2033

5. Длительный ток нагрузки вращающегося двигателя не должен превышать 4 5 А.

6. Для ограничения нагрузок механической части привода при снятии частотных характеристик амплитуда входного сигнала должна быть такой, чтобы максимальное значение тока на частотах наибольшей динамической нагруженности не превышало 2 3 А (контролируется осциллографом по сигналу с шунта в якорной цепи). Это ограничение выполняется при амплитуде частоты вращения менее 1500 об/мин.

7.Скачкообразный реверс допускается на частотах вращения не более 1500 об/мин.

8.Максимально допустимая величина тока якоря при работе двигателя на упор – 3А.

9.Работа привода при отсутствии дросселей в якорной цепи допускается лишь без статического момента на валу, на время не более 30 с. При этом амплитуда пульсаций тока со-

ставляет 6 7 А.

10.При срабатывании защиты по току (определяется по светодиодной индикации на БР) отключите питание силовой цепи 25 В переключателем на БП. После устранения причины перегрузки, но не ранее чем через 30 с, включите питание и возобновите работу.

11.Изменения частоты вращения двигателя во времени удобно контролировать осциллографом непосредственно по напряжению на клеммах тахогенератора.

12.При работе с двулучевым осциллографом следует учитывать, что в положении "минус" переключателя полярности ДТ с общим проводом будет соединён левый по мнемосхеме вывод шунта в цепи нагрузки; в положении "+" – правый вывод.

У ДС в положении переключателя его полярности "минус" с общим проводом соединён левый вывод тахогенератора, а в положении "+" – правый вывод.

13.При работе на стенде с использованием генератора

иосциллографа их корпуса не должны иметь гальванической связи между собой и с корпусом стенда.

11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗУЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ – ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы: Экспериментальное исследование процессов в системе широтно-импульсный преобразователь – двигатель в режиме холостого хода, под нагрузкой и при стопорении; определение регулировочных свойств исполнительной системы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Висполнительной системе (ИС) различают силовые и управляющие устройства. К управляющим относят регуляторы различного типа, датчики обратных связей, корректирующие цепи, фильтры и прочие устройства, определяющие алгоритм управления в ИС. К силовым устройствам относят двигатель (Д), приводящий в движение манипуляционный механизм; управляемый источник питания (УИП), дозирующий подаваемую на двигатель энергию. Важнейшие свойства ИС определяются, в первую очередь, свойствами устройств силовой части.

Внастоящее время перспективными силовыми устройствами для ИС являются электромеханические. Наибольшее распространение получили ИС с двигателями постоянного тока. В таких ИС управляемыми источниками питания являются реверсивные преобразователи с импульсным регулированием, тиристорные (ТП) или широтно-импульсные (ШИП). Они должны обеспечивать работу привода во всех четырёх квадрантах механической характеристики. Более высокое быстродействие и динамические свойства достижимы с ШИП, что связано с большей частотой импульсной модуляции в них.

Функциональная схема ШИП с широтно-импульсным модулятором (ШИМ), мостовым усилителем мощности (УМ)

иоднополярным источником питания (ИП) приведена на рис. 2.

12

Рис. 2. Функциональная схема ШИП

ШИМ преобразователя содержит генератор опорного напряжения (ГОН) пилообразной или треугольной формы. Его фиксированная частота f0 (период Т0) определяет частоту (период) импульсной модуляции и выбирается от 2 до 20 кГц (период от 500 до 50 мкс). От ГОН опорное напряжение с амплитудой Uоп подаётся на один из входов нуль-органа (НО) компаратора напряжений.

Сигнал управления Uу после сглаживания высокочастотных помех фильтром Ф подаётся на другой вход НО. Здесь осуществляется его преобразование в последовательность прямоугольных импульсов с регулируемой длительностью tи = tи (Uу), что эквивалентно регулированию коэффициента

заполнения = tи / Т0.

Формирователь импульсов управления (ФИУ) преобразует эту последовательность в импульсы управления ключами К1 К4 усилителя мощности (УМ), а также обеспечивает логику (способ) этого управления, рассматриваемую ниже.

Модуляторы простых преобразователей имеют на выходе последовательность импульсов с зависимостью

Это значит, что во всём двухполярном диапазоне изменений Uу величина меняется линейно от 0 до 1, а значению Uу = 0 соответствует = 0,5. Импульсы управления чаще всего двухполярные.

В более совершенных преобразователях на выходе модулятора за счёт некоторого их усложнения получают последовательность импульсов с зависимостью

Здесь абсолютная величина коэффициента заполнения также изменяется от 0 до 1, однако его значение определяется при Uу > 0 как относительная длительность положительных импульсов, а при Uу < 0 – отрицательных. Значение = 0 при Uу = 0 соответствует отсутствию импульсов.

