Игумнов Н. П. Типовые элементы и устройства систем автоматического управления (стр. 2 из 33)
Элементы и системы управления, например датчики первичной информации и системы автоматического контроля технологических параметров, осуществляют качественное преобразование сигналов. Электронные, полупроводниковые, магнитные и другие усилители и автоматические регулирующие устройства, осуществляющие количественное преобразование сигналов, имеют на входе и выходе различные значения одной и той же величины.
Системы и элементы управления выполняют такие задачи, как контроль, сигнализация, блокировка, защита и автоматическое управление.
Устройства автоматического контроля определяют годность продукции и правильность протекания технологического процесса, обеспечение надежной и безаварийной работы оборудования и др.
Устройства сигнализации преобразуют сигналы, применяемые в системах автоматики, в сигналы воспринимаемые человеком. Такими сигналами - раздражителями обычно являются показания сигнальных ламп, звуковые сигналы (гудок, звонок, сирена т.д.).
Устройства блокировки и защиты предотвращают неправильный порядок работы средств автоматического управления или технологического процесса и обеспечивают отключение соответствующего оборудования при ненормальных режимах.
Системы управления функционируют по команде обслуживающего персонала по заданной программе или автоматически в зависимости от значения каких-либо параметров, определяющих желаемый ход процесса в объекте управления.
Современная теория элементов автоматики стремится к наиболее полному раскрытию физической и математической сущности элементов. Одновременно с разработкой физики элементов автоматики рассматриваются и развиваются их классификация, методы расчета и конструирования.
Раздел 1 Элементы релейно-контакторного управления и защиты
Глава 1. Релейно-контакторные элементы систем автоматического управления
К релейным элементам автоматики (реле) относятся устройства, преобразующие плавное изменение входной величины в скачкообразное изменение выходной. Реле широко применяют в системах автоматики в качестве элементов управления и защиты, дискретных датчиков, размножителей сигналов при автоматическом управлении и регулировании различных технологических процессов.
Реле классифицируют по виду физических величин поступающих на вход реле, - электрические и неэлектрические; по назначению – реле управления, защиты, сигнализации, связи и т.д.; по принципу воздействия на выходную цепь – контактные и бесконтактные; по роду величины, на которую реагирует реле, - реле тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления и т.д.; по исполнению – открытые, с защитным чехлом, пылебрызгозащищенные и герметические.
Из электрических реле в современных дискретных системах автоматики широко используют электромеханические реле, являющиеся контактными устройствами, магнитные, электронные (ламповые) и полупроводниковые реле, являющиеся бесконтактными устройствами.
В контактных реле скачкообразное изменение выходной величины достигается замыканием или размыканием выходной цепи; в бесконтактных реле – путем резкого изменения параметров выходной цепи (R, L, C).
Основная характеристика реле – статическая (характеристика управления), выражающая зависимость выходной величины хвых от входной хвх. Для статических характеристик большинства реле характерным является наличие гистерезисной релейной петли, объясняющейся неоднозначностью характеристик при увеличении и уменьшении входного сигнала.
Основные виды статических характеристик реле приведены на рисунке 1.1. Пусть входной сигнал хвх изменяется во времени непрерывно (т.е. может принимать любые значения) от нуля до некоторого значения, а затем также непрерывно уменьшаться, как показано на рисунке 1.1, а. Сначала при малых значениях хвх выходной сигнал хвых равен нулю. Но когда входной сигнал увеличится до некоторого значения хвх. ср., выходной сигнал скачком примет значение хвых. ср, рисунок 1.1, б. При уменьшении сигнала хвх. Значение выходного сигнала не изменяется, но при уменьшении его до значения хвых. отп. Выходной сигнал скачком уменьшается до нуля. При дальнейшем уменьшении входного сигнала нулевое значение выходного сигнала сохраняется. Зависимость выходного сигнала показана на рисунке 1.1, в.
Рисунок 1.1 – Характеристики реле
Значение входного сигнала хвх. ср., при котором выходной сигнал изменяется от 0 до хвых. ср., называется сигналом срабатывания. Значение входного сигнала хвх. отп., при котором выходной сигнал скачком изменяется от хвых. ср. до 0, называется сигналом отпускания. Как правило, сигнал срабатывания больше сигнала отпускания (хвх. ср > хвх. отп.). Поэтому изменение хвых при увеличении хвх. Происходит по одному графику, а при уменьшении хвх – по другому, рисунок 1.1, в. В этом случае можно сказать, что характеристика реле имеет петлю гистерезиса. В ряде случаев, когда значения сигналов срабатывания и отпускания близки, гистерезисом можно пренебречь. В этом случае зависимость хвых = f(хвх) показана на рисунке 1.1, г. Теперь рассмотрим изменение выходного сигнала при изменении полярности входного сигнала. Если полярность выходного сигнала не влияет на полярность выходного сигнала, то при хвх = - хвх.ср. выходной сигнал скачком изменяется от нуля до хвых. ср., рисунок 1.1, д. Такую характеристику имеют нейтральные реле. Если полярность выходного сигнала влияет на полярность выходного сигнала, то при хвх = - хвх.ср выходной сигнал скачком изменяется от нуля до - хвх.ср, рисунок 1.1, е. Такую характеристику и подобные ей имеют поляризованные реле.
По принципу действия различают электромеханические реле, электронные, полупроводниковые и фотоэлектрические и др.
Реле применяют в схемах автоматического управления, сигнализации, защиты и блокировки.
Основные параметры электромагнитных реле. К основным параметрам электромагнитных реле относятся:
Ток срабатывания Iср, - это такое значение тока в катушке реле, при протекании, которого по обмотке реле происходит срабатывание реле и переключение контактов.
Рабочий ток Iр, - это такое значение тока в катушке реле, при котором обеспечивается надежное удержание контактов в переключенном состоянии.
Ток отпускания Iотп, - это такое значение тока в катушке реле, при котором магнитный поток недостаточен для удержания якоря и контакты возвращаются в исходное состояние.
Время срабатывания tср – интервал времени с момента подачи управляющего сигнала до начала воздействия устройства на управляемую цепь (переключения контактов).
Время отпускания tотп – интервал времени с момента снятия управляющего сигнала до начала снятия воздействия на управляющую цепь.
По мощности управления (электрической мощности, потребляемой обмоткой) реле разделяют на маломощные (Рк доп < 1 Вт), средней мощности (Рк доп = 1 ÷ 10 Вт) и мощные (Рк доп > 1 Вт). Мощность управления определяется напряжением питания реле и током срабатывания.
По времени срабатывания электромагнитные реле подразделяются: tcр < 0,001 с – безынерционные; tcр < 0,05 с быстродействующие; tcр < 0,05…0,25 с нормальные; tcр < 0,25…1,0 с – замедленного действия; tcр > 1,0 – реле времени.
При выборе типа реле принимают во внимание все указанные характеристики и параметры, отдавая предпочтение тем, которые в наибольшей степени удовлетворяют требованиям разрабатываемого устройства и условиям его эксплуатации.
1.2 Электромагнитные реле постоянного тока
Электромагнитные реле являются наиболее распространенными из группы электромеханических реле и получили широкое применение в системах автоматического управления. Реле подразделяются на нейтральные и поляризованные. Нейтральное реле одинаково реагирует на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке, т.е. положение якоря не зависит от направления тока в обмотке реле. Поляризованные реле реагируют на полярность сигнала.
Электромагнитные реле, рисунок 1.2 по конструкции подвижной части подразделяются на реле с поворотным якорем и реле с втягивающимся якорем.
Рисунок 1.2 Конструкции электромагнитных реле
Реле с поворотным якорем, рисунок 1.2, а представляет собой электромагнитный механизм и ряд контактных групп, закрепленных на общем основании 1. Магнитопровод электромагнитного механизма состоит из ярма 11, сердечника 8 и поворотного якоря 6. На сердечнике находится каркас 9 с одной или несколькими обмотками 10. При протекании через обмотки тока якорь притягивается к сердечнику, который, поворачиваясь, через штифт 3 из токонепроводящего материала замыкает контакты 4 и 5. Контакты закрепляются на контактных плоских пружинах 2. Чтобы исключить залипание якоря при обесточивании обмоток из-за наличия остаточного намагничивания, на якоре имеется пластинка 7 из немагнитного материала, обеспечивающая при срабатывании реле зазор σ0 = 0,1 мм между сердечником и якорем. Поворот якоря в исходное положение при обесточивании обмоток происходит в некоторых реле под действием несбалансированной массы якоря, в других реле – под действием контактных пружин или под действием специально предусмотренных для целей возвратных пружин (на рисунке 1.3 не показаны).