Контрольная работа по "Физике"

14. Дайте   сравнительную опенку  электромеханического и частотно-импульсного цифровых преобразователей. Приведите их структурные схемы.

 

Свойства привода с электромеханическим преобразователем

 

Системы, в которых для питания двигателя используется электромеханический преобразователь постоянного тока, называют системами генератор – двигатель (Г–Д). Эти системы отличаются сравнительной простотой, хорошими регулировочными свойствами, не вносят помех в первичную сеть питания, поэтому, несмотря на сравнительно плохие массогабаритные показатели, применяются в промышленных установках, системах автоматики и автономных объектах.

Функциональная схема системы представлена на рис. 4.1. В ее состав входит приводной двигатель ПД, в качестве которого может быть использован неуправляемый двигатель постоянного или переменного тока. Приводным двигателем приводится во вращение якорь управляемого электромеханического преобразователя – генератора или электромашинного усилителя Г. Непосредственно к якорной обмотке генератора подключается якорная обмотка исполнительного двигателя Д. Путем изменения наряженная Uу на управляющей обмотке возбуждения генератора ОУ мы можем регулировать поток возбуждения, следовательно, и напряжение на выходе генератора, т.е. напряжение на обмотке якоря двигателя, и таким образом управлять им.

 

Рис. 4.1. Функциональная схема системы генератор – двигатель

 

Электромеханические характеристики привода, в соответствии с представленной схемой и уравнениями (2.4) и (2.6), могут быть записаны выражениями

 

 

ω=Eг/(KΦ)−Iя×Rяс/(KΦ),   ω=Eг/(KΦ)−M×Rяс/(KΦ)2.

 

Здесь обозначено: K,Φ – конструктивный коэффициент и поток, а ω,M – скорость и момент на валу двигателя;

 

Rяс=Rяд+Rяг+Rс,

 

Rяд – сопротивление якорной  цепи двигателя; Rяг – сопротивление  якорной цепи генератора; Rс – сопротивление соединительных проводов.

 

Электродвижущая сила генератора при постоянной скорости вращения без учета насыщения магнитной системы определяется соотношением

 

Eг=k1Uу,

 

где коэффициент k1 – определяет связь между э.д.с. генератора и напряжением на обмотке возбуждения. Подставляя Eг в уравнения электромеханических характеристик, получим

 

(4.1)

 

ω=k1Uу/(KΦ)−Iя×Rяс/(KΦ),

ω=k1Uу/(KΦ)−M×Rяс/(KΦ)2.

 

В соответствии с уравнениями (4.1) механические характеристики системы Г–Д имеют тот же вид, что и характеристики двигателя рис. 2.4. Отличие будет только в жесткости. Действительно, в соответствии с определением жесткость механической характеристики определяется соотношением β=∂M/∂ω. Следовательно, согласно (4.1) получим для системы Г–Д

 

(4.2)

 

β=−(KΦ)2/Rяс.

 

Так как Rяс>Rя, то механические характеристики системы Г–Д менее жесткие, чем естественные характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

 

В системе Г–Д могут быть реализованы все возможные режимы работы привода. Режим рекуперативного торможения возникает, когда напряжение генератора окажется меньше э.д.с. двигателя. При этом ток от двигателя течет к генератору, генератор переходит в двигательный режим и вращает приводной двигатель ПД, который также переходит в генераторный режим и отдает энергию в первичную сеть. В режиме динамического торможения устанавливается Uу=0, поэтому Eг=0 и обмотка генератора является как бы добавочным сопротивлением в цепи якоря двигателя. Торможение противовключением осуществляется путем реверса Uу. Однако, как мы отмечали, при реверсе могут возникнуть недопустимо большие токи в цепи якоря, поэтому необходимо ограничивать управляющее напряжение. Уравнения баланса энергии и механических характеристик для различных тормозных режимов системы Г–Д будут теми же, что и для двигателя (2.11–2.15), если в них учесть сопротивление якорной цепи и напряжение генератора.

4.1.2. Статические свойства системы  Г–Д с обратными связями

 

Для того чтобы получить электромеханические характеристики привода требуемой формы в системе Г–Д используют обратные связи по различным координатам. В данном разделе мы рассмотрим статические свойства систем с жесткой обратной связью по одной из координат.

