3dok_toa / Лабораторні роботи / Методичка 1 семестр 2011

перемикачем SB6 (при цьому загориться світлодіод VD3). Встановити в світловій камері регулятором R3 задану викладачем освітленність, яка контролюється люксметром. Змінюя положення регулятору R5 включити фотореле – повинна засвітитися індикаторна лампа HL2. Змінюя штучно освітленість в світловій камері (відкривши засувку на камері) спробувати включити фотореле із допомогою регулятору R5. Освітленість контролювати по шкалі люксметру. Потім визначити зону нечуйності фотореле як різниця порогів спрацьовування ЕСПР та порогу відпускання ЕВІДП фотореле для першого та другого випадку:

Е = ЕСПР - ЕВІДП

Будьте уважними! Слід зазначити запізнювання показань люксметра від дійсного значення освітленості у світловій камері. Фіксування значення освітленості требо робити тільки в сталому режимі.

ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ

Звіт повинен мати:

1.Тему і мету лабораторної роботи.

2.Стислі теоретичні дані.

3.Схеми досліду.

4.Вольт-амперні і енергетичні характеристики фоторезистору.

5.Характеристики фотодіоду в вентильному та фотодіодному режимах.

6.Розрахунки.

7.Висновки по роботі

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1.Яка фізична сутність роботи фоторезисторів, фотодіодів, фототранзисторів?

2.Які переваги і хиби фоторезисторів у порівнянні з фотодіодами?

3.Як визначається інтегральна, питома і спектральна чуйність фотоелементів?

4.На що вказує темновий (світловий) струм фотодіода або опір фоторезистора?

5.Для якої мети використовуються фоторезистори в схемах автоматики? Назвіть області застосування фоторезисторов.

6.Які розміри і залежності характеризують властивості фоторезисторів?

7.У чому складається визначення характеристик фоторезисторів (фотодіодів)?

8.Поясніть принцип роботи фотодіодів у фотодіодному та вентильному режимах?

9.Яку роль грає навантаження при роботі фотодіоду у вентильному режимі?

10.Поясните принцип роботи фотореле.

ЛІТЕРАТУРА

1. Бородин И.Ф. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов / И.Ф. Бородин, Н.И. Кирилин. - М.: Колос, 1977. - с.107-112.

1.Бородин И.Ф. Технические средства автоматики / И.Ф. Бородин. - М.:

Колос, 1982. - с. 75-82.

2.Жеребцов И.П. Основы электроники. - 5-е изд., перераб. и доп. / И.П. Жеребцов. - Л.: Энергоатомиздат. Леннигр. Отд-ние, 1989. - 352 с: іл.

31

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 04

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕМЕНТІВ СИСТЕМ ТЕЛЕСИГНАЛІЗАЦІЇ ТА ТЕЛЕКЕРУВАННЯ

Мета роботи: Ознайомитися з конструкцією, принципом дії і схемами включення сельсинів та провести дослідження сельсинів в індикаторному і трансформаторному режимах.

ПРОГРАМА РОБОТИ

1.Ознайомитися з конструкцією, вивчити режими роботи та основні технічні данні сельсинів.

2.Дослідити роботу однофазних сельсинів у індикаторному режимі.

3.Дослідити роботу сельсинів у трансформаторному режимі

4.Визначення несправності дистанційної індикаторної передачі кута на сельси-

нах.

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Сельсин (англ. selsyn, від англ. self - сам і греч. synchronos - одночасний, синхронний), електрична машина, що дозволяє здійснювати кутове переміщення валу будь якого пристрою або механізму відповідно до кутового переміщення іншого валу, механічно не пов'язаного з першим.

За принципом дії сельсин це поворотний трансформатор, у якого при обертанні ротору відбувається плавна зміна взаємної індуктивності між його обмотками - однофазною первинної (обмоткою збудження) і трифазною вторинної (обмоткою синхронізації). Залежно від виконуваних функцій (у системах "передачі кута") розрізняють сельсин - датчики (СД), сельсин - приймачі (СП) і диференціальні сельсини. Ротор СД механічно зв'язується з валом, що повертає, а в СП, електрично пов'язаного зі СД, поворот ротору синхронно і синфазно повторює поворот ротору СД. За допомогою диференціального сельсину алгебраїчно додають кутові переміщення двох механічно не зв'язаних між собою валів

Сельсини складаються із статору та ротору. Вони мають одну обмотку збудження і три обмотки синхронізації, зрушених на 1200 і з'єднані в зірку. Сельсини

32

існують контактні і безконтактні.

Магнітна система контактних сельсинів може бути ніявнополюсною (рис. 2, а,) або явнополюсною (рис. 2, б, в). Обмотка збудження може розташовуватися як на роторі, так і на статорі. Перша конструкція більш краща, тому що має тільки два кільця замість трьох.

Рисунок 2 - Конструктивні схеми контактних сельсинів

Більшим недоліком контактних сельсинів є наявність змінного контакту, перехідний опір якого може змінюватися в досить широких межах. Це знижує точність передачі кута і зменшує надійність роботи систем синхронного зв'язку.

Широке поширення одержали безконтактні сельсини, що не мають зазначеного недоліку.

Ротор -Р безконтактного сельсина (рис. 3) має два сталевих пакети, розділених немагнітним матеріалом - НМ (звичайно сплавом алюмінію). Пакети ротору шихтовані в поздовжньому напрямку. Статор складається із осередку - С і двох кілець - К. У пазах статору покладено обмотку синхронізації - ОС, яка виконана по типу трифазної. До кілець примикають пакети зовнішнього магнітопроводу - ВМ, те ж шихтованих у поздовжньому напрямку. Обмотка збудження - ОВ виконана у вигляді двох кільцевих котушок.

Магнітний потік, створений обмоткою збудження, замикається по шляху, показаному на рисунку 3. З одного пакету ротору він проходить через невеликий повітряний зазор у статор - С. Потім по його спинці проходить половину окружності й виходить в інший пакет ротору. Відбиваючись від косого зазору, він по кільцю - К і зовнішньому магнітопроводу - ВМ знову попадає в перший пакет ротору. При повороті ротору змінюється положення потоку збудження щодо обмоток синхронізації, тому ЕПС, яка індукується в них, буде залежати від кута повороту ротору так само, як і в контактному сельсині.

33

Рисунок 3 - Конструктивна схема и магнітний ланцюг безконтактного сельсина

Недоліком безконтактних сельсинів є гірше використання активних матеріалів. Їхня маса приблизно в 1,5 рази більше, ніж контактних. Пояснюється це більшими повітряними зазорами, внаслідок чого сельсини мають значні потоки розсіювання й більші струми, що намагнічують.

Сельсини використовуються в випадках: дистанційного керування та сигналізації, при передачі показань контрольно - вимірювальних приладів на відстань, при передачі на відстань кутових переміщень двох або декількох валів, незв’язаних механічно між собою, у випадках коли требо відтворювати із заданою точністю декартових величин (лінійне переміщення, кута повороту, швидкість оберту та інші).

Відповідно, сельсини використовується у дистанційних передачах, які само синхронізуються та у слідкуючих системах в якості первинного перетворювача кута непогодження. Синхронний зв’язок відбувається на трьохфазному та однофазному струмі:

-синхронний зв’язок на трьохфазному струмі використовується там, де необхідно використати синхронний оберт двох машин, які знаходяться на відстані при значних моментах опору двох механічно незв’язаних валів;

-синхронний зв’язок на однофазному струмі має велике поширення у схемах синхронної передачі кута, там де необхідно повернути на деякий кут механі-

чно незв’язані вали машин.

Сельсини є машиною оборотною, тобто він може працювати в режимі електродвигуна і генератору. У першому випадку він перетворює електричну енергію у механічну та несе назву "сельсин приймач" (СП); у другому випадку він перетворює механічну енергію в електричну та має назву "сельсин датчик" (СД), на схемах відповідно позначається – ВЕ та ВС. Обмотка ротору сельсина може живитися напругою змінного струму частотою 50, 400, 500 Гц та напругою 36…110 В.

Сельсин датчик кута непогодження як динамічна ланка є ідеально безінерційна ланка з коефіцієнтом передачі К2 (рис. 4)

К2 U2

П

Рисунок 4 - Зображення сельсин - датчика на схемах.

34

Принцип дії сельсина полягає в наступному. Обмотка збудження створює в повітряному зазорі між статором і ротором пульсуюче магнітне поле, розподілене за гармонійним законом уздовж окружності. Тому при повороті ротору по такому ж закону змінюється потокозчеплення взаємної індукції обмотки синхронізації і ЕРС, що наводиться в її променях

(1)

де i - номер лучачи (фази) обмотки синхронізації (i = 1, 2 або 3);

αД - кут між магнітними осями обмотки збудження та 1- го променя обмотки синхронізації (рис. 5, в);

Еm - найбільше значення ЕРС променя (коли він знаходиться на одній осі з обмоткою збудження).

Рисунок 5 - Умовне графічне зображення й літерне позначення сельсинів: а - безконтактного; б - контактного з обмоткою збудження на роторі (ZZ ВЕ - приймач, ВС - датчик); в - розгорнута схема

При цьому в контактному сельсині потокозчеплення обмоток збудження й синхронізації змінюється через їхній відносний поворот.

Використовуються такі сельсини:

Сельсин-датчик (СД) – це сельсин, збуджуваний однофазною напругою, на трифазній обмотці синхронізації якого виробляються напруги, амплітуди й фази яких визначаються кутовим положенням ротору відповідно до виразу (1).

Індикаторний сельсин-приймач (СПІ) – це збуджуваний однофазною напругою сельсин, кутове положення ротору якого визначається амплітудами та фазами напруг трифазної обмотки, що живиться від сельсина-датчика.

Трансформаторний сельсин-приймач (СПТ) - це сельсин, амплітуда та фаза напруги на однофазній обмотці якого визначаються амплітудами й фазами напруг на трифазній обмотці синхронізації, що живиться від сельсина-датчика.

Сельсин-фазообертач – це сельсин, на однофазній обмотці якого виходить напруга, фаза якого може регулюватися від 0 до 3600.

Напруга збудження сельсинів буває 6, 12, 27, 36, 40, 110 і 127 В частотою 50, 400, 500 і 1000 Гц.

Індикаторний режим роботи сельсинів. Індикаторним називають режим робо-

ти системи дистанційної синхронної передачі кутових переміщень від ведучого об'єкта до відомого, якщо на веденому валу малий момент навантаження (наприклад стрілка або шкала). При цьому індикаторний сельсин-приймач самостійно відпра-

35

цьовує кут, заданий ведучим об'єктом і пов'язаним з ним сельсином-датчиком.

Рисунок 6 - Структура індикаторної дистанційної передачі

Різниця кутових положень роторів СД і СПІ називають кутом неузгодженості

В обмотках синхронізації збуджених СД і СПІ наводяться ЕРС, що залежать від кутових положень їхніх роторів:

При наявності неузгодженості ці ЕРС неоднакові. Під дією різниці ЕРС Еi по променях обмоток синхронізації протікають струми

де Zос, Zлс - опір одного променя обмотки синхронізації й опір проводу лінії зв'язку між СД і СПІ.

У результаті взаємодії струмів І i з магнітними потоками обмоток збудження виникають відносно невеликі електромагнітні моменти МСД і МСП, однакові по величині, але протилежні по напрямку (тому що в однойменних променях обмоток синхронізації СД і СПІ струми протікають у протилежних напрямках). Ці моменти спрямовані убік зменшення неузгодженості, тому їх називають синхронізуючими. Ротор СД пов'язаний з валом ведучого об'єкту та не може повернути його. СПІ переборює невеликий момент навантаження і його ротор прагне повернутися в погоджене положення зі СД. Приймач відпрацьовує неузгодженість із деякою помилкою α, що залежить від моменту навантаження Мнг. Синхронізуючий момент сельсина це момент, що виникає на валу сельсина-приймача при неузгодженості індикаторної дистанційної передачі:

Сталий режим відповідає точкам 1 і 2, де Мс = Мнг. Однак при впливі навіть незначних збурювань режиму робоча точка піде із точки 2 у точку 1, тому що робота на спадній гілці характеристики нестійка.

Неузгодженість α = 180називається помилковим нулем, тому що синхронізуючий момент відсутній, хоча неузгодженість є. Робота в цій точці також нестійка. Для забезпечення однозначного відпрацьовування неузгодженості в одноканальних системах використовуються тільки двополюсні сельсини.

36

Робота сельсина-приймача в індикаторному режимі характеризується наступними основними показниками:

а) максимальний синхронізуючий момент МСМ – найбільший за абсолютним значенням синхронізуючий момент сельсина на напівперіоді неузгодженості індикаторної дистанційної передачі. Він пропорційний квадрату напруги збудження й зменшується зі збільшенням опору обмоток синхронізації й лінії зв'язку. Цей момент істотно впливає на точність відпрацьовування неузгодженості (рис. 7). Тому неприпустиме велике зниження напруги збудження та великий опір (довжина) лінії зв'язку;

б) питомий синхронізуючий момент сельсина m з – синхронізуючий момент сельсина, що приходиться на одиницю кута неузгодженості від положення узгодження індикаторної дистанційної передачі:

Він характеризує крутість наростання синхронізуючого моменту при неузгодженості сельсинів;

Рисунок 7 - Синхронізуючий момент сельсина

в) похибка проходження індикаторної дистанційної передачі на сельсинах І

– відхилення кута повороту ротору індикаторного сельсин - приймача від кута повороту сельсина-датчика в положенні узгодження (визначається як найбільша за абсолютним значенням похибка у межах оберту ротору):

Похибка викликана наявністю моменту опору (навантаження) на валу СПІ, тертям у приймачі і вищих гармоніках моментів через деяку несінусоідальність магнітного поля. Точніше - безконтактний сельсин, тому що він не має ковзних контактів. Величиною І визначається клас точності індикаторного СПІ: 30, 45, 60, 90 і 150 кутових хвилин. Це чимала похибка, тому індикаторна дистанційна передача на сельсинах не відрізняється високою точністю;

г) кількість приймачів N, що працюють від одного датчика в системі багаторазового прийому, обмовляється в технічних даних сельсинів, тому що збільшується похибка СПІ через зниження питомого синхронізуючого моменту приймача:

37

д) динамічний синхронізуючий момент МС.ДИН - це синхронізуючий момент СПІ при роботі системи, що стежить, у процесі обертання. Він знижується в порівнянні із синхронізуючим моментом при повороті через наведення в обмотках синхронізації ЕРС обертання. Динамічний синхронізуючий момент визначають по формулі:

де n – частота обертання ротору, n1= 60f1/р – умовна синхронна швидкість, об/хв. Чим вище швидкість обертання, тим менше синхронізуючий момент і більше похибка. Тому в технічних даних сельсинів обмовляється максимальна швидкість обертання. Для забезпечення спостереження при великій швидкості обертання вибирають сельсини підвищеної частоти, щоб відношення n/n1 було невеликим;

Рисунок 8 – Динамічний синхрозуючий момент

е) час заспокоєння приймача tв – це час відпрацьовування кута неузгодженості ±179 . Він характеризує швидкодію та коливальність СПІ та звичайно не перевищує 3 секунди. Перехідний процес руху ротору може бути коливальним або аперіодичним залежно від співвідношення кутової частоти власних коливань і коефіцієнту загасання коливань. Установкою повітряного демпферу (заспокоювача коливань) на валу СПІ прагнуть забезпечити аперіодичний перехідний процес. Так що в динамічному режимі СПІ можна вважати аперіодичною ланкою.

Трансформаторний режим роботи сельсинів. Трансформаторним називають режим роботи системи дистанційної синхронної передачі кутових переміщень від ведучого об'єкта до відомого, коли на відомому валу великий момент навантаження. При цьому трансформаторний сельсин-приймач служить лише вимірником неузгодженості α = αд - αп.

Рисунок 9 - Структура трансформаторної дистанційної передачі

38

В цьому режиму СД функціонує так само, як і в індикаторному режимі: магнітний потік обмотки збудження наводить в обмотці синхронізації електрорушійні сили відповідно до виразу (1). Ці ЕРС викликають струми в променях (фазах) обмоток синхронізації датчика та приймача. Струми створюють пульсуючі магнітні потоки. Потік обмотки синхронізації СПТ має незмінну амплітуду Фnm і повернуто у просторі на кут - α щодо магнітної осі обмотки збудження СД:

Цей потік наводить у вихідній обмотці приймача ЕРС і напругу на затискачах, амплітуда яких визначається величиною кута неузгодженості, а фаза - знаком цього кута. Сигнал вихідної обмотки СПТ вимірюється електронним вольтметром.

Для забезпечення логіки спостереження вихідну обмотку СПТ необхідно зрушити на 90у просторі щодо обмотки збудження СД. Тоді вихідна напруга СПТ буде змінюватися за наступним законом (рис. 10):

Рисунок 10 - Вихідна напруга трансформаторного сельсина-приймача

Робота сельсина-приймача в трансформаторному режимі характеризується такими основними показниками:

а) максимальна вихідна напруга трансформаторного сельсина-приймача U2m – найбільша електрична напруга на виводах вихідної обмотки трансформаторного сельсина-приймача при неузгодженості дистанційної передачі. Воно залежить від тих же факторів і так само впливає на погрішність, як і Мсm в індикаторному режимі; б) крутість сельсина-приймача трансформаторної дистанційної передачі SС – це зміна вихідної напруги на одиницю кута неузгодженості сельсина-приймача в

положенні узгодження трансформаторної дистанційної передачі:

Крутість визначається як відношення вихідної напруги сельсина – приймача до кута неузгодженості дистанційної передачі в межах 5 ;

в) похибка проходження трансформаторної дистанційної передачі на сельсинах Т - відхилення кута повороту ротору трансформаторного сельсина-приймача від кута повороту сельсина-датчика в положенні узгодження. Визначається як найбільша за абсолютним значенням похибка у межах оберту ротору:

39

Похибка у СПТ менше, ніж у СПІ, тому що тут не позначається момент тертя приймача;

г) залишкова ЕРС сельсина-приймача ЕОС – ЕРС на виводах вихідної обмотки при нульових положеннях ротору СПТ. Це помилковий сигнал неузгодженості;

д) асиметрія нульових положень сельсина α – найбільше за абсолютним значенням кутове відхилення дійсних нульових положень ротору від теоретичних.

Кількість приймачів, що працюють від одного датчика, і частота обертання при спостереженні в трансформаторному режимі оцінюються так само, як і в індикаторному режимі. Трансформаторний СП у динамічному режимі розглядають як пропорційну ланку.

Робота сельсину в режимі фазообертача. Якщо до обмотки синхронізації пі-

двести симетричну трифазну систему напруг (тобто три напруги однакової величини, зрушені по фазі на 120 ), то в повітряному зазорі сельсина утвориться кругове обертове магнітне поле. Це поле наводить ЕРС в обмотці збудження. В ідеальному випадку величина цієї ЕРС постійна. Однак тимчасова фаза ЕРС і напруги на затискачах обмотки збудження буде визначатися кутовим положенням ротора α:

причому j = α.

Якщо ротор повертати в діапазоні α = 0…360 , то і фаза ЕРС буде змінюватися в цих же межах. Після установки необхідної фази варто зафіксувати ротор сельсину.

ОПИС ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДУ

Лабораторний стенд складається з базового та виносного стендів (виносний стенд знаходиться на відстані від базового стенду) та включає такі елементи, принципова електрична схема представлена на рис. 11:

40