КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
1.11. Реле 54 Реле – это элемент автоматики, в котором при достижении входной величины определенного значения происходит скачкообразное изменение выходной величины. Статическая характеристика реле имеет ярко выраженный нелинейный характер и в большинстве случаев обладает гистерезисностью. Релейные элементы предназначены для автоматического включения и переключения электрических цепей под действием входного сигнала небольшой мощности и используются для самых различных целей: для выявления предельных значений входной величины; для усиления сигнала; для изменения времени действия сигнала; для переключения сигнала по различным каналам; для одновременного управления несколькими объектами. Причем это многообразие их применения позволяет отнести реле почти к каждой группе элементов автоматики, рассмотренных в первом модуле данного лекционного материала. В зависимости от вида входной и выходной величин реле, как и другие элементы автоматики, можно разделить на: механические (гидравлические и пневматические); электрические (электромеханические и бесконтактные). В различных автоматических устройствах наибольшее применение получили именно электрические реле, и в первую очередь, конечно, электромеханические, по устройству и принципу действия которых их (аналогично с электроизмерительными приборами) можно подразделить на: электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные. На рисунке 1.55а показано устройство нейтрального электромагнитного реле, как самого распространенного до настоящего времени, и появление которого было связано с изобретением в 1832 году П. Л. Шиллингом электромагнитного телеграфа. Поэтому это реле можно считать не только самым первым электрическим элементом автоматики вообще, а и настоящим долгожителем в его практическом использовании. На рисунке 55 1.55б представлено наиболее часто используемое изображение этого реле на принципиальных электрических схемах. Рисунок 1.55. Нейтральное электромагнитное реле: а – устройство; б – изображение реле на принципиальных электрических схемах Входной величиной такого реле является ток, проходящий по его обмотке 1 под действием приложенного к ней напряжения, который создаёт в этой обмотке магнитное поле. Сердечник 2, находящийся внутри этой катушки, вместе с ярмом 3 и подвижным якорем 4 образуют магнитную цепь (магнитопровод), по которой проходит созданный током магнитный поток. При этом якорь притягивается к сердечнику и при своём движении воздействует на контактную группу 5, производя замыкание верхних, нормально разомкнутых (фронтовых) контактов, и размыкание нижних, нормально замкнутых (тыловых) контактов. Выходной величиной рассмотренного реле необходимо считать ток, коммутируемый этими контактами в другой (вторичной) цепи, а величина этого тока зависит от того, что в этой цепи включено. Статической характеристикой реле, таким образом, является зависимость тока в цепи контактов (например, фронтовых) от величины тока, проходящего по его обмотке (рис. 1.56). Рисунок 1.56. Релейная статическая характеристика 56 Как видно из характеристики, она обладает гистерезисностью, то есть срабатывание реле происходит при одном значении тока в катушке, а отпускание – при другом. Величины токов срабатывания и отпускания (Iсраб и Iотп соответственно) являются электрическими параметрами реле, а различное их значение объясняется разной величиной магнитного сопротивления магнитопровода при отпавшем и при притянутом положении якоря реле. Поэтому для уменьшения этой разницы между сердечником и якорем часто размещают немагнитную прокладку 6, а для возвращения якоря реле в исходное положение при отсутствии тока в катушке, реле оснащается специальной возвратной пружиной. На большинстве электромагнитных реле устанавливается не одна, а несколько контактных групп, позволяя, тем самым, осуществлять управление разными электрическими цепями одновременно. Следует подчеркнуть, что для четкого и надежного срабатывания реле на его обмотку необходимо подавать напряжение, при котором ток в ней превышал бы ток срабатывания в 2…2,5 раза. Величина этого напряжения, называемого рабочим, и тока срабатывания реле, как правило, указывается в паспортных данных на каждый тип реле. Изображенное на рисунке 1.55а электромагнитное реле называется нейтральным, т. к. его срабатывание не зависит от полярности подключенного к катушке напряжения и, следовательно, направления тока в ней. Для определения направления тока (полярности входного сигнала), проходящего по обмотке, применяют специальное поляризованное реле, в конструкции которого дополнительно используется постоянный магнит (рис. 1.57). При поступлении сигнала на обмотку такого реле происходит сравнение магнитного потока катушки, изображенного на рисунке, и магнитного потока постоянного магнита. Где эти потоки совпадают по направлению, якорь реле перемещается в эту сторону, и замыкается соответствующая контактная группа. Подобные поляризованные реле обладают очень высокой чувствительностью, но существенным недостатком их является малая электрическая мощность, коммутируемая их контактами. Поэтому чаще всего сигналы с них используют для последующего управления более мощными электромагнитными реле, или вместо поляризованного реле применяют специальную схему включения двух нейтральных электромагнитных реле требуемой мощности с выпрямительными диодами. 57 Рисунок 1.57. Поляризованное электромагнитное реле Электромагнитные реле получили наиболее широкое применение в автоматических устройствах для самых различных целей, как в промышленности, так и в быту, благодаря своей универсальности использования. Они могут работать в качестве датчиков для контроля параметров электрических сетей, использоваться как усилители в различных коммутационных и распределительных аппаратах и быть исполнительными устройствами в системах сигнализации и защиты. К недостаткам электромагнитных реле следует отнести их инерционность, обусловленную временны́ми параметрами, и невысокую надёжность из–за наличия контактных групп и их преждевременного износа. Кроме этого, при коммутации контактов реле (по аналогии с контактными датчиками) создаётся высокий уровень электромагнитных помех. Наличие временны́х параметров у электромагнитных реле обусловлено, главным образом, индуктивностью обмотки реле, в которой при подключении и отключении напряжения (при увеличении и уменьшении тока) возникает ЭДС самоиндукции, которая направлена всегда навстречу изменению тока, проходящего по этой обмотке. На рисунке 1.58 представлена эквивалентная схема катушки реле, где R – ее активное сопротивление, зависящее от длины и сечения провода, которым эта обмотка выполнена, а L – индуктивность, обусловленная количеством витков катушки и наличием магнитопровода в конструкции реле. 58 Рисунок 1.58. Эквивалентная схема катушки реле При подаче напряжения на вход такой цепи ключом В, по ней проходит ток i, который вызывает падение напряжения на активной составляющей этой цепи iR, а на индуктивности, согласно закону электромагнитной индукции, возникает ЭДС самоиндукции: По второму закону Кирхгофа можно записать уравнение равновесия электрической цепи: U = iR – e L = iR + L(∆i/∆t) и получить дифференциальное уравнение первого порядка, решая которое относительно тока получить следующее выражение: В этом выражении 1 – постоянная времени обмотки реле при отпавшем якоре, зависящая от величины индуктивности катушки L 1 при исходном положении якоря и активного сопротивления обмотки: 59 При размыкании ключа В – ЭДС самоиндукции направлена на поддержание тока в катушке и его зависимость от времени определяется выражением: где 2 = L 2 /R – постоянная времени катушки при притянутом якоре, при этом L 2 > L 1 Рисунок 1.59. Временные характеристики электромагнитного реле На рисунке 1.59 показана временна́я зависимость тока в обмотке реле при включении (t = 0) и выключении (t = t1) ключа В, из которой видно, что срабатывание реле происходит только при достижении тока в обмотке значения Iсраб, определяемое промежутком времени tсраб, а отпускание реле – через интервал tотп, когда ток в обмотке уменьшится до значения Iотп. Эти величины (tсраб и tотп) и являются временны́ми параметрами реле, по которым электромагнитные реле подразделяются на: быстродействующие; нормальнодействующие; медленнодействующие. Кроме перечисленных видов реле, находят применение и так называемые реле времени, параметры срабатывания и отпускания которых могут регулироваться в широких пределах. 