Билет 17

Предлагаемая классификация основана на пяти признаках: назначение систем обратной связи, харак­тер физической величины преобразования информации о параметрах технологического процесса в электрическую величину, характер изменения физической величины, характер воспроизведения изменения параметров технологического процесса и способ формирования выходного сигнала.

По характеру физической величины преобразования параметров технологического процесса в электрическую ве­личину системы обратной связи могут быть квалифицированы по типам датчиков первичной информации на электромехани­ческие, электромагнитные и фотоэлектрические.

Электромеханические датчики основаны на измене­нии активного сопротивления в функции положения исполни­тельных устройств. Ввиду присущих этим датчикам недостат­ков (износ контактов, возникновение электрической дуги при коммутации, относительно большие моменты на валу и т.п.) в информационных системах электроприводов эти датчики применяются относительно редко.

В электромагнитных датчиках измерительная ин­формация формируется посредством изменения его магнит­ных характеристик и, как следствие этого, электрических параметров (индуктивных сопротивлений обмоток, ЭДС). Дат­чики этого типа нашли достаточно широкое распространение в системах обратной связи электроприводов металлорежущих станков. Объясняется это целым рядом факторов и в первую очередь высокой надежностью и помехозащищенностью элек­тромагнитных датчиков, фазовой, в большинстве случаев, формой представления выходного сигнала, относительной де­шевизной. К датчикам этого типа относятся не только широко известные датчики типа вращающий трансформатор, редуктосин, сельсин, индуктосин, но и различные их разновидно­сти.

Фотоэлектрические датчики, принцип действия ко­торых основан на изменении электрических параметров фотоприемника (сопротивление, ток, проводимость) в зависимо­сти от величины светового потока, который, в свою очередь является функцией положения исполнительных органов стан­ка, обладают высокой чувствительностью, относительно ма­лыми габаритами и наряду с электромагнитными датчиками нашли широкое применение в информационных системах электроприводов. Конструкции электромагнитных и фото­электрических датчиков будут рассмотрены далее.

Сопоставляя электромагнитные и фотоэлектрические датчики, и в первую очередь датчики положения, необходимо отметить следующее.

Технология изготовления фотоэлектрических датчи­ков и в первую очередь модуляторов светового потока значи­тельно сложнее, чем электромагнитных.

Объясняется это следующими обстоятельствами. При изготовлении дисков и линеек фотоэлектрических датчиков применяют оптическое стекло с высокими требованиями к качеству его поверхности. Механическая обработка оптиче­ского стекла значительно сложнее, чем механическая обра­ботка металла, из которого выполнены электромагнитные датчики. Кроме того, частота нанесения штрихов модулятора фотоэлектрических датчиков — от 50 до 1000 штрихов на 1 мм в зависимости от типа модулятора, затрудняет возможность применения наиболее точного и простого способа контактной печати с эталонного негатива, как это имеет место, например, при изготовлении индуктосина. С точки зрения надежности электромагнитные датчи­ки обладают рядом преимуществ перед фотоэлектрическими из-за большей механической прочности и малой вероятности шунтирования (для индуктосинов) соседних проводников пе­чатных обмоток, расстояние между которыми составляет еди­ницы миллиметров по сравнению с вероятностью загрязнения штрихов, расстояние между которыми составляет единицы -десятки микрометра.

С целью повышения технологичности изготовления и надежности фотоэлектрические датчики, как правило, вы­полняют с числом штрихов, существенно меньшим, чем это возможно в соответствии с оптическими характеристиками модулятора. Так, например, в широко распространенных в станкостроении круговых фотоэлектрических датчиках ВЕ-51 и BE-178 число штрихов на оборот составляет 1000-250.

Как правило, фотоэлектрические датчики представ­ляют собой и более сложную конструкцию, чем электромаг­нитные. Объясняется это тем, что в фотоэлектрических датчи­ках более сложная система считывания, требующая, как пра­вило, специальной оптической аппаратуры, применяются до­полнительные решетки для обеспечения интегрального эф­фекта, более жесткие требования к узлам, обеспечивающим пространственное положение модулятора. В электромагнит­ных датчиках за счет усреднения положения нулевых точек при переходе от цикла к циклу эти требования существенно ниже. Вместе с тем в электромагнитных датчиках значитель­ное усложнение конструкции происходит за счет необходимо­сти осуществления токосъема с подвижных элементов датчика (например, у вращающегося трансформатора), а также за счет наличия фазорасщепителя, питающего его обмотки.

С точки зрения экономичности следует отметить, что более сложная в большинстве случаев конструкция, примене­ние прецизионных делительных машин для изготовления мо­дуляторов фотоэлектрических датчиков, большая сложность их юстировки предопределяют и большую стоимость фото­электрических датчиков по сравнению с электромагнитными.

Вместе с тем фотоэлектрические датчики положения имеют и ряд решающих преимуществ перед электромагнит­ными, которые и обусловили их широкое распространение в настоящее время в станкостроении. В первую очередь это су­щественно меньшая (в десятки и сотни раз) цена импульса и более высокая точность за счет импульсной формы представ­ления информации, а не аналоговой, характерной для элект­ромагнитных датчиков и являющейся источником существен­ных погрешностей при реализации в системах обратной связи электроприводов динамических систем, которыми являются металлорежущие станки.

