книги из ГПНТБ / Автоматическое управление газотурбинными установками

С другой стороны, контактные электромагнитные реле привле­ кают простотой схем, дешевизной, а также наглядностью, что осо­ бенно важно при малоквалифицированном обслуживающем персо­ нале. Кроме того, эти реле позволяют: 1) кондуктивно разделять входные и выходные цепи; 2) осуществлять при помощи одного реле коммутацию нескольких независимых цепей; 3) обеспечивать боль­ шой коэффициент усиления по мощности; 4) обеспечивать кратность тока близкую к бесконечности; 5) создавать системы управления достаточно устойчивые к внешним электрическим помехам.

Контактные электромагнитные реле выпускаются промышлен­ ностью в широком ассортименте, удовлетворяющем практические потребности многих систем управления.

Недостаточная надежность открытых контактных групп у обыч­ ных электромагнитных реле привела к попыткам улучшения этого наиболее уязвимого узла. Было ясно, что существенное усовершен­ ствование может быть достигнуто при герметизации контактов. Однако здесь возникли и значительные конструктивные трудности. Были предприняты попытки герметизировать весь электромагнит­ ный механизм, включая обмотки, магнитопровод, изоляцию и т. д. (например, реле РМУГ). При этом быстро убедились, что срок службы контактов практически не возрастает, так как абсорбиро­ ванные в обмотках, изоляции и магнитопроводе газы, выделяясь в ограниченном герметизированном пространстве, создают концентра­ ции, достаточные для возникновения коррозии контактирующих поверхностей, и приводят к разрушению контактов. Потерпели также неудачу попытки герметизировать только контакты, главным образом из-за конструктивных трудностей передачи движения от якоря.

После упорных поисков было найдено принципиально новое решение, заключающееся в том, что контактные пружины одновре­ менно являются и магнитопроводом. Для этого их стали выполнять из ферромагнетиков, что позволило герметизировать контактную систему и одновременно избавило от механической передачи для приведения в движение контактирующих тел. Эти контактные устройства были названы магнитоуправляемыми контактами (МУК) или герконами, они получили широкое распространение во всех промышленноразвитых странах.

Своим успехом МУК обязаны преимуществам по сравнению с открытыми контактными системами: 1) увеличением срока службы контакта до ІО7—10в циклов срабатываний, т. е. в 10—100 раз;

и длиной от 20 до 50 мм. В баллон с торцов впаиваются электроды из пермаллоевой ленты, образующие контактные пружины. Состав

стекла и марка пермаллоя (низконикелевый, В — 1,3 тл, Нс = 6,5 — -f-10 а/м) подбираются так, чтобы их коэффициенты линейного расши­ рения были одинаковы. Это обеспечивает герметизацию в местах вная электродов. Контактирующие концы электродов покрываются слоем' диффузного золота, родия, серебра или сплавов, обеспе­ чивающих малое переходное сопротивление контакта при небольших контактных давлениях. Баллон заполняется чистым азотом, водо­ родом или смесью азота с водородом (3%).

Схематически МУК представлен на рис. III.3, а. При обтекании обмотки w током возникает магнитный поток, замыкающийся через

Рис. III.3. Замыкающие магнитоуправляеыые контак­ ты, работающие в продольном (а) и в поперечном (6)

поле.

контактный зазор. Под действием силы магнитного притяжения в рабочем зазоре пермаллоевые контактные пружины замыкаются, образуя надежный контакт. Обесточивание обмотки приводит ң раз­ мыканию контактных пружин под действием сил упругости. В рас­ сматриваемом МУК магнитное поле направлено параллельно оси баллона (продольное поле). МУК может управляться и с помощью обмоток, расположенных на выходах электродов, но форма контакт­ ных пружин в этом случае изменяется (см. рис. III.3, б). В рабочем зазоре магнитное поле направлено перпендикулярно к оси баллона (поперечное поле). Обычно в большинстве современных МУК исполь­ зуется продольное поле и только в некоторых специальных видах контактов, например поляризованных и дифференциальных (шарико­ вых), применяется поперечное поле.

Размыкающий контакт представлен на рис. III.4, а. При возник­ новении магнитного поля продольный поток проходит по обоим электродам, обусловливая их взаимное отталкивание и размыкание

68

контакта. Переключающий контакт (см. рис. III.4, б) имеет один немагнитный неподвижный электрод 1, к которому при отсутствии тока в обмотке прижимается подвижный 2, образуя размыкающий контакт. Замыкающий контакт 3 по своему действию не отличается от контакта, показанного на рис. III.3, а.

При помощи одной обмотки можно управлять одновременно несколькими магнитоуправляемыми контактами. Внутрь ■катушки помещают обычно два или три контакта, получают Ішогоконтактное магнитоуправляемое реле с внутренним расположе­

нием контактов. На рис. II 1.5 представлена одна из разновид­ ностей реле с внешним распо­ ложением контактов. На цилин­ дрический сердечник 1 надета обмотка 4, создающая при

включении поток Фэ, замыкающийся'через несколько МУК 3, рас­ положенных по окружности между ферромагнитными фланцами 2.

В многоконтактных магнитоуправляемых реле магнитодвижущую силу, приходящуюся на каждый МУК, нужно увеличить по сравне­ нию с одноконтактными, Фак как при некоторой разновременности замыканий отдельных контактов ранее замкнувшийся шунтирует магнитную цепь, уменьшая тем самым величину магнитного по­ тока, проходящего через остальные.

На рис. III.6, а показан поляризованный МУК. Он требует наличия одновременно как продольного Ф2, так и поперечного Фі потоков. Один из них имеет постоянное направление, а направление другого (Фі) можно менять на обратное. ПродЬльный и поперечный потоки, проходя через рабочий зазор, взаимодействуют, складываясь

69

гиваться либо к левому, либо к правому неподвижному контакту. Дифференциальные МУК известны в двух исполнениях: плун­ жерном (рис. III.6, б) и шариковом (рис. III.6, в). В плунжерном предусмотрены две отдельные обмотки (по одной для каждой из сторон). В зависимости от того, какая из обмоток обтекается током, плунжер втягивается в нее и замыкает соответствующий контакт. Шариковое исполнение требует наличия поперечных полей, созда­ ваемых обмотками на выводах. Шарик выполнен из ферромагнетика

Рис. III.6. Поляризованный (а) и дифференциальные плунжерный (б) и шариковый (в) МУК.

и притягивается к левым или правым электродам, обмотки которых обтекаются током (независимо от его направления). Чтобы исклю­ чить влияние силы тяжести, дифференциальные МУК надо уста­ навливать горизонтально.

У большинства типов МУК коммутируемая на контакте мощность составляет в зависимости от типоразмера от 3 до 20 вт. Для более мощных цепей разработаны и производятся магнитоуправляемые контакты с ртутным заполнением, способные коммутировать мощ­ ность до 200 вт. Токи контактов сухого типа лежат в пределах от 0,1 до 1 а, напряжения — от 25 до 250 в. По литературным данным, имеются высоковольтные МУК, способные работать при напря­ жениях до 5000 в.

Кроме рассмотренных МУК, на которых могут быть осуществлены режимы повторителя или инвертора, имеются предназначенные для работы в режиме триггера специальные магнитоуправляемые реле, получившие название ферридов. Триггерный режим достигается изготовлением внешнего магнитопровода из материалов с прямо­ угольной петлей гистерезиса, блародаря чему магнитопровод со­ храняет состояние намагниченности и после снятия внешнего поля. Получили распространение две разновидности ферридов: последо­ вательные (рис. III.7, а, б) и параллельные (рис. III.7, в, г).

70

Последовательный феррид снабжен внешним магнитопроводом с двумя обмотками: подмагничивающей w2 и управляющей іѵи причем направление тока в последней может меняться. Величины м. д. с. этих обмоток рассчитаны таким образом, что при совпадении потоков Фі и Ф2 (см. рис. III.7, б) сердечник насыщается, и в силу прямоугольное™ гистерезисной петли индукция насыщения практи­ чески сохраняется после отключения обмоток. Это обеспечивает замкнутое положение контакта. Для отключения необходимо изме­ нить направление тока в управляющей обмотке. Потоки станут

а

Іупр

IО

Рис. III.7. Ферриды.

встречными, сердечник размагнитится, контакт разомкнется и после прекращения тока в обмотках останется в этом состоянии (см.

рис. III.7, а).

Параллельный феррид требует наличия двух сердечников, обла­ дающих прямоугольной петлей гистерезиса, причем МУК является общей частью магнитопровода для обоих сердечников. На один из сердечников нанесена подмагничивающая обмотка, а на другой .— управляющая. На рис. III.7, в показано направление потоков, отвечающее разомкнутому состоянию контакта, а на рис. III.7, г — замкнутому. Сердечник с подмагничивающей обмоткой может быть заменен постоянным магнитом.

Магнитоуправляемые контакты значительно расширяют воз­ можность применения контактных устройств в системах управления ГТУ, но вопрос об их широком внедрении должен решаться с учетом наличия более надежных, хотя и более сложных и дорогих, бескон­ тактных элементов, выпускаемых в широком ассортименте.

71

Транзисторные логические элементы

Большое распространение в схемах промышленной автоматики получили транзисторные логические элементы. Это обусловлено возможностью строить всю систему управления, независимо от сложности, только на полупроводниковых приборах. При этом в основе всех подсистем — логической, контроля, преобразователей

о

Рис. III.8. Транзисторный ключевой усилитель, реализующий логическую операцию инверсии.

а — принципиальная схема; режимы в системе статических характеристик; б — входных, в — выходных.

непрерывных сигналов датчиков в дискретные и выходных усили­ телей'— оказывается однотипная по принципу действия аппаратура. Это обстоятельство в значительной степени упрощает обучение обслуживающего персонала и эксплуатацию единых транзисторных систем.

Для управления ГТУ наибольший интерес представляет спе­ циально разработанная и выпускаемая для автоматизации промыпглен-

-ных установок серия транзисторных логических элементов «Логика Т»,

Воснову их положена схема полупроводникового усилителя, рабо­ тающего в ключевом режиме. Транзистор усилителя включен па

72

схеме с общим эмиттером (рис. III.8, а). При таком соединении достигается наибольшее усиление как по току, так и по напряжению и вместе с тем осуществляется логическая операция инверсии.

Рассмотрим работу транзистора.

На рис. III.8, б приведены типичные входные статические вольтамперные характеристики транзистора для схемы включения с общим

к переходу коллектор — эмиттер, т. е. выходной сигнал имеет макси­ мальное значение: 'ІІВЫКя« Ек (точка В на рис. III.8, б).

Принципиально возможно повысить выходное напряжение (точка#') подачей на вход небольшого положительного потенциала. При этом ток эмиттера станет равным нулю, так как эмиттерный переход окажется смещенным в обратном направлении, а через транзистор будет протекать только обратный ток коллекторного перехода І к.б0, который во много раз меньше тока / к. э„ (см. рис. III.8, б). Описан­ ный режим называется режимом отсечки, и его границей принято считать состояние транзистора, когда напряжение на входе U6 э = 0. При подаче входного сигнала 27б э ток базы І 6 начинает увеличи­

переход оказывается включенным в прямом направлении, так как напряжение UK б меняет свой знак. При этом увеличение тока базы практически не приводит к увеличению коллекторного тока І к и к уменьшению падения напряжения на транзисторе U3, к — тран­ зистор входит в область глубокого насыщения. Границей этой области принято считать режим, когда напряжение база — коллектор равно нулю (ІІКшб = 0).

ввиде сигналов определенных, обычно двух, уровней. Для надеж­ ного, четкого разделения этих сигналов транзистор работает обычно

включевом режиме, характеризующемся двумя состояниями: состо­ янием отсечки (точка Б), при котором ток, протекающий через

транзистор, минимален, а напряжение на коллектре максимально

53

возможное (сигнал на выходе считается равным 1), -и состоянием насыщения (точка /1), когда ток коллектора наибольший, а падение напряжения на транзисторе близко к нулю (сигнал на выходе счи­ тается равным 0). При промежуточных значениях тока базы (меньше / б„ и больше /б,) состояние транзистора (І к и UK) характеризуется точками, находящимися на нагрузочной прямой, проведенной через точки а и b с координатами / к = EK/ R K, UK э = 0 и / к = 0, UK э =

=—Ек. Промежуточные состояния транзистора между точками А

иБ в логических элементах являются нерабочими.

Необходимо отметить, что нагрузочная прямая при R,u = оо является предельной, так как она определяется только коллектор­ ным сопротивлением. При подсоединении нагрузки к такому уси­ лителю наклон нагрузочной прямой увеличивается. Прямая как бы поворачивается вокруг точки а. Это объясняется тем, что сопро­ тивление нагрузки R Hи коллекторное сопротивление RK представ­ ляют собой делитель напряжения питания и при полностью закры­ том транзисторе (Ік — 0) напряжение на выходе (на коллекторе тран­ зистора) определяется соотношением R K и Rn: UK.3 = EKR„/(RK-{-RH) (линии і?н„ и Д„3).

Таким образом, приведенная схема реализует логическую функ­

цию инвертирования У = Х, так как при сигнале на ее входе, рав­ ном нулю (X — 0), напряжение на выходе принимает максимальное значение, т. е. сигнал выхода равен единице (У = 1), а при входном сигнале, насыщающем транзистор (X = 1), напряжение на выходе схемы близко к нулю (У — 0).

Обеспечение ключевого режима работы транзисторов в логических устройствах при работе одного инвертора на другой, когда происхо­ дит как бы каскадное соединение транзисторов, накладывает неко­ торые особенности на схему инвертора. Так, даже в режиме глу­ бокого насыщения на выходе имеется небольшое напряжение, под действием которого возможно отпирание транзистора последующего инвертора. Опасность такого явления возрастает при повышении температуры окружающей среды, так как при этом возрастает ста­ тический коэффициент усиления транзистора по току и его коллектор­ ный ток может достигнуть насыщения даже при малых значениях тока базы. Чтобы обеспечить надежный режим отсечки транзистора последующего элемента при малых входных сигналах, соответствую­ щих нулевому уровню, на базу каждого транзистора подается не­ большое положительное напряжение от источника смещения Есъи надежно запирающее, триод (см. рис. III.8, а). Очевидно, что обеспе­ чение режима насыщения в этом случае требует несколько умень­ шить сопротивление коллекторного резистора RK, так как базовый ток / б будет меньше на величину тока, ответвляющегося в сопро­ тивление смещения R CM.

Переходим к описанию логических элементов рассматриваемой серии. Ее основу составляет элемент Т101, содержащий две неза­ висимые логические схемы «стрелка Пирса» («или—не») (рис. III.9). Диодная часть схемы позволяет реализовать на входах логическую

74

функцию суммирования, а транзистор выполняет операцию инвер­ тирования и одновременно усиления выходного сигнала. Каждая из двух схем, составляющих логический элемент Т101, снабжена тремя входами, с разделением этих цепей диодами. При отсутствии сигналов на всех входах транзистор закрыт и на его выходе имеется отрицательный потенциал, принятый в системе за 1. При подаче сигнала хотя бы на один из входов транзистор открывается и сигнал на выходе становится равным 0.

С помощью элемента Т101 можно реализовать все основные логические функции, что показано в табл. III.2. Кроме Т101 серия «Логика Т» включает также элементы, выполняющие логические функции «или » (Т106), «и»'(Т107). Кроме того, в эту серию входят

Рис. III.9. Принципиальная схема элемента «Логика Т», содержащего две неза­ висимые схемы «или—не».

маломощный (Т102) и мощный (ТЮЗ) триггеры, а также две потенци­ ально-импульсные ячейки Т104 и Т105 на 5 и 500 гц. Подробное описание схем, принципа работы и параметров этих элементов можно найти во многих источниках [5, 18, 24, 28]. Поэтому в дальнейшем изложении приведены лишь состав, условия эксплуатации элементов серии и особенности работы их в системах автоматики.

С учетом разнообразия условий работы в разных устройствах управления промышленными установками в серию «Логика Т» включены кроме упомянутых основных элементов также и вспомо­ гательные: 1) согласующий (Т201) для гальванического разделения цепей, релейный (Т202) для преобразования непрерывно изменя­ ющегося сигнала в сигналы двух уровней и элемент сравнения двух напряжений по величине (Т203); 2) четыре элемента времени, слу­ жащих для реализации временных функций от долей секунды до 100 сек (Т301—Т304); 3) пять выходных усилителей, охватывающих диапазон мощностей от 0,5 до 100 вт (Т401—Т405). Питание эле­ ментов осуществляется от специальных унифицированных блоков питания типа БПС, работающих от сети переменного тока промыш­ ленной частоты 50 гц (табл. III.3).

75