Типы силовых электронных устройств

1) усилители мощности, в которых ток или напряжение управляющего воздействия сохраняют вид входного сигнала;

2) регуляторы мощности, в которых обеспечивается соответствие среднего значения мощности формируемого управляющего воздействия значению входного сигнала.

Управляющая схема усилителя мощности может быть реализована на операционном усилителе DA1 (рис. 1.8), на транзисторах VT1, VT2 реализован выходной каскад.

 

 

Рисунок 1.8 — Электрическая схема усилителя мощности

Между управляющей схемой и выходными каскадами усилителей мощности часто требуется необходимость гальванической развязки. Гальваническая развязка практически полностью исключает влияние выходных каскадов на формирование управляющего воздействия (переходные процессы, возникающие при коммутации мощных нагрузок, приводят к появлению бросков тока и напряжения, которые могут изменять закон формирования управляющего сигнала, либо вызывать ложные срабатывания).

С целью разделения входных и выходных цепей используют оптроны — полупроводни­ковые приборы, в которых находятся излучатель света, управляемый входным током, и фотоприемник, расположенные в общем корпусе. Через оптрон возможна только прямая передачи сиг­нала, поскольку его входная и выходная цепи полностью изолированы.

В отличие от разделительного конденсатора оптрон в качестве элемента связи обеспечивает передачу сигнала вплоть до нулевой частоты, т. е. постоянного (условно) напряжения. Изолирующая способность оптрона очень велика, поскольку его работоспособность сохраняется при высоком напряжении между входом и выходом (порядка десятков киловольт) в диапазоне частот от 0 до 10... 100 МГц и выше.

Регуляторы осуществляют преобразования входных сигналов. Под влиянием входных сигналов (управления или возмущения) изменяются регулируемые переменные. Цель регулирования заключается в формировании таких законов, при которых выходные регулируемые переменные мало отличались бы от требуемых значений.

Регуляторы делятся по закону регулирования, наиболее часто применяется двухпозиционное регулирование и ПИД-регулирование (пропорционально-интегрально-дифференциальное).

Двухпозиционные регуляторы нашли широкое распространение, благодаря своей простоте и малой стоимости. Двухпозиционное регулирование обеспечивает включение или отключение исполнительного устройства (например, нагревателя) в зависимости от того, ниже или выше измеренный параметр относительно заданного уровня. При двухпозиционном регулировании в системе всегда присутствуют колебания технологического параметра, причем размах этих колебаний определяется только параметрами системы (инерционностью датчиков, исполнительного устройства и самой системы) и практически не зависит от регулятора.

ПИД - регуляторы

Про­порциональный П-регулятор осуществляет пропорциональное преобразование входного сигнала с коэффициентом k. В табл. 1.1 показан характер изменения во времени выходного сигнала П-регулятора при подаче на него ступенчатого входного сигнала в момент времени t₀. Как видно, выходной сигнал такого регулятора повторяет входной с коэффициентом преобразования К.

Интегральный И-регулятор (вторая строка табл. 1.1) получают включением в цепь обратной связи ОУ конденсатора С_ос, а во входную цепь - резистор R₁. В результате этого регулятор приобретает свойства интегрирующего устройства и напряжение на его выходе определяется интегралом от входного сигнала.

Дифференциальный Д-регулятор - обеспечивает дифференцирование входного сигнала с коэффициентом T= R_осC₁. Переходная характеристика идеального Д-регулятора представляет собой электрический импульс бесконечно большой амплитуды и малой длительности.

Таблица 1.1 – Схемная реализация регуляторов и их функции

 

 

 

 

Схемы и характеристики других регуляторов ПИ-, ПД-, ПИД- осуществляют комплексное преобразование входных сигналов.

При ПИД регулировании сигнал управления зависит от разницы между измеренным параметром и заданным значением, от интеграла от разности и от скорости изменения параметров. В результате ПИД-регулятор обеспечивает такое состояние исполнительного устройства (промежуточное между включен или выключен), при котором регулируемый параметр равен заданному.

Частным случаем регулятора мощности являются регуляторы хода. В системах с электроприводом требуется управлять электродвигателями - их нужно включать, менять их обороты и останавливать, то есть электродвигателям требуется отдельное устройство, которое называется регулятором хода.

Широко применяются импульсные регуляторы с широтно-импульсным регулированием. Регулятор хода включается между источником питания и силовым электродвигателем. В простейшем случае в задачу регулятора входит регулирование потока мощности от источника к двигателю. При минимальной длительности импульсов двигатель выключен, при максимальной - двигатель развивает максимальную мощность. В промежутке мощность плавно изменяется.

Регуляторы хода можно разделить на два типа - для коллекторных двигателей и для бесколлекторных двигателей. Рассмотрим типовую схему включения регулятора коллекторного электродвигателя (рис. 1.9):

Рисунок 1.9 — Схема включения регулятора коллекторного электродвигателя

Управляющий импульс поступает на генератор импульсов G, который вырабатывает импульсы различной длительности – широтно-импульсная модуляция:

- при длительности выходного импульса 0% от периода управляющего сигнала нет, на затворе низкий уровень напряжения - транзистор закрыт, ток через двигатель М не течет;

- при длительности выходного импульса 100% от периода на выходе генератора тоже импульсов нет, но уровень управляющего сигнала высокий. Транзистор открыт и все напряжение от источника U приложено к двигателю М. Он развивает при этом максимальную мощность.

- при промежуточном значении длительности управляющего импульса, например половине от максимального, на выходе генератора присутствуют импульсы, длительность которых составляет половину периода. Соответственно, транзистор половину периода открыт, половину - закрыт.

Когда ключ закрывается, ток не прекращает свое движение и схема выглядит так (рис. 1.10):

Рисунок 1.10 — Пути протекания тока при работе коллекторного электродвигателя

Т.е., ток через двигатель продолжает течь в прежнем направлении. Источником энергии для него служит магнитное поле индуктивности, а диод - замыкает цепь в паузе, когда транзистор закрыт.

Обычно, помимо управления оборотами, регуляторы обеспечивают дополнительные функции:

Тормоз — осуществляется путем замыкания обмоток двигателя через регулятор. Иногда реализуется функция "мягкого" тормоза, когда обмотки замыкаются не сразу, а небольшими импульсами. Это позволяет уменьшить нагрев регулятора и продлить жизнь коллектора электродвигателя.

Реверс — способность менять направление вращения электродвигателя, подавая на него напряжение в обратной полярности.

Для управления двигателями переменного тока используют преобразователи частоты (инверторы). Основное назначение — плавное регулирование скорости асинхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя трехфазного напряжения переменной частоты.

На рисунке 1.11 представлена схема частотного преобразователя. Транзисторы работают в ключевом режиме попарно (один верхний, другой нижний), открываясь с частой, задаваемой схемой управления. В схеме используется широтно-импульсное управление, позволяющее создать в обмотках статора электродвигателя синусоидальный ток необходимой частоты и амплитуды.

Рисунок 1.11 — Схема частотного преобразователя

 

 

Домашнее задание

1)Поясните работу реверсивного регулятора хода. Какие функции может выполнять данная схема?

2) Поясните работу схемырегулятора температуры.

 

 

Исполнительные устройства

Исполнительные механизмы преобразуют электрическую энергию в механическую или физическую величину для воздействия на управляемый процесс.

Требования к исполнительным устройствам — потребляемая мощность, разрешающая способность, повторяемость результата, рабочий диапазон и т. д. — могут существенно различаться в зависимости от конкретного приложения.

Исполнительные механизмы могут быть бинарными, дискретными и аналоговыми.

1) Бинарные (двухпозиционные) исполнительные механизмы

Очень часто для управления достаточно исполнительных механизмов, имеющих только два рабочих состояния. Эти механизмы называются двухпозиционными или бинарными. Они похожи на электрический выключатель: включен - есть ток, вы­ключен - тока нет. К двухпозиционным исполнительным механизмам, в частности, относятся магнитные клапаны, электромагнитные реле и электронные твердотель­ные выключатели. Для управления такими механизмами достаточно одного – двух бит, которые легко можно получить на выходе управляющего компьютера. Управля­ющий сигнал можно усиливать простым переключателем, а не сложным линейным усилителем.

Электромагнит является преобразователем электрического сигнала в механическое движение. Электромагниты применяются в качестве приводного или управляющего устройства для включения и выключения коммутационных аппаратов; в контакторах, в автоматических регуляторах, для включения или отключения механических, гидравлических, пневматических цепей, для сцепления или расцепления вращающихся валов, открывания и закрывания клапанов, вентилей, заслонок. Электромагниты в данных случаях применятся вместо громоздких и дорогостоящих электродвигателей с редукторами.

Электромагнитные муфты используются в электроприводах и устройствах управления для быстрого включения и выключения приводного механизма, а также для его реверса. В некоторых случаях муфты служат для регулирования скорости и ограничения передаваемого момента.

Муфта — это устройство для передачи вращения от одного вала (ведущего), соединенного с источником энергии, к другому валу(ведомому), связанным с приводным механизмом.

2) Исполнительные механизмы с электроприводом

Составляют большинство исполнительных механизмов, используемых в системах управления.

- шаговые двигатели: обеспечивают фиксированные угловые перемещения, достоинства: высокая точность и отсутствие механических коммутаторов, недостатки: малый вращающий момент и недостаточная скорость.

- двигатели постоянного тока: основной недостаток – наличие механического коммутатора (коллектора).

- асинхронные и синхронные двигатели: широкое применение двигателей переменного тока стало возможным по мере развития силовой электроники.

- сервоприводы: применяются там, где недостаточно точности регулирования обычных общепромышленных преобразователей частоты; обеспечивают: позиционирование с высокой точностью, поддержание момента и скорости с высокой точностью.

Рисунок 1.12 — Структура сервопривода

Сервопривод состоит из серводвигателя (рис. 1.12), внутри которого находиться высокомоментный асинхронный двигатель, фотоимпульсный датчик положения ротора, высокоточный редуктор, электромагнитная муфта и электромагнитный тормоз (в моделях с тормозом). Такой серводвигатель работает совместно с сервоусилителем, который совмещает в себе функции преобразователя частоты и контроллера.

Области применения: устройства для точного размещения и позиционирования, оборудование в электронной промышленности (набивка, раскладка, пайка, точное сверление и т.д.); этикетировочные машины.

3) Управляющие клапаны

Электрически управляемые клапаны, применяются в пневмо- и гидросистемах. Электрический сигнал преобразуется в давление или расход газа или жидкости.