Кроме широко известных электромагнитных и фото­электрических датчиков положения, ведутся и разработки других типов датчиков информационных систем электропри­водов — электростатических, ионизационных и т.п., а также датчиков принципиально новых типов, например, датчиков угла протонно — прецизионного типа, обеспечивающего по­грешность измерения угла 0,5″ и реализующих принцип квантовой магнитометрии. Однако в реальных системах уп­равления электроприводами эти датчики в настоящее время широкого распространения не получили.

По характеру изменения физической величины систе­мы обратной связи могут быть классифицированы на абсолют­ные и циклические.

В абсолютных системах применяются датчики бесшкальные (реохордного типа и др.) и шкальные (потенциометрические и др.), у которых, как правило, функция преоб­разования линейна и монотонна. Их характерной особенно­стью является то, что каждому значению контролируемого параметра соответствует единственное значение выходной величины Uвых..

Типичным представителем абсолютного датчика яв­ляется реостатный датчик, в котором в зависимости от пере­мещения исполнительного органа меняется и пространствен­ное положение жестко связанного с ним движка реохорда, а значит и значение выходной величины.

Вследствие линейности функции преобразования аб­солютных датчиков кратковременная потеря информации не приводит к возникновению накопленной погрешности, что является их несомненным достоинством. Характерной особен­ностью абсолютных датчиков является также непостоянство их относительной чувствительности Sу, определяемой как отношение чувствительности к абсолютной величине переме­щения

.

Очевидно, что с увеличением величины перемещения относительная чувствительность падает, а значит и меняется мультипликативная погрешность абсолютной системы.

Чтобы увеличить помехозащищенность абсолютных систем, необходимо увеличить уровень выходного сигнала, т. е. крутизну его характеристики. Однако увеличение крутизны характеристики влечет за собой при том же изменении изме­ряемых перемещений увеличение диапазона работы элект­ронных измерительных схем, причем максимальное значение выходного сигнала может превышать его минимальное значе­ние на несколько порядков. Построение электронных измери­тельных схем, работающих в таком широком диапазоне, вы­зывает значительные затруднения.

Погрешность абсолютных систем во многом определя­ется линейностью их характеристики, обеспечить которую, особенно при больших величинах контролируемых перемеще­ний, не всегда представляется возможным. Это приводит к тому, что в этих системах применяют корректирующие уст­ройства того или иного типа, вводящих поправку в выходной сигнал датчика, что усложняет его конструкцию.

Кроме того, все более широкое применение цифровых систем управления требует формирования сигнала в устрой­ствах обратной связи в импульсной форме. Квантование ли­нейного сигнала сопряжено со значительными трудностями. Все это в значительной степени ограничивает приме­няемость абсолютных систем обратной связи в информацион­но-измерительных системах автоматизированных электро­приводов.

В широко распространенных в станкостроении циклических системах управления применяются датчики, выходной сигнал которых периодически изменяется в функции контро­лируемого перемещения. Принцип действия циклического датчика поясняет рис. 1.3.

При взаимном перемещении линейки 1 и съемника 2 (рис. 1.3, а) периодически меняется суммарный зазор между линейкой и съемником, а значит и магнитное сопротивление, и с выходной обмотки снимается периодический (например, синусоидальный) сигнал, обеспечивая при этом многократно повторяющееся периодическое изменение физической вели­чины. При этом интервал между соседними значениями реперных точек соответствует периоду изменения физического параметра, в частности шагу линейки L. Характерной особен­ностью циклических систем является непостоянство чувстви­тельности, меняющейся от нуля в точках экстремума до мак­симального значения в точках перегиба характеристики. Вме­сте с тем эти системы позволяют обеспечить формирование импульсного сигнала наиболее простым и надежным путем, что и обусловило их широкое распространение в системах обратной связи автоматизированных электроприводов метал­лорежущих станков. Осуществляется это следующим образом (рис. 1.3,6). Выходной сигнал циклического датчика поступает на формирователь, включающий в себя усилитель-ограничи­тель и преобразующий сигнал датчика в импульсы прямо-

Рис. 1.3. Принцип действия циклического датчика.

угольной формы. По переднему и заднему фронту этих им­пульсов и формируют импульсную последовательность.

Основой циклических датчиков является точно изго­товленная линейка. Погрешность нанесения шага линейки L вызывает погрешность периода выходного сигнала, а значит и погрешность измерения перемещения.

По характеру воспроизведения изменения парамет­ров технологического процесса системы обратной связи элек­троприводов подразделяются на дискретные и аналоговые.

Дискретные системы представляют непрерывное пе­ремещение исполнительных устройств либо посредством сче­та делений измерительной шкалы датчика, либо по принципу чтения этой шкалы. В первом случае при этом формируется импульсивная последовательность, во втором- кодовая инфор­мация.

Квантование шкалы дискретных датчиков обеспечи­вают изменением физических признаков, связанных с опти­ческими, магнитными и другими свойствами (чередование прозрачных и непрозрачных участков, впадин и выступов и т.п.).

В аналоговых системах обратной связи применяются датчики, например, положения (вращающийся трансформа­тор, сельсин), в которых перемещения исполнительных уст­ройств представляются в виде электрического аналога: уровня напряжения, частоты, фазы.

При анализе применяемости дискретных или аналого­вых систем обратной связи следует иметь в виду, что источни­ком составления программы является дискретная (числовая) форма информации, а источником информации о результатах управления параметрами технологического процесса — инфор­мация непрерывная. В этой связи при использовании дискрет­ных систем обратной связи непрерывная информация непос­редственно представляется в дискретной форме, при исполь­зовании аналоговых систем необходимо согласование анало­говой информации с исходной дискретной информацией (чис­ловой программой). Это осуществляется или непосредственно в блоке управления или вне станка при подготовке программы.

По способу формирования выходного сигнала системы обратной связи делятся на импульсные, кодовые и фазовые.

В импульсных системах обратной связи, например по положению, выходной сигнал формируется в виде импульсов, количество которых соответствует величине перемещения ис­полнительного органа.

Пример формирования импульсной последовательно­сти показан на рис. 1.3,б. Для импульсных систем обратной связи важной является задача уменьшения цены импульса без уменьшения шага шкалы датчика L. Объясняется это двумя соображениями.

Во-первых, уменьшение шага шкалы датчика вызы­вает чисто технологические трудности и резко увеличивает его стоимость.

Во-вторых, уменьшение шага шкалы влечет за собой увеличение дрейфа постоянной составляющей и ужесто­чение требований к постоянству зазора между линейкой дат­чика и съемником.

В фазовых системах обратной связи по положению перемещение исполнительного органа приводит к периодиче­скому изменению фазы выходного сигнала датчика по линей­ному закону от 0 до 360°.

Принцип действия датчика обратной связи в фазовом режиме заключается в следующем (рис. 1.4). Подадим на две одинаковые обмотки 1 и 2, расположенные под углом 90°, равное по величине синусное и косинусное напряжение. В этом случае образуется круговое вращающееся магнитное по­ле Ф с частотой вращения

где f- частота питающего напряжения, р — число пар полю­сов.

Это магнитное поле, пересекая витки выходной об­мотки 3, наводит в ней ЭДС, которая обуславливает выходной сигнал UВЫХ-

При смещении выходной обмотки на угол фаза выходного сигнала увеличивается,

и определяет величину перемещения исполнительного орга­на станка, который

кинематически связан с выходной обмот­кой (рис. 1.4,6).

Рис. 1.4. Принцип действия датчика обратной связи в фазовом режиме.

Рассмотрим особенности фазовых датчиков обратной связи.

1.Для определения величины фазового сдвига в фазо­вых датчиках необходимо наличие опорного сигнала. В опи­санной модели в качестве опорного сигнала выбрано питаю­щее напряжение. Часто для формирования опорного сигнала используют специальные датчики опорного сигнала.

2. Для формирования выходного сигнала в фазовых датчиках необходим модулятор, роль которого в описанной модели выполняет вращающееся магнитное поле.

3. Если выходная обмотка неподвижна то фаза выход­ного сигнала постоянна, а если перемещается, то фаза выход­ного сигнала увеличивается. При этом (фаза выходного сиг­нала больше периода опорного) при

а > Т

необходимо тем или иным способом обеспечить счет целого числа периодов опорного сигнала.

4. При неподвижной выходной обмотке частота вы­ходного сигнала равна частоте питающего напряжения f=fon, а, при ее вращении со скоростью частота выходного сигнала определится выражением

(1.1)

где — приращение частоты выходного сигнала, -,+ -

соответственно при согласованном и встречном перемещении выходной обмотки относительно магнитного поля.

Таким образом, при перемещении исполнительного органа станка, частота выходного сигнала датчика отличается от частоты опорного сигнала. При равномерном перемещении исполнительного органа частота выходного сигнала остается постоянной, а при равноускоренном — меняется по линейному закону. Все это существенно усложняет определение фазы выходного сигнала.

Для обеспечения равенства частоты выходного сигна­ла частоте опорного сигнала и ее независимости от скорости перемещения исполнительного органа станка необходимо вы­полнение (согласно (1.1)) условия

(1.2)

В этом случае и

Для выполнения этого условия в фазовых датчиках существенно увеличивают частоту опорного сигнала fon. При этом возрастает скорость вращения магнитного поля

и обеспечивается выполнение необходимого условия (1.2). Так, например, у широко применяемых в станкостроении

вращающихся трансформаторах в фазовом режиме частота питающего напряжения составляет 400 Гц, что при одной па­ре полюсов (р == 1) обеспечивает

об/мин.

При максимальной частоте вращения выходной об­мотки nmax=300 об/мин при этой частоте питания на всем диапазоне изменения скоростей выполняется условие и частота выходного сигнала вращающего трансфор­матора не зависит от скорости перемещения исполнительного органа станка.

Фазовые системы обратной связи по положению обес­печивают выходной сигнал, согласованный с фазовыми систе­мами управления и обладают рядом преимуществ, присущих как абсолютным, так и циклическим системам — потеря ин­формации на отдельном участке не ведет к появлению накоп­ленной погрешности, погрешность от нелинейности относится не ко всему пределу измерения, а лишь к шагу шкалы. К преимуществам фазовых систем обратной связи следует так­же отнести и удобство внутри шагового отсчета линейной ха­рактеристики выходного сигнала, удобство согласования при работе как в измерительном режиме, так и в следящем элект­роприводе.

Все это обусловило интенсивное развитие фазовых систем обратной связи с датчиками положения типа вращаю­щийся трансформатор, индуктосин и др. Практически фазо­вые системы используются в двух модификациях: амплитудно-фазовые и фазово-импульсные.

В амплитудно-фазовых системах обратной связи сдвиг по фазе определяется посредством анализа соотношения амп­литуд опорного и выходного сигналов, т.е. посредством амплитудно-модулированного по положению исполнительного ор­гана станка сигнала. В этих системах необходимо обеспечить высокое постоянство амплитуды и формы опорного и выходно­го сигналов. В противном случае возникают дополнительные погрешности измерения, характерные для аналоговых систем.

В фазово-импульсных системах обратной связи сдвиг по фазе определяют посредством заполнения импульсами стабилизированной частоты временного интервала между реперными точками опорного и выходного сигналов например, началом периода, с последующим счетом числа этих импуль­сов. При этом кроме погрешности формирования реперных точек (аналоговый метод), в этих системах возникает и по­грешность, связанная с динамической погрешностью переме­щения исполнительных органов станка.

В кодовых системах положения выходной сигнал фор­мируется в виде кода, определяемого состоянием чувстви­тельного элемента датчика (электропроводимость, освещен­ность и т.п.) в каждом разряде.

При этом в датчиках последовательного считывания производится последовательный опрос всех чувствительных элементов по разрядам двоичного числа, а в датчиках парал­лельного считывания — одновременный по всем дорожкам ко­дирования диска. Применение того или иного способа считы­вания обуславливается требуемым временем съема информа­ции.

Основа кодовых датчиков — двоичная кодовая шкала, кодовые дорожки которой, соответствующие разряду считы­вания, разбиваются на уровни квантования, представляющие собой чередующиеся активные и пассивные участки и определяющие разрешающую способность датчика. Считыва­ние осуществляется с каждой кодовой дорожки, а кодовая комбинация соответствует совокупности состояний считыва­ющих с каждой дорожки элементов. В случае однодорожечных шкал все считывающие элементы взаимодействуют с одной дорожкой (рис. 1.5).

С увеличением числа разрядов выходного кода умень­шается шаг шкалы младшего разряда, что, в свою очередь, тре­бует уменьшения ширины оптического луча считывания. Это ограничивает разрешающую способность датчика величина­ми 0,02-0,05 мм для линейных и 10”- 20” для угловых дат­чиков. Повышение разрешающей способности связано с уве­личением габаритов датчиков и усложнением их конструк­ции.

Кроме того, важное значение имеет также связанное с уменьшением ширины луча уменьшение зоны неоднознач­ности считывания. Вместе с тем необходимо учитывать, что уменьшение ширины штриха уменьшает его энергетические характеристики, что ведет к уменьшению выходного сигнала датчика и в конечном счете к дополнительной погрешности.

Если принять, что зона неопределенности может быть только в каком-либо разряде, а ее величина равна ширине луча, то для обеспечения правильного считывания информа­ции ширина луча должна быть равна кванту уровня, т.е. раз­решающей способности датчика- половине линейной градации младшего разряда.

пассивный

Рис. 1.5. Принцип действия кодовых датчиков.

Так, при разрешающей способности 218 ширина луча считывания не должна превышать 2-3 мкм, что вызывает серь­езные технологические трудности.

Необходимо отметить, что применение кодовых шкал с основанием больше двух позволяет уменьшить число кодовых дорожек по сравнению с двоичным кодом при том же объеме информации.

Существенное значение для обеспечения качества ра­боты кодовых датчиков имеет устранение неоднозначности считывания, возникающее на границе активных и пассивных участков шкалы. Действительно, при одновременной смене кода в большом числе разрядов возможна неопределенность считывания кода по каждой дорожке. Так, при смене кода 11110 (сечение 1) на код 00001 < сечение 3) в сечении 2 по каждому разряду может быть прочитана как 1, так и 0, т.е. возможно возникновение практически любого считываемого кода, а значит и возникновение на границе считывания суще­ственной погрешности (рис. 1.5, а).

Для устранения этой погрешности на шкалу наносит­ся маска циклического кода Грея или используют специаль­ный способ считывания — «V — считывание», или специальной маской ограничивают зоны считывания.

Для шкалы с циклическим однопеременным кодом Грея (рис. 1.6,6) неоднозначность считывания может быть только в одном разряде. Вместе с тем в этом случае усложня­ется система ЧПУ, так как необходимы дополнительные сис­темы преобразования кода Грея в двоичный или двоично-де­сятичный код.

При ” V- считывании ” (рис. 1.5,б) сохраняется шкала двоичного или двоично-десятичного кода, но на каждой до­рожке, кроме младшего разряда, устанавливаются по два фо­тодиода, смещенные от линии считывания на 1/4 шага дорож­ки. Считывание производится поочередно с фотодиодов А и В каждого разряда по следующему правилу. Если в i разряде считывается 0, то в i + 1 разряде информация считывается с диода А, если 1 — то с диода В. Следовательно, информация никогда не считывается с фотоприемника, кроме младшего разряда, переходящего границу кода в любом из разрядов, т.е. полностью устраняется неоднозначность считывания. При ограничении зоны считывания вводится дополни­тельная дорожка с ограничениями зоны считывания (рис. 1.5,г), причем считывание разрешается лишь в пределах свет­лых участков этой дорожки, и ширина темных участков дол­жна быть заведомо больше допуска на изготовление шкал. В этом случае в сечении, где возможна неоднозначность, считы­вание кода не производится. Вместе с тем ограничение зоны считывания уменьшает разрешающую способность преобра­зователя и его быстродействие.

Параметры кодовых датчиков зависят от вида приня­того кода, системы считывания информации, типа осветителя и фотоприемников и т.п. Для устранения неоднозначности считывания в большинстве случаев применяют “V- считыва­ние”, а также код Грея.

При построении систем считывания кодовой инфор­мации используют либо однощелевую, либо многощелевую диафрагму с шагом, равным шагу шкалы в младших разрядах, что позволяет улучшить энергетические характеристики фо­топриемника младшего разряда при узком оптическом луче. Кроме того, применение в считывающем устройстве прелом­ляющих оптических элементов позволяет более чем на 30% уменьшить диаметр диска, а следовательно, и габариты датчи­ка в целом.

Диаметр диска может быть существенно уменьшен также за счет применения многосистемного считывания — съе­ма информации не по одной линии считывания, а одновремен­но в нескольких местах (при этом необходимо обеспечить со­ответствующий сдвиг кодовых дорожек).

Уменьшить диаметр диска на 30-40% можно при по­мощи двухдисковых систем, на каждой из которых нанесены, например, зоны четных и нечетных разрядов.

Блокировки в электрических схемах обеспечивают правильный порядок работы схем, исключают ложные и аварийные включения аппаратов и повышают надежность работы схем электропривода.

По назначению блокировки в электрических схемах электроприводов станков разделяются на технологические и защитные. По исполнению блокировки бывают внутренние, осуществляемые между аппаратами одной схемы (электрические и механические), и внешние — между схемами различных приводов (электрические).

Технологические блокировки используются для осуществления заданной последовательности работы электрической схемы. Они бывают внутренними и внешними. Примером внутренней технологической блокировки является узел схемы, приведенной на рис. 1, а, где блокировочный размыкающий контакт реле динамического торможения КТ (KV) обеспечивает при реверсировании включение контакторов (магнитных пускателей) КМ3 или КМ4 только после окончания процесса динамического торможения. Примером внешней технологической блокировки в электрической схеме может служить разрешение или запрещение работы одного электропривода при работающем или неработающем другом электроприводе одного или нескольких механизмов, связанных общим технологическим процессом.

На рис. 1, б приведен узел схемы с двумя внешними блокировками, обеспечивающими включение контактора КМ1 только после включения контактора КМ2 (другого электропривода) и при определенном положении механизма (только при нажатом путевом выключателе SQ).

Защитные блокировки предотвращают ложные срабатывания в схеме и защищают двигатели, механизмы, а иногда и операторов от неправильных действий. Примером могут служить применяемые в электрических схемах блокировки реверсивных контакторов (магнитных пускателей) КМЗ и КМ4 (рис. 1, в) или линейных КМ1 и тормозных КМЗ контакторов (рис. 1, г), исключающие одновременные ложные включения контакторов КМ3 и КМ4 или КМ1 и КМ5.

Эти блокировки внутренние. Обычно они осуществляются с помощью механической связи (рычага), запрещающей их одновременное включение, и дополнительных электрических способов с помощью размыкающих контактов КМ3 и КМ4 или КМ1 и КМ5 (рис. 1, в, г) и двухэлементных кнопок управления (рис. 1, д).Смотрите также: Схемы подключения магнитного пускателя для управления асинхронным электродвигателем.

К защитным блокировкам в электрических схемах электроприводов станков относится путевые блокировки (рис. 1, е), ограничивающие движения механизмов и защищающие их от поломки, и блокировки, защищающие оператора от его неправильных действий, например на прессах, где заготовки устанавливаются руками, применяется фотоэлектрическая защитная блокировка, осуществляемая фотодатчиком BL (рис. 1, ж).

Воздушный автоматический выключатель (силовой автоматический выключатель, автоматический выключатель) — электрический аппарат, который способен включать, проводить и отключать электрический ток в любых рабочих условиях электрической цепи, рисунок 1. Автоматическое отключение электрической цепи происходит при перегрузках, К.З., чрезмерном понижении или повышении напряжения, направления мощности и т. д. Отключение токов перегрузки и короткого замыкания автоматическим выключателем должно производиться в соответствии с заданными времятоковыми характеристиками.

Требования к автоматическому выключателю.[править | править исходный текст]

Современный автоматический выключатель (автомат) должен отвечать, прежде всего, двум требованиям: надежно защищать электроприемники в аварийных режимах от короткого замыкания и перегрузки, а также быть удобным и безопасным в эксплуатации на протяжении всего срока службы. Эти требования также учитывают специфику применения отдельного взятого выключателя, таких как частота переключений, повышенные требования к виброустойчивости, свободному пространственному положению, агрессивная внешняя среда ускоряющая коррозию металла, а также влияние температуры и влажности окружающей среды будь это тропики или же суровые климатические условия России при предельно низких температурах в тяжелых субарктических условиях. Надежная работа автоматического выключателя по предотвращению коротких замыканий и перегрузок увеличивает срок службы электроприемников за счёт ограничения тепловых и электродинамических воздействий на них, а также предотвращает технологические потери, которые могут быть вызваны перерывом электроснабжения, что в свою очередь может привести косвенные ущербы, в том числе репутационныеКЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ[править | править исходный текст]

Одними из основных критериев классификации автоматических выключателей являются:

конструкция, открытое воздушное (АСВ) или компактное в литом корпусе (МССВ) исполнения,

размещение в распределительном устройстве, стационарное или выкатное расположение,

принцип гашения дуги, с токоограничением и без токоограничения.

Типы конструкций автоматических выключателей.[править | править исходный текст]

Компактное исполнение выключателей (автоматические выключатели в литом корпусе) подразумевает наличие изоляционного корпуса в котором заключены все компоненты выключателя, рисунок 2. Такие выключатели могут быть спроектированы до 3200А и номинальным током отключения до 35кА. Изоляционный корпус изготавливается из специальной термореактивной пластмассы, состав которой при воздействии дуги и открытого пламени не поддерживает горение.

Рис. 3 Эффект токоограничения при нарастании токов КЗ.

Открытое исполнение выключателей (воздушные автоматические выключатели) как правило имеет металлический корпус, и размер много больше чем выключатели в литом корпусе. Эти выключатели могут применяться в сетях до 6300А и номинальным током отключения к.з. до 135кА. Воздушный автоматический выключатель.

Выбор автоматических выключателей производится исходя из номинального напряжения сети, номинального тока и коммутационной способности отключения токов короткого замыкания. Различают два основных параметра коммутационной способности всех моделей автоматических выключателей это — номинальный рабочий ток короткого замыкания Ics, отключающая способность по этому параметру определяется в испытательном цикле О-t-CO-t-CO и предельный (максимальный) ток короткого замыкания Icu, определяемый в испытательном цикле О-t-CO, где О — операция отключения, С- операция включения, СО — последовательный цикл включено-отключено, t - время простоя между циклами включения равный 3 минутам. Номинальный эксплуатационный ток короткого замыкания Ics определяет предельную нагрузку на выключатель. В стандарте нет четких преференций и условий какой из параметров и его значение являются доминирующими при проектировании сетей. Однако при проектировании и использовании выключателей для ответственных объектов и электроприемников первой и выше категорий (государственно важные и социально значимые объекты, предприятия с непрерывной технологией и т. д.) рекомендуется использовать значение номинального рабочего тока короткого замыкания Ics. Другим важным параметром является номинальный кратковременно выдерживаемый ток короткого замыкания Icw, который определяет способность автоматического выключателя пропускать ток короткого замыкания (устойчивость) за время, в течение которого нижестоящие коммутационные аппараты успевают локализовать место повреждения. Этот параметр крайне важен для обеспечения селективности в сети по условию отключения короткого замыкания. При проектировании также учитываются категория применения, условия окружающей среды в том числе средняя температура, специфику установки и монтажа.

Рис. 7 Защитные характеристики автоматического выключателя.

Категория применения определяется в зависимости от конструкции выключателей в отношении их применения и требований к селективности. Различают категорию А для выключателей которые не подразумевают их использование в условиях выбора селективности, то есть применения принципа токоограничения, и категорию В для выключателей которые проектируются при требованиях селективности коммутационных аппаратов связанных между собой, в этом случае выключатели отвечают требованиям токоограничения. Для выключателей категории В как раз важно значение номинального кратковременно выдерживаемого тока короткого замыкания Icw и Принципиальное значение при выборе и проектировании автоматических выключателей имеет место защитные характеристики, которые в общем делятся на четыре типа: L — защита от перегрузки, с уставками регулируемыми по току и времени для отключения аварий, уставка по времени имеет обратнозависимый характер и обеспечивает регулируемую задержку срабатывания автоматического выключателя при перегрузке. S — селективная токовая отсечка, с заданными временными характеристиками и возможностью обеспечить линейное изменение I2t характеристики автоматического выключателя I — мгновенная токовая отсечка, с уставками регулируемыми по току, G — защита от замыкания на землю, с уставками регулируемыми по току и обратнозависимыми или заданными временными характеристиками.

Рис. 8 Время-токовые характеристики автоматических выключателей.

Характеристики: L — Регулируемая по току и времени защита от перегрузки, S — селективная токовая отсечка, I — мгновенная токовая отсечка. Защитные функции воздушных автоматических выключателей реализованы в составе электронных блоков защит (чаще всего обозначаются сокращенно OCR — от английского Overcurrent Release). Современные аппараты оснащены электронным блоком защиты (OCR), который отслеживает действующее (среднеквадратическое) значение тока, протекающего через ACB и обеспечивает ряд дополнительных защитных функций в отличие от обычного максимального расцепителя тока, которыми ранее комплектовались автоматические выключатели старых поколений. В составе автоматических выключателей в литом корпусе защитные функции могут быть реализованы с помощью электронных расцепителей либо термомагнитных реле. Благодаря наличию электронных блоков защит (OCR) потребителю не нужно прибегать к нескольким защитным реле, монтируемым на панель —современные выключатели оснащены электронными блоками защит с обратнозависимой выдержкой времени (IDMT). Такой блок защиты срабатывает с выдержкой времени, находящейся в обратной зависимости от значения сверхтока. Для обеспечения селективности защиты выключателя имеют ряд гибких время-токовых характеристик: S. I. — обратнозависимая выдержка времени V. I. — очень обратнозависимая выдержка времени E. I. — чрезвычайно обратнозависимая выдержка времени Все характеристики регулируются пользователем и соответствуют стандарту IEC 60255-3. Также доступны стандартные характеристики для защиты трансформаторов и генераторов. Время-токовые характеристики отражают зависимость времени срабатывания расцепителя от значения сверхтока.

ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

В электроприводе (см. рис. 24) предусмотрены следующие виды защит: 1) от токов короткого замыкания в силовых цепях и цепях управления - автоматические выключатели QF1-QF7; 2) максимальная токовая защита двигателя - реле КА1- 3) от недопустимого уменьшения тока возбуждения - реле КА2; 4) нулевая защита - реле КН1; 5) защита от недопустимого превышения скорости - реле КТ1; 6) защита от протекания тока якоря при заторможенном двигателе - реле блокировки импульсов КН4; 7) аварийное динамическое торможение - контактор КМ1, собирающий цепь динамического торможения при отключении нулевого реле КН1, на которое выведены все виды защит; 8) защита тиристоров преобразователя и диодов цепей управления от перенапряжений — защитные ЯС-цепочки.

Контроль правильной работы узлов цепей управления преобразователем рассмотрен при описании работы ЛПУ. Для повышения надежности работы электропривода в схеме предусмотрены дополнительные узлы, контролирующие работу схемы в режиме повышенных скоростей: переход на характеристику повышенных скоростей контролируется реле KV1; функционирование реле максимальной скорости КТ1 контролируется на нулевой позиции контроллера, формируется заградительная механическая характеристика посредством введения резистора R23 и соответствующего увеличения тока возбуждения при отключении реле блокировки импульсов или срабатывания любого защитного реле. При срабатывании любой из защит отключается нулевое реле, а не линейный контактор. Это сделано для того, чтобы при срабатывании защитных устройств не отключать возбуждение двигателя для обеспечения аварийного динамического торможения. Отключение линейного контактора производится только аварийным выключателем S1.

Термическая защита двигателя трехфазных вентиляторов STDT 16 автоматически отключает подачу питания при размыкании тепловых контактов, встроенных в обмотки электродвигателя вентилятора. Устройство тепловой защиты подключается к источнику питания (400 В) и термоконтактам электродвигателя. При срабатывании защиты, после остывания электродвигателя, перезапуск осуществляется нажатием черной кнопки. Устройство тепловой защиты электродвигателя можно использовать совместно с трансформатором. Контакт аварийной сигнализации (К), поставляемый по отдельному заказу, представляет собой встроенный контакт, подающий сигнал при размыкании термоконтактов.

Тепловые реле - это электрические аппараты, предназначенные для защиты электродвигателей от токовой перегрузки. Наиболее распространенные типы тепловых реле - ТРП, ТРН, РТЛ и РТТ.

Принцип действия тепловых реле

Долговечность энергетического оборудования в значительной степени зависит от перегрузок, которым оно подвергается во время работы. Для любого объекта можно найти зависимость длительности протекания тока от его величины, при которых обеспечивается надежная и длительная эксплуатация оборудования. Эта зависимость представлена на рисунке (кривая 1).

При номинальном токе допустимая длительность его протекания равна бесконечности. Протекание тока, большего, чем номинальный, приводит к дополнительному повышению температуры и дополнительному старению изоляции. Поэтому чем больше перегрузка, тем кратковременнее она допустима. Кривая 1 на рисунке устанавливается исходя из требуемой продолжительности жизни оборудования. Чем короче его жизнь, тем большие перегрузки допустимы.

При идеальной защите объекта зависимость tср (I) для теплового реле должна идти немного ни-же кривой для объекта.

Для защиты от перегрузок, наиболее широкое распространение получили тепловые реле с биметаллической пластиной.

Время-токовые характеристики теплового реле и защищаемого объектаБиметаллическая пластина теплового реле состоит из двух пластин, одна из которых имеет больший температурный коэффициент расширения, другая — меньший. В месте прилегания друг к другу пластины жестко скреплены либо за счет проката в горячем состоянии, либо за счет сварки. Если закрепить неподвижно такую пластину и нагреть, то произойдет изгиб пластины в сторону материала с меньшим. Именно это явление используется в тепловых реле.

Широкое распространение в тепловых реле получили материалы инвар (малое значение a) и немагнитная или хромоникелевая сталь (большое значение a).

Нагрев биметаллического элемента теплового реле может производиться за счет тепла, выделяемого в пластине током нагрузки. Очень часто нагрев биметалла производится от специального нагревателя, по которому протекает ток нагрузки. Лучшие характеристики получаются при комбинированном нагреве, когда пластина нагревается и за счет тепла, выделяемого током, проходящим через биметалл, и за счет тепла, выделяемого специальным нагревателем, также обтекаемым током нагрузки.

Прогибаясь, биметаллическая пластина своим свободным концом воздействует на контактную систему теплового реле.

Время-токовые характеристики теплового реле

Основной характеристикой теплового реле является зависимость времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика). В общем случае до начала перегрузки через реле протекает ток Iо, который нагревает пластину до температуры qо.

При проверке времятоковых характеристик тепловых реле следует учитывать, из какого состояния (холодного или перегретого) происходит срабатывание реле.

