при анализе цифровых схем управления ЭП.

Набор дискретных (цифровых) элементов, узлов и устройств управления существенно шире и разнообразнее, чем аналоговых. Так, например, если УБСР-АИ насчитывается около 15 видов функциональных устройств, то УБСР-ДИ имеет более 30 таких устройств, т. е. в 2 раза больше. Рассмотрим основные дискретные элементы и устройства.

Триггер. Это один из наиболее распространенных элементов цифровых устройств управления, обладающий двумя устойчивыми состояниями и способный скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала. С использованием триггеров строятся различные логические и вычислительные узлы, а также генерирующие устройства и памяти. Не останавливаясь на технической реализации триггеров, что является предметом изучения курса «Промышленная электроника», рассмотрим их функциональные характеристики.

Триггер состоит из двух логических элементов ИЛИ — НЕ (рисунок 5,а) и работает следующим образом. При подаче входного сигнала X1 = l и отсутствии сигнала X2, выход верхнего элемента устанавливается в состояние Y=0, а нижнего, основного — в состояние Y=1.



Рисунок 5 - Схемы триггеров
Отметим, что черта над переменной обозначает ее инверсное состояние. Это состояние схемы сохранится при снятии сигнала (Х1=0). При подаче сигнала Х2 = 1 триггер перейдет в другое устойчивое состояние, в котором Y=0, а инверсный Y=1.

R — S - триггер изображен на схеме (рис. 5,б) и ее работа соответствует так называемому статическому асинхронному триггеру. На вход S, получивший свое обозначение от английского слова Set — установка, подается входной сигнал X1=Xs=l, после чего на прямом выходе триггера появляется (устанавливается) единичный сигнал Y= 1, а на инверсном выходе - Y=0. При подаче на вход R, обозначенный первой буквой английского слова Reset—сброс, единичного сигнала X2=XR=1, сигнал по выходу Y переведется на нулевой уровень, т. е. Y=0, а по инверсному выходу — на единицу, т. е. Y=1.

Если на обоих входах сигналы отсутствуют, т. е. XS = XR = 0, то триггер «запоминает» свое предыдущее состояние, что является его важным свойством. Сочетание Xs = XR = 1 запрещено, так как вызывает неопределенное состояние выходов триггера.

Цифровые узлы и устройства по своему функциональному назначению делятся на вычислительные; логические; устройства памяти; элементы согласования; временные устройства; цифроаналоговые преобразователи; устройства ввода — вывода данных; цифровые датчики координат. Рассмотрим состав этих групп и реализацию отдельных, наиболее употребимых узлов и устройств.

К вычислительным устройствам относятся счетчики, сумматоры и компараторы (устройства сравнения).

Счетчик. Это цифровой узел, предназначенный для подсчета числа входных сигналов. Они подразделяются на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

Сумматор. Это цифровой узел, выполняющий операцию сложения двух чисел. Обычно сумматор представляет собой совокупность одноразрядных суммирующих схем, работающих в соответствии с таблицей двоичного сложения.

Компаратор. Это цифровой узел, выполняющий функцию сравнения двух чисел А„ и в В результате сравнения определяется истинность одного из соотношений: А = В; А>В; А<В каждое из которых фиксируется единичным сигналом на соответствующем выходе.

Логические цифровые узлы. В этих узлах осуществляются различные логические операции над дискретными электрическими сигналами. К ним относятся распределители импульсов, шифраторы, дешифраторы и мультиплексоры.

Дешифратор (декодер) осуществляет такое преобразование сигнала на и входах, при котором на одном его выходе вырабатывается сигнал 1, а на всех остальных сохраняются сигналы, равные 0. Обратную операцию выполняет шифратор, преобразующий единичный сигнал на одном из входов в двоичное число на нескольких выходах.

Мультиплексор — цифровой узел, обеспечивающий передачу сигналов с нескольких входных линий в одну выходную. Выбор входной линии производится с помощью управляющего импульсного сигнала (кода), подаваемого на управляющие входы мультиплексора. Мультиплексор может быть выполнен на основе схемы дешифратора путем ее небольшого преобразования.

Устройства памяти. Эти устройства предназначены для запоминания, хранения и выдачи информации.

К ним относятся регистры, матрицы-накопители и запоминающие устройства (ЗУ): оперативные (ОЗУ) и постоянные (ПЗУ).

Регистр предназначен для записи, запоминания и выдачи многоразрядного двоичного числа и выполнения над ним некоторых несложных логических операций.

Запоминающее устройство (ЗУ) обеспечивает хранение больших объемов информации. ЗУ, обеспечивающие многократную запись и считывание информации, получили название оперативных запоминающих устройств (ОЗУ). Особенность ОЗУ состоит в том, что оно хранит информацию только при наличии питания, а при его потере информация теряется.

ЗУ, предназначенные для постоянного хранения единожды записанной информации, получили название постоянных запоминающих устройств (ПЗУ). Эти устройства способны сохранять записанную в них информацию и при потере питания. ПЗУ характеризуются большим объемом хранимой информации, более простыми по сравнению с ОЗУ схемами и меньшим энергопотреблением.

Временные устройства. К ним относятся генератор эталонной частоты, служащий для выработки тактовых импульсов частотой 100—500 кГц (I исполнение) или 1—5 мГц (II исполнение), а также мультивибратор универсальный с частотой выходного сигнала до 200 кГц.

Цифроаналоговые устройства. В их состав входят: преобразователь код — напряжение (ПКН), преобразующий двоичный или двоично-десятичный код в напряжение постоянного тока; преобразователи частота—напряжение (ПЧН) и напряжение—частота (ПНЧ), осуществляющие преобразование частоты следования импульсов в напряжение постоянного тока и обратное преобразование.

Устройства согласования. Они обеспечивают согласование сигналов узлов и устройств УБСД-ДИ с релейно-контакторной аппаратурой управления ЭП, усиление выходных сигналов логических узлов и гальваническую (потенциальную) развязку электрических цепей.

Кроме того, в состав УБСР-ДИ входят вспомогательные узлы ввода — вывода информации и блоки питания.

На базе рассмотренных цифровых узлов в рамках УБСР-ДИ разработаны типовые блоки управления, позволяющие выполнять сложные арифметические и логические операции. К ним относятся блоки для обработки цифровой информации (формирователь чисел, дискриминатор чисел, арифметическое устройство) и частотных сигналов (генератор частотных сигналов, цифровой интегратор, управляемый делитель частоты), преобразования кода числа в частоту и частоты в код числа, ввода и вывода информации (регистры памяти входной и выходной, формирователь сигналов импульсных и кодовых датчиков положения, усилители выходные) и связи с аналоговыми элементами схем управления ЭП.
3 Датчики скорости и положения, применяющиеся в замкнутых схемах управления
Для получения информации о скорости и положении вала двигателя в замкнутых цифровых ЭП применяются аналоговые и дискретные датчики скорости и положения.

Датчики скорости (тахогенераторы). Эти датчики предназначены для измерения скорости вращения вала двигателя или исполнительного органа рабочей машины. Они представляют собой специализированные электрические машины небольшой мощности, выходное напряжение Uвых которых пропорционально скорости вращения якоря (ротора). По принципу своего действия и устройству тахогенераторы бывают постоянного и переменного тока.

Тахогенераторы постоянного тока представляют собой небольшие генераторы постоянного тока с возбуждением от независимого источника или от постоянного магнита.

Тахогенераторы переменного тока в большинстве случаев применяются асинхронного типа и по своему устройству мало отличаются от однофазных асинхронных двигателей. Они имеют две обмотки: одна из которых ОВ подключается к питающей сети и служит для возбуждения тахогенератора, а другая ОИ является измерительной. Напряжение на зажимах этой обмотки пропорционально скорости вращения тахогенератора.

Кроме рассмотренных выше аналоговых датчиков скорости в замкнутых схемах все шире применяются цифровые датчики, сигналы которых могут непосредственно поступать в цифровые схемы управления. Применение таких датчиков позволяет повысить точность регулирования скорости исполнительных органов рабочих машин и механизмов.

Первичными элементами цифровых датчиков скорости и положения, непосредственно устанавливаемых на валу двигателя или рабочей машины, являются индукционные или фотоэлектрические элементы.

Импульсный индукционный датчик скорости состоит из первичного элемента, зубчатого диска 1 (рис. 6), соединенного с валом двигателя или рабочей машины. Против зубцов этого диска располагается индуктор 2, представляющий собой постоянный магнит с расположенной на нем измерительной обмоткой 3, подключенной к источнику питания Uп.


Рисунок 6 - Схема индукционного датчика скорости
Напряжение, снимаемое с обмотки, подается через конденсатор С на вход усилителя У, выполняющего одновременно роль формирователя импульсов. При вращении диска изменяется зазор между его зубцами и полюсами индуктора 2. Вследствие этого резко изменяется магнитное сопротивление воздушного зазора и величина магнитного потока, проходящего через зубцы диска 1 и индуктор. Изменяющийся магнитный поток индуцирует в обмотке 3 ЭДС, частота которой

f=?N/(2?),

где N—число зубцов диска, ?—скорость диска (вала двигателя).

Созданное этой ЭДС напряжение переменного тока через конденсатор С подается на вход усилителя, который усиливает этот сигнал и формирует из него последовательность выходных прямоугольных импульсов, частота которых пропорциональна измеряемой скорости. Далее эти импульсы при помощи цифрового блока «частота—код», имеющегося, например, в УБСР-ДИ, преобразуются в двоичное число путем их подсчета за определенный интервал времени с запоминанием полученного числа на время последующего интервала. При необходимости этот переменный по частоте сигнал может быть преобразован и в напряжение постоянного тока (например, с помощью интегрирующего операционного усилителя) для использования в аналоговых схемах управления ЭП.

Датчики положения. Эти датчики применяются в замкнутых схемах управления ЭП и выполняются аналоговыми или цифровыми.

Цифровой фотоэлектрический датчик положения состоит из первичного элемента, представляющего собой кодирующий диск, соединяемый с валом двигателя или рабочей машины (рис.7). Он имеет несколько концентрических колец (дорожек), каждое из которых состоит из сегментообразных прозрачных и непрозрачных участков. Кольцо с наименьшим радиусом (т. е. расположенное ближе всего к оси диска) имеет два участка— прозрачный и непрозрачный, и относится к старшему разряду выходного числа. В каждом следующем от центра кольце число участков удваивается, что соответствует в двоичном представлении чисел переход к следующему разряду.


Рисунок 7 – Цифровой фотоэлектрический датчик
Получение электрического сигнала производится фотоэлектрическим способом. Для этого по одну сторону диска устанавливаются по числу колец источники света—светодиоды, а по другую сторону—приемники света—фотодиоды. Когда между ними находится прозрачный участок диска, светодиод освещает фотодиод, электрическое сопротивление последнего резко изменяется, что и является входным воздействием для последующей схемы датчика положения.

Кроме фотоэлектрических первичных элементов в датчиках положения используются индуктивные датчики с индуктосинами, позволяющие получать более высокие характеристики по точности.

В цифровых системах управления ЭП распространение получили импульсные датчики типов ПДФ-3 и ДИФ-5. Первый из них имеет выходной сигнал в виде двух серий импульсов, сдвинутых друг относительно друга на четверть периода. Число импульсов на оборот составляет 600. Датчик типа ДИФ-5 имеет различные модификации и позволяет получать за один оборот вала датчика от 45 до 1800 импульсов.

Микропроцессорные средства.

Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им и построенное на одной или нескольких больших интегральных микросхемах (БИС). Остановимся более подробно на основных признаках МП, сформулированных в этом определении.

Микропроцессор выполняется на основе одной или нескольких БИС, каждая из которых состоит из нескольких десятков тысяч простых элементов — транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов. Площадь БИС не превосходит нескольких десятков квадратных миллиметров. Такое исполнение МП определяет его малое энергопотребление, надежность в работе, небольшие массу и габариты. При массовом выпуске стоимость БИС резко снижается.

Микропроцессор является элементом управления с гибким алгоритмом работы, который определяется закладываемой в его память программой и может быть изменен.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


2 Типовые схемы управления асинхронным двигателем
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации