EMS

4

Исключается одновременное открытие транзисторов VT1 и VT2 или VT1 и VT3. Диоды VD1 – VD4 нужны для защиты транзистора от пробоя при

закрывании. При закрывании транзистора, запасенная в индуктивности якоря энергия, определяемая через ЭДС на индуктивности, имеет

противоположный знак относительно источника питания. Ее ток не может сразу прерваться, он рассасывается через обратные диоды.

Регулирование среднего тока, протекающего через цепь якоря, осуществляется за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При такой

модуляции ширина управляющих импульсов (при фиксированной амплитуде и частоте следования импульсов) пропорциональна мгновенному значению управляющего сигнала на момент формирования импульса. Частота следования импульсов делается достаточно высокой с тем, чтобы, благодаря

инерционности двигателя с учетом нагрузки, импульсный характер движения вала ротора был бы практически незаметен.

При проектировании в этой схеме мы выбираем U0 , транзисторы и диоды. У нас есть U ус max и Iпуск Iном , известные ранее на первом этапе.

Так как потери на транзисторе составляют 10%, наибольшая относительная замкнутость ключей моста 0, 9 (относительная открытость), то напряжение питания моста U0 может быть найдено как U ум U0 . Максимальный ток

фототранзистора оптопары реализующей гальваническую развязку управляющей части и силовой, о которой поговорим в дальнейшем.

Блок управления

На четыре входа силового блока (базовые сигналы силовых транзисторов) подаются четыре управляющих сигнала блока управления. Схема управления работает по вертикальному принципу

В основе этого принципа сравнение входного, относительно медленно изменяющегося сигнала, с пилообразным сигналом,

задаваемым генератором. Это сравнение происходит на компараторе. Если входной

5

сигнал превышает сигнал пилы, то компаратор открыт, если наоборот – закрыт.

Рассмотрим принцип работы схемы управления.

Внешний мультивибратор (генератор) вырабатывает напряжение UГ в форме меандра фиксированной частоты f0. Это напряжение подается на

вход интегрирующего усилителя ОУ1. Опорное напряжение пилообразной формы Uоп на выходе интегратора подается на инвертирущий вход

компаратора К2. Инвертированное (через операционный усилитель ОУ2) опорное напряжение –Uоп подается на инвертирующий вход компаратора К1. Опорные напряжения на компараторах сравниваются с аналоговым входным сигналом Uпу, поступающим от предварительного усилителя.

На диаграммах внизу сигнал Uпу представлен фиксированным уровнем, так

как в силу высокой частоты следования импульсов задающего генератора, на периоде Т его работы предполагается, что изменением входного сигнала можно пренебречь. Компараторы на схеме дают логическую «1» при условии Uпу > Uоп для К2 и Uпу > –Uоп для К1. Выходные сигналы

компараторов U1 и U2, а также схемы НЕ формируют сигналы управления светодиодами оптопар Uд1-Uд4, которые на схеме обозначены как электронные ключи Кл1-Кл4.

Оптопара необходима для гальванической развязки управляемой схемы и силовой. Гальваническая развязка – передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними. Оптопара (оптрон) – электроприбор состоящий из излучателя (светодиод) и фотоприемника (фототранзистор), суть работы этого прибора состоит в преобразовании электрического сигнала в оптический и обратно.

Напряжения управления Uу1—Uу4, подводимые к транзисторам моста силового блока, повторяют в определенном масштабе форму

6

импульсов на светодиодах Uд1—Uд4 и соответствуют состояниям

проводимости транзисторных ключей моста.

На нижнем графике показаны результирующие импульсы напряжения на нагрузке силового моста. Ширина этих импульсов пропорциональна величине входного сигнала, а частота в 2 раза превышает частоту работы

задающего генератора.

При росте входного сигнала усилителя ширина импульсов растет, при уменьшении - сужается. Временные диаграммы иллюстрируют этот эффект.

Если входной сигнал поменяет полярность, то логика работы блока управления откроет другое плечо моста, что приведет к вращению двигателя в обратную сторону. В этом можно убедиться, построив самостоятельно временные диаграммы.

При описании усилителя мощности для двигателя постоянного тока как элемента системы автоматического управления можно считать его безинерционным звеном с коэффициентом усиления УМ:

Далее рассмотрим усилители мощности для двигателей переменного тока

Усилитель мощности для асинхронного двухфазного двигателя

Управление двухфазным асинхронным двигателем возможно за счет изменения питающего напряжения одной из обмоток статора, которая называется обмоткой управления.

Схема управления представлена ниже:

Изменение частоты вращения происходит за счет изменения амплитуды входного сигнала.

7

Частота сетевого и входного сигналов совпадают и равна частоте сигнала, питающего измерители рассогласования, в случае их применения в качестве сравнивающего устройства.

Uсети U max sin сети t

Uвх A(t) sin( сети t ) ,

где 0или

При направление вращения изменяется на противоположное.

сети - несущая частота

Конденсатор на обмотке возбуждения нужен для сдвига тока в этой обмотке относительно тока в обмотке управления на 90 градусов.

Входной сигнал усилителя мощности формируется предварительным усилителем усилительно-преобразовательного устройства.

Передаточная функция усилителя мощности:

частоты в сторону отставания от сети в передаточной функции усилителя обусловлен индуктивностью обмотки управления двигателя. Это явление существенно снижает КПД двигателя. Подобное отставание необходимо будет скомпенсировать эквивалентным опережением в передаточной функции усилительно-преобразовательного устройства, которую мы рассмотри в последующих лекциях.

В качестве усилителя мощности для асинхронного двигателя можно рассмотреть магнитный усилитель

8

Магнитный усилитель

Принцип построения и работы магнитного усилителя поясним на примере простейшего усилителя.