60 Следует заметить, что временны́е параметры электромагнитных реле широко использовались при создании первых логических схем для построения алгоритмов управления различными устройствами и механизмами, обеспечивая их работу в определённой последовательности. При этом необходимо было иметь возможность изменять и время срабатывания и время отпускания имеющихся в наличии типов электромагнитных реле. Путём подключения к обмоткам реле активных и реактивных элементов (например, конденсаторов), а также их различных комбинаций, можно в определённых пределах управлять временны́ми параметрами. В большинстве случаев обмотки мощных реле, работающие на постоянном токе, а обмотки электромагнитов тем более, шунтируются полупроводниковыми диодами во встречном, по отношению к питающему току, включении (рис. 1.60). Рисунок 1.60. Шунтирование обмотки электромагнита полупроводниковым диодом Это позволяет исключать повреждения и преждевременный выход из строя (за счёт возникающей достаточно мощной электрической дуги) выключателей и других коммутационных изделий, с помощью которых производится подключение и особенно отключение обмоток этих электромагнитов и реле от источников питания. В этом случае диод, подключенный к обмотке, составляет вместе с ней контур, по которому и проходит довольно значительный по величине ток I L , возникающий за счёт ЭДС самоиндукции, наводимой в катушке электромагнита или реле при их выключении. Для исключения основного недостатка электромагнитных реле – наличия контактных групп, были разработаны схемы и конструкции бесконтактных реле. В первую очередь, на базе магнитных усилителей созданы, так называемые, БМР – бесконтактные магнитные реле, представляющие собой магнитные усилители с глубокой положительной обратной связью. Работу таких БМР можно пояснить графически по получаемой при этом характеристике, где за счёт глубокой положительной обратной связи наклон статической характеристики магнитного усилителя (её правой полуветви) удается изменить настолько что одной величине входного параметра (тока управления) соответствуют два значения тока в нагрузке (рис. 1.61). Поэтому ток нагрузки изменяется 61 скачком от своего минимального значения до максимального при достижении током управления величины Iy 1 , и уменьшается от максимума до минимума при достижении током управления значения Iy 2 . Тем самым статическая характеристика магнитного усилителя становится релейной. Рисунок 1.61. Релейная статистическая характеристика магнитного усилителя В системах автоматики бесконтактные магнитные реле самых различных схем и модификаций получили очень широкое применение. Это однотактные и двухтактные, однообмоточные и многообмоточные БМР, имеющие несколько рабочих обмоток. Но основным практическим применением БМР было их использование в схемах ЭВМ второго поколения. При этом в качестве сердечников таких реле стали применяться новые материалы, такие как ферриты, представляющие собой металлокерамику с очень высоким значением µ, с прямоугольной петлёй гистерезиса и имеющие очень незначительные габариты и вес. В дальнейших разработках компьютеров, как и во многих других цифровых устройствах, на смену ферриттранзисторным ячейкам пришли электронные бесконтактные реле на базе микроэлектроники. Основой этих реле является триггер – устройство, представляющее собой двухкаскадный усилитель на транзисторах с глубокой взаимной положительной обратной связью между каскадами (рис. 1.62). 62 Рисунок 1.62. Двухкаскадный усилитель на транзисторах с глубокой взаимной положительной обратной связью При подключении источника питания к такому триггеру, происходит мгновенное открывание одного из транзисторов, а за счёт положительной обратной связи аналогичное запирание другого транзистора. В этой схеме оба транзистора работают в так называемом ключевом режиме, когда каждый из них либо полностью открыт (по нему проходит максимально допустимый ток), либо закрыт (ток через него отсутствует). Для того чтобы перевести схему в обратное состояние, т. е. закрыть первый и открыть второй транзисторы, достаточно подать на вход схемы короткий электрический импульс соответствующей полярности, и оба транзистора будут находиться уже в этом состоянии до прихода на вход триггера следующего импульса. Таким образом, рассмотренный триггер имеет два устойчивых состояния, как и любое реле. Подобные схемы, особенно при использовании высокочастотных транзисторов, обеспечивают значительно большее быстродействие по сравнению с другими релейными элементами. Именно поэтому на них строятся современные интегральные микросхемы и процессоры, широко применяемые в различных цифровых устройствах и компьютерах. Однако, в системах управления электроприводами, особенно силовыми, до настоящего времени в основном используются именно электромагнитные устройства и реле, позволяющие коммутировать достаточно мощные электрические цепи. Особое место среди контактных устройств занимают герконы (герметизированные контакты) на основе которых строятся, так называемые, магнитоуправляемые реле (рис. 1.63). Герметизация контактов позволяет значительно повысить надежность их работы, т. к. это защищает контакты от вредного воздействия внешней среды. 