По первому способу (логике) управления УМ все его ключи коммутируются с периодом импульсной модуляции Т0, причём те из них, что расположены в одной диагонали, открываются и закрываются одновременно, в противофазе с ключами другой диагонали. Для управления УМ по первому способу используют последовательность импульсов с зависимостью

(Uу) (3). В этом варианте на двигатель от источника питания через ключи УМ подаются двухполярные импульсы с ЭДС величиной Е0, а среднее значение этой ЭДС с учётом (3) будет

В преобразователе с таким управлением обеспечивается непрерывный ток нагрузки во всех режимах независимо от индуктивности нагрузки. Это связано с тем, что нагрузка постоянно подключена к источнику питания через ключи одной из диагоналей. В одном из полупериодов машина находится в двигательном режиме, в другом – в режиме противовключения. Благодаря этому механические характеристики остаются жёсткими даже в режиме минимальных нагрузок. Однако такой способ управления приводит к большим пульсациям тока

14

и его амплитудным значениям при малой и даже равной нулю постоянной составляющей. Следствие этого – большие потери в преобразователе и двигателе, нагрев двигателя.

Ток от ЭДС самоиндукции нагрузки протекает через диоды, шунтирующие ключи, навстречу ЭДС источника питания, заряжая конденсаторы его фильтра и поднимая напряжение источника.

По второму способу широтно-импульсное регулирование осуществляется коммутацией ключей одной диагонали при запертых ключах другой диагонали. Реверс выполняется за счёт смены коммутируемой диагонали. Для управления используется модуляция по закону (4). В результате с выхода УМ на двигатель подаются однополярные импульсы, среднее значение ЭДС которых с учётом (4)

В паузе между импульсами режим противовключения или динамического торможения отсутствует, так как все ключи закрыты. Ток, вызванный ЭДС самоиндукции, протекает как и в предыдущем варианте. Для получения непрерывного тока якоря при малых нагрузках и, соответственно, жёстких механических характеристик, требуется в данном случае достаточно большая индуктивность цепи якоря.

По третьему способу напряжение регулируется за счёт противофазного переключения с параметром ключей одной из "стоек", например, К1 и К2. При этом во второй "стойке" один из ключей включён постоянно, определяя полярность подключения нагрузки к источнику питания, а другой закрыт. При реверсе ключи второй "стойки" меняются между собой.

В паузе между подключениями нагрузки к источнику питания образуется контур замыкания тока от ЭДС самоиндукции, а также от противоЭДС двигателя, не включающий в себя источник. Двигатель находится в режиме динамического торможения. Образование такого контура позволяет обеспе-

15

чить непрерывность тока якоря и жёсткость характеристик привода при незначительной индуктивности якорной цепи, в том числе и на малых нагрузках.

При всех способах широтно-импульсного регулирования отношение Е0/Uоп имеет смысл коэффициента передачи преобразователя по управлению. Кроме этого, значение Uоп определяет величину зоны линейности регулировочной характеристики ШИП по Uy. Значение Uоп выбирается, как правило, близким к стандартному, чаще всего около 10 В, а Е0 – на 10 15 % больше номинального напряжения нагрузки.

Важным параметром ШИП является его внутреннее сопротивление Rп. Оно вносит вклад в "смягчение" механической характеристики. За счёт Rп растёт доля энергии привода, теряемая в ШИП в виде тепла, соответственно уменьшается доля энергии, преобразуемая двигателем в механическую энергию. В результате увеличение момента нагрузки на валу двигателя приводит к большему падению частоты вращения.

Для упрощения структурной схемы привода удобно в передаточной функции ШИП рассматривать его свойства лишь относительно выходной ЭДС Eп, а Rп учитывать в передаточной функции двигателя в виде суммарного сопротивления якорной цепи Ra . Рассмотрение Rп как составляющей Ra позволяет не рассматривать свойства ШИП по возмущению отдельно, а учитывать их как свойство системы ШИП-Д в целом. Это существенно упрощает структурную схему и математическое описание системы.

Необходимость RC-фильтра для сглаживания высокочастотных помех по каналу Uy, (см. рис. 2) определяет свойства ШИП по управлению как апериодического звена.

В лабораторном стенде УМ ШИП выполнен по полумостовой схеме с двумя источниками питания E01 и E02. Его схема приведена на рис. 3. Ключи УМ на транзисторах VТ4 и VТ5 управляются через транзисторы VТ1 и VТ2 в противофазе двухполярными импульсами. Последние меняют коэффициент заполнения в соответствии с (3).

16

Рис. 3. Полумостовой усилитель мощности

Такой УМ регулирует напряжение по первому из описанных способов, с непрерывным током во всех режимах даже без индуктивности в нагрузке. Однако для ограничения мгновенных значений тока приходится вводить достаточно большую индуктивность. Из-за этой индуктивности цепь нагрузки становится в отдельные моменты не потребителем, а источником энергии. Генерируемая нагрузкой энергия, как отмечалось выше, возвращается к источнику питания, заряжает конденсаторы его фильтра, поднимает напряжение.

При нагружении привода происходит перекачка энергии через якорную цепь от нагруженного источника питания к ненагруженному. Напряжение последнего повышается. Появляется опасность пробоя силовых транзисторов УМ. Заметно изменяется коэффициент усиления ШИП. Это делает его нестационарным устройством, меняющим свои параметры во времени и нарушающим оптимальную настройку ИС на заданные динамические свойства. Эксплуатационные характеристики такой ИС ухудшаются.

