Исследование широтно-импульсного преобразователя по схеме ШИП-ДПТ

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Робототехника и мехатроника

Исследование широтно-импульсного преобразователя

по схеме ШИП-ДПТ

Методическое указание к выполнению лабораторной работы

Ростов-на-Дону 2007г.

В современном электроприводе распространение имеют реверсивные ШИП, транзисторные варианты которых представлены на рисунке 1.

а) б)

в)

Рисунок 1. Схемотехнические решения ШИП

Транзисторный реверсивный ШИП может быть выполнен на двух и четырех транзисторах по мостовой схеме с одним источником и двумя источниками питания.

Рассмотрим работу реверсивного ШИП (рисунок 2,а). В этой схеме возможны несколько способов управления транзисторами.

а) б)

в)

Рисунок 2. Схема ШИП - (а). Эпюры напряжений и токов - (б, в)

При симметричном управлении транзисторы в схеме отпираются попарно VT1 и VT2 или VT3 и VT4.

Когда отперты транзисторы VT1 и VT2 (интервал 0 ? t ? tи ) от источника питания потребляется энергия (рисунок 2,б ). При запирании транзисторов VT1, VT2 и отпирании VT3,VT4 (момент t = tи ) напряжение на активно-индуктивной нагрузке реверсируется, а ток нагрузки за счет ЭДС самоиндукции Е сохраняет свое прежнее направление, замыкаясь через диоды VD3,VD4 и источник питания.

Среднее значение напряжения на нагрузке

(1)

Если ШИП работает на противо - ЭДС (e), то есть на якорь ДПТ, то

(2)

Простота реализации и отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике являются преимуществами такого ШИП.

Недостатком Шип с симметричным управлением является знакопеременное напряжение, повышенный коэффициент пульсаций на нагрузке. Поэтому реверсивный ШИП с симметричным управлением применяется только в маломощных мехатронных системах.

При несимметричном управлении переключаются транзисторные ключи фазной группы VT1 и VT4 (или VT2 и VT3 при реверсе выходного напряжения) управляются в противофазе, а транзисторы другой фазы : VT2 постоянно отперт, другой VT3 - заперт. На нагрузке формируется напряжение, имеющее форму знакопостоянных импульсов. Если нагрузка ШИП активно -индуктивная, то на интервале 0 ? t ? tи ток потребляется от источника питания и протекает через транзисторы VT1 и VT2.

Когда транзистор VT1 запирается (момент времени tи ), то ток нагрузки iи протекает через отпертый транзистор VT2 и обратный диод VD4 (интервал tи ? t ? Tk ).

Если нагрузкой является ДПТ, то при Uн > e энергия потребляется от источника питания. Ток нагрузки на интервале 0 ? t ? tи через транзисторы VT1 и VT2, а на интервале tи ? t ? Tk - через транзистор VT2 и обратный диод VD4. Если = const, а скорость ДПТ изменяется, то для случая, когда e > , направление тока нагрузки изменится. Когда открыт транзистор VT4, электромагнитная энергия якоря накапливается под воздействием противо-ЭДС, и при запирании транзистора VT4 отдается в источник питания через диоды VD1 и VD2 (рисунок 2, в).

Режим переменных токов в нагрузке возможен при : на интервале 0 ? t ? t1 ток протекает через обратные диоды VD1 и VD2; на интервале

t1 ? t ? tи - через транзисторы VT1 и VT2; на интервале t2 ? t ? t2 - через транзистор VT2 и обратный диод VD4; на интервале t2 ? t ? Tk - через транзистор VT4 и обратный диод VD2 (рисунок 2, в). Анализ временных диаграмм показывает, что при нагрузке с противо-ЭДС в режиме потребления наиболее загруженными являются транзисторы, а в режиме возврата энергии (рекуперации) - диоды. Коэффициент пульсации выходного напряжения при несимметричном управлении в два раза меньше, чем при симметричном управлении и равен :

(3)

При поочередном управлении в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа моста, однако частота переключения каждого из них в два раза меньше частоты напряжения на выходе. При одной полярности выходного напряжения на нагрузке поочередно отпираются транзисторы VT1 и VT2 (транзисторы VT3 и VT4 при этом все время заперты). При обратной полярности выходного напряжения включаются транзисторы VT3 и VT4, а транзисторы VT1 и VT2 закрыты. При этом выходное напряжение имеет форму знакопостоянных импульсов (рисунок 7, в). При запирании транзистора VT1 (время tи ) ток нагрузки под действием ЭДС самоиндукции замыкается через транзистор VT2 и обратный диод VD4. На интервале tи … Tк выходное напряжение равно нулю, так как нагрузка шунтируется транзистором VT2 и диодом VD4.

