книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики
.pdfББК 32.844.1я73 К78
УДК 62—52' (07)
Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. В. В. И в а н о в , д-р техн. наук, проф. В. А. И г н а т о в
Редакция литературы по информатике и автоматике
Редактор Ж. Г. Давиденко
Краснопрошина А. А., Скаржепа В. А., Кравец П. И.
К78 |
Электроника и микросхемотехника. |
Ч. 2. |
Электронные уст |
|
|
ройства |
промышленной автоматики: |
Учебник/Под общ. ред. |
|
|
А. А. |
Краснопрошиной,— К. : Выща |
шк. |
Головное изд-во, |
1989.— 303 с.
ISBN 5-11-001789-1.
Вучебнике рассмотрены усилительные, выпрямительные, регулирующие
ипреобразовательные устройства для управления исполнительными эле ментами систем промышленной автоматики. Описаны их статические и дина мические характеристики, способы коррекции и линеаризации.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Автоматика и управление в технических системах». Будет полезен студентам других спе циальностей, аспирантам, инженерно-техническим работникам, занимающимся
изучением, разработкой и эксплуатацией электронных схем и систем.
2302030000— 180
К М211(04)—89 182-89 |
ББК 32.844.1я73 |
|
|
ISBN 5-11-001789-1 |
© Издательское объединение |
|
«Выща школа», 1989 |
Оглавление
Введение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
Г л а в а |
1 |
|
|
|
|
|
|
|||
Общие принципы построения и особенности ЭУПА |
|
10 |
|||||||||||||
1.1. Общие |
характеристики |
нагрузок |
ЭУПА |
|
|
||||||||||
1.2. Общие характеристики возмущений, влияющих на струк |
18 |
||||||||||||||
туру |
ЭУПА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1.3. Обобщенная схема ЭУПА для управления исполнитель |
21 |
||||||||||||||
ными |
|
механизмами |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
1.4. Особенности работы ЭУПА в системах автоматического |
23 |
||||||||||||||
управления |
|
|
|
предъявляемые |
|
к ЭУПА |
|
||||||||
1.5. Основные требования, |
|
|
26 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Г л а в а |
2 |
|
|
|
|
|
|
||
Электронные |
регуляторы. |
Основные |
характеристики |
|
31 |
||||||||||
2.1. Способы управления электронными регуляторами |
|
||||||||||||||
2.2. Исполнительные |
органы электронных |
|
регуляторов |
|
38 |
||||||||||
2.3. Регулировочные |
характеристики |
электронных |
регулято |
45 |
|||||||||||
ров |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.4. Энергетические характеристики электронных регуляторов |
47 |
||||||||||||||
2.5. Качественные |
характеристики |
ЭР |
|
|
|
|
|
55 |
|||||||
2.6. Динамические |
характеристики |
ЭР |
|
|
|
|
|
61 |
|||||||
2.7. Динамические |
характеристики |
ИО |
|
|
|
|
64 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
Г л а в а |
3 |
|
|
|
|
|
|
||
Электронные регуляторы с импульсным управлением |
|
|
|||||||||||||
3.1. Общие |
на основной и повышенной частотах |
|
|
68 |
|||||||||||
сведения |
|
|
регуляторы |
с |
естественным |
вы |
|||||||||
3.2. Однофазные |
электронные |
69 |
|||||||||||||
ключением |
тиристоров |
ИО |
|
|
|
с |
естественным |
вы- • |
|||||||
3.3. Трехфазные |
электронные |
регуляторы |
76 |
||||||||||||
ключением тиристоров |
ИО |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
3.4. Схемы управления электронных регуляторов с естествен |
85 |
||||||||||||||
ным |
выключением тиристоров |
ИО |
|
|
|
|
|
||||||||
3.5. Схемы управления однофазных ЭР повышеннойточности |
91 |
||||||||||||||
3.6. Схемы управления трехфазных ЭР |
|
|
|
ИО |
107 |
||||||||||
3.7. Электронные регуляторы с полностьюуправляемыми |
110 |
||||||||||||||
3.8. Схемы управления электронных регуляторов с полностью |
|
||||||||||||||
управляемыми |
ИО |
|
|
|
|
|
|
. |
1 1 |
6 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
Г л а в а |
4 |
низкочастотным |
|
|
|||||
|
Электронные регуляторы |
с |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
импульсным |
управлением |
|
|
|
|
||||||
4.1. Особенности электронных регуляторов с низкочастотным |
121 |
||||||||||||||
импульсным управлением |
|
|
|
электронных |
регулято |
||||||||||
4.2. Регулировочные |
характеристики |
127 |
|||||||||||||
ров |
с |
низкочастотным |
импульсным |
управлением |
|
3
4.3. Энергетические |
характеристики |
электронных |
регуляторов |
135 |
|||
с низкочастотным |
импульсным |
управлением |
|
||||
4.4. Качественные характеристики электронных регуляторов с |
141 |
||||||
низкочастотным |
импульсным управлением |
с низкочас |
|||||
4.5. Динамические |
характеристики |
регуляторов |
145 |
||||
тотным импульсным управлением |
|
||||||
4.6. Формирователи сигнала управления для ИО электронных |
152 |
||||||
регуляторов |
с |
низкочастотным |
импульсным |
управлением |
|||
4.7. ФСУ позиционного типа на генераторах весовых последо |
157 |
||||||
вательностей |
|
|
|
|
|||
4.8. ФСУ |
последовательного типа |
работающих |
регуляторов |
160 |
|||
4.9. ФСУ |
для |
группы |
синхронно |
177 |
|||
с низкочастотным |
импульсным |
управлением |
|
||||
4.10. Узлы согласования ФСУ с многофазными ИО регуляторов |
183 |
||||||
с низкочастотным |
импульсным |
управлением |
|
Г л а в а 5
Электронные регуляторы переменного напряжения
срелейным и релейно-импульсным управлением
5.1.Особенности регуляторов с релейным и релейно-импульс
ным |
управлением |
199 |
5.2. Основные характеристики релейных регуляторов перемен |
||
ного |
напряжения |
203 |
5.3. Основные характеристики релейно-импульсных |
регулято |
|
ров |
|
213 |
5.4.Формирователи сигнала управления для релейных и релейно-импульсных регуляторов
Г л а в а 6
Устройства |
регулирования и стабилизации |
|
|||||
6.1. Общие |
|
|
постоянного |
напряжения |
218 |
||
сведения |
выпрямители |
||||||
6.2. Нерегулируемые |
219 |
||||||
6.3. Регулируемые |
выпрямители |
224 |
|||||
6.4. Работа |
выпрямителей |
на |
сглаживающие фильтры |
228 |
|||
6.5. Электронные импульсные регуляторы постоянного нап |
231 |
||||||
ряжения с широтно-импульснымуправлением |
|||||||
6.6. Сглаживающие |
фильтры |
|
244 |
||||
6.7. Стабилизаторы |
напряжения |
247 |
|||||
|
|
|
|
|
Г л а в а 7 |
|
|
7.1. Общие |
Инверторы и |
преобразователи частоты |
268 |
||||
сведения |
|
|
|
||||
7.2. Автономные |
инверторы |
|
270 |
||||
7.3. Инверторы, |
ведомые |
сетью |
|
278 |
|||
7.4. Непосредственные |
преобразователичастоты |
281 |
|||||
7.5. Двухявенные |
преобразователи частоты |
288 |
|||||
Список рекомендуемой |
литературы |
302 |
|||||
Предметный |
указатель |
|
|
303 |
Введение
Электронные устройства промышленной автоматики (ЭУПА) предназначены для преобразования электрической энергии промышленной сети и мощных источников автоном ного питания в энергию управления электрическими исполнительными устройствами и механизмами, для норми рования ее по величине и упорядочения во времени в соот ветствии с принципом их работы. Такими исполнитель ными устройствами могут быть электрические двигатели постоянного и переменного тока, шаговые двигатели, элек трические нагревательные элементы, мощные осветитель ные приборы, гальванические ванны, электродуговые и индукционные нагревательные системы, мощные лазерные и электронно-лучевые установки, сварочные автоматы и др. На основе ЭУПА строятся также источники электропи тания радиоэлектронной аппаратуры, обеспечивающие по
стоянное стабильное напряжение питания всех |
элемен |
тов системы автоматического управления (САУ). |
|
Место ЭУПА в САУ представлено на упрощенной струк |
|
турной схеме (рис. В.1), где состояние объекта |
управле |
ния (ОУ) определяется первичными измерительными пре образователями, информационные сигналы которых уси ливаются, нормируются и преобразуются в стандартную унифицированную форму (амплитуду постоянного напря жения, частоту импульсов или цифровой код) с помощью блока согласующих, нормирующих и преобразующих элементов и подаются в логическую информационную часть САУ.
Логическая информационная часть выполняет опера ции логической и арифметической обработки информаци онных сигналов и в соответствии с сигналами задания и ал горитмами работы вырабатывает информационные воздей ствия для управления состоянием объекта. В качестве логической информационной части могут использоваться простейшие устройства аналогового и цифрового регулирова ния, вырабатывающие управляющие воздействия в результа те преобразования ошибки управления по элементарным законам — пропорционально-интегральному, пропорцио нально-дифференциальному, пропорционально-интегрально-
5
_ к |
анергия сети |
__^Информационные |
_ к Упорядоченный 8 соответствие . |
|
s a ^ |
—j |
сигналы |
с информационнымисигналами |
потокэнергии
Рис. В.1
дифференциальному и другим, а также сложные системы цифровой обработки информации с решением задач идентификации, оптимизации, статистической обработки информации и т. д. Независимо от структуры и степени сложности логической информационной части на ее выходе формируется слаботочный информационный управляющий сигнал, который необходимо преобразовать в упорядоченный поток электри ческой энергии для выполнения работы по управлению объектом. Не посредственно эта работа осуществляется исполнительными устройст вами и механизмами путем перемещения рабочих органов ОУ, нагре вания его составных частей, изменения освещенности и т. д., а энергия, необходимая для этой работы, потребляется от сети и упорядочива ется в соответствии со значениями сигналов логической информаци онной части САУ и особенностями работы конкретно применяемого исполнительного устройства или механизма. Так, если в качестве исполнительного механизма ОУ используется электродвигатель пере менного тока, число оборотов которого зависит от частоты питающего напряжения, то в качестве регулирующего и преобразовательного устройства необходимо использовать регулируемый преобразователь частоты напряжения промышленной сети в частоту напряжения пита ния электродвигателя, изменяемую в широких пределах в соответст вии с управляющим воздействием. Аналогично, если САУ управляет позиционированием каких-либо деталей или изделий (например, при автоматической набивке печатных плат), где в качестве исполни тельного механизма используется многофазный шаговый двигатель, то задачей регулирующей и преобразовательной части является фор мирование системы прямоугольных импульсов заданной длительности, амплитуды и частоты, сдвинутых в пространстве друг относительно друга на фиксированный фазовый угол, величина которого определя ется конструкцией шагового двигателя. При регулировании темпера туры ОУ для дозирования количества тепла, рассеиваемого на нагре вательных элементах, необходимо вырабатывать систему управляемых по длительности или амплитуде импульсов электрической мощности, взаиморасположение и величина которых определяется схемой вклю
чения нагревательных |
элементов, параметрами объекта |
управления |
(в первую очередь его |
инерционностью) и параметрами |
питающей |
сети. |
|
|
6
При питании электронных узлов постоянным стабилизированным напряжением задачей регулирующей и преобразующей части САУ яв ляется выпрямление переменного напряжения, сглаживание его пуль саций, стабилизация амплитуды.
Таким образом, роль регулирующих и преобразовательных эле ментов в структуре любой системы автоматического или автоматизи рованного управления огромна. Если логическая информационная часть системы управления в некоторых случаях может быть заменена оператором или вообще отсутствовать (например, в разомкнутых систе мах), то наличие исполнительных механизмов, а значит, и устройств управления ими (регулирующих и преобразующих) необходимо всегда. Качество работы силового тракта системы управления во многом опре деляет качество работы и всей системы. Какими бы точными и своевре менными не были информационные сигналы управления, они не смогут обеспечить требуемое качество работы системы, если неудачно или не полностью учтены особенности силовой части системы.
С учетом того, что экономичность работы системы определяется в основном расходами энергии в силовом тракте, ее к. п. д. в большой степени зависит от правильного выбора схемы и режимов работы регу лирующих и преобразующих элементов.
До появления силовых коммутирующих и регулирующих полупро водниковых приборов (мощных высоковольтных транзисторов и ти ристоров) в качестве регулирующих и преобразовательных элементов ОУ преимущественно использовались электромагнитные и электромашинные усилители и преобразователи, что тормозило развитие высо коэффективных систем управления, так как мощные электромагнит ные и электромашинные преобразователи имеют большие габаритные размеры и массу, малый к. п. д., значительную инерционность. Толь ко разработка электронных регуляторов и преобразователей, состав ляющих основу электронных устройств промышленной автоматики, позволила полностью реализовать возможности современных высоко производительных устройств для обработки информации (микропро цессоров и управляющих вычислительных машин) и создать высоко эффективные, экономичные системы управления с малыми габаритны ми размерами и массой, высоким к. п. д. и длительными сроками эксплуатации.
Высокие энергетические характеристики электронных регулирую щих и преобразовательных устройств промышленной автоматики в большой степени определяются характеристиками силовых электрон ных ключей, на основе которых в подавляющем большинстве случаев строятся электронные схемы промышленной автоматики. В закрытом состоянии ключ не потребляет энергии, а в открытом из-за глу бокого насыщения падение напряжения на ключе минимально и составляет доли вольта, поэтому рассеиваемая на открытом ключе мощность также минимальна. Особое значение для построения элек тронных регуляторов и преобразователей имеют ключи на тиристорах. Регуляторы переменного напряжения выполняются исключительно на тиристорных ключах переменного напряжения. Тиристоры незаме нимы в схемах управляемых выпрямителей, преобразователей частоты
7
без выпрямления напряжения, в мощных инверторах, поскольку имеют очень высокие энергетические показатели (коммутируют токи в тыся
чи ампер |
при напряжении в тысячи вольт), высокую |
максимальную |
||||||
рабочую |
частоту, измеряемую десятками |
килогерц. Падение |
напря |
|||||
жения на |
открытом тиристоре |
составляет доли |
вольта |
при токах |
||||
в силовой цепи до тысячи ампер, что значительно |
меньше |
аналогич |
||||||
ных параметров других силовых |
приборов — дросселей насыщения, |
|||||||
магнитных усилителей, |
тиратронов, |
игнитронов. |
Они |
имеют |
минимальный объем и массу, просты в эксплуатации, |
работают в лю |
||
бом положении при ускорениях в десятки g, |
диапазоне |
температур |
|
—60...+150°С и относительной влажности |
9 8 % , |
не |
имеют бью |
щихся и подвижных частей. |
|
|
преобразо |
Силовые транзисторные ключи применяют в основном в |
вателях постоянного напряжения в переменное малой и средней мощ ности (до десятков киловатт), импульсных регуляторах и стабилиза торах постоянного напряжения, что определяется относительной про стотой управления ими на постоянном токе.
При несомненном преимуществе ключевого режима регулирующих и преобразовательных элементов следует учитывать и некоторые осо бенности схем, определяемые этим режимом. Так, из-за коммутации высокого напряжения и больших токов при малом времени переключе ния в электрической сети и радиоканале образуются мощные высоко частотные коммутационные помехи, которые при отсутствии соот ветствующих средств подавления оказывают вредное влияние на ра боту слаботочной аппаратуры, особенно цифровой. Кроме того, даже при малом падении напряжения на открытом ключе при большом токе нагрузки на насыщенном ключе выделяется достаточно большая мощ ность — в десятки и сотни ватт, отвод которой затруднен малыми габа ритными размерами электронных приборов. Поэтому при проектирова нии силовой части систем управления следует уделить пристальное внимание проблеме отвода теплоты от силовых элементов.
Проектирование электронных (статических) преобразователей, ре гуляторов и стабилизаторов имеет и ряд других особенностей, которые определяются методами управления ими, числом фаз питающей сети, схемой силовых ключей,- особенностями исполнительных механизмов, характером нагрузки, фильтрующими (инерционными) свойствами на грузки и другими факторами.
Применяемые в настоящее время электронные устройства промыш ленной автоматики весьма многочисленны по выполняемым функциям и схемотехнической реализации. Тем не менее их объединяют в один класс следующие основные признаки: преобразование электрического напряжения силовой промышленной сети или автономных источников питания одного вида в электрическое напряжение другого вида (напри мер, переменного в постоянное, переменного одной частоты в перемен ное другой частоты, постоянного в переменное, постоянного напряже ния одной величины в постоянное напряжение другой величины). Все эти преобразования выполняются под воздействием слаботочных информационных сигналов, которые внутри каждого типа регулятора или преобразователя преобразуются в систему импульсов заданной
8
амплитуды и мощности, синхронизированных в общем случае с пита ющей сетью. Положение этих импульсов относительно сетевого напря жения определяется информацией, заключенной в управляющем сиг нале, и внутренним алгоритмом работы схемы, формирующей эти импульсы и называемой схемой управления регулятора или преобра зователя (СУ). Схема управления управляет системой тиристорных или транзисторных силовых ключей, образующих исполнительный орган (ИО), который формирует требуемую временную зависимость выходного напряжения (тока).
На основании такого подхода к классификации электронных устройств промышленной автоматики и в зависимости от функциональ ного назначения их можно разбить на три основные группы:
1) электронные регуляторы и стабилизаторы переменного и постоян ного напряжения, предназначенные для регулирования или стабили зации напряжения, тока или мощности в однофазной или многофаз ной нагрузке;
2) преобразователи переменного напряжения в постоянное (вы прямители);
3) преобразователи постоянного и переменного напряжения в пе ременное (инверторы и преобразователи частоты);
Устройства, отнесенные к этим группам, имеют много общего прежде всего во многом схожие схемы исполнительных органов, од нако различное их функциональное назначение накладывает на каж дую группу существенные отличия.
_____ Глава 1_______________________
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ЭУПА
1.1.Общие характеристики нагрузок ЭУПА
Типовой нагрузкой регулирующих и преобразовательных элемен тов промышленной автоматики являются исполнительные устройства и механизмы систем управления.
По виду используемой энергии исполнительные устройства н меха низмы можно подразделить на электрические, гидравлические, пнев матические и комбинированные. В промышленных системах автомати ческого управления, электроприводе, приводах промышленных робо тов, транспортных тележек и штабелеров гибких автоматизированных производств, системах электронагрева и освещения преимущественно применяются электрические исполнительные механизмы и устройства. Среди них широкое распространение получили электромагниты, элек тродвигатели постоянного и переменного тока, шаговые двигатели, электромагнитные муфты, нагревательные элементы и другие устрой ства. Основные виды электрических исполнительных устройств и меха низмов и их предельные характеристики приведены в табл. 1.1 111.
Режим работы исполнительных устройств и механизмов определя ется режимом работы систем в целом. В системах, предназначенных для отработки управляющих воздействий, имеющих случайный харак тер и поступающих на систему непрерывно, исполнительные устрой ства и механизмы работают в кратковременных, повторнократковре менных и длительных режимах.
Являясь оконченным, наиболее мощным каскадом системы автома тического управления, исполнительные устройства и механизмы ока зывают существенное влияние на ее статические и динамические свой ства, поэтому их характеристики должны удовлетворять условиям устойчивости и требованиям качества управления и их необходимо рассматривать в неразрывной связи со статическими и динамическими характеристиками управляющих ими регулирующих и преобразова тельных устройств.
Несмотря на значительное количество разновидностей, типоразме ров и конструкций исполнительных устройств и механизмов, их основ ные статические и динамические характеристики можно свести к ряду нескольких типовых звеньев систем автоматического управ ления.
Исполнительные двигатели постоянного тока являются одной из наиболее распространенных составных частей исполнительных меха-
10