В лабораторном стенде для защиты ШИП от повышения напряжения его УМ оборудован устройством защиты (УЗ),

17

(см. рис. 3). При появлении обратного потока энергии запираются диоды VД3 или VД4, открываются транзисторы VТ5 или VТ6, в результате чего эта энергия рассеивается на резисторах R7 или R8. Соответствующий источник питания E01 или E02 оказывается в режиме холостого хода, напряжение на эмиттерах VТ5 или VТ6 превышает ЭДС источников на величину не более 1 5 В (в зависимости от величины резисторов R7 и R8).

Экспериментальное исследование процессов, протекающих в силовой части системы ШИП – двигатель, является одной из целей данной работы.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1.По техническому описанию и инструкции по эксплуатации изучить устройство лабораторного стенда, назначение и расположение органов управления, контроля, входных и выходных гнёзд устройств, порядок коммутации, цену делений измерительных приборов и методику использования дополнительного оборудования.

2.Уяснить цель работы, конкретные задачи каждого из исследований и методику их выполнения.

3.Для каждого из пунктов рабочего задания необ-

ходимо:

- указать цель эксперимента, его конечный результат; - привести исходные данные, влияющие на результат

эксперимента; - оформить таблицу для записи данных эксперимента;

- записать расчётные соотношения для обработки экспериментальных данных.

4.Изобразить схему соединения транзисторов и защитных диодов выходного каскада полумостового ШИП с двумя источниками питания, шунтов в цепях источников питания, цепь активно-индуктивной нагрузки с противоЭДС и с шунтом для тока нагрузки, цепь для рассеивания энергии, генерируемой нагрузкой.

5.Рассчитать коэффициент передачи двигателя через его конструктивные параметры P, N, a, Фв, через номинальный

18

момент Mн, ток и КПД, через номинальную частоту вращения, напряжение, ток и сопротивление якоря. Технические данные двигателя приведены в табл. 2.

6. Рассчитать и построить электромеханическую характеристику двигателя при напряжении на якоре, равном половине от номинального.

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

1.Двулучевым осциллографом наблюдать напряжение управления ШИП и пилообразное опорное напряжение. Замерить амплитуду (размах) и период (частоту) последнего. Наблюдать реверсивное регулирование ЭДС на выходе ШИП за счёт двухполярной импульсной модуляции.

Получить экспериментально и построить регулировоч-

ную характеристику ШИП Eп(Uу). Оценить границы линейного участка характеристики, объяснить, чем они определяются.

Определить значение коэффициента передачи (усиления) преобразователя с учётом знака.

2.Исследовать влияние индуктивности якорной цепи и режимов работы двигателя на процессы изменения во времени напряжений и токов, указанных ниже. Изобразить эти осциллограммы с учётом их временной взаимосвязи, полярности напряжений и направлений токов, с указанием масштабов по осям ординат (амплитуда) и абсцисс (время).

Исследуемые сигналы:

а) ЭДС Еп (t) и напряжение Uп (t) на выходе ШИП; б) ток Ia (t) нагрузки (якоря двигателя);

в) токи I1 (t) и I2 (t) в верхнем и нижнем плечах преоб-

разователя.

Исследования выполнить для двух вариантов включения дросселей L0 и L0 + L1 – в условиях, указанных в табл. 3. В каждом из экспериментов замерить с помощью осциллографа максимальное значение напряжений источников питания U1 и U2 плеч преобразователя и внести результат в табл. 3.

19

Примечание: Uя и Ia – средние значения напряжения и тока якоря, замеряемые приборами стенда

Уяснить факторы, определяющие характерные элементы наблюдаемых осциллограмм, направления и величины токов, влияние на процессы изменения противоЭДС двигателя и индуктивности нагрузки. Обратите внимание на спад положительной и отрицательной полок ЭДС или напряжения на выходе преобразователя при некоторых условиях эксперимента, а также их скачкообразное увеличение на 1 5 В в иных условиях. Объясните причины этих явлений. Сопротивление шунтов на стенде равно 0,1 Ом.

3. Экспериментально получите регулировочную характеристику двигателя (Uя), а также тахогенератора Uтг( ). Достаточная точность характеристики (Uя) обеспечивается при токе якоря не более 0,1 А. По характеристикам определите коэффициент передачи двигателя kд (рад /с)/В и тахогенератора kтг, В/(рад /с).

ЗАДАНИЕ НА ИНДИВИДУАЛЬНУЮ РАБОТУ

1.Замерить период (частоту), а также амплитуду низкочастотной и среднечастотной составляющих пульсации в напряжении тахогенератора при частоте вращения 3000 об/мин. Объяснить возможную природу составляющих разных частот, учитывая их взаимосвязь с частотой вращения.

2.Используя данные, полученные при выполнении п.2 рабочего задания для двух вариантов включения дросселей –

20