Технические средства комплексов

Программируемые контроллеры и промышленные компьютеры

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Технические средства комплексов

Проникновение ПК во все сферы современной жизни повлекло за собой постепенное стирание различий между бытовым и промышленным программным обеспечением. Персональные компьютеры решают не только все задачи управления верхнего уровня иерархии, но и заняли прочное место в реализации некоторых подсистем управления производством (например, подсистемы визуализации и обслуживания). В настоящее время ПК активно используют в управлении технологическими процессами, что объясняется возросшей необходимостью снижения затратности производства. Реализация систем автоматизированного управления на базе ПК позволяет сэкономить немалые денежные средства.
Однако выбор между гибко программируемым контроллером и ПК зависит не только от технических характеристик оборудования или граничных условий решаемой задачи. Основную роль в таком выборе играют личные предпочтения и опыт пользователей. Поэтому особое внимание производители средств автоматизации уделяют широте функций предлагаемых ими систем, что способствует свободе выбора потребителем оборудования. Невозможно дать общие рекомендации о том, в каких случаях нужно применять гибко программируемые контроллеры, а в каких — отдать предпочтение ПК. Несмотря на существование таких критериев, как стоимость системы, возможность ее работы в реальном режиме времени, надежность, вычислительная мощность или сложность сервисного обслуживания, их применение зависит от конкретной постановки задачи, особенностей приложения и требований пользователей.
Наиболее важную роль играют работоспособность системы в реальном режиме времени и ее надежность — качества, которыми до сих пор системы на базе ПК не обладали, но без которых система управления технологическим процессом невозможна.
Персональный компьютер не рассчитан на то, чтобы реагировать на какие-либо события в управляемом процессе в течение предопределенных промежутков времени, что является его основным недостатком. При работе ПК возможна ситуация, когда операционная система или части пользовательских приложений блокируют центральный процессор на достаточно продолжительные промежутки времени. Например, обработка прерывания может исключить на некоторое время обработку последующих прерываний. Такое поведение системы не приемлемо для технологических процессов, требующих строго определенного времени реакции.
Гибко программируемые контроллеры работают таким образом, что следующие друг за другом алгоритмические шаги и процедуры исполняются за строго определенное время. Такая концепция позволяет легко оценить или измерить максимальное время реакции системы управления. Превышение времени цикла исполнения программы управления (максимальное время реакции системы) является одним из самых важных событий, на которые контроллер должен непременно реагировать.
Конечно, ПК также можно сделать способным работать в реальном режиме времени. Выбор подходящей операционной системы и грамотное написание программного обеспечения позволят и при использовании персональных компьютеров достичь гарантированного времени исполнения программного цикла и обработки прерываний. Однако эти преимущества имеют и некоторые недостатки: чем больше функций работы в реальном режиме времени встроено в персональный компьютер, тем сильнее это конкретное решение отличается от общепринятых стандартов и таких связанных с ними качеств, как открытость и совместимость с другими системами.
Возможность работы системы в реальном режиме времени является не единственным фактором при выборе между гибко программируемыми контроллерами и ПК. Возможность подключения системы к информационной сети, функции обработки данных и визуализации, качество графического интерфейса играют также важную роль.
В тех случаях, когда дополнительные функции начинают существенно превалировать над функциями управления и требуется использование всего спектра возможностей ПК, предпочтительно применять программные решения на базе персональных компьютеров
Если решаемая задача управления требует полноценной работы в режиме реального времени (это значит, что система при всех обстоятельствах в 100 % случаев реагирует на все события в управляемом процессе в строго определенные промежутки времени), без использования гибко программируемых контроллеров трудно обойтись. Замена решений на базе малых программируемых контроллеров на системы, выполненные на базе ПК, невыгодна с точки зрения цены. Однако в тех случаях, когда нарушение строгих временных рамок допустимо, применение открытых систем на базе персональных компьютеров не представляет сложности.
Для обеспечения абсолютной предсказуемости времени реакции операционная система должна быть соответствующим образом расширена. Подобные расширения всегда специфичны для определенных производителей, поскольку на международном рынке не существует общепризнанных стандартов операционных систем (или расширений операционных систем) реального времени. Эта необходимость создания нестандартных расширений влечет за собой потерю самого главного преимущества решений на базе ПК — их открытости, а решение становится зависимым от конкретного производителя, осложняется последующий переход на новую версию операционной системы.
Фирма «Siemens» в рамках семейства средств автоматизации SIMATIC Totally Integrated Automation предлагает новые системы SIMATIC WinAC (Automation Center), которые позволяют решить все перечисленные проблемы. Новые устройства недороги, совместимы с современными стандартами, просты в применении и обслуживании и пригодны для всего спектра приложений, написанных для операционной системы Windows. Однако и для этих систем действует правило: их применение целесообразно лишь в том случае, если кроме традиционных задач управления пользователю необходимы также типичные функции персональных компьютеров — обработка данных и визуализация управляемого процесса. Для задач управления гибко программируемые контроллеры, как и прежде, остаются наиболее рентабельными.
WinAC — это не просто программная эмуляция контроллера на ПК. Новый продукт фирмы «Siemens» представляет собой интегрированное и комплексное решение задач автоматизированного управления технологическими процессами на базе персональных компьютеров.
Преимуществами таких систем являются:
экономия средств в случаях, когда ПК является частью технологического оборудования;
открытость — программное и аппаратное обеспечение не зависят от конкретного производителя, обладают высокой производительностью и низкой ценой;
неограниченный объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ);
возможность решения задач визуализации без необходимости затрат на дополнительное проектирование;
возможность использования функций, написанных на языке С.
К недостаткам следует отнести следующие:
реализация режима реального времени возможна только в результате расширения систем;
отсутствие возможности масштабирования аппаратного обеспечения (в семействах программируемых контроллеров имеется значительно большее разнообразие устройств различных классов мощности);
аппаратное обеспечение стандартных ПК (не ПК промышленного исполнения) значительно хуже программируемых контроллеров с точки зрения надежности. Это относится и к системному программному обеспечению, так как оно значительно проще в программируемых контроллерах, чем в ПК;
невозможность распознавания ситуации перебоя электропитания.
Однако промышленные компьютеры наряду с программируемыми контроллерами активно используются в управлении технологическими агрегатами и комплексами. И эта тенденция в дальнейшем будет усиливаться.

Нерегулируемые и регулируемые электроприводы

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Технические средства комплексов

Нерегулируемые электроприводы. В качестве нерегулируемых по скорости электроприводов используются, как правило, электроприводы переменного тока, в частности электроприводы с асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями. Двигатели этого типа малой и средней мощности запускаются прямым включением в сеть без ограничения пусковых токов. Основные узлы управления в таких электроприводах выполняют функции коммутации и защиты. Применяются релейно-контакторные схемы управления.
Асинхронные двигатели (АД) напряжением до 1кВ защищают: от многофазных, а в случае заземленной нейтрали и заземления корпусов также от однофазных коротких замыканий (КЗ); от перегрузок, если они возможны по условиям эксплуатации или характеристике приводного механизма; от понижения напряжения, если самозапуск двигателей недопустим или нежелателен.
Защиту выполняют плавкими предохранителями, расцепите-лями автоматических выключателей или тепловыми реле магнитных пускателей. Защиту двигателя от КЗ в сетях с глухозаземлен-ной нейтралью выполняют трехфазной (от междуфазных КЗ и однофазных на землю).
Автоматические выключатели осуществляют все виды защиты: от КЗ — электромагнитными и полупроводниковыми расцепите-лями; от перегрузки — электротепловыми расцепителями; от снижения напряжения — расцепителями минимального напряжения.
Защита двигателей от КЗ может осуществляться с помощью максимальных токовых реле типа РЭВ в виде токовой отсечки. На рис. 1.3, а приведена схема токовой отсечки без выдержки времени в трехфазном исполнении. Реле тока КА1... КАЗ включены в каждую фазу статора. При срабатывании хотя бы одного реле размыкается соответствующий контакт КА1...КАЗ в цепи катушки контактора КМ и электродвигатель отключается от сети. При выборе тока срабатывания коэффициент отсечки ктс = = 1,3... 1,5, а коэффициент чувствительности к^ > 2,0 при КЗ на выводах электродвигателя.
От перегрузки двигатель охраняет токовая защита, реагирующая на возрастание тока, а также температурная защита. Токовая защита выполняется электромеханическими, полупроводниковыми или электротепловыми реле. Защита двигателя от перегрузки должна срабатывать при кратковременных перегрузках, поэтому она имеет выдержку времени и может действовать на отключение, сигнал или разгрузку механизма двигателя.
Защиту от перегрузки устанавливают, когда имеет место технологическая перегрузка или необходимо ограничить длительность пуска или самозапуска двигателей при пониженном напряжении. Защита от перегрузки, выполняемая с помощью электромагнитных реле, включает в себя реле тока и реле времени. Если защита должна отключать двигатель при обрыве фазы, то ее выполняют двухфазной. Двухфазной должна быть защита при наличии плавких предохранителей, используемых для защиты двигателей от КЗ. Ток срабатывания электромагнитных реле тока выбирают по условиям.
