Теоретические основы автоматики и телемеханики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Самарский государственный университет путей сообщения»

Кафедра АТС на железнодорожном транспорте

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению контрольной работы по дисциплине

«Теоретические основы автоматики и телемеханики»

для студентов заочной формы обучения специальности 23.05.05

«Системы обеспечения движения поездов»

Составитель: Н.А. Кравцова

М.Б. Куров Л.А. Плешакова

Самара 2015

Методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Теоретические основы автоматики и телемеханики» для студентов заочной формы обучения специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов» [Текст] / составитель: Н.А. Кравцова, М.Б. Куров, Л.А. Плешакова. - Самара: СамГУПС, 2015. - 15 с.

Методические указания содержат рекомендации по построению временнуй диаграммы работы пульс-пары, кинематической схемы реле и кинематической схема герконовых реле.

Методические указания предназначены для студентов заочной формы обучения.

Утверждены на заседании кафедры «АТС на ж.д.тр-те» 31.08.2015 года, протокол № 1.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составитель: Кравцова Наталья Агапиевна Куров Михаил Борисович Плешакова Лариса Александровна

Рецензенты: к.т.н., профессор (СамГУПС) В.Б. Гуменников

д.т.н., профессор (СамГУПС) О.А. Кацюба

Оглавление

физический реле автоматика контакт

Введение

Задача № 1 Нейтральные реле систем железнодорожной автоматики и телемеханики

Задача № 2 Анализ работы пульс-пары

Задача № 3 Герметизированные магнитоуправляемые контакты и реле на их основе

Библиографический список

Приложение А

Введение

Устройства железнодорожных систем обеспечения движения поездов в основном являются дискретными устройствами, причем значительная их доля выполнена на электромагнитных реле. Анализ работы таких устройств при их эксплуатации, обслуживании и ремонте требует от специалиста умения «читать» их электрические принципиальные схемы. Во многих релейно-контактных схемах важное значение для их работы имеет очередность срабатывания тех или иных реле, зависящая от их временных параметров. Наиболее полную и детальную информацию о работе релейно-контактной схемы дает ее временнамя диаграмма. Построению временной диаграммы простой схемы на электромагнитных реле (пульс-пары) посвящена задача № 2 в данных методических указаниях.

В зависимости от применяемой элементной базы (контактные или бесконтактные реле, полупроводниковые логические элементы) конструкция представлена для электромагнитных реле и магнитоуправляемых контактов, которые рассмотрены в задачах № 1 и № 3 настоящих методических указаний.

Целью изучения дисциплины является подготовка студентов к освоению дисциплин специальности СОДП 23.05.05, посвященных изучению устройств и систем автоматики, телемеханики и электроснабжения на железнодорожном транспорте.

Задачей дисциплины является изучение наиболее важных разделов автоматического управления, включающих в себя теорию проектирования и расчета элементов автоматики, теорию телемеханического управления, элементы автоматического регулирования, вопросы надежности телемеханических систем.

Дисциплина «Теоретические основы автоматики и телемеханики» относится к циклу ООП С3.Б.14.

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «ТОАТ»:

ПК-1: способностью применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;

ПК-12: владением основами расчета и проектирования элементов и устройств различных физических принципов действия;

ПК-25: умением использовать информационные технологии при разработке новых устройств систем обеспечения движения поездов, ремонтного оборудования, средств механизации и автоматизации производства.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен

Знать:

-теоретические основы систем автоматики, телемеханики и электроснабжения; телемеханические системы контроля и управления; основные характеристики элементов электроснабжения, сигнализации, связи и их узлов.

Уметь:

-применять математические методы, физические законы и вычислительную технику для решения практических задач; использовать возможности вычислительной техники и программного обеспечения; определять параметры электрических цепей постоянного и переменного тока; читать электрические схемы систем управления; выполнять некоторые расчёты технических характеристик устройств.

Владеть:

-методами математического описания физических явлений и процессов, определяющих принцип работы различных технических устройств; основными методами работы на ПЭВМ с прикладными программными средствами; методами выбора электрических элементов и устройств для типовых электрических схем систем управления; методами чтения электрических схем систем управления исполнительными механизмами.

Задача №1 Нейтральные реле систем железнодорожной автоматики и телемеханики

Изобразить кинематическую схему реле и колодку с обозначением контактов, представить графическое изображение контактной группы заданного реле и графическое изображение. Варианты заданий для составления кинематической схемы приведены реле в таблице №1.

Таблица №1

Существует много разновидностей нейтральных электромагнитных реле, различающихся конструкциями электромагнитных и контактных систем. Тем не менее, в основе действия всех этих реле лежит общий принцип, который можно рассмотреть на примере реле, конструкция которого показана на рис. 1.

Рис. 1

Основными деталями данного реле являются: электромагнит, состоящий из обмотки 1 и сердечника 2; ярмо 3; подвижная часть (якорь клапанного типа) 4; возвратная пружина (плоская) 5; контактные пружины 6 - 8 (контактная система); контактный поводок 9 и штифт отлипания 10.

При отсутствии тока в обмотке якорь удерживается в исходном состоянии (показано на рис. 1) возвратной пружиной 5. При этом контакты 7 и 8 замкнуты, контакты 6 и 7 разомкнуты. При подключении к обмотке напряжения питания U (ключом S₁) по ней начинает протекать ток i, который после завершения переходных процессов равен:

, (1)

где R - сопротивление обмотки.

Ток i создает магнитный поток , который замыкается через магнитопровод (образованный сердечником 2, ярмом 3 и якорем 4) и воздушный зазор между якорем и сердечником. На рис. 1 магнитный поток условно показан одной линией.

Якорь, ярмо и сердечник изготавливают из магнитомягкого материала (электротехнической стали), поэтому под действием магнитного потока происходит их намагничивание. В результате этого поверхности якоря и сердечника в области воздушного зазора становятся разноименными полюсами магнита. При принятом на рис. 1 направлении магнитного потока поверхность якоря является северным полюсом N (из него выходят силовые линии потока), а поверхность сердечника - южным полюсом S (в него силовые линии входят). За счет взаимного притяжения разноименных полюсов магнита создается электромеханическое (тяговое) усилие f_э, стремящееся переместить якорь в направлении сердечника.

Сила f_э при малых значениях тока I и магнитного потока мала, перемещению якоря препятствует механическая сила f_м, создаваемая возвратной и контактными пружинами, силами трения и др. Если ток I увеличить до значения, при котором тяговое усилие якоря f_э становится больше силы противодействия f_м (при всех значениях зазора ), то якорь будет перемещаться в направлении сердечника. Движение якоря через контактный поводок 9 передается подвижному контакту 7, который размыкается с контактом 8 и замыкается с контактом 6. Этот процесс называют срабатыванием реле.

Если ток i уменьшать, то при некотором его значении усилие возвратной пружины и контактных пластин превысит тяговое усилие якоря, реле вернется в исходное состояние. Этот процесс называют отпусканием реле.

При подключении к обмотке реле напряжения питания U в другой полярности ток I и магнитный поток будут иметь другое направление. При этом поверхность якоря станет южным полюсом магнита, а поверхность сердечника - северным. Поскольку эти полюса остаются разноименными, то якорь и в этом случае притягивается к сердечнику, т. е. направление тягового усилия f_э не зависит от направления магнитного потока . Этим и объясняется тот факт, что работа нейтрального электромагнитного реле не зависит от полярности напряжения на обмотке и направления тока в ней.

Если на обмотке реле резко изменить полярность напряжения питания U, то якорь не останется в притянутом состоянии. Это обусловлено тем, что тяговое усилие f_э зависит не от напряжения U, а от магнитного потока , создаваемого током в обмотке. При изменении полярности напряжения U ток быстро изменить свое направление не может, поскольку обмотка реле обладает большой индуктивностью. Поэтому имеет место переходный процесс, в течение которого ток в обмотке постепенно изменяется от исходного установившегося значения I = U/R до нового установившегося значения I = -U/R. Поскольку вначале ток i и магнитный поток уменьшаются до нулевого значения, то уменьшается и сила притяжения f_э, что приводит к отпусканию якоря. Затем, по мере того, как ток i стремится к значению -U/R, магнитный поток вновь возрастает (в другом направлении), значение силы f_э возрастает, что и обеспечивает повторное срабатывание реле. Изменение тока i в течение переходного процесса имеет сложный характер, обусловленный изменением длины воздушного зазора и индуктивности обмотки при отпускании и срабатывании реле. Переходные процессы в реле подробно изучают при выполнении лабораторной работы № 4.

Таким образом, говоря о том, что работа нейтрального электромагнитного реле не зависит от полярности напряжения на обмотке, надо иметь в виду только установившиеся процессы или переходные процессы, обусловленные подключением напряжения к обмотке, но не переходные процессы, обусловленные сменой полярности напряжения на обмотке.

Для обеспечения избирательности реле (исключения ошибочной установки реле другого типа вместо требуемого) предусмотрена планка избирательности с пятью кодовыми отверстиями (рис. 3), в которые входят соответствующие пять штырей штепсельной розетки. Для этих отверстий предусмотрено десять позиций, обозначаемых русскими буквами А, Б, …, И, К (рис. 3). Число возможных кодовых комбинаций, определяемое числом сочетаний из m элементов по n (m = 5, n = 10), равно:

.

Каждое реле имеет свой код избирательности. Например, реле РЭЛ1-1600 имеет код АБВИК (рис. 3), реле РЭЛ1М-10 - код АБЖЗИ и т. д.

Обмотки реле могут быть включены раздельно, последовательно или параллельно. Обмотки нормальнодействующих реле РЭЛ1 намотаны на пластмассовые шпули, а медленнодействующих РЭЛ1М - на медные.

Рис. 3

Задача №2 Анализ работы пульс-пары

Изобразить схему пульс-пары с временнуй диаграммой (с соблюдением масштаба по оси времени). Тип реле А выбирается из таблицы №2 по предпоследней цифре шифра, тип реле В - по последней цифре шифра. Рассчитать и указать на диаграмме длительность импульса и интервала, мигания лампы EL. Считать, что t_{пер пр} = 0,2·t_пр, t_{пер отп} = 0,2·t_отп, t_пр = 0,4·t_отп. Время замедления на отпускание t_отп определять по справочным данным реле заданного типа при номинальном напряжении (токе).

Таблица №2

Таблица типов реле пульс-пары

Процессы, которые происходят при притяжении и отпускании якоря реле, удобно отображать на специальных временнымх диаграммах [1]. При срабатывании реле происходят три события, которым соответствуют точки на временнуй диаграмме (рис. 4): точка 1 - момент подачи напряжения на обмотку реле; точка 2 - момент размыкания тылового контакта; точка 3 - момент замыкания фронтового контакта. Отрезок 1-2 соответствует времени трогания якоря реле на притяжение t_{тр пр}, отрезок 2-3 - времени перелета якоря реле при притяжении t_{пер пр}, отрезок 1-3 - времени притяжения якоря реле t_пр. При обесточивании реле также происходят три события: точка 4 - снятия напряжения с обмотки реле, точка 5 - момент размыкания фронтового контакта, точка 6 - момент замыкания тылового контакта. Отрезок 4-5 соответствует времени трогания якоря реле на отпускание t_{тр отп}, отрезок 5-6 - времени перелета якоря реле при отпускании t_{пер отп}, отрезок 4-6 - времени отпускания якоря реле t_отп. Заштрихованная площадь на диаграмме представляет собой время (отрезок 1-4), в течение которого по обмотке реле протекает ток.

Рис. 4

Временныме диаграммы используют для записи работы релейно-контактных схем. Работа пульс-пары (рис. 5, а) генератора импульсов на двух реле А и В отображена на временнуй диаграмме (рис. 5, б).

Рис. 5

В момент нажатия кнопки S срабатывает реле А (точка 1). При замыкании фронтового контакта 11-12 А (точка 3) срабатывает реле В (точка 1'). Размыкание тылового контакта 11-13 В (точка 2') приводит к обесточиванию реле А (точка 4). При размыкании контакта 11-12 А (точка 5) обесточивается реле В (точка 4'), а при замыкании контакта 11-13 В (точка 6') опять срабатывает реле А и работа схемы повторяется до тех пор, пока нажата кнопка S. Лампа EL периодически включается контактом 21-22 А.

Временныме диаграммы являются наиболее детальным способом записи работы релейно-контактных схем, который отражает все события, происходящие в ее работе, и позволяет рассчитывать временныме характеристики схемы. Например, зная временныме параметры реле А и В, можно рассчитать время, в течение которого горит (t_имп) и не горит (t_инт) лампа EL:

Составить временную диаграмму для схемы на рис. 5, при условии, что реле А и В имеют замедления, представленные в таблице 1. В графе таблицы «№ п/п» указаны порядковые номера вариантов, в графе «Зам. А» - замедление реле А в секундах, в графе «Зам. В» - замедление реле В в секундах. При составлении временной диаграммы сначала приводится схема включения реле А и В, а также схема включения лампочки, затем сама диаграмма. Горизонтальный масштаб диаграммы - в одном сантиметре 0,1 с, вертикальный масштаб выбирается произвольно.

Задача №3 Герметизированные магнитоуправляемые контакты и реле на их основе

Изобразить схему феррида с дифференциальным возбуждением, с указанием направления электромагнитных потоков в каждой обмотке, показать, как обмотка намотана на феррид. Нечетная цифра шифра - контакт замкнут, четная - контакт разомкнут.

В устройствах автоматики и связи широкое применение находят герметизированные магнитоуправляемые контакты - герконы (сокращенное от «герметизированные контакты»). Они представляют собой плоские ферромагнитные пружины (пластины), запаянные в стеклянный баллон, который заполнен азотом или инертным газом под давлением. Это предотвращает окисление и загрязнение контактов. Иногда в баллоне создается вакуум.

Конструкция простейшего язычкового (т. е. состоящего из консольно закрепленных изгибающихся пластин) замыкающего геркона показана на рис. 6. Пластины 1 и 2 выполняют одновременно роль магнитопровода, контактных и возвратных пружин. Их концы 3 являются контактами. Контактные пластины изготавливают из магнитомягкого материала (обычно пермаллоя), их концы в области контактов покрывают золотом, палладием или родием. К наружным концам 4 пластин припаивают соединительные провода.

Рис. 6

Пластины в баллон замыкающего геркона впаяны так, что в нормальном положении контакты разомкнуты. Если геркон поместить в управляющее магнитное поле, направленное вдоль пластин, то эти пластины намагничиваются (подобно магнитопроводу обычных реле). В области воздушного зазора (контактов) поверхности этих пластин становятся разноименными полюсами магнита, за счет притяжения которых возникает тяговое усилие f_э. Если это усилие больше механических сил упругости пластин, контакты замыкаются. При снятии магнитного поля контакты размыкаются под действием упругих сил пластин.

Магнитное поле, управляющее герконом, создается обмоткой с током или постоянным магнитом.

На рис. 7, а показан геркон с обмоткой, создающей управляющее магнитное поле, на рис. 7, б упрощенно показан характер магнитных потоков в герконе для этого случая. Рабочий магнитный поток проходит через пластины и рабочий воздушный зазор. Основной поток рассеяния через них не проходит и замыкается вокруг обмотки. Частично поток рассеяния проходит по пластинам (₁), но не проходит через рабочий воздушный зазор. Большой поток рассеяния приводит к необходимости в несколько раз увеличивать в герконах МДС по сравнению с обычными электромагнитными реле, где большая часть магнитного потока, создаваемого обмоткой, проходит через магнитопровод и намагничивает якорь и сердечник. Это является одним из недостатков геркона.

Другими недостатками герконов являются дребезг при замыкании контактов, малое число контактных групп в одном баллоне и влияние внешних магнитных полей на работу герконов.

Тем не менее, герконы находят широкое применение благодаря следующим преимуществам перед обычными реле:

высокой надежности коммутации в любой среде;

длительному сроку службы ( до 10 ⁸ - 10 ⁹ срабатываний);

высокому быстродействию (в герконах нет массивного якоря, поэтому время срабатывания и отпускания у них составляет доли миллисекунды);

небольшим габаритам (диаметр баллона от 2,0 до 5,5 мм, длина от 7,5 до 50 мм);

удовлетворительной виброустойчивости.

а)

б)

Рис. 7

На основе герконов можно создать не только одноконтактные, но и многоконтактные реле, расположив, например, в обмотке несколько коммутационных элементов (рис. 8). Однако в многоконтактных герконовых реле срабатывание и отпускание отдельных герконов в общем случае происходит при различных значениях МДС обмотки. Это обусловлено разбросом параметров самих герконов и различием напряженности магнитного поля в местах расположения различных герконов. Кроме того, замыкание одного геркона приводит к магнитному шунтированию других, и поэтому требует дополнительного увеличения МДС обмотки для замыкания всех герконов в реле.

Рис. 8

В системах железнодорожной автоматики и связи применяются ферриды с дифференциальным возбуждением. Устройство такого феррида, используемого в устройствах связи, показано на рис. 9.

Он содержит геркон, размещённый в катушке с четырьмя обмотками. Обмотки Х_l и У₁ имеют число витков в два раза большее, чем обмотки Х₂ и У₂, причём направление тока в обмотках Х_l и У_l противоположно току в обмотках Х₂ и У₂. Для срабатывания феррида необходимо пропустить ток одновременно через обмотки Х_l+Х₂ и У_l+У₂; благодаря этому создаются разностные магнитные потоки, которые вызовут притяжение пружин 1. С помощью постоянного магнита 2, наконечников из магнитной пластмассы 3 и рамендюровых пластин 4 создаётся магнитный поток удержания контактных пружин в притянутом состоянии. Для выключения феррида достаточно пропустить импульс тока через обмотки Х_l+Х₂ или У_l+У₂.

Применение дифференциальных ферридов не требует для выключения контакта подачи специального импульса в обмотки, а делается это попутно в процессе установления соединений, что упрощает процесс управления МСФ и коммутационной станцией в целом.

Библиографический список

1. Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников Вл.В. Теоретические основы железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст]: Учеб. для вузов / Под ред. В.В. Сапожникова. М.: Транспорт, 1995. 320 с.

2. Сапожников В. В., Кравцов Ю. А., Сапожников Вл. В. Теория дискретных устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи [Текст]: учеб. для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. В. В. Сапожникова, 2-е изд., перераб. и доп. М.: УМК МПС России, 2001. 312 с.

3. Сороко В.И. Реле железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст]. М.: НПФ «ПЛАНЕТА», 2002. 696 с.

4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы [Текст]: Справочник / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др.; Под ред. С.В. Якубовского. М.: Радио и связь, 1990. 496 с.: ил.

5. Общие требования к оформлению учебных текстовых и графических документов [Текст]: методические указания к оформлению курсовых проектов, расчетно-графических и курсовых работ, рефератов для студентов всех форм обучения электротехнических специальностей. В 2 ч. Часть 1 / Лариса Александровна Плешакова. Самара: СамГУПС, 2007. 56 с.: ил. 500 экз.

6. Общие требования к оформлению учебных текстовых и графических документов [Текст]: условные графические обозначения в электрических схемах для студентов всех форм обучения электротехнических специальностей. В 2 ч. Часть 2 / Лариса Александровна Плешакова. Самара: СамГУПС, 2007. 36 с.: ил. 500 экз.

Приложение А

Некоторые условные графические обозначения в электрических схемах

Размещено на Allbest.ru