Основы автоматики и автоматизации. Элементы систем автоматики

В индикаторном режиме работы обмотки возбуждения двух сельсимнов подключаются к одной сети переменного тока, а их роторные обмотки соединяются друг с другом одноименными клеммами (рис. 4.1), составляя, тем самым, трёхпроводную линию связи.

В случае равенства углов (1 = 2), роторы сельсимнов занимают одинаковое угловое положение, э.д.с., индуцируемые в роторных обмотках каждого из них (рис. 2.20), равны по величине, но направлены навстречу друг другу. Поэтому токи в линии связи будут отсутствовать (i1 = i2 = i3 = 0), и вся система будет находиться в состоянии покоя.

При повороте ротора первого сельсимна на некоторый угол, отличный от угла 2, между одноименными клеммами сельсимнов возникает разность потенциалов, под действием которой в линии связи появляются токи i1, i2, i3. Эти токи, проходя по роторным обмоткам второго сельсимна, создают в нём магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем статора, и появляющийся при этом момент вызывает поворот ротора второго сельсимна до тех пор, пока не исчезнет причина появления момента, т.е. пока токи в ЛС не станут снова равны нулю. Таким образом, поворот ротора первого сельсимна на некоторый угол обуславливает аналогичный поворот ротора и второго сельсимна (1 = 2).

При этом режиме работы первый сельсимн является сельсимном-датчиком (СД), а второй - сельсимном-приёмником (СП) и его можно считать индикатором положения ротора сельсимна-датчика. Такой режим используется только для визуальной индикации (контроля) угловых перемещений какого-либо механизма, соединённого с ротором СД, на небольшое расстояние (в пределах питающей сети), причём к одному СД можно одновременно подключить параллельно несколько СП, обмотки возбуждения которых запитаны от одной сети переменного тока. Например, индикаторный режим работы сельсимнов широко используется на морском транспорте для передачи показаний курса корабля от магнитного компаса или гирокомпаса, установленного в одном определённом месте, в штурманскую рубку и другие помещения корабля, где это необходимо.

В трансформаторном режиме работы сельсимнов используется та же трехпроводная ЛС, но статорная обмотка сельсимна-приёмника отключается от сети и используется в качестве выходной обмотки (рис. 4.2).

При такой схеме включения оба сельсимна работают аналогично трансформаторам, и по линии связи всегда протекают токи под действием э.д.с., индуцируемой в обмотке ротора СД. Эти токи создают в роторе СП магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует в его статорной обмотке выходное напряжение Uвых, но при этом его ротор должен быть неподвижен, т.е. закреплён (2 = const). На рис. 4.3 представлена статическая характеристика системы, состоящей из двух сельсимнов, работающих в трансформаторном режиме при фиксации угла , из которой видно, что при угловых перемещениях ротора СД в небольших пределах (1 = 30) наблюдается пропорциональное изменение выходного напряжения Uвых = k1, снимаемого со статорной обмотки СП, и этот участок характеристики считается рабочим для рассматриваемой системы.

Трансформаторная схема включения сельсимнов используется чаще, чем индикаторная, т.к. позволяет получать на выходе электрическую величину (напряжение), с которой удобнее производить дальнейшие преобразования и использовать её для соответствующего воздействия на различные исполнительные устройства. Примером практического применения такого режима работы может служить автоматический уровень установки поперечного профиля железнодорожного пути, как на прямых его участках, так и в кривых (см. вторую часть настоящего учебного пособия).

Следует подчеркнуть, что кроме рассмотренных схем и используемых при этом сельсимнов, находят применение и другие разновидности индукционных элементов и схем их включения, особенно в различных летательных аппаратах (в том числе, в освоении космоса), и даже в современном автомобилестроении.

В системах телеуправления при больших протяженностях ЛС одним из самых распространенных способов передачи информации считается частотный метод, при котором различные виды информации передаются переменными токами разных частот (т.е. в линии связи создаются, своего рода, частотные каналы). На приёмной стороне эти токи расфильтровываются, т.е. распределяются, по самостоятельным цепям. Это осуществляется с помощью специальных устройств - фильтров, в работе которых используется явление электрического резонанса, возникающего в цепи, состоящей из таких реактивных элементов, как катушка индуктивности и конденсатор. На приёмной стороне, особенно при больших протяженностях ЛС, чаще всего используются резонансные усилители, имеющие узкую полосу пропускания частот входного сигнала и высокий коэффициент усиления (см. рис. 3.20).

Частотный метод передачи информации нашел широкое применение в радиовещании, а затем в телевидении. К примеру, городская радиотрансляционная сеть более полувека использует частотный метод для передачи по двухпроводной линии трёх различных программ вещания. Аналогичный способ применяется в кабельном телевидении для передачи ещё большего количества программ своим потребителям.

Помимо этого, необходимо знать, что в системах телемеханики для передачи различной информации на большие расстояния на основе не только частотного, но и других методов передачи, в качестве линий связи часто используются даже высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП), т.е. существующие электрические сети.

5. Элементы автоматики для использования информации

Подобные элементы, как правило, по структуре завершают любую автоматическую систему, так как вырабатывают окончательный сигнал либо на управление объектом автоматизации, либо сообщают о состоянии этого объекта автоматизации на любой момент времени. К этой группе элементов автоматики относятся:

- измерительные устройства;

- регистрирующие устройства;

- исполнительные устройства.

Измерительные устройства - это, прежде всего, различные измерительные приборы, завершающие структурно системы автоматического контроля (САК), и представляющие результаты измерения различных технологических параметров в аналоговом или цифровом виде. Устройство подобных приборов известно из дисциплины «электротехника». Например, принцип работы аналоговых измерителей основан на взаимодействии магнитных полей неподвижной катушки с током (или постоянного магнита) и подвижной катушки, по которой протекает ток, пропорциональный измеряемому параметру.

Регистрирующие устройства предназначены для записи значений контролируемых параметров в течение какого-то определённого промежутка времени. Здесь, как правило, используются различные записывающие приборы, начиная от бумажных самописцев и кончая самыми современными способами регистрации, применяющими магнитную или лазерную технику. Подобные способы регистрации широко используется не только в производстве, но и в быту.

Исполнительные устройства, как правило, чаще всего завершают структурно системы автоматической защиты (САЗ), и, обязательно, системы автоматического управления (САУ) и регулирования (САР).

К этим устройствам относятся:

- нагревательные, вентиляционные и холодильные установки, а также различные исполнительные механизмы, в качестве которых используются, чаще всего, электромагнитные устройства (электромагниты и реле) и электродвигатели самых разных типов.

Электромагниты, как и реле, имеют релейную характеристику, т.е. у них только два значения выходного параметра: «0» или «1» (открыто или закрыто), и поэтому те и другие, в основном, устанавливаются на выходе систем автоматической защиты (САЗ). Электродвигатели, выходной величиной которых является угловая скорость (либо угловое перемещение) и механический момент на валу, позволяют с помощью управляющего входного сигнала, поступающего на них, управлять этими выходными параметрами. Поэтому они, в большинстве случаев, применяются в системах управления и регулирования (САУ и САР).

Все электродвигатели, предназначенные для преобразования электрической величины в механическую, в зависимости от питающей сети, подразделяются на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока. У каждого из них есть свои преимущества и свои ограничения в использовании. Так, двигатели постоянного тока, до последнего времени, являлись основными, используемыми в качестве тяговых двигателей на транспорте, как обладающие хорошими тяговыми и механическими характеристиками. Но у этих электрических машин в конструкции имеется существенный недостаток - наличие щеточно-коллекторного узла, а это значительно снижает надёжность работы таких двигателей. Поэтому для них необходимо постоянное и своевременное обслуживание и ремонт. В настоящее время прослеживается тенденция замены двигателей постоянного тока на асинхронные машины, совместно с современными разработками в области полупроводниковой преобразовательной техники.

Как электрические машины, все электродвигатели состоят из неподвижного статора и вращающегося ротора. Работа всех электрических машин основана на законе электромагнитной индукции (см. раздел 2.2. Генераторные датчики). Машины постоянного тока различаются по способу питания обмоток возбуждения статора (независимое, параллельное, последовательное и смешанное возбуждение), и каждый из этих способов находит своё конкретное применение. Кроме этого, частота вращения ротора двигателей постоянного тока пропорциональна величине тока якоря (ротора), а это дает возможность управления частотой вращения двигателя в широких пределах и, кроме этого, позволяет получать достаточно высокие скорости вращения, особенно в тех случаях, где это необходимо.

Асинхронные двигатели (АД), являющиеся двигателями переменного тока, такой способностью не обладают, но в их конструкции отсутствует щеточно-коллекторный узел и поэтому надежность их работы значительно выше. Принцип действия АД основан не только на законе электромагнитной индукции, но и на вращающемся магнитном поле, создаваемом обмотками статора. В трёхфазных АД, используемых в качестве силовых и тяговых двигателей, вращающееся магнитное поле создаётся благодаря двум факторам. Во-первых, - это сам трёхфазный ток, который является совокупностью трёх однофазных токов, смещенных относительно друг друга на одну треть периода, а во-вторых, статорные обмотки асинхронного двигателя располагаются на магнитопроводе статора относительно друг друга также под определённым, постоянным углом.

Частота вращения магнитного поля статора определяется соотношением n1=60f/p, где f - частота питающей сети, а р - число пар полюсов создаваемого обмотками статора магнитного поля, т.е. это целое число, равное - 1, 2, 3,.... Поэтому максимальная частота вращения магнитного поля при р = 1 и частоте питающей сети f = 50 Гц составляет только 3000 об/мин., а это в некоторых случаях ограничивает область применения асинхронных двигателей. Частота вращения ротора несколько ниже и определяется выражением n=n1(1 - s), где s - параметр скольжения двигателя, который зависит от величины момента на валу АД, и в номинальном режиме составляет s = 0,02 - 0,08.

В некоторых системах автоматики, особенно, таких как САК (см. вторую часть настоящего учебного пособия), широко используются маломощные АД, выполняющие необходимые вспомогательные операции в этих системах (например, перемещение движка реохорда в измерительной схеме). Причём, электропитание такие системы получают, как правило, от однофазной сети переменного тока. В однофазных асинхронных двигателях применяют искусственный способ получения вращающегося магнитного, который заключается в том, что на статоре такого двигателя размещаются две обмотки, расположенные под прямым углом относительно друг друга и одна из них подключается к питающей сети переменного тока через фазо-сдвигающий конденсатор. Поэтому ток в обмотке (рис. 5.1) опережает приложенное к ней напряжение на 90° и создаваемое статорными обмотками поле, таким образом, становится тоже вращающимся. Как правило, эта обмотка считается обмоткой возбуждения, а вторая - обмоткой управления.

Если на обмотку управления поступает напряжение Uy, пропорциональное управляющему сигналу, то зависимость скорости вращения ротора двигателя от этого напряжения, при небольших его изменениях, становится линейной, а направление вращения ротора определяется фазой напряжения управления. В этом случае асинхронный двигатель работает в режиме управляемого привода, используемого в балансных измерительных системах, т.е. позволяет, регулировать частоту вращения двигателя.

Рис. 5.1. Работа асинхронного двигателя в режиме управляемого привода

Кроме рассмотренного режима в устройствах автоматики используется и режим стабилизированного привода, при котором обе обмотки двигателя подключаются к одному источнику питания (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Работа асинхронного двигателя в режиме стабилизированного привода

В этом режиме частота вращения ротора остаётся постоянной в широком диапазоне изменения напряжения питающей сети, что определяется постоянством частоты вращения магнитного поля статора. Такой режим применяется в различных регистрирующих устройствах, где необходима постоянная скорость движения используемых носителей информации (более подробно см. методические указания к выполнению лабораторных работ).

Практическое применение асинхронных двигателей и других исполнительных элементов представлено во второй части настоящего учебного пособия, посвященного рассмотрению устройства автоматических систем и их работы.

Размещено на Allbest.ru