Элементы систем автоматики и автоматизированного электропривода

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




        А.П. МАЛАХОВ, А.П. УСАЧЕВ




ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ И АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА


Учебно-методическое пособие









НОВОСИБИРСК

2011

УДК 621.34-52(075.8)
     М 181



Рецензенты:

ЛЛГ Симаков, д-р техн. наук, проф., В.М. Кавешников, канд. техн. наук, доц.



Работа подготовлена на кафедре ЭАПУ и утверждена Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия для студентов старших курсов ФМА


      Малахов А.П.
М 181 Элементы систем автоматики и автоматизированного электропривода :        учеб.-метод.  пособие /     А.П. Малахов,
      А.П. Усачёв. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2011.-106 с.


         ISBN978-5-7782-1770-6


           Изложены вопросы расчета и построения основных элементов систем автоматики в автоматизированных электроприводах , в том числе регуляторов, импульсных усилителей мощности с однополярной и биполярной модуляцией, тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного и переменного тока. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», специальность «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».




УДК 621.34-52(075.8)





ISBN 978-5-7782-1770-6

© Малахов А.П., Усачёв А.П., 2011
© Новосибирский государственный



технический университет, 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ
   Под термином «элемент» системы автоматики понимается устройство, входящее в состав автоматизированной системы управления как конструктивная или техническая единица, выполняющая определенную функцию управления и обладающая относительно простыми свойствами между его входными и выходными величинами. Из этого определения следует, что элемент - это не математическая модель или звено, а реальное, конструктивно оформленное техническое устройство. В понятие элемента включены не все элементы, обслуживающие автоматизированную систему, а только те, которые выполняют управляющую функцию. Элемент относительно прост лишь по внешним свойствам, а по внутренним процессам, принципу действия и устройству он может представлять собой весьма сложную физическую систему.
   Многообразие систем автоматики обусловливает огромный класс элементов даже при сделанных ограничениях в понятии элемента. Применительно к специальности «Электропривод и автоматизация промышленных установок» круг элементов сужается и ограничивается рамками систем АЭП.
   Элементы по энергетическому признаку можно подразделить на две группы:
   -    силовые элементы, через которые основной поток энергии проходит, преобразуется ими и подводится к конечному объекту управления - рабочему органу (РО); эти элементы составляют силовую, энергетическую часть АЭП;
   -    управляющие элементы, вырабатывающие, преобразующие и подводящие сигналы управления силовыми элементами, через которые реализуется управление энергетическим потоком; эти элементы составляют информационную часть электропривода.
   К силовым элементам относятся управляемые преобразователи (УП), подводящие электрическую энергию к двигателю, сами двигатели, механические преобразовательные элементы, составляющие кинематическую цепь (КЦ), рабочие органы производственных механизмов РО. Основным силовым элементом является двигатель (Д). Именно двига

3

тель осуществляет электромеханическое преобразование энергии, что составляет физико-энергетическую сущность электропривода. Поэтому двигатель как главный элемент АЭП является совместно с электрическими входными цепями и выходной механической частью объектом изучения в курсе «Теория электропривода». К дисциплине «Элементы систем автоматики автоматизированного электропривода» отнесен один вид силового элемента - управляемый преобразователь. Однако данный силовой элемент объединяет в своем понятии большое разнообразие преобразователей. По функциональному признаку их можно подразделить на три категории: преобразователи напряжения (источники напряжения), преобразователи тока (источники тока), преобразователи частоты. В зависимости от вида преобразования энергии можно выделить преобразователи электромеханические (например, генераторы постоянного и переменного тока), электромагнитные (магнитные усилители, индуктивно-емкостные источники тока), электрические (полупроводниковые преобразователи).
   Наиболее многочисленную современную группу преобразователей составляют полупроводниковые преобразователи: тиристорные преобразователи переменного тока в постоянный ток, транзисторные преобразователи постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией, тиристорные и транзисторные преобразователи частоты с автономными инверторами и с непосредственной связью с сетью.
   Управляющие элементы по сравнению с силовыми характеризуются большим разнообразием и большей быстротой развития, в особенности применительно к элементам, построенным на базе микроэлектроники.
   В зависимости от места в структуре АЭП управляющие элементы можно разделить на две группы:
   -     элементы, формирующие задание на движение и определяющие статические и динамические свойства АЭП, эти элементы образуют систему управления электроприводом и являются его неотъемлемой частью;
   -     элементы, формирующие свойства силового элемента и входящие в его состав неотъемлемой частью; эти элементы при исследовании АЭП отдельно не рассматриваются, а математическое описание силового элемента дается с учетом управляющего элемента в его составе.
   Авторы выражают благодарность Д.Д. Абакумову и Т.Д. Пыкиной за подготовку рукописи пособия к публикации.

4

   Дисциплина «Элементы систем автоматики автоматизированного электропривода» студентами дневной и заочной форм обучения изучается в 7 и 8-м семестрах. Учебной программой в течение семестра предусмотрены установочные и обзорные лекции, выполнение двух контрольных работ, двух лабораторных работ (№ 1 и 2) и сдача экзамена.

    Список литературы

Основная
   1.     Терехов В. М. Элементы автоматизированного электропривода: учеб. для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1987.
   2.     Коновалов Л.И., Петелин Д.П. Элементы и системы электроавтоматики: учеб. пособие для студентов вузов. - М.: Высш. шк., 1985. -216 с.
Дополнительная
   3.    Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника: пер. с нем. / под ред. А.Г. Алексеенко. - М.: Мир, 1983.
   4.     Элементы автоматизированного электропривода: метод. указ. к лаб. раб. № 1 /Новосиб. электротехн. ин-т. -Новосибирск,1988.
   5.     Элементы автоматизированного электропривода: метод. указ. к лаб. раб. № 2 / Новосиб. электротехн. ин-т. - Новосибирск, 1988.
   6.     Элементы автоматизированного электропривода: метод. указ. к лаб. раб. № 3 / Новосиб.электротехн. ин-т. - Новосибирск, 1988.
   7.     Хрущев В.В. Электрические микромашины автоматических устройств. -М.: Энергия, 1976.
   8.     Забродин Ю. С. Промышленная электроника: учеб. для вузов. -М.: Высш. шк., 1982.
   9.    Башарин А.В. и др. Управление электроприводами: учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергия, 1982.
  10.   Домранее В.Г. и др. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: справочное пособие. -М.: Энергоатомиздат, 1987.
  11.   Гальперин К.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. -М.: Энергоатомиздат, 1987.
  12.   Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. - М.: Радио и связь, 1981.
  13.   Интегральные микросхемы: справочник / под ред. Б.В. Тараб-рина. -М.: Радио и связь, 1983.
  14.   Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители: справочное пособие по применению. -М.: Энергоиздат, 1982.

5

    СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ, КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И МИНИ-ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ





    Введение

   Понятие элементов систем автоматики. Структурная схема автоматизированного электропривода (АЭП). Место и назначение элемента в составе АЭП. Силовые и управляющие элементы, их характеристика. Входные и выходные координаты элементов. Внешние и внутренние параметры элементов, статические и динамические характеристики [1, разд. 1.1, 1.2]

    1. Управляющие элементы АЭП

1.1. Основы схемотехники аналоговых управляющих устройств АЭП

1.1.1. Операционный усилитель, схемы на его основе
   Операционный усилитель (ОУ), принцип действия, параметры, схема включения (подключение входных и выходных цепей, источников питания), обозначения в конструкторской документации в соответствии с ГОСТом. Идеальный ОУ. Принцип отрицательной обратной связи для ОУ. Методика расчета схем на идеальном операционном усилителе. Учет неидеальностей ОУ: конечного значения коэффициента усиления, наличия входных токов и их разности, смещения нуля. Частотные свойства ОУ, его коррекция. Основные схемы на ОУ и их расчет: инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель, буферный каскад, схема суммирования, схемы вычитания (дифференци


6

альный усилитель), интегратор, дифференциатор. Использование символического метода расчета передаточных функций схем с активноемкостными сопротивлениями. Частотные характеристики схем интегратора и дифференциатора. Способы регулировки коэффициента передачи схем на ОУ. Баланс входных резисторов в схемах на ОУ. Компенсация смещения нуля ОУ [1, разд. 5.1; 2, разд. 4.7, 7.1, 11.1-11.5; 7, разд. 2.7, 2.8; 10, разд. 2.4].

Контрольные вопросы
   1.    Дайте пояснения к паспортным параметрам ОУ К553УД2, используемого в лабораторных работах (параметры приведены в [3]).
   2.    Как определить величину дифференциального сигнала, которую необходимо подать на вход ОУ, чтобы скомпенсировать усиление синфазного сигнала?
   3.    На прямой и инверсный выходы ОУ поданы сигналы. Запишите, чему будет равно выходное напряжение ОУ с учетом конечных значений его дифференциального коэффициента усиления, коэффициента усиления синфазного сигнала и напряжения смещения нуля.
   4.    Входы операционного усилителя занулены. ОУ в этом случае, как правило, находится в насыщении. Почему? Чему равно его выходное напряжение? Как определить, какое напряжение ему надо подать на вход, чтобы вывести из насыщения?
   5.    На ОУ собрана схема инвертирующего усилителя. Составьте соответствующую структурную схему (используя понятия и условные обозначения курса ТАУ). Запишите связь между параметрами элементов принципиальной схемы и параметрами передаточных функций структурной схемы.
   6.   То же для схемы инвертирующего усилителя.
   7.    Буферный каскад. Чему равны дифференциальное и синфазное напряжение, действующие на входы ОУ?
   8.    Методами теории устойчивости курса ТАУ поясните необходимость коррекции частотной характеристики ОУ при использовании его в схемах с отрицательной обратной связью. Поясните, почему при включении ОУ без обратных связей, как правило, возникает высокочастотная генерация, что также требует включения коррекции.
   9.    Промышленностью выпускаются ОУ с внутренней коррекцией (универсально скорректированные) и с внешней коррекцией, элементы которой подбираются индивидуально для каждой схемы использования. В каких случаях рационально использование того или иного типа усилителя?


7

  10.   Составьте структурную схему интегратора и дифференциатора на ОУ; изобразите ЛАЧХ и ЛФЧХ элементов этих структурных схем, а также и ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутых структур. Сделайте выводы об устойчивости схем интегратора и дифференциатора по сравнению со схемой пропорционального усилителя. В каком случае требуется более жесткая коррекция ОУ, в каком менее?
  11.   Коэффициент передачи инвертирующей схемы определяется как отношение полного сопротивления цепи обратной связи к полному входному сопротивлению. При каких допущениях это справедливо? Почему с ростом частоты входного сигнала справедливость этого соотношения нарушается?
  12.   Интегратор на реальном ОУ. Входной сигнал равен нулю. Чему равно выходное напряжение? Можно ли установить выходное напряжение, равное или близкое нулю, с помощью схемы компенсации смещения нуля? Если нельзя, то имеет ли смысл применять ее в интеграторах?
  13.   Схема на ОУ имеет компенсацию смещения нуля. Обязательно ли при выборе параметров входных резисторов совладение условий их баланса?
  14.   Схема дифференциального усилителя (вычитателя) имеет два входа: прямой и инверсный. При каком соотношении сопротивлений коэффициенты передачи по обоим входам будут равны?
  15.   Сформулируйте инженерную методику расчета схем на ОУ, проиллюстрируйте ее на примере.
  16.   Приведите и дайте сравнительную характеристику способов регулировки коэффициентов усиления в схемах на ОУ.

1.1.2. Регуляторы
   Регуляторы в системах автоматического управления. Назначение и функции, выполняемые регуляторами, их разновидности. П-регулятор. Совмещение узла рассогласования с регулятором. Структурная схема САУ электропривода по частоте вращения с П-регулятором. Влияние смещения нуля ОУ регулятора на точность САУ. И -, ПИ -, ПД -, ПИД-регуляторы. Назначение, структурные схемы, передаточные функции, ЛАЧХ, ЛФЧХ, переходные характеристики, варианты реализации на ОУ, расчет параметров схем. Схемы регуляторов с использованием дополнительного функционального потенциометра [1, разд. 5,1; 2, разд. 20.1,26.2; 3] .


8

Контрольные вопросы
   1.     Охарактеризуйте ПИ - и ПИД-регуляторы (выполняемые функции, причины широкого применения).
   2.     Поясните необходимость и суть масштабирования сигналов на входе регулятора.
   3.     Поясните физику влияния смещения нуля ОУ регулятора на точностный показатель замкнутой системы электропривода.
   4.     Составьте схемы регуляторов и изобразите их ЛАЧХ, реализующих следующие передаточные функции:
     w,(р)=^;       ^2<р)=;            ^з(р) = К^.''' ■
Т1 р           Т1 р +¹               Т1 р

     W,(р) = К^, (Т1 »Т2);             W₅(р) = Т1 р;
              Т1 р+1 v ’
     w₆ (р ) = к -&- ;                 W₇ (р) = к (Т1 р +1);
              Т1р ⁺¹
     W₈(р) = КТ⁽р⁾ ⁺¹, (Т₁ » Т₂);
       ⁸       Т₂( р) + 1’v ¹ ²⁷

       W₃7(р) = к⁽Тр ⁺ УТ²р ⁺¹⁾, (Т » Т2);
                         Т1 р
       W47(р) = К⁽Тр ⁺ ¹⁾⁽Тр ⁺¹⁾, (Тз > Т1 > Т2);
                       Тз р ⁺ ¹

W48 (р) = К

(Т1 р +1)( Т2 р +1)
(Тз р +1)( Т4 р +1) ’

(Тз > Т1 > Т2 < Т4).

   На ЛАЧХ отметьте частоты сопряжений, наклон асимптот и значения коэффициентов на горизонтальных интервалах.
   5.     Для данных схем регуляторов изобразите вид переходных характеристик, укажите связь параметров этих характеристик с параметрами схем.
   6.    Выведите в общем виде передаточную функцию регулятора с функциональным потенциометром.

9

1.1.3. Задающие устройства и фазовые детекторы
   Задатчик интенсивности. Назначение, пример реализации, расчетные соотношения.
   Фазовый детектор. Назначение, принцип действия, амплитудный и фазовый режимы работы. Расчетные соотношения. Пример реализации на транзисторных ключах и операционных усилителях [1, разд. 5.1, 5.2; 2, разд. 25.3.4, 17.3.2].

Контрольные вопросы
   1.    Как повлияет на работу интегрозадающего устройства исчезновение задающего входного напряжения в процессе нарастания выходного напряжения?
   2.    В работе фазового детектора участвуют два напряжения переменного тока: опорное напряжение и входное. Какие функции выполняют эти напряжения?
   3.    Нарисуйте временные диаграммы работы фазового детектора в амплитудном и фазовом режимах.
   4.    Изобразите графически характеристику управления фазового детектора для амплитудного и фазового режимов работы.
   5.    Выходом фазового детектора является среднее значение выходного напряжения ключевой схемы. Каким устройством надо дополнить приведенные в работе [1] схемы для получения на выходе сигнала, пропорционального среднему значению?
   6.    Основой схемы интегрального фазового детектора [1, рис. 5.2] является так называемая схема знакоуправляемого коммутатора, собранная на операционном усилителе У1. Покажите, что эта схема в зависимости от состояния транзистора (открыт-закрыт) имеет коэффициент передачи либо «-1», либо «+1». Как между собой должны соотноситься при этом сопротивлении схемы?

   1.1.4. Компараторы на ОУ и импульсные схемы на их основе
   Назначение и функции компараторов. Нуль-орган. Использование собственно ОУ в качестве компаратора. Особенности работы ОУ в схемах компараторов. Схемы компараторов без положительной обратной связи. Их особенности. Передаточные характеристики. Условия переключения. Расчетные соотношения. Регенеративный компаратор (триггер Шмитта). Инвертирующая и неинвертирующая схемы. Передаточные характеристики. Условия переключения. Расчетные соотношения.


10