Содержание
Введение
1. Анализ исходных данных и выбор схемы
2. Принцип работы устройства
3. Расчёт цепи схемы управления
3.1. Расчёт генератора линейно изменяющегося напряжения
3.2. Расчёт сравнивающего устройства
3.3. Расчёт исполнительного устройства
4. Построение механической и регулировочной характеристик электродвигателя
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Машины постоянного тока до сих пор активно применяются в качестве двигателей (ДПТ) и генераторов (ГПТ). ДПТ имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и сравнительно мягкие механические характеристики, а кроме того мало подвержены внешним воздействиям. Благодаря этому они активно используются в промышленности, особенно в областях регулирования и системах автоматики.
Исполнительные двигатели постоянного тока (ИДПТ) являются одной из наиболее распространенных составных частей исполнительных механизмов. Поэтому двигатель является либо чисто инерционным звеном, либо инерционным звеном, соединенным совместно с другими звеньями, он обладает способностью сглаживать пульсации управляющего напряжения U
у
, усредняя его. Это позволяет использовать регулирующие устройства, работающие в импульсном режиме (управляемые выпрямители, широтно-импульсные усилители и т.п.), когда изменения напряжения управления, непрерывно подводимого к двигателю, а путем изменения времени, в течение которого к двигателю подводится накопительное напряжение.
Конструкция ДПТ сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.
Эта работа направлена на построение устройства управления (УУ) к одному из многих представителей класса ИДПТ. Здесь будут рассматриваться основные принципы построения УУ ИДПТ и приведен расчет одного устройства для двигателя с мощностью P
= 75 Вт и скоростью вращения n
= 5000 об/мин.
1. Анализ исходных данных и выбор схемы
В данной курсовой работе предлагается рассчитать схему импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока (ИДПТ).
Наиболее подходящим по бланку задания двигателем является СЛ-525, т.к. у него высокая продолжительность непрерывной работы (2000 ч.), высокий КПД (59%). В дальнейшем будем использовать этот двигатель, все расчеты ведутся по его данным.
В соответствии с бланком задания двигатель СЛ-525 питается от двух независимых источников напряжения (двигатель с независимым возбуждением), которые подают энергию соответственно на якорную обмотку и обмотку возбуждения. Из этого следует, что принципиально возможно два варианта управления: якорное, когда обмотка возбуждения подключена постоянно к источнику с неизменным напряжением (а на якорную обмотку подают напряжение управления только при необходимости вращения двигателя) и полюсное, при этом якорная обмотка подключена на источник с неизменным напряжением, а напряжение, подводимое к обмотке возбуждения, изменяется. Фактически при полюсном управлении изменяется магнитный поток. Данный способ применяется сравнительно редко, т.к. при Uв = 0 в ИДПТ имеется остаточный поток, а, следовательно, и небольшой электромагнитный момент, приводящий к самоходу двигателя, что недопустимо в точных системах, где применяются двигатели. Кроме того, при данном способе управления регулировочные характеристики могут быть неоднозначны и нелинейны, что также можно отнести к недостаткам этого способа управления.
Поэтому в основу расчета следует положить принцип якорного управления двигателем. Одним из недостатков этого способа является большая мощность управления. Именно с целью ее уменьшения и следует использовать принцип импульсного управления двигателя по якорной обмотке.
При таком способе двигатель управляется напряжением, подводимым к якорю с определенной длительностью. Для оценки длительности импульса вводится относительная величина, равная и называемая коэффициентом заполнения (обратная величина - - скважность).
В этой формуле tu
- время импульса, Т - период следования импульсов.
Работа двигателя при импульсном управлении состоит из чередующихся периодов разгона и торможения, причем периоды разгона должны быть малы по сравнению с электромеханической постоянной времени двигателя - тогда скорость вращения якоря w(t) не успевает к концу периода достигнуть установившегося значения.
Мгновенная скорость якоря электродвигателя будет непрерывно колебаться относительно среднего значения wСР
, которое при неизменных моменте нагрузки и напряжении возбуждения однозначно определяется коэффициентом заполнения t. Причем амплитуда этих колебаний тем меньше, чем больше отношение электромеханической постоянной двигателя к периоду следования импульсов Т. С ростом частоты управляющих импульсов и с увеличением электромеханической постоянной времени амплитуда колебаний скорости уменьшается. Среднее значение скорости увеличивается с ростом относительной продолжительности импульсов, подаваемых на электродвигатель, и зависит от момента нагрузки и напряжения импульса Umax
, что необходимо учитывать при применении данного способа управления.
Вообще, к импульсному регулированию существуют два подхода:
- При постоянном t изменяется напряжение питания, тогда управление сводится к подаче энергии в цепь якоря, изменяемой по величине, но в фиксированные моменты времени. Способ практически не используется, т.к. имеется полная аналогия якорного управления.
- Собственно импульсное регулирование, которое в свою очередь можно подразделить на частотно-импульсное и широтно-импульсное управление.
Названия этих методов говорят сами за себя.
Так при частотно-импульсном регулировании t
изменяется с изменением частоты следования импульсов. При этом длительность импульса не изменяется. По абсолютной величине она остается постоянной.
При широтно-импульсном регулировании частота импульсов остается постоянной, а tu
изменяется.
Для дальнейшего рассмотрения и последующего расчета следует принять именно этот способ.
2. Принцип работы устройства
Структурную схему наиболее просто и часто встречающегося варианта широтно-импульсного регулирования работы двигателя можно увидеть на рис.1.
На данном рисунке ГЛИН - это генератор линейно изменяющегося напряжения. С помощью него создается частота следования импульсов. Диаграммы, иллюстрирующие работу устройства, изображены на рис.2,3.
Схема работает следующим образом. ГЛИН подает импульсы на один из входов устройства сравнения - U
(
t
)
, на другой вход поступает сигнал постоянного уровня U
оп
(рис.2, 3а). В случае, если U
(
t
)
U
оп
, на выходе устройства сравнения возникает последовательность импульсов прямоугольной формы. Если же U
(
t
) >
U
оп
, на выходе наблюдается низкий уровень сигнала (логический ноль). Импульсы возникают с частотой ГЛИН. Длительность импульсов изменяется посредством регулирования величины опорного напряжения (рис.2, 3б). Источник опорного напряжения реализуется с помощью потенциометра. В качестве устройства сравнения используется компаратор напряжения. Учитывая, что сигнал, выдаваемый компаратором невелик (I
= 0,005А), его необходимо усилить. Для этого в схеме предусмотрен усилитель. В таком усилителе, как в обычном импульсном, нельзя использовать в качестве разделительных элементов конденсаторы и трансформаторы, поскольку вместе с изменением длительности импульса при неизменной частоте изменяется постоянная составляющая, которая не передается разделительными элементами. Таким образом, данный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока. В данной курсовой работе усилитель выполнен на базе ключей с резистивной связью.
Импульсный сигнал, усиленный усилителем, управляет работой квантующего элемента, который является электронным прибором (транзистором или тиристором), работающем в ключевом режиме. Когда ключ открыт, напряжение от источника питания поступает на якорную обмотку двигателя. Скачок напряжения в виде импульса приводит к разгону двигателя, а пауза определяет режим торможения двигателя. Посредством чередования разгона и торможения двигателя устанавливается средняя скорость вращения его вала. Причем пульсации скорости являются незаметными благодаря инертности двигателя и достаточно большой частоте следования импульсов (рис.2в, 3в).
В данной схеме в качестве источника переменного напряжения используется именно ГЛИН, т.к. именно он обеспечивает плавность и линейность регулирования подачи импульсов. Если бы в качестве такого источника был использован, например, источник напряжения с сигналом вида U(t) = |sinwt|, то ближе к амплитуде данного сигнала имелась бы существенная нелинейность, и регулирование не было бы плавным.
3. Расчет цепи схемы управления
3.1 Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения
Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню.
Как правило, высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. Мы будем использовать схему изображенную на рис.4
Рисунок 4 - Схема ГЛИН
Как видно из схемы на рис.4.
При исключении из данной схемы тиристора, подключенного параллельно конденсатору C, получается интегратор. Выходное напряжение определяется выражением:
Когда выходное напряжение превысит напряжение U
оп
, тиристор откроется и конденсатор С
разрядится через него. При этом напряжение UC
=
U
вых
снизится до уровня напряжения U
откр
на тиристоре в открытом состоянии, после чего тиристор закроется, и процесс зарядки конденсатора постоянным током повторится. Очевидно, для того чтобы операционный усилитель не входил в насыщение, необходимо выполнить условие [2,стр.212].
Далее выберем операционный усилитель К140УД5Б, он имеет следующие основные характеристики [3, стр.403]
Коэффициент усиления не менее Кус
= 3 ×
104
Входное дифференциальное сопротивление R
вх.диф
=2,5 МОм
Напряжение питания U
пит
= ±5..±18 В
Максимальное выходное напряжение U
вых
max
= ±11 В
Сопротивление нагрузки, не менее R
н
=1 кОм
Так же подберем тиристор. Наиболее подходящим является тиристор КУ103К обладающий следующими основными характеристиками [6]
Напряжение в открытом состоянии U
откр
= 1 В
Обратное напряжение U
обр
=10 В
Прямой ток управляющего электрода I
пр
=15 мА
Исходя из величины I
пр
зададимся U
оп
и R
б
, при этом учтем условие
, т.е .
Тогда, если ,
то получаем .
Как известно управление ДПТ, как правило, осуществляют на частотах f
=
10..1000 Гц. Тогда по формуле:
получим при C
= 0.1 мкФ, f
= 900 Гц , E
= 15 В тогда R
равно:
3.2 Расчет сравнивающего устройства
Сигнал с выхода ГЛИН (операционного усилителя) подается на один из входов компаратора напряжения. Наиболее подходящим компаратором является К554СА2, который имеет следующие основные характеристики [5, стр.158].
Коэффициент усиления К
u
= 75×
103
Напряжение высокого уровня (лог. 1) U
1
= 2,5 ¸ 4 В
Напряжение низкого уровня (лог. 0) U
0
= 0¸0.3 В
Напряжение питания U
пит
= +12 ; -6 В
Минимальное сопротивление нагрузки R
n
min
= 2 кОм
Рисунок 5 - Схема сравнивающего устройства
Рассчитаем работу компаратора: пусть Е
=19 В. Для этого необходимо рассчитать полюса подстроечного (переменного) сопротивления R
.
Обозначим полюс, соединяющий +Е
с неинвертирующим входом компаратора, как R
’
, а другой (+Е
- земля) – как R
”.
Входным током компаратора можно пренебречь ввиду большого входного сопротивления. Т.к U
вх
, на входе компаратора не превосходит 10В, необходимо, чтобы Umax
R
”
=10 В, тогда получаем т.к.
,то получаем при R” = 100 кОм,
Сопротивление лучше всего взять СП-2-3б из ряда Е6, сопротивление из этого ряда наиболее распространены, имеют достаточную мощность и хорошие характеристики (точность подстройки 1%, кОм).
3.3 Расчет исполнительного устройства
Исполнительное устройство в данной схеме представляет собой электрический ключ. Построение электрического ключа на основе составного биполярного транзистора обусловлено следующими факторами:
1) Отсутствие реверса в разрабатываемой схеме.
2) Сравнительная простота реализации электрического ключа на биполярном транзисторе.
3) Управление состоянием транзист
4) Малый выходной ток компаратора.
5)Требования к минимальному сопротивлению нагрузки компаратора.
Реализация электрического ключа на основе составного биполярного транзистора приводит к уменьшению мощности, получаемой от предыдущего звена схемы. В этом случае пара транзисторов VT1, VT2 работает как один, но с коэффициентом усиления по току, равным:
.
При этом транзистор VT1 потребляет меньшую мощность и, как правило, обладает значительным коэффициентом по току.
Рисунок 6 - Составные транзисторы.
Выберем составные n-p-nтранзисторы, подключенные по схеме Дарлингтона. При работе составных транзисторов в ключевом режиме их включают обычно в цепь по схеме с общим эмиттером, как изображено на рис.6. Двигатель, которым необходимо управлять, как правило, включают в коллекторную цепь транзисторов. А для компенсации противо ЭДС якоря двигателя параллельно коллекторной цепи транзисторов включают диод VD1. Например, серии Д7Б с U
обр
max
= 100 В. Управляющий сигнал подают в цепь базы. При работе транзисторов в ключевом режиме цепь между коллектором и эмиттером может быть либо замкнута, либо разомкнута.
Рисунок 7 - Схема транзисторного ключа.
Т.к мы выбрали двигатель СЛ-525 [1], то получаем следующие входные данные для транзисторного ключа:
U
ном
= 110 В
P
ном
= 75 Вт
I
ном
= 1,2 А
Отсюда можем найти
Исходя из U
ном
и I
ном
выберем транзистор VT2. Наиболее подходящим транзистором оказался: n-p-n транзистор КТ809А, который имеет следующие характеристики [7, стр.429]:
Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ = 30
Обратный ток коллектора IK
0
max
= 3 мА
Постоянный ток коллектора IK
= 3 А
Постоянное напряжение эмиттер-база U
БЭ
max
= 4 В
Постоянный ток базы I
Б
= 1,5 А
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер U
КЭ
max
= 400 В
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора РК
max
= 40 Вт
Рабочая температура pn– перехода Tn
раб
= - 60 +1250
С
Максимальная температура перехода Тп
max
= 1500
С
Зададимся значением Еп
, пусть Еп
= 110 В. Определим параметры схемы, необходимые для обеспечения режима насыщения транзистора.
Рисунок 8 - Выходные ВАХ транзистора КТ809А
Построим нагрузочную прямую по постоянному току. Далее имеем
При этом ток в коммутируемой цепи не зависит от параметра транзистора, а зависит только от параметров внешней цепи ( и ). Для обеспечения режима насыщения и крайнего верхнего положения рабочей точки необходимо в цепь базы транзистора подать соответствующий управляющий сигнал.
Минимальное значение тока базы должно быть не меньше . В общем случае:
Для реального тока базы должно выполнятся, условие, т.е. реальный ток базы больше или равен току насыщения базы. И, как правило, с целью повышения надежности работы транзисторного ключа при различных температурах, а также для удобства замены транзистора в случае выхода из строя, эти величины связывают через степень насыщения S
. Но в нашем случае, т.к. мы используем схему на составных транзисторах, то достаточно задаться значением S
, только для транзистора VT1, который будем рассчитывать далее. Значит для данного транзистора (VT2) будем иметь . Теперь из входных характеристик можно определить минимальное напряжение, которое необходимо подать на вход ключа для того, что бы перевести транзистор в режим насыщения.
Рисунок 9 - Входные ВАХ транзистора КТ809А
Как видно . Из расчетов для транзистора VT2 окончательно получаем,
, , .
В качестве транзистора VT1 используется транзистор КТ603А со следующими основными характеристиками [ 7, стр.317]:
Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ = 80
Обратный ток коллектора(при Тс = -400
¸ +250
С) IKO
max
= 1 мкА
Постоянный ток коллектора IK
max
= 1 А
Постоянный ток базы IБ
max
= 0,2 А
Постоянное напряжение эмиттер-база UБЭ
max
= 7 В
Постоянное напряжение коллектор -эмиттер UКЭ
max
=120 В
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора РК
max
= 0,8 Вт
Максимальная температура коллекторного перехода Тп
max
= 1500
С
Значит, общий коэффициент усиления по току базы будет: =30×
80=
2400
Для транзистора VT1 получаем, т.к. , то должно выполняться следующее соотношение: ==70 мА, где - ток базы транзистора VT2. Значит по уже известным формулам можно записать:
Зададимся значением степени насыщения S = 2, тогда получим мА, а затем построим выходные ВАХ для транзистора КТ603А.
Рисунок 10 - Входные ВАХ транзистора КТ603А
Получим, что . Рассчитаем необходимое сопротивление :
В режиме запирания транзистора в силу ничтожно малой величины теплового тока коллектора, на вход транзисторного ключа можно не подавать отрицательное запирающее напряжение. Для запирания транзистора будет достаточно и нулевого уровня напряжения.
4. Построение механической и регулировочной характеристик электродвигателя
При описании работы двигателя в установившемся режиме используют механическую и регулировочную статические характеристики.
Под механической характеристикой
понимают зависимость установившейся средней частоты вращения ротора от среднего значения момента при неизменной отрицательной продолжительности импульсов t
u
.
Под регулировочной характеристикой
понимают зависимость установившейся средней частоты вращения ротора от относительной продолжительности импульсов t
u
при неизменном среднем моменте на валу двигателя.
В зависимости от соотношения электромагнитной постоянной времени обмотки якоря t
я
и величины Тu
, от схемы управления, момента нагрузки и тока в цепи якоря возможны два основных режима работы двигателя при импульсном управлении: режим прерывистого тока и режим непрерывного тока.
Режим прерывистого тока
возможен при t
я
< Тu
и характеризуется тем, что во время паузы tn
ток в якоре равен нулю. В технических условиях на двигатель не было указано индуктивности его обмотки, поэтому можно предположить, что она очень мала, и t
я
заведомо удовлетворяет указанному условию. В этом случае характеристики двигателя определяются следующими выражением:
(*)
где - средняя частота вращения вала двигателя;
Мср
:
t
u
- среднее за период Т
u
значение вращающего момента.
Все величины - в относительных единицах.
Выражение (*) при t
u
=constпредставляет собой уравнение механической характеристики, а при Мср
= const уравнение регулировочной характеристики. Из анализа этого выражения можно сделать выводы:
1. Механические характеристики линейны и начинаются из одной общей точки холостого хода
(=1, Мср
=0). Жесткость механических характеристик, т.е. отношение приращения момента к приращению частоты вращения ротора, уменьшается по мере уменьшения tu
.
2. Регулировочные характеристики нелинейны
. Регулирование возможно только при Мср
≠
0, т.к. при Мср
= 0 установившееся значение средней частоты вращения ротора =1, при любом tu
.
Согласно бланку задания нам требуется построить характеристики двигателя в абсолютных единицах. В числе прочих справочных данных для двигателя имеются следующие:
Номинальная частота вращения n
ном
=4400 об/мин
Номинальный момент на валу двигателя M
ном
=0,196 Н∙м
Пусковой момент M
пуск
=0,49 Н∙м
Теперь запишем уравнение (*) с учетом того что
, а
(**)
теперь подставив в уравнение (**) точки (M
ном
;
n
ном
) и (M
пуск
;0
)(условие равенства скорости двигателя 0 в момент пуска), и для простоты вычислений приняв =1, получаем:
об/мин
Теперь мы можем построить механические и регулировочные характеристики для данного двигателя.
Построим механические характеристики для =0,5, =0,25 и =0,1 проще всего это сделать, воспользовавшись уравнением (**) приняв при этом n
=0.Найдем координаты первой точки:
| 1 | 0.5 | 0.25 | 0,1 | |
| n,об/мин | 0 | 0 | 0 | 0 |
| M ,Н∙м | 0,49 | 0,245 | 0,1225 | 0,049 |
Что касается второй точки то, как следует из свойств механической характеристики описанных выше, это будет точка (0,).Теперь построим механические характеристики.
Рисунок 11 - Механические характеристики.
Теперь построим регулировочные характеристики, для этого воспользуемся уравнением (**). Составим следующую таблицу:
При Н∙м
| 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1 | |
| n,об/мин | 0 | 3666 | 4888 | 5499 | 5866 | 6111 | 6285 | 6416 | 6518 | 6599 |
При Н∙м
| 0,25 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1 | |
| n,об/мин | 0 | 1222 | 2750 | 3666 | 4277 | 4714 | 5041 | 5296 | 5500 |
При Н∙м
Теперь построим регулировочные характеристики двигателя:
Рисунок 12 - Регулировочные характеристики.
Далее изобразим относительный график заполнения импульса и частоты вращения ротора при высоте импульсов U
ном
и моменте на валу двигателя M
ном
.
Рисунок 13 - Относительный график заполнения импульса и частоты вращения ротора
Где величины n
1
и n
2
определяются по формулам:
Где - среднее в интервале значение вращающего момента двигателя, отн.ед.; -статический момент сопротивления на валу отн.ед.; -момент инерции ротора;
-постоянная машины.
Заключение
В результате выполнения курсовой работы было рассчитано устройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока. В основу расчета лег принцип широтной модуляции сигнала. Применение интегральных схем значительно упростило устройство и повысило его надежность.
При расчете было сделано допущение о малой индуктивности якоря, и весь расчет велся на активное сопротивление обмотки двигателя.
Кроме того, ввиду большого быстродействия транзисторных ключей и сравнительно малой частоты генерирования линейно изменяющегося напряжения переходные процессы в электронных компонентах также не принимались в рассмотрение, и весь расчет велся для устойчивого режима.
В ходе исследования работы двигателя при переменном t
u
и различных значениях момента М
были построены механические и регулировочные характеристики электродвигателя в абсолютных единицах, по которым можно определить характер работы двигателя.
Список используемой литературы
1. Копылов. Справочник по электрическим машинам. – М.:Энергоатомиздат, 1989г – 688с.
2. Основы промышленной электроники. Под ред. проф. В.Г.Герасимова. - М.: Высшая школа, 1986г - 336с.
3. Интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. Б.В.Тарабрина. - М.: Радио и связь, 1983г -528с.
4. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины и микромашины. – М.: Высшая школа, 1990г -528с.
5. Подлипенский В.С., Петренко В.Н.Электромагнитные и электромашинные устройства автоматики. – К.: Вища школа, 1987г -592с.
6. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. Под общ. ред. Н.Н.Горюнова. -М.: Энергия, 1976г -744с.
7. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под ред. Б.Л.Перельмана. -М.: Радио и связь, 1981г -656с.
8. Лукашенков А.В. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Лабораторная работа №16. Расчет и исследование бестрансформаторных усилителей мощности. Методические указания. -Тула.: ТулПИ, 1988г -32с.