Бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В отличие от контактных коммутационных АУ размыкание цепи осуществляется без разрыва электрической цепи. По сравнению с контактными они имеют следующие преимущества: нет дуги при размыкании; нет подвижных элементов; высокая надёжность и срок службы; высокое быстродействие. В то же время им присущи и недостатки:

а) нет полного разрыва цепи и гальванической развязки, что характеризуется соотношением разомкнутого и замкнутого состояния элемента, что храктеризуется отношением обратного бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и прямого бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и сопротивлений:

- контакные бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ;

- бесконтактные бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ;

б) не допускают больших перегрузок по току, причем они кратковременны (милисекунды), что характеризуется отношением максимально допустимого бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и номинального бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru токов :

- контактные бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ;

в) весьма чувствительны к сверхтокам и перенапряжениям;

г) стоимость в последнее время стала ниже контактных.

В зависимости от типа используемых первичных элементов различают две группы АУ на магнитных элементах; на полупроводниковых приборах: транзисторные и тиристорные.

4.2. МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

4.2.1. Принцип действия

Усиление тока в цепи нагрузки достигается за счет эффекта уменьшения индуктивного сопротивления. Магнитный усилитель (МУ) состоит (рис. 4.1) из

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

замкнутого магнитопровода, на котором располагаются две катушки - рабочая ( бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ) и управления ( бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ) . В цепь рабочей обмотки включено сопротивление нагрузки, и к ней прикладывается переменное напряжение. Сила тока в цепи нагрузки при условии, что активное сопротивление рабочей обмотки значительно меньше индуктивного бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , будет

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , где бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ,

где бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - индуктивность рабочей обмотки; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - соответственно площадь сече ния и длина магнитопровода; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - динамическая магнитная проницаемость,

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - магнитная индукция и напряжённость электрического поля; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - круговая частота. Очевидно, что силу тока в цепи катушки можно менять изменением индуктивности. Для уменьшения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru уменьшают величину бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru за счёт создания постоянной напряжённости электромагнитного поля по цепи обмотки управления. Обратимся к рис. 4.2, на котором представлены характеристики магнитной системы. При бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru напряжённость электрического поля, создаваемая рабочей обмоткой бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , порождает магнитную индукцию бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , Следует отметить, что напряжённость бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru не зависит от свойств среды, а магнитная индукция определяется как напряжённостью, так и свойствами среды, характеризующимися относительной магнитной проницаемостью ( бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ), т.е. энергия идёт на перемагничивание. При подаче бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , (рис. 4.2,а) в магнитной системе создаётся постоянная составляющая напряженности бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , которая смещает рабочую точку для бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , в результате изменяется (уменьшается) амплитуда бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Критическое значение бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru соответствует участку насыщения кривой намагничивания.

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

Таким образом при подаче бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru уменьшается бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

График характеристики бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru представлен на рис. 4.2,б. В результате при подаче бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , уменьшается бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , что влечёт, в свою очередь, увеличение тока нагрузки бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (рис. 4.2,в). Рассмотренные явления для схемы МУ рис. 4.2 несколько искажаются, так как переменный магнитный поток, создаваемый рабочей обмоткой бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru при прохождении по ней тока, наводит ЭДС в обмотке управления. Этих недостатков лишена схема МУ, приведенная на рис. 4.3.

МУ состоит из двух магн топроводов, на каждом из которых располагается рабочая обмотка, причём они включены встречно. Обмотки управления (их может быть несколько - бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ) охватывают оба магнитопровода. Так как обмотки бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru включены встречно, то создаваемые в них магнитные потоки бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru изменяются в в

противофазе (рис. 4.3,б), т.е. один поток намагничива ет обмотки управления, а вто-

рой - размагничивает.

Результирующая переменная составляющая в итоге будет равна нулю, т.е.

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

В зависимости от рода тока различают:

а) дроссельные МУ (ДМУ), у которых по рабочим обмоткам всегда течёт переменный ток;

б) МУ с самоподмагничиванием (МУС), у которых в рабочих обмотках присутствует постоянная составляющая тока.

На рис. 4.4,а, 4.4,б приведены схемы ДМУ с переменным и постоянным током в цепи нагрузки. Схемы МУС с однополупериодным и двухполупериодным выпрямлением тока нагрузки приведены соответственно на рис. 4.4,в, 4.4,г. Величина тока управления регулируется переменным резистором.

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

4.2.2. Введение обратной связи в МУ

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

Для повышения коэффициента усиления МУ в них вводят обратную связь. В ДМУ для этого используют дополнительную обмотку, аналогичную обмотке управления, по которой пропускают часть тока нагрузки. Рассмотрим эффект введения положительной обратной связи в ДМУ (рис. 4.5,а, 4.5,б).

Напряжённость, создаваемая рабочей обмоткой бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и обмоткой обратной связи бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , определяется

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ,

где бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - коэффициент передачи выпрямителя.

Коэффициент передачи по цепи обратной связи определяется

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru = бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ,

а в интерпретации графика рис. 4.5 он будет

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Введение сигнала обратной связи приводит к деформации характеристики бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Рассмотрим следующие ситуации.

Случай 1: бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Правая полуплоскость.

Рассмотрим картину для тока управления бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru :

а) бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - рабочий ток характеризуется точкой бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ;

б) бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - рабочий ток характеризуется точкой бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Однако амплитуда рабочей точки бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru соответствует току управления бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Следовательно, при том же токе бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru при наличии обратной связи с коэффициентом передачи бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru рабочий ток будет соответствовать точке бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , где бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Для тока управления бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru :

а) бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru имеем ток бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (точка бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru );

б) бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru имеем ток бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (точка бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ).

Рассматривая весь диапазон изменения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , получим кривую бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru при введении обратной связи (пунктирная линия); исходная - бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (сплошная линия). Результирующая кривая при введении обратной связи имеет большую крутизну по сравнению с исходной.

Левая полуплоскость.

Обратная связь из положительной превращается в отрицательную, что приводит к уменьшению крутизны характеристики бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Рассуждая аналогично для токов бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru построим точки характеристики.

Для тока бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru имеем:

а) бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru имеем ток бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (точка 3);

б) бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru имеем ток бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (точка бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ).

Значение тока бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru меньше тока бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и получено при том же токе управления бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru т.е. рабочая точка переносится в точку бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Для тока бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru процедура построения аналогична.

В результате в правой полуплоскости коэффициент усиления возрастает,

а в левой - убывает. Такой режим, когда бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , используется в усилителях.

Случай 2: бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . В коммутационных схемах МУ работают в ключевом режиме. Поэтому здесь характеристика бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru должна быть релейной, что можно получить при бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (рис. 4.5,г).

Управляющий ток имеет отрицательный знак. Имея это ввиду далее оперируем с его модулем. Выделим два характерных луча обратной связи, соответствующих токам управления бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и являющихся граничными касательными к исходной характеристике бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Для тока управления бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru :

а) бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru имеем ток бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (точка 1);

б) бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru имеем ток бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Возможные значения тока нагрузки получены при токе бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Точка бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru является неустойчивой и по достижении этого значения ток сразу же скачком возрастает до значения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и далее скачком до значения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Для тока управления бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru :

а) бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru имеем ток бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (точка 2);

б) бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru имеем ток бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Состояние бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru является неустойчивым, т.е. уменьшение тока происходит скачкообразно со значения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru до значения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Аналогично характеристика строится и для других значений тока управления. При дальнейшем увеличении бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru крутизна характеристики уменьшается.

В результате при введении обратной связи с коэффициентом передачи больше единицы характеристика бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru принимает вид петли гистерезиса в зоне нулевых и малых токов управления, а в левой полуплоскости ее крутизна резко уменьшается. . В зоне бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru система неустойчива. При токах управления бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru МУ работает в ключевом режиме. В этом диапазоне должен лежать ток управления МУ работающих в коммутационных режимах. Следует иметь ввиду, что при коммутации цепей переменного тока схема не реверсивная. Одновременно с режимом коммутации происходит усиление сигнала по мощности.

4.2.3. Магнитные материалы

Материал магнитопровода должен иметь определённые характеристики. В зависимости от величины коэрцитивной силы различают магнитотвердые ( бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru А/см) и магнитомягкие ( бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru А/см) материалы.

Для создания элементов и устройств электроавтоматики применяют главным образом магнитомягкие материалы, которые можно разделить на 3 группы:

1) электротехнические стали;

2) сплавы на основе железа с другими ферромагнитными металлами (никель, кобальт, алюминий);

3) ферриты (неметаллические ферромагнетики).

Электротехнические стали (Э31, Э41, ...) представляют собой низкоуглеродистые стали с повышенным содержанием кремния. Они наиболее дешевы и имеют большие индукции насыщения (1,8 - 2,3 Тл), что позволяет создавать на их основе компактные и дешёвые электромагнитные элементы. Вместе с тем, у них чувствительность к изменению внешнего поля, создаваемого обмотками, невелика.

Железоникелевые сплавы (пермаллои) дороже стали в 15 - 20 раз. Они имеют меньшие значения индукции насыщения, но позволяют получать высокочувствительные элементы за счет малой коэрцитивной силы и высокой начальной магнитной проницаемости. Маркируются 50НП, 65НП (50, 65 -% бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ). Общий их недостаток - низкая механическая прочность и чрезвычайная чувствительность к деформациям.

Железокобальтовые сплавы (пермендюры), содержащие от 30 до 50% кобальта (35 КХ и 50 КФА), имеют наиболее высокие значения индукции насыщения (до 2,4 Тл), что позволяет создавать магнитные усилители и другие устройства наименьших габаритных размеров и массы.

Железоалюминиевые сплавы (Ю16, ...), имея среднюю величину индукции насыщения и малую коэрцитивную силу, обладают повышенной (в 10 - 20 раз большей, чем пермаллои) износоустойчивостью. Их широко применяют для изготовления магнитных головок в устройствах магнитной записи, где в процессе работы головка непрерывно трётся о поверхность ленты.

Ферриты (1,3 ВТ; 0,16 ВТ и др.) представляют собой неметаллические магнитные материалы (твёрдые растворы), изготавливаемые из смеси окислов железа с окислами магния, меди, марганца, никеля и других металлов. Общая формула ферритов имеет вид бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , где бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - тот или иной металл. Они имеют характеристику с ярко выраженной петлёй гистерезиса. Удельное электрическое сопротивление ферритов в миллионы раз больше, чем металлических ферромагнитов, что практически устраняет вихревые токи. Это позволяет перемагничивать ферриты с частотой порядка сотен килогерц.

4.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КОММУТАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

4.3.1. Транзисторные устройства

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

В рассматриваемых АУ транзисторы работают в режиме транзисторного насыщения ключа (рис. 4.6).

Транзистор работает в ключевом режиме. При бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru он дополнительно запирается напряжением смещения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Его обратное сопротивление велико и значительно превышает сопротивление бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Выходное напряжение ключа, если схема работает для формирования ступенчатого напряжения, определяется

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ,

но так как бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , то бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . При подаче управляющего тока в цепь базы транзистор полностью открывается. В случае, если нагрузка включена в цепь коллектора (вместо бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , то при закрытом транзисторе ток нагрузки бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , а при открытом определяется вольт-амперной характеристикой транзистора и величиной сопротивления нагрузки.

4.3.2. Тиристорные устройства

Тиристоры в настоящее время получили широкое распространение, так как позволяют коммутировать большие мощности. Работают всегда согласно своим физическим свойствам в ключевых режимах. Обратимся к вольт-амперным характеристикам диода и тиристора (рис. 4.7).

Тиристор в отличие от диода при прочих равных условиях открывается при подаче импульса тока на управляющий электрод. Закрывается при изменении полярности анодного напряжения или уменьшении его ниже значения, соответствующего напряжения спрямления бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

Тиристоры применяются в различных схемах, но наиболее широко - в силовых цепях электропривода по схеме широтно-импульсных преобразователей и управляемого выпрямителя различных исполнений. Эти вопросы рассматриваются в курсе «Автоматизированный электропривод».

В настоящее время промышленность выпускает тиристорные пускатели серии ТУР и ПТ, ТПУ. Их можно классифицировать следующим образом:

1. По роду тока нагрузки:

а) для цепей бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru :

- с однополупериодным выпрямлением;

- с двухполупериодным выпрямлением;

б) для цепей бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru var:

-однофазные;

-трёхфазные.

2. По функциональным возможностям:

а) включено - выключено;

б) включено - выключено - реверс.

3. По наличию защиты:

а) от перегрузок по бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ;

б) от длительных перегрузок при незначительном превышении номинального тока;

в) от изменения напряжения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Силовая часть пускателя серии ТУР для одной фазы (другие идентичны) приведена на рис. 4.9, а характеристики пускателей ТУР, ПТ даны в табл. 4.1, 4.2. Типоряд тиристрных пускателей по коммутируемой мощности достаточно широк и переркрывает основой диапазон потребителей машиностроительных производств.

Таблица 4.1

Параметры Тип
  ТУР-3-1 ТУР-Зр-1
бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru В 220, З80 220, 380
Сигнал управления бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ,полярность отрицательная, одно и двух п/п выпрямление
Мощность сигнала управления, Вт 0,05 0,05
Мощность выхода, Вт 250-3500 200-7500
Масса, кг
Габаритныe размеры, мм 360х190х190 370х370х220

Таблица 4.2

Параметр ПТ-16-38 ПТ-16-380-Р ПТ-40-380 ПТ-40-3800 ПТУ-63-380
бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , В
Число фаз
бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , А
бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , В
бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , А 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3
Масса, кг

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

Основные элементы схемы одной фазы (другие аналогичны) работают следующим образом. В положительный полупериод открываются тиристоры VS1, (VS3, VS5) , в отрицательный - VS2 ( VS4, VS6). Группа трансформаторов тока ТТ1( ТТЗ, ТТ5) служит для организации управления тиристорами, а трансформаторов тока ТТ2( ТТ4, ТТ6) для организации защиты от перегрузок. В аварийных режимах защита организована по управляющему электроду - прекращается подача управляющих импульсов.

4.4. ФАЗОВЫЕ ДИСКРИМИНАТОРЫ

Фазовые дискриминаторы (ФД) основаны на принципе коммутации одного сигнала другим. Выходной сигнал ФД пропорционален разности фаз двух сигналов (гармонических или прямоугольных), поданных на его входы. Применяются в основном в качестве элементов сравнения сигналов задания и отработки (поступающих с датчиков обратной связи) в фазовых системах управления. По принципу действия и элементной базе различают ФД четырех типов: электромеханические; электронные на основе управляемых выпрямителей; электронные на основе потенциального триггера и усилителей постоянного тока; электронные с запоминающей ёмкостью и с выходом в цифровом коде.

4.4.1. Электромеханические ФД

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

В простейшем случае ФД состоит (рис. 4.9) из высокочувствительного поляризованного реле, на которое подаётся опорное напряжение бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , а контакты его коммутируют цепь нагрузки с сопротивлением бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , на которое через контакты реле подаётся преобразуемое (рабочее) напряжение бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Схема работает по принципу управляемого выпрямителя. Опорный сигнал коммутирует рабочий. Он подключает рабочее напряжение к сопротивлению нагрузки на полупериод опорного сигнала. При этом из синусоиды рабочего сигнала (рис.4.10) «вырезаются» участки длиной в полупериод опорного сигнала.

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

Если фазовый сдвиг бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (рис. 4.10,а), то имеет место обычное полупериодное выпрямление. Если бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru =180° (рис. 4.10,б), то на выходе формируется инверсный сигнал. Выходной сигнал является функцией разности фаз опорного и рабочего сигналов (рис. 4.10,в).

Среднее значение тока на сопротивлении нагрузки бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru определяется

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Вместо поляризованных реле используют вибропреобразователи, например, типа ВПГ-62. Частота питания преобразователя и преобразуемого сигнала, поступаемого с датчиков обратной связи следящих систем, как правило 400, 500, 1000 Гц. В настоящее время электромеханические ФД применяются редко ввиду малого срока службы (200 - 400 ч) коммутирующего элемента и возникающих помех. Большее распространение получили ФД других типов.

4.4.2. Диодные ФД

Наибольшее распространение в преобразовательных аналоговых схемах получили балансные ФД.

Рассмотрим базовую схему однополупериодного ФД (рис. 4.11,а).

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

В преобразовании участвуют напряжения вторичных обмоток трансформаторов: бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (рабочее); бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (опорное). Каждая из половинок этой схемы (относительно горизонтальной оси симметрии) представляет собой обычный однополупериодный управляемый выпрямитель. На каждый из этих выпрямителей, работающих в линейном режиме, подается векторная сумма переменных напряжений бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . В результате этого на резисторы бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru через выпрямители подаются напряжения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , представленные векторами АВ и АС (рис. 4.11,б). При этом

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ;

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ; бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Так как диоды пропускают ток в одном направлении, то на резисторах бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , будут импульсы напряжений бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru в виде половинок 1 и 2 синусоид разных полярностей, смещённые по фазе относительно друг друга на величину угла бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru (рис. 4.12).

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

Постоянная составляющая ФД и спектральный состав выходного напряжения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru определяются путем разложения его в ряд Фурье. Постоянная составляющая будет

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

Как видно, постоянная составляющая пропорциональна разности амплитуд и не зависит от углов бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Если бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , то

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

так как полагаем бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

За полупериод постоянная составляющая будет

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Для того, чтобы получить синусоидальную зависимость один из сигналов, как правило опорный, предварительно сдвигают на 90 градусов. Тогда окончательно имеем

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

В зоне малых значений углов будет

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru где бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Меньшие пульсации и больший (в 2 раза) уровень выходного сигнала имеет двухполупериодный балансный (рис. 4.13,а) и кольцевой ФД (рис. 4.13,б). Первый представляет собой сочетание включённых на общую нагрузку двух однополупериодных ФД, работающих поочередно в каждый полупериод.

Рассмотрим работу кольцевого ФД . В преобразовании участвуют также напряжения вторичных обмоток трансформаторов: бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - рабочее бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ;

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - опорное бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Опорное напряжение выполняет коммутирующие функции. Путь тока нагрузки рассматриваем от опорного напряжения трансформатора бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Полярность напряжений на обмотках трансформаторов соответствует первому рассматриваемому ниже случаю для первого полупериода.

Ток в цепи нагрузки течёт по цепи:

при бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru :

в 1-й п/период (точки): a - f - g - i - k - бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - b, бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ;

во 2-й п/период (точки): c - d - e - h - k - бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - b, бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ;

при бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru : в 1-й п/период (точки): b - бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - k - h - e - f - a, бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru ;

во 2-й п/период (точки): b - бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru - k - i - g - d - c, бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

Для лучшего использования схемы необходимо выполнять условие

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

4.4.3. ФД на основе статического триггера

Эта группа основана на использовании аналоговых и дискретных элементов. Рассмотрим построение и работу типовой схемы дискриминатора. ФД (рис. 4.14,а) состоит из усилителей-ограничителей (УО), формирователей импульсов (ФИ), инвертора аналогового сигнала И1, RS-триггера и усилителя постояннго тока (УПТ). В точках B и В' формируются положительные импульсы в моменты изменения полярности напряжений бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru на +. При бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru =180° (рис. 4.14,б) скважность выходных импульсов триггера составляет 0,5. Токи бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru в сопротивлениях бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru равны, имеют одинаковую длительность и бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru =0. При бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru 0 скважность импульсов на выходе Т1 меняется, причем при бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru 180° бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru <0,5 (рис. 4.14,в), при бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru 180° бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru > 0,5. Это приводит к уменьшению тока в одном плече балансного УПТ и увеличению в другом.

В результате изменяются знак и амплитуда выходного напряжения. Выходная характеристика имеет вид (рис. 4.15). Линейная зона ФД составляет 180°. Для приведения характеристики к виду бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru на У02 подают инверсный сигнал бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

4.4.4. ФД с запоминающей ёмкостью

В этой группе ФД можно выделить две разновидности - на основе импульсного ключа и с двойным преобразованием фазы.

Упрощенная схема ФД на основе импульсного ключа с запоминающей ёмкостью приведена на рис. 4.16. Сущность ее работы состоит в следующем.Ёмкость С заряжается путем периодического подключения с интервалом, равным периоду рабочего сигнала Тр на время бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru через ключ с низким входным сопротивлением бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Разряд конденсатора производится в течение остальной части периода при отключённом ключе через большое сопротивление нагрузки бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Постоянная времени цепи заряда конденсатора выбирается из условия его полного заряда, т.е. бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Зарядившись до полного напряжения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , которое было в момент импульса бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , ёмкость С почти сохраняет свой заряд до появления следующего импульса, так как постоянная цепи разряда бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

Если в момент очередного подключения импульсом бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , на заряд бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , то ёмкость подзаряжается до нового значения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , а если бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , то она разрядится до значения бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

Характеристика ФД на статическом триггере и УПТ (рис. 4.15) симметрична

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

относительно значения фазового сдвига бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Для приведения ее симметрии относительно нуля градусов предварительно смещают один из сигналов на 180 градусов. Принципиальным ограничением ФД это группы является определение фазового сдвига только с отрицательным знаком, то есть когда рабочий сигнал только отстает от опорного. Это является существенным ограничением их применения в системах управления и в особенности в следящих и самонастраивающихся.

В ФД с коммутирующим ключом и запоминающей емкостью выходной сигнал не имеет идеальной формы ступенек, так как в течение времени бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru происходит разряд конденсатора С по экспоненте на резисторе нагрузки. Параметры бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и С, кроме того, выбираются из условия обеспечения требуемой относительной амплитуды пульсаций

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru , т.к. бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru .

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

Наряду с этой группой ФД используются ФД, основанные на принципе двойного преобразования фазового сдвига в уровень постоянного напряжения и сохранения его в течение периода до окончания следующего измерения. Преобразование выполняется в два этапа: 1- преобразование фазового сдвига во временной интервал; 2 - преобразование временного интервала в уровень напряжения (рис.4.17). ФД работает следующим образом.

Усилители ограничители (УО1, УО2) преобразуют синусоидальные сигналы в ступенчатые. Формирователи импульсов (ФИ1, ФИ2) формируют разнополярные импульсы в моменты изменения полярности опорного бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru и рабочего бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru напряжений при переходе их через нулевые значения в соответствии со знаком производной.

бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru

Диод V1 пропускает на S-вход RS триггера только положительные импульс: тем самым устанавливая его в единичное состояние в начале каждого периода опорного сигнала. С установкой триггера T1 в единичное состояние сбрасываются ключи K1, K2. При этом ключ K2 подключает к источнику линейно-нарастающего напряжения (на схеме не показан) один из конденсаторов С1 или С2 (например С1). Другой в это время подключен ключём K4 на считывание. Ключ К1 разрешает прохождение импульса в канале бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru на R-вход триггера. Импульс в канале рабочего напряжения устанавливает триггер в нулевое состояние. Ключ K2 отключает конденсатор от источника напряжения заряда. В результате выполнено двойное преобразование: 1) фазовый сдвиг преобразован во временной интервал; 2) временной интервал преобразован в уровень напряжения на конденсаторе - бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru . Конденсаторы С1, С2 подключаются поочередно на заряд ключом K2 и считывание ключом K4 в момент окончания текущего преобразования сдвига фаз согласно диаграммам рис. 4.17,б, рис. 4.17,в. Ёмкость С1 работает в периоды 1, 3, 5, ..., а емкость С2 в периоды 2, 4, 6, ... . Перед подключением каждого конденсатора на заряд с него производится сброс напряжения ключом КЗ в начале очередного периода. Селектором знака фазового сдвига является полярность импульса в канале рабочего напряжения. Если фазовый сдвиг отрицательный (рис. 4.17,б), то полярность этого импульса положительна, если фазовый сдвиг положительный (рис. 4.17,в), то она отрицательна. Постоянные времени цепи разряда и заряда конденсатора выбираются аналогично предыдущей схеме. В схеме используются две ёмкости, ёмкость С2 не показана. Выходная характеристика линейна в пределах бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru 180 град (рис. 4.17,г). Линейная зона без труда может быть увеличена до значений бесконтактные коммутационные устройства электроавтоматики - student2.ru 2П и более.

На этом принципе преобразования фазового сдвига во временной интервал строятся и цифровые ФД. При этом временной интервал, пропорциональный фазовому сдвигу, заполняется импульсами определенной частоты, которые суммируются счетчиком. По окончании измерения код счетчика и будет кодом величины фазового сдвига, а запомненный признак полярности импульса в канале рабочего напряжения - признаком знака фазового сдвига.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. С о т с к о в Б. С. Основы расчёта и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств. М.: Энергия, 1965. 576 с.

Высш. шк., 1974. 414 с.

3. Т а е в И. С. Электрические аппараты. М.: Энергия, 1977. 272 с.

4. Т а е в И. С. Электрические аппараты автоматики и управ­ления. М.: Высш. шк., 1975. 224 с.

5. Ч у н и х и н А. А. Электрические аппараты. М.: Энергия, 1975. 648 с.

6. М и х а й л о в 0. П., С т о к о л о в В. Е. Электрические аппараты и средства автоматизации. М.: Машиностроение, 1982. 182 с.

7. К и с е л ё в В. М. Фазовые системы числового программного управления станками. М.: Машиностроение, 1976. 352 с.

8. Н о в о с ё л о в Б. В., К о б з е в А. А. Устройство для измерения и запоминания сдвига фаз двух сигналов. А.с. № 332443, бюл. № 10, 1972.

9. К о б з е в А. А. Устройство для измерения сдвига фаз двух сигналов. А.с. № 661394, бюл. № 17, 1974.

Наши рекомендации