Рассмотренные способы управления транзисторами ШИП позволяют констатировать, что при симметричном и несимметричном управлениях наблюдается двухсторонний обмен энергией между источником питания и нагрузкой, а при поочередном управлении обмен энергией отсутствует.

Управление ШИП осуществляется широтно-импульсным модулятором (ШИМ), где происходит преобразование непрерывного исходного сигнала в последовательность прямоугольных импульсов неизменной амплитуды и частоты, но переменной длительности, пропорциональной управляющему (входному) сигналу. ШИМ содержит задающий генератор опорного пилообразного напряжения, имеющий частоту fо = 1/ Tк . Опорное напряжение Uоп сравнивается (рисунок 3) с управляющим (входным) напряжением Uу . В момент равенства указанных напряжений устройством сравнения (компаратором на операционном усилителе) формируется управляющий импульс, переключающий транзисторные ключи. Такие устройства, реализующие ШИМ, называют модуляторами длительности импульсов (МДИ).

транзистор напряжение питание нагрузка

Рисунок 3

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка выполнена в виде переносного стенда, на передней панели которого приведена принципиальная схема ( рисунок 5 ). Схема условно поделена на шесть функционально законченных блоков:

· блок Б1 - задающий генератор прямоугольных импульсов (контрольная точка (к.т.) КТ1), реализован на трех логических элементах И-НЕ микросхемы Д1 ( серии К511.ЛА2 ). Частота fк регулируется изменением резистора R1 ;

· блок Б2 - интегратор, предназначен для преобразования прямоугольного сигнала в пилообразный (к.т. КТ2 ), реализован на операционном усилителе ДА1 ( серии К 153 УД1 ) ;

· блок Б3 - модулятор длительности импульсов ( МДИ ), устройство, имеющее два входа. На один (неинвертирующий) вход подается периодический пилообразный сигнал, на другой - управляющий. Блок выполнен на аналоговой микросхеме ДА2 ( серии К 153 УД1 ), контрольная точка КТ4. Регулирование скорости, реверс двигателя осуществляется потенциометром R9 ;

· блок Б4 - инвертор, формирует два инвертированных сигнала, необходимых для управления предварительными усилителями мощности и реверса двигателя. Блок выполнен на логическом элементе И-НЕ микросхемы Д2 серии К 511 ЛА2. Контрольные точки КТ5, КТ6 ;

· блок Б5 - содержит согласующие каскады, выполненные на операционных усилителях ДА3, ДА4 ( К 153УД1 ), работающие в ключевом режиме ;

· блок Б6 - выходные импульсные усилители мощности, усиливающие сигналы с блока Б5 в мощный сигнал, снимаемый с ключевых транзисторов VT3 и VT6 для управления ДПТ ( М ).

Рассмотрим структуру и работу импульсного усилителя мощности ( ИУМ, рисунок 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4. Структура построения импульсного усилителя мощности

ИУМ состоит из двух трехкаскадных устройств, каждый собран по схеме предварительного усилителя (ПУ), выполненного на транзисторе VT1, VT4 (рисунок 5), предоконечного усилителя мощности (ПУМ) на транзисторе VT2 (VT5), служащего для согласования мощного усилительного каскада (УМ), выполненного на транзисторе VT3 (VT6). Все транзисторы усилительных каскадов работают в ключевом режиме.

Проанализируем работу импульсного усилителя мощности. Предположим, что на входы предварительных усилителей (ПУ) (точки КТ7 и КТ8) поступают прямоугольные импульсы положительной полярности с коэффициентом заполнения q = 0,5. Это ведет к открыванию всех транзисторов (VT1, VT2, VT3 и VT4, VT5, VT6 ). НА вход двигателя М (точки КТ9, КТ10) приходит усиленный сигнал с q = 0,5 . При равенстве средних значений напряжений в контрольных точках КТ9 и КТ10 якорь двигателя уравновешивается, = 0.

Если в процессе регулирования напряжения управления на вход транзистора VT1 (точка КТ7) поступает положительный импульс с коэффициентом заполнения 0,1 , то на вход транзистора VT4 (точка КТ8) поступает сигнал с q = 0,9 . Импульсы, усиленные ИУМ, подаются на обмотку якоря двигателя. В обмотке якоря двигателя импульсы формируют суммарное (интегральное) значение напряжения, под воздействием которого якорь двигателя приводится во вращение. Направление вращения определяется и зависит от скважности импульсов, формируемых МДИ. Измерение скорости вращения якоря двигателя осуществляется тахометрическим способом или посредством фотоэлектрического датчика и частотомера.

Подготовка к выполнению лабораторной работы

1. Ознакомиться с описанием лабораторной установки.

2. Изучить принципы работы измерительной аппаратуры.

3. Подключить вилки питания стенда, осциллографа, частотомера к розеткам ( ~ 220 В, 50 Гц ).

4. Включить тумблеры “ Сеть “ осциллографа, электронно-счетного частотомера и прогреть приборы в течение 15 минут.

5. Включить тумблер “ Сеть “ стенда.

Выполнение экспериментальной части лабораторной работы

1. Установить ручку регулятора (потенциометр R9) частоты вращения якоря двигателя в нулевое положение.

2. Включить источники питания лабораторного стенда.

3. Корпусный конец соединительного кабеля осциллографа подсоединить к корпусной контрольной точке схемы стенда (КТ0). Поочередно подключая кабель осциллографа к контрольным точкам КТ1…КТ10, снять эпюры напряжений с учетом масштабного делителя осциллографа. Эпюры напряжений привести в отчете.

4. Подключить осциллограф к контрольной точке КТ1 и замерить частоту следования импульсов. Результаты записать при крайнем левом и правом положениях движка потенциометра R1. Контроль измерений выполнить с помощью частотомера.

5. Изменяя положение движка потенциометра R9 определить диапазон регулирования скорости вращения вала при реверсе двигателя :

Для этого, при нахождении ручки “об/мин” в нулевом положении (движок потенциометра R9) добиться нулевого показания частотомера при остановленном диске двигателя. Затем, плавно изменяя положение движка R9, установить минимальные равномерные обороты выходного вала двигателя, измерить частоту вращения частотомером и результаты занести в отчет ( nmin =… ).

Затем устанавливают максимальную частоту вращения вала двигателя по частотомеру и результат измерений заносят в отчет ( nmax =… ). Определяют диапазон регулирования скорости Д.

6. Сравнить диапазоны регулирования скорости двигателя при вращении якоря по часовой, затем против часовой стрелки.

7. Определить линейность широтно-импульсного регулятора, т.е. зависимость n = f () правого и () левого вращения якоря двигателя.

Для выполнения задания по п. 7 необходимо подсоединить кабель осциллографа к контрольной точке КТ9. Установить минимальную устойчивую частоту вращения двигателя. Произвести измерение длительности импульсов t1 ( по осциллографу ) и число оборотов “П” (по частотомеру, тахогенератору). Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

Изменяя скорость вращения якоря двигателя на 10-15% от nmin в сторону увеличения, произвести 6-7 измерений от nmin до nmax и данные занести в таблицу 1. Аналогичные измерения произвести для контрольной точки КТ10 при реверсировании двигателя. Данные результата эксперимента также занести в таблицу 1.

8. Построить зависимости по данным таблицы 1. Дать анализ полученных графических зависимостей, записать выводы.

9. Снять механические характеристики системы ШИП-ДПТ при изменяющейся скважности импульсов = 0,1 - 0,9 (в пределах 0,1 - 1,0). При этом значение следует контролировать осциллографом, в момент нагружения двигателя (ток якоря Iя) устройством торможения (или амперметром в цепи якоря). Результаты эксперимента необходимо занести в таблицу 2.

Таблица 2

10. По данным таблицы 2 построить графические зависимости

при = 0,1 - 1,0

Перечень контрольных вопросов по лабораторной работе

1. Как изменится форма выходного напряжения интегратора при увеличении емкости C3 конденсатора в 3 раза?

2. Что изменится при работе ШИП-преобразователя, если резистор R1 уменьшить в 2 раза ?

3. Как изменится форма нарастания пилообразного напряжения на выходе интегратора, если конденсатор С3 имеет повышенный ток утечки ?

4. На какой параметр работы схемы повлияет увеличение резистора R16 в 3 раза ?

5. Поясните физические основы формирования разнополярного напряжения на якоре ДПТ при питании его в схеме от однополярного источника?

Тесты для проверки готовности студента к выполнению лабораторной работы

1. Работа ШИП-преобразователя основана на следующем положении:

- в процессе работы изменяется коэффициент заполнения ?

- в процессе работы изменяется время цикла ?

- в процессе работы изменяется частота коммутации силовых ключей ?

2. Какие факторы влияют на формирование выходного напряжения ШИП-преобразователя?

- индуктивность Lя,

- суммарная индуктивность контура якоря ДПТ,

- скорость переключения СПП ?

3. Какой из способов управления СПП ШИП-преобразователя считается наиболее предпочтительным по минимуму формирования прерывистсти тока якоря:

- симметричное ?

- несимметричное ?

- поочередное управление?

Литература

1. Герман-Галкин С.Г. и др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. - Л., Энергоатомиздат, 1986, 248 с.

2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982.

3. Янкелевич Д.И., Карнаухов Н.Ф. Современный автоматизированный электропривод робототехнических систем. Метод. Указания ИПК и ПК Минавтосельхозмаша, 1990, 37 с.

Размещено на Allbest.ru