63 Рисунок 1.63. Устройство геркона и магнитоуправляемого реле Контакты геркона 2 выполняются из ферромагнитного материала (пермаллоя), и они, таким образом, являются одновременно и магнитопроводом. Концы контактов 3 покрыты тонким слоем (2…10 мкм) хорошо проводящего металла (серебра, золота, родия), и всё это находится в стеклянном миниатюрном баллончике 1, оснащенном токоотводами 4, внутри которого создан вакуум (в некоторых герконах дополнительно используется газовое наполнение). Внешнее магнитное поле создается либо катушкой 5, внутри которой находится геркон (именно так устроены магнитоуправляемые реле), либо с помощью постоянного магнита, который может располагаться рядом с герконом. Под действием его магнитного поля контакты геркона замыкаются, обеспечивая тем самым прохождение через них магнитных силовых линий и, соответственно, электрического тока в цепи самих контактов. Выпускаются герконы и с переключающими контактами. Современные магнитоуправляемые реле оснащаются одновременно несколькими герметизированными контактными группами, и подобные реле и герконы особенно широко применяются в системах автоматической защиты. Быстродействие герконов и магнитоуправляемых реле значительно выше других электромагнитных устройств за счёт отсутствия подвижного якоря и благодаря ничтожно малой массе самих контактов. 1.12. Распределители Распределитель – это коммутационное устройство, предназначенное для последовательного переключения во времени разных электрических цепей. Они предназначены для автоматического подключения к одному блоку управления нескольких управляемых объектов, которые должны включаться в определенной последовательности. Наиболее распространенными являются электромагнитные, релейные и электронные распределители. Электромагнитные распределители, часто называемые шаговыми искателями, были самыми первыми устройствами автоматики, которые нашли применение на первых АТС (автоматических телефонных станциях). 64 Рисунок 1.64. Устройство электромагнитного распределителя Принцип их работы (рис. 1.64) аналогичен электромагнитному реле, но здесь электромагнитный привод от катушки с сердечником 1 через якорь 2 и толкатель 3 передается храповому колесу 4, управляющему подвижной щеткой 5. При этом щетка 5, выполняющая функции переключающего контакта, входит в поочередное соединение с рядом неподвижных контактов, расположенных на пути движения этой щетки. Количество неподвижных контактов 6 определяется числом управляемых объектов, а также конкретным типом используемого искателя. Стопорная пружина 7 исключает возможность обратного поворота храпового колеса и обеспечивает движение щетки только в одном направлении. Входным сигналом такого шагового искателя является электрический импульс постоянного тока, поступающий в катушку, а количество этих импульсов определяет номер того неподвижного контакта, который в данный момент необходим. Быстродействие подобных искателей довольно высокое и составляет до 60 шагов в секунду. Релейные распределители строятся либо на поляризованных, либо на бесконтактных реле и представляют собой различные по содержанию логические устройства, с помощью которых составляются соответствующие алгоритмы управления несколькими объектами. Электронными распределителями, в первую очередь, считаются электронно– лучевые, в которых осуществляется управление с помощью магнитного или электрического поля направленным движением потока электронов в вакууме. Такой распределитель представляет собой электронно–лучевую трубку, в которой вместо экрана используется контактное поле, состоящее из большого числа неподвижных контактов, а переключающим элементом является сам электронный луч (поток электронов). Управление этим лучом позволяет осуществлять соединение различных цепей, в отличие от шаговых искателей, в произвольной последовательности, необходимой в каждом конкретном случае. 65 Подобный метод распределения используется и в персональном компьютере, в котором оператор с помощью «мыши» воздействует на курсор экрана монитора или соответствующую клавишу панели управления на мониторе, производя необходимые ему переключения или действия. Кроме этого, к электронным распределителям относятся также отдельные микросхемы, построенные на базе рассмотренных выше триггеров, работающие в различных узлах современных компьютеров. |