1. Электромеханические аппараты автоматики, управления, распределительных устройств и релейной защиты

План лекции:

1.5. Автоматические регуляторы и стабилизаторы.

1.6. Усилители и преобразователи

Автоматические регуляторы и стабилизаторы

Электрические регуляторы являются сложными и ответственными устройствами, основанными на широком применении полупроводниковых элементов. Они включают в себя обратные связи и являются замкнутыми системами автоматического регулирования.

Автоматические регуляторы и стабилизаторы предназначаются для поддержания на заданном уровне выходного параметра объекта управления или регулирования. Такими параметрами могут быть напряжение на клеммах генератора, температура объекта, ток или напряжение в электрической схеме электрооборудования.

На рис.1.18 приведена схема угольного регулятора напряжения на выходных клеммах генератора G.

Рис.1.18. Автоматический регулятор напряжения

Вырабатываемое генератором G напряжение U_ГН зависит от тока возбуждения i_вб, протекающего через обмотку возбуждения ОВ: с увеличением i_вб напряжение U_ГН растет, и наоборот. Ток возбуждения может изменяться за счет изменения сопротивления угольного столба УС, составленного из графитовых шайб. Результирующая сила давления на угольный столб определяется разностью воздействующих на рычаг Р силы пружины Р_П и электромагнитной силы Р_ЭМ, развиваемой электромагнитом Э, который включен на контролируемое напряжение U_ГН через добавочный резистор R. Если, например, при возрастании тока в нагрузке, напряжение U_ГН понизится, то электромагнитная сила уменьшится, нажатие на угольный столб увеличится, сопротивление его снизится, а ток возбуждения и напряжение U_ГН возрастут.

Если произойдет повышение напряжения на выходе генератора сверх допустимого, последовательность будет противоположная: Р_ЭМ возрастет, сопротивление УС увеличится, ток i_вб уменьшится и напряжение U_ГН будет снижаться. В результате работы регулятора напряжение на генераторе будет колебаться около заданного значения.

Среди стабилизаторов широкое распространение получили стабилизаторы электрического тока, напряжения и мощности. Они делятся на параметрические и компенсационные.

Параметрические стабилизаторы основаны на использовании нелинейных элементов, включаемых в схему последовательно с линейными элементами таким образом, чтобы при широком диапазоне изменений входного параметра выходной параметр изменялся значительно меньше, чем входной параметр.

В компенсационных стабилизаторах выходной параметр сравнивается с заданным, в результате чего вырабатывается разностный сигнал, оказывающий воздействие на исполнительный элемент стабилизатора до тех пор, пока этот разностный сигнал не приблизится к нулю.

На рис.1.19 приведена схема стабилизатора напряжения, выполненного на транзисторах.

Рис.1.19. Стабилизатор напряжения

Регулирующим элементом является транзистор Т1, чувствительным органом – транзистор Т2, источником опорного напряжения – кремниевый стабилитрон Ст, напряжение на котором мало изменяется в широком диапазоне изменения тока. Увеличение входного напряжения U₁ приводит к росту тока базы i_б, уменьшению внутреннего сопротивления и увеличению коллекторного тока i_к транзистора Т2. Это вызывает такое перераспределение напряжений в схеме сопротивлений стабилизатора и такое изменение режимов работы транзисторов Т1 и Т2, что напряжение на выходе U₂ останется стабильным. При снижении входного напряжения U₁ уменьшается ток базы i_б. Возникают новые режимы работы транзисторов Т1 и Т2, при которых их внутренние сопротивления изменятся так, что наступит перераспределение напряжений в схеме и стабилизация напряжения U₂ на выходе.

Усилители и преобразователи

Усилители – распространенная группа аппаратов, осуществляющих усиления электрического сигнала. Их основная характеристика – зависимость выходного параметра I_вых от входного сигнала I_вх – имеет монотонный характер без разрывов и скачков, плавное изменение входного сигнала I_вх вызывает плавное изменение выходного параметра (кривая 1, рис.1.20).

Рис.1.20. Характеристики усилителей

Однако в усилителях можно создать особые режимы и получить скачкообразную зависимость между входными I_вх и выходными сигналами I_вых, когда при некотором входном сигнале небольшое его изменение может вызвать скачок выходного параметра (кривая 2, рис.1.20).

Магнитные и полупроводниковые усилители являются основой аппаратов, обеспечивающих скачкообразную зависимость между I_вых и I_вх. Они называются бесконтактными коммутационными аппаратами.

Простейший магнитный усилитель – это электромагнитный элемент, индуктивное электрическое сопротивление которого изменяется в широких пределах.

На рис.1.21 приведена схема дросселя насыщения.

Рис.1.21. Схема дросселя насыщения

В дросселе насыщения имеются две обмотки. Обмотка нагрузки w_НГ включена в цепь переменного тока i_НГ, обмотка управления w_УП – в цепь постоянного тока i_УП. Ток нагрузки i_НГ зависит от суммы индуктивных сопротивлений – объекта нагрузки Х_НГ и магнитного усилителя Х_МУ (Х_МУ зависит от магнитного состояния магнитопровода). В общем случае индуктивное сопротивление равно:

где ω – угловая частота намагничивающего тока;

w_НГ – число витков обмотки;

Ф – магнитный поток;

R_М – магнитное сопротивление;

S и l_М – поперечное сечение и длина магнитопровода.

Если сердечник не намагничивается постоянным током (i_УП = 0), то в магнитопроводе будет создаваться только магнитный поток от тока i_НГ в обмотке w_НГ – он будет невелик, магнитопровод останется ненасыщенным, его эффективная магнитная проницаемость – высокой, а сопротивление Х – большим (Х_МУ > Х_НГ). Тогда ток нагрузки, равный

будет небольшим.

Если же осуществить подмагничивание постоянным током (i_УП > 0), то в магнитопроводе будут существовать два магнитных потока: от тока i_НГ через обмотку w_НГ и от i_УП через обмотку w_УП. Результирующий магнитный поток и индукция в магнитопроводе возрастут, материал магнитопровода войдет в режим насыщения, его магнитная проницаемость резко снизится и индуктивное электрическое сопротивление Х_МУ уменьшится (Х_МУ < Х_НГ). В цепи переменного тока потечет полный ток нагрузки (i_НГ ≈ U_~/Х_НГ). Т.о., подача тока управления i_УП в обмотку w_УП «включает» полный ток нагрузки i_НГ в цепи переменного тока, а снятие тока управления (i_УП = 0) «отключает» ток нагрузки (i_НГ ≈ 0).

Полупроводниковые усилители строятся на базе транзисторов, тиристоров и других подобных приборов.

Функцию непрерывной (периодической) коммутации тока выполняют различные преобразователи переменного тока в постоянный (и наоборот), преобразователи одного уровня постоянного напряжения в другой (преобразователи напряжения) и т.д.

ЛЕКЦИЯ № 6

2. Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах

План лекции:

2.1. Тепловые процессы в электрических аппаратах.

2.1.1. Источники теплоты в электрических аппаратах

2.1.2. Способы распространения теплоты в электрических аппаратах

2.1.3. Задачи теплового расчёта электрических аппаратов

2.1.4. Режимы работы электрических аппаратов

2.1.5.Термическая стойкость электрических аппаратов