Простейший магнитный усилитель, или дроссель насыщения, представляет собой замкнутый ферромагнитный сердечник с двумя обмотками: рабочей обмоткой Wр и обмоткой управления Wу. Рабочая обмотка запитывается от

источника переменного напряжения Uc, например от промышленной сети. Входной сигнал Uвх, или сигнал управления — это сигнал от источника

постоянного напряжения одной полярности, величина которого может меняться. Выходной сигнал Uвых снимается в виде переменного

напряжения с нагрузочного резистора Rн.

Рассмотренный магнитный усилитель обладает множеством очевидных недостатков. Однако на его базе разработаны реверсивные и нереверсивные магнитные усилители, лишенные недостатков простейшего усилителя. Выходным сигналом магнитных усилителей может быть как переменный, так и постоянный ток. Недостатком магнитных усилителей является их значительная инерционность.

Широкое распространение двухфазными двигателями нашли полупроводниковые усилители мощности.

Транзисторные усилители мощности

Управление двухфазными асинхронными исполнительными двигателями не вызывает принципиальных трудностей, так как может осуществляться обычным усилителем переменного тока. Усилители классифицируются по классам в зависимости от их конструкции и эксплуатационных характеристик. Классы усилителя представляют величину выходного сигнала, которая изменяется в схеме усилителя в течение одного цикла работы при возбуждении синусоидальным входным сигналом. Классификация усилителей варьируется от полностью линейного режима (для использования при усилении сигнала высокой точности) с очень низкой эффективностью до полностью нелинейного (где точное

9

воспроизведение сигнала не так важно), но с гораздо более высоким КПД, в то время как другие являются компромиссом между двумя. Классы усилителей в основном объединены в две основные группы. Первыми являются классически управляемые усилители угла проводимости, формирующие более распространенные классы усилителей A, B, AB и C ,

которые определяются длиной их состояния проводимости на некоторой части выходного сигнала, так что работа транзистора выходного каскада лежит где-то между «полностью включен» и «полностью выключен».

Второй набор усилителей — это более новые так называемые «переключающие» классы усилителей D, E, F, G, S, T и т.д., Которые используют цифровые схемы и широтно-импульсную модуляцию (ШИМ)

для постоянного переключения сигнала между «полностью ВКЛ.» и «полностью ВЫКЛ.», приводящие к сильному выходу в области насыщения и обрезания транзисторов. Рассмотренный раннее усилитель мощности для постоянного тока относится к классу D

Усилитель мощности для асинхронного двухфазного двигателя это – усилитель переменного тока с относительно невысокой полосой частот вокруг несущей сетевой частоты.

Этот усилитель должен управлять амплитудой напряжения фиксированной частоты и вносить минимальные фазовые искажения.

Для реализации такого усилителя не подходит усилители класса А, в которых в отсутствии входного сигнала протекают значительные токи через переход «коллектор –эмиттер». Эти токи определяют положение рабочей точки.

Обычно для этой цели хорошо подходят двухтактные усилители с трансформаторным выходным каскадом.

Схема усилителя в классе А и положение его рабочей точки представлены на верхнем рисунке, а на нижнем – схема двухтактного усилителя, в котором транзисторы работают в классе В. При этом, в

отсутствии входного сигнала, потребляемый усилителем ток будет минимальным.

10

Принципиальная схема такого усилителя показана ниже. В этой схеме входной сигнал, поступающий на трансформатор Тр1, разделяется двумя выходными обмотками этого трансформатора на две составляющие, которые по очереди открывают и закрывают силовые транзисторы VT1 и VT2. Каждый из этих транзисторов пропускает половину периода несущей частоты. Усиленный сигнал снимается с выходной обмотки второго

трансформатора и поступает на обмотку управления двигателя.

При расчете этого усилителя мощности следует имеет в виду, что входной сигнал на усилитель подается с выхода операционного усилителя УПУ. Операционный усилитель (ОУ) для своей нормальной работы требует сопротивление нагрузки не менее 2кОм. При этом действующее значение входного сигнала (выход ОУ) ограничено 5В.

11

Таким образом, дано: Rвх min ; Uвх max ; Uвых max ; Ry ; X y .

Последовательность расчета: -выбираем: VT;

-ищем: U0 , Rэ , n1 , n2 , Rвх

Расчет ведут от нагрузки усилителя к его входу. Поскольку никаких дополнительных данных по проектируемому УМ нет, то можно предложить предъявлять заведомо заниженные требования к трансформаторам в схеме УМ.

n1=(w2/w1)Тр1 ; n2=(w2/w1)Тр2 – коэффициенты трансформации,

- коэффициент усиления по току транзистора в схеме с общим

эмиттером.

Пусть Rэ’=Rэ.n22 = 0,1RУ. Определим в этом случае КПД коллекторной

цепи каждой из первичных обмоток Тр2:

Поясним представленные выше соотношения.

В расчете задаются КПД трансформаторов и КПД коллекторной цепи транзисторов. Расшифруем соотношения для них на примере КПД второго трансформатора:

12

Активная мощность в нагрузке Ру и активная мощность источника с учетом КПД коллекторных цепей транзисторов Рк составляют:

Учитывая, что каждый транзистор УМ работает по времени только на половине периода несущей частоты, то наибольшая мощность, выделяемая на переходе К—Э транзистора

Транзисторы выбираются из условия P P .

кэдоп

Напряжение питания выбирается исходя из условия U0 0, 5 Uкэдоп

После этого можно определить коэффициенты трансформации :

Для определения коэффициента трансформации первого трансформатора необходимо сначала найти входное напряжение транзистора.

Для этого определим амплитуду токов коллектора и базы:

13