книги из ГПНТБ / Иванин В.Т. Основы автоматизации производства на карьерах учебник

По конструкции распределители делят иа шаговые (искатели), релейные, двигательные, бесконтактные (на переключающих диодах и магнитных элементах с прямоугольной петлей гистерезиса, элек­ тронные и ионные).

Рассмотрим принцип действия и устройство наиболее распро­ страненного вида распределителя с электромагнитным приводом, называемого шаговым распределителем пли шаговым искателем.

На рис. 55 показан шаговый распределитель телефонного типа с электромагнитным приводом обратного действия. Принцип дей­ ствия распределителя заключается в следующем. При включении электромагнита 1 якорь 10 притягивается к сердечнику электро­ магнита, преодолевая натяжение пружины 9 и передвигая собачку 8 на одни зуб храпового колеса 5- При этом размыкаются контакты 7, включенные последовательно с об­ моткой электромагнита, и под дей­ ствием пружины якорь отходит от электромагнита, а собачка 8 поворачивает храповое колесо и соединенные с ним щетки 4 на один шаг. Происходит переключение щетки с одного неподвижного кон­

такта (ламели) 3 на другой. Перемещение собачки 8 огра­

ничивается упором 2, а собачка 6 исключает возможность обратного

Рис. 55. Устройство шагового рас­ поворота храпового колеса. пределителя

Во избежание холостого про­ бега распределитель имеет две диа­ метрально расположенные щетки. После того как одна щетка сходит

с последнего рабочего контакта, другая замыкается с первым рабо­ чим контактом.

У распределителей с электромагнитным приводом прямого дей­ ствия поворот храпового колеса происходит не при отпускании якоря, а при его притягивании. Пружина, как и у распределителей с обрат­ ным приводом, обеспечивает возврат якоря в исходное положение.

Ряд контактных ламелей, образующих контактное поле, может располагаться не только по дуге 180°, но и по дуге 120°. В этом случае распределитель имеет три щетки, расположенные под углом 120°.

Выпускаемые распределители типа ШИ имеют от четырех до восьми контактных полей с различным числом неподвижных контак­ тов и обеспечивают рабочую скорость переключения 30—60 шагов в секунду.

Распределители применяют в устройствах автоматики и теле­ механики для преобразования сигналов, распределенных во времени, отыскания объекта (например, при автоматической телефонной связи), для счета импульсов и задания программ.

70

§ 28. Электромапшшіые усилители

Усилителем называется элемент, в котором входная и выходная величины имеют одинаковую физическую природу и производится лишь количественное преобразование (усиление) входной величины. При этом увеличение энергии выходной величины у по сравнению с энергией входной величины X получается за счет использования энергии вспомогательного источника z (см. рис. 1, б).

При автоматизации карьерных установок нашли широкое приме­ нение электрические усилители (электромашинные, магнитные, по­ лупроводниковые), а также гидравлические и пневматические уси­ лители.

Простейшим электромашиниым усилителем (ЭМУ) является обыч­ ный генератор постоянного тока с независимым возбуждением, у которого входной сигнал (напряжение, ток или мощность) подается на обмотку возбуждения, а выходной снимается со щеток.

Основным параметром усилителя является коэффициент усиле­ ния, под которым понимают отношение выходного параметра к па­ раметру на входе усилителя. Чаще всего такими параметрами является входная и выходная мощности. Тогда коэффициент усиле­ ния по мощности определяется

Аналогично можно определить коэффициент усиления по напря­ жению или току.

ЭМУ в виде простейших генераторов постоянного тока не нашли применения, так как они имеют коэффициент усиления порядка 80—100, что недостаточно для эффективной работы современных автоматизированных установок.

При автоматизации управления электроприводами экскаваторов, буровых станков и других объектов на карьерах широко приме­ няются ЭМУ с поперечным полем, представляющие собой специаль­ ные генераторы постоянного тока, выполненные в общем корпусе с приводным электродвигателем (обычно асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором). ЭМУ с поперечным полем имеют коэффициент усиления по мощности от 1000 до 100 000.

На рис. 56 показана схема электромашиниого усилителя с по­ перечным полем. Машина имеет две обмотки управления ОУ1 и ОУ2 (обмотки независимого возбуждения), компенсационную об­ мотку OK и обмотку дополнительных полюсов ОД (обмотка само­ возбуждения). В отличие от обычного генератора ЭМУ с поперечным полем имеет две пары щеток, оси которых сдвинуты между собой на 90°. Щетки 1—1, расположенные на поперечной оси, замкнуты накоротко, а на щетки 2—2 (выход усилителя) включена нагрузка ZH. Якорь генератора приводится во вращение с помощью электродви­ гателя АД.

71

При вращении якоря в поле магнитного потока Фу в якорной обмотке индуктируется э. д. с. и в короткозамкнутой цепи протекает

грузки.

Электромашинные усилители имеют ряд недостатков, основными из которых являются низкий к. п. д., паличие вращающихся частей, необходимость постоянного ухода и др.

§ 29. Магнитные усилители

Для увеличения надежности и долговечности систем автоматики желательно применять элементы, не содержащие подвижных частей. Такими элементами являются, в частности, магнитные усилители, широко применяемые при автоматизации карьерных установок.

Принцип действия магнитных усилителей основан на свойстве ферромагнитных материалов изменять нелинейно магнитную прони­ цаемость при изменении напряженности магнитного поля.

Зависимость магнитной проницаемости р от напряженности Н изображается графически в виде кривой (рис. 57), имеющей макси­ мум, после которого с ростом напряженности магнитная проница-1 емость резко падает, что соответствует насыщению ферромагнитного материала. При работе магнитного усилителя используется правая часть зависимости р = f (Н), т. е. участок, соответствующий режиму насыщения.

72

Рассмотрим работу простейшего магнитного усилителя, состоя­ щего из двух дросселей насыщения, сердечники которых конструк­ тивно объединены в общую магнитную систему в виде трехстержне­ вого сердечника (рис. 58, а). Конструкция такого магнитного уси­ лителя подобна конструкции однофазного трансформатора. Одна из обмоток усилителя состоит из двух включенных последовательно полуобмоток расположенных на разных дросселях и питающихся от источника переменного тока. Эта обмотка называется нагрузочной или рабочей, так как последовательно в ее цепь включена на­ грузка і?н, являющаяся выходом усилителя. Другая обмотка wy, называемая обмоткой управления, охватывает общие стержни дрос­ селей и является входом усилителя. Так как потоки полуобмоток

а

переменного тока в среднем стержне направлены встречно, в об­ мотке управления практически не индуктируется э. д. с. и, следова­ тельно, исключается возможность влияния потока индукции на основной поток подмагничивания, создаваемый обмоткой управле­ ния.

При увеличении тока управления /у будет уменьшаться дей­ ствующее значение магнитной проницаемости сердечника, так как при этом увеличивается напряженность магнитного поля. С уменьше­ нием магнитной проницаемости будет уменьшаться индуктивность L рабочих полуобмоток и их полное сопротивление, что следует из формулы

73

стоянным током можно в широких пределах изменять индуктивность обмоток переменного тока и, следовательно, ток в первичной цепи. Учитывая, что мощность в нагрузке /?„, значительно больше мощ­ ности, расходуемой в цепи обмотки управления, можно сказать, что рассмотренное устройство является усилителем мощности, коэф­ фициент усиления которого

управления / , которая называется нагрузочной характеристикой

магнитного усилителя. Ток нагрузки І~о, соответствующий нуле­ вому значению тока управления, называется начальным током нагрузки.

В схемах с магнитными усилителями часто требуется, чтобы ток нагрузки по-разному изменялся в зависимости от полярности тока управлення, т. е. чтобы нагрузочная характеристика магнитного усилителя не была симметрична относительно оси ординат. Это до­ стигается применением магнитных усилителей с начальным подмагни­ чиванием сердечников полем специальной обмотки, называемой обмоткой смещения, так как влияние ее потока обеспечивает смеще­ ние характеристики влево или вправо.

На рис. 59, а показана схема магнитного усилителя с начальным подмагничиванием, отличающаяся от рассмотренной выше наличием обмотки смещения шсм, расположенной рядом с обмоткой управле­ ния Wy.

Величина смещения выбирается такой, чтобы при отсутствии входного сигнала через нагрузку протекал начальный ток /~0, соответствующий середине прямолинейного участка АВ характе­ ристики (рис. 59, б).

При подаче входного сигнала, увеличивающего намагничивание сердечника, ток нагрузки возрастает, при размагничивающем дей­ ствии входного сигнала ток нагрузки уменьшается.

Для повышения коэффициента усиления магнитного усилителя вводится положительная обратная связь. На рис. 60, а показана схема дроссельного магнитного усилителя с обратной связью, кото­ рая осуществляется с помощью специальной обмотки обратной

74

связи w0 c, расположенной на тех же стержнях, что и обмотка • управления, и включенной через выпрямительный мост из полу­ проводниковых диодов.

Так как поток Фо с, созданный обмоткой обратной связи, усили­ вает подмагничивание сердечника, рост тока нагрузки даже при

АВ с большой крутизной наклона, когда незначительному изменению тока управления соответствует интенсивный рост тока нагрузки.

Рис. 60. Магнитный усилитель с обратной связью:

а — схема; б — характеристика

Рассмотренные схемы магнитных усилителей не обеспечивают изменения фазы выходного напряжения при изменении полярности управляющего сигнала и поэтому называются однотактными или

нереверсивными. При автоматизации карьерных установок широко применяют двухтактные (реверсивные) магнитные усилители, кото­ рые благодаря возможности изменения фазы выходного напряжения обеспечивают реверсирование двигателя, питаемого магнитным

75

усилителем. Кроме того, при отсутствии входного сигнала ток на­ грузки этих усилителей равен нулю-

Большим достоинством двухтактных магнитных усилителей (осо­ бенно трехфазных) является возможность изменения полярности выпрямленного тока нагрузки при изменении полярности тока управления. Это ценное качество двухтактных магнитных усилите­ лей используется в схемах управления электроприводами постоян­ ного тока одноковшовых экскаваторов.

Наиболее распространенной является дифференциальная схема двухтактных магнитных усилителей (рис. 61, а).

Ряс. 61. Двухтактный магнитпый усилитель:

а — схема; б — характеристика

Два одинаковых дросселя Дрі и Др2 подключены через нагру­ зочное сопротивление ZH к двум равным секциям вторичной обмотки питающего трансформатора Тр. Каждый из дросселей имеет по две обмотки подмагничивания: w¿ и іѵу. В обмотке шв подается постоян­ ный ток Іъ от вспомогательного источника напряжения Í/B. Б об­ мотки Шу подается сигнал управления постоянного тока Іу. В одном дросселе (например, левом) поле, создаваемое сигналом управления, складывается с полем, создаваемым током начального подмагничи­ вания (возбуждения), а в другом — вычитается. Каждый из дрос­ селей, включенных в дифференциальную схему, имеет характери­ стику^вида изображенной на рис. 59, б. Начальное подмагничива­ ние в левом дросселе сдвигает минимум кривой /~= / (/у) влево, а в правом дросселе — на ту же величину вправо.

Ток в нагрузке /~и равен разности токов левого и правого дрос­ селей

=— ^~2 =-^~і + (—~г).

Поэтому удобно откладывать ординаты кривой управления пра­ вого дросселя вниз от оси абсцисс (рис. 61, б) и находить сумму орди­

76

нат кривых левого и правого дросселей. В результате зависимость тока 7~и в нагрузке от тока управления /у представляется симме­ тричной кривой, проходящей через начало координат. При измене­

§ 30. Полупроводниковые усилители на тиристорах

Кремниевый управляемый вентиль КУБ (тиристор) в отличие от силового (неуправляемого) кремниевого диода кроме катода и анода имеет третий (управляющий) электрод и состоит из четырех слоев (рис. 62). Функции управляющего электрода аналогичны

переход имеет низкое сопротивление; при обратной полярности источника энергии р—п переход имеет высокое сопротивление.

Если между анодом и катодом действует отрицательная полу­ волна напряжения главной цепи, то действие запирающего слоя п—р' перехода таково, что ток через тиристор не проходит. Если при этом на управляющий электрод подается кратковременный импульс на­ пряжения, то ток по-прежнему проходить не будет, так как действие запирающего слоя п—р' перехода сохраняется.

Если между анодом и катодом действует положительная полу­ волна напряжения, то при подаче импульса напряжения на управля­ ющий электрод ему сообщают положительный потенциал и запира­ ющий слой п—р' перехода перестает оказывать противодействие прохождению тока; при этом КУБ открывается, для чего требуется ток управления (вход усилителя) порядка нескольких миллиампер и напряжение до 4—6 В. Ток нагрузки 7Н (выход усилителя) дости­ гает величины 300—500 А при напряжении f/HCT до 1000—1500 В.

Так как после открывания КУВ управляющий электрод не ока­ зывает влияния на его работу, для закрывания вентиля необходимо снять напряжение с главной цепи или подать отрицательную полу-

77

волну анодного напряжения, т. е. изменить полярность напряжения на зажимах тиристора.

Подача кратковременных импульсов в течение определенной доли полуперпода достигается при помощи специального блока упра­ вления напряжением на управляющем электроде, а для запирання тиристора в цепях постоянного тока без разрыва цепи используются специальные методы управления, сущность которых состоит в том, чтобы искусственно создать условия, при которых анодный ток проходил бы через нуль.

Одним из методов запирания тиристоров в цепях постоянного тока является применение коммутирующих коиденсаторов. Так как заряженный конденсатор представляет собой источник отрицатель­ ного напряжения с очень низким сопро­ тивлением, то он обеспечивает прохожде­ ние достаточно большого обратного тока и выключение вентиля в кратчайшее

время.

На рис. 63 показана упрощенная схема

ние R1-, полярность конденсатора указана на рисунке. При отпирании тиристора Т2 конденсатор оказывается закороченным тиристорами Т1 и Т2- Ток разрядки конденсатора увеличивает ток тиристора Т2, стре­ мясь изменить направление тока тиристора Т1, который при этом мгновенно погаснет; тиристор Т2 полностью отопрется. Конденсатор перезаряжается, п при отпирании тиристора Т1 ток разрядки кон­ денсатора будет направлен встречно току тиристора Т1, вследствие чего последний будет погашен. Изменяя частоту отпирания тиристо­ ров, можно тем самым регулировать среднее или эффективное зна­ чение тока, проходящего к нагрузке ZH.

Усилители на кремневых управляемых вентилях имеют высокий к. п. д., неограниченный срок службы, малую мощность управления, надежны в работе, практически не требуют ухода, обладают высоким быстродействием и не содержат контактов в силовой цепи и в цепях управления. Благодаря этим преимуществам они вытесняют другие виды усилителей: электромашинные, ртутные, тиратронные и даже магнитные.

§ 31. Ионные усилители

Ионные приборы нашли применение в автоматических устрой­ ствах для построения схем управляемых выпрямителей, стабилиза­ торов, усилителей и др.

В схемах управления электродвигателями, в автоматических регуляторах напряжения часто применяют фазочувствительные

78

усилители с тиратронами. Фазочувствительными называют устрой­ ства, реагирующие на фазовый сдвиг одного переменного напряжения по отношению к другому. К таким устройствам относят фазочувстви­ тельные выпрямители и усилители, называемые также фазовыми де­ текторами и фазовыми дискриминаторами Ч

Рассмотрим работу простейшей схемы такого усилителя (рис. 64, а). Питающее напряжение Uo связано с анодной цепью тира­ трона Т через трансформатор Тр2, а усиливаемое напряжение (напряжение управления) Uy связано с сеточной цепью через транс­ форматор Трі, вторичное напряжение которого Uc.

Рис. 64. Фазочувствительный усилитель с тиратроном:

а — схема; б — построение кривой зажигания при синусоидальном На! в и г — работа тиратрона прп различных сдвигах фаз между Ua и Uc

В течение положительной полуволны изменения анодного напря­ жения Ua тиратрон может быть зажжен, если сеточное напряже­ ние Uc станет больше определенной величины. Для синусоидального изменения U& на рис. 64, б на основе характеристики зажигания тиратрона построена кривая £7заж> которая расположена в основном в отрицательной области. Когда кривая напряжения Uc лежит выше кривой иьаж, тиратрон зажжен. Пусть кривая напряжения на сетке Uc сдвинута по фазе по отношению к Ua на угол <рх (рис.64, в). В тот момент, когда при возрастании сеточного напряжения кри­

79