Програмні елементи систем автоматики (електромеханічні). Класифікація, загальна будова, принцип дії. Інтелектуальні датчики.

Программирующим называют элемент или устройство, которые преобразуют входной сигнал в серию выходных электрических сиг­налов, определяющих последовательность выполнения операций в процессе автоматического управления. Эти элементы выпол­няются с программированием во времени, без учета времени и ком­бинированными. Элементы первого типа обеспечивают переход к следующей операции по истечении времени, предусмотренного на выполнение предыдущей операции J элементы второго типа — после завершения предыдущей операции независимо от того, когда она закончится. В элементах третьего типа одна часть операций программируется во времени, а другая часть операций — без учета времени. Программа может быть жесткой и гибкой. 1

Элементы с жесткой программой не допускают изменения по­рядка выполнения операций. Они выполняются на базе электро­магнитных реле, шаговых искателей и электронных ключей, явля­ются наиболее простыми, надежными и дешевыми, но позволяют реализовать сравнительно простые программы с малым числом 134 выполняемых операций. Элементы с гибкой программой позволяют изменять порядок выполнения операций и имеют регулируемый или сменный программоноситель. В качестве программоносителей используются наборные контактные поля, перфокарты, перфо­ленты, магнитные ленты, киноленты и др.

Наборные контактные поля обеспечивают удобное и простое изменение программы путем коммутации их в нужной ком­бинации. Программирующие элементы с наборными контактными полями имеют простую конструкцию, малые габаритные размеры и стоимость, но позволяют реализовать сравнительно простые программы с малым количеством выполняемых операций. В качестве таких элементов широкое применение получили про­граммные реле времени типов ВС и Е. Реле типа ВС-10 предназна­чено для получения регулируемых программ выдержек времени в трех или шести независимых цепях в диапазоне уставок в зави­симости от исполнения реле от 2 до 24 ч и представляет собой элек­тромеханическое устройство с приводом от синхронного микро­электродвигателя. Он начинает работать с включением питания схемы, в которой используется реле. Вращение от двигателя 1 (рис. 53, й) через понижающий редуктор часового типа 2 пере­дается левой полумуфте сцепления 3, свободно сидящей на оси. Входной сигнал поступает на электромагнит сцепления 4, который перемещает левую полумуфту до полного зацепления с правой по­лумуфтой, после чего вращение передается шестерне 7 на главной оси 13. На этой оси расположены три или шесть шкал 8, набор ко­торых стянут зажимной гайкой 9. Ослабив затяжку гайки, можно производить перестройку программ выдержек времени путем по­ворота шкал, устанавливая против стрелки визира требуемые де­ления шкал. При вращении шкал во время работы реле упоры 12 производят переброс кулачков 11, вызывающий переключение уп­ругих контактов 10. После срабатывания всех контактных групп через систему рычагов 14 и 18 вызывается срабатывание микровы­ключателя 17, и контакт KB (рис. 53, б) в цепи двигателя размы­кается, что вызывает его остановку. Возврат реле в исходное по­ложение происходит после отключения электромагнита. Возврат­ная пружина 15 выводит левую полумуфту из зацепления, а воз­вратная пружина 5 приводит главную ось со шкалами в исходное положение, определяемое упором 16 (см. рис. 53, а). Для плавного возврата реле имеет центробежный тормоз 6. На рис. 53, б приве­дена электрическая схема реле с маркировкой зажимов.

Реле выпускаются на напряжение 12; 127 или 220 В переменного тока частотой 50 Гц. Они допускают до 300 включений в час и имеют износоустойчивость не более 3-10⁵ циклов ВО.

Широкое распространение в настоящее время получили про­граммирующие элементы с программоносителями в виде перфокарт, перфолент и магнитных лент.

Бурное развитие интегральной схемотехники привело к созданию принципиально новых измерительных преобразователей — интеллектуальных датчиков (ИД). Они содержат собственно преобразователь и микропроцессор в одном корпусе, что позволяет выполнять основные операции по преобразованию и повышению достоверности измерительной информации в месте ее возникновения.

Использование интеллектуальных датчиков предоставляет возможность по-новому подойти к распределению функций между основными элементами систем контроля и управления, в частности. — освободить центральный процессор от необходимости обработки больших объемов первичной информации.

Интеллектуальный датчик позволяет обеспечивать выполнение соответствующих функций, повышающих информативность выходного сигнала, формирование потока данных с необходимой достоверностью на основе анализа достаточно большого числа результатов отдельных, относительно недостоверных измерений.

Метрологические характеристики интеллектуатьных датчиков оказываются лучше характеристик обычных датчиков ИД представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих отображение свойств объекта

контроля или управления в виде некоторой структуры данных, формируемых в результате обработки выходного сигнала измерительного преобразователя по определенному алгоритму.

Интеллектуальные датчики обладают следующими свойствами:

— способность к самонастройке, т.е. к изменению чувствительности и динамических характеристик в соответствии с диапазоном и скоростью изменения входной величины, а также к подавлению помех;

— адаптивность к условиям окружающей среды,

— способность к самодиагностике, включая коррекцию ошибок

Можно предложить следующее определение такого датчика

Интеллектуальный датчик — это датчик, обладающий способностью автоматической адаптации к источнику сигнала и окружающей среде, а также способностью контролировать собственные функции и корректировать ошибки измерений.

ИД представляет собой электронное устройство, основанное на объединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорной техники.

Использование микропроцессоров и однокристальных микро-ЭВМ непосредственно в составе датчиков обеспечивает возможность улучшения их метрологических и эксплуатационных характеристик.

По сравнению с традиционными датчиками ИД имеют следующие особенности, отмеченные ниже.

Алгоритмы улучшения статических характеристик ИД позволяют производить коррекцию нулевого сигнала и крутизны для линейных статических характеристик, корректировку масштаба измерительного тракта, линеаризацию статических характеристик.

Благодаря способности к самонастройке ИД выбирает наилучший диапазон измерения и посылает соответствующую информацию на верхний иерархический уровень системы В случае выхода заграницы выбранного диапазона измерений подается аварийный или предупредительный сигнал В ИД возможна коррекция влияния помех и различных возмущений.

По сравнению с традиционными, интеллектуальные датчики обладают большей надежностью, поскольку позволяют

— упростить измерительный преобразователь, используя возможности коррекции его характеристик при помощи программного обеспечения (в том числе посредством коррекции масштаба и внесения поправок на температуру);

— увеличивать число однотипных измерительных ячеек; свести к минимуму аналоговую часть

— источник появления неисправностей и искажений;

— ввести системы автоматического контроля старения компонентов;

— контролировать состояние окружающей среды для обнаружения отклонений и исключения работы датчика вне установленных пределов;

— контролировать работоспособность отдельных элементов и

узлов.

Программное обеспечение позволяет автоматически управлять процессом измерений, сменой диапазонов, переключением каналов измерений, частотой калибровки.

Связь ИД с управляющей ЭВМ и другими периферийными устройствами реализуется программными способами на общей шине.

Интеллектуальные датчики обеспечивают доступ к внутренней информации, которая может быть использована в целях диагностики и профилактического обслуживания. Через портативн портативный пульт или пульт дистанционного управления ИД предоставляет оператору следующие сведения:

— о мгновенных значениях напряжений питания, результатах измерений;

— о совокупности параметров, занесенных в память перед возникновением неисправности;

— о дате последнего проведения контроля (катибровок. проверки нулевого сигнала и т.п.);

— о причинах устраненных отказов;

— о вторичных параметрах, превысивших допустимые пределы (внутренней температуре, абсолютном давлении и т.д.)

25. Випрямлячі: призначення, класифікація. Однофазні та трифазні випрямлячі; випрямлячі з помноженням напруги. Область застосування на суднах.

Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.
В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.
Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим цветом).
Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.
Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.
Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.
На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:

Uср = Umax / π = 0,318 Umax

где: π - константа равная 3,14.

Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.
Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.
Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку Rн, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А». Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».
Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.
Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.

По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.
Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:

Uср = 2*Umax / π = 0,636 Umax

где: π - константа равная 3,14.

Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго - положительный):

 

Трёхфазные выпрямители

Трёхфазные выпрямители обладают лучшей характеристикой выпрямления переменного тока – меньшим коэффициентом пульсаций выходного напряжения по сравнению с однофазными выпрямителями. Связано это с тем, что в трёхфазном электрическом токе синусоиды разных фаз «перекрывают» друг друга. После выпрямления такого напряжения, сложения амплитуд различных фаз не происходит, а выделяется максимальная амплитуда из значений всех трёх фаз входного напряжения.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.

За счёт «перекрытия» фаз напряжения, выходное напряжение трёхфазного однополупериодного выпрямителя имеет меньшую глубину пульсации. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы только по схеме подключения «звезда», с «нулевым» выводом от трансформатора.
На следующем рисунке представлена схема трёхфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова) и его выходное напряжение (красным цветом).

За счёт использования положительной и перевернутой отрицательной полуволны трёхфазного напряжения, выходное напряжение (выделено красным цветом), образованное на вершинах синусоид, имеет самую маленькую глубину пульсаций выходного напряжения по сравнению со всеми остальными схемами выпрямления. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы как по схеме подключения «звезда», без «нулевого» вывода от трансформатора, так и «треугольник».

Умножителем напряжения называют устройство, на выходе которого можно получить напряжение, в любое число раз превышающее напряжение на его входе. Другими словами, умножитель - это устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное, превышающее амплитуду входного переменного напряжения. К числу достоинств можно отнести небольшие габариты и массу, стабильность работы. К недостаткам же относятся низкий ток нагрузки, небольшой КПД и, как следствие, небольшая мощность. Умножители напряжения чаще применяют в устройствах, где не требуется значительный ток в нагрузке, но важно высокое напряжение.

Как всегда, начнем с простого - удвоитель напряжения показан на рисунке.

входное напряжение любого умножителя должно быть переменным!

В отрицательный полупериод входного напряжения кондер С1 заряжается до амплитудного значения входного напряжения - Um. Во время положительного полупериода начинает заряжаться С2 до значения UC2 = Um + UC1 = 2Um, т. е. на выходе получается удвоенное значение амплитуды входного напряжения. Все очень просто.

 

Рис. - Утроитель напряжения

В положительный полупериод С1 заряжается через VD1 до значения Um. В следующий полупериод С2 заряжается через VD2 до значения, равного сумме напряжений на кондере С1 и Um, т. е. UC2 = UC1 + Um = 2Um. В следующий (третий) положительный полупериод, когда прошла повторная зарядка С1 через диод VD1, диод VD2 закрывается, кондер С2 разряжается через диод VD3 на С3, зарядив последний до 2Um, т. е. до удвоенного амплитудного значения. По окончанию заряда С1 нагрузка окажется под суммарным напряжением кондеров С1 и С3. Поскольку на кондере С3 удвоенное значение напряжения, на нагрузке выделяется напряжение Uвых = UC1 + UC3 = 3Um. Добавляя диод с конденсатором получаем напряжение, в любое число раз больше входного.

До амплитудного значения напряжения заряжается только первый конденсатор. На каждом последующем напряжение больше на величину входного. Другими словами, необходимо обеспечить защиту схемы от электрического пробоя, т. е. использовать диоды и кондеры на соответствующее напряжение.