Архив ZIP - WinRAR / 51_-_60

51Області застосування та основні характеристики тахогенераторів

52Застосування ЕПР для реалізації релейних алгоритмів управління. Комбінаційні і послідовнісні автомати

53Синхронні тахогенератори

54Тахогенератори постійного струму, конструкція, характеристики. Як залежить вихідний сигнал від навантаження

55Цифрові датчики швидкості та енкодери

56Релейно-контакторні елементи систем автоматичного управління. Класифікація, основні характеристики, параметри та області застосування

57Електромагнітні реле постійного та змінного струму

58Промислові твердотільні реле

59Дати порівняльну характеристику тахогенераторам постійного струму та асинхронним і синхронним тахогенераторам

60Від чого залежить швидкодія електромагнітних реле

51. Області застосування та основні характеристики тахогенераторів

Тахогенераторами називаються невеликі електричні машини, призначені для перетворення механічного переміщення — обертання вала — в електричний сигнал — вихідна напруга.

За видом струму можна розрізняти тахогенератори змінного й постійного струму. Тахогенератори змінного струму можуть бути асинхронними й синхронними. Тахогенератори постійного струму можуть бути або з постійними магнітами, або з електромагнітним збудженням (з обмоткою збудження).

Тахогенератори в схемах автоматики використовуються для наступних цілей:

вимірювання швидкості обертання. У цьому випадку вихідна напруга подається на вольтметр, шкала якого відградуйована у об/хв;

здійснення зворотного зв'язку за швидкістю в системах стеження;

здійснення електричного диференціювання: UГ = k1(dα/dt);

здійснення електричного інтегрування:

Основні вимоги, пропоновані до тахогенераторів:

висока лінійність вихідної характеристики — мінімальне відхилення її від прямої:

де k, k1 — постійні величини; α — кут повороту

велика крутість вихідної характеристики k = UГ/n, мВ/( об/хв);

симетрія вихідної напруги: UГ(+n) = UГ(-n);

мінімальне значення нульової напруги UГ при n = 0 (у тахогенераторів змінного струму) і мінімальна зона нечутливості (у тахогенераторів постійного струму);

максимальна вихідна потужність при мінімальній споживаній потужності; мінімальна пульсація вихідної напруги (у тахогенераторів постійного струму);

мінімальна зміна фази вихідної напруги (у тахогенераторів змінного струму);

малий момент інерції ротора й малий момент опору;

де f = pn/60 — частота генеруємої ЕРС; wГ — ефективне число витків обмотки статора; Ф — магнітний потік; k = 4,44(рwГ/60)Ф — постійний ( при Ф = const) коефіцієнт, дорівнює крутості вихідної характеристики; p — число пар полюсів.

Застосування синхронних тахогенераторів у ряді схем обмежено тим, що в них одночасно з амплітудою при зміні частоти обертання n змінюється й частота f вихідної напруги. Зміна частоти приводить до зміни значення реактивних опорів XL = 2πfl і Xс = 1/(2πfc) як самого тахогенератора, так і навантаження, на яке він працює. Це призводить до спотворення вихідної характеристики й до появи похибок. За певних умов внаслідок виникнення резонансних явищ робота синхронного тахогенератора не задовольняє вимогам схем автоматики.

Позитивною якістю всіх без винятку синхронних тахогенераторів є те, що вони при малих габаритних розмірах мають більшу вихідну потужність.

54. Тахогенератори постійного струму, конструкція, характеристики. Як залежить вихідний сигнал від навантаження

Тахогенератори постійного струму — це невеликі генератори постійного струму частіше з збудженням за допомогою постійних магнітів, рідше — з незалежним збудженням (Рис. 12.13). Конструктивно вони не відрізняються від звичайних машин постійного струму малої потужності.

Вихідна напруга тахогенератора UГ може бути виражена через магнітний потік Ф и частоту обертання n:

де IГ — струм в обмотці якоря; rГ — опір обмотки якоря.

де cЕ — постійна, обумовлена конструктивними параметрами генератора.

Рис. 12.13. Схема тахогенератора постійного струму з незалежним збудженням

При постійних потоку Ф, опору якоря rГ і навантаження RH

де величина

є крутість вихідної характеристики тахогенератора.

При Ф = const, rГ = const і RH = const крутість k постійна й вихідна характеристика тахогенератора (Рис. 12.14) є прямою. У сучасних тахогенераторів k перебуває в межах від 3 до 100 мВ/( об/хв).

Рис. 12.14. Вихідні характеристики 1... 4 тахогенератора постійного струму.

Чим більше cE, Ф, RH і менше rГ, тим більше крутість вихідної характеристики. Найбільше значення крутість має в режимі холостого ходу тахогенератора, коли RH = ∞ (пряма.1 на Рис. 12.14):

Зі зменшенням RH, тем зменшується крутість вихідної характеристики (див. пряму 2 на Рис. 12.14).

Спад напруги на щітковому контакті тахогенератора постійного струму обумовлює зону нечутливості — зона частот обертання від n = 0 до n = nmin, при яких вихідна напруга Uг дорівнює нулю. При напрузі на щітках ∆Uщ ≠ 0, вихідна характеристика UГ = f(n) перетинає вісь ординат ( при n = 0) не на початку координат, а в точці Uг’ = ∆Uщ/(1 + rг/RH) (див. пряму 3 на Рис. 12.14).

Для зменшення зони нечутливості необхідно забезпечувати мінімальний спад напруги ∆UЩ. У звичайних тахогенераторах установлюють мідно-графітові або срібнографітові щітки, а в прецизійних тахогенераторах особливо відповідальних систем автоматики — дротові щітки зі срібним, золотим або платиновим покриттям.

Вплив насичення на зміну магнітного потоку при зміні струму збудження приводить до зміни її виду (див. криву 4 на Рис. 12.14) і появі швидкісної амплітудної похибки, що становить 0,5...3 %.

55. Цифрові датчики швидкості та енкодери

Первинними елементами цифрових датчиків швидкості й положення, безпосередньо встановлюваних на валу двигуна або робочої машини, є індукційні або фотоелектричні елементи.

Імпульсний індукційний датчик швидкості складається з первинного елемента, зубчастого диска 1 (Рис. 12.16). з'єднаного з валом двигуна або робочої машини. Проти зубців цього диска розташовується індуктор 2, що представляє собою постійний магніт з розташованою на ньому вимірювальною обмоткою 3, підключеною до джерела живлення

Uж.

Рис. 12.16 - Схема індукційного датчика швидкості

Напруга, що знімається з обмотки, подається через конденсатор C на вхід підсилювача П, що виконує одночасно роль формувача імпульсів. При обертанні диска змінюється зазор між його зубцями й полюсами індуктора 2. Внаслідок цього різко змінюється магнітний опір повітряного зазору й величина магнітного потоку, що проходить через зубці диска 1 і індуктор. Змінний магнітний потік індуцирує в обмотці 3 ЕРС, частота якої

де N-число зубців диска, ω-швидкість диска (вала двигуна).

Створена цією ЕРС напруга змінного струму через конденсатор С подається на вхід підсилювача, який підсилює цей сигнал і формує з нього послідовність вихідних прямокутних імпульсів, частота яких пропорційна вимірюваній швидкості. Далі ці імпульси перетворяться у двійкове число шляхом їхнього підрахунку за певний інтервал часу із запам'ятовуванням отриманого числа на час наступного інтервалу. При необхідності цей змінний по частоті сигнал може бути перетворений і в напругу постійного струму (ЦАП) для використання в аналогових схемах управління електроприводом.

Датчики положення (енкодери).

Ці датчики застосовуються в замкнутих схемах управління електропиводу і виконуються аналоговими або цифровими.

Інкрементні енкодери призначені для визначення швидкості обертання і кута повороту об'єктів, які обертаються. Вони генерують послідовний імпульсний цифровий код, який містить інформацію про кут повороту. Якщо вал зупиняється то припиняється і передача імпульсів. Основним робочим параметром датчика є кількість імпульсів за один оберт. Миттєву величину кута повороту визначають підраховуючи кількість імпульсів від початку обертання. Для визначення кутової швидкості об'єкта, процесор в тахометрі виконує диференціювання кількості імпульсів за часом, таким чином одразу видає величину швидкості, тобто число обертів за хвилину. Вихідний сигнал має два канали, в яких ідентичні послідовності імпульсів зсунуті по фазі на 90°, що дає можливість визначати напрямок обертання. Також є цифровий вихід нульової відмітки, який дає можливість визначити абсолютне положення вала.

Абсолютні енкодери — це датчики кута повороту, де кожному положенню вала відповідає унікальний цифровий вихідний код, який разом з числом обертів є основним робочим параметром пристрою.

Оптичні енкодери мають жорстко закріплений на валу скляний диск із прецизійною оптичною шкалою. При обертанні об'єкта з закріпленим на ньому диском оптопара зчитує інформацію, а електронна схема перетворює її в послідовність дискретних електричних імпульсів.

Магнітні енкодери з високою точністю реєструють проходження магнітних полюсів магнітного елемента, що обертається на малій відстані від чутливого елемента, і перетворюють цю інформацію у відповідний цифровий код.

Механічні та оптичні енкодери з послідовним виходом Мають у своєму складі діелектричний чи скляний диск з нанесеними на нього випуклими, провідними чи непрозорими ділянками, відповідно до конкретної конструкції приладу. Визначення абсолютного кута повороту диска виконується лінійкою вимикачів чи контактів у випадку механічної схеми.

Цифровий фотоелектричний датчик положення складається з первинного елемента, що являє собою кодувальний диск з'єднаний з валом двигуна або робочої машини. Він має кілька концентричних кілець (доріжок), кожна з яких складається із сегментоподібних прозорих і непрозорих ділянок. Кільце з найменшим радіусом ( тобто

розташоване ближче всього до осі диска) має дві ділянки - прозору і непрозору, і належить до старшого розряду вихідного числа. У кожному наступному від центру кільці число ділянок подвоюється, що означає перехід до наступного розряду.

Для усунення неоднозначності інтерпретації сигналу на границях сегментів, кодувальні диски мають подвійні кільця у кожному розряді для формування сигналу у вигляді коду Грея.

56. Релейно-контакторні елементи систем автоматичного управління. Класифікація, основні характеристики, параметри та області застосування

До релейних елементів автоматики (реле) відносяться пристрої, що перетворять плавну зміну вхідної величини в стрибкоподібну зміну вихідної. Реле широко застосовують у системах автоматики як елементів управління й захисту, дискретних датчиків, тощо.

Реле класифікують

за видом вхідних фізичних величин - електричні й неелектричні;

за призначенням – реле управління, захисту, сигналізації, зв'язку і т.д.;

за принципом впливу на вихідний ланцюг – контактні й безконтактні;

за родом величини, на яку реагує реле, - реле струму, напруги, потужності, частоти, опору і т.д.;

по виконанню – відкриті, із захисним чохлом, пилебризкозахищені й герметичні.

Уконтактних реле стрибкоподібну зміна вихідної величини досягається замиканням або розмиканням вихідному кола; у безконтактних реле – шляхом різкої зміни параметрів вихідного кола (R, L, C).

Основна характеристика реле – статична (характеристика управління), що

виражає залежність вихідної величини хвих від вхідний хвх. Для статичних характеристик більшості реле характерним є наявність гістерезисної релейної петлі.

Основні види статичних характеристик реле наведені на рис. 13.1

Рис. 13.1 – Характеристики реле

Основні параметри електромагнітних реле. Струм спрацьовування Iср.

Робочий струм Iр, - при якому забезпечується надійне втримання контактів у переключеному стані.

Струм відпускання Iотп, при якому магнітний потік недостатній для втримання якоря й контакти повертаються у вихідний стан.

Час спрацьовування tср – інтервал часу з моменту подачі керуючого сигналу до перемикання контактів.

Час відпускання tотп – інтервал часу з моменту зняття керуючого сигналу до початку вимикання контактів.

За потужністю управління (електричної потужності, споживаною обмоткою) реле розділяють на малопотужні (Рк доп < 1 Вт), середньої потужності (Рк доп = 1 ÷ 10 Вт) і потужні (Рк доп > 1 Вт). Потужність управління визначається напругою живлення реле й струмом спрацьовування.

За часом спрацьовування електромагнітні реле підрозділяються:

tcр < 0,001 с – безінерційні;

tcр < 0,05 с швидкодіючі;

tcр < 0,05…0,25 с нормальні;

tcр < 0,25…1,0 с – уповільненої дії;

tcр > 1,0 – реле часу.

57. Електромагнітні реле постійного та змінного струму

Електромагнітні реле є найпоширенішими із групи електромеханічних реле й набули широкого застосування в системах автоматичного управління. Реле підрозділяються на нейтральні й поляризовані. В нейтральному реле положення якоря не залежить від напрямку струму в обмотці. Поляризовані реле реагують на полярність сигналу.

Електромагнітні реле, Рис. 13.2 по конструкції рухомої частини підрозділяються на реле з поворотним якорем і реле з якорем, що втягується.

Рис. 13.2 Конструкції електромагнітних реле

Реле з поворотним якорем, Рис. 13.2, а являє собою електромагнітний механізм і ряд контактних груп, закріплених на спільній підставі 1. Магнітопровід електромагнітного механізму складається з ярма 11, осердя 8 і поворотного якоря 6. На осерді знаходиться каркас 9 з обмоткою 10. При протіканні через обмотки струму якір притягається до сердечника, який, повертаючись, через штифт 3 замикає контакти 4 і 5. Контакти закріплюються на контактних плоских пружинах 2. Щоб виключити залипання якоря через залишкове намагнічування, на якорі є пластинка 7 з немагнітного матеріалу, що забезпечує, зазор σ0 = 0,1 мм між осердям і якорем.

Реле з якорем, що втягується, має простішу конструкцію, але кількість контактних груп менша порівняно з реле з поворотним якорем.

Електромагнітні реле змінного струму

При подачі в обмотку реле змінного струму якір буде притягатися до осердя під дією електромагнітної сили Fе, пропорційної магнітному потоку Фδ:

Ф Ф max sin t

Для сили Fэ можна записати:

Fэ Fэ max sin2 wt

Зміна струму I в обмотці й відповідна зміна електромагнітного зусилля в часі зображена на Рис. 13.5.

Якір буде притягатися до осердя під дією середнього значення електромагнітного зусилля, тобто його постійної складової Fе сер.

Fесер Fе max / 2 Ф2 max /(4 0S ),

де змінна складова:

Fе (Fеэ max / 2) cos wt

Рис. 13.5 Струм й електромагнітного зусилля в обмотці реле змінного струму.

Звідси випливає, що електромагнітне зусилля пульсує з подвоєною частотою 2w. Отже, якір реле може вібрувати, що викликає зношення його осі, обгорання контактів, переривання електричного кола й інші небажані явища.

Для зменшення вібрації один полюс осердя, Рис. 13.6, а, роздвоюють і на одну половину поміщають мідну пластину (короткозамкнений виток). Струм i створює магнітний потік, який розгалужується в полюсі осердя на два потоки Ф1 і Ф2. Потік Ф2 наводить у короткозамкненому витку струм, який перешкоджає змінам потоку Ф2 ( за законом електромагнітної індукції). У результаті потік Ф2 відстає по фазі від потоку Ф1. Отже, у робочому зазорі реле змінного струму будуть діяти два зміщені в часі потоки, Рис. 13.6, б. Унаслідок цього виникає постіна складова магнітного потоку, що забезпечує утримання якоря біля сердечника. Сердечник і якір виконують шихтованим з листової трансформаторної сталі з метою зменшення втрат на гістерезис і вихрові струми.

Рис 5.6 Короткозамкнений виток в реле змінного струму.

58. Промислові твердотільні реле

Твердотільне реле (ТТР) це електронний пристрій автоматики, що має релейну характеристику. Силове коло і коло управління мають гальванічну розв’язку. ТТР має монолітну герметичну конструкцію и не мають рухомих механічних частин порівнянно з електромагнітними реле (ЕМР) і контакторами, тому вони стійкіші до сильної вібрації й ударам. Кількість циклів вмикання/вимикання може перевищувати 109.

Основні відмінності ТТР від електормагнітних:

Відсутність електромагнітних завад при перемиканні

Висока швидкодія

Безшумність у роботі

Відсутність брязкоту контактів

Значний опір ізоляції між входом і виходом

Висока надійність

До недоліків можна віднести чутливість до перевищень номінальних значень напруги і струму, для комутації потужних кіл необхідні радіатори. Більшість твердотільних реле не призначена для комутації постійного струму.

Вхідний струм ТТР обчислюється одиницями міліамперів. Оскільки ТТР і сумісні з логічними компонентами мікропроцесорів або аналогових схем, то вони можуть безпосередньо підключатися до виходів аналогових або логічних схем, таких як схеми ФАПЧ, регулятори, датчики програмувальні модулі (PI.Cs) й т.п..

ТТР складається з кількох головних блоків: (Рис. 13.15) силовий ключ, вхідна оптоелектронна розв'язка, детектор контролю моменту переходу через нуль. Силовим ключем зазвичай є симістор або включені паралельно тиристори. Для роботи з навантаженням постійного струму використовується потужний транзистор. Силовий ключ містить додаткові кола, призначені для зниження рівня перешкод, випромінюваних ТТР - RС-кола або варистор, що одночасно є елементом захисту силового блоку від раптових перенапруг у лінії навантаження. Оптоелектронна розв'язка забезпечує ізоляцію вхідних кіл від виконавчої схеми з опором ізоляції 1010 Ом і напругою пробою 4000 В. Вмикання реле здійснюється за постійної напруги ( від 3 до 32В, 24...48В) або змінної напруги ( від

90 до 280В, 24... 265В, 18...36В, 50/60Гц).

Рис. 13.15 Функціональна схема ТТР.

Коло контролю фази в навантаженні визначає режим управління ТТР залежно від сигналу на виводах твердотільного перемикача. ТТР за методом комутації навантаження відрізняються наступним чином:

-з функцією перемикання при переході через '0' (Zero Switching);

-з миттєвим вмиканням (Instant-on Switching);

-вмикання при піковому значенні (Peak Switching);

-реле з аналоговим управлінням по повному циклу імпульсу (Analog Full

Cycle Switching);

-з управлінням по фазовому зсуву (Analog Switching);

-комутація кіл постійного струму.

Перевага реле з функцією перемикання при переході через «0» (рис.5.16) — здатність їх ключового елемента перемикатися в обмеженому діапазоні напруги, поблизу нуля мережі (не більше ±15 В).

Рис. 13.16 Вмикання ТТР з управлінням при переході через «0»

Це дозволяє зменшити кидок струму, а отже, електромагнітне випромінювання, резистивних навантажень (наприклад, лампи, нагрівальні елементи) і, як наслідок, збільшити строк їх служби. Силовий перемикач включається по досягненню зони нуля. Розмикання силового ключа при зникненні керуючого сигналу відбувається при нульовому струмі, що знижує ризик перенапруг у колі й, отже, пов'язані із цим перешкоди.. Наявний на виході варистор обмежує напругу на виводах перемикача, що робить реле стійкими до стрибкоподібних змін напруги.

Однак ТТР із контролем переходу через нуль не можуть комутирувати високоіндуктивне навантаження, коли cos φ<0,5 (наприклад, трансформатори на холостому ходу).

Твердотельні реле миттєвого вмикання (Рис. 13.17) застосовуються для комутації:

•резистивних (електричні нагрівальні елементи, лампи розжарювання);

•індуктивних (малопотужні двигуни, трансформатори) навантажень при необхідності миттєвого спрацьовування.

Рис. 13.17 Робота ТТР з миттєвим вмиканням.

Напруга на виході твердотыльного реле даного типу з'являється одночасно з подачею керуючого сигналу (час затримки включення не більш 1 мс), отже вмикання ТТР можливе на будь-якій ділянці синусоїдальної напруги. Цей тип застосовується, коли необхідно або короткий час спрацьовування, або необхідний контроль кута зсуву фаз на навантаженні (у вимірювальних системах)

Однак у ТТР даного типу можуть виникати імпульсні перешкоди й початкові кидки струму при комутації. Після включення таке твердотельное реле функціонує як звичайне ТТР із контролем переходу через нуль.

Твердотыльны реле з фазовим управлінням (рис.5.18) дозволяють змінювати величину вихідної напруги на навантаженні й застосовуються для наступних завдань:

•регулювання потужності нагрівальних елементів,

•регулювання ламп розжарювання