31267

Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної дисципліни “Елементи електроприводу та тренажери електромеханічних комплексів”

Книга

Энергетика

5 Лабораторна робота № 2 Дослідження датчиків струму і напруги. 12 Лабораторна робота № 3 Дослідження блоку датчиків струму і напруги. 20 Лабораторна робота № 4 Дослідження тиристорних реґуляторів постійної та змінної напруги . Під час проведення лабораторних занять студенти повинні визначати швидкість обертання за допомогою електромашинного та фотоелектричного датчиків швидкості; вимірювати струм і напругу за допомогою датчиків розраховувати якісні показники струму і напруги; працювати з системою імпульснофазового...

Украинкский

2013-08-28

15.81 MB

4 чел.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОМЕХАНІКИ, ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ І
СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ЩОДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

ЕЛЕМЕНТИ ЕЛЕКТРОПРИВОДУ ТА ТРЕНАЖЕРИ  ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ КОМПЛЕКСІВ

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ДЕННОЇ ТА ЗАОЧНОЇ ФОРМ НАВЧАННЯ

ЗА НАПРЯМОМ 

6.050702 – “ЕЛЕКТРОМЕХАНІКА”

(У ТОМУ ЧИСЛІ СКОРОЧЕНИЙ ТЕРМІН НАВЧАННЯ)

КРЕМЕНЧУК 2010


Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної ди
сципліни Елементи електроприводу та тренажери електромеханічних комплексів для студентів денної та заочної форм навчання за напрямом  
6.050702 – “Електромеханіка” (у тому числі скорочений термін навчання).

Укладачі:  к.т.н., доц. А.П. Калінов,

асист. О.В. Скрипников,

  асп. В.О. Мельников,

  асп. О.В. Прітченко

Рецензент  д.т.н., проф. Д.Й. Родькін

Кафедра систем автоматичного управління та електропривода

Затверджено методичною радою КНУ імені Михайла Остроградського

Протокол №_________від__________2010 р.

Заступник голови методичної ради___________доц. С.А. Сергієнко


ЗМІСТ

Вступ......................................................................................................................

Перелік лабораторних робіт ...............................................................................

4

5

Лабораторна робота № 1 Дослідження електромашинного та фотоелектричного датчиків швидкості………………………………………..

5

Лабораторна робота № 2 Дослідження датчиків струму і напруги………….

12

Лабораторна робота № 3 Дослідження блоку датчиків струму і напруги…..

20

Лабораторна робота № 4 Дослідження тиристорних реґуляторів постійної та змінної напруги …………………………………………………....................

28

Список літератури.................................................................................................

37

Додаток А Приклад обробки сигналів у математичному пакеті MathCad

38


ВСТУП

Якість елементної бази автоматизованого електропривода (ЕП) в значній мірі визначається його показниками (точність, діапазон реґулювання, динамічні та енергетичні показники). На сучасному етапі автоматизовані електроприводи характеризуються використанням силових напівпровідникових перетворювачів, високоточних датчиків, різних логічних та обчислювальних пристроїв, що виконуються на базі аналогових, цифрових мікросхем та мікроконтроллерів. Метою вивчення дисципліни «Елементи електроприводу та тренажери електромеханічних комплексів» є отримання майбутніми спеціалістами в області автоматизованого електроприводу знань про властивості й характеристики основних елементів, які є складовими частинами систем автоматизованого електроприводу

Метою проведення лабораторних занять «Елементи електроприводу та тренажери електромеханічних комплексів» є закріплення студентами теоретичних знань та придбання практичних навичок роботи з сучасними елементами ЕП, придбання навичок обробки експериментальних даних та визначення параметрів обладнання.

Під час проведення лабораторних занять студенти повинні визначати швидкість обертання за допомогою електромашинного та фотоелектричного датчиків швидкості; вимірювати струм і напругу за допомогою датчиків, розраховувати якісні показники струму і напруги; працювати з системою імпульсно-фазового керування тиристорами; набувати навичок керування двигунами постійного струму за допомогою тиристорних перетворювачів, реверсивних та нереверсивних широтно-імпульсних перетворювачів.


ПЕРЕЛІК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Лабораторна робота № 1

Тема. Дослідження електромашинного та фотоелектричного датчиків швидкості.

Мета: ознайомлення з принципом роботи й структурою електромашинного та фотоелектричного датчиків швидкості, порівняння характеристик і показників вимірювання швидкості обертання.

План

1. Ознайомлення з принципом роботи й структурою електромашинного та фотоелектричного датчиків швидкості.

2. Ознайомлення з структурою, схемотехнікою та порядком роботи на лабораторному стенді.

3. Зняття експериментальних даних за допомогою лабораторного стенда

4. Здобуття навичок обробки експериментальних даних вимірювання швидкості обертання.

5. Складання звіту лабораторної роботи, відповіді на контрольні питання.

Короткі теоретичні відомості

В електроприводі вимір швидкості зводиться в більшості випадків до вимірювання швидкостей обертання вузлів і деталей, з метою створення умов їхньої роботи в бажаному режимі. У випадку прямолінійного руху вимір швидкості часто також може бути зведений до виміру швидкості обертання.

Електромашинні датчики швидкості

Тахогенератори (ТГ) – електричні машини, які працюють у генераторному режимі й призначені для перетворення швидкості обертання в пропорційний електричний сигнал. Залежність між напругою на виході генератора й кутовою швидкістю на вході називається вихідною характеристикою.

За своїм принципом дії та конструктивним виконанням, тахогенератори не відрізняються від генераторів постійного і змінного струмів.

Тахогенератори постійного струму виконують із електромагнітним збудженням або із збудженням від постійних магнітів. Для ТГ із збудженням від постійних магнітів не потрібно стороннє джерело живлення, вони майже не мають температурних похибок, але у таких ТГ не можна регулювати крутизну вихідної характеристики.

