ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА

Кафедра «Автоматизация и управление»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине «АПП в бурении»

для выполнения лабораторной работы

для студентов направлений:

«Нефтяное бурение»

всех форм обучения

ЛАБОРТОРНАЯ РАБОТА №2

«ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ УПРАВЛЯЕМОГО ТИРИСТОРНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ»

Председатель РИС Зам.директора ИНиГ по учебно-

___________ Пашкин Д.А. методической работе

___________ Ефремова В.В.

«___»__________2008г

Подписи и телефоны Зав. Кафедрой « АиУ»

Авторов ______________Мусихин С.А.

___________ Мусихин С.А.

тел. 20-30-28 Протокол №___

от «__»_______ 2008

Председатель учебно-методического

совета ИНиГ

__________Сорокина М.Р.

«___»_________ 2008г

Тюмень – 2008г

Утверждено редакционно-издательским советом Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители: Мусихин С.А.

(С) Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2008 г

Лабораторная работа n 2

УСИЛИТЕЛИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучить устройство, принцип действия, применение тиристорных выпрямителей в системах автоматики. Снять нагрузочные характеристики и усвоить достоинства и недостатки тиристорных преобразователей.

1. Общие положения

Тиристоры - это полупроводниковые малогабаритные приборы. Они имеют четырехслойную р-n-р-n- структуру, моментом их включения можно управлять вспомогательным импульсом тока, который подается на управляющий электрод и открывает р-n-переход, прилегающий к катоду. После открывания тиристора все три его перехода смещают­ся в прямом направлении и он пропускает прямой ток наподобии обычного диода. Открывается тиристор током управления, закрывается нулевым током нагрузки (основная цепь). При спадании тока нагрузки до нуля и запирании тиристора его управляющие свойства восстанавливаются.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристора (см. рисунок 1,а) при небольших прямых токах I_пр имеет несколько ветвей, соответствующих различным токам управления I_у. Чем больше ток управляющего электрода, тем меньше напряжение включения тиристора U_в. Если к аноду тиристора прикладывается переменное напряжение с амплитудой, меньшей U_{в. max}, то включение тиристора будет происходить лишь в момент подачи импульса тока на управляющий электрод. Для включения требуется, чтобы ампли­туда импульса была достаточной для снижения напряжения включения U_в до величины, меньшей, чем напряжение анод-катод тиристора U_а. Выключение тиристора возможно лишь при снижении тока анода I_пр до величины, меньшей тока отключения (ток удержания), который настолько мал по сравнению с прямым током тиристора, что его почти всегда считают равным нулю.

В схеме, содержащей источник питания Е, тиристор VS и резистор R (см. рисунок1,6), возможны два устойчивых состояния, одно из которых соответствует открытому, а второе закрытому тиристору. Часть характеристики от нуля до точки А соответствует прямому току от­ключенного тиристора, а участок характеристики от точки А до точки Б соответствует прямому току открытого тиристора. Повышение напряжения источника от нуля до Е вызывает при I_у =0 перемещение рабочей точки по нижней ветви характеристики до точки А. Если теперь подать управляющий импульс тока с амплитудой I_у1 и с длительностью, достаточной для поддержания этого тока на время открывания тиристора (≈ 20мкс), то рабочая точка перейдет скачком в положение Б, соответствующее открытому тиристору.

Спад открывающего импульса тока в цепи управления не оказывает влияния на процессы в открытом тиристоре, его рабочая точка остается в положении Б. Восстановление управляющих свойств тиристора произойдет лишь при его обесточивании.

В открытом состоянии тиристор способен пропускать очень большие токи (до нескольких сот ампер). В закрытом стоянии он выдерживает напряжения до нескольких тысяч вольт. Тиристоры используются в преобразователях мощности, управляемых выпрямителях, для коммутации больших токов.

В системах автоматики операционные усилители увеличивают величину электрического напряжения входного сигнала, так как сигналы датчиков, как правило, имеют мощность недостаточную, чтобы привести в действие тот или иной механизм или не могут передаваться на расстояние от объекта управления. Поэтому, почти всегда в системе автоматики необходимо усиление сигнала.

Операционным усилителем называется устройство для преобразования малого по амплитуде сигнала электрического напряжения в более мощный выходной сигнал за счет энергии постороннего источника питания. В зависимости от вида энергии вспомогательного источника усилители делятся на электри­ческие, гидравлические, пневматические и комбинированные.

Основным видом усилителей систем автоматики являются электри­ческие, которые в зависимости от физического принципа, положенного в основу процесса усиления, могут быть электронными, магнитными, электромеханическими и другими.

К электромеханическим усилителям относятся электромашинные усилители и электромагнитные реле. Электромашинные усилители (ЭМУ) сейчас применяются редко, так как появление мощных тирис­торов , способных переключать токи до нескольких тысяч ампер, позволяет создавать более совершенные усилители с выходной мощ­ностью до десятков киловатт. ЭМУ - это электрическая машина пос­тоянного тока, которая имеет специальные обмотки управления и приводится в действие двигателем переменного тока. Недостатками такого усилителя является наличие трущихся контактов, большие габариты, невысокий КПД . Электромагнитные реле , несмотря на сравнительно невысокие надежность, долговечность и ограниченное быстродействие, в ряде случаев успешно конкурируют с транзисторными и тиристорными усилителями. В электромагнитных реле элект­рический сигнал преобразуется в перемещение якоря электромагнита, которое вызывает замыкание и размыкание контактов. Электро­магнитные реле можно рассматривать как один из видов усили­телей , так как мощность сигнала, необходимого для срабатывания реле, существенно меньше мощности , которой управляют контакты реле. Магнитные усилители (МУ) представляют собой устройство , состоящее из ферромагнитного сердечника и обмоток . Принцип действия МУ основан на нелинейном характере кривой намагничива­ния материала сердечника: В = f(H) .

В настоящей лабораторной работе рассматриваются электронные в которых используются тиристоры и полупроводниковые усилители: операционные.

Операционные усилители используются для усиления слаботочных сигналов. Операционные усилители (ОУ) используются в схемах усилителей сигналов датчиков технологического оборудования, а так же в схемах преобразования входных и выходных сигналов систем автоматики.

Операционным усилителем принято называть интегральный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, с помощью которого можно строить узлы аппаратуры с параметрами, зависящими только от свойств цепи отрицательной обратной связи.

Основным параметром, характеризующим любой усилитель, является коэффициент усиления. Эта величина определяется как отношение выходного сигнала к входному

K=Y(t)/X(t) (1)

где X(t) - входной сигнал;

Y(t) - выходной сигнал.

В зависимости от вида цепи ОС различают инвертирующее и не-инвертирующее ОУ . Фаза выходного сигнала инвертирующего усилителя ( рис.2,а ) сдвинута на 180 градусов относительно фазы входного сигнала . Коэффициент передачи К этой схемы в идеальном случае определяется по формуле:

K=R_oc/R1 (2)

Инвертирующее включение - основа большинства схем обработки сигналов. На базе этой схемы строятся дифференциальные усилители постоянного тока, мостовые усилители, аналоговые интеграторы, дифференциальные схемы, усилители переменного тока, стабилизаторы напряжения, а также схемы логарифмических усилителей, мультивибраторов. С помощью логарифмических усилителей, в свою очередь можно построить устройства умножения, деления, возведения в квадрат.

Неинвертирующее включение ОУ ( рисунок 2,б ) применяется в тех случаях, когда необходимо согласовывать маломощный источник сигнала, обладающий большим внутренним сопротивлением с низкоомной нагрузкой. В этой схеме фаза выходного сигнала повторяет фазу входного. Коэффициент передачи идеального ОУ в неинвертирующем включении определяется по формуле:

K=1+R_oc/R_вх (3)

Неинвертирующее включение - базовая схема масштабных усилителей напряжения.

Сравнительно низкое допустимое значение напряжения на входе и цепях питания, малые мощности сигналов на выходе сдерживают при­менение ОУ в электротехнической аппаратуре, цепях электропривода и управления электродвигателями, схемах дистанционного управления и т.д.

Кроме коэффициента усиления, усилители характеризуются чувст­вительностью, динамическими свойствами, величинами выходных и входных сопротивлений, коэффициентом полезного действия.

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

2.1. Исследование работы управляемого тиристорного выпрямителя в статических режимах

Схема тиристорного усилителя представлена на рисунке 3. Регули­рование анодного тока ,а значит и мощности нагрузки, достигается путем изменения угла регулирования - α. В схеме реализован фазовый способ управления тиристором. Сущность способа состоит в том, что при изменении величины сопротивления резистора в цепи управления тиристора изменяется фаза вектора напряжения на емкости С1 . Этим достигается изменение момента времени открывания ти­ристора по отношению к моменту перехода через нуль переменного напряжения приложенного к тиристору. Это очевидно из следующих рассуждений. Для контура, образованного питающей сетью, резисторами R1 , R2 и емкостью С1 справедливо уравнение:

(4)

где - вектор напряжения на емкости C1; -вектор напряжения на сопротивлении резисторов.

Ток, протекающий через конденсатор С1

(5)

где Z=(R1 + R2) + l/jω*C1 - комплексное сопротивление последовательной цепи Rl , R2 , С1.

Фазовый угол на который ток опережает напряжение сети определяется из выражения

(6)

Напряжение на емкости отстает от на угол 90°, а напряжение на совпадает по фазе с током . Векторная диаграмма изображена на рис.4 .

Из векторной диаграммы очевидно, что угол а. , на который отстает вектор от вектора равен:

α=90⁰-φ (7)

Из выражения ( 6 ) следует , что изменяя величину R1 можно изменить величину угла φ, а значит и угол α.

При положительном полупериоде напряжения на емкости С1 , диод VD1 пропускает ток, который является током цепи управления I_y тиристора. Следовательно, изменяя угол регулирования α можно регулировать ток в нагрузке от 0 до максимально допустимого значения.

2.2. Порядок выполнения лабораторной работы

1. Собрать схему тиристорного усилителя, изображенную на рисунке3.

2. Подать напряжение питания (включить тумблер SA2, расположенный на лабораторном стенде).

3. Потенциометром R1 плавно изменять ток управления I_y от 0 до 100мА. Через каждые 10 мА увеличения I_y регистрировать ток I_н и напряжение U_н нагрузки. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1- Результаты снятия статической характеристики тиристорного усилителя

Iy, мА
Iн, А
Uн, В

5. По результатам измерений построить графики I_н = f(I_y) и U_н = f(I_y) Объяснить полученные результаты.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

• цель лабораторной работы;

• краткое описание принципа работы тиристорного усилителя мощности и усилителей , собранных на операционных усилителях ;

• схемы включений усилителей для лабораторных испытаний;

• таблицы экспериментальных данных;

• графики статических характеристик усилителей;

• краткие выводы о проделанной работе.

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объяснить устройство тиристора и нарисовать его вольт-амперную характеристику.

2. Виды тиристоров и их обозначение.

3. Объяснить принцип действия простейшего тиристорного усилителя.

4. Какие достоинства и недостатки тиристорных усилителей вы можете отметить?

5. Приведите примеры применения тиристорных усилителей в технике.