книги / Электрические аппараты автоматического управления

Датчики частоты. Датчик частоты можно построить с по­ мощью индуктивного или емкостного сопротивления, которые, как известно, зависят от частоты. Если включить такое сопротив­ ление, например, в мостовую схему, то можно получить датчик частоты. На рис. 8.42, б представлена схема такого датчика. В этой схеме в два плеча моста включены контуры, состоящие из параллельно включенных емкостного и индуктивного сопро­ тивлений и настроенных на частоты /i = /0+A/o и /2 =fo—Л/о.

Сопротивление каждого из контуров равно

Если частота тока, питающего мост, будет изменяться, то на выходе моста будет наблюдаться частотный сигнал.

Магнитные датчики — это датчики с изменяющимся сопро­ тивлением. Они основаны на свойстве некоторых металлов изме­ нять удельное электрическое сопротивление при нахождении их в магнитном поле. Это свойство довольно заметно выражено у висмута. Значение удельного сопротивления в магнитном поле при магнитной индукции В может быть определено по уравнению

висмута р= 0,06*10-3 \/гс.

Таким образом, пользуясь этим свойством, можно построить магнитный датчик сопротивления.

Датчики с изменяющейся магнитной проницаемостью. Если взять электромагнит переменного тока с разомкнутым сердечни­ ком и поместить его во внешнее магнитное поле, то получится зависимость

где (Li,- — относительная магнитная проницаемость переменного потока;

Ну — напряженность внешнего магнитного постоянного поля.

Используя это свойство, строят датчики с изменяющейся маг­ нитной проницаемостью.

Датчики, использующие эффект Холла. Как известно, эффект Холла состоит в том, что если в магнитное поле поместить плас­ тинку из проводника или полупроводника, через которую про­

Рис. 8.43

пустить ток, то на боковых гранях пластинки возникает разность потенциалов. Причиной возникновения этой разности потенци­ алов является отклонение зарядов пластинки при движении их в магнитном поле (рис. 8.43). Величина разности потенциалов Uv определяется зависимостью

(8.23)

где Вг — магнитная индукция; d — толщина пластинки; k — постоянная Холла;

Используя эту зависимость (8.23), в настоящее время строят различные датчики.

1. Датчики величины магнитного поля, имеющие зависимость

AUy = k _h

(8.24)

2 . Датчики тока и напряжения, которые связаны между собой соотношением

3. Датчики мощности. В этом случае связь между напряже­ нием эффекта Холла и параметрами внешней цепи будет

где р — коэффициент пропорциональности; Uу— напряжение, создающее поле Bz\

I — ток, пропорциональный напряжению Uy.

4. Датчики перемещения, основанные на эффекте Холла.

Индукционные датчики для передачи угловых перемещений

Принцип действия этих датчиков можно пояснить таким об­ разом. Пусть даны два вращающихся трансформатора (ВТ) — два асинхронных двигателя с заторможенными роторами, пер­ вичные обмотки которых (статоры) одинаково включены в сеть, а вторичные (роторы) включены встречно (рис. 8.44, а). Если оба ВТ одинаковы и роторы их находятся под одинаковыми углами по отношению к полю первичных обмоток (статоров), то э. д. с. вторичных обмоток (роторов) будут одинаковы и благодаря встречному соединению обмоток результирующая э. д. с. вторич­ ной цепи (роторов) будет равна нулю.

Рис. 8.44

Если ротор одного из ВТ (датчик) повернуть на некоторый угол рассогласования а и принудительно задержать в новом положении, то э. д. с. ротора (датчика) получит новое значение по отношению к исходному и э. д. с. датчика обусловит ток в цепи роторов. Взаимодействуя с полями статоров, ток создает вращаю­ щие моменты, которые будут стремиться повернуть роторы. Но ротор датчика заторможен, поэтому ротор второго ВТ (при­ емника) должен поворачиваться до тех пор, пока не займет та­ кого же пространственного положения по отношению к своему

статору, как и ротор первого ВТ — датчика. После этого э. д. с. роторов станут равными, тока в их цепи не будет, и моменты исчезнут.

Таким образом ротор приемника будет следовать за ротором датчика, отставая от него на некоторый угол, определяемый мо­ ментом сопротивления движению приемника.

Максимальный синхронизирующий момент МСиихр =<р(а) представлен на рис. 8.44, б. В этой системе (рис. 8.44) недостат­ ком является то, что э. д. с., индуктируемая в роторах, зависит от пространственного положения их. В результате этого при оди­ наковых углах рассогласования моменты будут различны при различном расположении роторов относительно оси поля. Кроме этого, система устойчива в пределах изменения угла рассогласо-

я

вания до 90° — — . Этих недостатков лишены датчики

угловых перемещений, которые называются сельсинами. Сельсин. Сельсин представляет собой ВТ, ротор которого

имеет не одну, а три обмотки, расположенные друг по отношению к другу со смещением на угол в 120° Поэтому если включить два таких сельсина по схеме рис. 8.45, то суммарный вращающий момент, создаваемый обмотками роторов, не будет зависеть от пространственного расположения этих роторов, а будет зависеть лишь от угла рассогласования а, который для такой системы может изменяться до ±180°, и система будет устойчивой.

Сельсин по конструкции напоминает собой асинхронный дви­ гатель с одной обмоткой на статоре и трехфазным ротором с кон­ тактными кольцами (фазный ротор). Наличие контактных колец является недостатком такой конструкции сельсина. Поэтому в настоящее время имеются конструкции бесконтактных сель­ синов.

Бесконтактный сельсин (рис. 8.46, а). На статоре 1 разме­ щены вторичные обмотки 6. С торцов установлены две плоские катушки 4, соединенные согласно и подключенные к источнику питания. Ротор состоит из двух башмаков 2, выполненных из ферромагнитного материала и разделенных немагнитной про­ кладкой 7, вал также сделан из немагнитного материала. Поэтому

\=М

У

ш gjcz Ф = э |

-

Рис. 8.46

поток замыкается так, как показано на рис. 8.46, б. При повороте ротора меняется положение башмаков относительно вторичных обмоток статора, а следовательно, изменяются величины э. д. с., индуктируемых в них. На рисунке цифрой 3 обозначены набор­ ные тороиды, а цифрой 5 магнитопроводящие сегменты, которые способствуют уменьшению магнитного сопротивления.

Магнесин (рис. 8.47) служит для передачи угловых переме­ щений при повышенных частотах. Он состоит из тороидального пермалоевого сердечника с равномерно наложенной на него об­ моткой, которая имеет две отпайки. Наличие отпаек позволяет разделить обмотку на три равные части. Внутри тороида помещен ротор, представляющий собой постоянный магнит, который мо­ жет поворачиваться относительно статора. В один полупериод потоки в одной половине складываются, а во второй вычитаются, во второй полупериод наоборот. Система выбрана так, что за период магнитная проницаемость в каждой половине, а значит,

и магнитное сопротивление постоянному магнитному потоку ме­ няются дважды. Поэтому постоянный поток пульсирует с двойной частотой по отношению к питающей сети. Это вызывает э. д. с. двойной частоты в обмотке тороида. Если роторы занимают оди­ наковое пространственное положение относительно статоров, то э. д. с. двойной частоты в соответствующих частях обмоток равны

Рис. 8.47

и благодаря встречному соединению противоположны и в соеди­ нительных проводах тока нет. Когда один ротор смещен относи­ тельно другого, то э. д. с. двойной частоты в соответствующих обмотках различны, это вызовет ток в соединительных проводах, который создает момент, способный установить роторы в одина­ ковое положение. В последнее время разработаны шаговые дви­ гатели, которые обладают очень высокой точностью передачи угловых перемещений, и в этом смысле будущее за ними.

Индукционные датчики угловой скорости и ускорения

Эти датчики представляют собой тахогенераторы постоянного и переменного тока. Так как напряжение на выходе генератора пропорционально угловой частоте со, то ее можно выделить и тем определить угловую скорость.

Если напряжение пропустить через дифференцирующий кон-

dco

тур, то можно получить -^j-y т. е. угловое ускорение.

8.3.2. Датчики с промежуточным преобразованием

На практике бывает так, что не удается построить датчики с непосредственным преобразованием. Дело в том, что связь меж­ ду управляющим и управляемым параметрами недостаточно ясна или имеют место помехи и т. п. В таких случаях прибегают

к построению датчиков с рядом промежуточных преобразований (рис. 4.48), т. е.

Входная часть датчика, в которой входная величина х пре­ образуется в первый из промежуточных параметров, называется

Рис. 8.48

воспринимающим органом ВО; выходная часть датчика, которая осуществляет управление параметром у, называется исполнитель­ ным органом ИО. Часть датчика, лежащая между входом и вы­ ходом, называется промежуточным органом ПО.

ГЛАВА 9. БЕСКОНТАКТНЫЕ АППАРАТЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ

§9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Внастоящее время все большее распространение получают статические бесконтактные аппараты автоматического управле­ ния. К ним можно отнести: 1 ) бесконтактные электромагнитные устройства автоматики, 2 ) бесконтактные реле, 3) стабилиза­ торы тока и напряжения, 4) бесконтактные командные аппараты,

5)элементы логического действия, 6 ) элементы структурных

математических .моделей, 7) элементы суммирующих устройств и элементы устройства памяти электронных цифровых машин, 8 ) защитные устройства от перенапряжений и многие другие.

Автоматизация производственных процессов требует весьма сложных, разнообразных и надежных схем. В этих условиях контактные элементы не могут решить полностью эту задачу. Поэтому наряду с контактными элементами широко внедряются бесконтактные. Они имеют то преимущество, что в обусловлен­ ных режимах имеют очень продолжительный срок службы, осо­ бенно при большой частоте срабатывания. Этого не могут обес­ печить контактные элементы, срок службы которых всегда огра­ ничен. Бесконтактные элементы не требуют ухода, они лишь требуют определенных условий, которые не должны нарушаться. Многие бесконтактные элементы обладают большим быстродей­ ствием, практически почти неограниченным. Все эти особенности выдвигают бесконтактные элементы на первый план, а в ряде схем на исключительное место.

§9.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Впрактике используются различные полупроводниковые при­ боры: диоды, триоды или иначе их называют транзисторами, тер­ морезисторы, варисторы, тиристоры и др.

Полупроводниковые диоды бывают селеновые, меднозакисные (купроксные), германиевые и кремниевые. Но большее распро­ странение получили германиевые и кремниевые диоды.

9.2.1. Диоды

Германиевые диоды изготовляются из полупроводника гер­ мания. Их рабочим элементом служат р—л или п—р переходы. Структура р—л (рис. 9.1, о.) состоит из двух областей: р — об­ ласть с дырочной проводимостью и л — область с электронной

проводимостью. В зависимости от полярности приложенного напряжения через р—п переход может протекать или малый обратный ток, или большой прямой ток. Прямое направление соответствует положительному смещению области р относительно

области п. Если к р—п переходу приложить переменное напря­ жение, то ток ..будет проходить в одном направлении в период полуволны напряжения прямого направления. В этом и состоит выпрямительное действие р—п перехода. На рис. 9.1, б приведено условное обозначение диода. Основной характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика (рис. 9.1, в). Имеется большое разнообразие конструкций германиевых диодов,

атакже широкая классификация их по назначению.

Втабл. 9.1 приведены характеристики некоторых типов из них,

даны основные параметры, характеризующие диод. Пользуясь этими данными, можно подобрать тот или иной тип диода в зависимости от параметров схемы, в которой диод должен работать.

Табл. 9.1. Диоды германиевые выпрямительные сплавные

Диоды, перечисленные в таблице, предназначены для выпрям­ ления переменного тока частотой до 20 кгц. Оформлены в метал­ лическом сварном корпусе. Вес без радиатора не более 1,4 г. В зависимости от способа и геометрии перехода различают диоды точечные и плоскостные.

Кремниевые диоды (табл. 9.2) называются так потому, что их рабочим элементом служит полупроводник кремний. Они име­ ют более высокие предельные температуры и, как правило, более стабильны в сравнении с германиевыми диодами по этому пара­ метру.

Предназначены для работы в схемах радиоэлектронных устройств на частотах до 20 Мгц. Оформлены в металлостеклян­ ном герметичном корпусе и имеют гибкие выводы.

Маркировка диодов производится нанесением красных точек на корпус: Д223 — четырех, Д223А — двух, Д223Б — трех. Для указания полярности диода утолщенная часть его плюсового вывода окрашена в красный, а минусового — в черный цвет.

Вес диода без радиатора 0,3 г.

Табл. 9.2. Диоды кремниевые микросплавные

Максимальное обратное напряжение

напряжение. Один элемент селенового диода типов ВС и АВС имеет обратное напряжение 18 в, а типа ТВС — 36 в. На рис. 9.2, а: 1 — болт, 2 — гайка, 3 — шайба, 4 — изолирующая шайба, 5 — железный электрод, 6 ~ слой селена (анод), 7 — катодный слой, 8 — контактная латунная шайба, 9 — изолирующая трубка, 10 — контактная шина.

Исходя из параметров, набирают необходимое число элемен­ тов шайб в столбик. Длительные токи должны быть такими, чтобы температура шайб не превышала 75° С. Плотность тока шайбы не должна превышать 30 ма/см2 при окружающей темпе-