Датчики электрических величин

В системах автоматики контролируемыми и регулируемы­ми координатами являются не только механические ве­личины - угол поворота, скорость, ускорение, но и элек­трические величины, такие, как ток, напряжение, ЭДС, мощность. Для измерения этих координат используются соответствующие датчики. К числу типовых можно от­нести датчики тока (ДТ) и напряжения (ДН). Эти датчики наиболее часто применяются, на их основе стро­ятся датчики ЭДС и мощности.

Назначение ДН и ДТ - преобразование входной ве­личины - напряжения или тока силовых элементов в выходной сигнал, пропорциональный вход­ной величине. Датчики могут выполнять одновременно и функции согласующего элемента - потенциального раз­делителя, усилителя по напряжению, мощности. В зави­симости от вида выходного сигнала датчики разделяют­ся на аналоговые и дискретные (цифровые).

На рис. 5.14 изображены обобщенные структурные схемы аналоговых и цифровых ДН и ДТ. В составе аналогового датчика с выходным напряжением на постоянном токе можно выделить три части: вводную цепь (ВЦ), потенциальный разделитель (ПP)и выходной усилитель (Вых. У). Собственно датчиком яв­ляется вводная цепь - делитель напряжения, шунт, трансформатор напряжения или тока с выпрямителем. Эта цепь преобразует измеряемые напряжения или ток во входное напряжение постоянного тока U_вх. Потен­циальный разделитель (ПР) гальванически разъ-единяет входной и выходной сигналы. В аналоговых датчиках (рис. 5.14, а) наиболее часто используются трансформаторный разделитель. Для осуществления в дан­ном датчике потенциального разделения с помощью трансформатора необходимо иметь на входе трансфор­матора модулятор (М)(а на выходе - демодулятор (ДМ)(фазовый детектор), работающие вместе с коммутирующим устройством - генератором тактовых импульсов (ГТИ). Узлы, необходимые для такого разделения, выделены на рис. 5.14 пунктиром. Выходной уси­литель формирует усиленный по напряжению и мощно­сти выходной сигнал датчика U_вых. Характеристики уп­равления ДН и ДТ без учета погрешностей прямоли­нейны:

U_вых = k'_вц k_пр k_ув U = k_ДНU;

U_вых = k''_вц k_пр k_ув I = k_ДтI,

где k'_вц = U_вх / U; k''_вц = U_вх / I; k_пр = U_дм / U_вх; k_ув = U_вых / U_дм -передаточные коэффициенты соответст­венно вводных цепей ДН и ДТ, потенциального разде­лителя и выходного усилителя (рис. 5.14, а).

В отличие от безразмерного результирующего коэф­фициента ДН k_ДН коэффициент ДТ k_ДТ имеет единицу измерения сопротивления - Ом, поскольку вводная цепь представляет собой шунт с сопротивлением R_ш , с которого снимается напря­жение:

для измеряемой цепи постоянного тока

U_вх = k''_вцI = R_ш I;

для измеряемой цепи переменного тока

U_вх = k''_вцI = k_ТТ k_в R_ш I,

где k_ТТ - коэффициент трансформации трансформатора тока; k_в - передаточный коэффициент выпрямителя.

Цифровые ДН и ДТ имеют также в своем составе вводную цепь, потенциальный разделитель и усилитель, но для формирования цифрового выходного сигнала N_вых снабжены АЦП (рис. 5.14, б). При дискретном сигнале потенциальный разделитель просто реализуется с по­мощью оптопар. Характеристики управления цифровых ДН и ДТ соответствуют выражениям

N_вых = k'_вц k_у k_пр k_АЦП U = k_ДНU;

N_вых = k''_вц k_у k_пр k_АЦП I = k_ДТI,

где k_у, k_пр = 1, k_АЦП - передаточные коэффициенты со­ответственно входного усилителя, оптронного потенци­ального разделителя и АЦП. Характеристики управления цифровых ДТ и ДН имеет ступенчатую форму, высота ступенек на графиках определяется ценой младшего разряда АЦП.

В динамике аналоговые и цифровые датчики тока и напряжения обычно с достаточной точностью могут рассматриваться как безынерционные звенья.

Изучаемые здесь датчики тока и напряжения и их принципиальные схемы подробно рассматриваются в /1/.

Вопросы для самопроверки

1. Для измерения каких величин используются датчики тока и датчики напряжения в системах автоматики?

2. Что является входной и выходной координатами датчика тока?

3. Что является входной и выходной координатами датчика напряжения?

4. Какие дополнительные функции могут выполнять датчики тока и датчики напряжения в системах автоматики?

5. Как различаются датчики тока и датчики напряжения по виду выходного сигнала?

6. Из каких основных частей состоит структурная схема аналоговых датчиков напряжения и тока?

7. Из каких основных частей состоит структурная схема цифровых датчиков напряжения и тока?

8. Для чего в составе датчиков тока и напряжения предусматриваются потенциальные разделители?

9. Какие устройства наиболее часто используются в качестве потенциальных разделителей в аналоговых датчиках тока и напряжения?

10. Какие устройства наиболее часто используются в качестве потенциальных разделителей в цифровых датчиках тока и напряжения?

11. Зачем в состав устройств, предназначенных для трансформаторного потенциального разделения сигналов в аналоговых датчиках тока и напряжения, входит фазовый детектор?

12. Приведите формулу для расчета характеристики управления аналогового датчика напряжения.

13. Приведите формулу для расчета характеристики управления цифрового датчика напряжения.

14. Приведите формулу для расчета характеристики управления аналогового датчика тока.

15. Приведите формулу для расчета характеристики управления цифрового датчика тока.

16. Почему характеристика управления цифровых датчиков напряжения и датчиков тока имеет ступенчатый вид?

17. Какими динамическими звеньями обычно представляются в системах автоматики датчики тока и датчики напряжения?

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Условия контрольных задач

При изучении курса "Элементы систем автоматики" предусмотрено выполнение одной контрольной работы, состоящей из трех задач. Основной теоретический материал, необходимый для решения этих задач, был изложен в предлагаемом пособии. Однако с целью более эффективной работы в процессе решения целесообразно пользоваться дополнительной литературой, ссылки на которую предусмотрены в методических указаниях к решению задач.

Задача 1

Для реверсивной встречно-параллельной схемы управляемого тиристорного выпрямителя, работающего на активно-индуктивную нагрузку, рассчитать: среднее значение тока вентиля; действующее значение фазного тока первичных и вторичных обмоток сило­вого трансформатора; действующее значение фазной ЭДС вторичных обмоток силового трансформатора; максимальное напря­жение на вентиле; типовую мощность силового трансформатора.

Для заданного угла управления тиристорами одной из вен­тильных групп построить кривые: мгновенных значений токов вентилей и одной из фаз вторичной и первичной обмоток силового трансформатора; выпрямленной ЭДС на выходных зажимах выпрямителя, к которым подключа­ется цепочка из последовательно включенных индуктивности и активного сопротивления нагрузки; выпрямленного тока нагрузки.

На этом же рисунке указать передний фронт импульса управления одним из тиристоров и построить кривую опорного напряжения для одного из каналов системы импульсно-фазового уп­равления тиристорами.

Для пяти произвольных значений угла управления тиристорами одной из вентильных групп, охватывающих области выпрямительного и инверторного режимов, построить внешние характерис­тики выпрямителя.

Для трёх произвольных значений тока нагрузки, не превышающих двукратное номинальное среднее значение выпрямленного тока, построить характеристики управления силовой части выпрями­теля. В числе этих характеристик должна быть и регулировочная характеристика выпрямителя, то есть характеристика управления силовой части на холостом ходу, когда ток нагрузки равен нулю. Построить характеристику управления всего управляемого выпрямителя с учётом формы опорного напряжения системы импульсно-фазового управления тиристорами и необходимости ограниче­ния максимального угла управления вентильной группы, работающей в инверторном режиме, значением 17p /18. Данную характеристику строить для режима холостого хода выпрямителя.

Записать формулу передаточной функции выпрямителя по управляющему воздействию и рассчитать значения входящих в нее коэффициента усиления и постоянной

времени, полагая, что система управления преобразователем безынерционна и сигнал управления меняется в "малом".

Дляслучая раздельного управления вентильными комплекта­ми описать логику раздельного управления вентильными комплектами, на основании кото­рой разработать логическое переключающее устройство.

Вариант задания выбирается из табл. 6.1 и 6.2 в соответствии с предпоследней и последней цифрами номера зачетной книжки.

При указанных выше построениях считать, что коммутация тиристоров протекает мгновенно. Считать, что ток нагрузки идеально сглажен, индуктивное сопротивление нагрузки стремится к бесконечности (режим с источником тока в цепи нагрузки).

Таблица 6.1

Предпослед­няя цифра но­мера зачетной книжки	Силовая схема	Управление вентильными группами	Форма опорного напряжения
	Шестифазная нулевая	Раздельное	Пилообразное
I	Трехфазная мостовая	Раздельное	Косинусоидальное
	Шестифазная нулевая	Совместное	Пилообразное
	Однофазная мостовая	Раздельное	Косинусоидальное
	Шестифазная нулевая	Раздельное	Косинусоидальное
	Трехфазная мостовая	Раздельное	Пилообразное
	Трехфазная нулевая	Совместное	Пилообразное
	Однофазная нулевая	Совместное	Косинусоидальное
	Трехфазная мостовая	Совместное	Косинусоидальное
	Однофазная нулевая	Раздельное	Пилообразное

Таблица 6.2

Последняя цифра номера зачетной книжки	Uоm В	Е1 В	Еdн В	Rd Ом	Lф Гн	a рад
				1,00	0,0015	p/9
				2,00	0,0010	p/5
				2,00	0,0009	p/4
				0,50	0,0070	2p/9
				0,80	0,0011	5p/12
				2,50	0,0012	p/10
				0,25	0,0014	3p/10
				1,50	0,0017	p/3
				0,75	0,0005	4p/12
				1,20	0,0011	p/18

Частота напряжения питающей сети 50 Гц, длина рабочего линейного участка пилообразного опорного напряжения равна p рад.

В табл. 6.2 приняты обозначения:

U_оm -амплитуда опорного напряжения системы управления;

E₁ - действующее значение линейной ЭДС питающей сети;

Е_dн - номинальное среднее значение выпрямленной ЭДС (среднее значение выпрямленного напряжения на выходе выпрямите­ля при угле управления одной из вентильных групп, равном p/18, и отсутствии тока нагрузки);

R_d - активное сопротивление нагрузки;

L_ф - приведенная к цепи выпрямленного тока индуктивность рассеяния фазы силового трансформатора;

a - угол управления тиристорами одной из вентильных групп, для которого строятся диаграммы мгновенных значений токов и напряжений на элементах схемы выпрямителя.

Задача 2

Для указанного в табл. 6.3 одного из элементов систем автоматики привести принципиальную схему и дать подробное описание работы этой схемы. Описать возможное конструктивное исполнение элемента.

Привести зависимости, описывающие связь между входными и выходными координатами элемента. Указать, каким динамическим звеном можно считать данный элемент при расчёте характеристик систем автоматики. Привести передаточ­ную функцию по управляющему воздействию.

Указать, какие факторы наиболее существенно влияют на стабильность характеристик элемента, его коэффициент передачи и быстродействие. Вариант задания выбирается из табл. 6.3 в соот­ветствии с последней цифрой номера зачетнойкнижки.

Таблица 6.3

Последняя цифра номера зачетной книжки	Тип элемента
	Фазовый детектор
	Датчик угла на основе сельсина
	Датчик скорости на основе асинхронного тахогенератора
	Датчик угла рассогласования на основе сельсинов
	Задатчик интенсивности
	Цифровой датчик скорости с фотоэлектрическим кодовым диском
	Цифровой датчик угла с кодовым диском
	Нереверсивный магнитный усилитель с выходом на постоянном токе
	Электромашинный усилитель
	Датчик скорости на основе тахогенератора постоянного тока

Задача 3

Для указанной в табл. 6.4 передаточной функции W(p) = U_вых(p)/U_вх(p), где U_вых(p), U_вх(p) - изображения по Лапласу входной и выходной координат, привести упрощенную принципиальную схему звена, реализующего эту функцию, полагая, что оно выполнено на основе одного или нескольких операционных усилителей. Рассчитать значения активных и реактивных сопротивлений во входных цепях и цепях обратной связи операционных усилителей, при которых будут получены параметры указанной в задании передаточной функции.

Вид передаточной функции и ее параметры выбираются из табл. 6.4 в соответствии с предпоследней и последней цифрами номера зачетной книжки.

Таблица 6.4

Предпослед­няя цифра но­мера зачетной книжки	Передаточная функция W(p)	Послед­няя цифра но­мера зачетной книжки	Коэффициент k	Постоянная времени T1, c	Постоянная времени T2, c
	k(T1p+1)+1/(T2p+1)		1,25	0,01	0,05
	k+T1p		5,50	0,02	0,10
	k+T1p+1/(T2p)		7,80	0,10	0,15
	k/(T1p+1)		0,50	0,20	0,30
	k+1/(T1p)		0,20	0,25	0,35
	k/[(T1p+1)(T2p1)]		9,60	0,40	0,20
	k+1/(T1p+1)		13,00	0,10	0,15
	k(T1p+1)/(T2p+1)		6,60	0,70	0,33
	1/(T1p)+k/(T2p +1)		0,80	0,05	0,25
	k/[T1p(T2p+1)]		10,00	0,44	0,23