 

Функциональная схема системы с обратной связью по току представлена на рис. 4.2. Для описания характеристик системы воспользуемся следующими уравнениями, которые следуют из рис. 4.2:

 

Uвх=U0±Uот,

 

(4.3)

 

Eг=Uвхkуk1=(U0±Uот)kуk1=(U0±kотIя)kотk1

 

где Uвх – напряжение на входе усилителя У, U0 – напряжение задания выходной координаты привода, Uот – напряжение обратной связи по току, kу, kот – передаточные коэффициенты усилителя и датчика тока соответственно, знаки ± означают положительную и отрицательную обратные связи соответственно. Подставим Eг из (4.3) во второе уравнение системы (4.1) и получим

 

ω=(U0±kотIя)kуk1/(KΦ)−M×Rяс/(KΦ)2.

 

Рис. 4.2. Функциональная схема системы Г–Д с обратной связью по току

 

Преобразуем полученное уравнение механической характеристики с учетом того, что M=IяKΦ. В результате получим

 

(4.4)

 

ω=ω0з−(Rяс±kотkуk1)/(KΦ)2×M

 

где ω0з=U0kуk1/(KΦ) – скорость холостого хода двигателя, задаваемая напряжением U0, знак «+» в данном случае означает отрицательную, а знак «–» – положительную обратные связи.

 

В соответствии с (4.4) жесткость механических характеристик системы Г–Д определяется выражением

 

(4.5)

 

β=−(KΦ)2/(Rяс±kотkуk1).

 

Выражение (4.5) показывает, что введение отрицательной обратной связи делает характеристики более мягкими по сравнению с естественной характеристикой, а положительной – более жесткими.

 

При выводе уравнения (4.4) мы не учитывали возможность насыщения канала регулирования э.д.с. генератора. Однако в реальном приводе ее значение не может превышать некоторых предельных значений – ±Eгmax, обусловленных насыщением либо усилителя, либо генератора. При известном значении Eгmax из уравнения (4.3) нетрудно найти граничные значения токов, при которых генератор выходит в насыщение при заданном U0.

 

При положительной обратной связи из (4.3) имеем

 

kуk1U0+kотk1Iяг|пос=Eгmax,

 

отсюда

 

(4.6)

 

Iяг|пос=(Eгmax−kуk1U0)/(kотkуk1),

 

и линейная область работы привода ограничится значениями токов

 

(4.7)

 

Iя∈(0,Iяг|пос).

 

При отрицательной обратной связи таким же путем получим

 

(4.8)

 

Iяг|оос=(kуk1U0−Eгmax)/(kотkуk1),

 

и линейная область работы будет ограничена значениями токов

 

(4.9)

 

Iя∈(Iяг|оос,Iп),

 

где Iп – пусковой ток двигателя при данном U0.

 

Механические характеристики системы Г–Д с учетом насыщения генератора в первом квадранте представлены на рис. 4.3, где пунктиром показана естественная характеристика, а Mг=IягKΦ.

 

 

Рис. 4.3. Механические характеристики системы Г–Д

 с обратной связью по току: а) положительной; б) отрицательной

 

Функциональная схема системы с обратной связью по скорости представлена на рис. 4.4. В данном случае э.д.с. генератора определяется соотношением

 

Eг=(U0±kосω)kуk1

 

Подставляя приведенное значение Eг в уравнение (4.2), после преобразований получим

 

(4.10)

 

ω=ω0з−M×Rяс/[(KΦ±kосkуk1)KΦ],

 

где ω0з=U0kуk1/(KΦ+kуk1kос) – скорость холостого хода, заданная управляющим сигналом, kос – коэффициент обратной связи по скорости, знак «+» соответствует отрицательной, а знак «–» – положительной обратным связям. Жесткость механической характеристики определяется соотношением

 

(4.11)

 

β=−(KΦ±kосkуk1)KΦ/Rяс.

 

Уравнение (4.11) показывает, что при отрицательной обратной связи жесткость характеристик увеличивается, а при положительной – уменьшается.

 

 

Рис. 4.4. Функциональная схема системы Г–Д с обратной связью по скорости

 

Как и в предыдущем случае найдем значение выходной координаты, при котором происходит насыщение генератора.

 

При положительной обратной связи

 

kуk1U0+kосωг|пос=Eгmax,

 

отсюда

 

(4.12)

 

ωг|пос=(Eгmax−kуk1U0)/kос,

 

и линейная область работы привода ограничится значениями скоростей

 

(4.13)

 

ω∈(0,ωг|пос).

 

При отрицательной обратной связи

 

(4.14)

 

ωг|оос=(kуk1U0−Eгmax)/kос,

 

линейная область работы будет ограничена значениями скоростей

 

(4.15)

 

ω∈(ωг|оос,ω0з).

 

Механические характеристики системы с обратной связью по скорости представлены на рис. 4.5.

 

 

Рис. 4.5. Механические характеристики системы Г–Д

 с обратной связью по скорости: а) положительной; б) отрицательной

 

Виды аналого-цифровых преобразователей

 

К электронным цифровым измерительным приборам (ЦИП) относятся приборы, не содержащие в измерительном тракте электромеханических устройств. (В дальнейшем речь будет идти только об электронных ЦИП.) Любой ЦИП состоит из входного устройства (пределы измерения, масштаб), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), устройства обработки информации и устройства индикации (вывода).

 

В зависимости от метода аналого-цифрового преобразования различают приборы с число-импульсным и поразрядным кодированием (кодоимпульсные преобразователи). Аналого-цифровые преобразователи число-импульсного кодирования основаны на. том, что аналоговая величина измеряется последовательным рядом импульсов с периодом, пропорциональным единице младшего разряда. Наиболее часто применяют АЦП с время-импульсным и частотно-импульсным преобразованиями. В АЦП с время-импульсным преобразованием для преобразования напряжения в код используется промежуточный аналоговый преобразователь напряжение — временной интервал, который в дальнейшем с помощью преобразователя интервал — код преобразуется в код, пропорциональный измеряемой величине. Приборы с АЦП частотно-импульсного преобразования напряжения в код также имеют промежуточный преобразователь напряжение — частота. Затем в преобразователе частота — код формируется код, соответствующий измеряемому напряжению. Преобразователь частота — код по сути дела представляет собой цифровой частотомер.

 

 

В приборах с АЦП поразрядного кодирования с большой скоростью определяются разрядные (весовые) коэффициенты кода. Наибольшее распространение получили АЦП с кодоимпульсным преобразованием.

 

По методу считывания, соответствующему структурной схеме АЦП, ЦИП разделяют на приборы прямого преобразования и компенсационные (с уравновешивающим преобразованием). По способу уравновешивания различают приборы со следящим и развертывающим уравновешиванием.

 

По способу осуществления процесса преобразования различают АЦП с циклическим управлением и АЦП следящего типа. В приборах с циклическим управлением отдельные фазы цикла измерения имеют строго определенную, заданную заранее последовательность, например: установка нуля всех устройств прибора, измерение, перепись информации в буферную память (вывод на индикацию), время индикации. Далее весь цикл повторяется автоматически или при повторном ручном пуске. В приборах следящего типа переход к новому измерительному циклу происходит лишь в том случае, если измеряемая величина, например напряжение, изменяется на значение, превышающее порог чувствительности прибора.

По значению измеряемой величины АЦП делят на приборы мгновенного значения и приборы с усреднением (интегрирующие приборы).

 

 

 

17. Поясните принцип действия термометров сопротивления и полупроводниковых терморезисторов. Приведите их статические характеристики и дайте им сравнительную оценку.

 

В основе работы любых температурных датчиков, использующихся в системах автоматического управления, лежит принцип преобразования измеряемой температуры в электрическую величину. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений: электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью; электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот; ониточно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности,чувствительности и быстродействия средств измерений.

 

1. Термопреобразователи сопротивления.

 

 

 

 

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (термо-резисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников иполупроводников в зависимости от температуры. Материал, из которого изготавливается такой датчик, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств иинертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всемуказанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей – медь.