Лабораторная работа Изучение и исследование широтно-импульсного
скачатьЛабораторная работаИзучение и исследование широтно-импульсного преобразователя для приводов постоянного тока 1. Цель работы. 1. Ознакомиться с принципом действия, схемой и работой широтно-импульсного преобразователя (ШИП), используемого в автоматизированном электроприводе; 2. Изучение параметров и характеристик транзисторного реверсивного ШИП.
В работе рассматривается импульсный метод управления частотой вращения. Данный метод регулирования широко используется в автоматизированных электроприводах для регулирования частоты вращения двигателя. ^ – устройство, предназначенное для регулирования частоты вращения двигателя не плавным изменением питающего напряжения, а подачей кратковременных импульсов на якорную обмотку двигателя. Схема, поясняющая этот способ регулирования, приведена на рис. 1.  Рис. 1. Схема импульсного регулирования частоты вращения двигателя. Цепь обмотки якоря двигателя независимого возбуждения периодически подключается к источнику напряжения ключом К. При замыкании цепи якоря на время t1 к обмотке якоря подводится напряжение U = Uном при этом ток нарастает до значения Imax (см. рис. 2). При размыкании ключа ток уменьшается, достигая значения Imin, замыкаясь через диод VD. При следующем замыкании ключа К ток в якоре вновь достигает значения Imax и т.д. Таким образом, к цепи обмотки якоря подводятся импульсы напряжения, амплитудное значение которых равно напряжению U источника. Среднее значение напряжения прикладываемого к двигателю, Uср [В]: Uср = Ut1 / T = U, где t1 – длительность импульса напряжения; T – время между двумя следующими друг за другом импульсами напряжения; = t1 / T – коэффициент управления (скважность).  Рис. 2. Графики U = f(t), I = f(t) при импульсном регулировании частоты вращения двигателя. Ток в обмотке якоря определяется средним значением: Iср = 0,5(Imax + Imin). Частота вращения двигателя при импульсном регулировании: n = (U – iсрr) / CeФэ, где Ф – магнитный поток двигателя; Ce = pN / 60a – конструкторская постоянная двигателя; N – общее число активных проводников обмотки якоря, N / 2a – число активных проводников входящих в одну параллельную ветвь; p – число пар полюсов. Импульсное регулирование обеспечивает изменение частоты вращения лишь в сторону уменьшения от номинальной. Для снижения пульсации тока в цепи якоря включают дроссель L. Частота работы ключа составляет 200-400 Гц, т.к. на повышенных частотах легче добиться уменьшения пульсации выходного напряжения. На рис. 3 показана схема импульсного регулирования напряжения, где в качестве ключа используют тиристор VS. Включается тиристор (что соответствует замыканию ключа) подачей кратковременного импульса от генератора импульсов ГИ на управляющий электрод. Цепь из дросселя L1 и конденсатора C, шунтирующая тиристор, служит для выключения последнего между двумя управляющими импульсами. При включении тиристора конденсатор C перезаряжается по контуру C VS L1 C и к тиристору прикладывается напряжение, обратное напряжению сети.  Рис. 3. Принципиальная схема при импульсном регулировании частоты вращения двигателя с тиристорным ключом. Время открытого состояния тиристора (t) определяется параметрами цепи L1C: t = (L1C)1/2, где L1 – индуктивность дросселя, Гн; C – емкость конденсатора, Ф. Среднее значение напряжения Uср подводимого к обмотке якоря, регулируется изменением частоты следования управляющих импульсов. Частота вращения двигателя с постоянными магнитами регулируется на обмотке якоря только в сторону уменьшения от номинального значения. Для изменения направления вращения якоря (реверсирование) двигателя в данной схеме необходимо изменить направление тока в обмотке возбуждения. При одновременном изменении направления тока в обеих обмотках якоря двигатель не меняет направление вращения. Тиристорные ШИП могут быть выполнены с одним, общим для всех силовых тиристоров коммутирующим устройством или с раздельными для тиристоров правого и левого вращения коммутирующими устройствами. На рис. 4 приведена схема части тиристорного ШИП с последовательной коммутацией и одним коммутирующим устройством, питающимся от общего с силовыми тиристорами источника напряжения. Мостовая схема образована тиристорами VS1-VS4, причем в зависимости от необходимого направления вращения якоря двигателя, включенного в диагональ моста, управляющие импульсы подаются с помощью схемы управления либо на тиристоры VS1 и VS4, либо на тиристоры VS2 и VS3, осуществляя, таким образом, равномерную работу ключей.  Рис. 4. Принципиальная схема тиристорного ШИП. Последовательное коммутирующее устройство, состоящее из вспомогательного тиристора VSK, конденсатора CК и дросселя LК, в моменты подачи на тиристор VSK импульсов гасит в зависимости от направления вращения либо тиристор VS2, либо тиристор VS4. Тиристоры VS1 и VS3 не запираются, обеспечивая замыкание цепи для тока якоря iЯ во время паузы t = (T t1). На рис. 4 пунктиром показан ток iЯ, замыкающийся под действием ЭДС якоря через VS1 и диод VD2 (при реверсе этот ток замыкается через тиристор VS3 и диод VD1). Зарядка коммутирующего конденсатора происходит через диод VDK и дроссель LK от напряжения сети U. Реверсивное управление двигателем при импульсном методе можно осуществить по мостовой схеме ШИП (рис.5), образованной четырьмя транзисторными ключами, к одной диагонали подведено напряжение питающей сети, а к другой присоединен якорь двигателя. Такая схема используется при относительной невысокой мощности двигателя до 300 Вт. Диоды служат для замыкания цепи якоря через источник напряжения в те отрезки времени, когда ток якоря течет под действием ЭДС самоиндукции навстречу напряжению источника. Ключи работают попарно, т.е. на интервале t1 замкнуты ключи VT1 и VT3 и на верхний зажим якоря подан плюс, а на интервале t2 замкнуты ключи VT2 и VT4 и на верхний зажим подан минус источника. В результате к двигателю подается напряжение: Uср = (Ut1 – Ut2) / T. Считая = t1 / T и учитывая, что t2 = T – t1, получим Uср = (2 - 1)U.  Рис. 5. Мостовая схема ШИП. Следовательно, механическая характеристика определяется выражением: ср = (2 - 1) / kэм – (RяM) / kэм, где kэм – единый электромагнитный коэффициент; Rя – сопротивление обмотки якоря. Изменяя , можно изменить не только значение, но и направление угловой скорости. При 1 0,5 угловая скорость при холостом ходе положительная, при 0,5 0 она отрицательная. Кроме широтно-импульсного метода регулирования частоты вращения существует также частотно-импульсный метод. При широтно-импульсном управлении изменяют длительность замкнутого состояния ключа при неизменной длительности цикла (T = t1 + t2 = const), а, следовательно, и частоте переключений (частоте коммутаций) f1 = 1 / T = const. При частотно-импульсном управлении длительность замкнутого состояния ключа t1 = const, а изменяется частота и, следовательно, длительность цикла. Второй способ характеризуется простыми схемными решениями, но не позволяет осуществлять глубокое регулирование угловой скорости, т.к. для 0 необходимо T , т.е. по существу вырождается идея импульсного регулирования с высокой частотой переключений. Поэтому наиболее распространен первый из указанных способов, позволяющий изменять от 0 до 1. Если же в течение времени t2 ток якоря успевает снизиться до 0, то наступает режим прерывистого тока. В этом режиме механические характеристики теряют линейность и жесткость. На рис. 6 он обозначен пунктирной линией.  Рис. 6. Механические характеристики ШИП. Можно показать, что граничное значение тока якоря, при котором наступает режим прерывистого тока, связан с пусковым током двигателя Iп = U / Rя выражением: Iгр Iп(1 - ) / (2Tяfk). Следовательно, = 1 / 2Iгр max = Iп / (8Тяfk), где Tя – постоянная времени якоря. Следовательно, сузить зону прерывистых токов можно увеличивая Тя или fk. Увеличение Тя включением добавочного дросселя нерационально, т.к. снижает динамические показатели привода. Возможности же увеличения частоты коммутации обычно ограничиваются для транзисторных ключей тепловыми потерями в них в режиме переключений, а для тиристорных ключей – временем восстановления их управляющих свойств.
1.Ознакомиться с конструкцией и принципиальной схемой стенда. 2. Определить параметры управляющих сигналов ШИП.
Лабораторная установка (см. рис. 7) состоит из: блока ШИП; блока двухполярного питания; осциллографа [ОСЦ]; цифровой вольтметр [V]; двигателя постоянного тока ДПМ-30-Н1-02 [М].  Рис. 7. Структурная схема лабораторной установки. Основные характеристики двигателя: U = 29 В; P2 ном = 6,47 В; Nном = 9000 об/мин; Мном = 6,86 мНм; Мп = 34,3 мНм; Iном = 0,75 А; Iп = 5 А; КПД = 30 %. ШИП состоит из: генератора пилообразных импульсов G, реализованного на полевом транзисторе; трех операционных усилителей: DA2, DA3 – включенных по схеме компаратора, DA1 – по схеме инвертора; двух оконечных усилителей У1 и У2. Генератор импульсов создает пилообразное напряжение. Компараторы DA2 и DA3 сравнивают его с опорным, и вырабатывают управляющие импульсы (на DA2 пилообразное напряжение попадает после инвертора DA1). У1 и У2 усиливают управляющие импульсы и в зависимости от их разности (разность потенциалов между KT6 и KT7) двигатель вращается в ту или другую сторону (зависит от знака разности) с частотой определяемой шириной импульса (зависит от уровня напряжения). Работу установки поясняют временные диаграммы (рис. 8 – 10), где Диаграмма 1 показывает форму пилообразного импульса в точке КТ2 (совмещена с диаграммой 2) ); ^ форму пилообразного импульса после инвертора в точке КТ1 (совмещена с диаграммой 1) ); <b>3 форму импульса после компаратора DA3; 4 форму импульса после компаратора DA2; 5 суммарный импульс, приходящий на электродвигатель М. Для построения временных диаграмм необходимо руководствоваться следующим. Для диаграммы 1: если опорное напряжение по абсолютной величине больше напряжения пилообразного импульса, то формируется положительный импульс; если меньше – отрицательный (диаграмма 3). Для диаграммы 2: если опорное напряжение по абсолютной величине меньше напряжения пилообразного импульса, то формируется положительный импульс; если меньше – отрицательный (диаграмма 4). Суммарный импульс на электродвигателе равен разности двух этих импульсов (диаграмма 3 минус диаграмма 4), т.е. диаграмма 5. На рис. 8, 9, 10 представлены временные диаграммы получения управляющих импульсов на двигателе (диаграмма 5) для трех случаев: а) опорное напряжение положительное Uоп > 0 (см. рис. 8); б) опорное напряжение равно нулю Uоп = 0 (см. рис. 9); в) опорное напряжение отрицательное Uоп <0 (см. рис. 10).  Рис. 8. Временные диаграммы при положительном опорном напряжении.  Рис. 9. Временные диаграммы при нулевом опорном напряжении.  Рис. 10. Временные диаграммы при отрицательном опорном напряжении. Из диаграмм видно, что применяя транзисторный реверсивный ШИП, можно уровнем опорного напряжения управлять частотой вращения двигателя как в прямом, так и в обратном направлении. При рассмотрении принципиальной схемы (см. рис. 18) лабораторного стенда удобно пользоваться структурной схемой (рис. 7) для представления места и назначения того или иного элемента (функционального блока). Генератор пилообразного напряжения (на структурной схеме G) вынесен на рис. 11. Принцип его действия основан на заряде конденсатора С1 (подъем импульса  Рис. 11. Генератор пилообразных импульсов. напряжения) и его разряде (спад). Как известно, равномерность нарастания импульса зависит от постоянства тока заряда. В данной схеме для этого используется генератор тока на полевом транзисторе VT1. При помощи переменного сопротивления R2 можно регулировать величину тока или, как следствие, длительность импульса. Заряд конденсатора будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на обкладке конденсатора не откроет транзистор VT5. Далее ток через диод VD1 откроет транзистор VT4. Происходит разряд конденсатора через эмиттер – базу VT2 и коллектор – эмиттер VT4. Формирование следующего импульса происходит аналогично. Усиление полученного пилообразного сигнала осуществляется посредством эмиттерного повторителя (рис. 12). Реостат R4 задает амплитуду. В качестве инвертора используется интегральная микросхема (ИМС) К553УД2 (на рис. 7 DA1). Рис.13 показывает способ ее включения. Задание опорного напряжения осуществляется с помощью делителя на R14 (на рис. 7 - реостат подключенный к блоку питания) рис. 14. Схема включения компараторов (на рис. 7 – DA2, DA3) на ИМС К553УД2 показана на рис. 15. Для подавления высокочастотных шумов использована схема рис. 16.  Рис. 12. Эмиттерный повторитель.  Рис. 13. Инвертор на ИМС К553УД2.  Рис. 14. Задатчик опорного напряжения.  Рис. 15. Компараторы D2 и D3 на ИМС К553УД2.  Рис. 16. Схема подавления помех высокой частоты. Силовая часть привода с ШИП реализована схемой показанной на рис. 17. Транзисторы VT6, VT10 и VT7, VT11 имеют p-n-p проводимость, т.е. они открываются низким уровнем напряжения на базе и закрываются высоким. При приложении к базам транзисторов VT8, VT12 и VT9, VT13 низкого уровня напряжения двигатель не вращается т.к. разность потенциалов точек КТ6 и КТ7 равна нулю. Когда на базу транзистора VT9 (и VT13) подается высокий, а на базу VT8 (и VT12) низкий уровень в цепи течет ток. Открытые транзисторы VT9, VT13 создают на базах VT7, VT11 низкий уровень и открывают их; в свою очередь закрытые VT8, VT12 удерживают в закрытом состоянии VT6, VT10. Ток проделывает следующий путь: +12V – эмиттерно-коллекторный переход VT7, VT11 – двигатель – коллекторно-эмиттерный переход VT9, VT13 -12V. Так работает одно плечо и двигатель вращается в одну сторону, при изменении потенциалов на входе схемы на противоположные работает другое плечо: VT6, VT10 – VT8, VT12 и двигатель вращается в другую сторону.  Рис. 17. Силовая часть привода с ШИП. ^
табл. 1.
^
  Рис. 18. Принципиальная электрическая схема широтно-импульсного преобразователя привода постоянного тока. 
|
отлично
1 