Главная » Книги и журналы

1 ... 24 25 26 27 28 29 30

Подъемная верхняя крышка и передЕше дверцы в корпусе обеспечивают доступ к аппаратам и схемам, монтируемым на крышке и внутрт корпуса.

Заслуживает внимания модульный принцип конструирования. Некоторое смграниченное число стандартных модулей (блоков), наподобие приведенного на рис. 21-3, а, позволяет собирать множества вариантов пультов, отличающихся дфуг от друга формой и размерами, как это показано на рис. 21-3,6.

Устройства распределительные сбо1шые. Они предназначены для применения в качестве распределителыплх пунктов силовых и осветительных сетей, а также устройств управления электроприводами. Часто электрические аппараты, приборы и сигнальные устройства скомпонованы в типовые блоки (ящики) 1, из которых комплектуются сборки (рис. 21-4) по любой электрической схеме. Ящики выполняются кратными по размерам, в сборке комплектуются при любом расположении и соединяются болтами.

Электрический монтаж выполняется как по вертикали, так и по горизонтали через окна в ящиках Вводные устройства позволяют присоединять кабели различных исполнений. Ящики могут быть пластмассовыми или стальными сварными.

Сборки классифицируются по номинальным напряжению и току (до 660 В и 630 А), назначению и электрическим схемам, конструктивному и климатическому исполнению, степени защиты и т. п.

При относительно ограниченном числе стандартных блоков (ящиков) можно получить большое разнообразие сборок и электрических схем их соединения, что является бесспорным достоинством такого способа конструирования.

А-А

Рис. 21-5. Пример ячейки высоковольтного комплектного распределительного устройства (КРУ),

21-5. КОМПЛЕКТНЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Типовая ячейка комплектного распределительного устройства (КРУ) с вы-катиым элементом показана иа рис. 21-5 (выполняется и без выкатиого элемента). В стальном сварном каркасе, обшитом стальными листами, размещены в отдельных отсеках сборные шины 3, верхние и нижние втычиые контакты 2 и 1, выключатель 5 и трансформаторы тока б на выкатной тележке 7 и блок низковольтной аппаратуры 4 (реле, приборы, ключи управления и т. п.).

Выкатная тележка может занимать три положения:

рабочее - разъединители включены, все аппараты находятся под напряжением и рабочими токами;

промежуточное - разъединители отключены, выключатель отсоединен от питающих шин, но блок 4 (цепь управления и сигнализации) включен, что позволяет кыполнить проверку механизмов выключателя;

ремонтное - все цепи отключены.

В каждом положении предусмотрены соответствующие блокировки, обеспечивающие безопасность обслуживания.

Из таких и аналогичных КРУ со своими схемами комплектуются щиты подстанций.

РАЗДЕЛ 4

Б есконтактные элементы схем автоматики

ГЛАВА

2Ш. ШЦрШ СВЩЕНИЯ

Как уже указывалось, бесконтактные элементы не имеют коммутирующих и скользящих контактов, обязательных для контактных аппаратов. Принцип действия элементов может быть основан на различных физических явлениях, однако во всех случаях работа бесконтактного эл€;мента сводится к изменению тока в электрической цепи при воздействии на него управляющего сигнала.

По характеру реакции на управляющий сигнал бесконтактные элементы могут быть разбиты на две группы:

1) усилители электрических сигналов;

2) бесконтактные реле и переключатели.

Элементы первой группы (усилители) характеризуются непрерывной и ллав, ной зависимостью выходного параметра, например тока или напряжения, от входного (управляющего) сигнала и являются основой регуляторов. Бесконтактные реле в отличие от усилителей имеют скачкообразную зависимость выходного сигнала от управляющего сигнала.

Принцип действия обеих групп элементов основан на усилительных свойствах специальных приборов и устройстЕ1. Так, в электронных и полупроводниковых элементах используются усилетельные свойства электронных ламп и полупроводниковых приборов. В магнитных усилителях используется свойство дросселей изменять свое индуктивное сопротивление при подмагни-чивании постоянным током. Работа электромеханических усилителей основана на преобразовании электрического сигнала в механическое перемещение якоря электромагнита, которое, в свою очередь, изменяет сопротивление, включенное в регулируемую электрическую цепь. При этом вне зависимости от принципа действия усилителей их общим свойством является усиление электрических сигналов, т.е. возможность управления большой мощностью с помощью электрических сигналов малой мощности.

Усилители практически входят в состав любых систем автоматического регулирования и управления. Они используются для усиления, преобразования и суммирования сигналов 1*азличных датчиков, управляющих производственным процессом.

22-1. мАгнитаьш ¥шшишт

Магнитные усилители представляют собой дроссели со стальным сердечником, включаемые в цепь переменного тока. Путем подмагничивания этих дросселей постоянным током можно в широких пределах изменять постоянный ток в регулируемой цепи. Существует большое разнообразие схем магнитных

Рис. 22-1. Схема магнитного усилителя с самоподмагничиванием и выходом на переменном токе

усилителей, однако наибольшее распространение получила так называемая схема с самоподмагничиванием, обладающая наиболее высоким коэффициентом усиления и быстройействием!. Поэтому в дальнейшем описание работы магнитных усилителей будет дано применительно к этой схеме.

Принципиальная схема такого магнитного усилителя изображена на рис. 22-1. Как видно из рисунка, магнитный усилитель состоит из двух одинаковых сердечников 1 и 1, изготовленных из листовой электротехнической стали. Желательно, чтобы сталь сердечников обладала большой магнитной проницаемостью и резко выраженным насыщением. Для мощных магнитных усилителей применяются листовые электротехнические стали (марки 3411 - 3414), для усилителей малой мощности - сплавы железа с никелем (пермаллой) и др.

На каждом сердечнике расположена рабочая обмотка 2 и 2 с числом витков Wp. Начала обмоток обозначены жирной точкой. Обе обмотки включены параллельно и встречно. Последовательно с каждой обмоткой включены полупроводниковые диоды (вентили) Д1 и Д2. Схема может работать и без этих вентилей, однако они придают магнитному усилителю дополнительные положительные качества - увеличивают коэффициент усиления и быстродействие, поэтому современные магнитные усилители, как правило, собираются по этой схеме. Последовательно с магнитным усилителем в цепь переменного тока, питаемую напряжением 1/., включена нагрузка Яд-Обмотка управления 5 с числом витков Wy охватывает оба сердечника одновременно. Управляющий сш-нал Uy подается на эту обмотку. Если управляющих сигналов несколько, то соответственно ца сердечниках располагают и несколько обмоток управления.

Работа магнитного усилителя поясняется кривыми на рис. 22-2. Из-за вентилей Д1 и Д2 (см. рис. 22-1) каждая рабочая обмотка может проводить ток только в течение одного полупериода питающего напряжения и.. Поэтому, рассматривая работу усилителя в течение первого полупериода (интервал времени от О до я), ограничимся анализом процессов только в сердечнике 1. Предположим, что по обмотке управления протекает ток 1у, создающий МДС Fy = lyWy. Тогда к началу первого полупериода в сердечнике будет уже создан начальный поток Фо, определяемый по кривой намагничивания сердечника (рис. 22-2, а). Под действием напряжения питания, приложенного к рабочей обмотке первого сердечника, будет происходить дальнейшее пере-магничивание сердечника, представ-иенное кривой на рис. 22-2, е. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока сердечник не будет насыщен. Время, в течение которого происходит перемагничивание сердечника, называется интервалом возбуждения и характеризуется углом насыщения а (рис. 22-2; 0. В интервале возбуждения из-за большой индуктивности дросселя все напряжение питания практически прикладывается к дросселю и в нагрузке протекает лишь небольшой намагничивающий ток 1 (рис. 22-2, г).

Когда сердечник будет насьпцеи, наступит интервал насьпцения, продолжающийся до конца полупериода. В этом интервале поток сердечника не из-

меняется, поэтому индуктивность дросселя мала и все напряжение питания прикладывается к нагрузке. Ток в нагрузке резко возрастает до значения, определяемого сопротивлением нагрузки, и протекает в течение всего интервала насыщения, т. е. от момента насыщения сердечника, определяемого углом а, до конца полупериода, т.е. до угла п. В гечеиие другого полупериода работает второй сердечник, причем процессы протекают совершенно аналогично.

Таким образом, роль дросселей сводится к задержке начала протекания тока в нагрузке. Длительность этой задержки определяется углом насыщения а. Среднее значение тока в нагрузке определится из выражения

/ -i-

1/2 [/.si

sin cot

-dat =

\/2U.

(1-I-cosa), (22-1)

откуда видно, что ток /, действительно зависит от угла насыщения а.

В свою очередь, угол тасы-щения а зависит от степени начального намагничивания сердечника, т. е. от потока Фо-Действительно, изменение потока АФ1 в течение интервала возбуждения может быть определено из выражения

АФ, = ф, ф =-X

CI)W

[/.sincotdcot, (22-2)

Рнс. 22-2. Кривые измшиення напряжения, потока сердечника н тока магнитного усилителя

т. е. приращение потока АФ1 пропорционально площади, ограниченной кривой напряжения в пределах интервала возбуждения (на рнс. 22-2,6 эта площадь заштрихована). Чем больше поток Фо начального намагничивания, тем меньше разность АФ1 = Ф^ - Фо, тем меньше угол а и больше ток нагрузки 1 >

Таким образом, путем изменения начального подмагничивания дросселя можно регулировать ток в нагрузке. Зависимость среднего значения тока нагрузки от МДС обмотки управления реального усилителя представлена иа рис. 22-3. Как видно из рисунка, характер этой зависимости таков, что при отсутствии тока управления иа выходе магнитного усилителя уже имеется значительный ток нагрузки (Iqi иа рис. 22-3). Если требуется, чтобы при отсутствии сигнала управления ток иа выходе усилрЕтеля (начальный ток нагрузки) был близок к нулю или имел какое-либо другое определенное значение, то иа сердечниках усилителя располагают дополнительную обмотку, называемую обмоткой смещения, питаемую от постороннего источника. В этой обмотке устанавливают необходимый ток смещения. Который обеспечивает требуемое значение начального тока магнитного усилитс;ля {I02 иа рис. 22-3).

Из характеристики на рте. 22-3 также видно, что с помощью магнитного усилителя нельзя полностью запереть цепь нагрузки, т. е. снизить ток нагрузки до нуля. Даже при большом отрицательном токе управления в цепи нагрузки протекает ток холостого хода, определяемый МДС, требуемой для перемагничивания сердечников. Поэтому одной из характеристик магнитного усилителя является кратность тока нагрузки, т. е. отношение максимального тока нагрузки в конце линейной части характеристики к току холостого хода:

к, = LJIo. (22-3)

В серийных усилителях значения этой величины лежат в пределах от 10 до 30.

Усилительные свойства магнитных усилителей, определяются их коэффициентами усиления:

ку, = PJPy. (22-4)

Мощность нагрузки Рн находится по формуле

Р„ = С^ном/ном, (22-5)

Рис. 22-3. Характеристика магнитного усилителя с внутренней обратной связью

где Uhom и Уном - номинальные напряжение и ток нагрузки усилителя.

Под мощностью управления Ру понимают потери в сопротивлении обмотки управления Гу от тока управления /уд, обеспечивающего

у ю

номинальный ток нагрузки: Р =г Р

л у у' у н*

(22-6)

Коэффициент усиления зависит от конструктивных параметров магнитного усилителя в 4acTHqcTH от объема меди обмотки упрарления. Чем больше меди, тем больше ку. В зависимости от назначения усилителей их коэффициент усиления варьирует в широких пределах - от десятков единиц до десятков тысяч. Например, для серийного усилителя ТУМ-4А-11 имеем:

Рн = 45,4 Вт-мощность нагрузки;

Ру1 = 0,045 Вт - мондность первой обмотки управления;

Ру7 = 0.0112 Вт - мощность седьмой обмотки управления;

кус\ = fJPy\ = 1000 - коэффициент усиления по первой обмотке управления;

кус! = PJPyi = 4000 - коэффициент усиления по седьмой обмотке управления.

Важным параметром магнитных усилителей является также их быстродействие, т. е. скорость установления выходного напряжения при подаче сигнала управления. Так как выходное напряжение и ток определяются значением угла насыщения а, а он зависит от начального потока Фо, то в конечном итоге быстродействие опрелеляется скоростью установления потока Фо. Установление потока Фо происходит но показательному закону с постоянной времени

Фо = Фоуст(1-е-П (22-7)

гДе Фоусг - установившееся значение потока.

Скорость установления потока полностью характеризуется постоянной Т, причем полное время установления принимается равным ЗТ. Постоянная времени Т зависит от соотношения индуктивности и сопротивления обмотки управления, а также от параметров рабочих' обмоток. Хотя точный анализ

влияния конструктивных параметров магнитного усилителя на Т очень сложен, можно считать, что увеличение сопротивления цепи управления уменьшает Т, а увеличение количества меди обмоток управления и рабочих обмоток приводит к увеличению Т. Так как коэффициент усиления также пропорционален количеству меди, то, следовательно, увеличение feyc неизбежно приводит к увеличению Т; т*. е. к уменьшению быстродействия усилителя. В реальных усилителях Т лежит в пределах от сотых до нескольких десятых долей секунды.

Рис. 22-4. Схема (а) и характеристика (б) двухтактного мйгннтного усилителя

Из принципа действия магнитного усилителя следует, что его работа возможна лишь при питании переменным током. Однако его нагрузкой могут быть и потребители постоянного тока, например обмотки возбуждения электрических машин, якорь машины постоянного тока, аккумуляторная батарея в режиме зарядки и т. п. Для этого на выходе усилителя включают выпрямитель, обеспечивающий питание нагрузки выпрямленным постоянным током; следовательно, ток нагрузки может иметь только одно направление так как ток другой полярности выпрямителем не пропускается. В тех случаях, когда требуется реверсирование тока нагрузки, используют более сложные схемы -так называемые схемы двухтактных магнитных усилителей. Одна из распространенных схем двухтактного усилителя приведена на рис. 22-4, а, а его характеристика - на рис. 22-4, б. В схемах обязательно требуются два или более усилителей (МУ1 и МУ2) и балластные сопротивления R, которые предотвращают короткое замыкание контуре, образованном в схеме последовательным соединением усилителей.

Ток нагрузки в этой схеме является разностью токов 1 и /г обоих магнитных усилителей. Обмотки управления усилителей включены последовательно и встречно. Поэтому при увеличении тока управления в одном направлении ток одного усилителя увеличивается, а другого - падает (рис. 22-4, б). Разность токов в нагрузке при этом возрастает. Увеличение тока управления в другом направлении приводит также к возрастанию тока нагрузки, но уже при другой полярности. Недостатками двухтактных схем являются необходимость наличия двух усилителей и большие потери в балластных сопротивлениях. Коэффициент полезного действия лучших .двухтактных усилителей не превышает 30-45%.

Кроме рассмотренных усилителей с самоподмагничиванием, широкое распространение в бесконтактной автоматике получили быстродействующие усилители, предложенные Рэйми. Они названы быстродействующими потому, что их время запаздывания фиксировано и составляет точно половину периода питающего напряжения.

Основной ячейкой всех схем быстродействующих магнитных усилителей является односердечниковая схема, изображенная на рис. 22-5. Сердечник изготовляется из материалов с прямоугольной петлей намагничивания - пермаллоя разных марок. Эти материалы характеризуются большой остаточной индукцией, близкой к индукции насыщения. Поэтому сердечник, будучи предварительно насыщен, сохраняет остаточный поток Ф, и после снятия намагничивающего тока. Это свойство сердечника используется в усилителе Рэйми.

На сердечнике расположены рабочая обмотка и обмотка управления. Для простоты будем считать, что числа витков обеих обмоток одинаковы: уу =

в цепь каждой обмотки

1 5ж^ж^И

¥1

-PI-I

е

Рис 22-5 Схема (а) и внешний вид (б) усилителя Рэйми

включены источники переменной ЭДС и вентили Ду и Др. На-

правление вентилей и полярность ЭДС выбраны так, что одну половину периода может проводить только вентиль в цепи управления, а другую половину периода - только вентиль рабочей цепи. Кроме того, в цепь управления включен источник управляющей ЭДС Су, причем встречно с е^. Также выполняется условие Су е^. Направление намотки рабочей й управляющей обмоток выбрано так, что ток рабочей цепи перемагничивает сердечник в одном направлении, а ток управления - в другом.

Для подробного рассмотрения работы усилителя обратимся к диаграммам на рис. 22-6.

Пусть в начальный момент времени в Сердечнике был остаточный поток Ф, Под действием разности ЭДС (е. - Су) сердечник будет пере-магничиваться от точки 1 до точки 2 по кривой гистерезиса сердечника. Изменение потока за половину периода пропорционально заштрихованной площади на рис. 22-6 между кривыми е. и и равно

(е^ - ey)d(ut.

(22-8)

В течение этого управляющего полупериода в цепи управления протекает небольшой намагничивающий ток Таким образом, к началу рабочего полупериода сердечник оказывается полностью намагниченным. С наступлением рабочего полупериода сердечник начинает перемагничиваться в обратном направлении от точки 5 к точке 4. Но так как теперь к рабочей обмотке приложено только напряжение е^, то полное перемагничивание до точки 4 заканчивается раньше конца рабочего полупериода. Длительность этого интервала, названного ранее интервалом возбуждения, обозначена а и может быть определена из уравнения

(22-9)

где АФ - изменение потока, определенное по формуле (22-8).

За интервалом возбуждения следует интервал насыщения, когда ток в рабочей цепи резко возрастает до значения, ограниченного соцротивлением нагрузки. Чем больше ву, тем меньше АФ и соответствующий еъАу угол а и тем больше среднее значение тока нагрузки.

Из всего сказанного следует, что усилитель Рэйми в рабочий полупериод работает так же, как и рассмотренный ранее усилитель с самоподмагничиванием. Особенностью же усилителя Рэйми является то, что сердечник к началу рабочего полупериода полностью намагничивается в течение всего лишь одного управляющего полупериода, почему этот тип усилителя и назван быстродействующим с фиксированным временем запаздывания.

Достоинства магнитных усилителей (простота конструкции,

отсутствие движущихся частей и потребности в уходе, большой срок службы, ш-сокий коэффициент усиления, возможность простого суммирования сигналов на входе усилителя) обусловили их широкое распространение в автоматике.

Отечественная промышленность выпускает широкий ассортимент магнитных усилителей самого разнообразного назначения. Например, серия УМ-Ш однофазных и серия УМ-ЗП трехфазных усилителей мощностью от 70 Вт до 18 кВт предназначены для работы в качестве источников регулируемого постоянного напряжения для питания разнообразных потребителей постоянного тока.

Усилители серии ТУМ (от 2 до 40 Вт - см. рис. 22-5, б) используются в качестве усилительных элементов в системах автоматики. Специальные усилители серии ВУМ служат для усиления маломощных сигналов, получаемых от логических схем, до значений, при которых возможно управлять различными исполнительными электромагнитными устройствами.

Рис. 22-6. Диаграммы напряжений, токов и потока сердечника усилителя Рэйми

22-3. ЭЛЕКТРОННЫЕ И ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Принцип действия электронных усилителей основан на усилительных свойствах электронной лампы с управляющей сеткой. Как известно, изменением потенциала сетки относительно катода можно воздействовать на значение анодного тока лампы. При этом напряжение и мощность сигнала, поданного на сетку лампы, значительно меньше напряжения и мощности в нагрузке.

включаемой в анодную цепь. В этом и проявляются усилительные свойства лампы. Электронные усилители применяются для усиления сигналов как переменного, так и постоянного тока.

Основные достоинства электронных усилителей - их безынерционность и малое потребление мощности от источника сигнала, что особенно важно при работе от маломощных датчиков. Поэтому электронные усилители применяются в автоматике главным образом для предварительного усиления сигналов маломощных датчиков, т. е. для усиления напряжения термопар в регуляторах температуры печей, усиления сигналов датчиков скорости и частоты в соответствующих регуляторах и т.п.

Недостатками электронньк усилителей являются ограниченный срок службы ламп, необходимость в источнике накала, значительное время разогрева ламп при включении усилителя, малая механическая прочность, небольшая выходная мощность из-за большого в^треннего сопротивления ламп и, следовательно, больших потерь энергии в самих лампах. Последнее обстоятельство ограничивает область применения электронных усилителей устройствами с небольшой (до нескольких десятков, реже - сотен ватт) выходной мощностью.

В последние 20-25 лет широкое применение нашли новые усилительные приборы - полупроводниковые (германиевые и кремниевые) триоды, называемые также транзисторами. В этих приборах удачно сочетаются как усилительные свойства электронных ламп, позволяющие усиливать малые сигналы постоянного и переменного тока, так и способность ионных приборов работать с малым внутренним падением напряжения. Кроме того, полупроводниковые приборы по своей конструкции обладают высокой механической прочностью, большим сроком службы, малыми размерами и массой, способностью работать при низких рабочих напряжениях. Недостатками их являются нестабильность параметров и значительный разброс параметров от образца к образцу, а также низкие предельные рабочие напряжения (30-120 В).

Конструктивно транзистор состоит из трехслойного кристалла полупроводника (германия или кремния), заключенного в металлический корпус. Каждый слой обладает особым типом проводимости и имеет вывод во внешнюю цепь. Крайние слои называются коллектором и эмиттером и включаются в схемах соответственно аноду и катоду электронной лампы. Средний слой носит название базы и является, как сетка электронной лампы, управляющим электродом.

На рис. 22-7, а изображена схема простейшего усилителя на транзисторе. Сопротивление нагрузки R вместе с питающей батареей U включены в цепь коллектора К, а управляющее напряжение Uy подается на базу Б. Эмиттер Э является общей точкой как для нагрузочной цепи, так и для цепи управления, поэтому такая схема называется схемой с общим эмиттером. В отличие от электронной лампы, которая управляется напряжением, транзистор управляется током базы.

На рис. 22-7, б представлено семейство характеристик транзистора. Каждая кривая является зависимостью тока коллектора 1 (т. е. тока в нагрузке) от напряжения С/-э между коллектором и эмиттером (т. е. падения напряжения на транзисторе) при каком-либо одном значении тока базы I5. Как видно из рисунка, ток коллектора определяется током базы и мало зависит от напряжения на транзисторе.

В то же время при работе транзистора в схеме напряжение С/-э на нем зависит от тока коллектора, так как является разностью напряжения питания Ua и падения напряжения на сопротивлении нагрузки:

С/, э = С/ - /Л. (22-10)

1 ... 24 25 26 27 28 29 30