169

L8. Studiul regulatoarelor unificate pentru procese rapide

1. Obiectul lucrării În lucrare se studiază regulatoarele unificate pentru procese rapide tip IBR-5 și IBR-8M și sunt prezentate, de asemenea, regulatoarele IBR-1, IBR-3M și IBR-4M, care fac parte din sistemul unificat modular de automatizare destinat comenzii convertizoarelor de curent continuu cu tiristoare. 2. Caracteristici constructive și funcționale Regulatoarele IBR (I - circuite integrate, BR- bloc de reglare) prelucrează semnale de referință și de măsură și elaborează comenzi ce se aplică blocurilor de comandă pe grilă, care la rândul lor, acționează asupra convertizoarelor cu tiristoare ce constituie elementele de execuție pentru sistemele de reglare.

Semnalele de intrare și de ieșire ale blocurilor de reglare IBR sunt semnale unificate, tensiuni continue în gama -10 V... 0 ...+10 V. Regulatorul IBR-4M este universal putând realiza, prin alegerea corespunzătoare a elementelor de circuit din rețeaua de corecție, diferite legi de reglare. Celelalte regulatoare sunt specializate pentru diferite aplicații. Funcționarea regulatoarelor poate fi blocată prin scurtcircuitarea circuitelor de reacție cu ajutorul unor tranzistoare cu efect de câmp.

De asemenea, funcționarea adaptivă a blocurilor IBR-3M și IBR-5 poate fi anulată prin comenzi exterioare. Pe panoul frontal al plăcilor pe care se realizează blocurile IBR se găsesc borne de testare, potențiometre de reglaj și/sau LED-uri de semnalizare. Unele regulatoare au circuite de filtrare pe canalele referinței și ale măsurii și circuite de limitare pe reacția amplificatoarelor operaționale.

170

2.1. Blocul de reglare IBR-1 Blocul de reglare IBR-1, prezentat în figura 1, conține un regulator PI și două regulatoare P și se utilizează de obicei, în schemele cu convertizoare de curent continuu reversibile cu curenți de circulație.

Fig.1. Blocul de reglare IBR-1

171

Regulatorul PI, realizat cu amplificatorul operațional 3P este de tip PI cu filtrare, având funcția de transfer:

fiRR sT1

1sT11K)s(G

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

(1) unde:

1716

19R rr

r1K+

=α

719i CrT = .CrT 816f = (2)

RK se modifică prin poziția cursorului potențiometrului 23r , prin parametrul α ∈[0,1...1,0]. Parametrii definiți de relațiile (2) se referă la intrarea 7I . În mod similar se pot defini parametrii și pentru intrările 5I și 6I . Diodele Zener 5P și 6P sunt folosite ca dispozitive antisaturație. Blocarea regulatorului se realizează prin aplicarea unei tensiuni de +15 V pe intrarea 8I ce conduce la scurtcircuitarea reacției prin tranzistorul cu efect de câmp 4P . Regulatoarele P, cu întârziere, pentru curenții de circulație, realizate cu amplificatoarele operaționale 1P și 2P au funcțiile de transfer date de relația:

Ts1K)s(G R

R += (3)

unde

1

3R r

rK =

13CrT = (4) pentru intrarea 1I .

172

Referința curentului de circulație este dată de poziția cursorului potențiometrului 22r . 2.2. Regulatorul IBR-3M Pentru adaptarea la regimul de curent întrerupt al elementului de execuție pentru un motor de curent continuu, s-a realizat regulatorul adaptiv de curent IBR-3M, prezentat în figura 2. Regulatorul adaptiv de curent IBR-3M este utilizat în special în schemele de reglare nereversibile.

Fig.2. Blocul de reglare IBR-3M

173

Structura regulatorului se modifică în funcție de amplitudinea mărimii măsurate (reacția de curent), putând fi cu lege de reglare I sau PI prin comanda tranzistoarelor cu efect de câmp 6P și 8P de către elementul neliniar de comparație realizat cu amplificatorul operațional 4P și tranzistoarele în regim de comutație 9P și 10P . La valori măsurate mai mici decât pragul impus prin 3r , tranzistoarele cu efect de câmp 6P și 8P sunt blocate și dacă se respectă condiția 2615 CrCr = , rezultă un regulator I cu funcția de transfer:

sT1

sCr11

sCr11K)s(G

i2615RR ≅

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= (5)

La valori măsurate mai mari decât pragul impus prin 3r , tranzistoarele cu efect de câmp 6P și 8P sunt în conducție și legea de reglare realizată de regulator este PI după funcția de transfer:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

sCr11

)rr(r

sT11K)s(G

1554

9

iRR α

(6)

unde α ∈[0,1...1,0] și depinde de poziția cursorului lui 1r . Funcția de adaptare poate fi anulată prin aplicarea unei tensiuni de +15 V pe intrarea 4I . 2.3. Blocul de reglare IBR-4M Blocul conține două regulatoare cu amplificatoare operaționale, care printr-o alegere corespunzătoare a elementelor de circuit din rețeaua de corecție pot realiza diferite legi de reglare. Schema unui astfel de amplificator, cu circuit de corecție în T, este dată în figura 3. Prin introdu-cerea în circuitul de reacție a unor impedanțe între punctele 1-2, 3-4 și 5-6 se pot obține diferite legi de reglare în funcție de aplicația dorită.

174

Fig.3. Schema regulatorului din IBR-4M Blocul antisaturație își poate ajusta limitele de desaturație prin potențiometrele 1pR și 2pR . Factorul de proporționalitate se modifică prin

potențiometrul pR . Blocul mai conține un inversor. De obicei blocul de reglare IBR-4M se utilizează ca regulator de turație realizând o lege PI. 2.4. Blocul de reglare IBR-5 Blocul de reglare IBR-5, prezentat în figura 4, ca și blocul IBR-3M, se utilizează pentru reglarea curentului, putându-se modifica structura în funcție de mărimea măsurată de curent. Legea de reglare este de tip PI, fiind obținută cu ajutorul amplificatoarelor operaționale 1P , 2P și 3P . Amplificatorul operațional 1P prelucrează mărimea de intrare după o lege integrală cu funcția de transfer:

sT1

sCR1

)s(U)s(U)s(G

i5191

1eR ==−=

α (7)

cu α ∈ [0,1...1,0] reglabil prin potențiometrul 4R .

175

Fig.4. Blocul de reglare IBR-5 Amplificatorul operațional 2P , după o filtrare a semnalelor de intrare, le prelucrează după o lege proporțională cu funcția de transfer:

R7

45

1

2eR K

RR

)s(U)s(U)s(G ==−=

β (8)

Cu ajutorul amplificatorului operațional 3P se realizează sumarea componentelor P și I și în plus un factor total de amplificare adaptabil la

176

regimul de curent întrerupt. Modificarea factorului de amplificare se face prin comanda tranzistorului cu efect de câmp 7P de către un element neliniar de comparație identic cu cel de la blocul de reglare IBR-3M. Dacă mărimea măsurată este mai mică decât pragul impus prin 1R , tranzistorul cu efect de câmp 7P este blocat. Pentru a determina funcția de transfer realizată pe amplificatorul operațional 3P , se consideră amplificatorul operațional ideal cu Vi+= Vi- și se exprimă aceste potențiale în funcție de 1eU , 2eU și Ue (fig. 4) în ipoteza

RRR 2321 == :

+++

=+⇒=−

+−

i2e1ei2ei1e V2UU0

RVU

RVU

−− =⇒=++ iei22

221110

e VUKVRRRR

U (9)

unde

221110

22RRR

RK++

=

Din relațiile (7), (8) și (9) rezultă:

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=+=

sT1KU

K21UU

K21U

iR12e1ee (10)

iar funcția de transfer realizată este:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=−=

sTK11

K2K

)s(U)s(U)s(G

iR

R

1

eR (11)

Dacă mărimea măsurată este mai mare decât pragul impus, tranzistorul cu efect de câmp 7P este în conducție și procedând ca mai

177

înainte se găsește funcția de transfer:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

′=

sTK11

K2K)s(G

iR

RR (12)

unde K' se poate modifica prin potențiometrul 2R . Funcția de adaptare se poate bloca printr-un semnal de +15 V aplicat la borna 4I . 2.5. Blocul de reglare IBR-8M Blocul de reglare IBR-8M, prezentat în figura 5, conține regulatorul propriu-zis alcătuit din amplificatorul operațional 1P împreună cu structura aferentă ce realizează o lege de reglare PI. Este utilizat ca regulator de turație. Valorile mărimilor de ieșire sunt limitate prin circuitul ce conține tranzistoarele 8P și 11P , limite ce pot fi reglate de potențiometrele 1R și 2R și reprezintă referința pentru curentul limită. Tensiunile de alimentare ale circuitului de limitare care se aplică la intrările 13I și 14I sunt dependente de un semnal exterior între limitele (0...+10 V), în mod uzual modulul reacției de turație (n), ce se aplică la intrarea 7I . Regulatorul PI poate fi blocat printr-o comandă aplicată la intrarea

5I . Resetarea condensatorului de integrare se poate face prin intrarea 12I . Mărimile de intrare sunt filtrate prin grupuri RC. Funcția de transfer realizată este următoarea:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

s)6CC(R11

RR

sT11K)s(G

54919

49

iRR α

(13)

unde α ∈ [0,1...1,0] ce se poate ajusta din potențiometrul 3R . Circuitul realizat cu amplificatorul operațional 4P realizează o dependență a tensiunii de ieșire în funcție de turație reprezentată în figura 6.

178

Fig.5. Blocul de reglare IBR-8M

Fig.6.Caracteristica realizată cu amplificatorul operațional 4P

179

Parametrii b, 1a și 2a se ajustează cu ajutorul potențiometrului 4R , conform caracteristicilor motorului de acționare. Tensiunea de ieșire a amplificatorul operațional 4P este inversată cu amplificatorul operațional 5P și trecută prin poarta realizată cu diodele 15P și 16P . Semnalul de ieșire din poartă este aplicat direct intrării 14I și inversat cu amplificatorul operațional 2P intrării 13I . Astfel se pot comanda și din exterior limitele de curent prin aplicarea unui semnal corespunzător la intrarea 7I . 3. Chestiuni de studiat

- Identificarea realizărilor constructive; - Identificarea caracteristicilor funcționale ale blocurilor de reglare; - Studiul influenței parametrilor de acord asupra comportării blocuri-

lor de reglare.

4. Modul de lucru în laborator Studiul blocurilor de reglare IBR-5 și IBR-8M se realizează cu ajutorul unui sertar în care se introduc plăcile pe care au fost realizate constructiv blocurile. Blocurile electronice de reglare, împreună cu blocurile auxiliare IBVP-2M, IBI-3 și IBCG 3 W pot fi introduse în sertar în ordinea indicată în figura 7.

Fig.7. Partea frontală a sertarului.

180

În figură sunt reprezentate și elementele de pe panoul frontal al blocurilor de reglare IBR-5 și IBR-8M. Semnalele de intrare și ieșire sunt accesibile la bornele ib care corespund ca notații cu cele din figura 4 și figura 5. De asemenea, rezistențele de pe panoul frontal prin care se ajustează diferiți parametri respectă notațiile din figura 4 și figura 5. Pentru vizualizarea răspunsurilor indiciale se mai utilizează un generator de semnal dreptunghiular, un osciloscop cu două spoturi și o sursă dublă de tensiune continuă (±10V c.c.). 4.1. Studiul blocului de reglare IBR-5 - Se ridică răspunsul indicial al regulatorului de curent PI la borna

2b fără a se aplica un semnal la borna 5b , prin introducerea unui semnal treaptă la borna 1b . - Se va urmări efectul modificării factorului de proporționalitate RK (potențiometrul 3R ) și a timpului de integrare (potențiometrul 4R ). - Se verifică modificarea factorului de amplificare (funcționarea adaptivă a regulatorului) când se aplică un semnal în limitele (0...-10 V) la borna 5b prin acționarea potențiometrelor 1R și 2R .

4.2. Studiul blocului de reglare IBR-8M - Se ridică răspunsul indicial al regulatorului de turație, la borna 1b , prin aplicarea unui semnal treaptă la bornele 3b sau 4b . - Se va urmări modificarea factorului de proporționalitate RK prin potențiometrul 3R . - Se va trasa modificarea limitelor inferioară și superioară de la ieșirea regulatorului prin potențiometrele 1R și 2R în absența unui semnal la borna 5b . - Se va trasa punct cu punct, caracterisrica )U(fU 5b2b = prin aplicarea unui semnal variabil în limitele 0...+10 V la borna 5b și se va compara cu caracteristica din figura 6.

181

- Se va urmări modificarea limitelor inferioară și superioară de la ieșirea regulatorului prin modificarea semnalului aplicat la borna 5b . 5. Prelucrarea și prezentarea datelor obținute -Se desenează schemele bloc ale blocurilor de reglare IBR-5 și IBR-8M. -Se reprezintă grafic rezultatele determinărilor experimentale de la punctele 4.1 și 4.2. -Se desenează schemele bloc ale regulatorului IBR-3M pentru cele două structuri cu legile de reglare I și PI. -Se deduc funcțiile de transfer (5) și (6) pe baza schemelor bloc determinate anterior. Bibliografie 1. Dumitrache, I., ş.a., Automatizări electronice . Ed. Did. şi Ped., Bucureşti,

1993. 2. Feştilă Cl., Regulatoare automate electronice. Îndrumar de laborator - I.P.

Cluj-Napoca, 1985.