книги из ГПНТБ / Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник

напряжения Uy, приложенного к обмотке, ток нагрузки достигает но­ вого установившегося значения с точностью 5%.

Запаздывание БМР, представляющего разновидность магнитного усилителя, определяется в основном инерционностью обмотки управления, переходный про­ цесс которой описывается дифференциальным уравнением (3.9). Однако в отличие от магнитного усилителя, работающего как аналоговый элемент, переходный процесс магнитного усилителя, работающего в релейном режиме, значительно сложнее и коэффициенты уравнения (3.9) нельзя считать постоянными, поэто­ му говорить о постоянной времени БМР неправильно [3.12].

Рис. 16.7. Зависимость времени срабатывания БМР:

а — от величины коэффициента обратной связи; 6 — от коэффициента запаса

Решая нелинейное уравнение (3.9), можно определить время срабатыва­ ния и отпускания для БМР с «замыкающим контактом» (рис. 16.6, б), работаю­ щего на активную нагрузку:

в достаточно широких пределах изменять величину его временных параметров.

390

вибраций, ускорений и от положения в пространстве вследствие от­ сутствия контактов и подвижных частей, а также большая чувстви­ тельность и пожаро- и взрывобезопасность.

Недостатки БМР: одна коммутируемая цепь нагрузки (в то время как электромагнитное реле может одновременно коммутировать не­ сколько цепей), неполное размыкание цепи нагрузки (ток / хх); отно­ сительно низкий к. п. д. (60—70%), а также большие габариты.

§ 16.4. Р А С П Р Е Д Е Л И Т Е Л И И М П У Л Ь С О В

Ш а г о в ы е и с к а т е л и ( р а с п р е д е л и т е л и ) приме­ няют в телеизмерительных устройствах и устройствах производствен­ ного автоматического контроля и управления, задачей которых яв-( ляется поочередное «опрашивание» ряда цепей или осуществление более сложных переключений. Шаговый искатель создан на основе электромагнита (рис. 16.8).

По окружности или сектору располагаются один или несколько рядов контактных пластин (ламелей) /, по которым перемещается

обратного вращения.

Кроме вращательных шаговых искателей типа ШИ, существуют подъемно-вращательные или так называемые декадно-шаговые ис­ катели ДІІІИ. Последние имеют два электромагнита: один — для подъема (поступательного движения храповика со щеткой), другой— для вращения. Контактное поле состоит из трех секций, в каждой из которых расположено 10 рядов по 10 ламелей в каждом. Работа такого искателя делится на ряд этапов. Сначала механизм подъема подни­ мает щетки до требуемого ряда (согласно числу поступающих импуль­ сов), затем механизм вращения поворачивает щетки до требуемой ла­ мели, после чего действием возвратных пружин храповое колесо воз­ вращается в исходное положение.

Все шаговые искатели рассчитаны на импульсную работу с частотой до 10 срабатываний в секунду. Время перемещения щетки составляет 0,01—0,05 сек. Работа искателей гарантируется при температуре окружающего воздуха 15— 35® С, нормальном атмосферном давлении и относительной влажности 60± ±15% . Щетки и ламели рассчитаны на ток 0,2 а. Искатели выпускают на по­ стоянные напряжения сети 24, 48 и 60 в.

391

В телемеханике нашли также применение бесконтактные распре­ делители импульсов на сердечниках с прямоугольной петлей гисте­ резиса, в которых использован принцип переключательной магнитодиодной ячейки (см. рис. 9.1, в). Особенности работы подобных эле­ ментов освещены во второй части книги.

Г л а в а XVII

СТАБИЛИЗАТОРЫ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ, ГЕНЕРАТОРЫ И ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ УПРАВЛЕНИЯ

В данной главе рассмотрены магнитные элементы, принцип дей­ ствия которых основан на нелинейном характере кривой намагни­ чивания, что обеспечивает зависимость параметров электрической цепи, содержащей обмотку с ферромагнитным сердечником (в част­ ности, индуктивности этой обмотки) от величины и частоты напряже­ ния или тока обмотки.

Гистерезисный характер кривой намагничивания для этой груп­ пы элементов является вредным, так как предопределяет искажения формы тока и напряжения. Анализ работы таких элементов проведем с использованием средней кривой намагничивания (см. рис. 1.8, я).

§ 17.1. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Одним из устройств, основанных на нелинейной зависимости па­ раметров магнитных элементов от величины напряжения, является

чительно уменьшается при нагреве протекающим током. При изме­ нении напряжения питающей сети от Umla до £/тах ток, протекающий по сопротивлениям, возрастает от величины, соответствующей точ­ ке 1, до значения в точке 2. При этом избыток напряжения сети поч­ ти целиком уравновешивается возрастанием падения напряжения на линейном сопротивлении с 17лш1п до £/лтах, а напряжение на нели­ нейном сопротивлении, являющееся выходным напряжением стаби­ лизатора UCT, возрастает лишь на АUCT. Очевидно, что точность ста­ билизации целиком определяется горизонтальностью участка 1-2 вольт-амперной характеристики нелинейного элемента и оценивается коэффициентом стабилизации

и _ t/щах—t/min АUCT Ки — --------------: -------->

392

показывающим, во сколько раз относительное изменение стабилизи­

рованного напряжения меньше относительного изменения напряже­ ния сети.

Параметрические стабилизаторы на активных сопротивлениях (рис. 17.1) имеют слишком низкий к. п. д. вследствие активных по­ терь в линейном и нелинейном элементах, поэтому их применяют лишь на небольшие мощности — до нескольких ватт. В цепях переменного тока широко используют параметрические стабилизаторы на реактив­ ных сопротивлениях, которыми служат обмотки с ферромагнитными сердечниками. Сердечники, как прави­

ры, в которых нелинейный элемент образован насыщенным дросселем с параллельно присоединенным конденсатором (рис. 17.2, а). Такие схемы работают в режиме феррорезонанса. Их работа сопровождается появлением в ветвях и неразветвленной части схемы несинусоидаль­ ных токов и напряжений сложной формы, которые, однако, удобно заменить эквивалентными синусоидами с действующими значениями, равными действующим значениям фактических токов и напряжений. Это допущение облегчает анализ работы стабилизаторов, позволяет строить векторные диагрмммы, а также рассчитывать стабилизаторы

[3.8].

На рис. 17.2, б построены вольт-амперные характеристики нели­ нейного дросселя Ьил, конденсатора С и контура ЕНЛС. Последняя кривая показывает возможность работы на горизонтальном участке вольт-амперной характеристики контура не только при индуктивном, но и при емкостном характере тока в неразветвленной части цепи, что

393

способствует повышению cos cp стабилизатора в целом. В то же время из этой кривой видно, что вследствие негоризонталыюсти вольт-ам­ перной характеристики ЬплС невозможно получить высокий коэффи­ циент стабилизации ки без дополнительных устройств. Поэтому для компенсации небольшого возрастания напряжения на контуре при возрастающем напряжении сети в схему рис. 17.2, а вводят компен­ сирующую обмотку wt;, располагая ее вместе с обмоткой шл на сер­ дечнике линейного дросселя (рис. 17.3, а). Электродвижущая сила этой обмотки направлена навстречу напряжению контура и компен­ сирует его возрастание, сохраняя неизменным выходное напряжение стабилизаторов.

Р и с . 17 .2 . С х е м а (а) и в о л ь т - а м п е р н ы е х а р а к т е р и ­

Работу стабилизатора этого вида удобно проследить на вектор­ ной диаграмме токов и напряжений (рис. 17.3, б), где буквенные обо­ значения со штрихом соответствуют минимальному напряжению сети Uс, а без штриха — максимальному ІІ0. Диаграммы построены при нагрузке, имеющей индуктивный характер, определяемый сдвигом фаз <р„ между током нагрузки / в и напряжением на ней Ucr. Напря­ жение на линейном дросселе V л и э. д. с. компенсационной обмотки Ек приняты перпендикулярными вектору тока Іи потребляемого из сети и равного сумме токов нагрузки / н и нелинейного контура / п,„ а ток / нЛ перпендикулярен вектору напряжения на нелинейном кон­ туре и„л. Таким образом, диаграмма построена для идеализирован­ ного стабилизатора, в котором дроссели приняты за чисто индуктив­ ные сопротивления. Из диаграммы видно, что при низких напряже­ ниях сети ток контура І'ІЛ емкостный и стабилизатор работает с вы­ соким cos <р. По мере роста напряжения сети ток / ил контура переходит в индуктивный и cos ф понижается.

На рис. 17.3, б дана конструктивная схема стабилизатора, отли­ чающаяся от схемы рис. 17.3, а тем, что нелинейный дроссель выпол­ нен по схеме повышающего автотрансформатора w^w^. Это сделано с целью получения стабилизированного напряжения, равного номи­ нальному напряжению сети, даже если напряжение сети намного меньше номинала.

394

Контур имеет резонансную частоту, близкую к частоте сети

ис е т и f рсз 2 л У а пл

которая может быть получена при разных сочетаниях С и Lnn. Для уменьшения габаритов конденсатора его включают параллельно до­ бавочной обмотке w2 + гѵя, квадрат числа которой определяет высо­ кую индуктивность Тнл.

Регулировку стабилизатора осуществляют подбором количества витков w2 и w„, а также изменением воздушного зазора б (толщина картонной прокладки), меняющего индуктивность линейного дросселя.

Р и с . 17 .3 . Ф е р р о р е з о н а н с н ы й с т а б и л и з а т о р с к о м ­ п е н с и р у ю щ и м н а п р я ж е н и е м , п р о п о р ц и о н а л ь н ы м н а ­ п р я ж е н и ю н а л и н е й н о м д р о с с е л е

В стабилизаторах повышенной точности нелинейный дроссель ре­ комендуется выполнять на кольцевом сердечнике из пермаллоя.

Стабилизаторы с раздельной магнитной системой (рис. 17.3, б) имеют простую конструкцию сердечников, большой диапазон и луч­ шее качество стабилизации, но требуют большого расхода активных материалов.

Для уменьшения веса и габаритов чаще изготовляют стабилизато­

и магнитным шунтом МШ, а нелинейного — суженный стержень с об­ мотками wn3l и w3. При изменении напряжения сети насыщенная часть магнитного потока Os почти не меняется, поэтому изменение э. д. с. обмотки шс достигается за счет переменного потока шунта Фш.

Особенностью этого вида стабилизатора является обмотка wK, э. д. с. которой пропорциональна напряжению сети, а не напряжению

395

и имеют относительно меньший расход активных материалов, позво­ ляют электрически разделить цепи нагрузки и питания, допускают простое переключение обмотки wc на различные номинальные напря­ жения сети, но обладают меньшим диапазоном стабилизации и имеют сложный магнитопровод, что затрудняет их изготовление.

396

Стабилизаторы мощностью от 1 до 8 к е т изготовляют по схеме рис. 17.4, а , но без магнитного шунта. Роль потока Фш выполняет поток рассеяния первичной обмотки. Это позволяет несколько снизить удельный расход активных материа­ лов на 1 к е т мощности, но сужает рабочую область до 10% номинального на­

пряжения сети при коэффициенте стабилизации Іги = 5.

Все виды феррорезонансных стабилизаторов имеют малую инер­ ционность (переходный процесс длится два-три периода), высокую надежность (отсутствуют подвижные части, контакты, электронные лампы и подобные элементы) и длительный срок службы. Однако эти стабилизаторы можно применять лишь в сетях со стабильной частотой, так как использование феррорезонанса обусловливает сильную зави­ симость выходного напряжения от частоты (kf = 0,25 — 1), т. е. изменение частоты на 1% меняет Ucr на 1—4%,. Как увеличение ем­ кости, так и усиление насыщения сердечника нелинейного дросселя, т. е. по существу уход от точки резонанса, уменьшает чувствитель­ ность стабилизаторов к изменениям частоты.

Другим недостатком феррорезонансных стабилизаторов является несинусоидальность выходного напряжения, которая зависит как от напряжения сети, так и от величины и характера нагрузки. С помощью дополнительных фильтров удается приблизить кривую выходного напряжения к синусоидальной форме.

Отметим, что существуют стабилизаторы с феррорезонансом на­ пряжений, но из-за низких значений коэффициента kf ^ 0,25 и cos ф они не получили широкого применения.

§ 17.2. ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Для питания устройств автоматики, телемеханики, вычислитель­ ной и измерительной техники часто необходим переменный ток с час­ тотой, в целое число раз отличающейся от частоты основного источни­ ка энергии. В настоящее время применяют главным образом умножи­ тели частоты в 2, 3, 4, 6, 8 и 9 раз. Делители частоты используют огра­ ниченно, так как они имеют большой вес и низкий к. п. д.

Статические преобразователи частоты представляют собой устрой­ ства на нелинейных элементах, в качестве которых обычно применяют нелинейные индуктивности с насыщающимися ферромагнитными сер­ дечниками [3.10].

У т р о и т е л и ч а с т о т ы могут питаться как от трехфазной, так и от однофазной сети. Рассмотрим принцип действия утроителя (рис. 17.5, а), состоящего из трех одинаковых однофазных транс­ форматоров с ферромагнитными сердечниками. Первичные обмотки трансформаторов соединены звездой, а вторичные — открытым тре­ угольником.

Предположим, что линейные напряжения питающей сети синусои­ дальны и образуют симметричную трехфазную систему Uа , Ub и Ѵс- При этом для уравновешивания приложенной системы напряжений в первичных обмотках трансформаторов должна создаваться система фазовых э. д. с. только синусоидальной формы основной гармоники. Для этого магнитный поток в каждом трансформаторе должен также

897

иметь синусоидальную форму, но в силу нелинейности основной кри­ вой намагничивания сердечников это возможно лишь при несинусои­ дальной форме напряженности поля, т. е. несинусоидальном токе в первичной обмотке каждой фазы. Причем ввиду симметрии основной кривой намагничивания относительно начала координат и при от­ сутствии постоянного подмагничивающего поля в кривой напряжен­ ности должны отсутствовать (ср. § 2.2) четные гармоники. Следова­ тельно, для синусоидального изменения потока напряженность (а зна­ чит, и ток первичной обмотки) каждой фазы утроителя должна со­ стоять из основной, третьей и кратных трем гармоник.

X ft к

ѵ5а Щь 'зс

И Н Н

6)

Рис. 17.5. Утроитель частоты с трехфазным питанием

Однако, как известно, третьи (и кратные трем) гармоники в трех­ фазной системе образуют систему нулевой последовательности, т. е. их мгновенные значения одинаковы по величине и направлены в одну и ту же сторону во всех обмотках, например от начала (я) к концу (к) обмоток. Вследствие этого в любых двух первичных обмотках, одно­ именные концы которых соединены в узел, мгновенные значения третьих гармоник токов направлены навстречу и взаимно компенси­ руются. Иначе говоря, в первичных обмотках, соединенных в звезду, не могут протекать третьи (и кратные трем) гармоники токов, и, сле­ довательно, форма кривой магнитных потоков в сердечниках транс­ форматоров не может быть синусоидальной, а будет более плоской, содержащей третьи и кратные трем гармоники. Проходя сквозь пер­ вичные и вторичные обмотки, эти потоки создают в обмотках ряд э. д. с., из которых наибольшими будут э. д. с. основной гармоники, состав­ ляющие систему прямой последовательности (рис. 17.5, б), и третьей гармоники, составляющие систему нулевой последовательности (рис. 17.5, в). Электродвижущие силы основной гармоники в первич­ ной цепи уравновешивают систему линейных напряжений, как пока­ зано на рис. 17.5, б, а э. д. с. третьей гармоники взаимно компенси­ руются подобно рассмотренной компенсации токов. Во вторичной же цепи вследствие соединения открытым треугольником (конец одной

393

обмотки соединен с началом другой) сумма э. д. с. основной гармоники равна нулю (рис. 17.5, г), и на выход поступает арифметическая сум­ ма трех фазовых э. д. с. третьей гармоники (рис. 17.5, д). Электродви­ жущие силы 9-й, 15-й и других нечетных гармоник, кратных трем, как правило, слабы и мало искажают синусоидальную форму выходного

напряжения утроенной частоты. Конденсатор С2 улучшает форму кривой выходного напряжения.

Описанные физические процессы относятся к случаю отсутствия нагрузки во вторичной цепи. Если к выходу утроителя подключено сопротивление Z H, по нему под действием £Л!Вых протекает ток утроен­ ной частоты / Зн. Этот ток, проходя по вторичным обмоткам, создает

напряженность третьей гармоники, вследствие чего кривая потока каждого сердечника начинает приближаться к синусоиде; снижается величина э. д. с. третьей гармоники, благодаря чему внешняя харак­ теристика утроителя U3пых ~ / (/з,і) получается мягкой.

Для улучшения cos ф утроителей параллельно трансформаторам ставят конденсаторы С1.

нейного трансформатора (с воздушным зазором). Вторичные обмотки соединяют навстречу друг другу. При холостом ходе одинаковые по величине э. д. с. основ­ ной частоты взаимно компенсируются, и на выход поступают только э. д. с, третьей и других высших гармоник, наведенные во вторичной обмотке насы­ щающегося трансформатора. При нагрузке э. д. с. основной частоты неполностыб компенсируют друг друга, так как угол сдвига фаз между ними отличен от 180° в этом режиме.

Эти утроители следует применять только при отсутствии трехфазного на­ пряжения питания, так как в этом случае невозможно полностью избавиться от э. д. с. основной гармоники в нагрузке.

У д в о и т е л и ч а с т о т ы (рис. 37.7) основаны на принципе работы магнитного усилителя в режиме вынужденного намагничива­ ния (ср. § 2.2, рис. 2.4). Режим вынужденного намагничивания обеспе-

399