Операционные усилители являются одними из основных компонентов в современных аналоговых электронных устройствах. Благодаря простоте расчетов и отличным параметрам, операционные усилители легки в применении. Их также называют дифференциальными усилителями, так как они способны усилить разность входных напряжений.

Особенно популярно использование операционных усилителей в звуковой технике, для усиления звучания музыкальных колонок.

Обозначение на схемах

Из корпуса усилителя обычно выходят пять выводов, из которых два вывода – входы, один – выход, остальные два – питание.

Принцип действия

Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:

1. Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.
2. Входы усилителя не расходуют ток.

Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим. Второй вход обозначен знаком «–», считается инвертирующим.

Входы усилителя имеют высокое сопротивление, называемое импедансом. Это позволяет расходовать ток на входах в несколько наноампер. На входе происходит оценка величины напряжений. В зависимости от этой оценки усилитель выдает на выход усиленный сигнал.

Большое значение имеет коэффициент усиления, который иногда достигает миллиона. Это означает, что если на вход подать хотя бы 1 милливольт, то на выходе напряжение будет равно величине напряжения источника питания усилителя. Поэтому операционники не применяют без обратной связи.

Входы усилителя действуют по следующему принципу: если напряжение на неинвертирующем входе будет выше напряжения инвертирующего входа, то на выходе окажется наибольшее положительное напряжение. При обратной ситуации на выходе будет наибольшее отрицательное значение.

Отрицательное и положительное напряжение на выходе операционного усилителя возможно из-за использования источника питания, обладающего расщепленным двуполярным напряжением.

Питание операционного усилителя

Если взять пальчиковую батарейку, то у нее два полюса: положительный и отрицательный. Если отрицательный полюс считать за нулевую точку отсчета, то положительный полюс покажет +1,5 В. Это видно по подключенному .

Взять два элемента и подключить их последовательно, то получается следующая картина.

Если за нулевую точку принять отрицательный полюс нижней батарейки, а напряжение измерять на положительном полюсе верхней батарейки, то прибор покажет +10 вольта.

Если за ноль принять среднюю точку между батарейками, то получается источник двуполярного напряжения, так как имеется напряжение положительной и отрицательной полярности, равной соответственно +5 вольта и -5 вольта.

Существуют простые схемы блоков с расщепленным питанием, использующиеся в конструкциях радиолюбителей.

Питание на схему подается от бытовой сети. Трансформатор понижает ток до 30 вольт. Вторичная обмотка в середине имеет ответвление, с помощью которого на выходе получается +15 В и -15 В выпрямленного напряжения.

Разновидности

Существует несколько разных схем операционных усилителей, которые стоит рассмотреть подробно.

Инвертирующий усилитель

Такая схема является основной. Особенностью этой схемы является то, что операционники характеризуются кроме усиления, еще и изменением фазы. Буква «k» обозначает параметр усиления. На графике изображено влияние усилителя в данной схеме.

Синий цвет отображает входной сигнал, а красный цвет – выходной сигнал. Коэффициент усиления в этом случае равен: k = 2. Амплитуда сигнала на выходе в 2 раза больше, сигнала на входе. Выходной сигнал усилителя перевернут, отсюда и его название. Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему:

Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции. Для вычисления усиления применяют формулу:

Отсюда видно, что усиление операционника не зависит от сопротивления R3, поэтому можно обойтись без него. Здесь он применяется для защиты.

Неинвертирующие операционные усилители

Эта схема подобна предыдущей, отличием является отсутствие инверсии (перевернутости) сигнала. Это означает сохранение фазы сигнала. На графике изображен усиленный сигнал.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя также равен: k = 2. На вход подается сигнал в форме синусоиды, на выходе изменилась только ее амплитуда.

Эта схема не менее простая, чем предыдущая, в ней имеется два сопротивления. На входе сигнал подается на плюсовой вывод. Для расчета коэффициента усиления требуется использовать формулу:

Из нее видно, что коэффициент усиления не бывает меньше единицы, так как сигнал не подавляется.

Схема вычитания

Эта схема дает возможность создания разности двух сигналов на входе, которые могут быть усилены. На графике показан принцип действия дифференциальной схемы.

Такую схему усилителя еще называют схемой вычитания.

Она имеет более сложную конструкцию, в отличие от рассмотренных ранее схем. Для расчета выходного напряжения пользуются формулой:

Левая часть выражения (R3/R1) определяет коэффициент усиления, а правая часть (Ua – Ub) является разностью напряжений.

Схема сложения

Такую схему называют интегрированным усилителем. Она противоположна схеме вычитания. Особенностью ее является возможность обработки больше двух сигналов. На таком принципе действуют все звуковые микшеры.

Эта схема показывает возможность суммирования нескольких сигналов. Для расчета напряжения применяется формула:

Схема интегратора

Если в схему добавить конденсатор в обратную связь, то получится интегратор. Это еще одно устройство, в котором используются операционные усилители.

Схема интегратора подобна инвертирующему усилителю, с добавлением емкости в обратную связь. Это приводит к зависимости работы системы от частоты сигнала на входе.

Интегратор характеризуется интересной особенностью перехода между сигналами: сначала прямоугольный сигнал преобразуется в треугольный, далее он переходит в синусоидальный. Расчет коэффициента усиление проводится по формуле:

В этой формуле переменная ω = 2π f повышается с возрастанием частоты, следовательно, чем больше частота, тем коэффициент усиления меньше. Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

Схема дифференциатора

В этой схеме получается обратная ситуация. На входе подключена емкость, а в обратной связи подключено сопротивление.

Судя по названию схемы, ее принцип работы заключается в разнице. Чем больше скорость изменения сигнала, тем больше величина коэффициента усиления. Этот параметр дает возможность создавать активные фильтры для высокой частоты. Коэффициент усиления для дифференциатора рассчитывается по формуле:

Это выражение обратно выражению интегратора. Коэффициент усиления повышается в отрицательную сторону с возрастанием частоты.

Аналоговый компаратор

Устройство компаратора сравнивает два значения напряжения и переводит сигнал в низкое или высокое значение на выходе, в зависимости от состояния напряжения. Эта система включает в себя цифровую и аналоговую электронику.

Особенностью этой системы является отсутствие в основной версии обратной связи. Это означает, что сопротивление петли очень велико.

На плюсовой вход подается сигнал, а на минусовой вход подается основное напряжение, которое задается потенциометром. Ввиду отсутствия обратной связи коэффициент усиления стремится к бесконечности.

При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению. Если на входе напряжение будет меньше опорного, то выходным значением будет отрицательное напряжение, равное напряжению источника питания.

В схеме аналогового компаратора имеется значительный недостаток. При приближении значений напряжения на двух входах друг к другу, возможно частое изменение выходного напряжения, что обычно приводит к пропускам и сбоям в работе реле. Это может привести к нарушению работы оборудования. Для решения этой задачи применяют схему с гистерезисом.

Аналоговый компаратор с гистерезисом

На рисунке показана схема действия схемы с , которая аналогична предыдущей схеме. Отличием является то, что выключение и включение не происходит при одном напряжении.

Направление стрелок на графике указывает направление перемещения гистерезиса. При рассмотрении графика слева направо видно, что переход к более низкому уровню осуществляется при напряжении Uph, а двигаясь справа налево, напряжение на выходе достигнет высшего уровня при напряжении Upl.

Такой принцип действия приводит к тому, что при равных значениях входных напряжений, состояние на выходе не изменяется, так как для изменения требуется разница напряжений на существенную величину.

Такая работа схемы приводит к некоторой инертности системы, однако это более безопасно, в отличие от схемы без гистерезиса. Обычно такой принцип действия применяется в нагревательных приборах с наличием термостата: плиты, утюги и т.д. На рисунке изображена схема усилителя с гистерезисом.

Напряжения рассчитываются по следующим зависимостям:

Повторители напряжения

Операционные усилители часто применяются в схемах повторителей напряжения. Основной особенностью этих устройств является то, что в них не происходит усиления или ослабления сигнала, то есть, коэффициент усиления в этом случае равен единице. Такая особенность связана с тем, что петля обратной связи имеет сопротивление, равное нулю.

Такие системы повторителей напряжения чаще всего используются в качестве буфера для увеличения нагрузочного тока и работоспособности устройства. Так как входной ток приближен к нулю, а ток на выходе зависит от вида усилителя, то есть возможность разгрузки слабых источников сигнала, например, некоторых датчиков.

В статье будет рассмотрена стандартная на операционном усилителе, а также приведены примеры различных режимов работы этого прибора. На сегодняшний день ни одно устройство управления не обходится без усилителей. Это поистине универсальные приборы, которые позволяют выполнять различные функции с сигналом. О том, как работает и что конкретно позволяет сделать этот прибор, вы и узнаете далее.

Инвертирующие усилители

Схема инвертирующего усилителя на ОУ достаточно проста, вы ее можете увидеть на изображении. В ее основе находится операционный усилитель (схемы включения его рассмотрены в данной статье). Кроме этого, здесь:

1. На резисторе R1 падение напряжения присутствует, по своему значению оно такое же, как входное.
2. На резисторе R2 также имеется - оно такое же, как выходное.

При этом отношение выходного напряжения к сопротивлению R2 равно по значению отношению входного к R1, но обратно ему по знаку. Зная значения сопротивления и напряжения, можно вычислить коэффициент усиления. Для этого необходимо разделить выходное напряжение на входное. При этом операционный усилитель (схемы включения у него могут быть любыми) может иметь одинаковый коэффициент усиления независимо от типа.

Работа обратной связи

Теперь нужно более детально разобрать один ключевой момент - работу обратной связи. Допустим, на входе имеется некоторое напряжение. Для простоты расчетов примем его значение равным 1 В. Допустим также, что R1=10 кОм, R2=100 кОм.

А теперь предположим, что возникла какая-то непредвиденная ситуация, из-за которой на выходе каскада напряжение установилось на значении 0 В. Далее наблюдается интересная картина - два сопротивления начинают работать в паре, совместно они создают из себя делитель напряжения. На выходе инвертирующего каскада оно поддерживается на уровне 0,91 В. При этом ОУ позволяет фиксировать рассогласование по входам, а на выходе происходит уменьшение напряжения. Поэтому очень просто спроектировать схему на операционных усилителях, реализующую функцию усилителя сигнала от датчика, например.

И продолжаться это изменение будет до той самой поры, покуда не установится на выходе значение стабильное в 10 В. Именно в этот миг на входах операционного усилителя потенциалы окажутся равными. И они будут такими же, как потенциал земли. С другой стороны, если на выходе устройства продолжит уменьшаться напряжение, и оно будет меньше, чем -10 В, на входе потенциал станет ниже, нежели у земли. Следствие этого - на выходе начинает увеличиваться напряжение.

У такой схемы имеется большой недостаток - входной импеданс очень маленький, в особенности у усилителей с большим значением коэффициента усиления по напряжению, в том случае, если цепь обратной связи замкнута. А конструкция, рассмотренная дальше, лишена всех этих недостатков.

Неинвертирующий усилитель

На рисунке приведена схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе. Проанализировав ее, можно сделать несколько выводов:

1. Значение напряжения UA равно входному.
2. С делителя снимается напряжение UA, которое равно отношению произведения выходного напряжения и R1 к сумме сопротивлений R1 и R2.
3. В случае, когда UA по значению равен входному напряжению, коэффициент усиления равен отношению выходного напряжения к входному (или же можно к отношению сопротивлений R2 и R1 прибавить единицу).

Называется данная конструкция неинвертирующим усилителем, у него практически бесконечный входной импеданс. Например, для операционных усилителей 411 серии его значение - 1012 Ом, минимум. А для операционных усилителей на биполярных полупроводниковых транзисторах, как правило, свыше 108 Ом. А вот выходной импеданс каскада, равно как и в ранее рассмотренной схеме, очень мал - доли ома. И это нужно учитывать, когда производится расчет схем на операционных усилителях.

Схема усилителя переменного тока

Обе схемы, рассмотренные в статье ранее, работают на Но вот если в качестве связи источника входного сигнала и усилителя выступает переменный ток, то придется предусматривать заземление для тока на входе устройства. Причем нужно обратить внимание на то, что значение тока крайне мало по величине.

В том случае, когда происходит усиление сигналов переменного тока, необходимо уменьшать коэффициент усиления сигнала постоянного до единицы. В особенности это актуально для случаев, когда коэффициент усиления по напряжению очень большой. Благодаря этому имеется возможность значительно снизить влияние напряжения сдвига, которое приводится к входу устройства.

Второй пример схемы для работы с переменным напряжением

В данной схеме на уровне -3 дБ можно видеть соответствие частоте 17 Гц. На ней у конденсатора импеданс оказывается на уровне двух килоом. Поэтому конденсатор должен быть достаточно большим.

Чтобы построить усилитель переменного тока, необходимо использовать неинвертирующий тип схемы на операционных усилителях. И у него должен быть достаточно большой коэффициент усиления по напряжению. Но вот конденсатор может быть чересчур большим, поэтому лучше всего отказаться от его использования. Правда, придется правильно подобрать напряжение сдвига, приравняв его по значению к нулю. А можно применить Т-образный делитель и увеличить значения сопротивлений обоих резисторов в схеме.

Какую схему предпочтительнее использовать

Большинство разработчиков отдают свое предпочтение неинвертирующим усилителям, так как у них очень высокий импеданс на входе. И пренебрегают схемам инвертирующего типа. Зато у последнего имеется огромное преимущество - он не требователен к самому операционному усилителю, который является его «сердцем».

Кроме того, характеристики, на поверку, у него значительно лучше. И с помощью мнимого заземления можно без особого труда все сигналы комбинировать, причем они не будут оказывать друг на друга какое-то влияние. Может использоваться в конструкциях и схема усилителя постоянного тока на операционном усилителе. Все зависит от потребностей.

И самое последнее - случай, если вся схема, рассмотренная здесь, подключается к стабильному выходу другого операционного усилителя. В этом случае значение импеданса на входе не играет существенной роли - хоть 1 кОм, хоть 10, хоть бесконечность. В этом случае первый каскад всегда выполняет свою функцию по отношению к следующему.

Схема повторителя

Работает повторитель на операционном усилителе аналогично эмиттерному, построенному на биполярном транзисторе. И выполняет аналогичные функции. По сути, это неинвертирующий усилитель, в котором у первого резистора сопротивление бесконечно большое, а у второго равно нулю. При этом коэффициент усиления равен единице.

Имеются специальные типы операционных усилителей, которые используются в технике лишь для схем повторителей. У них значительно лучшие характеристики - как правило, это высокое быстродействие. В качестве примера можно привести такие операционные усилители как OPA633, LM310, TL068. Последний имеет корпус, как у транзистора, а также три вывода. Очень часто такие усилители называют просто буферами. Дело в том, что они обладают свойствами изолятора (очень большой входной импеданс и крайне низкий выходной). Примерно по такому принципу строится и схема усилителя тока на операционном усилителе.

Активный режим работы

По сути, это такой режим работы, при котором выходы и входы операционного усилителя не перегружаются. Если на вход схемы подать очень большой сигнал, то на выходе его просто начнет резать по уровню напряжения коллектора или эмиттера. А вот когда на выходе напряжение фиксируется на уровне среза - на входах ОУ напряжение не меняется. При этом размах не может оказаться большим, нежели напряжение питания

Большая часть схем на операционных усилителях рассчитывается таким образом, что этот размах меньше питающего напряжения на 2 В. Но все зависит от того, какая используется конкретно схема усилителя на операционном усилителе. Такое же имеется ограничение на устойчивость на базе операционного усилителя.

Допустим, есть в источнике с плавающей нагрузкой некое падение по напряжению. В случае если ток имеет нормальное направление движения, можно встретить странную на первый взгляд нагрузку. Например, несколько переполюсованных батарей питания. Такая конструкция может применяться для того, чтобы получить прямой ток заряда.

Некоторые предосторожности

Простой усилитель напряжения на операционном усилителе (схема может быть выбрана любая) можно изготовить буквально "на коленке". Но потребуется учитывать некоторые особенности. Обязательно нужно удостовериться, что обратная связь в схеме отрицательная. Это также говорит о том, что недопустимо путать неинвертирующий и инвертирующий входы усилителя. Кроме того, должна присутствовать цепочка обратной связи для постоянного тока. Иначе операционный усилитель начнет быстро переходить в режим насыщения.

У большинства операционных усилителей входное дифференциальное напряжение очень маленькое по значению. При этом максимальная разность неинвертирующего и инвертирующего входов может ограничиваться значением 5 В при любом подключении источника питания. Если пренебречь данным условием, появятся на входе довольно большие значения токов, которые приведут к тому, что все характеристики схемы ухудшатся.

Самое страшное в этом - физическое разрушение самого операционного усилителя. В результате перестает работать схема усилителя на операционном усилителе полностью.

Следует учитывать

И, конечно же, нужно рассказать о правилах, которые стоит соблюдать, чтобы обеспечить стабильную и долговечную работу операционного усилителя.

Самое главное - ОУ обладает очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. И если между входами напряжения изменятся на долю милливольт, на выходе его значение может измениться существенно. Поэтому важно знать: у операционного усилителя выход старается стремиться к тому, чтоб между входами разница напряжений оказалась близка (в идеале равна) к нулю.

Второе правило - потребление тока операционным усилителем крайне малое, буквально наноамперы. Если же на входах установлены полевые транзисторы, то оно исчисляется пикоамперами. Отсюда можно сделать вывод, что входы не потребляют ток, независимо от того, какой используется операционный усилитель, схема - принцип работы остается тем же.

Но не стоит думать, что ОУ действительно постоянно меняет на входах напряжение. Физически это осуществить почти нереально, так как не было бы соответствия со вторым правилом. Благодаря операционному усилителю происходит оценка состояния всех входов. При помощи схемы обратной внешней связи передается напряжение на вход с выхода. Результат - между входами операционного усилителя разница напряжений находится на уровне нуля.

Понятие обратной связи

Это распространенное понятие, и оно уже применяется в широких смыслах во всех областях техники. В любой системе управления имеется обратная связь, которая сравнивает выходной сигнал и заданное значение (эталонное). В зависимости от того, какое значение текущее - происходит корректировка в нужную сторону. Причем системой управления может быть что угодно, даже автомобиль, которые едет по дороге.

Водитель жмет на тормоза, и обратная связь здесь - начало замедления. Проведя аналогию с таким простым примером, можно лучше разобраться с обратной связью в электронных схемах. А отрицательная обратная связь - это если бы при нажимании педали тормоза автомобиль ускорялся.

В электронике обратной связью называют процесс, во время которого происходит передача сигнала с выхода на вход. При этом происходит также погашение сигнала на входе. С одной стороны, это не очень разумная идея, ведь может показаться со стороны, что значительно уменьшится коэффициент усиления. Такие отзывы, кстати, получали основоположники разработки обратной связи в электронике. Но стоит разобраться детальнее в ее влиянии на операционные усилители - практические схемы рассмотреть. И станет ясно, что она и правда немного уменьшает коэффициент усиления, но зато позволяет несколько улучшить остальные параметры:

1. Сгладить частотные характеристики (приводит их к необходимой).
2. Позволяет предсказывать поведение усилителя.
3. Способна устранить нелинейность и искажения сигнала.

Чем глубже обратная связь (речь идет про отрицательную), тем меньшее влияние оказывают на усилитель характеристики с разомкнутой ОС. Результат - все его параметры зависят только от того, какие свойства имеет схема.

Стоит обратить внимание на то, что все операционные усилители работают в режиме с очень глубокой обратной связью. А коэффициент усиления по напряжению (с ее разомкнутой петлей) может достигать даже нескольких миллионов. Поэтому схема усилителя на операционном усилителе крайне требовательна к соблюдению всех параметров по питанию и уровню входного сигнала.

10. Частотное управление асинхронными двигателями.

Законы частотного регулирования

Статические механические характеристики ад при частотном управлении.

12. Система генератор – двигатель (гд).

13. Система тиристорный преобразователь – двигатель (тп – д).

14. Регулируемый электропривод переменного тока с вентильным д-ем (вд).

15. Энергетические ресурсы.

Доказанные запасы первичных энергоресурсов (пэр) в мире

16. Теплоэлектропроизводящие установки.

17. Паровые котельные установки.

18. Водогрейные котельные установки.

19. Тепловые сети и теплообменники.

20. Теплопотребление.

21. Холодильные машины, тепловые насосы.

22. Нагнетательные машины.

1. Центробежные венти­ляторы.

3. Центробежные компрессоры.

23. Водоснабжение и очистка.

4) Термические и биологические способы обработки сточных вод.

25 Основные принципы энергосбережения в с-мах эс(повышение эф-ти тп, лэп, электро-двигателей, с-м освещения, технолог.Установок). С-мы учета энергоресурсов.Рп и тр-ры

26. Назначение, классификация исполнительных механизмов и систем управления, обобщенная функциональная схема суим.

1. По виду рабочего органа исполнительного механизма:

2. По степени автоматизации функций управления:

3. По режимам работы:

5. По виду силового преобразователя энергии:

6. По месту суим в структуре асутп:

27. Общий подход к проектированию суим. Основные этапы исследования и проектирования суим.

28. Регуляторы суим.

1. Аналоговые регуляторы класса “вход-выход” на основе операционных усилителей

4. Дискретные передаточные функции и разностные уравнения

36 Математическое моделирование энергосистем и задач оптимизации.

37. Определение критериев подобия

42Микропроцессорные устройства защиты и автоматики.

3.4.7 Сетевая архитектура бмрз

43Микроконтроллеры.

44Программируемые контроллеры

48. Системы возбуждения и автоматического регулирования.

49 . Гашение магнитного поля

Параметры электрической системы обратной и нулевой последовательностей

51. Средства и методы ограничения токов короткого замыкания в системах промышленного электроснабжения.

1. Оптимизация структуры и параметров сети (схемные решения).

2. Стационарное или автоматическое деление сети.

3. Токоограничивающие устройства

4. Оптимизация режима заземления нейтралей в электрических сетях.

55. Электрические нагрузки. Показатели графиков электрических нагрузок. Методы расчёта.

Классификация графиков электрических нагрузок

Показатели графиков электрических нагрузок

Коэффициент спроса ().Относится к групповым графикам.

Коэффициент заполнения графика нагрузки ().

Коэффициент равномерности графика нагрузки ().

Определение расчётной нагрузки по установленной мощности и коэффициенту спроса. Расчётная нагрузка для группы однородных по режиму работы приёмников определяется из выражений:

57. Выбор силовых трансформаторов и месторасположения питающих и цеховых трансформаторных подстанций

Выбор мощности силовых трансформаторов

Картограмма нагрузок

Определение центра электрических нагрузок(цэн)

58. Компенсация реактивной мощности (виды и методы компенсации, выбор мощности и места установки компенсирующих устройств).

59 Защита элементов системы электроснабжения в сетях до 1000 в предохранителями и автоматическими выключателями.

62. Качество электрической энергии.

63 Измерительные трансформаторы тока и напряжения в системах релейной защиты и противоаварийной автоматики.

66. Дистанционные защиты.

75. Проектирование механической части воздушных лэп.

76.Выбор эл.Аппаратов.

77. Регулирование напряжения в эл.Сетях.

78. Единая энергетическая система (еэс) рф

2. Электрические станции

3. Электрические и тепловые сети

4. Потребители электроэнергии

79 Тепловые и атомные электростанции.

1.Классификация типов эл.Станций по ряду осн.Признаков.

2.Тепловые схемы (понятия принципиальных и полных схем).

3.Технологическая схема тэс

Компоновочные схемы тэс

4. Основное и вспомогательное оборудование тэс

Турбины и генераторы

Атомные электростанции

80 Гидроэлектростанции

28. Регуляторы суим.

1. Аналоговые регуляторы класса “вход-выход” на основе операционных усилителей

Независимо от технологического назначения регуляторов все они подразделяются на 2 больших класса:

Параметрические регуляторы класса «вход/выход» (П- , ПИ-, ПИД- и т. п. регуляторы);

Регуляторы состояния САУ (апериодические, модальные и т.п.).

Первый класс регуляторов на функциональных схемах СУ ЭП обозначается в виде переходной функции.

1. Пропорциональный регулятор (П-регулятор).

Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 4.19.

Будем полагать, что на входе регулятора - сигнал ошибки регулирования Х вх, причемХ вх =Х з -Х ос. При этом вместо двух резисторовR З иR ос используется один -R вх.

У вых (t )=К рег Х вх (t ).

2. Интегральный регулятор (И-регулятор).

Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 4.22.

Рис. 4.22. Принципиальная электрическая схема интегрального регулятора

Передаточная функция регулятора

где T T И =R ВХ С 0 .

Временная характеристика регулятора:

У вых (t )= У вых (0)+1/ ( R ВХ С 0)Х вх (t )t .

Переходный процесс в регуляторе при нулевых начальных условиях (У вых (0)=0) будет иметь вид, изображенный на рис. 4.23.

Функциональная схема интегрального регулятора приведена на рис. 4.24.

3. Дифференциальный регулятор (Д-регулятор).

Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 4.25.

Передаточная функция регулятора

где T Д - постоянная времени интегратора,T Д =R 0 С ВХ.

Временная характеристика регулятора:

У вых (t )=T Д  (t ),

где  (t ) - дельта-функция Дирака.

Переходный процесс в регуляторе будет иметь вид, изображенный на рис. 4.26.

Следует отметить, что ограниченная полоса пропускания частот самих операционных усилителей не позволяет реализовать чистое (идеальное) дифференцирование. Кроме того, в силу низкой помехозащищенности дифференциальных регуляторов сложилась практика применения реальных дифференцирующих звеньев и принципиальные схемы таких регуляторов несколько отличаются от приведенной на рис. 4. 25.

Функциональная схема дифференциального регулятора приведена на рис. 4.27.

4. Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор).

Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 4.28.

Передаточная функция регулятора

где K РЕГ - коэффициент передачи регулятора,K РЕГ =R 0 /R ВХ;

T И - постоянная времени интегратора,T И =R ВХ С 0 .

Временная характеристика регулятора:

У вых (t )= У вых (0) + ( K РЕГ + t / ( R ВХ С 0))Х вх (t ).

Переходный процесс в регуляторе при нулевых начальных условиях будет иметь вид, изображенный на рис. 4.29.

Передаточную функцию пропорционально-интегрального регулятора часто представляют не в виде суммы двух слагаемых, а в виде так называемого изодромного звена

, (4.53)

где T ИЗ - постоянная времени изодромного звена,T ИЗ =R 0 C 0 ,

T И - постоянная времени интегрирования регулятора,T И =R ВХ C 0 .

ПИ-регулятор, включенный в структуру САУ, обеспечивает компенсацию одной большой постоянной времени объекта управления (см. раздел 8.1).

Пропорционально-дифференциальный регулятор (ПД-регулятор) Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 4.31.

где K K РЕГ =R 0 /R ВХ;

T Д - постоянная времени интегратора,T Д =R 0 С ВХ.

Временная характеристика регулятора:

У вых (t )= K РЕГ X вх (t ) +T Д  (t ),

где  (t ) - дельта-функция Дирака.

Переходный процесс в ПД- регуляторе будет иметь вид, изображенный на рис. 4.32, функциональная схема регулятора приведена на рис. 4.33.

Рис. 4.32. Переходный процесс в ПД- регуляторе

6. Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-

регулятор)

Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 4.34.

Передаточная функция регулятора

где K РЕГ - коэффициент передачи регулятора,K РЕГ =R 0 /R ВХ +C ВХ /С 0 ;

T И - постоянная времени интегрирования,T И =R ВХ С 0 ;

T Д - постоянная времени дифференцирования,T Д =R 0 С ВХ.

Временная характеристика регулятора:

У вых (t )= У вых (0) +K РЕГ X вх (t ) + (1/T И P ) X вх (t ) + T Д  (t ),

где  (t ) - дельта-функция Дирака.

Переходный процесс в регуляторе будет иметь вид, изображенный на рис. 4.35, функциональная схема приведена на рис. 4.36.

По аналогии с ПИ-регулятором ММ ПИД-регулятора часто представляют в виде изодромного звена второго порядка

, (4.56)

где Т ИЗ,1 , Т ИЗ,2 - постоянные времени изодромного звена;Т ИЗ,1 = R 0 С 0 , Т ИЗ,2 = =R вх С вх.

ПИД-регулятор обеспечивает компенсацию двух больших постоянных времени объекта управления, обеспечивая интенсивность динамических процессов в САУ.

Тема 11. Регуляторы координат в электроприводе

Важной функцией современных систем управления АЭП является регулирование его координат, т. е. поддержание с необходимой точностью требуемых значений тока, момента, ускорения, скорости. Основным элементом позволяющим выполнить указанную функцию, является регулятор.

р егулятор – это устройство, осуществляющее преобразование управляющего сигнала в соответствии с математической операцией, требуемой по условиям работы системы автоматического управления или регулирования. К типовым видам преобразования относятся: пропорциональное – П; пропорционально-интегральное – ПИ, пропорционально-интегро-дифференциальное – ПИД и ряд других.

Основу аналогового регулятора составляет операционный усилитель (ОУ) – усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии. Наибольшее применение находят операционные усилители интегрального исполнения с корпусом круглой или прямоугольной формы. Операционный усилитель представляет собой многокаскадную структуру, в которой можно выделить входной дифференциальный усилитель ДУ с инвертирующим и прямым входами, усилитель напряжения УН, реализующий высокий коэффициент усиления, и усилитель мощности УМ, обеспечивающий необходимую нагрузочную способность операционного усилителя. Однокристальное малогабаритное исполнение операционного усилителя обусловливает высокую стабильность параметров, что позволяет получить высокий коэффициент усиления на постоянном токе. Интегральные ОУ, применяемые в промышленной электронике, обладают следующими характеристиками:

Дифференциальный коэффициент усиления в разомкнутом состоянии
k уо = 10 3 ¸ 10 5 ;

Входное сопротивление R вх > 100 кОм;

Выходное сопротивление R вых = 0,2 ¸1 кОм;

Сопротивление нагрузки R н > 2 кОм;

Полоса пропускания f п < 1 МГц;

Напряжение питания U п = ±15 В.

Для построения регуляторов обычно используют схему включения ОУ с инвертирующем входом, представленную на рис.11.1, которая имеет передаточную функцию

Используя активные и комплексные сопротивления во входной цепи (Z вх) и в обратной связи (Z ос) можно получать регуляторы с различными передаточными функциями.

Рассмотрим схемы, передаточные функции, логарифмические частотные характеристики (ЛАЧХ) и фазочастотные характеристики (ФЧХ) типовых регуляторов.

1. Пропорциональный (П-) регулятор – усилитель с жесткой отрицательной обратной связью.

Рис. 11.2. Схема П-регулятора и его характеристики

передаточная функция П-регулятора

– коэффициент усиления П–регулятора.

2. Интегральный регулятор (И-регулятор)

Рис. 11.3. Схема И-регулятора и его характеристики

передаточная функция И-регулятора

– постоянная интегрирования.

3.Пропорционально – интегральный регулятор (ПИ – регулятор) представляет собой параллельное соединение П- и И- регуляторов.

Рис. 11.4. Схема ПИ-регулятора и его характеристики

передаточная функция ПИ-регулятора

где

4. Пропорционально-дифференцирующий регулятор (ПД - регулятор).

Объединяет функции П- и Д- регуляторов. Получают параллельным подключением С вх к входному резистору R вх

Рис. 11.5. Схема ПД-регулятора и его характеристики

передаточная функция ПД-регулятора

где

Работа данной схемы сопровождается значительными высокочастотными помехами, для которых С вх представляет собой сопротивление, близкое к нулю. Для повышения устойчивости работы последовательно с конденсатором включают дополнительный резистор с небольшим сопротивлением ΔR вх, которое ограничивает токи высокочастотных помех. Передаточной функцией с ΔR вх:

где ΔТ =ΔR вх С вх, при ΔТ << Т 1 частотная характеристика практически не отличается от характеристики без ΔR вх.

5. Апериодический регулятор (инерционный первого порядка).

Рис. 11.6. Схема А-регулятора и его характеристики

передаточная функция А-регулятора

– постоянная времени апериодического звена.

Аналогичную передаточную функцию имеет схема (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Схема А-регулятора (II вариант)

6. Пропорционально интегрально-дифференцирующий регулятор (ПИД). Выполняет функции одновременно трёх регуляторов.

Рис. 11.8. Схема ПИД- регулятора и его характеристики

передаточная функция ПИД-регулятора

где

Для снижения уровня помех на выходе регулятора и повышения устойчивости его работы последовательно с конденсатором С вх может быть включен резистор с небольшим сопротивлением ΔR вх (как для ПД регулятора).

Большими функциональными возможностями, по сравнению со стандартной схемой, имеет схема регулятора с функциональным потенциометром Z 1 , Z 2 . Для ослабления влияния помех на входе конденсаторы не используются, а включаются только активное сопротивление R вх.

Регулятор выполняет вычисление рассогласования (разность между сигналом задания и сигналом обратной связи) и его пре­образование в управляющее воздействие в соответствии с опре­деленной математической операцией.

В САУ используются в основном следующие типы регуляторов: пропорциональный (П), интегральный (И) и пропорционально-интегральный (ПИ). В зави­симости от вида преобразуемых сигналов различают аналоговые и цифровые регуляторы.

Аналоговые регуляторы (АР) реализуют­ся на основе операционных усилителей, цифровые - на основе специализированных вычислительных устройств или микропро­цессоров. Аналоговые регуляторы преобразуют только аналого­вые сигналы, являющиеся непрерывными функциями времени. При прохождении через АР преобразуется каждое мгновенное значение непрерывного сигнала.

Для реализации АР операционный усилитель (ОУ) включает­ся по схеме суммирующего усилителя с отрицательной обратной связью. Тип регулятора и его передаточная функция определя­ются схемой включения резисторов и конденсаторов в цепях на входе и в обратной связи ОУ.

Пропорциональный регулятор (П-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ резистора с сопротивлением R ос. Этот регулятор характеризуется коэффициентом пропорциональности к , который может быть равен как больше, так и меньше единицы.

Интегральный регулятор (И-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ конденсатора С ос. Этого тип регулятора характеризуется постоянной времени Т .

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ резистора с сопротивлением R ос и конденсатора С ос. Такой регулятор характеризуется следующими параметрами: коэффициентом пропорциональности к и постоянной времени Т .

Для всех типов регуляторов в схеме реализации имеется входное сопротивление R 1.

Схемы реализации регуляторов, зависимость напряжения на выходе регулятораU вых от входного U вх и их графическое изображение, а также формулы для нахождения параметров регуляторов приведены в таблице 1

Таблица 1 - Регуляторы

Объясните, для чего предназначены датчики тока, какие к ним предъявляются требования. Приведите функциональные схемы электропривода постоянного тока с трансформаторным датчиком тока и датчиком тока на основе шунта.

Датчики тока (ДТ) предназначены для получе­ния информации о силе и направлении тока двигателя. К ним предъявляют следующие требования:

Линейность характеристики управления в диапазоне от 0,1I ном до 5I ном не менее 0,9;

Наличие гальванической развязки силовой цепи и системы управления;

Высокое быстродействие.

Датчик координат АЭПструктурно может быть представлен в виде последовательного соединения измерительного преобра­зователя (ИП) и согласующего устройства (СУ) (рисунок 1). Изме­рительный преобразователь преобразует координату х в электри­ческий сигнал напряжения и (или тока i), пропорциональный х. Согласующее устройство осуществляет преобразование выход­ного сигнала и ИП в сигнал обратной связи u ос, который по ве­личине и форме удовлетворяет САУ.

Рисунок 1 – Структурная схема датчика координат АЭП

В качестве измерительных преобразователей в ДТ использу­ются трансформаторы тока, дополнительные (компенсационные) обмотки сглаживающих дросселей, элементы Холла, шунты.

Широкое распространение для измерения тока двигателей получили датчики тока на основе шунтов. Шунт представляет собой четырехзажимный резистор с чисто активным сопротив­лением R ш (безындуктивный шунт), к токовым зажимам кото­рого подключается силовая цепь, а к потенциальным - измери­тельная. (рисунок 2)

Для ослабления влияния шунта на прохождение тока в цепи двигателя его сопротивление должно быть минимальным. Номи­нальное падение напряжения на шунте составляет обычно 75 мВ, поэтому его необходимо усилить с помощью усилителя У. Так как шунт имеет потенциальную связь с силовой цепью, датчик тока должен содержать устройство гальваниче­ской развязки (УГР). В качестве таких устройств применяются транс­форматорные и оптоэлектронные устройства.

Рисунок 2 – Схема включения датчика тока на основе шунта

ДТ на основе трансформаторов тока в основном используют­ся в АЭП постоянного тока для измерения тока двигателей при питании их от симметричных мостовых однофазных и трехфаз­ных выпрямителей. Для однофазного выпрямителя (рисунок 3) используется один трансфор­матор тока (ТА1), а для трехфазного - три трансформатора, включенных в звезду. Для обеспечения режима работы трансформаторов тока, близкого к режиму короткого за­мыкания, их вторичные обмотки нагружаются низкоомными ре­зисторами R ТТ (0,2...1,0 Ом). Преобразование переменного напряжения вторичных обмоток осуществляется выпрямителем VD1...VD4 .

Рисунок 2 – Схема включения датчика тока на основе трансформатора тока

13. Приведите функциональную схему датчика ЭДС якоря, объясните принцип её действия .

При невысоких требованиях к диапазону регу­лирования скорости (до 50) в качестве главной обратной связи в электроприводе применяется обратная связь по ЭДС. Принцип действия датчика ЭДС якоря основан на вычисле­нии ЭДС двигателя.

Функциональная схема датчика ЭДС представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Функциональная схема датчика ЭДС якоря

Для измерения напряжения якоря используется делитель на резисторах R2, R3 . Для измерения тока якоря двигателя используется дополнительная обмотка L1.2 сглаживающего дросселя. Напряжение и я через делитель, RС-фильтр и повторитель А1 подается на сумматор А2. На вход сумматора А2 подается также сигнал, пропорциональный падению напряжения на обмотке якоря R я. ц ∙i я.

Выражение выходного напряжения u дэ усилите­ля А2 для установившегося режима работы имеет вид

где к дэ – коэффициент передачи датчика ЭДС,

е я – ЭДС якоря.

Для получения сигнала пропорционального напряжению на якоре двигателя резистивный делитель напряжения можно также включить по следующей схеме

Рисунок 2 – Схема включения датчика напряжения

Выходное напряжение делителя равно

Датчик напряжения помимо делителя может содержать также устройства гальванической развязки и

усилитель.

14. Начертите схему вертикальной одноканальной системы импульсно - фазового управления, объясните принцип её действия с помощью временных диаграмм.

Для управления тиристорами выпрямителя используется сис­тема импульсно-фазового управления (СИФУ), выполняющая следующие функции:

Определение моментов времени, в которые должны откры­ваться те или иные конкретные тиристоры; эти моменты време­ни задаются сигналом управления, который поступает с выхода САУ на вход СИФУ;

Формирование открывающих импульсов, передаваемых в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристо­ров и имеющих требуемые амплитуду, мощность и длительность.

Рассмотрим работу вертикальной одноканальной СИФУ управляющей тиристорами однофазного мостового выпрямителя (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема однофазного мостового выпрямителя

Генератор переменного напряжения ГПН запускается при поступлении с синхронизатора С напряжения (рисунок 2). Это происходит в тот момент, когда к тиристорам прикладывается прямое напряжение, т.е. в точках естественной коммутации.

Рисунок 2 – Схема вертикальной одноканальной СИФУ

С выхода ГПН напряжение пилообразной формы поступает на устройство сравнения УС, где оно сравнивается с напряжением управления U у (рисунок 3). В момент равенства пилообразного и управляющего напряжений УС вырабатывает импульс, который через распределитель импульсов РИ поступает на формирователь импульсов ФИ1 или ФИ2 и дальше через выходной формирователь ВФ1 или ВФ2 на тиристоры выпрямителя. Выходные формирователи осуществляют усиление открывающих импульсов по мощности и потенциальное разделение СИФУ от силовой части. В качестве УС используется компаратор, выполненный на базе операционного усилителя.

Рисунок 3 – Диаграммы работы СИФУ

15. Приведите функциональную схему электропривода с трёхфазным нулевым реверсивным выпрямителем с совместным управлением и объясните принцип её действия.

При совместном управлении комплектами тиристоров, открывающие импульсы одновременно подаются на оба комплекта VS1, VS2, VS3 и VS4, VS5, VS6 (рисунок 1). При этом, в зависимости от направления вращения двигателя один комплект работает в выпрямительном режиме, а другой – в инверторном. Ток якоря протекает по комплекту, работающему в выпрямительном режиме.

Рисунок 1 – Совместное управление комплектами вентилей трёхфазного нулевого

реверсивного выпрямителя

Система управления тиристорами выпрямителя содержит две СИФУ (СИФУ1, СИФУ2) и аналоговый инвертор А1.

Если VS1, VS2, VS3 работают в выпрямительном режиме, а VS4, VS5, VS6 в инверторном, то двигатель вращается вперед. Если наоборот, то двигатель вращается назад.

Так как открывающие импульсы подаются на оба комплекта, то в схеме через два открытых вентиля, например VS1 и VS6, образуется замкнутый контур двух фаз вторичной обмотки транс­форматора TV1.

В этом контуре действует сумма ЭДС двух фаз вторичной обмот­ки, которая носит название уравнительной ЭДС:

где e 1 , е 2 - выпрямленные ЭДС комплектов VS1...VS3 и VS4... VS6 соответственно.

Уравнительная ЭДС е ур создает уравнительный ток I ур. По отношению к уравнительному току трансформатор TV1 находится в режиме короткого замыкания, т.к. активное и индуктивное сопротивления трансформатора малы. Поэтому для ограничения уравнительного тока в цепь его протекания включаются уравнительные реакторы L1 и L2.

Помимо включения уравнительных реакторов ограничение уравнительного тока достигается путем согласованного управле­ния комплектами, при котором постоянная составляющая урав­нительной ЭДС Е ур равна нулю, т.е.

E ур = E 1 + E 2 = E 0 (cosα 1 +cosα 2) = 0, (1)

где Е 1 ,Е 2 - постоянные составляющие ЭДС е 1 и e 2 соответствен­но; Е 0 - постоянная составляющая выпрямленной ЭДС при α = 0; α 1 , α 2 - углы открывания комплектов VS1...VS3 и VS4... VS6.

Условие (1) будет выполняться, когда a 1 + a 2 =p. Данное условие представляет собой условие согласованного управления комплектами тиристоров.

Совместное управление обладает следующими преимуществами:

· Уравнительные токи обеспечивают проводящее состояние обоих комплектов, независимо от величины тока нагрузки двигателей и как следствие линейность характеристик (нет режима прерывистых токов).

· Высоким быстродействием, благодаря постоянной готовности к реверсу тока, которая не связана с какими-либо переключениями в схеме.

Однако, при совместном управлении необходима установка уравнительных реакторов, что увеличивает массу, стоимость и габариты электропривода. Протекание уравнительных токов увеличивает нагрузку элементов силовой цепи и снижает КПД выпрямителя.

16. Начертите структурную схему электропривода с реверсивным выпрямителем с раздельным управлением и объясните принцип её действия .

Вреверсивном выпрямителе с раз­дельным управлением при работе одного комплекта тиристоров в выпрямительном или инверторном режиме другой комплект полностью выведен из работы (сняты открывающие импульсы). Вследствие этого отсутствует контур прохождения уравнитель­ного тока, что исключает необходимость в уравнительных реак­торах.

Структурная схема электропривода с реверсивным вы­прямителем с раздельным управлением (РВРУ) приведена на рисунке 1. Работу РВРУ обеспечивают дополнительные элементы системы управления тиристорами: датчик проводимости венти­лей (ДПВ), логическое переключающее устройство (ЛПУ), пере­ключатель характеристики (ПХ).

Рисунок 1 – Структурная схема электропривода с реверсивным выпрямителем

с раздельным управлением

ДПВ предназначен для определения состояния (открыт или закрыт) тиристоров выпрямителя и формирования сигнала об их запирании, что равносильно отсутствию тока в комплектах.

ЛПУ выполняет следующие функции:

Выбирает нужный комплект вентилей «Вперед» или «На­зад» (КВ «В» или КВ «Н») в зависимости от требуемого направле­ния тока двигателя, задаваемого сигналом U зт

Запрещает появление открывающих импульсов одновре­менно в обоих комплектах тиристоров посредством ключей «Впе­ред» («В») и «Назад» («Н»);

Запрещает подачу открывающих импульсов на вступающий в работу комплект до тех пор, пока в ранее работавшем комплек­те проходит ток;

Формирует временную паузу между моментом закрывания всех тиристоров ранее работавшего комплекта и моментом пода­чи открывающих импульсов на вступающий в работу комплект.

Переключатель характеристики служит для согласования однополярной регулировочной характеристики СИФУ α = ƒ(u у) с реверсивным сигналом U у.

Реверсирование двигателя начинается с изменения знака задания скорости, что вызывает изменение знака задания тока U зт. Это приводит к уменьшению напряжения управления U у, увеличению угла открывания α 1 тиристоров комплекта вентилей «Вперед», следовательно, уменьшению ЭДС Е 1 и, в итоге, снижению тока якоря до нуля. Закрывание вентилей фиксируется ДПВ. При получении сигнала с ДПВ, ЛПУ запрещает подачу импульсов на тиристоры обоих комплектов (размыкается «В»)и одновременно начинает отсчитывать временную паузу. После её окончания ЛПУ формирует разрешение на подачу открывающих импульсов на тиристоры комплекта вентилей «Назад» (замыкается «Н») и переключение ПХ. Переключение ПХ приводит к изменению полярности напряжения управления U у на входе СИФУ. С этого момента на КВ «Н» начинает подаваться открывающий импульс с углом α 2 , обеспечивающим работу комплекта в инверторном режиме. Так как ЭДС вращения больше Е 2 , то ток якоря протекает в обратном направлении. Двигатель переходит в генераторный режим работы, осуществляя рекуперативное торможение.

Раздельное управление обладает следующими преимуще­ствами:

Отсутствуют уравнительные реакторы, что значительно сни­жает габариты, массу и стоимость реверсивного выпрямителя;

Отсутствует уравнительный ток, что уменьшает потери мощности в выпрямителе и повышает его КПД.

Недостатками раздельного уравнения являются:

Наличие режима прерывистого тока, что требует линеариза­ции характеристик управления выпрямителя;

Более сложная система управления из-за наличия ЛПУ, ДПВ и ПХ;

Наличие бестоковой паузы при переключении комплектов.

Приведите и опишите замкнутые структуры ЭП построенные по принципу компенсации внешних возмущений и принципу отклонения. Начертите структурную схему двухконтурной системы подчиненного регулирования электропривода постоянного тока и опишите ее блоки.

Замкнутые структурные ЭП строятся по принципу компенсации внешних возмущений и принципу отклонения, называемому также принципом обратной связи.

Принцип компенсации рассмотрим на примере компенсации наиболее характерного внешнего возмущения электропривода – момента нагрузки Мс при регулировании его скорости ω (рисунок 1а).

Рисунок 1 – Замкнутые структуры ЭП

Основным признаком такой замкнутой структуры ЭП, является наличие цепи, по которой на вход ЭП вместе с задающим сигналом скорости Uзс подается сигнал пропорциональный моменту нагрузки

Uм = Км∙Мс, где Км-коэффициент пропорциональности.

В результате управления ЭП осуществляется суммарным сигналом U ∆ , который, автоматически изменяясь при колебаниях момента нагрузки, обеспечивает поддержание скорости на заданном уровне. Несмотря на эффективность, управления ЭП по этой схеме осуществляется редко, из-за отсутствия простых и надежных датчиков момента нагрузки Мс.

Поэтому в большинстве замкнутых схем используется принцип отклонения, который характеризуется наличием цепи обратной связи, соединяющей выход ЭП с его входом. В данном случае при регулировании скорости используется цепь обратной связи по скорости (рисунок 1б), по которой информация о текущем значении скорости (сигнал Uос=Кос∙ ω) подается на вход ЭП, где он вычитается из сигнала задания скорости Uзс. Управление осуществляется сигналом отклонения U ∆ =Uзс-Uос (его также называют сигналом рассогласования или ошибки), который при отличии скорости от заданной, соответственно автоматически изменяется и, с помощью САУЭП, устраняет эти отклонения.

В зависимости от вида регулируемой координаты в ЭП используется обратные связи по скорости, по положению, току, магнитному потоку, напряжению, ЭДС.

Система подчиненного регулирования.

Для управления движением ИО, иногда требуется регулировать несколько координат ЭП. Например, ток (момент) и скорость. В этом случае, замкнутые ЭП выполняются по схеме с подчиненным регулированием координат.

Рисунок 2 – Структурная схема двухконтурной системы подчинённого регулирования

В данной схеме регулирование каждой координаты осуществляется собственными регуляторами (тока РТ и скорости РС), которые вместе с соответствующими обратными связями с коэффициентами К ост и К осс, образуют замкнутые контуры. Эти контуры располагаются таким образом, что входным (задающим) сигналом для контура тока Uзт является выходной сигнал внешнего по отношению к нему контура скорости. Таким образом, внутренний контур тока будет подчинен внешнему контуру скорости – основной регулируемой координате ЭП. Сигнал U ∆ с выхода РТ подаётся на тиристорный преобразователь ТП. Электродвигатель ЭД представлен двумя частями: электрической (ЭЧД) и механической (МЧД).

Основное достоинство такой схемы заключается в возможности оптимальной настройке регулирования каждой координаты. Кроме того, подчинение контура тока к контуру скорости позволяет упростить процесс ограничения тока и момента, для чего необходимо лишь поддерживать на соответствующем уровне сигнал на выходе регулятора скорости (сигнал задания) уровня тока.

Объясните, для чего предназначены статические преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока (СПЧ ПЗПТ). Приведите структурные схемы СПЧ ПЗПТ, отличающиеся способом регулирования напряжения на статоре АД.

СПЧ ПЗПТ предназначены для преобразования переменного напряжения с постоянной амплитудой и частотой в переменное напряжение с регулируемой амплитудой и частотой.

Существуют три вида СПЧ ПЗПТ в зависимости от способа регулирования напряжения:

1. СПЧ ПЗПТ с управляемым выпрямителем

В этой схеме напряжение по амплитуде регулируется на выходе выпрямителя (рисунок 1).

Рисунок 1 - СПЧ ПЗПТ с управляемым выпрямителем

УВ – управляемый выпрямитель, преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока.

Ф – фильтр, служит для сглаживания пульсации тока и напряжения.

И – инвертор, служит для преобразования постоянного тока в переменный ток.

СУВ – система управления выпрямителем.

СУИ – система управления инвертором.

ФП – функциональный преобразователь, служит для преобразования сигнала задания частоты U з. f . в сигнал задания напряжения U з. u . в зависимости от реализуемого закона частотного управления.

В зависимости от вида фильтра Ф в звене постоянного тока, автономный инвертор И делиться на АИ тока и АИ напряжения. В СПЧ на основе АИ тока, фильтр представляет собой реактор L с большой индуктивностью (рисунок 2а). Такой инвертор является источником тока, поэтому в этой схеме управляющим воздействием на двигатель является частота и ток статора.

Рисунок 2 - Схемы фильтров

АИ напряжения является источником напряжения, для чего фильтр кроме индуктивности L содержит конденсатор C большой ёмкости (рисунок 2б). Управляющим воздействием на двигатель в системе СПЧ с АИ напряжения являются амплитуда и частота напряжения.

2. СПЧ ПЗПТ с неуправляемым выпрямителем и преобразователем с широтно-импульсным управлением (ПШИУ) в звене постоянного тока (рисунок 3).

Рисунок 3 - СПЧ ПЗПТ с неуправляемым выпрямителем и ПШИУ

В этом случае регулирование напряжения осуществляется в ПШИУ, который устанавливается между неуправляемым выпрямителем НВ и инвертором И. Нерегулируемое постоянное напряжение с НВ поступает на ПШИУ, где регулируется по величине преобразовываясь в последовательность прямоугольных импульсов, фильтруется фильтром Ф и поступает на вход инвертора И.

3. СПЧ ПЗПТ с неуправляемым выпрямителем и с широтно-импульсной модуляцией напряжения в инверторе (рисунок 4).

Рисунок 4 - СПЧ ПЗПТ широтно-импульсной модуляцией напряжения в инверторе

В этой схеме регулирование амплитуды напряжения и частоты совмещено в И. Широтно-импульсная модуляция достигается с помощью сложного алгоритма переключения вентилей и может реализовываться только в преобразователях с управляемыми ключами: с силовыми транзисторами или с тиристорами с искусственной коммутацией.