Блоки, магнітні пускачі і станції

Для здійснення визначеної програми автоматичного керування електроприводами використовуються блоки керуючої апаратури, магнітні пускачі і станції різного призначення.

Найбільш прості операції (пуск, зупинка, реверс двигунів і ін.) виробляються за допомогою блоків і пускачів. На мал. 7.23, а показаний блок реверсування асинхронного двигуна, що складається з трьох двополюсних контакторів.

Рис. 7.23. Вузли реверса двигунів змінного струму

 

Обертання двигуна в одному напрямку забезпечується включенням контакторів К.1 і К.2. Реверс виробляється відключенням контактора ДО2 і включенням контактора КЗ. При використанні блоку з двох триполюсних контакторів (мал. 7.23, б) реверс здійснюється відключенням працюючого контактора і включенням іншого. На постійному струмі використовується блок, що складається з чотирьох однополюсних чи двох двополюсних контакторів (мал. 7.24).

Рис. 7.24.Вузол реверса двигунів постійного струму

 

Потрібна полярність щіток якоря забезпечується включенням контакторів 1В, 2В чи 1Н, 2Н.

Для дистанційного керування електродвигунами малої і середньої потужності (2,5...75 кВт) служать магнітні пускачі, основним елементом яких є контактор (один чи два). Керування здійснюється за допомогою кнопкового поста, що вбудовується в пускач чи розташовується окремо. Більшість магнітних пускачів має вмонтовані теплові реле, що захищають двигуни від перевантажень. Для захисту двигунів від струмів короткого замикання в головному ланцюзі пускача встановлюються плавкі запобіжники. Кожен пускач має один чи кілька допоміжних контактів, які використовуються для самоблокування, сигналізації й інших цілей. Усі магнітні пускачі здійснюють нульовий захист електродвигунів. При зниженні напруги на 30% і більш вмикаюча котушка не може удержати якір і двигун відключається. На мал. 7.25 показана схема включення асинхронного двигуна за допомогою пускача змінного струму.

При натиску кнопки «Пуск» спрацьовує контактор Л и на затиски C1, C2 і СЗ статори двигуна подається напруга. Допоміжний контакт, що замкнувся, Л 4 шунтує кнопку « Пуск», яку можна відпустити. Для зупинки двигуна досить натиснути кнопку «Стоп».

 

Рис. 7.25. Схема керування асинхронним трифазним двигуном за допомогою магнітного пускача

Рис. 7.26. Електрична схема блоку Б-3306: а) - силовий ланцюг; б) - ланцюг керування

 

На мал. 7.26 показана схема блоку типу Б-3306 для керування збудження і гасіння поля синхронних генераторів.

Натисканням кнопки «Вкл» подається живлення на котушку, що втягує, КГ (в) контактор гасіння поля. Втягуючись, контактор замикає свої силові контакти і подає живлення на обмотку збудження ОЗ. Одночасно розмикається силовий контакт у ланцюзі опору гасіння ОГ і замикається допоміжний контакт у ланцюзі котушки, що відключає, КГ (о). У включеному положенні контактор КГ утримується спеціальним защіпним механізмом. Гасіння поля здійснюється натисканням кнопки «Відкл» чи замиканням контакту реле захисту РЗ. В обох випадках одержує живлення обмотка проміжного реле РП, що спрацьовує і подає живлення на котушку контактора, що відключає, КГ (о). Останній пускає в хід механізм, що відключає, і контактор КГ повертається у вихідне положення, спочатку замикаючи контакт, що підключає опір гасіння ОГ, а потім розмикаючи силові контакти в ланцюзі обмотки збудження. Реле РП із витримкою часу розмикає свій контакт у ланцюзі котушки, що відключає, після чого вся схема повертається у вихідний стан. Розміщення елементів блоку на панелі умовно показане на мал. 7.27.

 

Рис. 7.27. Панель керування блоку Б-3306:

1 - допоміжні контакти; 2 - силовий контакт контактора

КГ у ланцюзі опору гасіння поля;

3, 4 — лінійні силові контакти контактора гасіння КГ

 

Більш складні операції керування електроприводами здійснюються за допомогою комплектних станцій керування чи магнітних станцій. Існують станції, що роблять, наприклад, автоматичне аварійне переключення споживачів, керування головними електроприводами і допоміжними механізмами прокатних станів, керування електроприводом шахтних підйомних машин і бурових лебідок і т.д. У станціях керування використовуються різні електричні апарати: контактори, реле, запобіжники, рубильники, резистори, перемикачі й ін. Число апаратів і їхній взаємозв'язок визначаються схемою керування. Всі апарати комплектуються на загальній асбоцементної чи текстолітової панелі чи розташовуються в осередках.

На мал. 7.28 показано схему триступінчастого пуску могутнього високовольтного асинхронного двигуна з фазним ротором (станція керування П-1803). Обмотка статора двигуна підключається до мережі масляним вимикачем Л; ротор розганяється до невеликої швидкості, тому що в його ланцюг включений пусковий резистор з великим опором.

Рис. 7.28. Електрична схема станції П-1803

Одночасно замикається допоміжний контакт Л масляного вимикача і подається живлення на обмотку реле прискорення 1РУ, що замикає свій контакт, подаючи живлення на обмотку 1У першого контактора прискорення.

Останній шунтує першу ступінь пускового резистора і замикає з витримкою часу свій допоміжний контакт, вмикаючи обмотку контактора 2У. Контактор 2У шунтує другу ступінь пускового резистора і своїм допоміжним контактом з витримкою часу включає обмотку третього контактора ЗУ, що шунтує останню ступінь пускового резистора. Одночасно контактор ЗУ своїм замикаючим допоміжним контактом здійснює самоблокування, а розмиканням іншого допоміжного контакту відключає котушки 1РУ, 1У и 2У. Панель станції П-1803 показано на мал. 7.29.

Рис. 7.29. Панель станції П-1803

Перетворювачі

Для виміру широко використовуються перетворювачі різних видів. Перетворювач сприймає величину, що характеризує протікання регульованого процесу, і перетворює її у величину, зручну для посилення і передачі на відстань (дистанційна передача). Перетворювачі характеризуються статичною характеристикою, що являє собою залежність вихідної величини у від вхідної величини x:

. (7.2)

Чутливість перетворювача S визначається крутістю нахилу статичної характеристики:

. (7.3)

Поводження перетворювача при швидких змінах вхідної величини визначається динамічною характеристикою, що може бути представлена в різних видах. Часто розглядають криву перехідного процесу, що дає зміну вихідної величини в з часом при раптовому додатку вхідної величини х = а:

, (7.4)

для випадку х = 0 при t < 0; х = а при t>0.

Вимоги, пропоновані до перетворювачів, визначаються умовами їхнього застосування. Більш істотнішими з них є: однозначна і бажано лінійна залежність вихідної величини від вхідної, висока чутливість, стабільність характеристик у часі, визначений динамічна характеристика, висока перевантажувальна здатність, мінімальний вплив зовнішніх факторів.

Класифікація перетворювачів у даний час ще не установилася і не є загальноприйнятої. Більш найзагальнішою і що охоплює гнітючу більшість перетворювачів є класифікація за принципом перетворення неелектричної вхідної величини в електричну вихідну.

Параметричні перетворювачі засновані на зміні електричних параметрів (опір, індуктивність і ємкість); енергетичні запозичають енергію перетворення від вимірюваного об'єкту. Умовно до цього типу перетворювачів можуть бути віднесені радіоактивні перетворювачі і перетворювачі е.р.с. Холу. Перетворювачі непрямого перетворення є більш складними і підрозділяються на кілька класів. У них вхідна величина перетвориться в зміну звуку, світла чи кількості теплоти, а потім вже в електричну величину на виході. У болометричних перетворювачах зміна кількості теплоти приводить до зміни електричного опору на виході, а в калориметричних - до зміни якої-небудь іншої електричної величини, відмінної від опору.

Рис. 7.31. П'єзоелектричний перетворювач: 1 - кварц; 2 - пуансон; 3 - ізолятор; 4 - висновок

Розглянемо деякі види перетворювачів прямого перетворення. На мал. 7.31 показано пристрій п'єзоелектричного перетворювача зусиль. З появою зусилля F, що впливає на пуансон 2, на поверхні кварцових пластин 1 з'являється заряд, пропорційний зусиллю: . (7.5)

Електродами перетворювача є листок фольги 4, закладений між кварцовими пластинами, і корпус (пуансон). П¢єзоперетворювачі мають високу чутливість і широко застосовуються при вимірі швидкопротікаючих процесів.

Малюнок 7.32 дає уявлення про принцип дії ємкісних перетворювачів.

Рис. 7.32. Ємкісні перетворювачі: а) - з перемінним зазором, б) - з перемінною площею

Рис. 7.33. Індуктивні перетворювачі: а) - з перемінним зазором; б) - з рухомим сердечником; в) - магнітопружний

При зміні положення рухливої обкладки міняється зазор d чи площа s обкладок плоского чи циліндричного конденсаторів. Відповідно змінюються їхні ємкості.

Принцип дії індуктивних перетворювачів пояснюється на мал. 7.33. Переміщення рухомого сердечника (мал. 7.33, а) призводить до зміни зазорів d₁, d₂ і індуктивностей котушок L_I, L₂, включених у мостову схему. У перетворювачі, зображеному на мал. 7.33, б, котушка 1 живиться змінним струмом і створює змінний потік. При відхиленні сердечника від середнього положення на виході з'являється напруга, тому що е.р.с. котушок 2 і 3, спрямовані зустрічно, будуть неоднаковими.

У магнітопружному перетворювачі (мал. 7.33, в) використовується зміна магнітної проникності залізонікелевих сплавів, наприклад пермалоя, при деформації сердечника.

Рис. 7.34. Напівпровідникові перетворювачі омічного опору: а) - термістор; б) - тензометричний

Це приводить до зміни його магнітного опору, а, також, і індуктивності котушки. На мал. 7.34, а показано пристрій термістора, що уявляє собою кульку із суміші двоокису титана з окислами магнію, кобальту і ванадію, замкнутий у захисну оболонку. При нагріванні термістора змінюється його опір. На мал. 7.34, б зображено напівпровідниковий тензометричний перетворювач деформації.

Термічно оброблена тензолітова нитка із суміші графіту із шелаком (каніфоллю) чи суміші сажі з бакелітом наклеюється безпосередньо чи з паперовою підкладкою на деталь. Деформація деталі приводить до зміни довжини, перетини і структури матеріалу нитки, що викликає зміну її опору.

Діелектричні елементи

Останнім часом усе більше поширення одержують елементи, засновані на застосуванні сегнетоелектриків - матеріалів, діелектрична проникність яких залежить від напруженості електричного поля. До них відносяться: сегнетова сіль, титанату барію, свинцю і вісмуту, з'єднання літію з чи ніобієм танталом, тригліцинсульфат та ін. Залежність між електричним зсувом D і напруженістю Е у цих матеріалів нелінійна і має вид гістерезисної петлі. Сегнетоелектрики, застосовувані для виготовлення діелектричних елементів систем автоматики й обчислювальної техніки, тим досконаліше, чим вище в них залишкова поляризація Р, нижче коерцитивна напруженість Е_с і вище коефіцієнт прямокутної петлі гистерезиса:

,

де D_max - максимальний електричний зсув, що відповідає вершині гістерезисного циклу (Р, Е_с і D_max - визначаються для граничного циклу).

Рис. 7.35 ілюструє принцип дії найпростішого діелектричного підсилювача.

Рис. 7.35. Схема діелектричного підсилювача

 

При зміні напруги U_вх міняються напруженість електричного поля, діелектрична проникність і ємкість конденсатора С с сегнетоелектриком. Це супроводжується зміною струму I, напруги U _вих і потужності навантаження r_н. Котушка індуктивності L включена для придушення струму у вхідному ланцюзі від джерела гармонійної е.р.с. Е_~. Конденсатор З1 перешкоджає появі постійного струму в ланцюзі навантаження від джерела U_вх.

На мал. 7.36 схематично показане виконання матричного запам'ятовуючого пристрою.

 

На поверхню пластин сегнетоелектрика наносяться металеві електроди у вигляді вузьких горизонтальних і вертикальних смуг (на малюнку показано по одній смузі x_i і у_i).

 

Рис. 7.37. Діелектрична матриця запам'ятовуючого пристрою

Рис. 7.37. Діелектричний фільтр: а) - пристрій фільтра; б) - характеристики фільтра

 

Подача короткочасного імпульсу напруги на відповідні електроди призводить до місцевої поляризації невеликого обсягу сегнетоелектрика. Надалі на заштрихованих у клітку площадках зберігається залишковий заряд, що несе інформацію про полярність імпульсу і його адресі.

На мал. 7.37, а зображено діелектричний фільтр. Два сегнетоелектричних конденсатори склеєні разом і утворюють суцільну електромеханічну коливальну систему. Вхідний гармонійний сигнал U_вх створює механічні коливання системи за рахунок зворотного п'єзоелектричного ефекту. Між затисками а-b другого конденсатора при цьому виникає напруга U_вих за рахунок прямого п¢єзоефект. Чим ближче буде частота вхідного сигналу до власного (резонансної) частоті f_рез механічних коливань системи, тим більше будуть амплітуда цих коливань і значення U_вих. На мал. 7.37, б показано залежність коефіцієнта передачі по напрузі k = U_вих/U_вх від частоти вхідного сигналу.

Параметр l= d1× d2, де коефіцієнти прямого і зворотного п¢єзоефектів d1 і d2, визначаються виразом d=Р/Рпред(Р - залишкова поляризація в робочому режимі; Рпред - вона ж, визначена по граничному циклу). При наклейці електродів на грані багатогранних кристалів сегнетоелектрика (мал. 7.38) виходять діелектричні елементи, що мають дуже різноманітні специфічні властивості.

Рис. 7.38. Багатофункціональний діелектричний елемент

Впливаючи на такий кристал різними по характеру і значенню напругами між його електродами, можна одержати багатофункціональні елементи.

Діелектричні елементи знаходять широке застосування в генераторах автоколивань, генераторах субгармонічних (низькочастотних) коливань, пристроях з перемежованим (періодично з'являється) резонансом, в обчислювальній техніці. З їхньою допомогою можуть бути виконані, наприклад, логічні схеми. Заміна використовуваних зараз феритових елементів запам'ятовуючих пристроїв на діелектричні призводить до зменшення обсягу пристроїв у 10...100 разів, зниженню споживаної потужності в 50 разів, підвищує їхню надійність, компактність і міцність.

При виробництві малогабаритної радіоелектронної апаратури, у пристроях керування і пам'яті з високою швидкодією (0,02 мкс) усе ширше застосовуються тонкоплівкові діелектричні і магнітні елементи, що одержуються вакуумним напилюванням. Високу швидкодію таких елементів обумовлено однодоменною структурою тонкої плівки, що полегшує процес переполяризації чи перемагнічування.