L10. Studiul echipamentelor auxiliare ale sistemelor automate convenţionale pentru procese rapide 1. Obiectul lucrării constă în studierea unor elemente auxiliare, necesare implementării sistemelor de reglare automată din acţionările electrice. Sunt prezentate blocul de prescriere a referinţei IBVP-2M, blocul integrator IBI 3 şi blocul de comandă pe grilă IBCG 3W. Aceste echipamente sunt utilizate în sistemele de reglare a vitezei motorelor de curent continuu. 2. Caracteristici constructive şi funcţionale În cadrul sistemelor de automatizare a acţionărilor electrice, valoarea prescrisă pentru turaţia motoarelor de curent continuu este selectată şi formată cu ajutorul blocurilor de prescriere a referinţei. Acestea permit realizarea următoarelor regimuri de funcţionare: - prescriere manuală (potenţiometru exterior); - prescriere automată (calculator numeric cu convertor D/A); - două trepte fixe de turaţie redusă. Blocul integrator transformă semnalul treaptă aplicat la intrare într-un semnal rampă limitat la nivelul semnalului treaptă. Acest bloc realizează ajustarea pantei semnalului aplicat la intrarea regulatorului de turaţie, în cadrul sistemelor de reglare în cascadă a turaţiei unui motor de curent continuu. Blocul de comandă pe grilă formează impulsurile de comandă pe grilă a tiristoarelor, sincrone cu tensiunea reţelei şi defazate faţă de aceasta în funcţie de amplitudinea semnalului de comandă elabrat de regulator. 2.1. Blocul de prescriere a referinţei IBVP-2M Blocul de prescriere a referinţei IBVP-2M, prezentat în figura 1, poate realiza regimurile de funcţionare: prescriere manuală şi prescriere automată. Selecţia acestora se face cu ajutorul tranzistoarelor cu efect de câmp (TEC) P 13 şi P 14 prin comandă externă aplicată la intrările I 9 şi I 8 prin comutatorul K 1. 213
Fig.1. Blocul de prescriere a referinţei IBVP 2M Canalul de prescriere manuală primeşte informaţia de la potenţiometrul R 1 ce este alimentat de la o sursă de tensiune de precizie (ieşirea E 1 ) realizată cu circuitele integrate P 6 şi P 7 care livrează semnal de prescriere maximă. Celălalt capăt al potenţiometrului este legat la masă prin rezistenţa R 35, limitând în acest fel nivelul minim de turaţie. În cazul selectării regimului automat, semnalul se aplică la intrările I 4 şi I 5. Structura diferenţială a circuitului realizat cu amplificatorul operaţional P 8 permite aplicarea la intrare a unui semnal monopolar sau 214
diferenţial în gama -10V...0...+10V. Amplificatorul operaţional P 8 converteşte semnalul diferenţial în monopolar, iar amplificatorul operaţional P 9, împreună cu contactul corespunzător al releului de sens d, duce la schimbarea sensului valorii prescrise de turaţie. Comanda releului d se face pe intrarea I 6, prin comutatorul K 2. Selectarea unui canal precum şi a sensului de rotaţie este semnalizată prin diodele luminiscente L 1, L 2, respectiv L 3, L 4. Semnalele de ieşire pentru cele două regimuri se obţin la ieşirile E 2 şi E 3. 2.2. Blocul integrator IBI 3 Blocul integrator IBI 3, prezentat în figura 2, transformă semnalul treaptă furnizat de canalul de prescriere manuală a blocului de prescriere a referinţei, într-un semnal rampă limitat la nivelul treptei. IBI 3 conţine două blocuri integratoare. Semnalul provenit de la blocul de formare a valorii prescrise se poate aplica la intrările I 1 şi I 2 obţinându-se semnalul rampă limitat la nivelul treptei la ieşirile E 1 sau E 2. Cu ajutorul potenţiometrelor R 1 sau R2 se poate modifica rampa pantei. Fig.2.Blocul integrator IBI 3 215
2.3. Blocul de comandă pe grilă IBCG 3 W Acest bloc este destinat formării impulsurilor de comandă pe grilă a tiristoarelor, sincrone cu tensiunea reţelei şi defazate faţă de aceasta,la un unghi determinat de tensiunea de la ieşirea regulatorului. Schema blocului de comandă pe grilă IBCG 3 W este dată în figura 3. Fig.3. Blocul de comandă pe grilă IBCG 3 W 216
U I 2 Semnalul de comandă, obţinut la ieşirea regulatorului unificat (prezentat în lucrarea L9) şi aplicat pe intrarea I 2, este adaptat de către amplificatorul operaţional P1 cu comportare proporţională pentru comanda dispozitivelor de comandă pe grilă (DCG), realizate cu circuitele P 2, P 3 şi P 4 de tipul βaa 145. Funcţionarea sincronă a dispozitivelor de comandă pe grilă cu reţeaua este asigurată prin aplicarea la intrările I 3, I 4, şi I 5 a tensiunilor sistemului trifazat, ce apar defazate cu 60 o electrice în urmă de filtrele f 1, f 2 şi f 3 de pe intrările de sincronizare ale circuitelor P 2, P 3 şi P 4. Aceste circuite furnizează la ieşirile E 2,...,E 7 impulsuri întârziate faţă de tensiunea de sincronizare cu un unghi în funcţie de semnalul aplicat pe intrarea de comandă fază (8) şi deci în funcţie de semnalul aplicat la I 2. În figura 4 este dată caracteristica de transfer pentru semnalul de comandă al tiristoarelor α = f (U ). I 2 Fig.4. Caracteristica semnalului de comandă α = f (U ) Pentru a înţelege funcţionarea dispozitivului de comandă pe grilă, realizat cu circuitul integrat βaa 145, în figura 5 se dă schema bloc a acestui circuit. I 2 217
Fig.5. Schema bloc a circuitului βaa 145 Circuitul se compune dintr-un detector de nul, un generator de semnal rampă de tensiune (tensiune liniar variabilă), un comparator, un monostabil cu rol de memorare, un bloc logic şi două etaje de ieşire. Detectorul de nul sesizează trecerile prin zero ale tensiunii de sincronizare şi generează în aceste momente, la terminalul 16, impulsuri cu amplitudinea de 8V. Generatorul de rampă încarcă rapid condensatorul C 1, exterior capsulei βaa 145, la +8V la fiecare impuls generat de detectorul de nul pe terminalul 16 şi o lasă să se descarce prin circuitul R p 1, R 1 şi -8V, în perioada dintre două impulsuri de trecere prin zero. Această descărcare, aproape liniară, durează 10 ms pentru un impuls de sincronizare de 50 Hz. Pe terminalul 7 se obţine astfel o tensiune aproximativ liniar căzătoare. Pe durata impulsului de trecere prin zero are loc şi încărcarea condensatorului C 2 până la valoarea tensiunii de alimentare care duce la activarea monostabilului ce "aşteaptă" momentul de declanşare a impulsului de aprindere. Comparatorul are pe intrarea neinversoare semnalul rampă, iar pe intrarea inversoare tensiunea de comandă (pinul 8) a unghiului α. 218
Rampa de tensiune este descrescătoare şi atât timp cât este mai mare decât tensiunea de comandă, comparatorul nu este basculat şi monostabilul rămâne în starea de aşteptare. La egalitatea celor două tensiuni, comparatorul basculează provocând comutarea monostabilului şi descărcarea condensatorului C 2. Saltul negativ ce apare pe terminalul 2 trece spre terminalul 11 comandând blocul logic de ieşire. În acest moment apare impulsul de aprindere pe terminalul 14 sau 10. Blocul logic şi etajele de ieşire au rolul de a distribui impulsul negativ furnizat de monostabil către ieşirea 14 pe semialternanţa pozitivă a semnalului de sincronizare, sau către ieşirea 10 pe semialternanţa negativă. Dacă există impuls pe una din ieşiri, pe cealaltă ieşire tensiunea este nulă. Ieşirile fiind de tip colector în gol, apariţia impulsurilor este posibilă prin conectarea unor rezistenţe, de obicei la sursa pozitivă de alimentare. Impulsurile pot fi inhibate dacă comutatorul K, conectat la terminalul 6, este închis şi în acest fel comparatorul anulează efectul tensiunii de comandă aplicată la pinul 8 şi menţine monostabilul în poziţia de "aşteptare". Durata impulsului de aprindere se stabileşte prin constanta de timp a monostabilului. Formele de undă pentru tensiunea de sincronizare şi impulsurile de aprindere sunt date în figura 6. Fig.6. Tensiunea de sincronizare şi impulsurile de aprindere Pentru comanda unor tiristoare de putere se utilizează amplificatoare care primesc la intrare impulsuri de tensiune (+15V/0,44 ms) de la blocul de comandă pe grilă IBCG şi furnizează la ieşire impulsuri de curent (2A/0,44 ms). 219
Amplificatoarele se grupează câte 6 într-un bloc pentru a comanda o punte trifazată. Schema unui amplificator de ieşire este dată în figura 7. Fig.7. Schema unui amplificator de ieşire La intrarea amplificatorului este un circuit de dublare a impulsurilor format din diodele P 19 şi P 20. Amplificatorul este realizat în montaj Darlington. Prin aplicarea unor impulsuri pe intrările I 11 sau I 12, tranzistorii din montajul Darlington se saturează şi livrează la ieşirea E 1 un impuls de comandă. Blocarea tranzistoarelor se poate realiza prin aplicarea unui semnal "0" (0 V) la intrarea I 7. Schema de conexiuni între blocul de comandă pe grilă IBCG şi blocul cu amplificatoarele de ieşire IAE ce permite comanda unei punţi trifazate cu tiristoare, este dată în figura 8. 3. Descrierea părţii experimentale Studiul blocurilor IBVP-2M, IBI 3 şi IBCG 3W se realizează cu ajutorul unui sertar în care se introduc plăcile pe care au fost realizate constructiv blocurile. Blocurile de mai sus, împreună cu blocurile de reglare IBR 8 M şi IBR 5 se află în sertar în ordinea indicată în figura 9. 220
Fig.8. Schema de conexiuni între blocul de comandă pe grilă IBCG şi amplificatoarele de ieşire Fig.9. Partea frontală a sertarului 221
Semnale de intrare şi de ieşire sunt accesibile la bornele b. Notaţia acestora ca şi a rezistenţelor de pe panoul frontal coincid cu notaţiile din figurile 1, 2 şi 3. Pentru încercările experimentale mai sunt necesare un generator de semnal dreptunghiular, un osciloscop cu două spoturi şi un generator de semnal sinusoidal. 4. Încercări experimentale Se studiază realizarea constructivă a blocului de prescriere a referinţei IBVP 2 M, a blocului integrator IBI 3 şi a blocului de comandă pe grilă IBCG 3 W. 4.1. Blocul de prescriere a referinţei IBVP 2 M - Se studiază schimbarea celor două regimuri de funcţionare (prescriere manuală şi prescriere automată) prin acţionarea comutatorului K 1 şi indicarea lor prin LED-urile L 1 şi L 2. - Pe regim manual se verifică modificarea referinţei la borna b 1 prin acţionarea potenţiometrului R 1, pentru cele două sensuri stabilite prin comutatorul K 2 ; indicarea sensurilor este realizată prin LED-urile L 3 şi L 4. 4.2. Blocul integrator IBI 3 - Se verifică comportarea blocului prin aplicarea unui semnal dreptunghiular la bornele b 1 sau b 2 şi vizualizarea răspusului la bornele b 3 sau b 4. - Se va urmări modificarea pantei prin rezistenţele R 1 sau R 2. 4.3. Blocul de comandă pe grilă IBCG 3 W -Se aplică un semnal sinusoidal la una din bornele de sincronizare b 3, b 5 sau b 7 şi o tensiune de comandă (0... +10V) la borna b 8. -Se va urmări semnalul de comandă fază a circuitului integrat βaa 145 la borna b 1 când tensiunea aplicată la borna b 8 variază între 0... +10V. 222
-Se va urmări la una din bornele b 2, b 4 sau b 6, simultan cu tensiunea de sincronizare, deplasarea impulsului de aprindere la variaţia tensiunii de comandă aplicată la borna b 8 (tensiunea de comandă poate fi preluată de la borna b 1 a blocului de prescriere a referinţei IPVP 2 M). -Se vor determina parametrii impulsului. -Se va ridica caracteristica statică a blocului de comandă pe grilă IBCG 3 W. 5. Prelucrarea şi prezentarea datelor obţinute -Se vor trasa răspunsurile blocului integrator IBI 3 la semnal dreptunghiular. -Se vor trasa formele de undă ale blocului de comandă pe grilă IBCG 3 W (tensiunea de sincronizare şi impulsul de ieşire). Se va trasa prin puncte caracteristica statică a blocului IBCG 3 W. -Se vor explica schema de cuplare a blocului de comandă pe grilă IBCG 3 W cu blocul amplificatoarelor de ieşire pentru a realiza comanda convertizorului cu tiristoare în punte trifazată (necesitatea dublării impulsurilor). Se va realiza schema de conexiuni pentru ansamblul bloc de comandă pe grilă IBCG 3 W - bloc amplificatoare de ieşire - punte trifazată. Bibliografie 1. Dumitrache I., ş.a., Automatizări electronice. Ed. Did. şi Ped., Bucureşti, 1993. 223