При длительной перегрузке и затянувшемся пуске двигателя реле времени КТ успевает сработать и, размыкая контакт КТ в цепи катушки контактора КМ, отключить двигатель.
Токи срабатывания полупроводниковых расцепителей автоматических выключателей при срабатывании защиты от перегрузки выбирают по приведенным выше условиям.
Защита от перегрузки, выполняемая с помощью тепловых рас-цепителей или электротепловых реле автоматических выключателей, получается наиболее эффективной, если /раСц.ном = /а.ном-
На рис показаны электротепловые реле для защиты от перегрузки. Эта защита предотвращает работу двигателя на двух фазах, поэтому магнитный пускатель состоит из двух тепловых реле КК. Номинальный ток электротеплового реле определяют по условию.
Аппаратом защиты от снижения напряжения является магнитный пускатель или контактор, так как при напряжении менее (0,6... 0,7) 1/ты он автоматически отключается, и включить его можно, используя схемы управления при восстановлении напряжения в сети.
Если необходимо осуществить реверс двигателя и торможение, то применяется реверсивный магнитный пускатель, который включает в себя два линейных контактора КМ1 и КМ2 и два тепловых реле защиты АХ (рис. 1.4). Такая схема обеспечивает прямой пуск и реверс асинхронного двигателя, а также торможение противо-включением при ручном управлении.
В схеме предусмотрена также защита от перегрузок АД (реле КК) и коротких замыканий в цепях статора (автоматический выключатель QF) и управления (предохранители FA). Обеспечивается нулевая защита от исчезновения (снижения) напряжения сети (контакторы КМ1 и КМ2).
Пуск двигателя в условных направлениях «Вперед» или «Назад» осуществляется нажатием соответственно кнопки SB1 или SB2, что приводит к срабатыванию контактора КМ1 или КМ2 и подключению АД к сети (при включенном автоматическом выключателе QF).
Для обеспечения реверса или торможения двигателя сначала нажимают кнопку SB3, что приводит к отключению включенного контактора (например, КМ1), затем нажимают кнопку SB2, что приводит к включению контактора КМ2 и подаче на АД напряжения питания с другим чередованием фаз. После этого магнитное поле двигателя изменяет свое направление вращения и начинается процесс реверса, состоящий из двух этапов — торможения про-тивовключением и «разбега» в противоположную сторону.
Если нужно только затормозить двигатель, то при достижении им нулевой скорости следует вновь нажать кнопку SB3, что приведет к отключению его от сети и возвращению схемы в исходное положение. Если же кнопку SB3 не нажимать, последует «разбег» АД в другую сторону, т. е. его реверс.
Во избежание короткого замыкания в цепи статора, которое может возникнуть в результате одновременного ошибочного нажатия кнопок SB1 и SB2 в реверсивных магнитных пускателях предусматривается специальная механическая блокировка, которая представляет собой рычажную систему, предотвращающую одновременное включение двух контакторов. В дополнение к механической в такой схеме используется типовая электрическая блокировка, применяемая в реверсивных схемах управления, которая заключается в перекрестном включении размыкающих контактов контактора КМ1 в цепь катушки контактора КМ2 и наоборот.
Релейно-контакторные схемы управления синхронным двигателем (СД), кроме обычных операций включения и отключения двигателя и ограничения пусковых токов, должны обеспечивать его синхронизацию с сетью.
Электротехническая промышленность выпускает типовые панели и шкафы управления СД разных типов. Рассмотрим схему панели управления низковольтным СД серии ПУ 7502 (рис. 1.5), которая обеспечивает его прямой (без токоограничения) пуск с глухоподключенным возбудителем G, имеющим независимую НОВ и последовательную ПО В обмотки возбуждения, и форсирование возбуждения при снижении питающего напряжения. В схеме предусмотрены также тепловая защита (реле КК и трансформаторы тока ТА1 и ТА2), токовая (автоматы QF1 и QF2) и защита от снижения напряжения сетей переменного (реле KV2, KV3) и постоянного (реле KV1) токов.
Пуск СД возможен только при нормальных питающих напряжениях постоянного и переменного токов. Если рукоятка командо-контроллера SA находится в среднем положении и включены автоматы Q/7 и QF2, срабатывают реле напряжения KV2, KV3 и реле времени КТ, подготавливая схему к пуску. При переводе рукоятки SA в положение Вкл. срабатывает реле KV1 и катушка линейного контактора КМ1 подключается к источнику питания, одновременно к обмотке статора СД подводится напряжение переменного тока, двигатель начинает «разбеп>. При скорости, близкой к синхронной, происходит возбуждение G и соответственно двигателя, т.е. начинается процесс синхронизации его с сетью.
О включении контактора форсировки КМ2 сигнализирует указательное реле КН. Для контроля тока статора в схеме предусмотрен амперметр РА1, а для контроля тока возбуждения — амперметр РА2, цепь питания которого проходит через шунт RS.
Нерегулируемые электроприводы с управляемым пуском. Эти электроприводы применяются при использовании асинхронных двигателей с фазным ротором средней и большой мощности, а также двигателей постоянного тока. Различные варианты релей-но-контакторных схем управления такими электроприводами рассмотрены.
Рассмотрим схему пуска асинхронного двигателя в одну ступень в зависимости от времени и схему торможения противовклю-чением в зависимости от ЭДС. После подачи напряжения происходит включение реле времени КТ, которое своим контактом размыкает цепь питания контактора КМЗ, предотвращая его включение и преждевременное шунтирование (закорачивание) пусковых резисторов в цепи ротора.
При нажатии кнопки SB1 включается контактор КМ1, статор подсоединяется к сети, электромагнитный тормоз YB растормаживается и начинается «разбег» двигателя. Включение контактора КМ1 одновременно приводит к срабатыванию контактора КМ4, который своими контактами шунтирует резистор противовклю-чения Ra2, а также размыканию цепи катушки реле времени КТ, которое, потеряв питание, начинает отсчет выдержки времени, после чего замыкает свой контакт в цепи катушки контактора КМЗ. Контактор, срабатывая, шунтирует пусковой резистор Ral в цепи ротора, и АД начинает работать в соответствии с естественной характеристикой.
Управление торможением в схеме обеспечивает реле торможения KV, контролирующее значение ЭДС (скорости) ротора. Резистором Rp реле регулируется таким образом, чтобы при пуске (0 < < s < 1) наводимая в роторе ЭДС была недостаточной для включения, а в режиме противовключения (1 < s < 2) — достаточной (здесь s — скольжение).
Для торможения двигателя необходимо нажать сдвоенную кнопку SB2, размыкающий контакт которой, разомкнув цепь питания катушки контактора КМ1, отключает АД от сети, при этом размыкается цепь питания контактора КМ4 и замыкается цепь питания реле КТ, т.е. контакторы КМЗ и КМ4 отключаются, а в цепь ротора АД включатся резисторы Ral и Ra2.
Нажатие кнопки ^^одновременно приводит к замыканию цепи питания катушки контактора КМ2, который, включившись, вновь подключает двигатель к сети, но уже с другим чередованием фаз сетевого напряжения на статоре, т.е. АД переходит в режим торможения противовключением. При этом реле KV срабатывает и после отпускания кнопки SB2 обеспечивает питание контактора КМ2 через свой и его замыкающие контакты.
В конце торможения, когда скорость близка к нулю и ЭДС ротора уменьшилась, реле KV отключается и своим контактом размыкает цепь питания катушки контактора КМ2, который, ожесточившись, отключает двигатель от сети, схема возвращается в исходное положение. При этом тормоз YB, также обесточившись, фиксирует (тормозит) вал АД.
Управление пуском, реверсом и торможением двигателей постоянного тока (ДПТ) в большинстве случаев осуществляется в зависимости от времени, скорости (ЭДС), тока или пути.
Рассмотрим схему управления пуском ДПТ в зависимости от времени, реверсом и торможением противовключением в зависимости от ЭДС.
В схеме предусмотрены линейные контакторы КМ1 и КМ2, обеспечивающие вращение двигателя соответственно в одну и другую стороны. Главные контакты этих аппаратов образуют реверсивный мостик, с помощью которого можно изменять полярность напряжения на якоре М. В якорной цепи, кроме пускового резистора Лд1, включен резистор противовключения Ra2, который управляется контактором противовключения КМЗ.
Управление двигателем при торможении противовключением и реверсе осуществляется с помощью двух реле противовключения KV1 и KV2. Их назначение заключается в том, чтобы в режиме противовключения обеспечить ввод в цепь якоря дополнительно к пусковому резистору Ral резистора противовключения Лд2, что достигается выбором точки присоединения к нему катушек реле KV1 и KV2.
Пуск ДПТ в любом направлении осуществляется в одну ступень в зависимости от времени. При нажатии, например, кнопки SB] срабатывает контактор КМ1 и подключает якорь Мк источнику питания. Из-за падения напряжения на резисторе Лд1 от пускового тока срабатывает реле времени КТ, размыкающее свой контакт в цепи контактора КМ4. Срабатывание КМ1 приводит также к срабатыванию реле KV1, которое, замкнув свой замыкающий контакт в цепи контактоpa противовключения КМЗ, включает его, в результате чего происходит шунтирование резистора противовключения Ra2 и одновременно катушки реле времени КТ. Реле времени КТ начинает отсчет выдержки времени.
По истечении требуемой выдержки времени реле AT замыкает свой контакт в цепи катушки контактора КМ4. Он включается, шунтирует пусковой резистор Лд1, и двигатель начинает работать в соответствии с естественной характеристикой.
Для осуществления торможения необходимо нажать кнопку SB2. В результате отключаются контактор КМ1, реле KV1, контакторы КМЗ и КМ4 и включается контактор КМ2. Изменяется полярность напряжения на двигателе, он переходит в режим торможения про-тивовключением с двумя резисторами в цепи якоря Яд1 и R&1. Несмотря на замыкание контакта КМ2 в цепи реле KV2, оно (благодаря описанному выше подключению) не включается, чем предотвращается включение аппаратов КМЗ и КМ4 и шунтирование резисторов Лд1 и Яд2.
Перевод ДПТ в режим противовключения соответствует его работе в переходном режиме (переход с естественной характеристики на искусственную характеристику).
По мере снижения скорости двигателя растет напряжение на катушке реле KV2 и при скорости, близкой к нулю, оно достигает значения напряжения срабатывания. Если к этому моменту времени кнопка SB2 будет отпущена, то отключается контактор КМ2, схема возвращается в исходное положение, процесс торможения заканчивается. Если же при малой скорости кнопка SB2 остается нажатой, то включается реле KV2, повторяется процесс пуска двигателя, но в противоположном направлении. Таким образом, реверсирование ДПТ включает в себя два этапа — торможение противовключением и пуск в противоположном направлении. Схемы управления пуском обеспечивают ступенчатый пуск. Если возникает необходимость плавного пуска, то можно использовать тирис-торные пускатели асинхронных корот-козамкнутых двигателей. Такие пускатели являются по существу тири-сторными преобразователями напряжения.
Регулируемые электроприводы. Системы управляемого пуска электропривода могут выполнять функции ступенчатого или плавного в ограниченном диапазоне регулирования скорости. Однако эти приводы обладают низкими энергетическими показателями из-за больших потерь электроэнергии. Их использование возможно для кратковременного снижения скорости до определенных значений и исключено при плавном регулировании скорости в большом диапазоне.
В качестве систем ступенчатого регулирования скорости электроприводов используют также приводы с двухскоростными асинхронными двигателями, в которых секции обмоток статора соединяются треугольником или двойной звездой. Однако в большинстве случаев в настоящее время используются регулируемые электроприводы с управляемым преобразователем и системами управления, оптимально приспособленными по энергетическим и технологическим показателям.
Управляемые преобразователи электроэнергии выполняются главным образом как полупроводниковые преобразователи в виде неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов напряжения (АИН) и тока (АИТ), инверторов, ведомых сетью, преобразователей частоты с непосредственной связью. Для устранения искажения формы напряжения сети в преобразователях применяют фильтрокомпенсирующие устройства. Виды преобразователей и их комбинации определяются типом электродвигателя и задачами управления, мощностью, диапазоном регулирования, необходимостью рекуперации энергии в сеть, влиянием преобразователей на питающую сеть.
Схемотехнические решения преобразователей в электроприводах постоянного и переменного токов остаются традиционными. С учетом возрастания требований к энергетическим характеристикам электроприводов и их влиянию на сеть развитие получают преобразователи, обеспечивающие экономичные способы управления электроприводами. Изменения схем преобразователей главным образом связаны с появлением новых приборов — мощных полевых транзисторов (MOSFET), биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), запираемых тиристоров (ОТО).
Существуют следующие тенденции развития преобразователей: расширение границ применения полностью управляемых приборов (транзисторов мощностью до 3...5 МВт, тиристоров мощностью до 5...20 МВт); распространение методов широтно-импульс-ной модуляции (ШИМ); блочные принципы построения преобразователей на основе унифицированных силовых гибридных модулей, выполняемых на базе транзисторов и тиристоров; возможность выполнения преобразователей постоянного и переменного тока и их комбинаций на единой конструктивной основе, в том числе на базе интеллектуальных силовых модулей.
В электроприводах постоянного тока, кроме управляемых выпрямителей, для получения высокого быстродействия применяют системы с неуправляемыми выпрямителями и широтно-импульсными преобразователями. В этом случае можно не использовать фильтрокомпенсирующее устройство.
Преобразователи, используемые для управления вентильными двигателями (ВД), состоят из управляемого выпрямителя, аналогичного выпрямителю привода постоянного тока, и автономного инвертора, управляемого сигналами, поступающими от датчика положения ротора.
В системах частотного управления АД преимущественно используются инверторы напряжения. Если необходимость рекуперации энергии в сеть переменного тока отсутствует, то используют неуправляемый выпрямитель, что позволяет применять простую и экономичную схему преобразователя. Возможность применения полностью управляемых приборов и ШИМ делает эту схему одной из широко используемых в большом диапазоне мощностей. При необходимости рекуперации энергии в сеть переменного напряжения в выпрямителях наряду с тиристорными инверторами используют транзисторные инверторы, схемы которых полностью аналогичны схеме автономного инвертора асинхронного двигателя. Такие схемы получили название активных выпрямителей или активных источников питания автономных инверторов.
Преобразователи частоты с инверторами тока состоят из двух звеньев. Первое звено составляют управляемый выпрямитель на тиристорах и промежуточный контур постоянного тока — реактор, второе звено составляет автономный инвертор тока, выполненный на обычных однооперационных или запираемых (GTO) тиристорах. Автономный инвертор тока содержит конденсаторы, которые являются источником реактивной энергии для нагрузки.
Главное отличие схемы инверторов тока от инверторов напряжения заключается в отсутствии шунтирующих обратных диодов. Поэтому можно изменить полярность напряжения на входе инвертора и при неизменном направлении тока перевести двигатель в генераторный режим. Таким образом, при потреблении энергии из сети выпрямитель работает в режиме выпрямления, инвертор — в режиме инвертирования, электрическая машина — в двигательном режиме (в первом или третьем квадрантах электромеханических координат).
Если двигатель переходит в генераторную область (второй или четвертый квадрант электромеханических координат), то инвертор должен работать управляемым выпрямителем, полярность напряжения на промежуточном контуре изменяется, ток в этом контуре не меняет своего направления, а управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим.
К основным достоинствам преобразователей с инвертором тока относятся возможность рекуперации энергии в сеть и безаварийность режима короткого замыкания по выходу. Основные недостатки преобразователей с инвертором тока: ограничение верхней границы диапазона регулирования выходной частоты (обычно fimax = 100... 125 Гц); коммутационные перенапряжения на тиристорах АИТ; дополнительные потери в двигателе при несинусоидальной форме тока.
Преобразователи, содержащие неуправляемый выпрямитель и ведомый сетью инвертор и составляющие основу асинхронно-вентильного каскада, применяют в приводах большой мощности при ограниченном диапазоне регулирования скорости.
Определенную перспективу развития имеют мощные преобразователи частоты с непосредственной связью в машинах двойного питания и при управлении низкоскоростными асинхронными или синхронными двигателями. Для управления синхронными двигателями и машинами двойного питания могут также использоваться схемы преобразователей. Рассмотренные схемы преобразователей охватывают диапазон мощностей от сотен ватт до десятков мегаватт. Наиболее интенсивное развитие в исследовании и применении имеют системы.
В системах многодвигательных электроприводов можно использовать общие выпрямители для группы широтно-импульсных преобразователей или автономных инверторов. Достоинство таких схем состоит в возможности энергосбережения в результате передачи энергии торможения с двигателя на двигатель.
В аспекте использования электромеханических преобразователей (ЭМП) в составе регулируемых электроприводов рассмотрим их работу в том же диапазоне мощностей, что и у преобразователей электроэнергии. Развитие ЭМП происходит в следующих направлениях: конструирование машин с учетом их совместной работы с управляемыми полупроводниковыми преобразователями; применение новых магнитных материалов; совершенствование или исключение контактных узлов; использование интенсивных методов охлаждения машин; развитие работ по высокотемпературной сверхпроводимости.
Электродвигатели постоянного тока совершенствуются благодаря использованию в щеточно-коллекторном узле металловолок-нистых и металлокерамических материалов, что дает возможность существенно повысить угловую скорость двигателей. Но неизбежность применения щеточно-коллекторного узла в традиционных двигателях постоянного тока приводит к сокращению доли их выпуска по сравнению с двигателями переменного тока.
Безусловно перспективны вентильные двигатели (ВД), которые, являясь по существу синхронными двигателями, рассматриваются специалистами по ЭМП как двигатели постоянного тока, поскольку их питание осуществляется от сети постоянного тока через автономный инвертор, управляемый сигналами от датчиков положения ротора. Вентильные двигатели с высококоэрцитивными магнитами на роторе имеют минимальную удельную массу по сравнению с любыми другими машинами. При их использовании удачно решаются вопросы конструирования меха-нотронных модулей.
В ВД средней и большой мощности обычно используются СД с обмоткой возбуждения, расположенной на роторе.
В последнее время ВД мощностью от 30 до 200 кВт стали исполняться бесконтактными с обмоткой возбуждения, специальным образом располагаемой на статоре вместе с трехфазной обмоткой. Ротор в этом случае представляет собой безобмоточное зубчатое колесо (зубчатку), через которое замыкается магнитный поток, создаваемый обмотками возбуждения и переменного тока. Вращается он синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазной обмоткой. Обмотка возбуждения в этом случае усиливает магнитный поток, чем увеличивает вращающий момент двигателя.
Асинхронные короткозамкнутые электродвигатели конструктивно наиболее просты и надежны, получают широкое распространение в регулируемых электроприводах с автономными инверторами с ШИМ. Совершенствование двигателей происходит благодаря использованию новых материалов и способов интенсивного охлаждения. Перспективы применения асинхронных электродвигателей с фазным ротором связаны прежде всего с их использованием в машинах двойного питания.
Синхронные электродвигатели традиционно применяются в диапазонах мощностей от сотен киловатт и выше. Их совершенствуют, исключая контакты, в результате перехода на вращающиеся выпрямители и применения постоянных магнитов.
Определенное развитие получают индукторные электродвигатели и электродвигатели с когтеобразными полюсами. Такие электродвигатели имеют наиболее простой ротор, состоящий из маг-нитомягкого сердечника, допускают высокие частоты вращения ротора, обладают высокой надежностью.
Все более широкое применение находит вентильно-индуктор-ный электропривод (ВИП), основными достоинствами которого являются простота, технологичность, невысокая стоимость применяемого индукторного электродвигателя, сочетающиеся с широкими регулировочными возможностями. Мощность таких электроприводов от единиц до нескольких сотен киловатт и более.
Структура силовой части привода в случае питания его от трехфазной сети переменного тока аналогична структуре силовой части асинхронного привода. Автономный инвертор напряжения в рассматриваемом случае выполняет функции коммутатора. При этом дополнительно используется датчик положения ротора для коммутации ключей, что выполняется аналогично вентильному приводу.
В современных схемах ВИП широко используются микропроцессорные средства управления, позволяющие в ряде случаев отказаться от применения датчика положения, а необходимую для работы информацию о положении ротора получать косвенно.
В диапазоне малых мощностей традиционно развиваются шаговые электродвигатели, которые в силу своих конструктивных особенностей обеспечивают создание компактных многокоординатных механотронных модулей с дискретными перемещениями.
Состояние электродвигателей, как и иных технических средств АТК, постоянно контролируется. В связи с этим, кроме датчиков скорости, положения ротора, датчиков Холла, в двигатели встраивают датчики температуры и вибраций. Это дает возможность повысить эксплуатационную надежность электродвигателей. Другим способом повышения надежности электродвигателей в производственных условиях является переход на конструктивно закрытые их варианты с использованием методов интенсивного поверхностного охлаждения. Это позволяет исключить дисбаланс вращающихся частей двигателей из-за электростатического оседания на них производственной пыли при самовентиляции и устранить преждевременное разрушение опор из-за вибраций.
При проектировании нового технологического оборудования стремятся к использованию «коротких» механических передач и безредукторных электроприводов. По массогабаритным показателям и КПД безредукторные электроприводы вполне сравнимы с редукторными электроприводами, если учитывается не только двигатель, но и редуктор. Применение «коротких» передач и безредукторных электроприводов дает существенный эффект в достижении более высоких качественных показателей систем управления движением исполнительных органов машин и технологическими переменными и в достижении более высокой надежности механизмов. Это объясняется тем, что механическая передача, охваченная обратными связями, существенно ограничивает полосу пропускания частот системы управления из-за наличия упругих механических колебаний. Простейшие механические передачи промышленного применения имеют несколько частот упругих колебаний из-за податливости зубьев, валов и опор. Если учесть также усложнение передач из-за необходимости применять устройства выборки люфтов, то можно полагать, что тенденция движения к безредукторным приводам будет сохраняться, особенно для технологического оборудования высокой производительности и высокого качества. Этим же обусловлено развитие работ по созданию типовых приводных модулей технологического оборудования и механотронных систем.
Применение пневмоприводов ограничено той областью, где по условиям технологической среды не применимы электроприводы. С учетом явной тенденции перехода в гидроприводах на насосы переменной производительности, в которых регулируются скорость и давление, гидроприводы следует рассматривать как электроприводы с гидромеханической передачей усилия или момента. Традиционная область применения гидроприводов — объекты с малыми перемещениями и большими усилиями.

Контрольно-измерительные средства

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Технические средства комплексов

Устройства преобразования, хранения, распределения и выдачи информации входят, как правило, в состав модулей программируемых контроллеров. В технологических агрегатах и комплексах используются разнообразные устройства, предназначенные для получения информации. Имеются следующие тенденции развития таких устройств:
расширяющееся применение датчиков для контроля электромагнитных, механических и технологических переменных, качества изделий;
стремление к использованию методов прямого измерения контролируемых переменных и установке датчиков в непосредственной близости от исполнительных органов рабочей машины;
применение датчиков для контроля состояния электротехнического, механического и технологического оборудования; использование информации для диагностирования и оповещения операторов через компьютерные системы управления о состоянии оборудования.
В современном оборудовании контролю подвергаются: температура в коммутационных аппаратах, узлах электродвигателей, управляемых преобразователей, опорах механизмов; степень вибраций во всех функционально значимых механических узлах системы; зазоры в механических передачах; усилия и упругие моменты в механизмах; износ технологического оборудования и др.
' В качестве основных контрольно-измерительных средств применяются датчики, непосредственно воспринимающие изменения контролируемого параметра и преобразующие эти изменения в механические или электрические сигналы.
В основном датчики представляют собой единое изделие (собственно датчик и преобразователь), имеющее на выходе электрические унифицированные сигналы (УС): релейные, непрерывные токовые (0...5 мА, 0...20 мА) и непрерывные напряжения постоянного тока (0... 10 мВ, 0...50 мВ, 0... 1 В, 0... 10 В, 0... 12 В, 0...24 В), непрерывные частотные (1500...2500 Гц, 4000...8000 Гц), непрерывные напряжения переменного тока частотой 50 Гц (0... 1 В, 0...2 В) и др. Перечисленные электрические сигналы определены стандартами.
Датчики оцениваются по точности, линейности и разрешающей способности, частотной характеристике, характеристике шума, входному и выходному импедансу (полному сопротивлению) и др. По структуре построения в зависимости от способа соединения элементов датчики могут быть с последовательным преобразованием, дифференциальные и компенсационные.
Датчики электромагнитных переменных. Датчики тока и напряжения. В системах автоматического управления электроприводом сигналы, пропорциональные току, снимаются с шунтов, трансформаторов тока. Преобразованные сигналы датчиков используются также для измерения ЭДС, мощности, потока и т.д. Основными задачами при создании датчиков тока и напряжения являются задачи гальванического разделения силовых цепей и цепей управления, обеспечения высокого быстродействия и точности.
В аналоговых датчиках напряжения для разделения цепей применяют модуляцию входного напряжения и трансформирование с последующей демодуляцией и усилением.
В качестве датчиков тока все шире используются преобразователи, основанные на эффекте Холла, которые строятся в виде магнитопроводов с зазором. Магнитопровод из магнитомягкого материала намагничивается при помощи обмотки, по которой течет измеряемый ток. В зазоре устанавливается датчик Холла, питаемый от стабилизированного источника тока. Датчики тока с использованием эффекта Холла обеспечивают гальваническую развязку между цепями измерения и выходной при напряжениях до нескольких киловольт, точность до 1 % и полосу пропускания до 1 кГц.
Датчики потока и магнитной индукции. Для контроля указанных параметров применяют датчики Холла. Достоинствами этих датчиков являются: возможность измерения постоянных и переменных магнитных полей, хорошее пространственное разрешение из-за малых размеров преобразователей. Недостатком является сравнительно большая зависимость постоянной Холла и, следовательно, ЭДС от температуры.
Датчики механических переменных. Датчики параметров движения. Эти датчики предназначены для получения информации о линейных и угловых перемещениях, скоростях и ускорениях, силах и моментах.
Основными требованиями, предъявляемыми к датчикам перемещений, являются: высокая точность измерения (или контроля) перемещений, быстродействие, надежность, помехоустойчивость информативного параметра, малые нелинейные искажения.
Существующие датчики перемещений могут классифицироваться по различным признакам, основными из которых являются характер измеряемых перемещений, физический принцип действия чувствительного элемента, структура построения, вид выходного сигнала.
По физическому принципу действия чувствительного элемента все существующие датчики можно разделить на:
фотоэлектрические (оптоэлектронные), использующие эффект периодического изменения освещенности (датчики снабжаются каналом нулевого импульса — началом отсчета, что дает возможность при наличии счетчика использовать датчик не только для регулирования скорости, но и как датчик положения);
электростатические — емкостные (основанные на эффекте периодического изменения емкости) и пьезоэлектрические (основанные на эффекте возникновения электрического заряда на поверхности некоторых материалов в момент деформации);
электромагнитные (использующие, например, эффект периодического изменения индуктивности или взаимоиндуктивности);
электроакустические (основанные, например, на эффекте изменения энергии поверхностной акустической волны);
реостатные (использующие эффект линейного изменения сопротивления);
лазерные (интерферометрические).
Сравнительный анализ перечисленных датчиков показывает, что, например, электростатические, в частности емкостные, датчики обладают высокой чувствительностью и добротностью, малой нелинейностью характеристики, малыми тепловыми потерями. Однако широкое распространение емкостных датчиков ограничено большим выходным сопротивлением, необходимостью жесткой герметизации, трудностью исключения влияния паразитных емкостей.
Электромагнитные индуктивные датчики уступают емкостным по чувствительности и линейности характеристики, но превосходят их по выходной мощности, помехоустойчивости, надежности в условиях производства (где возможны колебания температуры и влажности окружающей среды).
Достоинствами электромеханических электроконтактных датчиков являются простота конструкции, большие мощность и амплитуда выходных сигналов. К недостаткам следует отнести худшие по сравнению с другими датчиками метрологические характеристики — как статические, так и динамические.
Фотоэлектрические датчики обладают наибольшей точностью среди существующих преобразователей, наивысшей разрешающей способностью, отличаются высокой чувствительностью и быстродействием, простотой и надежностью конструкции, малыми размерами и массой, отсутствием механической связи с контролируемым объектом, малой инерционностью, возможностью дистанционного измерения и контроля без измерительного усилия. К недостаткам фотоэлектрических датчиков следует отнести чувствительность к посторонним источникам излучения, недостаточную стабильность и надежность.
Тахогенераторы постоянного тока серии ПТ и переменного тока серии ТТ применяются в регулируемых электроприводах средней и большой мощности при невысокой точности регулирования скорости. Они обладают низкими оборотными и полюсными пульсациями и высокой линейностью и стабильностью характеристик. Магнитная система тахогенераторов ПТ свободно расположена на валу посредством шариковых подшипников и фиксируется креплением к подшипниковому щиту приводного электродвигателя. Тахогенераторы с частотой вращения 600 мин-1 и выше выполняются с добавочными полюсами. Тахогенераторы серий ПТ и ТТ имеют значительные размеры и массу, используются в основном как датчики скорости в мощных приводах прокатных станов, агрегатов бумажной, химической промышленности и как датчики скорости мощных турбоагрегатов.
Для приводов средней мощности, не требующих высокой точности регулирования скорости, используются тахогенераторы постоянного тока серий ЭТ, ТМГ, ТД.
Тахогенераторы серий ПТ и ТТ предназначены для работы в запыленных помещениях в условиях умеренного и тропического климата. Тахогенераторы ПТ производят в закрытом исполнении с естественным охлаждением. По способу монтажа тахогенераторы имеют фланцевое исполнение со станиной без лап.
Для станочного привода используются тахогенераторы серии МЭТ, обладающие малой асимметрией и нелинейностью характеристик.
В комплектных электроприводах используются встроенные тахогенераторы, размещенные на одном валу с двигателем, при этом кроме указанных серий тахогенераторов используются машины типа СЛ.
В современном электроприводе не применяют соединение та-хогенератора с валом посредством гибкой передачи и редукторов, так как гибкие передачи обладают свойствами колебательного звена и ухудшают динамику привода, а работа редуктора затруднена из-за наличия люфтов в передачах.
Однако высокие точностные и эксплуатационные требования, предъявляемые к промышленным системам автоматики, привели к тому, что в качественных системах в основном используют фотоэлектрические и электромагнитные датчики перемещения и скорости с цифровой обработкой сигналов.
Датчики усилия. В этих датчиках применяют магнитострик-ционные и пьезоэлектрические преобразователи.
Работа магнитострикционного (магнитоупругого) преобразователя основана на магнитоупругом эффекте. Если на намагниченный образец ферромагнитного тела воздействует внешняя механическая сила, то тело деформируется, домены изменяют свою ориентацию и индукция в материале изменяется. Таким образом, возникает магнитострикционная составляющая деформации, которая накладывается на чисто механическую деформацию, подчиняющуюся закону Гука. Поэтому упругие свойства ферромагнитного материала меняются с изменением усилия. При этом происходит изменение магнитных свойств, которое отражается на кривой намагниченности (обратный магнитострикционный эффект). Поскольку абсолютная магнитная проницаемость вещества ц. = В/Н, то при заданной напряженности поля Я изменение индукции В эквивалентно изменению магнитной проницаемости. Рассмотренное явление используется для преобразования механической силы в электрическую величину.
Лучшими метрологическими характеристиками обладает маг-нитоанизотропный трансформаторный датчик. Пока измеряемая сила не действует, магнитопровод такого преобразователя магни-тоизотропен: его магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях. Действие силы приводит к уменьшению магнитной проницаемости в направлении сжимающей силы и к увеличению — в поперечном направлении (при применении пермаллоя в качестве материала сердечника). Под действием механических напряжений материал становится магнитоанизотропным.
Датчик изготавливают из листового ферромагнитного пакета пластин, имеющих четыре отверстия, сквозь которые пропускают обмотку питания и измерительную обмотку, образующие первичную и вторичную обмотки трансформатора. Они расположены под углом 45° к направлению действия силы и под углом 90° друг к другу. Магнитное поле, создаваемое обмоткой питания при отсутствии измеряемой силы, направлено параллельно виткам измерительной обмотки и не заходит в нее. В измерительной вторичной обмотке ЭДС не индуцируется. Под действием силы магнитная проницаемость изменяется, что вызывает деформацию магнитного поля. Магнитный поток пронизывает измерительную обмотку и индуцирует в ней ЭДС, пропорциональную действующей силе. Чувствительность преобразователя зависит от материала сердечника.
Для магнитострикционных датчиков силы характерны: малое воздействие на измеряемую величину (вследствие повышенной жесткости), высокая стойкость и надежность (вследствие механической прочности), посредственная линейность, значительная чувствительность к температуре и паразитным магнитным полям, недостаточная стабильность во времени, ограниченность полосы пропускания. Точность магнитострикционных датчиков составляет несколько процентов верхнего предела измерения.
Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на явлении пьезоэлектричества, состоящего в возникновении (или в изменении) электрической поляризации в некоторых анизотропных диэлектриках — природных (кварц, турмалин и т. п.) или искусственных (сульфат лития, синтетический кварц, обработанная керамика и т. п.), когда они деформируются под действием определенно направленной силы. Если расположить пару обкладок на противоположных сторонах пьезоэлектрической пластинки и приложить к пластине силу, то под действием силы на обкладках появятся заряды противоположных знаков и, следовательно, возникнет разность потенциалов, пропорциональная приложенной силе. Такое конденсаторное устройство дает возможность измерять силы и любые физические величины, приводящие к возникновению сил: давление, ускорение, вибрацию. Это конденсаторное устройство представляет собой пьезоэлектрический датчик.
Подвергнутый действию ориентированного электрического поля, пьезоэлектрический материал деформируется; в частности, можно вызвать его возбуждение на своем механическом резонансе. Это свойство пьезоэлектриков используется для управления частотой генерации. Отсюда следует возможность изготовления пьезоэлектрических датчиков, резонанс которых возникает на определенной частоте, чувствительной к изменению различных физических величин (температуры, давления и т. п.).
Часто в датчиках вместо пьезоэлектрических кристаллов используется пьезокерамика, более дешевая и удобная в изготовлении. Наиболее широко применяется семейство керамик, получаемых на основе оксидов свинца, циркония и титана.
Датчики деформаций. В качестве этих датчиков применяют тензорезисторные преобразователи (металлические, проволочные, полупроводниковые и др.). Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации растяжения или сжатия. Длина проводника / и площадь поперечного сечения S изменяются при его деформациях. Эти деформации кристаллической решетки приводят к изменению удельного сопротивления проводника р и, следовательно, к изменению полного сопротивления.
Тензорезисторные датчики приклеивают к объекту, и они деформируются вместе с ним. При этом из-за малых размеров (в зависимости от типа от 1 мм до 1 см) такие датчики обеспечивают весьма точные измерения деформаций.
Применение датчиков деформаций не ограничивается определением напряжений. Любые физические величины, особенно механические, действие которых на объект вызывает его деформацию, могут быть преобразованы с помощью измерителей удлинений. Это относится к давлению, ускорению, моменту сил. Датчик деформаций и объект составляют, таким образом, совокупный измеритель воздействующей физической величины.
Обычно датчик состоит из сетки, образованной нитевидными проводниками длиной и/, где / — длина одного нитевидного элемента; и — их количество.
Наилучшим отечественным материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180 "С, является константан, представляющий собой сплав никеля (45 %) и меди (55 %).
Акселерометры. Эти приборы, представляющие собой измерители ускорения, широко применяются в промышленности при оценке чувствительности изделий к ударам и вибрациям. В последнее время буферные и емкостные преобразователи, использовавшиеся в этих измерителях, заменяют пьезоэлектрическими датчиками. Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя представляет собой источник напряжения с последовательно включенным конденсатором, на котором образуется заряд. Выходное переменное напряжение такого датчика, вырабатывающееся под воздействием вибрационного ускорения, обычно имеет очень малую амплитуду. Поэтому для увеличения выходного сигнала склеивают несколько пьезокристаллов. Поскольку значение переменного заряда на конденсаторе очень мало, то такой датчик обычно подключают ко входу усилителя заряда с малым входным током, одновременно преобразующего выходное напряжение датчика в сигнал скорости. Если этот сигнал дополнительно проинтегрировать, а затем продетектировать с высокой точностью, то получаемое напряжение будет пропорционально амплитуде смещения (это напряжение можно проградуировать, например, в миллиметрах перемещения на вольт).
Датчики технологических переменных. Датчики температуры. Выбор типа датчика температуры в основном определяется диапазоном изменения измеряемой температуры и условиями эксплуатации. Для измерения температуры используют термопары, термосопротивления, полупроводниковые датчики и пирометры.
В качестве датчиков температуры часто применяют термопары, поскольку они имеют широкий рабочий диапазон температур и высокую надежность. При измерении температуры с использованием термопары последовательно с измерительным спаем включают компенсационные спаи, позволяющие получить ток определенного направления и максимальную ЭДС измерительного спая. В зависимости от рабочего диапазона температур и среды, в которой находится датчик, применяют различные пары металлов. Для работы в широком диапазоне температур передаточные характеристики датчиков, как правило, недостаточно линейны, поэтому для их линеаризации требуется применять специальные схемы.
Лучшие по сравнению с термопарами разрешение и повторяемость характеристик достигаются в термометрах сопротивления — приборах, использующих эффект изменения электрического сопротивления проводников при изменении температуры. В промышленности часто применяют платиновые термометры, обладающие высокой точностью и механической и электрической стабильностью.
Термисторы — другой тип термометров сопротивления — получают спеканием смесей металлических сплавов, при этом образуется керамика с большим отрицательным температурным коэффициентом. Температурный диапазон металло-пленочных сопротивлений по сравнению с термисторами шире, а линейность выше, однако термисторы имеют примерно в 10 раз большую чувствительность. При проведении измерений температуры такими датчиками обычно требуется преобразовать изменение сопротивления в изменение напряжения и по возможности линеаризовать зависимость выходного напряжения от температуры.
В тех случаях, когда возможно только визуальное наблюдение исследуемого процесса, для измерения температуры применяют оптические пирометры. Диапазон измеряемых температур в этом случае ограничивается диапазоном спектральной чувствительности используемого датчика.
Одним из современных методов измерения температуры является метод, основанный на использовании транзистора со смещением базового перехода в прямом направлении. В диапазоне рабочих температур ±100 °С погрешность измерения этим методом составляет 0,1 °С. В рабочем диапазоне температур этих датчиков проводится наибольшее число измерений температуры. Отрицательный температурный коэффициент падения напряжения на переходе «база—эмиттер» биполярного транзистора равен 2,2 мВ/°С, и при питании от стабилизированного источника тока датчик может быть сделан очень стабильным.
Датчики давления и расходомеры. Раньше для измерения давления и расхода жидкости или газа использовались по-тенциометрические приборы. Низкая стоимость и высокий уровень выходного напряжения обеспечили широкое применение этих приборов в простых системах. Однако им свойственны высокая чувствительность к ударам и вибрациям, а также значительные погрешности, обусловленные механической конструкцией, приводящие к нелинейности передаточных характеристик (обычно примерно 3 %), что ограничивает применение приборов такого типа.
Для устранения недостатков, свойственных потенциометричес-ким датчикам давления, были разработаны бесконтактные тензометры — приборы, обеспечивающие существенное увеличение погрешности и стабильности и имеющие типовую погрешность 0,5 % полной измерительной шкалы. Их уровень выходного напряжения находится в милливольтовом диапазоне, поэтому после прибора обычно ставят предусилитель. В отличие от других бесконтактных приборов полупроводниковые тензометры располагают непосредственно на диафрагме, воспринимающей давление, что устраняет механические соединительные детали. Частотный диапазон, чувствительность к вибрациям и точность этих приборов такие же, как у бесконтактных тензометров. Однако поскольку уровень выходного напряжения в полупроводниковых тензометрах низок, то в этом случае также необходимы предусилители, а низкая чувствительность делает их удобными только для измерений высоких давлений. Дальнейшее улучшение характеристик достигается использованием кристаллических диафрагм с напыленными пьезо-резисторами.
Усовершенствование тензометров связано с компенсацией различных ошибок, что достигается введением пьезорезистора в состав гибридной интегральной схемы. Гибридный прибор содержит встроенный вакуумный эталон, внутренний нагреватель, который, вызывая локальное нагревание (стабилизируя температуру локальной области), уменьшает температурные эффекты, и пье-зорезисторы, включенные в схему чувствительного моста Уитсто-на, служащую одновременно для предварительного усиления н формирования сигнала.
Расход жидкости обычно измеряют датчиками перепада (разности) давления или механическими контактными датчиками (например, турбинами). Скорость потока v характеризует скорость движения жидкости и обычно имеет размерность м/с. Объемный поток Q — объем жидкости, протекающий в единицу времени (например, м3/с). Для газов поток массы М определяют в кг/с.
Дифференциальные манометры (дифманометры) различных систем используют для измерения технологических параметров расхода жидкости, газа или пара, разности давлений (перепада), избыточного давления (напора), разрежения (тяги), уровня жидкости в открытых резервуарах и в резервуарах под давлением. Измерение расхода жидкости или газа дифманометрами-расходо-мерами осуществляется по методу переменного перепада давлений. В этом случае дифманометр-расходомер работает совместно с сужающим устройством, которое устанавливается непосредственно в трубопроводе и служит для создания переменного перепада давления. В качестве сужающего устройства могут применяться диафрагмы, сопла или расходомерные трубы. При измерении расхода жидкости или газа с помощью дифманометров измеряется разность давлений (перепад) до и после сужающего устройства.
Измерение расхода методом переменного перепада можно выполнять при соблюдении следующих условий:
вещество, протекающее через сужающее устройство, должно находиться в одной фазе — жидкой или газообразной;
протекающее вещество должно полностью заполнять сечение трубопровода и сужающего устройства;
изменение расхода вещества должно происходить плавно, без пульсаций;
трубопровод до и после сужающего устройства должен быть на достаточном протяжении прямолинейным и цилиндрическим.
Основным элементом измерителей скорости потока является точечный датчик, например трубка Пито для газовых потоков. Однако точность таких измерителей невысокая. Большую точность имеют многоточечные датчики или датчики с усреднением по линии (такие, как кольцевые датчики). При измерении перепада давления потоков газов низкого давления возможны другие источники ошибок, что может потребовать применения чувствительных датчиков давления на основе трансформаторов линейных перемещений.
К расходомерам с механическим контактом относятся: турбинные и гироскопические преобразователи, которые измеряют скорость потока по угловому моменту; охлаждаемые термоэлектрические преобразователи скорости; датчики, измеряющие скорость по электрическому сопротивлению, а также датчики, измеряющие скорость потока с использованием Р-излучения. Для широко распространенных турбинных расходомеров связь между скоростью потока v и угловой скоростью вращения турбины ш выражается следующим уравнением:
v = (wr)/tgoc, (1.5)
где г — средний радиус лопастей ротора; а — угол между лопастями ротора.
Датчики уровня. Для измерения уровня жидкости и его изменения широко применяются поплавковые датчики, дифференциальные датчики давления, ультразвуковые и радиоактивные.
Поплавковые датчики отличаются простотой и разнообразием методов преобразования изменений измеряемого уровня в показания отсчетного устройства. Однако при измерении уровня вязких жидкостей они работают неудовлетворительно.
В том случае, когда известна плотность жидкости W, высоту столба жидкости можно измерять дифференциальным датчиком давления (дифманометром), который при этом должен фиксировать разность гидростатического давления АР между уровнем поверхности и плоскостью дна. Высота столба жидкости в этом случае определяется отношением AP/JV. По принципу действия измерительной системы дифманометры делятся на поплавковые, кольцевые, колокольные, мембранные и сильфонные.
Ультразвуковые датчики могут входить в состав локационных установок, которые особенно удобны при измерении уровня жидкостей в высоких цистернах, а также в состав устройств, измеряющих дискретные значения уровней. В последнем случае излучатели, расположенные на разных уровнях, посылают ультразвуковые сигналы в горизонтальном направлении в сторону соответствующих приемных датчиков, установленных на противоположной стороне цистерны. Уровень тяжелых смесей, таких, как цемент и бумажная масса, лучше всего измерять радиоактивными датчиками, устанавливаемыми аналогично ультразвуковым устройствам дискретного измерения уровня.
К датчикам технологических переменных относятся также датчики толщины полосового материала (металла, бумаги, пластика и др.), влажности материала, массы и других переменных.

Коммутационная и защитная аппаратура

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Технические средства комплексов

Коммутационные электрические аппараты предназначены для коммутации электрической цепи и проведения тока. Аппараты должны допускать работу при напряжении на выводах главной и вспомогательной цепей в пределах от UHOttp до 1,Шиом р, на выводах цепи управления — в пределах (0,85... 1,1)£/номр. Под номинальным рабочим напряжением UHOMp понимают номинальное напряжение сети, в которой аппарат может работать в данных условиях.
Номинальная частота сетей переменного тока, к которым присоединяются аппараты, 50 или 60 Гц.
Аппараты должны допускать работу в одном, нескольких или во всех следующих режимах работы: продолжительном, прерывисто-продолжительном, повторно-кратковременном, кратковременном.
Для кратковременного режима работы аппаратов устанавливаются следующие предпочтительные значения длительности рабочего периода: 5; 10; 15; 30 с и 10; 30; 60 и 90 мин.
Для повторно-кратковременного режима работы аппаратов устанавливаются предпочтительные значения относительной продолжительности включения (ПВ): 15; 25; 40 и 60% (100% — непрерывное включение).
Электромагнитные контакторы. Контакторы используются в системах управления электроприводами для включения и отключения приемников электроэнергии.
Контакторы различаются между собой:
по роду тока главной цепи — постоянного тока, переменного тока, постоянного и переменного токов;
роду тока цепи управления — с управлением постоянным током, с управлением переменным током;
числу главных полюсов — от одного до пяти;
номинальному току главных цепей — на токи 4; 6,5; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 2500 А;
номинальному напряжению главной цепи — на постоянное напряжение 220; 440; 600 В, на переменное напряжение 380; 500 и 660 В;
номинальному напряжению включающих катушек — на постоянное напряжение 24, 48, 60, ПО, 220 В, на переменное напряжение 24, 36, НО, 127, 220, 230, 240, 380, 400, 415, 500, 660 В частотой 50 Гц и 110, 220, 380, 440 В частотой 60 Гц;
наличию и исполнению вспомогательных контактов;
роду присоединения проводников;
категории применения;
воздействию климатических факторов;
степени защиты, за исключением специальных контакторов IP00;
классу, соответствующему частоте включений:
Класс 0,3 1 3 10 30
Допустимая частота включений в 1 ч 30 120 300 1200 3600
Используются отечественные контакторы серий МК, КПВ600, КПВ620, КТПВ600, КТ6000, КТ7000, КТП600, КТ64, КТП64, КТ65, КТП65 и др. [48]. Например, контакторы серии МК предназначены для работы в силовых электрических цепях и цепях управления общепромышленных установок при постоянном напряжении до 440 В и переменном до 660 В частотой 50 и 60 Гц. Контакторы имеют четыре модификации: МК1 (/ном = 40 А), МК2 (/ном = 63 А), МКЗ (/ном = 100 А) и МК4 (/ном = 160 А). Собственное время срабатывания контакторов при включении 0,08 с, при отключении — 0,05 с. Втягивающие катушки выполняются только на постоянный ток напряжением 24, 48, 110 и 220 В. Контакторы могут работать в продолжительном, прерывисто-продолжительном, кратковременном и повторно-кратковременном режимах. Допустимая частота срабатывания контакторов до 1200 циклов в 1 ч при ПВ = = 40 %. Контакторы выполняются для переднего присоединения силовой цепи и цепи управления, их устанавливают на изоляционных или заземленных металлических панелях и на рейках.
Контакторы серий КПВ600, КПВ620 и КТПВ600 предназначены для коммутации силовых цепей при тяжелых режимах работы. Контакторы серии КПВ600 выполняют на номинальные токи 100, 160, 250 и 630 А, КПВ620 - на токи 160 и 250 А, КТПВ - на токи 63, 100, 160 и 250 А.
Контакторы серий КТ6000, КТ7000, КТП600, КТ64, КТП64, КТ65, КТП65 предназначены для коммутации силовых цепей переменного тока напряжением до 660 В, частотой 50 и 60 Гц. В зависимости от номинального тока выпускаются контакторы семи модификаций на токи от 63 до 1000 А. В контакторах указанных серий осуществляется бездуговая коммутация шунтированием главных контактов тиристорами на период коммутации, благодаря чему электрическая дуга не возникает. Отсутствие дуги при отключении контактором силовых цепей значительно повышает надежность работы контакторов, электрическую износостойкость, взры-вобезопасность, резко уменьшает потери энергии в контакторе. Электрическая износостойкость контакторов с бездуговой коммутацией при категории основного применения АС-3, АС-4 до 5 млн циклов, а обычных — 0,1 ...0,5 млн циклов, причем номинальный рабочий ток контакторов с бездуговой коммутацией составляет 60 % номинального тока контактора, а не 40 %, как у обычных контакторов.
Электромагнитные пускатели. Эти аппараты предназначены для дистанционного пуска непосредственным подключением к сети и остановки трехфазных асинхронных электродвигателей с корот-козамкнутым ротором. При наличии тепловых реле пускатели осуществляют также защиту электродвигателей от перегрузок.
Пускатели различаются между собой по назначению (нереверсивные, реверсивные), степени защиты (IP00, IP30 и IP54), наличию тепловых реле (без тепловых реле, с тепловыми реле), виду блокировки в реверсивных пускателях (с электрической блокировкой, электрической и механической блокировками), наличию встроенных в оболочку пускателя кнопок управления (без кнопок управления, с кнопками управления), размеру пускателя, напряжению главной цепи (380 и 660 В; пускатели на напряжение 380 В, кроме пускателей нулевого типоразмера, должны допускать работу в установках с номинальным напряжением 500 В).
В промышленности используют отечественные пускатели, например, серий ПМЛ, ПАЕ, ПА, ПМЕ, ПМС и др.
Магнитные пускатели можно включать вручную с помощью кнопочного поста и автоматически с помощью датчиков автоматики непосредственно или через промежуточные реле, с помощью блок-контактов других пускателей. Отключают пускатели вручную либо при аварийных режимах с помощью реле тепловых или реле максимального тока, при отключении сблокированных с ними других пускателей, действии устройств автоматики.
Пускатели типа ПМЕ и ПА могут быть реверсивными и нереверсивными. Реверсивные пускатели имеют такие же данные, как реверсивные, но состоят из двух пускателей, сблокированных механически и электрически против одновременного включения, а в обозначении типа реверсивных пускателей последняя цифра больше на два, например ПМЕ-111 — нереверсивный, ПМЕ-113 — реверсивный.
Пускатели ПМЕ и ПА заменяют пускателями ПМЛ и ПАЕ, которые имеют исполнения по степени защиты IP00 и IP54. При степени защиты IP54 пускатели могут иметь кнопки управления и сигнальную лампу. Частота включений в 1 ч для механической износостойкости при номинальном токе для пускателей модификаций 1 ...5 — 3600, а для пускателей модификаций 6 и 7 — 2400.
Пускатели серии ПМС предназначены для дистанционного пуска, остановки реверсирования, а также для защиты от перегрузок недопустимой продолжительности и от токов, возникающих при обрыве одной из фаз, трехфазных электродвигателей серии 4 Ас короткозамкнутым ротором. Пускатели ПМС имеют шесть модификаций: 10 А, 25 А, 40 А, 63 А, 100 А и 160 А. Пускатели имеют исполнения по степени защиты IP00 и IP54. При степени защиты IP54 пускатели могут иметь встроенные элементы — разделительный трансформатор, кнопки управления, амперметр, сигнальную лампу.
Реле управления. Реле используются в схемах управления электроприводами для выполнения функций управления и защиты и различаются между собой:
по роду входного воздействия — измерительные (реле тока, реле напряжения, тепловые), логические (реле времени и др.);
роду тока включающей катушки или другого воспринимающего органа (постоянного тока, переменного тока);
номинальному току цепи управления — 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16, 25; 40; 63; 100; 160; 250; 320; 400; 630; 1250 А;
напряжению цепи управления — постоянного напряжения 12; 24; 48; 60; ПО; 220 В, переменного напряжения 12; 24; 36; 110; 220; 380; 660 В;
виду возврата — одностабильные, двустабильные;
коэффициенту возврата реле тока и напряжения — с нормированным коэффициентом возврата, с ненормируемым коэффициентом возврата;
числу контактов — реле с 1, 2, 3, 4, 6, 8, 9, 10, 12 контактами;
роду контактов — с замыкающими, размыкающими, переключающими контактами;
категории применения.
Промежуточные реле предназначены для передачи команд из одной электрической цепи в другую и используются для размножения сигналов и увеличения их мощности.
Реле времени предназначены для передачи команд из одной электрической цепи в другую с определенными предварительно установленными выдержками времени.
Электротепловые реле предназначены для защиты электродвигателей от перегрузок недопустимой продолжительности и токов, возникающих при обрыве одной из фаз. Тепловые реле могут поставляться в блоке с пускателями или отдельно. Поскольку реле не защищают от коротких замыканий и сами нуждаются в такой защите, то на ответвлении к электродвигателю перед пускателем ставят автоматический выключатель с электромагнитным расце-пителем. Чувствительным элементом у реле служит термобиметалл, по которому проходит ток. У реле на большие токи имеется нихромовый нагреватель для дополнительного нагревания биметалла. Чувствительные элементы реле включаются в две фазы электродвигателя, контакты реле включаются в цепь катушки пускателя.
Реле тока подразделяются на реле контроля и защиты (реле максимального тока). Реле контроля тока в схемах управления электроприводами выполняют функции определения наличия тока в цепи или нахождения тока в заданных пределах. Реле максимального тока предназначены для защиты электродвигателей от перегрузок. В качестве реле максимального тока применяют электромагнитные реле с последовательным включением обмоток в цепь двигателя.
Реле напряжения в основном используются в цепях защиты и выполняют функции защиты от прекращения питания, недопустимого снижения или повышения напряжения.
В промышленности используются отечественные реле, например, серий РПУ-0, РПУ-2, РПУ-3, РПУ-4, РВП72, ВЛ, ТРИ, ТРТП, РТЛ, РЭВ800, РЭВ310 и др..
Реле времени пневматическое серии РВП72 состоит из пневматической приставки, имеющей контакты с временной задержкой, и электромагнитного привода. Номинальное переменное напряжение питания 36, 110, 127, 220, 380 и 440 В. Диапазон выдержки времени 0,4... 180 с.
Электронные реле времени серии ВЛ могут использоваться как реле времени и программные устройства. Диапазон выдержки времени реле от 0,1 с до 10 мин.
Реле постоянного тока серии РЭВ800 применяют в схемах автоматического управления в качестве электромагнитных реле времени, тока, напряжения и промежуточных. Электромагнитные реле постоянного тока серии РЭВ310 применяют в качестве реле напряжения и тока с высоким коэффициентом возврата.
Герконовые реле серии РПГ на герметизированных магнито-управляемых контактах предназначены, в основном, для связи между полупроводниковыми приборами и сильноточными аппаратами управления (реле, пускатели, контакторы), а также для коммутации цепей управления с малыми токами и напряжениями. При выборе реле управления должны быть заданы:
для коммутируемых цепей — количество и вид контактов, род тока, напряжение и ток, параметры нагрузки (сопротивление, индуктивность, емкость и т.д.), характер работы (включение нагрузки, отключение нагрузки, включение и отключение нагрузки);
для цепей управления реле — род тока, напряжение или ток, диапазон их возможных значений при включении и отключении, количество обмоток управления.
Для реле в целом задаются: срок службы, режим работы (кратковременный, повторно-кратковременный, продолжительный, прерывисто-продолжительный), диапазон изменения температуры окружающей среды, диапазон изменения влажности, степень наличия в окружающей среде пыли, взрывоопасных и агрессивных примесей, положение реле в пространстве.
Для реле, предназначенных к установке в нестационарных условиях, задают ускорение и частоту вибраций, время срабатывания реле, массу и размеры.
Автоматические выключатели. Эти аппараты предназначены для защиты от токов короткого замыкания и перегрузки электрических линий и приемников энергии, снижения напряжения в сети, включений и отключений линий и приемников энергии. Автоматические выключатели могут также использоваться для редких коммутаций нагрузки с током, например редкого включения и отключения асинхронных двигателей. Основными параметрами автоматических выключателей являются номинальное напряжение, номинальный ток, отключающая способность, время отключения.
Отключение автоматических выключателей происходит под действием расцепителей. Различают максимальные, минимальные и независимые расцепители. Для защиты электрооборудования от перегрузок используют максимальные расцепители. В качестве максимальных наибольшее распространение получили электромагнитные и тепловые расцепители. Времятоковая характеристика расцепителя должна выбираться возможно ближе к характеристике защищаемого объекта. Минимальные расцепители выполняются электромагнитного типа, для большинства выключателей напряжение отключения расцепителя регулируется в пределах 30... 70 % номинального. Независимые расцепители служат для дистанционного отключения автоматических выключателей.
В промышленности используются отечественные автоматические выключатели серий АП50, АК50, АК63, АЕ2000, А3700, A3100, АЕЮООидр.
Например, выключатель АК63 разработан для замены выключателя АП50, имеющего малую коммутационную способность. Выключатель имеет расцепители максимального тока на 0,63...63 А, переменного 500 В и постоянного 220 В напряжения; его коммутационная способность в 2,5 раза больше, чем у выключателя АП50. В отличие от выключателей АП50 выключатели АК63 имеют открытые выводы, для закрывания которых могут поставляться крышки. Открытые выводы, не соприкасающиеся с корпусом выключателя, имеют лучший теплоотвод, а при нагревании выводов не выгорает корпус выключателя.
Автоматические выключатели АЕ2000 разрабатывались для замены всех других выключателей на ток до 100 А. Они рассчитаны на токи 25, 63 и 100 А при работе с расцепителями максимального тока на 0,6 А и выше, а также с тепловыми и комбинированными расцепителями.
Расцепитель любого автоматического выключателя представляет собой блок, встроенный в корпус выключателя и предназначенный для отключения выключателя под действием тока, превышающего ток его настройки.
Действие теплового расцепителя основано на изменении формы биметаллической пластинки при протекании по ней тока нагрузки выключателя, превышающего номинальный ток этого выключателя. Пластинка действует на механизм отключения выключателя.
Электромагнитный расцепитель состоит из электромагнитов, по катушкам которых проходит ток выключателя. Электромагниты приводятся в действие только при токе аварийной перегрузки, например при заклинивании механизма, или токе короткого замыкания и воздействуют на механизм отключения выключателя.
Комбинированный расцепитель содержит расцепители обоих видов.
Для выключателя может быть несколько расцепителей, имеющих разные номинальные токи, которые могут регулироваться. Уставка на ток мгновенного срабатывания, или ток отсечки, означает, что при данном токе срабатывает электромагнитный расцепитель данного выключателя.
Предельная коммутационная способность означает предельный ток, который может отключить выключатель.
Выключатели (рубильники) и переключатели. Пакетные выключатели и переключатели серий ПВМ и ППМ применяют в качестве коммутационных аппаратов с ручным приводом для цепей постоянного и переменного тока напряжением 220 В на токи до 400 А и цепей переменного тока напряжением 380 В на токи до 250 А. Они устанавливаются на панелях распределительных устройств, в шкафах и ящиках.
Пакетно-кулачковые переключатели ПКП и выключатели ПКВ на номинальные токи 10, 25, 40, 63, 100 и 160 А предназначены для коммутации электрических цепей с переменным напряжени-ем'380 В.
Первая цифра в обозначении аппарата соответствует числу полюсов, вторая соответствует току: 1 —100 А, 2—250 А, 4—400 А, 6-600 А.
Рубильники типа Р и переключатели типа П изготовляются без дугогасительных камер и могут работать только в качестве разъединителей, т.е. размыкать обесточенные электрические цепи. Рубильники и переключатели прочих типов изготовляются с ду-гогасительными камерами и могут коммутировать электрические цепи под нагрузкой.
Кнопки и переключатели управления. Кнопки управления серии КЕ и переключатели управления серии ПЕ предназначены для коммутации цепей управления переменного напряжения до 500 В, частотой 50 Гц и постоянного напряжения до 220 В, а также могут использоваться в цепях переменного напряжения 24 В, 50 и 60 Гц и постоянного напряжения 24 В при токе не менее 0,05 А.
Кнопки и переключатели классифицируют по типам, исполнению, виду управляющего элемента, степени защиты, количеству контактов, климатическому исполнению, наличию специальных устройств и цвету толкателя. Кнопки имеют электрически не связанные между собой замыкающие и размыкающие контакты с двойным размыканием цепи. Номинальный ток продолжительного режима работы 6 А.
Предохранители. Предназначены для защиты цепей от токов коротких замыканий и недопустимых перегрузок. Основными элементами предохранителя является плавкая вставка и дугогасительное устройство.
Наибольшее распространение получили следующие предохранители: НПН, имеющие стеклянный корпус круглого сечения с наполнителем из кварцевого песка; ПН2, имеющие фарфоровый корпус прямоугольного сечения с наполнителем из кварцевого песка; ПР2 — разборные трубчатые без наполнителя; ПРС — резьбовые; ПНБ5 быстродействующие — для защиты от токов короткого замыкания агрегатов с полупроводниковыми приборами; ПП31 — с высокой разрывной способностью.
Основным условием при выборе предохранителя является расположение времятоковой характеристики предохранителя ниже характеристики защищаемого объекта.