Rīgas Tehniskā UniversitāteEnerģētikas un elektrotehnikas fakultāte

Industriālās elektronikas un elektrotehnikas institūts

I. Raņķis

IEVADS SPECIALITĀTĒ

RTU programma “Elektrotehnoloģiju datorvadība”

Rīga2003

1

Šī grāmata sastādīta kā mācību līdzeklis RTU programmas “Elektrotehnoloģiju datorvadība” neklātienes, vakara un dienas apmācības I kursa studentiem. Grāmata ir arī domāta jaunajiem RTU reflektantiem, lai atvieglotu mācību programmas izvēli.

Grāmata apspriesta RTU Industriālās elektronikas un elektrotehnoloģijukatedras zinātniskajā seminārā 2003. gada 4. decembrī

un novērtēta atzinīgi

Recenzents profesors J.Greivulis

2

SATURS

1. Programmas “Elektrotehnoloģiju datorvadība” studiju apraksts 4

2. Elektrotehnika kā viens no programmas stūrakmeņiem 7

3. Elektriskās tehnoloģijas un to būtība 11

3.1. Elektriskās piedziņas un kustības vadība 11

3.2. Energoelektronika un sekundārie barošanas avoti 18

3.3. Elektrotehnoloģiskās iekārtas 23

3.4. Komunālās un sadzīves elektriskās tehnoloģijas 27

4. Elektrisko tehnoloģiju automatizācijas uzdevumi un to tehniskā realizācija 32

5. Mikroprocesori un mikrokontrolleri kā galvenie automatizācijas tehniskie 37

instrumenti

Nobeigums 40

Literatūra 41

3

1. Programmas “Elektrotehnoloģiju datorvadība” studiju apraksts

Programma ir elektrotehniska ar pastiprinātu informāciju tehnoloģiju

pielietojuma apmācību.

Programma sākot ar 2003./2004.m.g. var tikt realizēta akadēmiskajā un

profesionālajā virzienos (zaros).

Akadēmiskā virziena klātienes studiju etapi ir šādi (1.zīm.) :

1 – 3 gadīgas bakalaura studijas, kuras beidz ar bakalaura darba aizstāvēšanu un

inženierzinātņu bakalaura grāda elektrozinātnē iegūšanu;

2 – pēc bakalaura grāda iegūšanas, 2 gadīgas maģistra studijas, kuras beidz ar pētnieciska

rakstura maģistra darba aizstāvēšanu un inženierzinātņu maģistra grāda elektrotehnikā

iegūšanu;

3 – pēc maģistra grāda iegūšanas, 3 gadīgas doktora studijas, kuras beidz ar pētnieciska

rakstura doktora darba (disertācijas) aizstāvēšanu un zinātņu doktora grāda iegūšanu

inženierzinātnēs elektrotehnikas nozarē vai tās apakšnozarēs.

Profesionālā virziena klātienes studiju etapi ir šādi:

1 – 4 gadīgas bakalaura profesionālās studijas, kuras beidz ar bakalaura darba ar projekta daļu

aizstāvēšanu, iegūstot bakalaura profesionālo grādu elektrotehnikā un inženiera kvalifikāciju

elektrotehnoloģiju datorvadībā;

2 – pēc bakalaura profesionālā grāda iegūšanas vai bakalaura profesionālajām studijām

pielīdzināmām studijām , 1 gadīgas maģistra profesionālās studijas, kuras beidzot aizstāv

pētnieciska rakstura maģistra darbu un iegūst maģistra profesionālo grādu elektrotehnikā;

3 – doktora studijas pēc maģistra profesionālā grāda iegūšanas.

Programmas pamatetapi ar augstākās izglītības pazīmēm ir 5 gadīgas bakalaura-

maģistra studijas akadēmiskajā zarā un 4 gadīgas bakalaura profesionālās studijas

profesionālajā zarā.

Pēc akadēmiskā bakalaura grāda iegūšanas ir iespējamas tālākas maģistra

profesionālās studijas, kas nodrošina arī inženiera kvalifikācijas iegūšanu, taču paredzēts 1

pārejas gads prakses un inženierprojekta veikšanai, un šādas izvēles gadījumā arī profesionālā

maģistra grāds var tikt iegūts 5 gados. Šis 1 pārejas studiju gads nodrošina bakalaura

4

profesionālajām studijām pielīdzināmas izglītības iegūšanu. Pāreja uz maģistra profesionālo

studiju programmu ļauj iegūt arī inženiera kvalifikāciju elektrotehnoloģiju datorvadībā.

Jāatzīmē, ka šai programmai pielīdzināmā inženiera kvalifikācija atbilst Latvijas

Republikas profesiju standarta specialitātei “Elektroinženieris”.

1.zīm. Studiju gaita programmas “Elektrotehnoloģiju datorvadība” zaros

Bakalaura akadēmisko studiju programmas apjoms ir 120 kredītpunkti (KP), no

kuriem 85 KP veltīti obligāto studiju priekšmetu apguvei, 20 – obligātās izvēles priekšmetu

apguvei , 5 KP – brīvās izvēles priekšmetu apguvei, bet gala pārbaudījumam – bakalaura

darbam atvēlēti 10 KP. Visu programmas realizācijas veidu studiju apjomu sadalījums

atspoguļots 1. tabulā.

5

Programmas “Elektrotehnoloģiju datorvadība” studiju apjomu sadalījums

1. tabula

Studiju realizācijas

veidi

Kop.KP

apjoms

Obl.

priekšm.

Obl. izv.

priekšm.

Brīvās izv.

priekšm.

Prakse Valsts

pārb.

Bakalaura akadēmiskās

studijas

120 85 20 5 - 10

Bakalaura profesionālās

studijas

160 90 26 6 26 12

Maģistra akadēmiskās

studijas

81 43 14 4 - 20

Maģistra profes. studijas 40 10 4 - 6 20

Doktora studijas 144 15 21 6 - 102

Bakalaura studijās tiek mācīti vispārtehniskie priekšmeti: matemātika kopējā 13 KP

apjomā, fizika – 8 KP apjomā, datormācība – 8 KP apjomā, kā arī ķīmija, mehānika, civilā

aizsardzība , darba drošibas priekšmeti. Bez šiem vispārtehniskajiem jāapgūst nozares

specializētie kursi: elektrotehnikas teorētiskie pamati un ķēžu teorija (11 KP), elektroniskās

iekārtas (4), energoelektronika (3), elektriskās mašīnas un piedziņas pamati (11), elektriskie

mērījumi (3), ciparu elektronika (3), elektroapgāde (2), programmēšanas valodas un

tehnoloģijas (6), regulēšanas teorijas pamatus (2). Bez tam kā obligātās izvēles priekšmetus

mācās elektronu ierīces (3), datoru pielietošanu automatizācijā (2), elektriskās piedziņas

automatizāciju (6) un padziļināti industriālo elektroniku (2). Kā brīvās izvēles priekšmeti tiek

ieteikti augstsprieguma līdzstrāvas pārvades sistēmas (2) un ražošanas procesu

automatizācijas pamati (3). Bez minētajiem tehniskajiem priekšmetiem jāapgūst arī daži

humanitāri-sociālie-ekonomiskie priekšmeti (9), kā arī svešvaloda (3).

Bakalaura darbs akadēmiskajā zarā ir saistīts ar jaunākās tehniskās informācijas

apstrādi par elektrisko tehnoloģiju automatizāciju, jauniem šo tehnoloģiju izveides

principiem, kā arī modernajām elektrotehniskajām iekārtām. Darba apjoms ir aptuveni 20-25

lpp. datorsalikumā ar shēmām, diagrammām, formulām u.t.t. Darbu publiski aizstāv katedras

pasniedzēju un pieaicināto speciālistu komisijas priekšā.

Profesionālā bakalaura darbam ir divas daļas: 1)teorētiskā, kurā iepazīstina ar kādu

elektrisko tehnoloģiju automatizācijas principu; 2)inženierprojekta, kurā šis princips tiek

realizēts shemo-tehniskajā , konstruktīvajā un projekta dokumentācijas veidā. Apjoms ir 10-

15 lpp, kas veltītas teorētiskajai daļai, kā arī principiālā elektriskā shēma un konstruktīvais

6

(montāžas) rasējums publiski demonstrējamā veidā, kā arī shēmas apraksts (10 lpp.),

nepieciešamie tehniskie aprēķini (5-7 lpp), realizācijas apraksts, tehniski-ekonomiskie

aprēķini. Kopējais paskaidrojošās daļas apjoms ir aptuveni 35 lpp intervālā 1 līnija (vai 50-60

lpp intervālā 1,5 līnijas).

Profesionālo studiju 4-ajā gadā paredzēta liela prakse 26 KP apjomā, kuras laikā

students strādā elektrotehniskā uzņēmumā, iepazīstas ar ražošanu , izstrādājumiem,

tehnoloģiju. Praksi beidzot ir jāiesniedz atskaite 15-20 lpp. datorsalikumā apjomā, kurā

jāsniedz informācija par uzņēmumu, izstrādnēm un ražojumiem, pielietoto tehniku un

tehnoloģiju, kādas pietiekami sarežģītas iekārtas tehnisko aprakstu.

Augstāk minētā apmācību gaita ir raksturīga dienas klātienes apmācības veidam.

Paredzēta arī apmācība neklātienē un vakaros. Šo bakalauru apmācību ilgums neklātienē ir 4

gadi akadēmiskajā zarā un 5 gadi – profesionālajā; apmācības ilgums vakaros ir tāds pat kā

dienas apmācības veidam, tikai ar samazinātu auditorijas stundu skaitu. Neklātienes

apmācības notiek speciālās nodarbību sesijās, bet pamatā studenti izpilda pasniedzēju

norādītus darbus, izmantojot pieejamo tehnisko un mācību literatūru. Vakara nodarbības

notiek 4 reizes nedēļā pa 4 stundām. Neklātienes un vakara apmācību veidu studentiem iesaka

mācīties šīs programmas profesionālajā zarā.

Maģistra studijās notiek padziļināta elektrotehnisko un automatizācijas priekšmetu

apgūšana, kuru beidz ar pētnieciska rakstura darba publisku aizstāvēšanu. Darba apjoms ir 40-

50 lpp. datorsalikumā ar shēmām, formulām, grafikiem un diagrammām, kā arī izmantotās

literatūras sarakstu.

2. Elektrotehnika kā viens no programmas stūrakmeņiem

Modernajā elektrotehniskajā saimniecībā izšķiramas divas ar elektrību saistītas

tehnoloģijas: elektroenerģētiskās un elektriskās. Elektroenerģētiskās tehnoloģijas saistītas ar

elektroenerģijas ražošanu, pārvadi un sadali līdz apakšstaciju kopnēm. Elektriskās

tehnoloģijas ir saistītas ar elektroenerģijas izmantošanu tautsaimniecības dažādās sfērās un

aptver industriālās, lauksaimniecības, komunālās, transporta , sadzīves u.c. sfēras. Elektriskās

tehnoloģijas operē ar zemiem spriegumiem, kas pārsvarā nepārsniedz 1000 V. Elektriskajās

tehnoloģijās ietilpst elektromotoru sistēmas, sekundārie barošanas avoti, elektrotehnoloģiskās

iekārtas, apgaismošanas sistēmas, kā arī mājsaimniecības elektroiekārtas. Visas šīs sistēmas

un iekārtas šodien ir apgādātas ar efektīgām automatizācijas iekārtām, kuru labākais

7

realizācijas veids ir ar datortehnikas pielietojumu. Šādu sistēmu un iekārtu darbība ir balstīta

uz elektrotehnikas zinātniskajiem pamatiem.

Elektrotehnika ir bāze modernās sabiedrības tehniskajai attīstībai. Sevišķi tas attiecas

uz elektronisko sistēmu attīstību, kas darbojas uz elektriskās strāvas izraisīto efektu pamata.

Faktiski elektronu ierīces ir mazjaudas (un bieži arī lieljaudas) elektrotehniskās ietaises. To

galvenos darbības principus ir iespējams vienīgi izskaidrot , pielietojot elektrotehnikas

pamatvienādojumus un likumus. Tas attiecas gan uz tranzistoru ķēdēm analogās elektronikas

iekārtās, gan arī uz digitālajām mikroķēdēm ciparu iekārtās.

Tātad arī elektronikas un datortehnikas speciālistiem jāzina labi elektrotehnika.

Vienīgi pārzinot labi elektrotehniku ir iespējams veidot modernu aparatūras aprīkojumu

automatizācijas sistēmām. Arī datortehnikas programmēšana ir saistīta ar aparatūras

aprīkojuma un tā darbības principiem, kas balstīti uz elektrotehnikas likumiem.

Arī dažādās tautsaimniecības nozarēs elektriskās tehnoloģijas ir spēcīgs līdzeklis darba

ražīguma palielināšanai. Gandrīz visas modernās ražošanas ietaises tiek darbinātas ar

elektromotoru pielietojumu, kā arī tajās pielietoti dažādi automatizācijas līdzekļi, kuru darbība

balstīta uz elektrotehnikas likumiem.

Elektrotehnikas zinātne var tikt sadalīta šādās daļās:

- līdzstrāvas ķēdes,

- magnētizēšanas un kapacitīvās parādības,

- vienfāzes maiņstrāvas ķēdes,

- trīsfāzu maiņstrāvas ķēdes.

Elektriskās iekārtas var būt lineāras un nelineāras. Pirmajās elementu parametri nav laikā

mainīgi, kā arī nav atkarīgi no sistēmas darba režīma. Nelineārās iekārtas satur elementus ar

laikā mainīgiem vai no sistēmas darba režīma atkarīgiem parametriem. Labākais

elektrotehnikas apguves veids ir aplūkot tēmas atbilstoši to vēsturiskajai attīstībai.

Kā elektrotehnikas attīstības sākumu var uzskatīt 1750. gadu, kad amerikāņu

zinātnieks Benjamins Franklīns (Benjamin Franklin) izstrādāja divu elektrisko lādiņu –

pozitīvi un negatīvi lādētu – koncepciju. Līdzīgie lādiņi atgrūžas, pretējie – pievelkas.

Nākošais solis tika sperts 1785. gadā, kad franču zinātnieks Č. Kulons (Charles Coulomb)

izstrādāja metodi pievilkšanas un atgrūšanas spēku mērīšanai starp divām elektriski lādētām

sfērām , kā arī starp pastāvīgajiem magnētiem. Likumu, kas noteica spēku lielumu, nosauca

par Kulona likumu.

Taču tikai izveidojot pirmo barošanas avotu, reāli varēja uzsākt līdzstrāvas elektrisko

ķēžu pētīšanu. Pirmo ķīmisko bateriju izveidoja A.Volta (Alessandro Volta) 1796. gadā, kas

8

bija pirmais tehniski lietojamais barošanas avots. Tūlīt pēc tam Volta izveidoja arī pirmo

elektrisko kondensatoru. Voltas vārdā nosaukta elektrisko potenciālu (sprieguma) starpības

mērvienība, V.

Nākošo nozīmīgo soli nodrošināja franču zinātnieka A.M.Ampēra (Andre Marie

Ampere) 1820. gadā atklātā divu paralēlu strāvas vadītāju mijiedarbība: vadītāji pievelkas, ja

strāvas tajos ir vienā virzienā, bet atgrūžas – ja pretējos. Elektriskās strāvas mērvienība ir

nosaukta Ampēra vārdā, A. Tajā pašā gadā H.Ersteds atklāja, ka elektriskā strāva iedarbojas

uz magnētu, bet J. Bio un Savars formulēja likumu, kas nosaka mijiedarbību starp elektriskās

strāvas vadītāju un magnētu. 1821. gadā M.Faradejs (Michael Faraday) novēroja mijiedarbību

starp rotējošu strāvas vadītāju un magnētu – mūsdienu elektrisko motoru darbības pamatu.

Sākot ar šo brīdi var sākt runāt par maiņsprieguma pielietošanu.

Vācu zinātnieks G.Oms (George Simon Ohm) 1827. gadā ieviesa elektriskās

pretestības mērvienību – omu (Ω), kā arī formulēja elektriskās ķēdes situācijas likumu:

spriegums ir vienāds strāvas un pretestības reizinājumam, kurš tiek saukts par Oma likumu.

M. Faradeja 1831. gadā atklātā parādība – elektromagnētiskā indukcija – pavēra

praktisku ceļu uz dažāda tipa elektromehānisko ietaišu izveidi. Formulētais Faradeja likums

noteica, ka pastāvīgā magnēta kustība attiecībā pret vadītāju, kā arī vadītāja kustība attiecībā

pret magnētu rada elektrisko spriegumu vai elektrodzinējspēku. Balstoties uz šo likumu,

varēja izveidot gan elektriskos ģeneratorus, gan elektromotorus. 1833. gadā E.Lencs (Emile

Lenz) pilnveidoja Faradeja likumu ar elektromagnētiskās indukcijas pretreakcijas efekta

ieviešanu. M. Faradeja ieguldījums elektrotehnikas zinātnes attīstībā ir milzīgs: 1834. gadā

viņš atklāja arī elektriskās strāvas dabu, plūstot caur ķīmiskiem šķīdumiem – elektrolītiem –

un formulēja elektroķīmisko procesu kvantitatīvo rezultātu.

Angļu fiziķis Dž.Džouls (James Prescott Joule) 1844. gadā atklāja sakaru starp

elektriskās strāvas stiprumu un silšanas procesa rezultātu. Enerģijas transformācijas likums

tiek saukts par Džoula likumu, bet enerģijas mērvienība – par Džoulu (J). 1845. gadā

G.Kirhofs (Gustav Robert Kirchhoff) formulēja elektrisko ķēžu stacionārā līdzsvara likumus:

Kirhofa strāvu likumu KSL strāvu summai elektriskās ķēdes mezglu punktā; Kirhofa

sprieguma likumu KVL kontūriem ar sprieguma avotiem un rezistīvajiem elementiem. Dž.

Maksvela 1873. gadā formulētie likumi aptvēra visus elektrisko strāvu lauku un magnētisko

lauku mijiedarbības aspektus un faktiski nobeidza elektriskās strāvas dabas teorētiskos

pētījumus. Iesākās jauns posms, kurā tika realizēta praktisku elektroierīču izveide.

1882. gadā T.Edisons (Tomass Alva Edisson) Ņujorkā izveidoja pirmo elektrostaciju

municipālam pielietojumam. Viņš izgudroja arī kvēldiega spuldzi apgaismošanai. Nikolajs

9

Tesla (Nicola Tesla) 1888. gadā realizēja daudzfāzu elektromotoru, bet 1889. gadā M.Doļivo-

Dobrovoļskis izgudroja trīsfāzu elektroapgādes sistēmu, kas ietvēra savā sastāvā trīsfāzu

transformatoru un trīsfāzu asinhrono elektromotoru. 20. gadsimta sākumā vairums elektrisko

ierīču bija izgudrotas un tika pielietotas praksē. Izmantojot elektrotehniskos likumus un

parādības, tika uzsākta jauna elektrotehniskās zinātnes lauka – elektronikas – apgūšana.

Elektronika darbojas ar elektrisko signālu bezkontaktu izmaiņu, kas iespējama,

iedarbojoties ar sprieguma potenciālu starpību tieši uz elektriskajiem lādiņiem. Modernās

elektronikas sākums datējams ar 1904. gadu, kad A.Flemings (Ambrose Fleming) no Markoni

firmas izveidoja pirmo vakuuma radio lampu. Ar šādu lampu varēja izveidot elektrisko

signālu bezvadu pārraides un uztveršanas iekārtas. Pirmā radiopārraide notika 1920. gadā

Pitsburgā. 1926. gadā Dž. Bērds (John Baird) no Skotijas organizēja pirmo televīzijas

translāciju, taču tikai 1931. gadā Vladimirs Zvorikins PSRS organizēja pirmo elektronisko

televīzijas pārraidi.

Pirmo datoru – skaitļojamo elektronisko mašīnu Eniac – radīja 1946. gadā. Tas

sastāvēja no 18 tūkstošiem vakuuma elektronu lampu ar kopjaudu 180 kW.

1947. gada Ziemassvētkos Bell Lab līdzstrādnieki W.Brattain un J.Bardeen izveidoja

pirmo pusvadītāju tranzistoru, taču 1948. gada sākumā to pilnveidoja W.Schockley, kad tas

arī tika patentēts. Tranzistora attīstība saistīta ar strauju elektronikas ienākšanu

tautsaimniecībā un sadzīvē. Tranzistors tika pilnveidots divos virzienos – mikro un lieljaudas.

Pirmais virziens – mikroelektronika - deva iespēju tik tālu samazināt tranzistoru gabarītus,

ka tos lielā vairumā varēja apvienot vienā nelielā korpusā – integrālā mikroshēmā ar

noteiktām funkcionālajām īpašībām. Izveidojot lielās integrālās mikroshēmas ar daudzu

desmitu tūkstošu tranzistoru, radās iespēja izveidot mazas elektroniskās skaitļojamās mašīnas.

Otrais virziens noveda pie lieljaudas pusvadītāju slēdžu izveides, kas ļāva pārveidot un regulēt

elektriskās enerģijas parametrus. Šo tehnikas virzienu pieņemts saukt par energoelektroniku.

Pirmo integrālo mikroshēmu ar dažiem tranzistoriem, kas veidoja signālu ģeneratoru,

uz 11 mm germānija plates 1958. gadā radīja Texas Instruments speciālists Jack Kilby. Taču

tai pašā gadā Robert Noyce no Fairchild Semiconductors izveidoja mikroshēmu uz silīcija

plates ar foto-litogrāfisko metodi, kas ir vispārpieņemta metode mūsdienu elektronikā. 1958.

gadā arī tika izveidots un iemontēts cilvēka ķermenī pirmais sirds stimulators “Pace Maker”.

1971. gadā firma Intel radīja pirmo mikroprocesoru ar 20 tūkstošiem tranzistoru, bet

tie jau bija jaunas versijas FET (Field Effect Transistor) – ar elektrisko lauku vadāmi

tranzistori, kurus bija ērti montēt kopā lielos vairumos. 1975. gadā B.Geits kopā ar P.Allēnu

uzrakstīja pirmo operētājsistēmu mazgabarīta datoram ar mikroprocesoru, un no šī brīža sākās

10

strauja personālo datoru ieviešana un pielietošana. Pašreiz datorors pielieto lieljaudas

procesorus ar milzīgu iebūvēto tranzistoru skaitu un izpildāmo instrukciju skaitu sekundē. Tā

Pentium III procesors sastāv no 23 miljoniem tranzistoru un tā takts frekvence ir 1 miljards

hercu.

Kā izcils elektronikas sasniegums minams GPS (Global Positioning System) radīšana

1978. gadā.

Energoelektronikas jomā izcila nozīme bija 1951. gadā W.Schockley izgudrotajam

četrslāņu pusvadītāja slēdža elementam – tiristoram. Ar tā pielietojumu izdevās izveidot plašu

tīkla sprieguma pārveidotāju klasi – taisngriežus, maiņsprieguma regulatorus,

ciklokonvertorus jaudām līdz tūkstošiem kW. 80-tajos gados izgudroja lieljaudas MOSFET

lauka tranzistorus, kas ļāva izveidot autonomus brīvi komutējamus elektroenerģijas

pārveidotājus.

3. Elektriskās tehnoloģijas un to būtība

3.1. Elektriskās piedziņas un kustības vadība

Ļoti nozīmīgas elektriskās tehnoloģijas ir elektrisko motoru sistēmas jeb elektriskās

piedziņas. Elektromotoru skaits ikvienā attīstītā valstī ir aptuveni vienāds ar iedzīvotāju

skaitu. Vairums no elektromotoriem vienkārši nodrošina kāda mehānisma rotācijas kustību ar

neregulējamiem parametriem, un šādas piedziņas ir ar vienkāršu vadības aparatūru. Taču

aizvien lielāks piedziņu skaits tiek apgādāts ar rotācijas ātruma regulēšanas ietaisēm, t.i., tiek

veidotas regulējamas piedziņas.

Regulējamās piedziņās motoru barojošā sprieguma parametri nav vienādi ar barojošā

tīkla parametriem. Motora sprieguma parametru izmaiņu modernajās sistēmās nodrošina

pusvadītāju pārveidotāji PP (2.zīm.) un kuru jauda atbilst motora jaudai. Pārveidotāju vada

elektroniska vadības sistēma VS, kas pašreiz ļoti bieži ir ar datora īpašībām un kuras ieejā ir

uzstādīšanas signāls, ko uzdod vai nu operators vai arī programmējams laikā mainīga

uzstādīšanas signāla sintezators – programmas kontrolleris PK. VS ieejā arī ir informācija par

motora rotora leņķisko pozīciju , strāvu, spriegumu, rotācijas ātrumu u.t.t., kuru saņem no

attiecīgiem sensoriem caur atgriezeniskajām saitēm. Taču aizvien biežāk pozīcijas un ātruma

sensorus izslēdz no sistēmas sastāva, panākot informācijas iegūšanu par šiem parametriem

aprēķinu ceļā, kurus veic dators. Šo sensoru izslēgšana būtiski vienkāršo piedziņas sistēmas

realizāciju.

11

2.zīm. Elektromotora sistēma regulējamā piedziņā: shēmā un reāli

Elektromotori pamatā ir divu tipu – līdzstrāvas un maiņstrāvas. Līdzstrāvas dzinēju

rotoriem pievada līdzspriegumu, bet, lai iegūtu rotorā iebūvēto strāvas vadītāju nepārtrauktu

rotācijas kustību, tiem noteiktos rotora stāvokļos jāmaina strāvas polaritāte, t.i., faktiski rotorā

jārada maiņstrāva. Līdzstrāvas pārveidošanu maiņstrāvā veic speciāla ietaise – invertors.

Invertora funkcijas līdzstrāvas elektromotorā veic kolektors – kopā ar rotoru rotējošs

kontaktcilindrs ar izolētiem segmentiem – ar kuru kontaktējas nekustīgas grafīta sukas

(3.zīm.). Kolektora režīms strādā smagā strāvas periodiskas pārslēgšanas (komutācijas)

režīmā un tas ir dārgs un nedrošs mezgls. Reizē ar to līdzstrāvas motori kļūst daudz dārgāki

un nedrošāki par maiņstrāvas.

3.zīm. Līdzstrāvas elektromotora shematiskais apzīmējums (a) un vienkāršota darbības

principu skaidrojoša uzbūves shēma (b), kā arī reāla elektromotora šķēlums

Taču līdzstrāvas motoru rotācijas ātrumu var viegli mainīt, mainot rotoram pievadītā

līdzsprieguma vērtību:

n ,

kur n ir rotācijas ātrums, t.i., motora rotora apgriezienu skaits minūtē. Savukārt, izmainot

pievadītā sprieguma polaritāti, mainās rotācijas virziens.

12

Lai panāktu divvirziena regulējamu kustību, jāpielieto reversīvais pārveidotājs, kas var

nodrošināt pēc izvēles vienas vai otras polaritātes līdzspriegumu. Piemēram, ļoti moderns

pārveidotājs līdzstrāvas piedziņām var tikt izveidots pēc 4. zīm. attēlotā principa.

Trīsfāzu tīkla spriegums tiek pievadīts tiltveida taisngriezim REC, kas sastāv no 6

pusvadītāju diodēm – vienvirziena strāvas vadītājām. Taisngrieža izejā ir nedaudz pulsējošs

līdzspriegums Ud . Šo spriegumu nogludina kondensators C un to pievada tiltveida tranzistoru

komutatoram VT1 – VT4, kas sastāv no četriem tranzistoriem – pusvadītāju slēdžiem ar to

apzīmējuma bultiņas norādīto strāvas vadāmības virzienu. Tos katru var ieslēgt, padodot

nelielu līdzsprieguma signālu ar + polaritāti uz bāzi (skaviņa apzīmējumā) un “mīnuss”

polaritāti uz emiteru (bultiņa), un izslēgt – atvienojot vadības signālu.

Tā kā katram slēdzim jābūt ar divvirziena vadību, bet tranzistors ir ar vienvirziena, tad

katra tranzistors ir jānošuntē pretējā virzienā ar diodi. Shēmā ar augstu frekvenci (daži kHz –

tūkstoši hercu) tiek pārmaiņus ieslēgti pāri VT1+VT2 un VT3+VT4. Ja perioda laikā pāris

VT1+VT2 ir ieslēgts tikpat ilgi kā pāris VT3+VT4, tad uz līdzstrāvas motora rotora- enkura –

veidojas maiņsprieguma ar amplitūdu Ud un līdzsprieguma vērtību nulle. Ja ilgāk ieslēgts

pāris VT1+VT2, tad uz enkura veidojas līdzspriegumss un zīmējumā enkura labējās spailes

polaritāte ir +. Jo lielāks ir šī pāra ieslēgšanas laiks nemainīgā periodā, jo lielāks būs šīs

polaritātes līdzspriegums.

4.zīm. Reversīvās tranzistoru līdzsprieguma piedziņas shēma, dažādi pusvadītāju lieljaudas

elektroniskie elementi: tranzistors (a), diode (c) un tiristors (b)

13

Ja ilgāk ieslēgts pāris VT3+VT4, tad uz enkura veidojas līdzspriegums ar zīmējumā

enkura labējās spailes polaritāti “ mīnuss”. Jo lielāks ir šī pāra ieslēgšanas ilguma pārsvars,

jo lielāks būs šīs polaritātes līdzspriegums. Tā , izmainot tranzistoru pāru ieslēgšanas ilgumu,

var panākt plūstošu vienas vai otras polaritātes līdzsprieguma izmaiņu, kas izraisa motora

rotācijas ātruma izmaiņu.

Taču līdzstrāvas elektromotoru skaits pašlaik ir minimāls. Absolūtu pārsvaru ir

ieguvuši asinhronie maiņstrāvas elektrodzinēji – ap 95% no visiem elektromotoriem. Pie tam

plašo pielietojumu ir ieguvis viens no asinhronā elektrodzinēja veidiem – ar īsslēgtu rotoru.

Šādam motoram rotorā nav tinumu, bet gan tieši bez izolācijas rotora dzelzī iemontēti daži īsi

savienoti strāvas vadītāji – stieņi, veidojot tā saucamo “vāveres ratu” (5.zīm.). Statorā

izvietoti maiņsprieguma tinumi, un parasti tie ir trīsfāzu, un tie ir pieslēgti vai nu tieši tīklam

vai arī pusvadītāju pārveidotājam regulējamās piedziņās.

Statora tinumiem pievienotais trīsfāzu maiņspriegums veido rotējošu magnētisko

lauku, kuru šķeļot, rotora stieņos pēc t.s. “labās rokas likuma” inducējas maiņspriegums un

strāva. Šī rotora strāva savukārt pēc “kreisās rokas likuma mijiedarbojas ar statora magnētisko

lauku, un pie tam tā, ka rotors sāk griezties statora lauka rotācijas virzienā. Rotora ātrums

nedrīkst sakrist ar statora magnētiskā lauka rotācijas ātrumu, jo tad rotorā nekas neinducēsies

un neradīsies griezes moments. Tāpēc normālā dzinēja darbības režīmā rotora griešanās

ātrums ir mazāks par statora lauka rotācijas ātrumu:

kur n1 ir statora magnētiskā lauka rotācijas ātrums, f – statora sprieguma frekvence, p –

magnētisko polu skaits, s – slīde. Slīde ir statora lauka un rotora ātruma starpība, attiecināta

pret statora lauka rotācijas ātrumu.

14

5.zīm. Asinhronā īsslēgtā elektrodzinēja apzīmējums shēmā, “vāveres rats” rotorā, darbību

skaidrojoša uzbūves shēma, kā arī reāla dzinēja sastāvdaļas

Kā redzams no izteiksmes, rotācijas ātrumu var plūstoši mainīt tikai izmainot

sprieguma frekvenci f. Polu pāru skaitu var mainīt tikai diskrēti, t.i., p=1,2,3..., un tādēļ ar šo

paņēmienu arī ātrumu var mainīt tikai diskrēti.

Lai regulētu rotācijas ātrumu plūstoši, nepieciešams izveidot regulējamu frekvences

pārveidotāju. Tāds pārveidotājs var darboties pēc 6. zīm. attēlotās shēmas, kas sastāv no

divām daļām: tīkla 50 Hz maiņsprieguma pārveidotāja līdzspriegumā – parasti, neregulējama

taisngrieža, un līdzsprieguma pārveidotāja maiņspriegumā – invertora. Modernos

pārveidotājos invertoru veido no 6 tranzistoru slēdžiem VT1 – VT6, katrs no kuriem tiek

aktivēts izejas sprieguma pusperioda T2/2 laikā, taču ar nobīdi starp katru nākamo slēdzi

vienādu ar T2/6 , kur T2 ir izejas maiņsprieguma periods (T2=1/f2 , kur f2 ir izejas sprieguma

frekvence).

Tādā veida no līdzsprieguma var izveidot trīsfāzu maiņspriegumu ar nemainīgu formu

un amplitūdu, kas vienāda ar pārveidotāja pirmās pakāpes taisngrieztā līdzsprieguma vērtību

(6.zīm.). Taču, jo mazāka izejas sprieguma frekvence un mazāks arī pievienotā asinhronā

elektrodzinēja rotācijas ātrums, jo mazākam jābūt arī motora statoram pievadītajam

spriegumam, t.i., pārveidotāja izejas spriegumam. Ja ieejas taisngriezis ir neregulējams, kas ir

vēlams, tad jāmeklē citi izejas sprieguma regulēšanas veidi. Pēdējā laikā plaši tiek pielietots

tranzistoru modulācijas princips (PWM – Pulse Width Modulation – angliski, impulsu

platuma modulācija). Pēc šī principa katrs tranzistors netiek viss ieslēgts pastāvīgi uz 1/6 daļu

no perioda, bet gan šīs sestdaļas laikā pārslēgts, pie tam ar mainīgu relatīvo ilgumu

modulācijas periodā Tm , kas atbilst relatīvi augstai frekvencei fm (daži kHz). Tranzistora

ieslēgšanas relatīvais ilgums T2 laikā tiek veidots tā, lai izejas sprieguma efektīvā līkne

mainītos pēc sinusa likuma (7.zīm.), kas ir visatbilstošākais elektromotora barošanai.

15

6.zīm. Frekvenču pārveidotāja shēma, vadības diagrammas un spriegumu līknes ( bez

modulācijas)

7.zīm. Tranzistora VT1 modulācijas diagramma un fāzes A spriegums pret slodzes nullpunktu

zvaigznes slēgumā

Tomēr asinhronā elektrodzinēja sprieguma regulēšana nav nemaz tik vienkārša, jo

faktiski modulējamo sprieguma vērtību ir jāaprēķina, izejot no motora slodzes režīma un

motora aizvietošanas shēmas parametriem. Pie tam aprēķini nav viss algebriski, bet vektoriāli,

t.i., faktiski ģeometriski. Šādus aprēķinus var veikt tikai dators , un tāpēc moderno asinhrono

elektrodzinēju vadības sistēmas ir datorizētas, ar diezgan sarežģītu aprēķinu algoritmu.

Elektromotoru modernās piedziņas parasti ir automatizētas. Vienkāršākais

automatizācijas uzdevums ir stabilizēt motora uzdoto rotācijas ātrumu. To realizē, aprēķinot

starpību starp uzdoto motora ātrumu un reālo, un attiecīgi iedarbojoties uz pārveidotāju. Tā

līdzstrāvas piedziņā, ja motora ātrums ir mazāks par uzdoto, palielina pārveidotāja izejas

16

spriegumu. Asinhronajā piedziņā šai gadījumā dažos gadījumos, ja motora magnētiskā lauka

rotācijas frekvence atbilst uzdotajai, cenšas palielināt motora spriegumu. Ja magnētiskā lauka

rotācijas frekvence ir zemāka par uzdoto – tad palielina gan frekvenci, gan arī spriegumu. Pie

tam informāciju par rotācijas ātrumu aizvien biežāk nosaka pastarpināti, veicot datorizētus

aprēķinus par darba režīmu.

Bieži jānodrošina motora rotācijas ātruma un virziena izmaiņu noteiktos laika brīžos,

pie tam nodrošinot nepieciešamo paātrinājumu (palēninājumu). Tā 8.zīm. attēlotajā ciklā

motora ātrums ir gan jāpalielina, gan jāsamazina, gan jāmaina rotācijas virziens, un viss tas

jāveic pēc uzdotiem laika intervāliem ar uzdoto paātrinājumu. Šāds darba cikls tiek plaši

pielietots dažādos ražošanas mehānismos.

8.zīm. Cikliska piedziņas rotācijas kustības izmaiņa

Šādu vadību veic ar programmējamu mikroprocesoru kontrolleru palīdzību, ar kuriem

var ieprogrammēt nepieciešamos rotācijas momenta izmaiņas laikus, uzdotos ātrumu līmeņus

attiecīgajos laika intervālos un kustības virziena izmaiņas komandas.

Vēl sarežģītāki piedziņas automatizācijas uzdevumi ir saistīti ar ražošanas mehānismu

kustības trajektorijas vadību, ko jāveic, piemēram, robotu sistēmās un darbgaldos. Šādu

kustības trajektoriju izmaiņu telpā panāk ar triju elektromotoru vienlaicīgu vadību, plaknē – ar

divu elektromotoru vadību, katrs no kuriem pārvieto mehānismu pa divām savstarpēji

perpendikulārām koordinātēm. Kustība var būt lineāra, apļveida un nelineāra. Parasti

nelineāro kustību sadala lineāros mikroposmos, t.i., veic tā saucamo interpolāciju. Pielieto gan

sensoru atgriezeniskās saites signālus, gan bezsensoru trajektorijas aprēķina sistēmas. Šādas

automatizācijas sistēmas ir visai sarežģītas , un parasti ir apgādātas ar datoriem.

17

3.2. Energoelektronika un sekundārie barošanas avoti

Energoelektronika ir zinātnes un tehnikas nozare par elektroenerģijas parametru

pārveidošanu ar pusvadītāju pārveidotājiem. Parasti energoelektroniskie pusvadītāju

pārveidotāji ir ar samērā lielu jaudu (vismaz kilovatos). Šodien pārveidotāju izveidei plaši

izmanto pusvadītāju diodes, tiristorus, bipolāros tranzistorus, kā arī lauktranzistorus ar izolētu

bāzi. Pusvadītāju diodes ļauj vienīgi noteikt strāvas virzienu un tās izmanto galvenokārt

neregulējamās ķēdēs. Tiristori ļauj realizēt vadāmu ieslēgšanos ( parasti to izslēgšanās notiek

pie nulles strāvas), kas savukārt ļauj veidot regulējamus pārveidotājus, galvenokārt saistītus ar

maiņstrāvas tīklu. Bipolārie tranzistori ļauj panākt brīvu komutāciju, bet to galvenais trūkums

ir nelielais strāvas pastiprināšanas koeficients, kas prasa lielas bāzes strāvas pie lielām

kolektora ķēdes strāvām. Lauktranzistori ar izolēto bāzi ļauj ļoti ātri pārslēgt ķēdes

(mikrosekunžu daļās) un to bāzes strāvas ir ļoti mazas. Sevišķi populāri ir kļuvuši IGBT

(Insulated Gate Bipolar Transistor) elementi ar lielu strāvu (vairāki simti ampēru) un lielu

spriegumu ( vairāki kilovolti).

Energoelektroniskie pārveidotāji dalās divās lielās grupās:

1 – ar maiņstrāvas tīklu saistītie pārveidotāji,

2 – brīvi komutējamie pārveidotāji.

Pirmā tipa pārveidotāji ir saistīti ar tīkla maiņsprieguma pārveidošanu līdzspriegumā jeb

taisngriešanu. Regulējamā variantā var realizēt arī pretēju operāciju – līdzsprieguma

pārveidošanu tīkla maiņspriegumā jeb invertēšanu. Saistībā ar maiņstrāvas tīklu var veikt arī

tīkla sprieguma un strāvas regulēšanu, kā arī tīkla frekvences dalīšanu.

Vienkāršākais taisngriezis ir diožu taisngriezis un tas ir neregulējams. Vienkāršākie

regulējamie tīkla pārveidotāji ir vadāmie taisngrieži VT. Tie tiek veidoti ar tiristoriem diožu

vietā un to darbības princips balstīts uz iespēju ieslēgt tiristoru ikvienā brīdī ja uz tā ir

pozitīvas polaritātes anodspriegums, t.i., ja anods ir ar pozitīvu polaritāti pret katodu (9.zīm.).

Attēlotajā vienfāzes tiltiņa vadāmā taisngrieža shēmā (9.zīm.) tiristorus V1 un V2 var

ieslēgt pie pozitīvas polaritātes tīkla sprieguma u, t.i., kad augšējā ieejas spaile ir ar pozitīvu

zīmi. Tiristorus V3 un V4 var ieslēgt pie tīkla sprieguma negatīvas polaritātes. Regulējošo

efektu panāk, mainot tiristoru ieslēgšanas brīža leņķisko nobīdi α pret attiecīgā pusperioda

sākuma brīdi. Leņķi α sauc par regulēšanas leņķi. Ja slodze ir ar tinumiem (motors,

elektromagnēts un līdzīgi patērētāji), tad tinumu magnētiskais lauks cenšas uzturēt slodzes

strāvu nemainīgu. Tādā gadījumā, kad mainās tīkla sprieguma polaritāte, līdz nākošā tiristoru

pāra ieslēgšanai turpina vadīt iepriekšējais. Tad izejas spriegums

18

,

kur Ud0 ir izejas spriegums nevadāma taisngrieža gadījumā.

9.zīm. Vadāmais taisngriezis ar tiristoriem un spriegumu diagrammas

Kā redzams, ja , tad izejas spriegums ir ar pozitīvu zīmi, kas atbilst

iespējamam strāvas vadāmības virzienam, t.i., taisngriezis ir enerģijas avots. Ja uzstāda

, tad vadāmā taisngrieža sprieguma polaritāte mainās uz pretējo, t.i., taisngriezis

vairs nevar būt enerģijas avots, bet var darboties kā enerģijas patērētājs. Ja slodzes ķēdē

ievieto akumulatoru ar elektrodzinējspēku Ed strāvas vadāmības virzienā, tad, uzstādot

, var panākt, ka akumulators darbojas kā enerģijas avots (līdzsprieguma avots), bet

vadāmais taisngriezis nodod pievadīto enerģiju uz maiņsprieguma tīklu – pārveido

līdzspriegumu tīkla maiņspriegumā, t.i., invertē.

Šo vadāmā taisngrieža apgriežamības principu izmanto plaši. Piemēram, izmantojot šo

principu, veido enerģijas līdzstrāvas pārvades līnijas (10.zīm.).

10.zīm. Enerģijas pārvade ar līdzstrāvas līniju

Šādās līnijās iespējams pielietoto tikai vienu vadu, jo otrs var būt “zeme”. Līniju

jauda var sasniegt vairākus simtus tūkstošus kW. Šādu pārvadi var lietot arī, ja vienas puses

19

maiņspriegums U1 un tā frekvence atšķiras no otras puses maiņsprieguma U2 un tā frekvences,

kā tas var būt, piemēram, mazajās elektrostacijās (vēja, ūdens u.c.).

Apgriežamības principu pielieto arī līdzstrāvas elektromotoru darbināšanai. Kad

motors darbina mehānismu, vadāmais taisngriezis darbojas kā regulējams enerģijas avots.

Kad motors jābremzē – taisngriezi pārslēdz invertors režīmā, bet motors darbojas kā

ģenerators. Tā bremzēšanas enerģija var tikt atgriezta (rekuperēta) tīklā.

Šo tiristoru ieslēgšanas brīža kavējuma leņķi kā argumentu izmanto arī citos tīkla

pārveidotājos – maiņsprieguma regulatoros, ciklokonvertoros u.c. Maiņsprieguma regulatorā

katrā sprieguma ķēdē var ieslēgt divus paralēli savienotus, bet pretēji virzītus tiristorus

(11.zīm.).

11.zīm. Maiņsprieguma regulatora shēma un spriegumu diagrammas

Kad spriegums ir ar pozitīvu polaritāti, var ieslēgt tiristoru V1; kad ar negatīvu – var

ieslēgt tiristoru V2. Tā uz slodzes veidojas maiņspriegums ar “izgrieztām” sīnusoidas daļām.

Jo lielāks α , jo slodzes sprieguma efektīvā vērtība ir mazāka.

Ciklokonvertorā pielieto divus pretēji-paralēli savienotus vadāmos taisngriežus

(12.zīm.).

12.zīm. Ciklokonvertora vienfāzes shēma un slodzes sprieguma iespējama diagramma

Kad darbojas taisngriezis VT1, iegūst slodzes sprieguma polaritāti, kas norādīta bez

iekavām; kad darbina VT2 – iekavās norādīto sprieguma polaritāti. Katru taisngriezi var

darbināt noteiktu skaitu pusperiodu (1,2,3,4...). 12. zīm. katru darbina 3 pusperiodus.

Rezultātā slodzes sprieguma maiņsprieguma komponente ir ar samazinātu frekvenci – 12.

zīm. 3 reizes zemāku par tīkla frekvenci, t.i., izejas frekvence ir 16,66 Hz.

20

Energoelektronikā izmanto daudzus tīkla pārveidotāju veidus. Lai panāktu tīklu

pārveidotāju efektīvu darbību, ir jāpielieto modernas elektroniskās vadības sistēmas, kas

ģenerē vadības impulsus uz tiristoriem pēc attiecīga algoritma un saskaņā ar nepieciešamo

darba režīmu. Aizvien biežāk šādas vadības sistēmas veido uz datoru un mikroprocesoru

bāzes.

Otra pārveidotāju grupa ir brīvi komutējamie pārveidotāji BKP, kas galvenokārt operē

ar līdzstrāvas ķēdēm. Tos pielieto vai nu darbībā ar līdzstrāvas avotu, ar līdzstrāvas tīklu vai

arī ar taisngrieztu maiņspriegumu. Brīvi komutējamie pārveidotāji darbojas ar brīvi izvēlētu

frekvenci un procesi tajos parasti nav nekā atkarīgi no maiņstrāvas tīkla. Taču aizvien biežāk

BKP ievieš maiņstrāvas tīkla pārveidotāju sistēmās, un tad to darbība ietekmē tīkla strāvas

formu, parasti to tuvinot sinusoidālai.

BKP kā slēdžu elementus aizvien vairāk izmanto tranzistorus, un parasti izvēlas

izolētās bāzes tranzistora IGBT versiju. Vienkāršākais BKP ir impulsregulators ( 13.zīm.).

Tie faktiski ir visu BKP pamatelementi.

13.zīm. Tranzistoru spriegumu pazeminošā impulsregulatora shēma un slodzes

sprieguma diagrammas

Tranzistoru slēdz pazeminošā impulsregulatorā pārslēdz parasti ar konstantu un

samērā augstu (vairāki kHz) frekvenci f=1/T, bet ar pārslēgšanās periodā T mainīgu un

regulējamu tranzistora ieslēgšanas laiku tie. Ja tie palielina, pieaug slodzes sprieguma vidējā

vērtība . Ja tie samazina, Usl samazinās un pie tam visas slodzes sprieguma vidējās

vērtības izmaiņas notiek tieši proporcionāli tie izmaiņām. Lai panāktu līdzstrāvu barojošajā

tīklā un slodzes ķēdē, pielieto gludinātājfiltrus no droselēm un kondensatoriem.

Impulsregulators var būt arī spriegumu paaugstinošs (14.zīm.). Šeit avota ķēdē ieslēdz

droseli L un periodiski ar augstu frekvenci – tranzistoru VT. Kad tranzistors ir ieslēgts,

droselē L pieaug strāva, bet kad tranzistors izslēgts – droseles strāva caur diodi V aizplūst uz

kondensatoru C, palielinot tā spriegumu. Jo ilgāk pārslēgšanās periodā ieslēgts VT, jo lielāks

būs slodzes spriegums.

21

14.zīm. Spriegumu paaugstinošais impulsregulators un slodzes sprieguma diagrammas

Šādus impulsregulatorus plaši pielieto elektrotransporta (tramvaja,trolejbusu,

elektrovilcienu) sistēmās, kur kontakttīklā ir līdzspriegums. Spriegumu pazeminošo veidu

lieto braukšanas ātruma izmaiņai, bet paaugstinošo – elektriskajai bremzēšanai ar enerģijas

rekuperāciju tīklā, kad kā līdzsprieguma avots darbojas ģeneratora režīmā strādājošs vilces

elektromotors, bet kā slodze – kontakttīkls.

Impulsregulatorus plaši pielieto arī sekundārajos barošanas avotos, kas parasti ir

nelielas jaudas un domāti pārnēsājamās aparatūras barošanai ar līdzspriegumu, kas atšķiras no

akumulatora sprieguma. Impulsregulators var būt arī reversīvs, un tāds tika skaidrots jau

līdzstrāvas elektromotoru sadaļā 4.zīm.

Ar tranzistoru slēdžiem var izveidot līdzsprieguma pārveidotājus brīvas frekvences

maiņspriegumā – autonomos invertorus AI. Vienkāršākais - vienfāzes AI – ir ar tādu pašu

shēmu, kā 4.zīm. attēlotais reversīvais impulsregulators, tikai abu plecu tranzistori jāieslēdz

uz vienādu laiku – pusi no izejas maiņsprieguma perioda.

Plaši pielieto arī AI ar transformatoru, kas ļauj izveidot mazgabarīta barošanas bloku

ar brīvi izvēlētu spriegumu un frekvenci. 15.zīm. attēlots vienfāzes invertors, kas var būt par

pamatu mazgabarīta tīkla sprieguma transformācijas sistēmai.

Šeit tīkla ar frekvenci 50 Hz spriegumu vispirms taisngriež ar REC, bet pēc tam ar AI

pārveido augstfrekvences (20...50 kHz) vienfāzes maiņspriegumā, ko pēc tam ar

ciklokonvertoru atgriež atpakaļ 50 Hz frekvencē, bet ar citu spriegumu U2 , ko nosaka

transformatora primāro un sekundāro vijumu skaita attiecība. Pie šādas frekvences

transformators pat ar vairāku desmitu kW jaudu sver tikai pāris kilogramus, kas ļoti ietekmē

šāda sprieguma pārveidotāja svaru. Rezultātā tiek izveidots tā saucamais elektroniskais

transformators ar ļoti mazu svaru.

Šādus AI ar transformatoru pielieto arī kā sekundāros barošanas avotus dažādām

iekārtām – televizoriem, radioaparatūrai, datoriem, metināšanas iekārtām. Tad transformatora

sekundārā tinuma augstfrekvences spriegumu taisngriež.

22

15. zīm. Elektroniskā transformatora shēma

Ai ar trīsfāzu pusvadītāju slēdžu shēmu plaši pielieto maiņstrāvas elektropiedziņās un

šādas shēmas piemērs tika jau dots 6.zīm.

Kā jau tika minēts, aizvien plašāk BKP pielieto tīkla pārveidotāju sistēmās. Piemēram,

var izveidot invertoru, kas darbojas uz maiņstrāvas tīklu un nodod tīklā sinusoidālu strāvu, kas

sakrīt fāzē ar tīkla spriegumu, t.i., realizē tīri aktīvas maiņstrāvas jaudas nodošanu tīklā. 16.

zīm. tranzistorus VT1 un VT2 pārmaiņus ieslēdz uz pusperiodu attiecīgi tīkla sprieguma

pozitīvajā un negatīvajā pusperiodā. Taisngrieztais tīkla spriegums kalpo kā uzdotais droseles

L strāvas formēšanai ar tranzistora VT3 augstfrekvences pārslēgšanu. Tādējādi droseles

strāvas forma seko vienfāzes tiltiņa UZ izejas sprieguma līknei, bet caur transformatoru uz

tīklu tiek nodota tīri sinusoidāla strāva fāzē ar tīkla spriegumu.

16.zīm. Tīkla invertors ar BIP, kas nodrošina tīklā sinusoidālu strāvu

3.3. Elektrotehnoloģiskās iekārtas

Ļoti plaši elektrofizikas parādības izmanto tehnoloģiskiem mērķiem. Iekārtas, kas

būvētas uz šo parādību bāzes sauc par elektrotehnoloģijām.

23

Vienkāršākās ET iekārtas balstītas uz elektriskās strāvas izraisīto siltumefektu

rezistoros. Kad strāva I plūst caur rezistoru ar pretestību R, tad izdalās siltuma enerģija

, J .

Šo parādību aprakstošo likumu sauc par Džoula. Strāvu var laist cauri tieši karsējamam

metāliskam objektam (tiešās karsēšanas metode) vai arī cauri speciālam sildelementam, kurš

kļūst karsts, bet siltums uz karsējamo objektu nonāk siltumpārvades ceļā. Otrā tipa sistēmas

sauc par pretestības krāsnīm un tās parasti darbojas noslēgtā telpā. Šādās sistēmās var panākt

temperatūras līdz 1000...1200 0C.

Efektīvākas karsēšanas sistēmas ir saistītas ar elektromagnētiskās enerģijas tiešu

pārvadi uz sildāmo metālisko materiālu. Šādu principu var realizēt transformatīvā ceļā, un

iekārtas , kas to realizē sauc par indukcijas karsēšanas. 17.zīm. attēlota shēma metāla

kausēšanai šādā ietaisē. Uz transformatora serdes izvietots primārais tinums – induktors w1 ,

kā arī izveidots gredzenveida kanāls ar termiski un mehāniski izturīgām sieniņām, kurā

izvietots viens vijums kausējamā metāla. Primārā tinuma maiņsprieguma ietekmē metāla

gredzenā inducējas neliels spriegums, bet ļoti liela strāva , kas var sasniegt

daudzus tūkstošus ampēru. Rezultātā metālā izdalās liela jauda un siltumenerģija, kas ļoti ātri

izkausē metālu.

17.zīm. Indukcijas kausējamā krāsns (a) un detaļas virsmas karsēšana (b)

Līdzīgi var veidot arī indukcijas iekārtas bez serdes (17.zīm.b), pie tam šādās ietaisēs

var panākt tikai ārējās virsmas sakarsēšanu. Šāds režīms iespējams tamdēļ, ka

elektromagnētiskais vilnis “iespiežas” tikai dziļumā, kas ir apgriezti proporcionāls

kvadratsaknei no induktora (tinuma ap detaļu) sprieguma frekvences. Ja grib panākt karsēšanu

milimetra simtdaļu dziļumā, jālieto augsta frekvence un induktoru pieslēdz caur frekvenču

pārveidotāju. Sevišķi augstas frekvences gadījumā pusvadītāju pārveidotāju vietā pielieto

elektronu lampu ģeneratorus, kas var darboties ar miljoniem hercu frekvenci.

Ļoti augstas temperatūras var tikt sasniegtas izmantojot

elektrisko loku (Voltas loku) – strāvas plūsmu caur jonizētu gaisa slāni. Tā kā spriegums starp

24

elektrodiem ir ap 20...200 V un strāvas – no vairākiem simtiem ampēru līdz tūkstošiem

ampēru, tad loka spraugā starp elektrodiem tiek sasniegtas no 4..5 līdz 500...1000 kW jaudas.

Ņemot vērā loka ģeometriskos parametrus – mazākām jaudām 15...20 mm garumā un 2..3

mm diametrā (tilpums vidēji ap 150 mm3), lielākām – 200...300 mm garumā un ap 20 mm

diametrā (tilpums vidēji ap 80.103 mm3) – jaudu blīvums lokā ir milzīgs – 30...40 W/mm3

mazākām jaudām un ap 10 W/mm3 – lielākām jaudām. Tāpēc lokā rodas ļoti lielas temperatūras,

kas sasniedz 5000 0C. Ja lokam liek stiepties cauri aukstu gāzu veidotu “cauruli” , kas vēl

vairāk samazina loka diametru, tad rodas tā saucamā “plazma” un temperatūras sasniedz 15-

20 un vairāk tūkstošus 0C.

Elektrisko loku plaši lieto dažādu metālu tiešai (kad loks deg starp kausējamo

materiālu un grafīta elektrodu) vai netiešai (loks deg starp elektrodiem) kausēšanai (18.zīm.).

18.zīm. Loka krāsnis: tiešās darbības un netiešās

Lai noturētu loku stabilu, nepieciešams veikt elektrodu attāluma automātisku

regulēšanu. Piemēram, katram no elektrodiem paredz speciālu elektrodzinēju, kas automātiski

tuvina un attālina elektrodu, uzturot loka darba režīmu.

Ņemot vērā loka īpašības, “īso” loku ar dažu desmitu voltu spriegumu plaši pielieto

metālisku detaļu metināšanā – detaļu neizjaucamā savienošanā, panākot savienojumu vietu

sakausēšanu. Loka metināšanas ietaises šodien izmanto ļoti plaši un tām izveidoti speciāli

barošanas avoti – metināšanas – ar raksturlīknēm, kas stipri atšķiras no parasto avotu

raksturlīknēm. Lieta tā, ka elektriskais loks var rasties tikai pēc elektrodu īsslēguma, kas

sakarsē elektrodu galus un tā rodas apstākļi jonizācijai. Tātad īsslēgums ir normāls

metināšanas avota darba režīms.

Metināšanas barošanas avotu izveidei plaši tiek pielietoti energoelektronikas jaunākie

sasniegumi, kas ļauj izveidot ļoti vieglus “elektroniskos” transformatorus – metināšanas

invertorus. Metināšanas iekārtas var būt manuālas ( rokas), bet var būt arī programmējami

automātiskas, kas darbojas bez cilvēka tiešas līdzdalības un nodrošina automātisku

25

metināšanas agregāta pārvietošanos darba režīmā pa programmā norādīto kontūru, kura izmēri

dažos gadījumos (piemēram, kuģu detaļu metināšanā) var sasniegt desmitiem metru.

Ražošanā izmanto vēl daudzus citus elektriskās karsēšanas veidus. Piemēram,

kokmateriālu žāvēšanai izmanto dielektriskās augstfrekvences karsēšanas metodi (19.zīm.).

19.zīm. Zāģmateriālu dielektriskās žāvēšanas realizācijas shēma

Elektrību normāli nevadošu materiālu krāvumu ievieto starp 2 metāliskiem

elektrodiem – platēm. Platēm pievieno augstfrekvences maiņsprieguma ģeneratoru G, kura

izejas sprieguma frekvence mērāma megahercos. Krāvums kopā ar platēm veido

kondensatoru C, caur kura izolāciju plūst tā saucamās “nobīdes” jeb polarizācijas strāvas.

Dielektriskajā materiālā izdalās Džoula likuma noteiktais siltumenerģijas daudzums, kas veic

materiāla žāvēšanu.

Dielektriskās karsēšanas metodi izmanto arī citās nozarēs, piemēram, medicīnā.

Viens no plaši izmantotajiem elektrotehnoloģiju veidiem ir saistīts ar

elektroķīmiskajām parādībām strāvai plūstot cauri elektrolītiem – metālisko ķīmisko

savienojumu ūdens šķīdumiem. Ja vannai ar elektrolītu (20.zīm.) laiž cauri līdzstrāvu, tad

pozitīvi lādētie metālu joni virzās uz katodu – negatīvo elektrodu, kas savienots ar

apstrādājamām detaļām. Rezultātā metāli nosēžas uz detaļām un veidojas virsmas pārklājums.

Kā pārklājējmateriālus izmanto niķeli (spožumam), hromu (spožumam un stiprībai), cinku

(pret koroziju), sudrabu (elektrovadāmībai un dekoratīvajām funkcijām) u.c. metālus.

20.zīm. Galvaniskās vannas vienkāršota shēma

Galvanisko vannu barošanai izmanto neliela (6...12 V) sprieguma līdzspriegumu, bet

tā kā nosēdumu masa pēc Faradeja likuma ir

,

26

kur a ir elektroķīmiskais ekvivalents, atkarīgs no metāla atomsvara, valences un ietver sevī arī

Faradeja konstanti, I – strāva, t – laiks, tad liela nozīme ir strāvas stiprumam. Lai procesi būtu

efektīvi, jāpieņem lielas strāvas (3000 un vairāk A). Galvanisko vannu barošanu veic no

speciāliem energoelektroniskiem pārveidotājiem – galvaniskajiem taisngriežiem, kas

nodrošina nelielu taisngriezto spriegumu un lielu strāvu.

Lai galvaniskais process notiktu kvalitatīvi, nepieciešams veikt pasākumus kontrolei

un automatizācijai. Lieta tā, ka faktiski process ir atkarīgs no strāvas blīvuma uz katoddetaļu

virsmas laukuma. Tikai konstants blīvums nodrošina stabilu un konstantu rezultātu. Lai

tehnoloģiskais process daudzu mainīgo situācijā (katoddetaļu virsmas laukuma izmaiņas,

elektrolīta blīvuma un koncentrācijas izmaiņas, elektrolīta temperatūras izmaiņas) būtu

stabils, nepieciešams pielietot datorizētu automatizāciju.

Bez minētajām elektrotehnoloģijām izmanto arī daydzas citas: kontaktmetināšanu,

detaļu krāsošanu elektrostatiskajā augstsprieguma laukā, metālisku detaļu apstrādi ar

dzirkstelēm, apstrādi ar ultraskaņu u.c. tehnoloģijas. Praktiski visas elektrotehnoloģijas ir

apgādātas ar energoelektroniskajiem barošanas avotiem. Piemēram, elektriskajām krāsnīm

jaudu un tātad arī temperatūru regulē ar tiristoru trīsfāzu maiņsprieguma regulatoriem.

Indukcijas krāsnīm izmanto tranzistoru un tiristoru frekvenču pārveidotājus u.t.t.

Praktiski visiem elektrotehnoloģiskajiem procesiem un objektiem vadībai un

automātiskai regulēšanai izmanto mikroprocesoru automatizācijas sistēmas.

3.4. Komunālās un sadzīves elektriskās tehnoloģijas

Komunālās sistēmas ir saistītas ar iedzīvotāju apkalpošanu, t.i., transporta,

ūdensapgādes, siltumapgādes, viesnīcu u.c. pakalpojumu nodrošināšanu.

Pilsētās plaši lieto elektrotransportu – tramvajus, trolejbusus, elektrovilcienus.

Izveidoti kontakttīkli, kas nodrošina elektrotransporta elektroapgādi, un kas praktiski vienmēr

ir līdzstrāvas – divvadu trolejbusiem ar spriegumu 600 V, vienvada – sliežu transportam -

tramvajam ar 600 V un elektrovilcienam ar 3000 V spriegumu.

Šī transporta veida galvenais elements ir elektromotors, kas piedzen riteņu pārus.

Pagājušajā gadsimtā labākais elektrotransporta motors bija līdzstrāvas, kas ļāva realizēt

kvalitatīvu ātruma regulēšanu, izmantojot kontakttīkla līdzspriegumu.

20. gs. motoru ātruma regulēšanai galvenokārt izmantoja reostatus, kas radīja lielus

enerģijas zudumus. Tikai 70-ajos gados sāka pielietot tiristoru impulsregulatorus un vēlāk –

27

arī IGB tranzistorus kā impulsregulatorus. Pašlaik Rīgā tramvajos galvenokārt izmanto

lieljaudas tranzistoru regulētas līdzstrāvas elektropiedziņas, bet trolejbusos – tiristoru

impulsregulatorus.

Tramvaja tranzistoru elektropiedziņas vienkāršota shēma attēlota 21. zīm.

21.zīm. Līdzstrāvas virknes ierosmes elektromotora ātruma impulsregulēšana braucot (a) un

bremzējot (b), Mēness ekipāža ar elektromotoru piedziņu un elektroniskajiem ātruma

regulatoriem

Tramvajam braucot ar paātrinājumu vai arī bez tā , spriegumu uz elektromotora

spailēm regulē ar virknē ieslēgtu tranzistoru, kuru pārslēdz ar augstu frekvenci – ap 1...2 kHz.

Izmainot tranzistora atvērtā stāvokļa ilgumu pārslēgšanas periodā, mainās motora sprieguma

vidējā vērtība: jo lielāks ir atvērtā stāvokļa laiks , jo lielāks ir sprieguma un arī motora ātrums.

Bremzēšanas režīmā tranzistora slēdzi ieslēdz paralēli motoram un tas realizē augstas

frekvences periodisku motora īsslēgšanu, kuras laikā motora strāva pieaug. Kad tranzistors

aizveras, motora strāva tiek nodota uz tīklu pat pie ļoti maziem motora spriegumiem. Motors

darbojas kā ģenerators un tā ātrums samazinās. Jo ātrums ir mazāks, jo ilgstošāk pārslēgšanas

perioda laikā ir jāieslēdz tranzistors.

28

Līdzīgas shēmas izmanto arī trolejbusos un elektrovilcienos, tomēr tur vairāk izmanto

tiristorus, kas savā darbībā ir ļoti droši, kaut arī to aizvēršana prasa sarežģīt slēdža shēmu, jo

aizvēršanai izmanto iepriekš uzlādētus kondensatorus.

Taču pēdējos gados aizvien plašāk elektrotransportā sāk izmantot asinhronos

elektrodzinējus, kuru ātrumu maina ar regulējamiem invertoriem, kas tīkla līdzspriegumu

pārveido trīsfāzu maiņspriegumā (22.zīm.). Regulējot invertora darba frekvenci, mainās arī

transporta līdzekļa kustības ātrums: jo lielāka frekvence, jo lielāks ātrums.

22. zīm. Elektrotransporta asinhronā motora piedziņas vienkāršota shēma

Transporta līdzekļa bremzēšanu veic pakāpeniski samazinot invertora frekvenci. Tad

motora rotora magnētiskais lauks rotē ātrāk nekā invertora barotā statora magnētiskais lauks,

un notiek elektriskā bremzēšana, kad asinhronais dzinējs darbojas kā ģenerators.

Asinhronā elektromotora pielietošana ļauj būtiski palielināt motora jaudu tais pašos

gabarītos, kādi pieņemti līdzstrāvas dzinējam. Ja saglabā to pašu jaudu, var stipri samazināt

motoram atvēlēto telpu, un, piemēram, atrisināt problēmu ar transporta līdzekļa grīdas

pazemināšanu līdz ielas līmenim, kas atvieglo pasažieru iekāpšanu.

Visi modernie elektrotransporta līdzekļi tiek apgādāti ar datorizētām vadības iekārtām.

Kustības gaita un tās parametri tiek reģistrēti vadītāja kabīnē izvietotā borta datora atmiņā.

Vienlaikus dators arī kontrolē visu elektrotransporta līdzekļa sistēmu darbību, signalizē par

nepareizu darbību, norāda uz kļūdas veidiem.

Ikvienā apdzīvotā vietā jārisina ūdensapgādes , notekūdeņu un siltumapgādes

problēmas. Ūdensapgādes un notekūdeņu attīrīšanas iekārtās un sistēmās jādarbojas ar lielas

jaudas (pat 1000 kW) sūkņu elektromotoriem, kurus jāregulē tā, lai nodrošinātu

nepieciešamos ūdens padeves kvalitātes un kvantitātes parametrus ar minimālu

elektroenerģijas patēriņu un citām izmaksām. Šo uzdevumu var atrisināt ieviešot arī lieljaudas

elektrodzinējiem (galvenokārt, asinhronajiem) frekvences (ātruma) regulēšanas sistēmas. Tad

sūkņa ātrumu un elektroenerģijas patēriņu var saskaņot ar ūdens reālo patēriņu. Piemēram,

naktīs, kad patēriņš ir mazs, darboties ar minimālu ātrumu un enerģijas patēriņu. Optimālu

šādu iekārtu darbību var nodrošināt tikai datorizētas piedziņas sistēmas, kas ne tikai darbojas

29

reālā laika režīmā, bet arī prognozējošā režīmā (angliski predictive control). Kā rāda pieredze,

elektroenerģijas patēriņu var samazināt pat par 70%.

Arī siltumapgādes sistēmās – gan lokālās, gan centrālās – jārisina dažādu sūkņu un

aizvarmehānismu darbības jautājumi. Šeit automatizācijas sistēmas darbojas gan pēc

kalendārās informācijas, gan ārgaisa un telpu iekšējām temperatūrām dažādos ēkas vai

sistēmas punktos. Visu to realizē ar elektriskajām tehnoloģijām – elektromotoriem,

elektromagnētiem, elektrisko komutācijas un vadības aparatūru. Pēdējā laikā sabiedriskajās

ēkās plaši ievieš mākslīgā klimata ietaises, kuru automatizācija tiek veikta ar elektrisko

tehnoloģiju palīdzību. Arī šīs sistēmas ir datorizētas.

Centrālajās siltumapgādes sistēmās – katlu mājās un termoelektrocentrālēs – tiek

lietotas lielas jaudas elektrisko mašīnu iekārtas – sūkņi, ventilatori, kompresori. Arī šeit plaši

ievieš automātisko regulēšanu ar elektriskajām tehnoloģijām – energoelektroniskajiem

pārveidotājiem, izpildmehānismiem, piedziņām. Tas nodrošina gan stabilu, gan ekonomisku

iekārtu darbību, taupot elektroenerģiju.

Elektriskās iekārtas un tehnoloģijas plaši pielieto arī viesnīcās, daudzstāvu mājās un

sabiedriskajās ēkās. Praktiski visās ir lifti un daudzās arī eskalatori. Lifti praktiski ir

elektriskās tehnoloģijas ar elektromotoru piedziņu, elektrisko aparātu kustības vadību un

kontroli. Bez tam šādās ēkās jārisina ventilācijas un apgaismes jautājumi, kas balstīti uz

elektrisko tehnoloģiju plašu pielietošanu.

Apgaismes jautājumi vispārīgi pēdējā laikā ir ļoti aktuāli, jo izveidotas gan enerģiju

taupošās spuldzes, gan apgaismes elektroiekārtu elektroniskās komutācijas sistēmas.

Elektriskajā apgaismē 90-ajos gados ienākušas ekonomiskās spuldzes, kuru dienas

gaismu izstarojošās caurules tiek barotas ar 20...30 kHz frekvences maiņspriegumu. Šāda

augsta frekvence ļauj pilnībā izmantot cauruļu gaismas emisijas spējas. Zemfrekvences dienas

gaismas spuldzēm ir tikai ap 15% gaismas starojuma enerģijas atdeve. Tas nozīmē, ka

augstfrekvences spuldzēm pie vienāda elektroenerģijas patēriņa ir ap 6 reizēm lielāka gaismas

atdeve. Tātad 11 W augstfrekvences spuldze ir ekvivalenta 70 W zemfrekvences dienas

gaismas spuldzei.

Lai iegūtu augstfrekvences spriegumu, starp barojošo 220 V tīklu un caurules ķēdi tiek

ieslēgts miniatūrs frekvenču pārveidotājs, kas tiek iebūvēts lampas cokolī. Šāda pārveidotāja

shēma attēlota 23. zīm un sastāv no 2 tranzistoriem, kas ieejas taisngriezto spriegumu

pārmaiņus komutē uz caurules ķēdi ar virknes droseli. Izvēlētās frekvences ietekmētie

elementi (galvenokārt drosele) darbojas bez cilvēkam sadzirdama akustiskā trokšņa, jo

frekvence ir virs dzirdamības sliekšņa. Parastajās dienas gaismas spuldzēm akustiskais 50 Hz

30

troksnis ir ļoti nepatīkama parādība, tāpat arī lampas gaismas mirgošana un starteru bojājumi,

kas viss ir pilnīgi novērsts jaunajās spuldzēs.

23.zīm. Augstfrekvences dienas gaismas spuldzes vienkāršota shēma

Lielas izmaiņas ir notikušas arī elektroapgaismes shēmu izveidē. Agrāk lampu

ieslēgšanai veidoja strāvas ķēdes cilpas no lampām uz attālu novietotiem slēdžiem, kuras bija

aprēķinātas uz pilnu lampu jaudu. Tādējādi radās liels krāsainā metāla papildus patēriņš.

Modernajās apgaismes sistēmās katrai lampu grupai ir savs lampu tuvumā izvietots

vadāmais slēdzis, bet atslēgšanas- ieslēgšanas signālus uz slēdžiem no centrāliem punktiem

pievada elektroniskajā versijā, izmantojot datu pārvadi pa viendzīslas elektrisko vadu vai

optisko gaismas vadu. Tādā veidā tiek izveidotas ļoti ekonomiskas apgaismes sistēmas.

Ļoti plaši elektriskās tehnoloģijas tiek izmantotas arī sadzīvē. Piemēram, gandrīz katrā

ģimenē ir automātiskās veļas mazgājamās mašīnas, kur veļas rotoru piedzen reversīvs

elektromotors, ir uzstādīti sūkņi un elektromagnētiskie aizvari dažādās ķēdēs. Sistēma

darbojas ar vadības programmējamu kontrolleri, kurš jaunākajās konstrukcijās ir

mikroprocesoru un darbojas pēc vairāklīmeņu loģikas (angliski Fuzzy logic) principiem, kad

bez ieslēgts-izslēgts līmeņiem tiek ievēroti arī daži starplīmeņi.

Tā kā veļas rotoram mazgāšanas un centrifūgas režīmā ir ļoti atšķirīgi ātrumi,

modernākajās konstrukcijās ievieš arī frekvenču regulatorus. Tātad veļas mazgājamā mašīna

ir kļuvusi par sarežģītu elektrisko tehnoloģiju.

Plaši pielieto arī elektriskās plītis ar iebūvētiem vadības kontrolleriem un tiristoru

jaudas slēdžiem, tāpat arī mikroviļņu krāsnis, kuras darbojas uz elektromagnētiskā viļņa

“uzsūkšanas” principa.

Elektriskās tehnoloģijas ir arī televizoros, muzikālajos centros un citās sadzīves

iekārtās. Ļoti plaši elektriskās tehnoloģijas tiek ieviestas automašīnās. Elektriskās durvju

atslēgas, logu stiklu pacēlāji, akumulatoru iekārtas , centrālie mikroprocesori informācijai ,

diagnostikai un dažādu mehānismu vadīšanai ir tikai vienkāršākie elektrisko tehnoloģiju

pielietojumi. Vieglajās mašīnās dienas kārtībā ir elektrisko piedziņu ieviešana tā saucamajās

hibridmašīnās, kad dīzeļmotors vai iekšdedzes motors piedzen ģeneratoru, kas caur frekvenču

31

pārveidotājiem baro riteņu elektromotorus. Šādas sistēmas jau plaši pielieto smagajās kravas

automašīnās. Tāpat iespējama arī akumulatoru piedziņa vieglajām automašīnām virzoties pa

pilsētu ielām.

4. Elektrisko tehnoloģiju automatizācijas uzdevumi un to tehniskā realizācija

Viens no galvenajiem automatizācijas uzdevumiem ir tehnoloģisko procesu parametru

stabilizācija. To veic sistēmā ieviešot parametru sensorus un salīdzinot šo sensoru mērījumus

ar uzdotajiem. Rezultātā tiek konstatētas novirzes un realizēti pasākumi kļūdu novēršanai.

Šādas sistēmas sauc par automātiskajām regulēšanas sistēmām un to vienkāršota shēma

attēlota 24. zīm.

24.zīm. Automātiskās regulēšanas sistēmas vienkāršota shēma

Šādā sistēmā sensora signāls tiek izvadīts caur atgriezeniskās saites mezglu AS ar

pārvades funkciju WAS. Atgriezeniskās saites izejas signāls x.WAS salīdzināšanas mezglā tiek

atskaitīts no uzdotā signāla x0 , bet x0 un x.WAS starpība jeb regulēšanas kļūda tiek pievadīta

regulatoram, kurš maina objekta darba režīmu pēc šāda algoritma: jo (x0 - x.WAS) ir lielāks, jo

stiprāka ir iedarbe uz objektu, lai atjaunotu x.

Automātiskajā regulēšanas sistēmā parasti visi signāli ir elektriskās strāvas vai

sprieguma veidā, un tādēļ gan AS, gan SM, gan REG ir elektriskās tehnoloģijas elementi.

Piemēram, ja objekts ir tvertne, kurā jāregulē ūdens līmenis, tad sensors ir ūdens līmeņa

pārveidotājs elektriskā signālā x, kuru pastiprina vai pavājina AS ķēde, bet regulators ir

energoelektroniskais pārveidotājs, kas regulē sūkņa motora ātrumu. Ja līmenis is

pazeminājies, tad sūkņa motora ātrums tiek palielināts un otrādi.

Uzdotais signāls var būt laikā nemainīgs, bet tas var arī laikā mainīties pēc zināmas

programmas. Tad signālu X0 pieslēdz no programmas mezgla.

32

Parasti šādas regulēšanas sistēmas veido ar laikā nepārtrauktiem elektriskajiem

signāliem, ko pieņemts saukt par analogiem. Analogo elektronisko iekārtu galvenais elements

šodien ir operacionālais pastiprinātājs OP (25.zīm.). Šāds pastiprinātājs tiek barots ar diviem

sprieguma avotiem, kuri savienoti virknē un to savienojuma punkts tiek pieņemts par

elektronisko “zemi” , ap kuru tad tiek formēti OP abu ieeju – tiešās (ar zīmi+) un inversās (ar

zīmi -) – un izejas elektriskie signāli.

25.zīm. Operacionālā pastiprinātāja pieslēgums, elektroniskā plate ar mikroshēmām

Paša operacionālā pastiprinātāja pastiprināšanas koeficients ir milzīgs un tiecas uz

bezgalīgu vērtību. Tas nozīmē, ka 15 V izejā var tikt panākti pie dažu desmitu mikrovoltu

sprieguma starp abām ieejām, t.i., u12 aptuveni ir nulle. Tai pat laikā iekšējā pretestība starp

ieejām ir tuva bezgalībai, t.i., strāva OP iekšienē starp punktiem 1 un 2 ir nulle.

Izejas pretestība – pretestība starp izeju un kādu no barojošajiem ievadiem – ir tuva

nullei, t.i., OP spēj izvadīt relatīvi lielas strāvas (dažus desmitus mA).

Ja spriegums uz ieejas 1 attiecībā pret GND ir lielāks par spriegumu uz ieejas 2 , tad

izejā ir sprieguma negatīvai pols pret zemi; ja ieejas 2 ir lielāks – tad pozitīvais pols pret zemi.

Minētās īpašības ļauj izveidot daudzas un dažādas elektroniskās ietaises, kuras var

izmantot dažādu objektu izveidē un vadīšanā. Tā, piemēram, ja OP invertējošā ieeja pieslēgta

33

ieejas spriegumam U1 caur rezistoru R1 (26.zīm.), bet izeju ar šo ieeju savieno caur rezistoru

R2, tad rezistorā R1 plūst strāva

,

kura var noslēgties tikai caur rezistoru R2. Tā kā U12 =0, tad izejas spriegums

.

Kā redzams, iegūts ir invertējošs (zīmi griež otrādi) pastiprinātājs ar fiksētu pastiprinājuma

koeficientu.

26.zīm. Operacionālais pastiprinātājs ar fiksētu pastiprinājuma koeficientu

Vispārīgi ir zināmas kādas 100 dažādas funkcionālās shēmas ar OP. Daudzas no

shēmām aprakstītas literatūrā [1], kas ir viena no visnepieciešamākajām grāmatām šīs

programmas studentiem.

Ļoti bieži nepieciešams realizēt kāda objekta Ob ieslēgšanos un izslēgšanos pie

nepieciešamajiem vadības slēdžu S1, S2, S3.... (27.zīm.) stāvokļiem. Šādu automatizāciju veic

loģiskās elektroniskās shēmas, kuru galvenie elementi ir diskrētās darbības mikroshēmas DD,

kas reaģē uz vieninieka (ir pietiekoši liels spriegums attiecībā pret “zemi”) un nulles (nav

spriegums pret “zemi”) sprieguma līmeņiem.

Ja “zemei” pievienota vadības slēdža kontaktu ieslēgtu stāvokli apzīmēsim ar 0, bet

izslēgtu – ar 1, tad var izveidot nosacījumu tabulu, piemēram, tādu, kā zemāk attēlota.

S3 S2 S1 Objekts

0 0 0 0

0 0 1 0

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 0

1 0 1 1

1 1 0 1

34

1 1 1 0

Ja objekts ir stāvoklī 1, tad tas ir ieslēgts, un kā redzams, tas ir ieslēgts trijos iespējamos

slēdžu stāvokļu variantos. Tas, ka ir vairāki varianti, nozīmē, ka starp tiem pastāv loģiskā

funkcija VAI (apzīmē ar +), taču katru variantu jāveido obligāti ar uzdotajiem slēdžu

stāvokļiem. Šādu obligātu funkciju sauc par UN vai loģisko reizināšanu.

Ja aplūkojam pirmo variantu, tad S3*S2*S1 nav viens, kā tam jābūt. Vieninieka

rezultātu var panākt tikai mainot S3 un S1 zīmi (tos invertējot- apgriežot). Tad

un kopēji .

Lai realizētu shēmu, jāņem 3 loģiskie elementi UN (apzīmē ar &) un viens loģiskais

elements VAI (apzīmē ar 1). Ja katram slēdzim ir divi kontakti, kas var vai nu atslēgt vai

pieslēgt vadības elementa ieeju “zemei” , tad izveidosies 27. zīm. attēlotā shēma.

27. zīm. Nosacījumu tabulas tiešas realizācijas shēma

Šeit, ja nospiež “pogu” S3, tad kreisais kontakts atslēdzas, veidojot signālu 1, bet labās

puses kontakts saslēdzas, veidojot signālu . Līdzīgi darbojas arī citi slēdži.

Jāatzīmē, ka zīmējumā attēlotā shēma var tikt vienkāršota un pārveidota.

Ar loģiskajiem elementiem var veikt dažādus ieslēgšanas-izslēgšanas automatizācijas

uzdevumus gana lielam ieejas un izejas signālu skaitam. Loģisko elementu barošanas

spriegumi ir 5...15 V.

Divu līmeņu signālu (diskrēto) princips ļauj veidot bināro ciparu sistēmu. Binārajam

ciparam elektriskajā formā jāsastāv no vairāku elektrisko signālu vadiem, katram no kuriem ir

savs iepriekš pieņemts matemātiskais svars : 20 (D0), 21 (D1), 22 (D2) ...., un katrs no kuriem

var tikt savienots (28.zīm.) vai nu ar “zemi” (nullējot savu vērtību) vai arī ar barošanas avota

pozitīvo spaili (akceptējot savu vērtību).

35

=1.23 + 0.22 + 0.21 +1.20 =9 D

28.zīm. Ciparu signāla veidošana paralēlā kodā

Zīmējumā attēlotajā shēmā s3 un S0 pievienoti pozitīvajam barošanas sprieguma

polam, bet S2 un S1 – “zemei”. Tas nozīmē, ka cipari 23 un 20 ir akceptēti, bet 22 un 21 ir

nullēti. Summā iegūstam bināro skaitli 1001, kur jaunākais bits 20 vienmēr ir pa labi malējais.

Katrs novadiem tiek saukts par bitu un šajā skaitlī ir 4 biti, no kuriem var sastādīt 16

kombinācijas ar decimālo ekvivalentu no 0 līdz 15 (1111). Ja visu vadības sistēmu izveido

ievērojot akceptētās signālu binārās vērtības, tad šāda sistēma var veikt gan matemātiskas, gan

loģiskas darbības, gan objektu adresāciju un izvēli, gan pārsūtīšanu u.c. Piemēram , var

izveidot dešifratoru, kas pēc ieejas binārā skaitļa decimālā ekvivalenta sameklē vienu no

objektiem, kas pievienots izvadam ar decimālo vērtību , kura atbilst uzstādītajam binārajam

skaitlim (29.zīm.). Zīmējumā attēlotajā shēmā ieslēgsies dešifratora 9-ajai izejai pieslēgtais

objekts.

29.zīm. Dešifratora piesaiste objektam

Bez dešifratora vēl ir daudz dažādas elektroniskās ierīces, kuru darbība balstīta uz

ciparu signālu pielietojumu, un kuras plaši izmanto modernajās automatizācijas sistēmās. Tā

šifrators pārvērš ar spiedpogām uzdotos decimālos ciparus un zīmes bināri kodētos skaitļos.

Šādus elementus plaši pielieto datu ievadei datoros un citās ietaisēs. Tāpat plaši pielieto

36

multipleksorus, kas ļauj realizēt datu pārveidi no paralēlā koda, kādu mēs līdz šim aplūkojām,

virknes kodā, kad datus var pārsūtīt pa vienu vadu bitu aiz bita. Multipleksori ļauj izveidot

datoru tīklus un datu pārsūtes sistēmas. Multipleksori darbojas pēc takts signālu iedarbes,

kurus veido speciāli takts ģeneratori. Takts ģeneratoru signālus var arī saskatīt, ko veic

elektroniskie skaitītāji, kuru izejas signāli ir binārā skaitļa formā. Arī elektroniskās atmiņas

ietaises darbojās ar binārajiem skaitļiem, kuri ir gan atmiņu šūnās izvietotie dati, gan šūnu

adreses.

Bināro ciparu izveides princips ir arī mikroprocesoru izveides pamats.

5. Mikroprocesori un mikrokontrolleri kā galvenie automatizācijas tehniskie

instrumenti

Mikroprocesors ir integrēta (t.i., apvienota vienā mezglā) elektroniska sistēma, kas

taktējami sadarbojas ar atmiņā izvietoto programmu, izceļot no tās kādu datu šūniņu un

izpildot šūniņā izvietoto instrukciju, kā arī pielietojot šūniņās izvietotos datus. Tātad

mikroprocesors darbojas pēc principa “izlasi-izpildi”.

Mikroprocesora galvenie elementi ir augstas frekvences (parasti miljonos hercu –

MHz) takts ģenerators CG (30.zīm.), programmas skaitītājs PC, kas ik pēc takts signāla formē

adresu skaitli A0....An (zīmējumā n=15, t.i., adresu maģistrālei Address Bus var būt 16 vadi

un var tikt adresēti 216=65536 objekti vai arī – galvenokārt – atmiņas šūniņas), datu apstrādes

mezgli, kas saistīti ar datu maģistrāli Data Bus (šeit 8 bitu=1 baita, t.i., skaitļi no 0 līdz 255

decimālā kodā).

30. zīm. Mikroprocesora vienkāršota principiālā shēma

37

Mikroprocesorā iekšā vai arī tā sistēmā noteikti ir atmiņas elementi RAM (Random

Access Memory, t.i., brīvpieejas atmiņa), no kuriem datus var gan nolasīt (RD-read), gan arī

tajos var datus ierakstīt (W- write), kā arī ROM (Read ONly Memory – lasāmatmiņa), no

kuras datus var tikai nolasīt. Atmiņas lauks parasti ir ļoti liels – sastāda daudzus tūkstošus

šūniņu. Kā mērvienību atmiņas tilpumam pielieto skaitli 210=1024=K (vienkāršoti sauc par

“kilo”) vai pat 220=M (vienkāršoti sauc par “mega”). Automatizācijas sistēmu procesoriem

parasti lieto vairāku desmitu K apjoma atmiņu.

Automatizācijas procesoriem būtiski ir sadarboties ar ārējām iekārtām. Šo sadarbību

veic caur portiem. Zīmējumā attēlotas paralēlo portu PPI mikroshēmas, katra ar 3 portiem,

caur kuriem datus vienlaikus izvada 8 bitu (vienbaita) formā uz ārējiem objektiem vai arī caur

kuriem datus ievada viena baita formā no ārpuses. Tā kā ārējo objektu var būt daudz, tad arī

porta izvadu ir daudz. Zīmējumā attēloti 6 porti, katrs ar 8 bitiem, tātad kopā 48 izvadi.

Visu mikroprocesora sistēmu elementu un objektu izvēli, izmantojot adresu

maģistrāles datus, veic dešifrators DC. Piemēram, ja adresu maģistrāles bitiem A15....A10,

kas pieslēgti dešifratora ieejām, visi biti ir nulles, tad dešifrators pieslēdz tikai atmiņas

mikroshēmu RAM1. Ja A10=1, bet citi nulles, tad pieslēdz ROM1; ja A11=1, bet citi nulles,

tad pieslēdz PPI1 u.t.t. Kopumā zīmējumā attēlotais dešifrators spēj sameklēt 64 objektus.

Parasti, ja izvades porta (31.zīm.) kāds bits ir 1, tad ieslēdzas šiem bitiem pieslēgtie

objekti; tātad šeit bitiem D7,D2 un D0 pieslēgtie.

31.zīm. Procesora izvades porta vienkāršota shēma

Izvades instrukcija, kas ierakstīta atmiņas šūniņā ir OUT, taču vēl jānorāda, caur kādu

portu jāizvada. Tāpēc instrukcijai pievieno operandu – porta numuru PN binārā skaitļa formā.

Vispār, darboties ar vienbaita vai arī vairākbaitu binārajiem skaitļiem ir grūti, tāpēc ieved

mākslīgu kodu – heksadecimālo ar bāzi 16. Vienbaita kodu sadala divās daļās pa 4 un katras

daļas decimālo vērtību nosaka atsevišķi. Piemēram, 31. zīm. vecākajai daļai decimālā vērtība

ir 8, jaunākajai – 5. Tātad tiek izvadīts heksadecimālais skaitlis 85h. Ja daļas vērtība ir no

10...15, tad to apzīmē attiecīgi ar burtiem A,B,C,D,E,F. Tātad vienbaita heksadecimālais

skaitlis mainās no 00h līdz FFh, divbaitu no 0000h līdz FFFFh u.t.t.

38

Programma tiek izvietota atmiņas šūniņās, kuru numuri uzdoti secīgi divbaitu binārā

skaitļa veidā. Pieraksta ērtībai 32. zīm. un praksē pielieto arī šūniņu numerācijai

heksadecimālo kodu. 32. zīm. attēlots programmas fragments, kurā caur portu F4 izvada

skaitli 06h un pēc tam jautā objektam caur ievades portu F5 par situāciju objektā. Ja situācija

ir pareiza, tad būtu jāsaņem atbilde 7Ch. Ja atbilde nav 7C, tad jāturpina ievade līdz pareizās

atbildes saņemšanai, pēc kā var veikt nākošo operāciju.

32.zīm. Programmas fragments

Kā redzams zīmējumā, pirms izvades šajā procesorā paredzēts izvadāmos datus

vispirms izvietot palīgatmiņā – reģistrā “akumulators A”. To veic šūniņā 0010h izvietotā

instrukcija MVI A (angliski Move immediately – ievadi tieši, tās kods ir 3Eh) kopā ar

nākošajā šūniņā izvietoto operandu 06h. Ievadi veic instrukcija IN (kods D3) kopā ar

operandu F5h, kas norāda uz porta numuru. Salīdzināšanu veic instrukcija XRI (angliski

Exclusive OR – izslēdzošā VAI loģiskā operācija) kopā ar operandu 7Ch. Ja ievadītā atbilde ir

pareiza, tad rezultāts ir nulle, pretējā gadījumā rezultāts nav nulle un nostrādā instrukcija JNZ

(pārlec, ja nav nulle) kopā ar adreses numuru, uz kuru jāpārlec (šai gadījumā šūniņa 0014h).

Mikroprocesora atmiņā var izvietot lielas programmas, kas var vadīt sarežģītus

tehnoloģiskos procesus. Šodien modernās automatizācijas sistēmas veidotas galvenokārt uz

mikroprocesoru bāzes. Programma var veikt arī dažādus aprēķinus, informācijas izvadi uz

tablo un citām ietaisēm, informācijas reģistrāciju uz papīra, diskos, magnētiskajā lentē u.c.

operācijas.

39

Tomēr, realizējot automatizācijas sistēmas tieši ar mikroprocesoriem, shēma ir diezgan

sarežģīta, jo jārealizē datu ievades un izvades elektroniskās shēmas, bieži ar elektrisko signālu

optisku atsaisti. Tas viss sarežģī automatizācijas sistēmu izveidi.

Lai vienkāršotu un unificētu automatizācijas sistēmu izveidi, procesoru kopā ar

ievades- izvades mezgliem integrē vienā kopējā sistēmā, ko sauc par mikroprocesoru

kontrolleri. Kontrolleris ir kādām 10 tipveida izvades un tikpat ievades spailēm, kurām no

ārpuses pievada un no kurām saņem barošanas sprieguma formāta signālus ar pietiekošu

jaudu tiešai objektu vadībai.

Programmu, kas vada objekta darbību, sastāda parasti pēc integrētajām instrukcijām ar

datora palīdzību. Ar datora palīdzību programmu arī pārbauda jeb simulē, kā to pieņemts

saukt. Pēc pārbaudes un kļūdu novēršanas programmu no datora atmiņas pārraksta uz

kontrollera atmiņu un kontrollers ir gatavs darbam.

Katram kontrollera tipam gan ir sava darbības programmas sagatavošanas metodika,

kas kopumā ņemot ir slikti, bet to nosaka izgatavotājfirmu intereses. Visplašāk pielieto

shēmas darbības aprakstu secīgu operāciju veidā, kuras apraksta vai nu ar instrukcijām

speciālā valodā vai arī ar tā saucamajām “kāpņu” shēmām, kurās ar kontaktiem un releju

spolēm (virtuālām) apraksta sistēmas darbību.

Nobeigums

Šeit īsumā ir aprakstīti programmas “Elektrotehnoloģiju datorvadība” studiju aspekti

un mācību priekšmeti. Kā redzams, programma ir virzīta uz moderno augsto tehnoloģiju

apguvi, pielietojot tradicionālajās elektrotehniskajās ietaisēs modernos automatizācijas

līdzekļus : elektroniskos regulatorus un elektroenerģijas parametru pārveidotājus,

mikroprocesoru vadības sistēmas u.c. Patiesībā programmas apguve balstās uz

elektrotehnikas un elektronikas priekšmetiem, pie tam to modernajās versijās.

Šādas specialitātes inženieri ir ļoti pieprasīti tautsaimniecības dažādās nozarēs, jo

modernās tehnoloģijas (ne tikai elektroniskās) pielieto ļoti plaši gan rūpniecībā, gan

lauksaimniecībā, gan transportā, gan komunālajā saimniecībā un sadzīvē. Tāpēc nav lielu

grūtību ar darba sameklēšanu, un faktiski visi studenti jau sāk “piestrādāt” jau 3-ajā kursā vai

arī pēc bakalaura grāda iegūšanas.

40

Literatūra

1. Greivulis J., Raņķis I. Iekārtu vadības elektroniskie elementi un mezgli. Rīga:Avots, 1997,

288 lpp.

2. Grantmanis A. Automatizētā elektropiedziņa. Rīga: Zvaigzne, 1973, 224 lpp.

3. Greivulis J., Raņķis I. Modernās elektronikas pamati. Rīga:Avots, 1992, 165 lpp

41