книги из ГПНТБ / Чижов, А. А. Автоматическое регулирование и регуляторы в пищевой промышленности учебник

нейтральными, электромаг­ нитными поляризованными, магнитоэлектрическими, ин­

нерщюнными (время срабатывания меньше 0,001 с), быстродей­ ствующими (0,001—0,05 с), нормальными (0,05—0,15 с), замед­ ленными (0,15—1 с) и реле времени, у которых время срабаты­ вания более 1 с.

Реле (рис. 43) состоит из измерительного элемента /, проме­ жуточного устройства — подвижного якоря 2 и исполнительного элемента — контактной системы 3. При протекании тока по об­ мотке электромагнита и достижении им определенной величины якорь приходит в движение (притягивается к электромагниту) и замыкает контакты. При снятии сигнала управления происхо­ дит отпускание якоря реле (контакты размыкаются), происходя­ щее под воздействием специальных пружин. Ввиду индуктивно­ сти обмотки электромагнита и инерционности подвижных частей промежуточного устройства величина тока в обмотке электро­ магнита будет нарастать и убывать не мгновенно, а по опреде­ ленному закону.

В системах автоматического регулирования технологически­ ми процессами в пищевой промышленности широкое примене­ ние нашли электромагнитные нейтральные и поляризованные реле.

Электромагнитные нейтральные реле. В этих реле направле­ ние усилия, действующего на якорь, не меняется при изменении полярности управляющего сигнала. По характеру движения якоря нейтральные реле можно разделить на реле поворотного типа и реле втяжного типа (рис. 44). Реле втяжного типа при­ меняются обычно для управления цепями значительной мощно­ сти, поэтому их часто называют контакторами.

Работа электромагнитных реле основана на принципе элек­ тромагнита. Они отличаются от обычных электромагнитов лишь наличием контактной системы, которая предназначена для за­ мыкания и размыкания управляемой электрической цепи. При протекании управляющего тока по обмотке реле возникает маг­ нитный поток, который создает силу притяжения якоря. При выключении реле якорь оттягивается от сердечника специаль­ ной пружиной.

60

питании обмоток как постоянным, так и переменным током. Ра­ бота реле переменного тока принципиально ничем не отличает­ ся от работы реле постоянного тока. Так, если обычное электро­ магнитное реле постоянного тока включить в цепь переменного тока, то якорь реле будет вибрировать, поскольку два раза за период ток проходит через нуль. Вибрация ускоряет износ кон­ тактов и усложняет их работу. К недостаткам реле переменного тока следует отнести меньшую силу притяжения, чем у реле по­ стоянного тока.

Для устранения недостатков применяются различные кон­ структивные схемы исполнения реле переменного тока. Наибо­ лее распространена конструкция реле переменного тока с раз­ двоенным сердечником (рис. 45). Полюс сердечника реле раз­ двоен, и на одну половину его надет медный короткозамкнутый виток. В витке наводится э. д. с. и возникает ток, который в свою очередь создает магнитный поток Фг- Магнитный поток Ф2, про­ ходя через короткозамкнутый виток, отстает по фазе на угол ф от потока Фі, проходящего через свободную половину полюса. Сумма тяговых усилий Fgl и Fa2, создаваемых потоками Фі и 0 2 , никогда не равна нулю, что обеспечивает надежную работу реле и почти полностью устраняет вибрации.

Электромагнитные нейтральные реле не реагируют на знак входного (управляющего) сигнала.

Электромагнитные поляризованные реле. Эти реле реагиру­ ют на знак входного сигнала. Поляризованное реле (рис. 46) состоит из сердечника 1, постоянного магнита 2, подвижного якоря с контактами 3 и группы неподвижных, но регулируемых контактов 4.

Принцип действия поляризованного реле основан на взаи­ модействии постоянного магнитного потока Фо с потоком управ­ ляющей обмотки Ф. Магнитный поток Фо, создаваемый постоян­ ным магнитом 2 или специальной обмоткой, называется поляри­ зующим. При подаче управляющего сигнала определенной по-

61

4

лярности Uy на обмотку управления в сердечнике 1 создается магнитный поток Ф. Этот поток замыкается в магнитопроводе через воздушные зазоры между якорем 3 и полюсами сердечни­ ка 1. Поток Ф0 проходит через подвижный якорь 3 и разветвля­ ется на два потока Ф\ и Ф%- Поток Фг совпадает по направлению

с потоком управления Ф, а поток Фі на-

I/ правлен навстречу потоку Ф. В резуль­ тате на якорь действует сила, пропорци­ ональная величине суммарного потока,

62

тывания, якорь придет в дви­ жение и подвижный контакт замкнется с левым неподвиж­ ным контактом.

Поляризованные реле бы­ вают двух- и трехпозиционны­ ми. В двухпозиционных реле якорь может занимать только два положения: либо правое, либо левое. Среднее положе­ ние у таких реле является не­ устойчивым. При снятии сиг­

нала управления якорь реле остается в том же положении, в котором и находился. Чтобы

перебросить якорь реле из одного крайнего положения в другое, необходимо изменить полярность сигнала управления.

Для двухпозиционных поляризованных реле характерны два режима работы: токами двух направлений, током одного на­ правления. При работе токами двух направлений неподвижные контакты располагаются по обе стороны от нейтральной линии (настройка на нейтраль). Расположение контактов реле в этом режиме показано на рис. 47, а.

При работе током одного направления реле настраивается на «преобладание». При такой настройке неподвижная, но ре­ гулируемая контактная система перемещается влево или впра­ во от нейтрали (рис. 47,6). При отсутствии сигнала управления якорь реле всегда будет находиться в левом положении и удер­ живается в этом положении за счет потока поляризации Ф0. Чтобы перебросить якорь реле вправо, необходимо подать уп­ равляющий сигнал. При снятии сигнала управления якорь реле под действием потока поляризации Ф0 перебросится в левое положение, так как левый воздушный зазор меньше, чем правый.

В трехпозиционных реле якорь при отсутствии управляюще­ го сигнала занимает среднее положение. Фиксация якоря в этом положении может осуществляться либо с помощью специальной пружины, либо за счет конструкции магнитной системы.

Статическая характеристика трехпозиционных реле пред­ ставлена на рис. 48. При малом входном напряжении, т. е. при ^B x< t/Cp реле не срабатывает, так как якорь реле удерживает­ ся в среднем положении с помощью специальной пружины. При Достижении входным напряжением величины Ucp происходит срабатывание реле, и в управляемой цепи устанавливается зна­ чение выходного напряжения UBbIx. При уменьшении входного Напряжения до величины ІІ0тп происходит отпускание реле и ныходное напряжение становится равным нулю £7Вых=0 (якорь Реле находится в среднем положении). Процессы срабатывания и отпускания при изменении полярности входного сигнала ана-

63

логичны, но с той лишь разницей, что напряжение в управляе­ мой цепи меняет знак.

Поляризованные реле обладают высокой чувствительностью и быстродействием. Мощность срабатывания достигает ІО-4— ІО− 5 Вт и менее; время срабатывания—1—5 мс.

УСИЛИТЕЛИ, НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫ Е ХАРАКТЕРИСТИКИ

Сигналы управления, получаемые с датчиков, как правило, имеют малую мощность. Для усиления сигналов датчиков при­ меняются различные типы усилителей. Кроме усиления сигна­ лов усилители могут применяться для исключения влияния по­ следующего звена на предыдущее, т. е. в качестве «развязыва­ ющих» элементов.

В основу классификации усилителей можно положить следу­ ющие признаки: принцип действия, назначение, диапазон частот усиливаемого сигнала, число каскадов усиления, режим рабо­ ты и т. д.

По принципу действия различают усилительные устройства релейные, магнитные, электромагнитные, электронные, полупро­ водниковые, гидравлические, пневматические и т. д. В зависи­ мости от назначения различают усилители напряжения, силы тока и мощности. В системах автоматического регулирования наибольшее распространение получили усилители напряжения и мощности. В зависимости от диапазона частот усиливаемого сигнала усилители подразделяются на усилители постоянного и переменного тока. В зависимости от числа каскадов усилители могут быть одно- и многокаскадными.

Усилительное звено в схемах автоматического регулирования изображается в виде блока (рис. 49).

Качество работы всех типов усилителей можно оценивать с помощью следующих основных показателей:

1. Коэффициент усиления /( — отношение сигнала на выхо­ де к сигналу на входе. В зависимости от назначения усилите­ лей различают:

коэффициент усиления по мощности к Р =

^ВХ

коэффициент усиления по напряжению Ки= ——;

U ВХ

коэффициент усиления по силе тока /е£= - ^ .

*ВХ

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиле­ ния равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов, т. е. Кобщ=Кі Кг ... Кп-

2. Выходная мощность. В зависимости от назначения усили­ теля величина выходной мощности изменяется в широких пре­ делах: от долей до нескольких сотен Ватт.

64

3. Коэффициент полезного действия — отношение выходной мощности к мощности, потребляемой от источника питания:

Рпотр

4. Чувствительность усилителя •— минимальная величина входного сигнала, необходимого для получения на выходе уси­ лителя требуемой выходной мощности.

5. Искажение усилителя. Качество работы усилителя оцени­ вается искажениями, которые вносятся усилителем в процессе усиления входного сигнала. Искажения могут быть частотными, фазовыми и нелинейными.

Наиболее широкое применение для регулировки технологи­ ческих процессов в пищевой промышленности нашли электрон­ ные регуляторы, в состав которых входят электронные и маг­ нитные усилители. Ниже подробно рассматриваются принцип действия и работа магнитных усилителей. Электронные, пнев­ матические и гидравлические усилители будут рассмотрены в главе 7.

Магнитные усилители широко используются в системах ав­ томатического регулирования и контроля для усиления слабых сигналов постоянного тока и преобразования их в сигналы пе­ ременного тока, что обусловлено рядом достоинств: отсутствие подвижных частей, что значительно повышает надежность ра­ боты и долговечность усилителей; возможность усиления малых мощностей порядка ІО− 1 2 Вт; высокий коэффициент усиления по мощности и напряжению порядка ІО6; высокая механическая прочность; возможность суммирования нескольких входных сиг­ налов.

Простейший дроссельный магнитный усилитель (рис. 50) представляет собой сердечник из ферромагнитного материала, на который намотаны две обмотки: обмотка управления Wy и рабочая обмотка Wp. На обмотку управления №у подается по­ стоянное напряжение Uy (или медленно изменяющийся во вре­ мени входной сигнал постоянного тока). К рабочей обмотке подводится переменное напряжение U Последовательно в цепь рабочей обмотки включается сопротивление нагрузки гн.

Величина тока нагрузки при неизменном приложенном на­ пряжении U~ и постоянном значении сопротивления нагрузки г„

определяется полным сопротивлением рабочей обмотки Wp. При изменении управляющего сигнала Uy в сердечнике будет изме- - няться магнитный поток, а следовательно, и магнитная прони­ цаемость р. Индуктивность рабочей обмотки

гдеі^р — число витков рабочей обмотки; 5 — площадь сечения сердечника;

I — длина средней линии сердечника.

Изменение магнитной проницаемости приводит к измене­ нию индуктивности L и индуктивного сопротивления рабочей обмотки. Это явление вызывает изменение силы тока в сопро­ тивлении нагрузки. Подбирая для магнитопровода такие мате­ риалы, у которых в значительной степени меняется магнитная проницаемость ц, можно получить большие изменения тока в со­ противлении нагрузки при небольших изменениях сигнала уп­ равления Uy. Величина тока, протекающего через сопротивле­ ние нагрузки,

U„ U_

1 ~ г н ~ V /?2 +(uL+z„)2’

где R — активное сопротивление рабочей обмотки и нагрузки; (üL — индуктивное сопротивление рабочей обмотки;

ги — реактивное сопротивление нагрузки.

Принцип действия магнитных усилителей основан на исполь­ зовании нелинейного характера кривой намагничивания

В = ПН),

где В — магнитная индукция, т. е. величина, пропорциональная величине по­

тока; Н — напряженность магнитного поля, которая создается в сердечнике при

прохождении тока по рабочей обмотке.

На рис. 51 приведены кривая намагничивания B = f(H) и кривые изменения магнитной индукции: 1 — при отсутствии по­ стоянной составляющей индукции; 2— при наличии постоянной составляющей, равной В0.

Проектируя значения индукции, соответствующие кривым 1 и 2, на кривую намагничивания, находим кривые изменения на­ пряженности 1' и 2', необходимые для получения заданных из­ менений индукции при наличии и отсутствии постоянной состав­ ляющей. Поскольку переменная составляющая напряженности поля может быть обусловлена только током, протекающим в рабочей обмотке, то кривые 1' и 2' в другом масштабе представ­ ляют собой величины токов, протекающих через сопротивление нагрузки. Из рис. 52 видно, что при йодмагничивании сердечни­ ка постоянным током, т. е. при наличии постоянной составляю­ щей магнитной индукции В0, растет величина переменной со-

переменного тока в рабочей обмотке Wp. В этом случае ампли­

Н ъ

уменьшаются, что приводит к увеличению силы тока в нагрузке.

Однотактные магнитные усилители. Простейший дроссельный Магнитный усилитель, изображенный на рис. 50, практического применения не нашел из-за существенных недостатков. Первым недостатком является то, что переменный магнитный поток, за­ мыкаясь по сердечнику, наводит в обмотке управления перемен­ ное напряжение. Ввиду того что витков в обмотке управления значительно больше, чем в рабочей обмотке, наводимое в ней переменное напряжение будет иметь большую величину и воз­ никает опасность пробоя изоляции обмотки управления. Во из­ бежание этого при изготовлении магнитных усилителей приме­ няют трехстержневые сердечники. Обмотки переменного тока наматываются на крайние стержни и таким образом, чтобы соз­

отсутствует (от двух обмоток Wp потоки в среднем стержне на­ правлены встречно). Значит в обмотке управления Wy пере­ менное напряжение не будет наводиться. В таких магнитных Усилителях обмотки Wp могут быть включены как последова­ тельно, так и параллельно.

Вторым недостатком дроссельных усилителей является то, что в них наблюдается явление гистерезиса, т. е. неоднознач-

а

Рис. 53. Тороидальный магнитный усилитель:

а — принципиальная схема; б — характеристика уп­ равления.

ность характеристик намагничивания при изменении силы тока управления. Это явление устраняется применением магнитных усилителей с тороидальными (кольцевыми) сердечниками (рис. 53,а). Здесь переменный магнитный поток проходит через сред­ ний стержень и размагничивает его, так как поток в первый полупериод имеет одно направление, а во второй полупериод — другое, и явление гистерезиса уменьшается. Характеристика уп­ равления приведенных выше усилителен, т. е. зависимость г~ =

68

подмагничивания. Характеристика магнитного усилителя для одного направления тока в обмотке показана на рис. 54, б.

Недостатком магнитных усилителей с подмагничиванием яв­ ляется несколько больший ток холостого хода /хх, но такой усилитель уже реагирует на полярность входного сигнала. При одной полярности входного сигнала выходной сигнал увеличи­ вается, а при другой — уменьшается. Такие усилители, как пра­ вило, самостоятельного применения не находят, но широко ис­ пользуются при построении схем двухтактных усилителей.

Двухтактные магнитные усилители. В автоматических систе­ мах, как правило, применяются усилители с характеристикой, симметричной относительно начала координат. У таких усили­ телей отсутствует ток холостого хода, а фаза выходного сигна­ ла изменяется с изменением полярности сигнала управления на 180°. Характеристика двухтактных усилителей симметрична от­ носительно начала координат. Для получения двухтактной схе­ мы магнитного усилителя два однотактных магнитных усилите­ ля могут быть соединены по дифференциальной, трансформа­ торной и мостовой схемам.

На рис. 55 приведена дифференциальная схема включения двух одинаковых однотактных усилителей. Оба усилителя пи­ таются от трансформатора Тр с двумя одинаковыми вторичны­ ми обмотками. Ток подмагничивания, поступающий в обмотки U?n, создает поток подмагничивания Фп. Ток сигнала управле­ ния іу поступает в обмотки Wy и создает магнитный поток Фу. совпадающий по направлению с потоком подмагничивания вод­ ной паре сердечников (например, в левой) и имеющий проти­ воположное направление в другой паре (например, в правой). При этом магнитная проницаемость и индуктивное сопротивле­ ние левого магнитного усилителя уменьшаются, а магнитная проницаемость и индуктивное сопротивление правого магнитного

----------------ЯИу&--------------

Рис. 55. Двухтактный дифференциальный магнит­ ный усилитель.

69