При проверке тепловых реле надо иметь в виду, что нагревательные элементы тепловых реле термически неустойчивы при токах короткого замыкания.

Выбор тепловых реле

Номинальный ток теплового реле выбирают исходя из номинальной нагрузки электродвигателя. Выбранный ток теплового реле составляет (1,2 - 1,3) номинального значения тока электродвигателя (тока нагрузки), т. е.тепловое реле срабатывает при 20- 30% перегрузке в течении 20 минут.

Постоянная времени нагрева электродвигателя зависит от длительности токовой перегрузки. При кратковременной перегрузке в нагреве участвует только обмотка электродвигателя и постоянная нагрева 5 - 10 минут. При длительной перегрузке в нагреве участвует вся масса электродвигателя и постоянна нагрева 40-60 минут. Поэтому применение тепловых реле целесообразно лишь тогда, когда длительность включения больше 30 минут.

Влияние температуры окружающей среды на работу теплового реле

Влияние температуры окружающей среды на работу теплового релеНагрев биметаллической пластинки теплового реле зависит от температуры окружающей среды, поэтому с ростом температуры окружающей среды ток срабатывания реле уменьшается.

При температуре, сильно отличающейся от номинальной, необходимо либо проводить дополнительную (плавную) регулировку теплового реле, либо подбирать нагревательный элемент с учетом реальной температуры окружающей среды.

Для того чтобы температура окружающей среды меньше влияла на ток срабатывания теплового реле, необходимо, чтобы температура срабатывания выбиралась возможно больше.

Для правильной работы тепловой защиты реле желательно располагать в том же помещении, что и защищаемый объект. Нельзя располагать реле вблизи концентрированных источников тепла — нагревательных печей, систем отопления и т. д. В настоящее время выпускаются реле с температурной компенсацией (серии ТРН).

Конструкция тепловых реле

Прогиб биметаллической пластины происходит медленно. Если с пластиной непосредственно связать подвижный контакт, то малая скорость его движения, не сможет обеспечить гашение дуги, возникающей при отключении цепи. Поэтому пластина действует на контакт через ускоряющее устройство. Наиболее совершенным является «прыгающий» контакт.

В обесточенном состоянии пружина 1 создает момент относительно точки 0, замыкающий контакты 2. Биметаллическая пластина 3 при нагреве изгибается вправо, положение пружины изменяется. Она создает момент, размыкающий контакты 2 за время, обеспечивающее надежное гашение дуги. Современные контакторы и пускатели комплектуются с тепловыми реле ТРП (одно-фазное) и ТРН (двухфазное).

Тепловые реле ТРП

Тепловые реле ТРПТепловые токовые однополюсные реле серии ТРП с номинальными токами тепловых элементов от 1 до 600 А предназначены главным образом для защиты от недопустимых перегрузок трехфазных асинхронных электродвигателей, работающих от сети с номинальным напряжением до 500 В при частоте 50 и 60 Гц. Тепловые реле ТРП на токи до 150 А применяют в сетях постоянного тока с номинальным напряжением до 440 В.

Устройство теплового реле типа ТРП

Биметаллическая пластина теплового реле ТРП имеет комбинированную систему нагрева. Пластина 1 нагревается как за счет нагревателя 5, так и за счет прохождения тока через саму пластину. При прогибе конец биметаллической пластины воздействует на прыгающий контактный мостик 3.

Тепловое реле ТРП позволяет иметь плавную регулировку тока срабатывания в пределах (±25% номинального тока уставки). Эта регулировка осуществляется ручкой 2, меняющей первоначальную деформацию пластины. Такая регулировка позволяет резко снизить число потребных вариантов нагревателя.

Возврат реле ТРП в исходное положение после срабатывания производится кнопкой 4. Возможно исполнение и с самовозвратом после остывания биметалла.

Тепловые реле - устройство, принцип действия, технические характеристики

Высокая температура срабатывания (выше 200°С) уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей среды.

Уставка теплового реле ТРП меняется на 5% при изменении температуры окружающей среды на КУС.

Высокая ударо- и вибростойкость теплового реле ТРП позволяют использовать его в самых тяжелых условиях.

Тепловые реле РТЛ

Тепловые реле РТТ Реле тепловое РТЛ предназначено для обеспечения защиты электродвигателей от токовых перегрузок недопустимой продолжительности. Они также обеспечивают защиту от не симметрии токов в фазах и от выпадения одной из фаз. Выпускаются электротепловые реле РТЛ с диапазоном тока от 0.1 до 86 А.

Тепловые реле РТЛ могут устанавливаться как непосредственно на пускатели ПМЛ, так и отдельно от пускателей (в последнем случае они должны быть снабжены клеммниками КРЛ). Разработаны и выпускаются реле РТЛ и клеммники КРЛ которые имеют степень защиты ІР20 и могут устанавливаться на стандартную рейку. Номинальный ток контактов равен 10 А.

Тепловые реле РТТ

Реле топловые РТТ предназначены для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от перегрузок недопустимой продолжительности, в том числе возникающих при выпадении одной из фаз, а также от несимметрии в фазах.

Реле РТТ предназначены для применения в качестве комплектующих изделий в схемах управления электроприводами, а также для встройки в магнитные пускатели серии ПМА в целях переменного тока напряжением 660В частотой 50 или 60Гц, в целях постоянного тока напряжением 440В.

Поиск по сайту: