Характеристики управления нереверсивного ШИП.

 

Аналогично как координата a для ТП, так и внутренняя координата g делит ШИП на две части: ШИМ и ВК.

- характеристика управления ШИМ ;

- характеристика управления ВК ;

- результирующая характеристика управления - сложная функция.

Опорное напряжение должно иметь пилообразную линейную форму (рис.3.37.)

Для нереверсивного ШИП (однополярные импульсы)

. (3.78)

Для реверсивного ШИП с разнополярными импульсами

. (3.79)

Так как начало положительного импульса соответствует , то характеристика управления ШИМ определяется:

- для нереверсивного;

- для реверсивного,

окончательно получаем

. (3.80)

При , , .

Практически и устанавливается на уровне 0,85-0,9.

При этом .

 

Рис. 3.37. Графики опорного напряжения и ЭДС

с однополярными (а) и разнополярными (б) импульсами

3.5. Тиристорные преобразователи напряжения (ТПН).

Управляемый преобразователь напряжения может быть выполнен для нагрузки переменного тока.

Блочная структура аналогична ТП (рис. 3.38)

 

Рис. 3.38. Блочная структура ТПН

 

U~, I~ - действующие значения U и I переменного тока;

U~ - выходная координата;

I~ - возмущающее воздействие;

U_y – входная координата;

α – угол открывания вентилей.

Рассмотрим схему ТПН для 3-х фазной нагрузки (рис. 3.39).

 

Рис. 3.39. Схема ТПН для трех фазной нагрузки

 

Регулирование выходного U ТПН производится также, как и у ТП (за счет запаздывания их открывания тиристоров для каждой полуволны U_ф сети).

Для симметричной нагрузки

. (3.81)

режим работы ТПН определяется в соответствии с однофазной схемой замещения (рис. 3.40).

Рис. 3.40. Однофазная схема замещения

 

Пусть в этой схеме VS1, VS2 закорочены напрямую. Тогда:

. (3.82)

Ток в такой сети будет отставать по фазе на угол φ

, (3.83)

где U_m – амплитудное напряжение сети; φ – угол между U_c и I;

; (3.84)

; (3.85)

 

Рис. 3.41. График U и I для одной фазы ТПН

 

Такой ток будет протекать в нагрузке однофазной схемы с тиристорами VS1 и VS2, если VS1 и VS2 открывать в каждый полупериод в моменты времени, соответствующие углу (штриховая линия рис. 3.41). Если угол открывание тиристоров , то появление тока задерживается на интервал времени соответствующий углу и на кривых i и U_н появляется бестоковая пауза. На каждом полупериоде ток i определяется суммой i_уст и i_св

, (3.86)

где i_{св =} I_св0;

I_св0 – начальное значение тока i_св;

– постоянная времени нагрузки.

I_сво находится из условия равенства 0 суммарного тока в момент , т.е.

, . (3.87)

Тогда получим выражение для i_н и U_н

, (3.88)

где λ– угол проводимости можно определить из выражения i_н, если подставить ;

. (3.89)

Из этого выражения при помощи ЭВМ и определяют λ.

Но очевидно, что граничные значения λ следующие при:

α = φ, λ = π;

α = π, λ = 0; т.е. .

Таким образом при среднее значение напряжения на нагрузке снижается от наибольшего значения до 0 (без учета падения напряжения на тиристорах).

СИФУ для ТПН аналогична СИФУ для ТП (ГОН, ФСУ, ГИ). Нумерация тиристоров соответствует очередности их включения (аналогично ТП по мостовой схеме). Ключ К определяет работу ТПН с нулевым проводом или без него.

Рассмотрим требования к ширине импульсов СИФУ ТПН. Так как для основного типа нагрузки ТПН – асинхронного двигателя – величина φ переменная и изменяется в пределах от до , то минимальный угол открывания α_min = φ должен изменяться в функции фазового сдвига тока нагрузки, что существенно усложняет устройство СИФУ. Если принять α_min за неизменную величину, равную φ_min, то при и узких импульсах шириной менее φ-α_min возникает однополупериодный режим ТПН.

Очевидно, для нормального открытия тиристоров в двух полупериодах при α_min<φ ширина открывающих импульсов должна быть больше разности φ_max-α_min, которая для асинхронных двигателей практически составляет 60-70˚. Для трехфазного ТПН без нулевого провода в режиме прерывистого тока при α>φ протекание тока в нагрузке возможно только при одновременном открытии двух тиристоров. Поэтому ширина открывающих импульсов для данного ТПН должна превышать 60˚, т.к. коммутация тиристоров происходит через каждые 60˚ периода.

3.6. Индуктивно-емкостные преобразователи тока.

 

В предыдущих параграфах данной главы рассматривались ТП постоянного тока в режимах регулируемого источника напряжения, когда при изменении тока нагрузки напряжение остается приблизительно неизменным и определяемым задающим сигналом. Однако эти ТП при определенной схеме включения, например с критической положительной обратной связью, могут работать и в режимах источника тока, когда, напротив, при изменении напряжения на нагрузке ток остается неизменным. Источник тока (ИТ) применяется для таких потребителей электроэнергии, для которых по условиям их технологического режима требуется постоянство тока, например для дуговых печей с неизменным током дуги, двигателей перематывающих устройств с постоянным нагружением, нагрузочных устройств с неизменным моментом на валу для испытательных и лабораторных стендов и т.д.

Простой и надежный ИТ может быть выполнен на основе индуктивно-емкостной цепи, настроенной на резонанс напряжений (рис. 3.42, а).

 

Рис. 3.42. Схема (а) и векторная диаграмма источника тока (б)

 

Режим работы индуктивно-емкостного ИТ описывается системой уравнений Кирхгофа

. (3.90)

Решая систему уравнений относительно I_H, получаем

. (3.91)

 

Принимая и , получаем

, (3.92)

где х_р- резонансное значение реактивного сопротивления реактора и конденсатора, Ом; U _C – напряжение сети, В.

Таким образом, ток в нагрузке остается неизменным и не зависит от Z _H, а следовательно, и от . Векторная диаграмма для произвольного значения U _H изображена на рис. 3.42,б. Достоинство данной схемы ИТ- простота. Недостаток – нарушение постоянства тока для нагрузки постоянного тока, включенной через выпрямительный мост и имеющей ЭДС (двигатель постоянного тока). При такой нагрузке нарушается синусоидальность токов, а следовательно, условие резонанса и постоянства тока. Наиболее неблагоприятно на свойство источника тока влияет режим прерывистых токов, возникающий в однофазной схеме ИТ при ЭДС нагрузки, большей нуля. Для устранения отмеченного недостатка переходят к многофазным схемам ИТ. На рис. 3.43 приведена схема трехфазного источника тока.

 

Рис. 3.43. Схема трехфазного

индуктивно-емкостного источника тока

 

Схема симметрична, имеет равные значения параметров одноименных элементов и равные токи в этих элементах. Поэтому для определения режимов работы данного ИТ достаточно составить уравнения Кирхгофа для какой-либо одной фазы схемы. Решая их получим

, (3.93)

где – добротность реактора; U_л – линейное напряжение сети, В. Если , то и .

Выражение (3.93) представляет собой аналитическую зависимость внешней характеристики ИТ, для которого выходной координатой является ток нагрузки, а возмущающим воздействием – напряжение нагрузки (рис. 3.44).

При

. (3.94)

Наклон характеристики определяется статизмом, который при равен:

. (3.95)

 

Рис. 3.44. Внешняя характеристика источника тока

 

Чем больше добротность реактора, тем жестче внешняя характеристика ИТ. Практически выполняемые реакторы для ИТ имеют , что соответствует статизму в характеристике ИТ менее 1%.

Явление резонанса напряжений, используемое в ИТ, сопровождается возрастанием напряжений на реакторе и конденсаторе при увеличении сопротивления нагрузки.

В связи с этим важным показателем индуктивно-емкостного ИТ является максимальное напряжение, на которое должен быть рассчитан реактор.

. (3.96)

На рис. 3.45 изображена зависимость напряжения на реакторе от напряжения на нагрузке.

 

Рис. 3.45. Зависимость напряжения на реакторе от напряжения

нагрузки трехфазного индуктивно-емкостного источника тока

 

Из графика следует, что даже для достаточно большого диапазона изменения U_н (от 0 до линейного значения напряжения сети) напряжение на реакторе остается меньше, чем U_л. Для этого диапазона U_н наибольший ток реактора, равный

, (3.97)

оказывается меньше тока нагрузки. Следовательно, и установленная мощность , определяющая габарит реактора, будет меньше мощности нагрузки.

Применительно к электроприводу типовой нагрузкой для ИТ является двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, якорь которого подключен к ИТ через выпрямительный мост (рис. 3.46,а).

Пренебрегая величиной R_L, а также влиянием нелинейного выпрямительного моста на работу ИТ, будем иметь независимо от напряжения и, следовательно, от скорости w двигателя. При этом скоростная характеристика двигателя представляет собой вертикальную прямую (рис.3.46,б). Так как момент двигателя определяется произведением , то при момент пропорционален магнитному потоку Фдвигателя. Механические характеристики двигателя приобретают вид семейства вертикальных прямых с параметром Ф (рис. 3.46,в). Таким образом, система электропривода ИТ-Д получает свойство регулируемого с помощью тока возбуждения источника постоянного тока.

 

Рис. 3.46. Схема (а), электромеханическая (б) и механические (в)

характеристики системы ИТ-Д.

 

3.6. Преобразователи частоты (ПЧ)

 

3.6.1. Трехфазные преобразователи частоты с

автономным инвертором

 

Перспективными преобразователями применительно к эл. приводу переменного тока являются вентильные преобразователи частоты (ПЧ). Основное достоинство ПЧ - возможность широкого и экономичного регулирования скорости наиболее массового, дешевого и надежного АД с КЗР. В ПЧ управлению подлежит две выходные координаты - амплитуда напряжения или тока U_m, I_m и частота изменения напряжения или тока (рис. 3.47).

 

Рис.3.47. Функциональная схема ПЧ

 

Соответственно имеется две входные координаты:

- напряжение управления напряжением или током ;

- напряжение управления частотой .

Современные ПЧ делятся на два основных класса:

- ПЧ с автономными инверторами (ПЧ с промежуточным звеном);

- ПЧ с непосредственной связью с сетью.

Функциональная схема ПЧ с автономным инвертором (АИ) имеет вид (рис. 3.48.)

Рис. 3.48. ПЧ с автономным инвертором

УИ - управляемый источник соответственно напряжения УИН или тока УИТ.

Значение U_d и I_d задаются сигналом или . Отметим, что за счет ОС по напряжению или току, входящих в состав УИ, считают, что если не зависит от U_c и тока нагрузки, мы имеем УИН, если не зависит от U_c и U_н - имеем УИТ.

Значения U_d и I_d являются входными энергетическими величинами автономного инвертора (АИ), которые выпускаются как АИН с выходными U_n и f_n, если питаются от УИН, или как АИТ с выходными I_n, f_n если питаются от УИТ.

Выходные величины U_n, I_n, f_n управляются каналом частоты, в состав которого входит система управления инвертором СУИ.

Каналы управления АИ и УИ в электроприводе взаимосвязаны - задание на уровне U_d или I_d формируется функциональным преобразователем ФП в зависимости от заданной частоты (по U_yf).

Для варианта ПЧ с АИН УИ должен обладать малым внутренним сопротивлением, чтобы U_d не зависело от I_d. Т.к. полярность U_d не меняется, то рекуперация энергии в сеть переменного тока возможна при изменении направления I_d, а значит, необходим реверсивный ТП с двумя комплектами вентильных групп. При этом значительно усложняется схема ПЧ с АИН, что является недостатком.

Для варианта ПЧ с АИТ УИ должен обеспечивать постоянство тока, I_d независимо от напряжения нагрузки, т.е. от скорости АД. Условию соответствует работа УИ в режиме источника тока, что достигается с помощью обратных связей и введения в цепь постоянного тока реактора с большой индуктивностью. Задаваемый ток I_d знак не меняет и режим рекуперации энергии в сеть (изменение полярности) может быть получен на той же одной вентильной группе путем перевода вентилей в инверторный режим. Это достоинство ПЧ с АИТ, т.к. меньше силовых вентилей и проще управление.

Однако ПЧ с АИТ не может работать без обратных связей по напряжению или скорости двигателя.

Регулирование частоты выходного напряжения или тока ПЧ осуществляется СУИ, функциональная схема, которой имеет вид (рис. 3.49).

Рис. 3.49. Функциональная схема СУИ

 

ЗГ - задающий генератор частоты, преобразует аналоговый сигнал управления U_yf в импульсы прямоугольной формы с частотой f_зг ЗГ, как функциональный элемент, представляет собой безинерционное звено с линейной характеристикой и передаточным коэффициентом

. (3.98)

РИ - распределитель импульсов, преобразует f_зг в 3-х фазную систему импульсов, синхронизированную по частоте и фазе. При этом импульсы распределяются по 6-ти каналам (по числу тиристоров).

На 6 каналах РИ по числу тиристоров выделяются узкие синхронизирующие импульсы. Возникая в каждый полупериод ЗГ импульсы передаются поочередно на выходные каналы 1, 2...6, 1,2...6 и т.д.

В результате импульсы от канала к каналу следуют с частотой 2f а в каждом отдельном канале о частотой . Таким образом РИ оказывается делителем частоты с передаточным коэффициентом

. (3.99)

ФИ - формирователь импульсов, расширяет полученные импульсы и усиливает их для надежного отпирания тиристоров. ФИ и в целом СУИ представляются линейным и безинерционным элементом с результирующими передаточными коэффициентами,

; (3.100)

. (3.101)

АИ аналогичен ТП, только напряжение и ток постоянного тока преобразуется в 3-х фазную систему переменного тока. Для АИ применяется искусственная коммутация, т.е. для запирания тиристоров необходимо с помощью специального коммутирующего устройства создать на катоде (+) относительно анода.

 

Рис. 3.50. Диаграммы работы ЗГ и РИ

 

При этом имеется возможность в любой момент не только открывать, но и запирать тиристоры, т.е. . Практически в АИ реализуется продолжительность открытого состояния тиристора в 120° и 180°. При этом схемы управления получаются симметричными и простыми.

Рассмотрим схему 3-х фазного АИТ с ° и отделительными диодами, (коммутация поочередным вкл. тиристоров анодной и катодной групп) на рис 3.51, где:

VS1-VS6 - рабочие тиристоры;

L - реактор, обеспечивающий постоянство входного тока I_d;

C₁ - конденсаторы, участвующие в искусственной коммутации; VD - диоды, исключающие заряд конденсаторов в рабочие периоды включенных тиристоров. Процесс запирания VS происходит следующим образом: пусть работают VS1 и VS2, а С13 (+) на верхней обкладке. Сигналом на запирание VS1 служит отпирающий импульс на VS3. При этом VS3 открывается, а VS1 запирается конденсатором С13, а ток продолжает протекать по фазе «а» -VS3, С13 и VD1. Конденсатор C13 перезаряжается до (+) на нижней обкладке, при этом I_а в фазе «а» уменьшается до 0, a I_б увеличивается до I_d.

 

Рис. 3.51. Схема АИТ с отделительными диодами

 

Работа АИТ без учета времени коммутации (считаем, что С пере­заряжается мгновенно) может быть проиллюстрирована, графически (рис 3.52).

 

Рис 3.52. Диаграмма работы АИТ с l= 120°

В соответствии с диаграммой очередности открывания тиристоров (рис. 3.52,а) строится диаграмма включенного состояния тиристоров каждой фазы (рис. 3.52,б). Включенное состояние изображается прямоугольником "+" для тиристоров анодной группы (VSl,VS3,VS5) и "-" для тиристоров катодной группы (VS2,VS4,VS6).

В периоде работы инвертора имеет место 6 различных состояний, которые сменяются через каждые 60° (рис. 3.52,в). Для каждого состояния известно, через какую пару тиристоров и соответственно какую пару выводов двигателя и с каким направлением проходит ток (рис. 3.52,г). Относительно выводов «а», «в», «с» в пределах одного периода I_n делает один оборот, поворачиваясь мгновенно через периода на 60°. Этому соответствуют диаграммы мгновенных токов ПЧ: линейного тока для любой формы включения статорной обмотки двигателя, имеющего прямоуголь­ную форму (рис. 3.52,д.) и фазного тока для схемы "треугольник", имеющего пирамидальную форму (рис.3.52,е.).

Аналогично описанному работает АИН °, но с той разницей, что его выходной координатой будет не I_n, а вектор ЭДС ПЧ Е_П, ко­торый относительно фаз двигателя поворачивается дискретно так же как и вектор I_n в АИТ., т.е. для

Схемы «треугольник» , , фазные ЭДС для АИН 120° имеют прямоугольную форму. Для схемы «звезда» , , линейные ЭДС имеют пирамидальную форму.

Схема 3-х фазного АИН с ° (рис.3.53): Коммутация осуществляется включением тиристоров из разных групп: один из анодной, другой из катодной, относящихся к одной фазе;

VS1...VS6 - рабочие тиристоры;

Со - конденсатор, обеспечивающий постоянство входного напряжения U_d (скачком не меняется);

VD1..VD6 - обратный мост (диодный), обеспечивающий возможность протекания обратного тока в процессе комму­тации тиристоров и для режима рекуперации энергии.

 

Рис. 3.53. Схема 3х – фазного АИН с l = 180°

Процесс запирания тиристоров осуществляется следующим образом. Пусть VS1 открыт. При этом С1 полностью разряжен (закорочен тиристором), а к верхней обкладке С4 приложен (+). Для запирания VS1 подается импульс на VS4, при этом С4 разряжается навстречу току тиристора VS4 и запирает VS1, при этом (-) на верхней обкладке Cl. С4 закорачивается и через VS4 протекает ток фазы А противоположной полярности. При открывании VS1 Сl разряжается и запирает VS4.При работе АИН с в каждый момент открыты три тиристора: два из одной группы и один из другой (рис 3.54.).

 

Рис 3.54. Диаграмма работы АИН с l = 180⁰

Шести состояниям инвертора соответствует шесть положении вектора относительно выводов нагрузки (3.54,г). Линейное напряжение на нагрузке из-за поочередного объединения 2-х выводов может быть или U_d или 0 (рис. 3.54,д).

Для АИТ с °, аналогично, как и для АИН c °, но c той разницей, что его выходной координатой будет не Е_П, а векторов I_n, который относительно фаз двигателя поворачивается дискретно также как и вектор Е_П в АИН.

Для схемы Δ - , , фазные токи имеют прямоугольную форму с провалом,

Для схемы Υ - , , , т.е. линейные и фазные токи имеют пирамидальную форму без провалов;

Выводы: прямоугольная форма

АИТ(λ = 120º) линейные и фазные I; АИТ() фазные токи;

АИН ( λ = 120º) фазные ЭДС АИН;

АИН (λ =180º) линейные ЭДС;

пирамидальная форма

АИТ (Δ,λ = 120º) фазные токи;

АИТ (Υ,λ =120º)линейные и фазные токи;

АИН(Δ,λ =120º) линейные ЭДС;

АИН (Υ,λ = 180º) фазные ЭДС;

 

 

3.6.2 Непосредственные преобразователи частоты

 

Данный класс преобразователей характерен однократным преобра­зованием энергии. Потребляемая из сети переменного тока энергия с неизменной частотой и напряжением преобразуется в одном силовом устройстве в энергию переменного тока с регулируемыми по амплитуде и частоте напряжением и током нагрузки, т.е. U_n, f_n, I_n = var

Основу НПЧ составляет реверсивный управляемый выпрямитель постоянного тока ТП (рассмотрен ранее).

При изменении синусоидально с определенной частотой управляющего сигнала на выходе ТП получается выпрямленная ЭДС, синусоидально изменяющаяся с той же частотой и приложенную к одной фазе нагрузки (двигателя). Изменяя частоту и амплитуду управляющего сигнала, будет изменяться соответственно частота и амплитуда ЭДС. Для 3-х фазной нагрузки т.о. требуется три комплекта реверсивных ТП, работающих со сдвигом в 120º по выходной частоте НПЧ.

Структурная схема НПЧ имеет вид (риc. 3.55)

Рис. 3.55. Структурная схема НПЧ

 

Отличие от схемы ТП в том, что имеется три СИФУ и три ВГ по одному на каждую фазу, а также специальное ЗУ, которое формирует в соответствии с заданием на амплитуду U_за и частоту U_зf управляющие напряжения U_y1, U_y2, U_y3, образующие 3-х фазную систему выходной ЭДС.

При 3-х фазной нулевой схеме каждая группа ВГ питает одну фа­зу нагрузки, состоит из двух подгрупп (1ВГ1, 1ВГ2) и собрана по 3-х фазной реверсивной нулевой схеме. Если не требуется согласование сети и нагрузки, схема может работать без трансформатора. Для ограничения уравнительных токов при совместном управлении ВГ включаются уравнительные реакторы,(рис. 3.56)

 

Рис. 3.56. 3х – фазная нулевая схема НПЧ

 

Мостовая схема применяется при повышении коэффициента мощности и уменьшении пульсации от высших гармоник (рис. 3.57)

 

Рис 3.57. 3х – фазная мостовая схема НПЧ

 

Вентильная группа для каждой фазы состоит из двух подгрупп ВГ1 и ВГ2, образующих 2 моста, включенных встречно-параллельно. Ес ли ВГ подключены параллельно к источнику питания, то фазы должны быть гальванически развязаны друг от друга (рис.3.58). Соединение в Y или Δ приводит к появлению КЗ цепей для питающей сети через соединенные между собой ВГ. Поэтому BГ получают питание от индивидуальных 2-х вторичных обмоток, трансформатора.

Рис. 3.58. Гальваническая развязка фаз.

 

Большое число ВГ делает эту схему сложной и дорогостоящей. Применяется она для привода большой мощности.

Если управлять ВГ раздельно, то применение реакторов не требуется для обоих схем.

Выходная ЭДС НПЧ, усредненная на интервале проводимости (характеристика упр.ВГ):

С другой стороны должна быть синусоидальной формы с амплитудой и частотой

; (3.102)

. (3.103)

Откуда находим необходимый закон изменения угла открывания вентильной группы одной фазы:

. (3.104)

Тогда для косинусоидальной формы опорного напряжения:

(3.105)

получим напряжение управления

, (3.106)

для пилообразной формы опорного напряжения:

, (3.107)

получим (3.108)

Задавая на входе СИФУ периодические функции напряжения управления U_У получаем на выходе НПЧ синусодиально изменяющуюся ЭДС (рис. 3.59). При этом частота ЭДС равна частоте напряжения управления, которая в свою очередь определяется соответсвующим задающим напряжением:

. (3.109)

Амплитуда ЭДС определяется амплитудой U_у

; (3.110)

. (3.111)

 

Рис. 3.59. Графики изменения напряжения управления и выходной

для одной фазы нагрузки НПЧ

 

4. Унифицированные блоки систем регулирования

 

4.1. Регуляторы

 

Важной функцией современных систем управления АЭП является регулирование его координат, т. е. под­держание с необходимой точностью требуемых значений тока, момента, ускорения, скорости. Данная функция реализуется с помощью большого числа различных эле­ментов, которые могут быть объединены в отдельные ук­рупненные блоки управления, выполняющие типовые функции. Выделенные блоки представляют собой унифи­цированные комплексные элементы, поскольку одни и те же блоки могут применяться в различных системах управления.

Электротехническая промышленность выпускает уни­фицированную блочную систему регуляторов в аналого­вом исполнении – УБСР-АИ и в дискретном исполне­нии – УБСР-ДИ. Элементной базой блоков служат ин­тегральные микросхемы современных серий, например К553, К511, К155 и др. В состав УБСР-АИ входят зада­ющие, регулирующие, согласующие элементы, датчики напряжения, тока, вспомогательные и специальные эле­менты, например ячейки питания, множительно-делительные и др. В составе УБСР-ДИ можно выделить за­дающие, логические и вычислительные, преобразовательно – согласующие блоки. Они представляют собой технически законченную реализацию различных цифро­вых узлов и устройств.

Функционально-технической единицей в УБСР-АИ и УБСР-ДИ, характеризующейся конструктивной завер­шенностью, является так называемая ячейка. Она представляет собой печатную плату с микросхемами и выполнена в виде вдвижной конструкции с размерами 128х20 – 40х164 мм. Ячейка может выполнять функ­цию регулятора, датчика электрических величин, согла­сующего устройства, логического или вычислительного узла и т.п. Ячейки устанавливаются в общем каркасе, называемом кассетой.

