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 Uу, 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 Uоп (рис.2, 3а). В случае, если U(t) Uоп, на выходе устройства сравнения возникает последовательность импульсов прямоугольной формы. Если же U(t) > Uоп, 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) = |sin wt|, 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 Uоп, тиристор откроется и конденсатор С разрядится через него. При этом напряжение UC = Uвых снизится до уровня напряжения Uоткр 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 Ч 104

Входное дифференциальное сопротивление Rвх.диф=2,5 МОм

Напряжение питания Uпит = ±5..±18 В

Максимальное выходное напряжение Uвых max = ±11 В

Сопротивление нагрузки, не менее Rн=1 кОм

Так же подберем тиристор. Наиболее подходящим является тиристор КУ103К обладающий следующими основными характеристиками [6]

Напряжение в открытом состоянии Uоткр = 1 В

Обратное напряжение Uобр =10 В

Прямой ток управляющего электрода Iпр =15 мА

Исходя из величины Iпр зададимся Uоп и Rб, 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 Кu = 75Ч103

Напряжение высокого уровня (лог. 1) U1 = 2,5 ё 4 В

Напряжение низкого уровня (лог. 0) U0 = 0ё0.3 В

Напряжение питания Uпит = +12 ; -6 В

Минимальное сопротивление нагрузки Rn 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 Uвх, 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 транзисторного ключа осуществляется с помощью управляющего входного сигнала.

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-n транзисторы, 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 Uобр 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:

Uном = 110 В

Pном = 75 Вт

Iном = 1,2 А

Отсюда можем найти

Исходя из Uном и Iном 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 IK0 max = 3 мА

Постоянный ток коллектора IK = 3 А

Постоянное напряжение эмиттер-база UБЭ max = 4 В

Постоянный ток базы IБ = 1,5 А

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер UКЭ max = 400 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора РК max = 40 Вт

Рабочая температура pn– перехода Tn раб = - 60 +1250С

Максимальная температура перехода Тп max = 1500С

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 ё +250С) 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 = 1500С

Значит, общий коэффициент усиления по току базы будет: =30Ч80=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 tu.

Под регулировочной характеристикой понимают зависимость установившейся средней частоты вращения ротора от относительной продолжительности импульсов tu при неизменном среднем моменте на валу двигателя.

В зависимости от соотношения электромагнитной постоянной времени обмотки якоря tя 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 tя< 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 tя заведомо удовлетворяет указанному условию. В этом случае характеристики двигателя определяются следующими выражением:

(*)

где - средняя частота вращения вала двигателя;

Мср : tu - среднее за период Тu значение вращающего момента.

Все величины - в относительных единицах.

Выражение (*) при tu=const представляет собой уравнение механической характеристики, а при Мср = const уравнение регулировочной характеристики. Из анализа этого выражения можно сделать выводы:

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.

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 nном=4400 об/мин

Номинальный момент на валу двигателя Mном=0,196 Н∙м

Пусковой момент Mпуск=0,49 Н∙м

Теперь запишем уравнение (*) с учетом того что

, а

(**)

теперь подставив в уравнение (**) точки (Mном; nном) и (Mпуск;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 Uном и моменте на валу двигателя Mном.

Рисунок 13 - Относительный график заполнения импульса и частоты вращения ротора

Где величины n1 и n2 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 tu 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

Копылов. Справочник по электрическим машинам. – М.:Энергоатомиздат, 1989г – 688с.

Основы промышленной электроники. Под ред. проф. В.Г.Герасимова. - М.: Высшая школа, 1986г - 336с.

Интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. Б.В.Тарабрина. - М.: Радио и связь, 1983г -528с.

Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины и микромашины. – М.: Высшая школа, 1990г -528с.

Подлипенский В.С., Петренко В.Н.Электромагнитные и электромашинные устройства автоматики. – К.: Вища школа, 1987г -592с.

Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. Под общ. ред. Н.Н.Горюнова. -М.: Энергия, 1976г -744с.

Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под ред. Б.Л.Перельмана. -М.: Радио и связь, 1981г -656с.

Лукашенков А.В. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Лабораторная работа №16. Расчет и исследование бестрансформаторных усилителей мощности. Методические указания. -Тула.: ТулПИ, 1988г -32с.