ТГ змінного струму відрізняються відсутністю колектора й щіток, що сприяє помітному збільшенню терміну служби, а також відсутністю падіння напруги на щітках і відсутністю паразитних сигналів при комутаціях. Однак схеми включення таких генераторів звичайно більш складні, тому що вимір амплітуди вимагає випрямлення й фільтрації вихідного сигналу. Також до недоліків електромашинних датчиків швидкості  необхідно віднести відсутність можливості вимірів миттєвих значень швидкості обертання.

Імпульсні тахометри кутової швидкості.

Дискретні (імпульсні) датчики використовуються в електроприводі в основному при реґулюванні положення й швидкості у випадках, коли вимоги до точності реґулювання не можуть бути задоволені аналоговими датчиками.

Часто доводиться вимірювати швидкість обертання диска на валу. Поверхня такого диска складається з N рівних секторів, кожний з яких має характерну оцінку (отвір, щілина, зуб). Як зразок можна використовувати будь-яке обертове тіло з періодичною структурою: шестірню, вісь із виїмками, колесо з лопатками тощо.

Наприклад, оптичний датчик (складається із джерела світла й оптичного приймача - фотодіода або фототранзистора), поміщений напроти диска, виявляє проходження відміток і щораз видає імпульсний сигнал з частотою, пропорційній швидкості обертання, і з амплітудою, що не залежить від цієї швидкості.

Діапазон вимірів залежить від числа n стрибкоподібних змін властивостей обертового тіла, наприклад, від числа зубів колеса N.

Мінімальна вимірювана швидкість тим менша, чим більше N, тоді як максимальна вимірювана швидкість тим вища, чим менше N. Типові діапазони вимірювання становлять від 50 до 500 об/хв. для колеса з 60 зубами й від 500 до 10 000 об/хв. для колеса з 15 зубами.

Рисунок 1.1 – Принцип дії імпульсного датчика швидкості

Цифрами позначено: 1 – джерело світла (лампа накалювання або світлодіод); 2 – фокусуюча лінза; 3 – диск із прорізями; 4 – фотоелемент (фототранзистор, фоторезистор, фотодіод); 5 – блок формування імпульсів; 6 – вал датчика.

Опис лабораторного стенда.

Лабораторний стенд складається із двох з’єднаних валами двигунів постійного струму зі збудженням від постійних магнітів. Один з ДПС, що живиться від широтно-імпульсного перетворювача, є досліджуваним, швидкість обертання його контролюється за допомогою електромашинного та фотоелектричного датчика швидкості.

Рисунок 1.2 – Структурна схема лабораторного стенду

Другий ДПС виступає у якості тахогенератора. Окрім цього на валу досліджуваного двигуна закріплений зубчастий диск, охоплений оптичною парою імпульсного датчика швидкості. Структурна схема лабораторного стенду зображена на рис. 2

Імпульсний датчик, що живиться від джерела постійного струму напругою +5 В, дозволяє контролювати напрямок обертання та формує імпульсний сигнал вимірювання швидкості. Перетворювач «Частота-напруга» формує аналоговий сигнал вимірювання швидкості, що пропорційний імпульсному сигналу.

Рисунок 1.3 – Схема фотоелектричного датчика швидкості

Хід роботи

1. Ознайомитись зі структурою та порядком роботи на лабораторному стенді. Отримати допуск викладача для проведення роботи на стенді.

2. Зняти експериментальні дані вимірювання швидкості за допомогою тахогенератора постійного струму. Виконати запис осцилограм проведених дослідів. Визначити середнє значення сигналу , розмах коливання напруги , період  і частоту  пульсацій для різних показників швидкості обертання. Дані експериментів занести до таблиці 1.1

Таблиця 1.1 – Експериментальні дані вимірювання швидкості

, В

, В

, с

, с-1

1

n

3. Зняти експериментальні дані вимірювання швидкості за допомогою фотоелектричного датчика швидкості. Виконати запис осцилограм проведених дослідів. Визначити швидкість обертання валу використовуючи цифровий сигнал датчика. Порівняти показники цифрового та аналогового сигналу і визначити передавальний коефіцієнт фотоелектричного датчика швидкості. Дані експериментів та розрахунків занести до таблиці 1.2

Таблиця 1.2 – Експериментальні дані вимірювання швидкості

, с

, с-1,

, В

, об/хв.

1

n

4. Провести порівняння сигналів вимірювання швидкості за допомогою аналогового виходу фотоелектричного датчика швидкості і тахогенератора постійного струму в статичному та динамічному режимах. Виконати запис осцилограм проведених дослідів.

5. Скласти звіт  лабораторної роботи, письмово відповісти на контрольні питання за завданням викладача.

Обробка експериментальних даних

1. Визначити середнє значення сигналу  тахогенератора постійного струму, амплітуду , період  і частоту  пульсацій за допомогою осцилограм проведених дослідів. Осцилограма вихідного сигналу ТГ постійного струму зображена на рис.1.4.

Рисунок 1.4 – Визначення показників сигналу тахогенератора постійного струму

2. Визначити період  та частоту імпульсів  цифрового сигналу фотоелектричного датчика швидкості. Осцилограма вихідного сигналу фотоелектричного датчика швидкості зображена на рис.1.5.

Рисунок 1.5 – Визначення показників цифрового сигналу фотоелектричного датчика швидкості

3. Визначити швидкість обертання валу двигуна за допомогою формули:

,

(1.1)

де - кількість зубців диска.

Осцилограми цифрового та аналогового вихідних сигналів фотоелектричного датчика швидкості зображена на рис.1.6.

Рисунок 1.6 – Визначення показників цифрового та аналогового сигналів фотоелектричного датчика швидкості

4. Визначити передавальний коефіцієнт аналогового сигналів  фотоелектричного датчика швидкості за допомогою формули:

(1.2)

5. Порівняти сигнали вимірювання швидкості аналогового виходу фотоелектричного датчика швидкості і тахогенератора постійного струму в динамічному режимах та зробити висновки (рис.1.7).

Рисунок 1.7 – Порівняння показників  аналогового сигналу фотоелектричного датчика швидкості і сигналу тахогенератора в динамічному режимі.

Зміст звіту

1. Назва та мета лабораторної роботи.

2. Схема лабораторного стенду.

3. Осцилограми та таблиці експериментальних даних.

4. Результати проведених розрахунків.

5. Висновки з роботи.

Контрольні питання

1. Наведіть призначення та класифікацію датчиків швидкості.

2. Яка конструкція і принцип дії електромашинних датчиків швидкості?

3. Яка конструкція і принцип дії імпульсних фотоелектричних датчиків швидкості?

4. Як розраховується швидкість обертання валу за показниками електромашинних та імпульсних датчиків швидкості?

Література: [1,2,4].

Лабораторна робота № 2

Тема. Дослідження датчиків струму і напруги.

Мета: ознайомлення з принципом роботи й структурою трансформаторних, резистивних  і заснованих на ефекті Холла  датчиків струму і напруги.

План

1. Ознайомлення з принципом роботи й структурою трансформаторних, резистивних з гальванічною розв’язкою і заснованих на ефекті Холла  датчиків струму і напруги.

2. Ознайомлення зі структурою, схемотехнікою та порядком роботи на лабораторному стенді.

3. Зняття експериментальних даних за допомогою лабораторного стенда.

4. Здобуття навичок обробки експериментальних даних вимірювання струму і напруги.

5. Складання звіту лабораторної роботи, відповіді на контрольні питання.

Короткі теоретичні відомості

Необхідність вимірювання миттєвих значень сигналів струму, напруги, потужності тощо при вирішенні різних завдань електротехніки й електромеханіки виникла з розвитком перетворювальної техніки, високоточних систем керування, систем випробувань і діагностики електричних машин. Сучасна наука і техніка висуває все більш жорсткі вимоги до засобів вимірювань. Серед них найбільш важливими є підвищення точності, швидкодії і автоматизації процесу вимірювань. Датчики застосовуються для визначення розбалансу струмів, моніторингу й діагностики ланцюгів, запуску схем захисту, виявлення відмов електроустаткування й аварійних станів різних типів навантаження. У системах керування автоматизованого ЕП найбільш широко застосовуються три типи датчиків струму та напруги: резистивні, засновані на ефекті Холла й трансформаторні; останні можуть бути використані тільки в ланцюгах змінного струму. Датчики, реалізовані на базі зазначених способів, мають свої переваги й недоліки, що визначають галузі їхнього застосування.

Резистивні датчики – недорогі, лінійні й точні. Однак їм властиві втрати, внесені в ланцюг виміру, відсутність гальванічної розв'язки, обмеження смуги пропускання частот, обумовлене паразитною індуктивністю більшості потужних резисторів, а також саморозігрів і термо ЕРС при великих струмах, що знижують точність вимірювання. Низькоіндуктивні вимірювальні резистори істотно дорожчі, але можуть бути використані для вимірювання струмів у діапазоні частот до декількох мегагерц. Для посилення або обробки напруги датчика, необхідні диференціальний підсилювач або компаратор, що володіє достатнім коефіцієнтом підсилення. Для захисту системи вимірювання резистивні датчики потребують використання гальванічної розв’язки, тобто передачі сигналу без електричного контакту. Найбільш сучасними є системи з використанням оптичної гальванічної розв’язки.  

Ефект Холла полягає в появі напруги на кінцях смужки провідника або напівпровідника, поміщеного перпендикулярно силовим лініям магнітного поля (рис 2.1). Для міді напруга Холла становить ±24 мкВ/Тл, для напівпровідника - понад ±110 мВ/Тл (з урахуванням напрямків магнітного поля й струму), що цілком достатньо для побудови промислових датчиків струму та напруги, головними перевагами яких є відсутність внесених втрат і «природна» гальванічна розв'язка. У датчиках, заснованих на ефекті Холла покращена перешкодозахищеність, оскільки відхідний сигнал – струм – пропорційний прикладеному магнітному полю, а не напруга. У порівнянні з резистивними датчиками, прилади на основі ефекту Холла мають більше вузький частотний діапазон, паразитну напругу зсуву (у деяких конструкціях), високу вартість і для роботи потребують зовнішнього джерела живлення.

На рис 2.2 схематично представлений  датчик струму на основі ефекту Холла – замкнутого типу відповідно, де Iprimaryструм у первинному ланцюзі, Isecondaryструм у вторинному ланцюзі, Voutвихідна напруга підсилювача, пропорційна струму в первинному ланцюзі. Датчики замкнутого типу (з компенсуючою обмоткою) забезпечують високу точність, у кілька разів більш широку смугу пропущення і не мають вихідного зсуву при нульовому струмі. Їхня чутливість прямо пропорційна числу витків компенсаційної обмотки.

Рисунок 2.1 – Виникнення ЕРС Холла

 Рисунок 2.2 – Датчик струму замкнутого типу

Датчики на базі трансформаторів звичайно працюють на частоті мережі (50, 60 або 400 Гц) і не можуть використовуватися в ланцюгах постійного струму. Такі датчики мають невелику вартість порівняно з датчиками заснованими на основі ефекту Холла. Трансформаторні датчики напруги працюють у режимі неробочого ходу, тобто опір вторинної обмотки . Трансформаторні датчики струму, навпаки, працюють у режимі короткого замикання, опір вторинної обмотки .

До переваг трансформаторних датчиків варто віднести відсутність внесених втрат і напруги зсуву при нульовому струмі, а також гальванічну розв'язку з високою пробивною напругою. Крім того, вони не мають потреби в додатковому джерелі живлення. Недоліком трансформаторних датчиків є насичення осердя при наявності в первинному струмі постійної складової, що приводить до деградації точності перетворення. Для вирішення цієї проблеми при виготовленні сердечника використовують матеріали з високою магнітною проникністю, що збільшує фазовий зсув у колі виміру, зменшує динамічний діапазон і термостабільність.

Опис лабораторного стенду

Лабораторний стенд складається із двох плат датчиків струму і напруги, джерела живлення датчиків (+ 5 В), знижуючого трансформатора живлення активно-індуктивного навантаження, струм і напруга якого досліджується. Крім того лабораторний стенд містить затискачі для під’єднання зовнішнього джерела живлення і навантаження. Вибір відповідного типу живлення і навантаження здійснюється за допомогою перемикання тумблерів.

Плата датчиків струму зображена на рис. 2.3

Рисунок 2.3 – Принципова схема датчиків струму

Плата датчиків струму містить:  

1. Струмовий шунт ( Ом) із підсилювачем з гальванічною розв’язкою типу HCPL7800 (рис. 2.4).

2. Трансформатор струму.

3. Датчик струму заснований на ефекті Холла LA 25-np (рис. 2.5).

 

Рисунок 2.4 – Схема виводів підсилювача з гальванічною розв’язкою HCPL 7800A

Рисунок 2.5 – Схеми ввімкнення датчика струму LA 25-np та напруги LV 20-p

Таблиця 2.1 – Характеристики датчиків струму і напруги фірми LEM

Тип датчику

Діапазон вимірювання

Номінальний вхідний струм

Вихідний струм

Точність вимірювання

Лінійність

Частотний діапазон

Напруга живлення

LA 25-np

0±36 А

25 А

25 мА

0,5 %

0,2 %

0-150 кГц

±15 В

LV 20-p

10 В–500 В

10 мА

25 мА

1 %

0,2 %

0-150 кГц

±15 В

Плата датчиків напруги містить (рис. 2.6):

1 Дільник напруги ( МОм,  кОм) із підсилювачем з гальванічною розв’язкою типу HCPL7800.

2. Трансформатор напруги.

3. Датчик напруги, заснований на ефекті Холла LV 20-p.

Рисунок 2.6 – Принципова схема датчиків напруги

Хід роботи

1. Ознайомитись зі структурою та порядком роботи на лабораторному стенді. Отримати допуск викладача для проведення роботи на стенді.

2. Зняти експериментальні дані вимірювання струму і напруги (внутрішнє джерело живлення), за допомогою трансформаторних, резистивних і заснованих на ефекті Холла датчиків. Виконати запис осцилограм проведених дослідів. Визначити середнє , діюче  значення сигналу, амплітуду , період  і частоту  напруги і струму. Дані експериментів занести до таблиці 2.2:

Таблиця 2.2 – Експериментальні дані вимірювання струму і напруги

, В

, А

, В

,  А

, В

, А

, с

, с-1

Трансформаторний

Резистивний

LEM

Дійсне значення

4. Порівняти сигнали струмів і напруги різних типів датчиків.

5. Скласти звіт з лабораторної роботи, письмово відповісти на контрольні питання за завданням викладача.

Обробка експериментальних даних

1. Визначити середнє (,) і діюче (,) значення сигналу датчиків напруги і струму можна, використовуючи масив даних записаних сигналів за формулами:

   

(2.1)

   

(2.2)

де ,  – миттєві значення напруги і струму,

– кількість точок за період сигналу.

Рисунок 2.7 – Осцилограми сигналів струму та напруги, знятих за допомогою резистивних датчиків при живлені від внутрішнього джерела

2. Розрахувати коефіцієнт несинусоідності сигналів струмів та напруги, розклавши отриманий сигнал в ряд Фур’є (див. додаток 1), використовуючи формулу:

   

(2.3)

3. Визначити передавальний коефіцієнт датчиків струму і напруги, заснованих на ефекті Холла. Коефіцієнт передачі датчика струму LA 25-np:

,

(2.4)

де  А – номінальний струм,  мА – вихідний струм (табл. 2.1)

Ом (рис. 2.5).

Коефіцієнт передачі датчика напруги LV 20-p:

,

(2.5)

де мА – номінальний струм, мА – вихідний струм (табл. 2.1)

Ом (рис. 2.6).  визначає максимальне значення вимірюваної напруги , тоді:

.

(2.1)

4. Визначити дійсне значення виміряних струмів та напруг, перемноживши значення сигналів датчиків заснованих на ефекті Холла на передавальний коефіцієнт.

5. Визначити передавальний коефіцієнт трансформаторних і резистивних датчиків струму і напруги .

Зміст звіту

1. Назва та мета лабораторної роботи.

2. Схема лабораторного стенду.

3. Осцилограми та таблиці експериментальних даних.

4. Результати проведених розрахунків.

5. Висновки з роботи.

Контрольні питання

1. Опишіть принцип роботи і характеристики резистивних датчиків струму і напруги.

2. Як використовується ефект Холла при вимірюванні струму і напруги?

3. Наведіть схеми підключення і особливості роботи трансформаторних датчиків.

4. Зробіть порівняльну характеристику використаних у лабораторній роботі датчиків.

5. Як визначити середнє і діюче значення сигналу датчиків напруги і струму?

Література [1, 2, 3, 4]

Лабораторна робота № 3

Тема. Дослідження блоку датчиків струму і напруги

Мета: ознайомлення з принципом роботи й структурою чотирьохканального блоку датчиків струму і напруги.

План

1. Ознайомлення з принципом роботи й структурою чотирьохканального блоку датчиків струму і напруги.

2. Складання схеми для вимірювання струмів та напруги трифазного асинхронного двигуна.

3. Зняття експериментальних даних.

4. Здобуття навичок обробки експериментальних даних для визначення електричних параметрів роботи АД.

5. Складання звіту лабораторної роботи, відповіді на контрольні питання.

Короткі теоретичні відомості

Необхідність вимірювання миттєвих значень сигналів струму, напруги, потужності тощо. при вирішенні різних завдань електротехніки і електромеханіки виникла з розвитком перетворювальної техніки, високоточних систем керування, систем випробувань і діагностики електричних машин. Сучасна наука і техніка висуває все більш жорсткі вимоги до засобів вимірювань. Серед них найбільш важливими є підвищення точності, швидкодії і автоматизації процесу вимірювань.

Однією з істотних складових раціональної побудови вимірювально-діагностичних комплексів (ВДК) є правильний вибір первинних перетворювачів сигналів. Так званим «бюджетним» рішенням цього питання може бути побудова вимірювального каналу напруги на основі резистивних шунтів і мікросхем гальванічної розв'язки і побудова вимірювального каналу струму на датчиках Холла. Низька вартість і простота використання датчиків роблять їх прийнятними для використання у навчальному процесі у складі ВДК. Структурна схема вимірювального комплексу зображена на рис. 3.1.

«Бюджетним» рішенням вибору АЦП для застосування в навчальному процесі може бути модуль mDAQ компанії «Холіт™ Дейта Системс», що є пристроєм збору аналогових і цифрових даних. Даний пристрій є багатофункціональним вимірювальним модулем, який підключається до ПК через інтерфейс USB 1.1. Мікросистема збору даних mDAQ містить восьмиканальний 10-ти розрядний модуль АЦП з максимальною частотою дискретизації 100 кГц, два канали ЦАП (ШІМ) ±10 В і універсальні канали дискретного В/В (ТТЛ), які індивідуально конфігуруються на введення або виведення.

Опис лабораторного стенду

Рисунок 3.1 – Структурна схема вимірювального комплексу:

БД – блок датчиків; ДН – датчик напруги; РДН - резистивний дільник напруги; ПГР – підсилювач з гальванічною розв'язкою; ДС – датчик струму; ПК – персональний комп'ютер; ПКП - підсилювач з програмованим коефіцієнтом посилення; USB – шина ПК

Технічні характеристики  блоку датчиків струму та напруги (БДСН)

Всі вимірювальні канали струму і напруги мають гальванічну ізоляцію від силових ланцюгів і від напруги живлення. Основні характеристики БДСН приведені в табл. 3.1:

Таблиця 3.1 – Характеристики БДСН

Датчик струму

Датчик напруги

Діапазон вхідних величин

-50А…0…+50А

-400В…0…+400В

Діапазон вихідних величин

-12В…0…+12В

-12В…0…+12В

Частотний діапазон

13 кГц

85 кГц

Точність вимірювань

< 2 %

< 1 %

Нелінійність

< 5 %

< 0,1 %

Вхідний опір

< 0,001 Ом

> 1 МОм

Допустима напруга ізоляції

3 кВ

1 кВ

Робочі діапазони температур

-20..+85°С

-40..+100°С

Опис схемних рішень побудови БДТН:

– Плата датчиків струму (рис 3.2) побудована на основі датчиків струму фірми Allegro MіcroSystems типу ACS750LCA-050. Датчик струму  ACS750LCA-050 виконаний на основі ефекту Холла. Характеристики датчика струму приведені в табл. 3.2

Таблиця 3.2 – Характеристики датчика струму ACS750LCA-050

Лінійний діапазон виміру

±50 А

Вхідний опір

130 мкОм

Вихідний опір

1..2 Ом

Напруга живлення

+ 5 В

Продовження таблиці 3.2

Споживаний струм

10 мА

Допустима напруга ізоляції

3 кВ

Частотний діапазон

13 кГц

Вхідна напруга

0..5 В

Напруга, що відповідає нульовому струму

2,5 В

Зсув нуля вихідної напруги

±75 мВ

Нелінійність, не більше

5 %

Точність виміру

2 %

Температурний дрейф

4,6 мкВ/°С

Рисунок 3.2 – Принципова схема 4-х канальної плати датчиків струму

– Блок датчиків напруги (рис. 3.3) базується на підсилювачах з гальванічною розв’язкою типу HCPL 7800A. Основні технічні характеристики приведені в табл. 3.3

Таблиця 3.3 Основні технічні характеристики HCPL 7800A

Частотний діапазон

85 кГц

Вхідна напруга

±200 мВ

(±300 мВ max)

Продовження таблиці 3.3

Зсув вхідної напруги, не більше

0,9 мВ

Нелінійність, не більше

0,3 %

Точність виміру

1 %

Вихідна напруга: - мінімальне

                            - середнє

                            - максимальне

1,18 В

2,39 В

3,61 В

Температурний дрейф

4,6 мкВ/°С

Напруга живлення

+ 5 В

Вхідний опір

530 кОм

Рисунок 3.3 –  Принципова схема 4-х канальної плати датчиків напруги.

Хід роботи

1. Ознайомитись з принципом роботи й структурою чотирьохканального блоку датчиків струму і напруги. Отримати допуск викладача для проведення роботи на стенді.

2. Для вимірювання струмів та напруги трифазного асинхронного двигуна, скласти схеми зображену на рис. 3.4.

3. Зняти експериментальні дані пуску, неробочого ходу і гальмування асинхронного двигуна.

4. Обробити  експериментальні дані для визначення електричних параметрів роботи АД.

5. Скласти звіт лабораторної роботи, письмово відповісти на контрольні питання за завданням викладача.

Рисунок 3.4 – Принципова схема під’єднання блоку датчиків.

Обробка експериментальних даних

На основі отриманих дослідним шляхом значень струмів і напруг (рис. 3.5) кожної фази статора будуються залежності, які характеризують роботу асинхронного двигуна. Аналіз експериментальних даних проводиться за допомогою пакета MathCAD (див. додаток А).

Оскільки дослідні дані зображені масивами, то їх обробку доцільніше проводити в дискретному вигляді.

Рисунок 3.5 – Напруги та струми фаз статора АД

Трифазна напруга розкладається на ортогональні складові:

– проекція вислідного вектора напруги на вісь Х:

; (3.1)

  •  на вісь Y:

; (3.2)

Огинаюча напруг статора, або модуль вектора напруги статора:

. (3.3)

Струм статора розкладається так само:

– проекція вислідного вектора струму на вісь Х:

; (3.4)

  •   на вісь Y:

; (3.5)

Обвідна струмів статора, або модуль вектора струму статора:

. (3.6)

Для згладжування сигналів і фільтрації випадкових сплесків необхідно застосувати стандартні функції пакета MathCAD.

Обвідні струмів і напруг статора АД зображені на рис 3.6 і 3.7:

Рисунок 3.6 – Обвідні струмів і напруг статора при прямому пуску АД

Рисунок 3.7 – Обвідні струмів і напруг статора АД при гальмуванні після відключення живлення

Споживану активну потужність можна розрахувати за формулою:

Зміст звіту

1. Назва та мета лабораторної роботи.

2. Схема лабораторного стенду.

3. Осцилограми та таблиці експериментальних даних.

4. Результати проведених розрахунків.

5. Висновки з роботи.

Контрольні питання

1. Опишіть конструкцію блоку датчиків струму та напруг.

2. Наведіть коротку характеристику обладнання лабораторного стенду.

3. Як отримати обвідні струмів і напруг статора АД, використовуючи експериментальні дані, отримані на лабораторному стенді?

4. Дайте характеристику перехідним процесам АД, що були отримані під час проведення лабораторної роботи?

Література: [1, 2, 3, 4].

Лабораторна робота № 4

Тема. Дослідження тиристорних реґуляторів постійної та змінної напруги

Мета: Дослідити схему та принцип дії тиристорного реґулятора напруги з системою вертикального керування.

План

1. Ознайомлення з параметрами та принципом дії тиристорних реґуляторів напруги.

2. Ознайомлення з структурою, схемотехнікою та порядком роботи на лабораторному стенді.

3. Зняття експериментальних даних.

4. Складання звіту лабораторної роботи, відповіді на контрольні питання.

Короткі теоретичні відомості

Тиристор є керованим напівпровідниковим діодом, якому властиві два стійких стани: відкрите, коли прямий опір тиристора дуже малий і струм у його колі залежить від напруги джерела живлення й опору навантаження, і закриті, коли його прямий опір великий і струм складає одиниці міліамперів. При зворотних напругах тиристор поводитися як звичайний діод.

Наявність керуючого електрода дозволяє відкривати тиристор. Для цього необхідно по колу керуючий електрод-катод пропустити струм керування Iк. Мінімальний струм керування, необхідний для відкриття тиристора, називається струмом випрямлення.

Таблиця 4.1 – Основні параметри тиристорів

Символ

Symbol [unit]

Параметр

Parameter

[В]

VDRM [V]

Найбільше значення зворотньої напруги. Вентиль варто вибрати за цим параметром з урахуванням можливих перенапруг

Repetitive peak off-state voltages

[А]

IT(RMS) [А]

Номінальне значення анодного струму (за період)

RMS on-state current

[А]

Максимально припустиме значення імпульсного струму за 0,02 сек., що становить

Термічна стійкість елемента

for fusing

[Вт]

PG(AV) [W]

Потужність керування

Average gate power

[В]

VT [V]

Пряме падіння напруги

On-state voltage

[мА]

IGT [А]

Керуючий струм тиристора необхідний для відмикання

Gate trigger current

[В]

VT [V]

Напруга керування тиристора

Gate trigger voltage

[А]

[mА]

Утримуючий струм тиристора, нижче якого тиристор защіпається при

Holding current

[А]

[mА]

Струм витоку у закритому стані

Off-state leakage current

[мс]

Час включення

Gate controlled turn-on time

[мс]

Час відновлення керованості після запирання

[ом]

Тепловий опір вентиля в стаціонарному режимі

Thermal resistance junction to ambient

[А/c]

[А/µs]

Максимально припустима швидкість зміни анодного струму

Repetitive rate of rise of on-state current

[В/c]

[V/µs]

Максимально припустима швидкість зміни анодної напруги при замкненому стані

Critical rate of rise of on-state voltage

Тиристорний регулятор напруги (ТРН) – пристрій призначений для перетворення змінного струму й напруги одного рівня в змінний струм і напругу іншого рівня без зміни частоти.

Два зустрічно-паралельно включених тиристори дозволяють комутирувати однофазну мережу змінного струму й реґулювати величину струму й напруги на навантаженні.

Рисунок 4.1 – Схеми тиристорних реґуляторів напруги

Якщо навантаженням є активний опір, то струм повторює за формою напругу й припиняється при зміні знака напруги на аноді (рис 4.2 а). Якщо навантаження носить активно-індуктивний характер, то форма струму в колі навантаження не повторює форму напруги, оскільки виникає ЕРС самоіндукції, що перешкоджає наростанню й спаданню струму. Тому струм протікає через вентиль деякий час після зміни знака напруги живлення (рис 4.2 б).

Кут  називається кутом реґулювання, a λ – кутом провідності, φ – кутом навантаження.

Рисунок 4.2 – Характеристика зміни напруги й струму тиристорного реґулятора напруги: а) при активному навантаженні, б) при активно-індуктивному навантаженні

Імпульсні способи реґулювання можна розділити на:

  1.  реґулювання зі зміною кута відмикання або запирання тиристорів, реґулювання зі зрушенням за основною гармонікою;
  2.  реґулювання без порушення симетрії кривої;
  3.  широтноімпульсне реґулювання;
  4.  комбіновані способи реґулювання.

 До основних переважелів ТРН слід віднести низьку вартість тиристорів (порівняно йз транзисторами), простоту і надійність реґуляторів і схем керування. Основними недоліками тиристорних реґуляторів є використання одноопераційних вентилів і пов'язаний із цим низький коефіціент потужності й наявність вищіх гармонік вихідної напруги. Причому коефіцієнт потужності зменшується із збільшенням глибини реґулювання напруги.

Для керування роботою тиристорів використовуються різні схеми, що забезпечують відкривання тиристора у визначений момент часу.

Після відкривання тиристора  коло керування не впливає на його стан, тому керування тиристором може здійснюватися імпульсами невеликої тривалості (сотні мікросекунд), що дозволяє спростити схеми керування й знизити потужність на керуючому електроді.

Існує кілька методів керування тиристорами: амплітудний, фазовий, фазо-імпульсний тощо.

Одним з видів фазо-імпульсного методу є так зване вертикальне керування. Воно полягає в тому, що на вході генератора імпульсів здійснюється порівняння (рис. 4.3) постійної напруги (1) і пилкоподібної напруги (2), період якої дорівнює напівперіоду мережі живлення. У момент рівності цих напруг генерується імпульс (3) керування тиристором. Змінна за величиною напруга може мати синусоїдальну, трикутну чи пилкоподібну (рис 4.3) форму. Зміна моменту виникнення керуючого імпульсу, тобто зрушення його фази, може здійснюватися трьома різними способами: зміною швидкості наростання змінної напруги, зміною його початкового рівня й зміною величини постійної напруги (1а).

Рисунок 4.3 – Часові діаграмами роботи СІФК

Структурна схема системи вертикального керування наведена на рис. 4.4. Вона включає блок синхронізації (БС) який керує генератором пилкоподібної напруги (ГПН), і запускає його в момент появи на тиристорі прямої напруги, системою порівняння (СП), який порівнює величину напруги керування Uкер.  і пилкоподібної напруги з виходу ГПН. У момент рівності цих напруг формувач імпульсів (ФІ) генерує імпульс напруги керування, який підсилюється в блоці вихідного підсилювача (БВП) і через гальванічний розв'язок поступає на керуючий електрод тиристора.

Рисунок 4.4 – Структурна схема системи вертикального керування

Опис лабораторного стенду

Стенд виконано з однією системою, яка керує тиристорами, що можуть перемикатись зі схеми однофазного тиристорного реґулювання змінної напруги (рис. 4.5, а) в схему однофазного двохнапівперіодного випрямляча (рис. 4.5, б).

а)

б)

Рисунок 4.5 – Схема силової частини стенду: а) включення у схему однофазного тиристорного перетворювача змінної напруги; б) включення у схему двохнапівперіодного випрямляча

Розглянемо один канал системи імпульсно-фазового керування, реалізований у лабораторному стенді.

Блок синхронізації (рис. 4.6) виконаний на основі мікросхеми гальванічної розв'язки типу H11L1, що входами 1 і 2 через вхідний опір  підє’днана до мережі живлення. Вхідний опір розраховується виходячи з номінального струму гальванічної розв'язки  за формулою , де  – вхідна напруга синхронізації тиристорів. Потужність вхідного опору дорівнює: . До 6 виходу мікросхеми H11L1 приєднано джерело живлення і опір  підтяжки вихідного сигналу до логічної одиниці. Вихідний сигнал синхронізації (рис. 4.6) з 4 ніжки розв'язки подається на керуючий електрод транзистора генератора пилкоподібної напруги (ГПН).

а)

б)

Рисунок 4.6 – Принципова схема а) і часові діаграми роботи, б) блоку синхронізації

ГПН складається із конденсатора і опору , параметри яких визначають період генерованого ШІМ сигналу , причому період  повинен перевищувати половину періоду напруги мережі  с. Система імпульсно-фазового керування реалізована на мікросхемі TL494 порівнює величину напруги ГПН і напруги завдання, яку формує керуючий резистор . В момент рівності напруг у мікросхемі TL494 відмикається вмонтований транзистор між виводами , запалюючи гальванічну розв’язку  блоку вихідного підсилювача (БВП). Підсилювач імпульсів виконано з використанням силової оптотранзисторної розв’язки з живленням від DC/DC перетворювача. Струм гальванічної розв’язки обмежується опором . Відкрита гальванічна розв’язка замикає коло керуючого електрода тиристора, струм якого обмежується опором .

Рисунок 4.7 – Принципова схема тиристорного реґулятора напруги

Захист тиристорів від перевантаження за напругою, обумовленого процесами комутації в схемі реґулятора, можливий завдяки включенню паралельно вентилю додаткових захисних RC ланцюгів (снаберів). Захисну ємність  обирають виходячи, з умови забезпечення допустимої швидкості зміни зворотної напруги, за формулою:

Де  – максимальний анодний струм перед комутацією,

– найбільше значення зворотної напруги.

Опір  вибирається на напругу заряду захисного конденсатора і необхідну потужність розсіюваної енергії. Величина  обмежується знизу допустимою амплітудою струму ввімкнення тиристора, а зверху – швидкістю повного розряду  впродовж відкритого стану тиристора: 

Хід роботи

1. Ознайомитись зі структурою та порядком роботи на лабораторному стенді. Отримати допуск викладача для проведення роботи на стенді.

2. Підє’днати до затискачів тиристорного реґулятора напруги блок датчиків. Зняти експериментальні дані реґулювання напруги для різних кутів керування тиристорами. Виконати запис осцилограм проведених дослідів. Визначити середнє , діюче  значення сигналу, амплітуду , період  і частоту  напруги і струму. Дані експериментів занести до таблиці 4.2:

Таблиця 4.2 – Експериментальні дані вимірювання струму і напруги

α

, В

, А

, В

,  А

, В

, А

, с

, с-1

Рисунок 4.8 – Осцилограми сигналів струму та напруги, знятих за допомогою резистивних датчиків при живленні від зовнішнього джерела при реґулюванні напруги.

3. За отриманими експериментальними даними побудувати реґулювальну характеристику ТРН

4. Скласти звіт лабораторної роботи, письмово відповісти на контрольні питання за завданням викладача.

Зміст звіту

1. Назва та мета лабораторної роботи.

2. Схема лабораторного стенду.

3. Осцилограми та таблиці експериментальних даних.

4. Результати проведених розрахунків.

5. Висновки щодо роботи.

Контрольні питання

1. Охарактеризуйте сферу застосування ТРН в автоматизованому електроприводі.

2. У чому заклечається принцип вертикального керування тиристорами?

3. Поясніть принцип дії блоку синхронізації.

4. Яким чином здійснюється захист тиристора від перенапруг?

5. Поясніть принцип роботи СІФУ побудованого на мікросхемі TL494.

Література: [1, 5, 6, 7, 8].


СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1

Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 224 с.

2

Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления. Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2002. – 384с.

3

Дорожовець М.М. Уніфікуючі перетворювачі інформаційного забезпечення мехатронних систем: Навч. Посібник / М.М. Дорожовець, О.В. Івахів,
В.О. Мокрицький. – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2009. – 304 с.

4

Ткачук В.О. Електромеханотроніка: Підручник. – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2006. – 440с.

5

Чиженко И.М. Справочник по преобразовательной технике. К., «Техніка», 1978. – 447 с.

6

Основы промышленной электроники / Руденко В.С., Сенько В.И., Трифонюк В.В. – К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985. – 400 с.

7

Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника Москва: Техносфера, 2006. – 632 с.

8

Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Издательский дом Додэка – XXI, 2005. – 384 с


Додаток
А

ПРИКЛАД ОБРОБКИ СИГНАЛІВ У МАТЕМАТИЧНОМУ ПАКЕТІ MATHCAD:

//- завантаження текстового файла Pusk pram.txt (Insert Component File Read or Write Read from a file указується шлях до файла Готово)//

 // – Визначення довжини матриці текстового файлу

// – Визначення діапазону обчислення змінних

    //коефіцієнти датчиків напруги й струму статора АД

    

//виділення стовпців із загальної матриці А, що відповідають фазним струмам і напругам АД

Побудова графіків сигналів

Рисунок 1 – Осцилограми струмів  та напруг  пуску АД

Рисунок 2 – Осцилограми струмів  та напруг  неробочого ходу АД

Рисунок 3 – Осцилограми струмів  та напруг  при гальмуванні АД

 – проекція вислідного вектора напруги і струму на вісь Х

  –  проекція вислідного вектора напруги і струму на вісь У

   – огинаюча напруг і струмів статора, або модуль вектора напруги і струму статора АД.

Рисунок 4 – Обвідні струмів і напруг статора при пуску АД

Рисунок 5 – Обвідні струмів і напруг статора гальмуванні АД

Визначення інтегральних показників за період сигналів:

 – ефективне значення напруги і струму статора

 

 – середнє значення напруги і струму статора АД

 


Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної ди
сципліни Елементи електроприводу та тренажери електромеханічних комплексів для студентів денної та заочної форм навчання за напрямом  
6.050702 – “Електромеханіка” (у тому числі скорочений термін навчання).

Укладачі:  к.т.н., доц. А.П. Калінов,

асист. О.В. Скрипников,

   асп. В.О. Мельников,

  асп. О.В. Прітченко

Відповідальний за випуск зав. кафедри САУЕ   Д.Й. Родькін

Підп. до др. ____________. Формат 6084 1/16. Папір тип. Друк ризографія.

Ум. друк. арк. __________. Наклад_____прим. Зам № _____. Безкоштовно.

Видавничий відділ КНУ імені Михайла Остроградського

39600, м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20

PAGE  3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58845. Формула тонкої лінзи 78 KB
  Яке зображення дає збиральна лінза Запишіть формулу оптичної сили лінзи. Оскільки ми дещо повторили то можемо з вами почати розглядати сьогоднішню тему формула тонкої лінзи. Визначаємо що відстань від предмета до лінзи будемо надалі позначати d а відстань від зображення до лінзи f.
58846. Франко Іван - поет боротьби і протиріч 59.5 KB
  Тип уроку: урок дослідження з елементами рольової гри. Внучка: Бабуся а що це сьогодні так багато людей зібралось Бабуся: Зібралося щоб вшанувати пам’ять письменника класика Івана Франка. Внучка: Знать і Івана Франка в світі Бабуся...
58848. СОЦИАЛЬНАЯ СФЕРА МУНИЦИПАЛЬНОГО СЕКТОРА 2.04 MB
  Функционирование всего государственного механизма экономики служит достижению социальных целей. Деятельность муниципального сектора заключается в реализации общегосударственной социальной политики через муниципальные образования. Все слои общества являются в большей или меньшей степени социальными или экономическими клиентами муниципальных образований
58849. Інтелектуальна гра «У колі сімї» 64.5 KB
  Мета. Поглибити знання учнів з різних предметів; розвивати память, логічне мислення, уміння швидко знаходити правильну відповідь; виховувати інтерес до оволодіння знаннями, повагу, почуття товариськості.
58850. Мероприятия направленные на формирование и подготовку кадрового резерва филиала ОАО «Иркутскэнерго» ТЭЦ-6 717 KB
  Исследовать содержание и процедуры процесса формирования кадрового резерва, изучить принципы и технологию работы с ним; Выполнить анализ структуры персонала предприятия; Разработать рекомендации по формированию и подготовки кадрового резерва.
58851. Локальная вычислительная сеть производственного кооператива «Протон» 6.2 MB
  Система должна выдерживать все нагрузки, предоставлять быстрый доступ к информации. Время восстановления системы не должно составлять более одного часа. Каждый день должны создаваться резервные копии информации на сервере. На сервере должен присутствовать ИБП для защиты от скачков электроэнергии, и системы пожаротушения.
58853. Година спілкування на тему: Щастя. Як його досягти? 83.5 KB
  Мета: допомогти учням зрозуміти складну філософську категорію щастя дати можливість упевнитися їм що досягнення щастя залежить від їхніх особистих зусиль виховати людяність працьовитість. Вихователь: Нашу годину спілкування я хотіла б почати віршем Щастя...