 |
|
Система электропитания.
Системы электропитания предназначены для обеспечения блоков УЧПУ необходимыми напряжениями питания с учетом величины потребления тока как отдельными блоками, так и устройством ЧПУ в целом. Основными требованиями к системе электропитания являются:
n надежность работы в течение заданного интервала работы, как правило, 24 часа в сутки,
n обеспечение требуемых параметров электропитания при предельных изменениях режимов работы потребителей,
n обеспечение защиты потребителей при авариях в сети и в самих потребителях,
n индикация состояния источников энергии,
n удобство ремонта, обслуживания и ликвидации аварийных ситуаций.
Типовая структурная схема системы электропитания представлена на рис.5.7. Схема включает:
n входное коммутационно-предохранительное устройство КПУ,
n сетевой фильтр СФ,
n силовой блок СБ с внутренней схемой включения,
n блок стабилизаторов,
n схема защиты,
n схема индикации.
Входное коммутационно-предохранительное устройство предназначено для общего подключения УЧПУ к питающей сети и предохранения от аварийных ситуаций типа коротких замыканий в системе электропитания УЧПУ, в основном, входной части системы. КПУ обычно представляет собой подобранный по номинальному току потребления автоматический выключатель или расцепитель.
Сетевой фильтр предназначен для фильтрации высокочастотных импульсных помех в питающей сети. Принципиальное устройство сетевого фильтра приведено на рис.5.8. Характерной особенностью принципиальной схемы СФ является наличие проходной емкости С1, в которой одна из обкладок конденсатора является распределенным токоведущим элементом, что значительно снижает уровень высокочастотных импульсных помех.
Силовой блок предназначен для получения автономных, гальванически развязанных между собой питающих напряжений, из которых впоследствии с помощью стабилизаторов формируются требуемые напряжения питания блоков УЧПУ. Силовые блоки выполняются в двух видах: трансформаторные и бестрансформаторные. Трансформаторный силовой блок представляет собой многообмоточный силовой трансформатор, мощность которого с учетом КПД равна суммарной мощности всех потребителей. Рабочая частота трансформатора, как правило, равна частоте питающей сети, т.е. 50 Гц (60 Гц) для экспортных вариантов УЧПУ. Схема трансформаторного СБ приведена на рис. 5.9. Число выходных обмоток трансформатора равно числу автономных питающих напряжений УЧПУ. Трансформаторный СБ прост по конструкции и удобен в эксплуатации, кроме того его мощная магнитная система является хорошим дополнительным фильтром высокочастотных помех, однако такой СБ имеет крупный недостаток - большая масса и габариты вследствие низкой рабочей частоты. Последнее также снижает общий КПД силового блока. По этим причинам в последних моделях УЧПУ используются бестрансформаторные силовые блоки. Их конструктивной особенностью является наличие схемы перемодуляции напряжения питающей сети с целью получения более высокой рабочей частоты. Структурная схема бестрансформаторного СБ приведена на рис.5.10. СБ включает:
n высоковольтный выпрямитель ВВ,
n интегратор И,
n модулятор М,
n выходной трансформатор ВТ.
Высоковольтный выпрямитель преобразовывает входное сетевое напряжение 220 или 380 в 50Гц в постоянное напряжение. В зависимости от числа фаз входного напряжения ВВ представляет собой либо обычную мостовую схему - для однофазного входного напряжения либо схему Ларионова - для трехфазного.
Интегратор представляет собой обычный низкочастотный фильтр типа С или LC.
Модулятор представляет собой мощный генератор (мультивибратор) высокой частоты - обычно в районе 20 Кгц. Форма сигнала близка к гармонической.
Нагрузкой модулятора служит высокочастотный многообмоточный трансформатор ВТ. Число выходных обмоток также равно числу питающих напряжений УЧПУ, однако благодаря высокой рабочей частоте габаритные и массовые характеристики трансформатора как по магнитной системе так и по обмоткам значительно (примерно на два порядка) ниже по сравнению с трансформаторным СБ.
Составной частью обоих видов СБ является схема включения, чаще всего выполняющая две функции: включения и выключения УЧПУ и выходного элемента схемы защиты. Работу этого элемента рассмотрим ниже в разделе работы схем защиты и индикации.
Иногда в состав СБ включают и низковольтные выпрямители с фильтрами для получения входных напряжений стабилизаторов.
Блок стабилизаторов предназначен для получения питающих напряжений для УЧПУ с заданными параметрами по амплитуде напряжения, току потребления и коэффициенту стабилизации. Число стабилизаторов равно числу автономных (не связанных через нагрузку) напряжений питания блоков УЧПУ. В УЧПУ используются стабилизаторы трех типов:
n параметрические,
n компенсационные,
n импульсные.
Параметрические стабилизаторы. Принципиальная схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 5.11. Принцип работы такого стабилизатора заключается в следующем. При увеличении напряжения на входе стабилизатора U вх. ток, протекающий через стабилитрон, резко увеличивается (в соответствии с входной характеристикой стабилитрона), что приводит к увеличению падения напряжения на гасящем сопротивлении R1 и это увеличение напряжения вычитается из входного, оставляя таким образом неизменным напряжение на выходе стабилизатора. Вместо гасящего резистора может быть использован мощный транзистор, работающий в усилительном режиме (см. рис. 5.11.б. Основным недостатком параметрических стабилизаторов является малый коэффициент стабилизации из за небольшого предела изменения тока стабилизации регулирующего стабилитрона. Более качественным с этой точки зрения являются компенсационные стабилизаторы.
Компенсационные стабилизаторы. Принципиальная схема компенсационного стабилизатора показана на рис. 5.12. Принцип работы такого стабилизатора заключается в компенсации изменения входного напряжения стабилизатора путем изменения падения напряжения на регулирующем элементе. Стабилизатор включает следующие элементы:
n регулирующий элемент на транзисторах V1, V2,
n датчик выходного напряжения на делителе R5...R7,
n датчик опорного напряжения на маломощном параметрическом стабилизаторе R1, D1,
n усилителе на транзисторе V2,
n схема защиты от короткого замыкания на транзисторах V3,V4,
n схема защиты от перенапряжения на тиристоре D2,
n схема индикации на светодиоде D3,
n датчик наличия выходного напряжения на оптроне V5.
Работает схема следующим образом. Выходное напряжение стабилизатора, снимаемое с делителя R5...R7 сравнивается с опорным напряжением на переходе эмиттер - база транзистора V2, с коллектора которого управляющее напряжение поступает на базу регулирующего транзистора V1. Величины опорного напряжения и коэффициент деления делителя подбираются таким образом, чтобы обеспечить на выходе стабилизатора номинальное напряжение. При отклонении напряжения на выходе стабилизатора, например, вследствие изменения нагрузки, возникающая на переходе эмиттер - база транзистора V2 разность напряжений усиливается (или уменьшается), регулируя тем самым ток базы транзистора V1, что в свою очередь компенсирует возникшее отклонение выходного напряжения от номинального. Вспомогательные узлы стабилизатора работают следующим образом.
Защита от короткого замыкания. При коротком замыкании в нагрузке резко возрастает ток стабилизатор и увеличивается падение напряжения на резисторе R2, которое через резистор R3 открывает транзистор V4, что в свою очередь приводит к открыванию транзистора V3. Таким образом опорное напряжение падает до нуля, и по изложенной выше схеме выходное напряжение стабилизатора снижается до нуля. После устранения короткого замыкания работа стабилизатора автоматически восстанавливается.
Защита от перенапряжения. Предназначена для защиты стабилизатора и потребителя от большого напряжения в питающей сети, т.е. напряжения такого уровня, которое не может быть компенсировано работой стабилизатора, вследствие определенного диапазона его работы. В рабочем режиме стабилизатора тиристор D2 закрыт, что достигается подбором резистора R8. При значительном превышении входного и, как следствие, выходного напряжения тиристор открывается и из за короткого замыкания в стабилизаторе перегорает плавкий предохранитель F1.
Индикатор наличия выходного напряжения реализован на светодиоде D3, который конструктивно расположен на панели блока питания УЧПУ.
Датчик наличия выходного напряжения необходим для работы общей системы защиты блока питания УЧПУ. Если выходное напряжение находится в пределах допустимых значений через входной светодиод оптрона V5 течет ток, достаточный для работы светодиода и обеспечивающий соответствующий ток в выходном фотодиоде оптрона. При отсутствии выходного напряжения или его недостаточной амплитуде светодиод оптрона не работает а фотодиод заперт, что дает соответствующий сигнал в систему защиты.
Конструктивное исполнение компенсационных стабилизаторов может быть различным, в частности, для увеличения выходного тока стабилизатора применяются более мощные составные транзисторы, в качестве усилителей в схемах сравнения и схемах защиты от коротких замыканий могут применяться различные интегральные схемы и т.п., что упрощает конструкцию, улучшает качество стабилизации, упрощает настройку.
Однако компенсационные стабилизаторы обладают одним весьма существенным недостатком - низким КПД, что объясняется наличием регулирующего элемента, работающего в усилительном режиме. В этом случае разность между входным напряжением и выходным должна гаситься регулирующим элементом, что приводит к перегреву последнего и необходимости эффективного отвода тепла. Поскольку для устойчивой работы стабилизатора разность напряжений должна быть как можно большей, КПД таких стабилизаторов не превышает 40...50 %, поэтому компенсационные стабилизаторы применятся в тех случаях, когда ток потребления не превышает 1...2 А. Для построения стабилизаторов с большими токами потребления хорошо зарекомендовали себя импульсные стабилизаторы.
Импульсные стабилизаторы.Принцип работы импульсного стабилизатора заключается в том, что его регулирующий элемент в виде одного мощного или составного транзистора работает в ключевом режиме, т.е. он либо полностью закрыт и через него не течет ток, либо полностью открыт, в этом случае на нем минимальное падение напряжения, вследствие чего незначительное выделение тепла и довольно высокий до 96% КПД. Выходное напряжение регулирующего элемента представляет собой серию импульсов, имеющих амплитуду входного напряжения, для получения требуемого выходного напряжения стабилизатора специальной схемой изменяется длительность выходных импульсов, которые после интегрирования и фильтрации превращаются в постоянное напряжение требуемого номинального значения. Функциональная схема импульсного стабилизатора показана на рис. 5.13. Стабилизатор включает:
n регулирующий элемент на мощных транзисторных ключах,
n маломощный параметрический стабилизатор МПС,
n схема сравнения СС,
n нульорган НО,
n генератор пилообразного напряжения ГПН,
n датчик напряжения ДН,
n интегратор И,
n фильтр высоких частот ВЧФ,
n фильтр низких частот НЧФ.
Работает схема следующим образом. Входное напряжение в виде постоянного напряжения с амплитудой несколько большей, чем выходное напряжение, подается на регулирующий элемент и на маломощный параметрический стабилизатор, в задачу которого входит обеспечение питанием остальных узлов стабилизатора. Из него же с помощью еще одного параметрического стабилизатора ПС формируется опорное напряжение. Разность опорного напряжения и напряжения с датчика ДН, полученная на схеме сравнения СС, подается на один вход нульоргана НО, на второй вход которого подается пилообразное напряжение с ГПН. Момент срабатывания нульоргана в данном случае зависит от величины разности опорного и выходного напряжений ( Uн, U + и U- ) как показано на циклограмме, приведенной на рис. 5.14. Поэтому на выходе нульоргана получим импульсы, длительность которых зависит от разности входного и выходного напряжений стабилизатора и при увеличении этой разности длительность импульсов увеличивается и наоборот. Поскольку нульорган напрямую управляет регулирующим элементом соответственно будет меняться длительность импульсов на выходе регулирующего элемента, а после интегратора и фильтров будет меняться и напряжение на выходе стабилизатора. Датчик выходного напряжения ДН обычно представляет собой регулируемый делитель, поэтому с его помощью можно в широких пределах менять длительность выходных импульсов регулятора и соответственно выходного напряжения. Обычно импульсные стабилизаторы дополняются вспомогательными схемами, аналогичными рассмотренным выше, т.е. защитой от коротких замыканий, от перенапряжений и т.п. В современных стабилизаторах часто отдельные элементы стабилизатора выполняются в виде интегральных микросхем. Так, например, микросхема типа К142ЕП1 уже имеет в своем составе такие узлы как датчик опорного напряжения, схему сравнения, нульорган, схемы защиты, что значительно упрощает разработку и изготовление импульсных стабилизаторов, так для их создания в таком случае достаточно подключения мощных ключей в качестве регулирующего элемента и установки соответствующих фильтров.
Схема защиты. Предназначена для отключения УЧПУ от питающей сети при каких либо нарушениях в системе электропитания, например, при выходе их строя одного из стабилизаторов. На рис.5.15. показан пример реализации схемы защиты. Схема состоит из:
n независимого маломощного источника питания НИП,
n контактора К,
n ключа на транзисторе V1,
n датчиков выходных напряжений стабилизаторов ФД1.....ФДn.
Как видно из рисунка схема защиты в данном случае совмещена со схемой пуска УЧПУ. Работает следующим образом. При нажатии кнопки «Пуск» включится контактор К и на силовой блок (рис. 5.9.) будет подано входное напряжение, что приведет к работе стабилизаторы. Если все стабилизаторы исправны, то будет замкнута цепь из последовательно включенных фотодиодов датчиков выходного напряжения стабилизаторов, транзистор V1 откроется и будет поддерживать ток в катушке контактора после отпускания кнопки «Пуск». При неисправности любого стабилизатора при первичном включении или в процессе работы, цепь фотодиодов разорвется, транзистор V1 закроется, катушка контактора обесточится и система электропитания УЧПУ отключится. Нажатие кнопки «Стоп» позволяет при необходимости выключить УЧПУ при исправной схеме защиты.
Схема индикации. Предназначена для визуального наблюдения за состоянием элементов системы электропитания. Обычно схема индикации включает в себя:
n индикаторы наличия напряжений на выходах стабилизаторов,
n индикатор наличия сетевого питания,
n индикатор включения УЧПУ,
Индикаторы наличия напряжений со стабилизаторов конструктивно расположены либо на лицевых панелях стабилизаторов, либо на отдельных индикационных панелях, доступных, как правило, только наладчикам УЧПУ. Индикаторы сетевого питания чаще всего в виде газоразрядных индикаторов, располагаются всегда на видном, доступном оператору УЧПУ, месте и сигнализируют о наличии напряжения в питающей сети, чаще всего говорят о необходимости включить входной расцепитель станка.
Индикатор включения УЧПУ, также располагается на видном оператору месте и позволяет судить о состоянии УЧПУ в данный момент времени.
Иногда в состав индикации входят дополнительные индикаторы, позволяющие судить о работоспособности УЧПУ или отдельных элементов. Например, на рис.5.16. показан способ индикации при выходе из строя плавких предохранителей: при исправном предохранителе на входах индикатора нулевое напряжение и он не горит. При перегорании плавкого предохранителя на входах индикатора появляется номинальное значение напряжения и индикатор загорается. Возможна установка и других индикаторов состояния системы электропитания, например, состояния схемы защиты и т.д.