Заполненная ячейками кассета образует следующий уровень функционально-конструктивной интеграции, на­зываемый блоком. Внутри блока ячейки соединяются между собой посредством проводов и разъемов через имеющуюся в блоке объединяющую печатную плату.

Последняя ступень функционально-конструктивной интеграции элементов в системах управления электро­приводов – это шкаф управления (закрытая конструк­ция) или стойка управления (открытая конструкция), которые объединяют ряд блоков, электрически соединя­емых между собой внешними проводами – соединителя­ми с разъемами.

Чем больше ячеек и блоков входит в систему управ­ления, тем больше требуется внешних соединений и разъ­емов, что является недостатком такой системы управле­ния. Поэтому современная тенденция построения блоков заключается в увеличении интеграции функций в рам­ках одного блока, т.е. в построении комплексных блоков, объединяющих на одной общей плате серии регуляторов, задающих и согласующих элементов.

В данной главе из множества унифицированных уст­ройств управления выделим регуляторы, задающие и со­гласующие элементы, составляющие функциональную основу системы управления (см. рис. 1.1).

Регулятор выполняет преобразование управляющего сигнала, соответствующее математическим операциям, требуемым по условиям работы системы регулирования. К типовым требуемым операциям относятся следующие преобразования сигнала: пропорциональное, пропорцио­нально-интегральное, пропорционально-дифференциально-интегральное и т. п.

Основу аналогового регулятора составляет операци­онный усилитель – усилитель постоянного тока с высо­ким коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии. Наибольшее применение находят операционные усили­тели интегрального исполнения с корпусом круглой и прямоугольной формы (рис. 4.1). Операционный усили­тель представляет собой многокаскадную структуру, в которой можно выделить входной дифференциальный усилитель ДУ с инверсным и прямым входами, усилитель напряжения УН, реализующий высокий коэффициент усиления, и усилитель мощности УМ, обеспечивающий необходимую нагрузочную способность операционного усилителя (рис. 4.2).

Рис. 4.1. Исполнение корпусов операционных усилителей типов

К140УД6-К140УД8 (а) и К533УД1, К533УД2 (б)

Рис. 4.2. Функциональная схема интегрального операционного усилителя.

 

Однокристальное малогабаритное исполнение операционного усилителя обусловливает вы­сокую стабильность параметров, что позволяет получить высокий коэффициент усиления на постоянном токе. Вы­деленные из схемы точки K1, К2, К3 предназначены для подключения внешних корректирующих цепей, снижаю­щих коэффициент усиления на высоких частотах и повышающих устойчивость работы усилителя с обратными связями. Без корректирующих цепей при достаточно больших частотах, когда накопившееся отставание по фазе составит 180˚, знак обратной связи изменяется и при большом коэффициенте усиления операционный усилитель самовозбуждается и входит в режим автоколебаний. Интегральные операционные усилители характеризуются следующими показателями:

^- дифференциальным коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии k_у0=10³÷10⁵

- напряжением питания U_п=±15 В (±12,6 В; ±6,3 В);

- сопротивлением нагрузки R_н ≥2÷5 кОм;

- входным сопротивлением R_вх0 > 1 кОм;

- выходным сопротивлением R_вых ≈ 0,2÷1 кОм;

- полосой пропускания f ≈ 1 мГц.

Дифференциальный каскад операционного усилителя имеет два входа управления: прямой с потенциалом U_у,п и инверсный с потенциалом U_у,и
(рис. 4.3, а). Выходное напряжение усилителя определяется произведением коэффициента усиления на разность потенциалов входов усилителя, т.е.

. (4.1)

Относительно входных напряжений U_вх,п иU_вх,и выходное напряжение определяется разностью

, (4.2)

где коэффициенты усиления по прямому k_у,п и инверсному k_у,и входам зависят от схемы включения операционного усилителя.

Пусть U_{вх и}=0, и, тогда операционный усилитель включен по схеме прямого усиления с отрицательной связью (рис. 4.3, б). В этой схеме , и согласно (4.1)

.

Откуда

(4.3)

и с учетом факта, что

. (4.4)

При R₂=R₃=0 k_у,п=1 и U_вых=U_вх,п=U_у,п, т.е. уси­литель работает в режиме эмиттерного повторителя, имею

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: