розділ2

Дисципліна «Автоматика»

негативним зворотним зв'язком, що дозволяє забезпечити стабільну роботу і понизити вплив дрейфу нуля. Слід зазначити, що чим вище коефіцієнт посилення К і менше дрейф нуля, тим вище точність ОП.

Для зниження впливу вхідного струму iвх на роботу ОП він повинен мати великий вхідний опір, а для можливості узгодження його вихідного сигналу з навантаженням – малий вихідний опір. Такий розподіл опорів дозволяє мати рівень вихідної напруги рівним нулю при Uвх = 0.

Оскільки кожний каскад ОП змінює знак посилюваної напруги на зворотний, то звичайно застосовують непарну кількість каскадів, тобто Uвих має зворотний знак Uвх, що дозволяє будувати більш глибоку схему і створювати ланцюги зворотного зв'язку (рис. 2.4.3), що стабілізують роботу підсилювача.

Для підсилювача можна записати Uвих = - К Uвх.

Uzо

Zо

Uz1

Z1

Рисунок 2.4.3.

Основні властивості ОП:

1)вихідна напруга ОП рівна напрузі на елементі зворотного зв'язку Zо, узятому із зворотним знаком

Uвых Uzо

2) вхідна напруга ОП майже повністю виділяється на його вхідному елементі Z1

Uвх Uz1

2. Схема ОП, що підсумовує, для двох і більш величин приведена на рисунку 2.4.4.

Струм iо протікаючий через резистор Rо, рівний на підставі 1 закону Кирхгофа сумі струмів, що протікають через резистори R1, R2, R3 . . . Rn.

Iо =I1 + I2 + I3 + . . . + In

Відповідно до першої і другої властивості ОП можна записати

Uвих URо, U1 UR1, U2 UR2, U3 UR3.

Розділ 2. «Елементи автоматики»

R1

U1

R2 Rо

U2

R3

U3

Рисунок 2.4.4

За законом Ома знайдемо вираз для струмів

iо = URо/Rо = - Uвих / Rо

i1 = UR /R1 = U1 /R1

i2 = U2 /R2

i3 = U3 /R3

Отримуємо

- Uвих / Rо = U1 /R1 + U2 /R2 + U3 /R3

Звідси

Uвих = - (U1Rо /R1 + U2 Rо/R2 + U3Rо /R3)= -(К1U1 + К2 U2 + U3 /R3)

де К1 = Rо /R1 – коефіцієнт передачі по першому входу;

К2 = Rо /R2 – коефіцієнт передачі по другому входу;

К3 = Rо /R3 - коефіцієнт передачі по третьому входу.

Для підсилювача, що підсумовує, приймають Rо = R1 = R2 = R3. Тоді одержуємо

Uвих = - (U1 + U2 + U3)

тобто вихідна напруга дорівнює сумі алгебри вхідних напруг, узятих із зворотним знаком.

Якщо ОП має один вхід і Rо = R, то Uвих = - Uвх, тобто підсилювач тільки змінює знак вхідної напруги. Такий підсилювач називають інвертором.

Дисципліна «Автоматика»

3. Для виконання операції диференціювання ОП включають за схемою, представленою на рисунку 2.4.5.

Uвих

Струм, що проходить через резистор R, визначається з виразу

i = (Uвих – Uвх1) /R = С[dUвх/dt]

Розв´язуючи цю пропорцію можна записати

операційного підсилювача за рисунком 2.4.6. На підставі першої і другої властивостей операційних підсилювачів можемо записати Uвых = -Uс і Uвх = UR. Тоді струм i можна визначити з виразу

i = UR /R = Uвх / R

Цей же струм заряджає конденсатор, оскільки вхідний струм підсилювача рівний нулю. Напруга на конденсаторі, а отже і на виході схеми

З виразу видно, що такий підсилювач інтегрує вхідний сигнал.

1.4.3 Загальні відомості про стабілізатори.

1 Класифікація стабілізаторів.

2Параметричні стабілізатори.

3Компенсаційні стабілізатори.

Розділ 2. «Елементи автоматики»

4Гідравлічні і пневматичні стабілізатори.

1Стабілізатор – елемент автоматики, який забезпечує підтримку якогонебудь параметра енергетичного ланцюга на постійному рівні. В гідравлічних і пневматичних ланцюгах найбільш часто доводиться підтримувати тиск. В електричних ланцюгах стабілізують напругу, струм, частоту, причому на практиці частіше за все стабілізують напругу.

Електричні стабілізатори застосовують в системах автоматичного регулювання в двох випадках:

1)коли коливання напруги живлення надає небажаний вплив на зміну параметрів елементів автоматики;

2)коли значення регульованого параметра задається у вигляді деякої

напруги.

Якість стабілізації напруги характеризується коефіцієнтом стабілізації, що показує відношення відносної зміни впливаючого чинника до відносної зміни вихідної напруги.

Стабілізатори прийнято класифікувати по наступних ознаках.

1.За способом здійснення стабілізації

-стабілізатори струму;

-стабілізатори напруги;

-стабілізатори тиску

2.За принципом дії:

-параметричні стабілізатори, що працюють не по замкнутому циклу;

-компенсаційні стабілізатори, що працюють по замкнутому циклу.

3.По виду виконавського елемента:

-електронні;

-напівпровідникові;

-феромагнітні;

-феррорезонансные.

4.За способом включення виконавського елемента:

-послідовні;

-паралельні;

-послідовно-паралельні;

-змішані.

5.За потужністю:

-малопотужні (до 50 Вт);

-середньої потужності (до 2 кВт);

-великої потужності (понад 2 кВт).

2. Параметричний метод заснований на використані різних елементів з нелінійними статичними характеристиками, до числа яких відносяться активні нелінійні опори (термистори, бареттери, стабілітрони) і реактивні нелінійні опори (дроселі з насиченими феромагнітними магнітопроводами і конденсатори з нелінійними діелектриками).

Параметричні стабілізатори з активними нелінійними опорами можуть застосовуватися як у колі постійного, так і у колі змінного струму.

Дисципліна «Автоматика»

Нелінійні опори за характером нелінійності поділяють на два типи:

-опори, у яких вольт-амперная характеристика має ділянку, де сила струму приблизно постійна для деяких меж зміни напруги, що підводиться

-опори, з вольт-амперной характеристикою, що має ділянку з постійним падінням напруги для деяких меж зміни струму.

До пристроїв, що мають опір першого типу, відносяться звичайно лампи розжарювання і бареттери. Останні є скляним заповнений воднем балоном, усередині якого розміщений дріт з чистого заліза. Якщо бареттер R включити послідовно з навантаженням Rн (рис. 2.4.7, а), то в певних межах вхідної напруги струм у колі змінюватися буде дуже мало.

До пристроїв, що мають нелінійні опори другого типу, відносяться напівпровідникові термисторы, позитрони і стабілітрони. Термистори – напівпровідникові терморезистори з великим негативним температурним коефіцієнтом. Позитрони володіють великим позитивним температурним

коефіцієнтом. Стабілітрон (напівпровідниковий діод-стабілізатор) – це германієвий або кремнієвий діод.

Схема включення стабілітрона V показана на рис. 2.4.7,б. Стабілізація вихідної напруги Uвих забезпечується при зміні вихідної напруги Uвх і при зміні опору навантаження Rн. Рівень стабілізації не перевищує 0,1%.

Параметричні стабілізатори з нелінійними реактивними опорами можуть застосовуватися у колах змінного струму. Вони забезпечують більш високий ККД в порівнянні із стабілізаторами на активних опорах. В параметричних стабілізаторах частіше всього застосовують дроселі в комбінації з лінійними конденсаторами. Вони носять назву феррорезонансні. Варіанти цих стабілізаторів вельми різноманітні. Одна з найпростіших схем приведена на рисунку 2.4.8.

Дросель L1 має постійну індуктивність і працює в насиченому режимі. Дросель L2 працює в нелінійному режимі, тому насичення напруги на ньому приводить до різкого зростання струму і, як наслідок цього, до збільшення падіння напруги на дроселі L1.

Розділ 2. «Елементи автоматики»

Конденсатор С включається в схему для того, щоб за рахунок феррорезонансу досягти насичення при відносно малих струмах.

3 Компенсаційний метод засновано на застосуванні замкнутих систем регулювання. Компенсаційні стабілізатори можуть бути виконані на лампах і напівпровідниках. Проте останнім часом в основному знаходять застосування напівпровідники.

Схема найпростішого транзисторного стабілізатора (рис. 2.4.9) включає підсилюючий елемент (транзистор VТ1) і вимірювальний елемент (діод VD2). Через резистор R1 здійснюється негативний зворотний зв'язок. При зміні вхідної напруги Uвх транзистор VТ1 перешкоджає відхиленню напруги Uвих. При збільшенні Uвх зростає струм через діод VD2, що приводить до зростання напруги на резисторі R1 і до часткового закриття транзистора VТ1, тобто збільшенню падіння напруги.

Значення вихідної напруги практично рівно зворотній напрузі на стабілізаторі VD2.

4.Гідравлічні і пневматичні стабілізатори застосовують для

зменшення відхилення параметрів, що живляться, через них елементів, тобто для стабілізації тиску. Одна з найпростіших схем стабілізатора тиску показана на рис. 2.4.10.

Рідина (або стисле повітря) з магістралі поступає на вхідну порожнину 1. Звідти через зазор між корпусом 2 і золотником 3 потрапляє у вхідну порожнину 4, з якої здійснюється безпосередня подача до гідравлічного або пневматичного підсилювача (виконавчому механізму). Якщо

вихідний тиск Рвих зменшується, то пружина 5 перемістить поршень 7 вниз і збільшить зазор клапана; при підвищенні тиску Рвих зазор буде зменшуватися.

За допомогою гвинта 6 можна змінити стиснення пружини 5 і тим самим задавати значення тиску Рвих. Окрім стабілізаторів тиску, в гідравлічних і пневматичних системах, можуть застосовуватися стабілізатори витрати. Проте, як і стабілізатори струму, їх використовують значно рідше.

Дисципліна «Автоматика»

2.5 ПЕРЕМИКАЮЧІ ПРИСТРОЇ І РОЗПОДІЛЬНИКИ.

2.5.1 КОНТАКТНІ ПЕРЕМИКАЮЧІ ПРИСТРОЇ І РОЗПОДІЛЬНИКИ.

1 Загальні відомості і класифікація апаратури керування.

2 Електричні контактні реле.

3Контактори і магнітні пускачі.

4Розподільники.

Для комутації силових кіл керування систем автоматики застосовують різноманітні електромеханічні апарати, що мають рухомі контакти для з'єднання електричних кіл, і безконтактні апарати, в яких відсутні рухомі пристрої, а електричний ланцюг створюється за рахунок гальванічних зв'язків і провідності провідників і напівпровідників і електронних елементів. У металургійному виробництві найбільше розповсюдження отримали електромеханічні апарати загально-технічного застосування. Їх можна розділити на дві основні групи: апарати ручного (неавтоматичного) керування і апарати автоматичного керування.

Апарати ручного керування приводить в дію оператор, обслуговуючий автоматичні установки. До цієї групи відносяться кнопки керування і кнопкові станції, рубильники, пакетні і універсальні перемикачі і т.д.

Апарати автоматичного керування приходять в дію від електричних сигналів (команд), що подаються первинними перетворювачами і командними апаратами, на які спочатку може впливати оператор. До їх числа відносяться крокові шукачі, командоапарати, контроллери і пускачі, безконтактні апарати і ін.

За родом струму апарати керування підрозділяють: за комутацією – апарати постійного і змінного струму; за приведенням у дію – з котушками на постійному і змінному струмі.

Основний недолік контактних апаратів керування – утворення в процесі комутації електричної іскри або дуги між контактами. Від цього недоліку вільні безконтактні апарати, в яких відсутні рухомі електричні контакти. Тому основною технічною характеристикою кожної контактної системи є її допустима розривна потужність.

Реле, контактори і магнітні пускачі, як було відзначене в лекції 2.1.2, можна віднести до перемикаючих пристроїв.

2. У даному питанні розглянемо тільки електричні реле, які є найпоширенішими елементами автоматики, телемеханіки і обчислювальної техніки. Є також і неелектричні реле: гідравлічні, пневматичні, хімічні і ін.

Електричне контактне реле в загальному випадку є проміжним елементом, який приводить в дію одну або декілька керованих електричних кіл при дії на обмотку його певних електричних сигналів, що подаються від керуючого ланцюга. Статична характеристика реле показана на рисунку 2.5.1. При збільшенні вхідної величини Х від 0 до Хс вихідна величина У залишається постійним і рівним Увід.

Розділ 2. «Елементи автоматики»

У

Ус

Увід

0

Рисунок 2.5.1 - Характеристика електричного реле.

У момент Х = Хс вихідна величина стрибком змінюється від значення Увід до значення Ус, тобто відбувається спрацьовування реле. Якщо і далі збільшувати вхідну величину, то вихідна величина залишається постійною і рівною Ус або міняється трохи. При зменшенні вхідної величини до значення Хвід вихідна величина залишається постійною і рівною Ус. При подальшому зменшенні вхідної величини у момент Х = Хвід відбувається відпуск реле, вихідна величина при цьому зменшується стрибком і стає рівною Увід. Величина відпуску Хвід реле менше величини спрацьовування Хс.

Основними параметрами, що характеризують роботу реле в якому-небудь пристрої, є:

1)потужність спрацьовування Рс – потужність, яка підводиться до обмотки реле від керуючого кола для його надійного спрацьовування;

2)потужність в керованому колі Рк – максимальна потужність в керованому колі, при якому реле ще працює надійно;

3)час спрацьовування tc - інтервал часу від моменту подачі керуючого сигналу на обмотку реле до моменту дії контактів реле на кероване коло;

4)надійність реле.

При проектуванні пристроїв, в яких застосовуються реле, останні вибирають з урахуванням перерахованих параметрів.

Важливе значення при виборі реле мають його габарити і маса. Електричне контактне реле - складається з перетворювача електричного

сигналу в переміщення і однієї або декількох груп контактів. Перетворювач служить для переміщення контактів, які у свою чергу замикаються або розмикаються при подачі на вхід перетворювача визначеного по значенню сигналу. Контакти включаються в електричне кероване (виконавче) коло.

За принципом дії перетворювача, що використовується, електричні контактні реле можна розділити на реле:

-електромагнітні (постійного і змінного струму);

-магнітоелектричні;

-електродинамічні;

-індукційні;

-електротеплові;

-фотоелектронні;

Дисципліна «Автоматика»

-електронні.

3.Контактором (силовим реле) – називається електромагнітне реле, яке має могутню контактну систему, що служить для комутації робочих кіл електродвигунів. Контакти цієї системи звичайно називаються головними контактами. Контактори дозволяють включати електричне коло до 1500 разів на годину.

Залежно від роду струму, що подається в головне коло, контактори діляться на два види: контактори постійного і змінного струму. Окрім цього розподілу контактори бувають одно- і багатополюсними.

Контактори постійного струму служать для комутацій кіл постійного струму. Вони мають обмотку, на яку звичайно подається постійний струм напругою 110 або 200 В. Контактори постійного струму споживають потужність 20-30 Вт. Вони мають один або два головні контакти, а також до п'яти блокконтактів, що служать для комутації допоміжних кіл, наприклад, для сигналізації, самоутримання і т.п. Як головні контакти, так і блок-контакти бувають замикаючими і розмикаючими. Головні контакти, як правило, забезпечуються пристроями, що гасять дугу.

Контактори змінного струму служать для комутації ланцюгів змінного струму. Вони мають обмотку, на яку подається змінний струм промислової частоти напругою до 500 В. Число головних контактів звичайно рівно від 1 до 5. Крім головних контактів контактори змінного струму мають також малопотужні блок-контакти, які призначені для самоблокування, комутації додаткових кіл і т. ін.

Магнітні пускачі – є контакторами, які служать для дистанційного керування трифазним асинхронними двигунами. Пускачі можна розділити на два види: нереверсивні і реверсивні. Для захисту двигунів від перегріву в магнітних пускачах використовуються теплові реле, що допускають протікання короткочасних пускових струмів в двигунах, але розмикаючи коло живлення двигунів при тривалих перевантаженнях. Для захисту двигунів від струмів короткого замикання застосовуються плавкі запобіжники.

На рисунку 2.5.2 приведена схема реверсивного магнітного пускача, яка часто застосовується для реверсування двигуна. В цьому випадку пускач містить два контактори. Один контактор призначений для включення двигуна і обертання його, наприклад, за годинниковою стрілкою, а другий служить для включення двигуна і обертання його проти годинникової стрілки.

Схема складається з двох частин: силової і оперативної (керуючої). До силової частини можна віднести: двигун 1, два теплових реле КА1 і КА2, дві групи робочих контактів і плавкі запобіжники FU1, FU2, FU3. Управляюча частина включає: обмотку КМ1 першого контактора і обмотку КМ2 другого контактора; контакти контакторів КМ1 і КМ2; кнопкові вимикачі SB1 і SB2; блок-контакти контакторів КМ1 і КМ2; кнопковий вимикач SB3, а також контакти КА1 і КА2 теплових реле.

Оперативна (керуюча) частина при пуску двигуна працює таким чином. При подачі напруги від мережі і натисненні кнопкового вимикача SB1 по колу (фаза а – запобіжник – обмотка контактора КМ1 - замкнутий контакт КМ2

Розділ 2. «Елементи автоматики»

контактора КМ2 – кнопковий вимикач SB1 – кнопковий вимикач SB3 – замкнуті контакти КА1 і КА2 двох теплових реле – запобіжник – фаза с) потече струм. Контактор КМ1 спрацьовує і його робочі контакти в силовому колі КМ1 замикаються, але контакт КМ1 (в ланцюзі контактора КМ2) розмикається, внаслідок чого двигун РД підключається до мережі і починає обертатися за годинниковою стрілкою. При замиканні блок-контакту КМ1 кнопковий вимикач SB1 може бути відпущений, оскільки він блокується цим блок-контактом. Зупинка двигуна здійснюється шляхом натиснення кнопкового вимикача SB3. При цьому струм у колі, вказаному вище, зникає, якір контактора КМ1 відпадає, розмикаючи робочі контакти в силовому ланцюзі, блок-контакт КМ1 і замикаючи контакт КМ1.

Пуск двигуна у зворотний бік проводиться шляхом натиснення кнопкового вимикача SB2. В цьому випадку двигун підключається до мережі за допомогою робочих контактів контактора КМ2. Блокування кнопкового вимикача SB2 відбувається за рахунок замикання блок-контакту КМ2 контактора КМ2.

У схему включені контакти КМ1 і КМ2, які призначені для виключення одночасного включення контакторів КМ1 і КМ2. Якби це відбулося, то виникло б коротке замикання у мережі змінного струму. У схему також включені контакти теплових реле КА1 і КА2.