книги / Электрооборудование нефтяной промышленности

жение также равно нулю. При подаче положительного напря­ жения на диод VI на выходе логического элемента будет положительный потенциал, соответствующий логической 1. При подаче сигнала на диод V2 выходное напряжение не изменится,

130

Рис. 4.12. Логические элементы

На рис. 4.12, б показана схема логического элемента И. Дио­ ды VI и V2 при нулевых сигналах проводят ток и напряжение на нагрузке практически равно нулю. При одновременной пода­ че напряжения на входы Х\ и Х2 диоды не будут проводить ток и на выходном сопротивлении нагрузки Ru появится напряже­

пропускать ток. Падение напряжения на транзисторе мало, по­ этому на выходе логического элемента У появится логический 0.

Схема ИЛИ — НЕ (рис. 4.12, г) представляет собой после­ довательное соединение элементов ИЛИ и НЕ на диоднотранзисторной логике. При подаче на вход любого из диодов (VI, V2 или V3) положительного сигнала транзистор VT от­ крывается и ток проходит через резистор R. В этом случае потенциал на выходе элемента равен нулю (логический 0).

Рассмотренные примеры реализации логических операций основаны на широко применяемой в промышленности функцио­ нально полной системе элементов «Логика-Т». Элементы «Ло- гика-Т» представляют собой схемы, выполненные из дискретных компонентов на платах с печатным монтажом, которые помеще­ ны в пластиковый корпус и залиты компаундом. Эти элементы являются ремонтоспособными модулями. В бесконтактных си­

стемах управления элементы комплектуются в блоки, которые,, как правило, устанавливаются в шкафах.

Дальнейшим развитием бесконтактных систем управления: послужило применение интегральных микросхем (ИМС). Ин­ тегральная микросхема — это микроэлектронное изделие с высо­ кой плотностью упаковки электрически соединенных элементов,, реализующих определенную функцию преобразования и обра­ ботка сигнала. ИМС по функциональному назначению разнооб­ разны: логические элементы (И, ИЛИ, НЕ, И — НЕ и т. д.),. преобразователи (частоты, фазы, формы сигналов), усилители,, счетчики, сумматоры и др. ИМС выпускают сериями. Серия интегральных микросхем — совокупность их типов, которыеимея единое конструктивно-технологическое исполнение, могут выполнять различные функции и служат для совместного при­ менения.

Элементной базой многих современных бесконтактных си­ стем управления служат ИМС серии К155, К551 и др. Номен­

На базе ИМС серии К511 разработаны элементы управления серии «Логика-И» (заменившие элементы серии «Логика-Т»). Эти элементы монтируют на печатных платах и помещают в корпус с выводами для присоединения внешних проводов.

В серию вошли 18 логических элементов (И, ИЛИ, НЕ и дру­ гие, имеющие индексы от И-101 до И-119), шесть функциональ­ ных элементов (от И-201 до И-206), элемент времени, задержки

тодный К и управляющий электрод У, начинает проводить ток тогда, когда к анодному выводу (по отношению к катодному выводу) приложен положительный потенциал и одновременно к управляющему электроду подается положительный управляю­ щий сигнал (рис. 4.13, а).

Вольт-амперная характеристика тиристора (рис. 4.13, 6} представляет собой зависимость между током (через тиристор) и приложенным к тиристору напряжением. Обратная ветвь 1 характеристики (к анодному выводу приложено отрицательное напряжение) не отличается от характеристики простого диода.

При приложении к анодному выводу положительного потен­ циала сопротивление тиристора будет зависеть от управляюще­ го тока. При отсутствии управляющего сигнала (i'y= 0 ) сопро-

132

Рис. 4.13. Кремниевый тиристор

тивление тиристора велико, что соответствует участку низкой проводимости 2 характеристики.

При появлении управляющего тока 1УФ0 тиристор перейдет в открытое состояние (участок высокой проводимости 3) при меньшем прямом напряжении. При токе iyH0M участок низкой проводимости 2 практически отсутствует и в прямом направле­ нии характеристика тиристора аналогична характеристике диода.

Тиристор отличается от транзистора тем, что ток управления только открывает, но не закрывает его. Закрывается тиристор при приложении к анодному выводу отрицательного напря­ жения.

Для управления тиристором используют систему импульсно­ фазового управления (СИФУ), которая формирует управляю­

133

щий импульс нужной формы и мощности, а также осуществляет сдвиг его по фазе относительно напряжения сети.

Рассмотрим работу тиристора, подключенного к однофазной

направлении снижается. Под действием напряжения сети через нагрузку Rn проходит ток /н (рис. 4.13, е), который зависит от напряжения сети и сопротивления резистора (интервал

Ч-со/2).

При отрицательном напряжении на анодном выводе (интер­ вал (о^-^со/з) тиристор обладает высоким сопротивлением и ток через него не проходит. В этом случае к тиристору прикладыва­ ется обратное напряжение (рис. 4.13, ж).

Для изменения среднего значения выпрямленного напряже­ ния необходимо сдвинуть по фазе управляющий импульс. Так, для уменьшения выпрямленного напряжения необходимо управ­ ляющий импульс подавать с отставанием по отношению к точке естественной коммутации тиристора ш^= 0 (рис. 4.13,5). Сдвиг по фазе между точкой естественной коммутации тиристора и моментом подачи управляющего импульса называется углом регулирования а.

Выпускают тиристоры различных серий на токи от 10 до 1000 А и допустимые обратные напряжения от 100 до 1200 В. Малое падение напряжения (0,7— 1,5 В) при номинальном токе обеспечивают высокий к. п. д. тиристорных преобразователей.

Управляемые тиристорные выпрямители позволяют преобра­ зовать переменный ток в постоянный и плавно изменять вы­ прямленное напряжение от нуля до номинального значения.

Операционные усилители (ОУ)— специальные усилители постоянного тока с большим коэффициентом усиления. В систе­ мах автоматического управления электроприводами широко ис­ пользуются для построения различных регуляторов (тока, на­ пряжения, скорости, э. д. с. и др.). В настоящее время в качестве ОУ широко используются ИМС. Так, например, усилитель, вы­ полненный на ИМС К140УД6, имеет следующие характеристи­ ки: коэффициент усиления по напряжению 103-г-105, полоса пропускания / « 1 МГц, входное сопротивление более 1 кОм, сопротивление нагрузки 2 кОм. С помощью ОУ можно осуще­ ствлять суммирование различных сигналов. Включая на вход и в цепь обратной связи ОУ резисторы и конденсаторы, можно реализовать различные типы регуляторов (рис. 4.14). Например, при включении на вход и в цепь обратной связи ОУ резисторов

134

а

Рис. 4.14. Регуляторы, построенные на операционных усилителях:

а — пропорциональный; 6 — интегральный; в — пропорционально-интегральный

(рис. 4.14, а) получают пропорциональный (П) регулятор; при включении на вход усилителя резисторов, а в цепь обратной связи конденсатора (рис. 4.14, б) — интегральный (И) регуля­ тор; при включении на вход резисторов, а в цепь обратной связи конденсатора и резистора — пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор (рис. 4.14, в).

Операционные усилители на ИМС служат основой элементов унифицированной блочной системы регуляторов (УБСР — АИ), широко используемой в настоящее время в системах автомати­ ческого управления электроприводами.

Магнитные усилители (МУ) — статические электромагнит­ ные аппараты, предназначенные для усиления электрических сигналов. Они просты по конструкции, обладают высокой на­ дежностью. В электроприводе МУ применяют в системах авто­ матического управления и для управления электромагнитными муфтами.

Прежде, чем изучить МУ, рассмотрим работу дросселя насы­ щения, представляющего собой стальной сердечник 1 с обмот­ ками постоянного 2 и переменного тока 3 (рис. 4.15, а). Кривая намагничивания сердечника показана на рис. 4.15, б. С увели­ чением напряженности Н магнитного поля уменьшается магнит­ ная проницаемость сердечника \1 &= дВ/дН и индуктивность дросселя: L^w^s/l, где wp— число витков; s — сечение магнито-

а1

3

135

провода, l — длина средней магнитной силовой линии сердечни­ ка. Следовательно, с увеличением Н уменьшается индуктивное сопротивление дросселя X = a L . Изменить магнитную проницае­ мость ца можно с помощью постоянного тока, протекающего по

= 0/(4,44 fwvs), зависящие для данного дросселя только от ве­ личины переменного напряжения. Если постоянный ток в обмот­ ке 2 отсутствует, то рабочая точка на кривой намагничивания (рис. 4.15, б) находится в начале координат и ток V„ мал. При пропускании постоянного тока /у рабочая точка перемещается из начала координат в точку Ву и ток через обмотку перемен­

Эти явления нежелательны. Чтобы избавиться от этих недостат­ ков применяют схему, состоящую из двух дросселей насыщения,

стержня двух сердечников (рис. 4.16). Переменные потоки в них направлены встречно, поэтому в обмотке постоянного тока переменная э.д. с. теперь не наводится. Если последовательно с обмотками переменного тока включить нагрузку, то получим магнитный усилитель.

При малом токе /у насыщение сердечника мало, магнитная проницаемость велика и индуктивные сопротивления обмоток переменного тока значительны. Следовательно через них про­ текает незначительный ток. При увеличении /у уменьшаются магнитная проницаемость сердечника и индуктивное сопротивле­

магнитного усилителя с внутренней положительной обратной связью

136

ние обмоток переменного тока. Переменный ток возрастает, т. е. по нагрузке потечет больший ток. Одновременно возрастет напряжение на нагрузке, а напряжение на обмотках переменно­ го тока уменьшится. Основная характеристика МУ представляет собой зависимость тока нагрузки /наГр от тока управления /у (рис. 4.16,6). При изменении направления тока /у направление тока в нагрузке не изменяется, поэтому характеристика про­ стейшего МУ симметрична относительно оси ординат. Такие МУ имеют сравнительно небольшой коэффициент усиления К = = Л / На гр /А /У. Поэтому для его увеличения применяются МУ с внутренней положительной обратной связью, в которых подмагничивание сердечников осуществляется выпрямленным током нагрузки.

Схема такого МУ показана на рис. 4.16, в. Магнитные пото­ ки, создаваемые обмотками переменного тока при протекании тока нагрузки, одинаковы по направлению и имеют постоянную составляющую, подмагничивающую сердечник. Вентили В обес­ печивают двухполупериодное выпрямление тока нагрузки.

В тех случаях, когда при изменении направления тока /у необходимо изменять направление тока нагрузки, применяют двухтактные МУ, состоящие из двух одинаковых МУ с началь­ ным подмагничиванием, включенных по дифференциальной или мостовой схеме.

Бесконтактные сельсины — индукционные электрические микромашины, позволяющие при напряжении питания постоян­ ной амплитуды получать на выходе напряжение, амплитуда и фаза которого зависит от углового положения ротора. Они на­ ходят применение в схемах управления электродвигателями регуляторов подачи долота и других механизмах буровых уста­ новок.

На базе бесконтактных сельсинов БД404А выпускаются бес­ контактные командоаппараты ручного управления типов СКАР’ и СКАЗ. При повороте рукоятки командоаппарата ротор сель­ сина поворачивается на соответствующий угол. На выходе сель­ сина появляется переменное напряжение, фаза которого зависит от направления поворота рукоятки, а амплитуда пропорцио­ нальна синусу угла поворота ротора.

В нулевом положении рукоятка фиксируется пружинным1 фиксатором, а в промежуточном положении удерживается фрик­ ционом. Угол поворота рукояток ограничивается упорами. На’ рукоятке имеется также рычаг для воздействия на кнопку управления и кулачок, воздействующий на микропереключа­ тели.

Тахогенераторы — электрические машины, преобразующие механическое вращение вала в электрический сигнал.

Тахогенераторы постоянного тока могут иметь возбуждение от постоянных магнитов или независимое возбуждение. Их

137

устройство не отличается от обычных машин постоянного тока. Основной характеристикой тахогенератора служит зависи­ мость выходного напряжения U B G о т частоты вращения вала п: UBQ—kj^n. Желательно иметь тахогенератор с линейной харак­

теристикой во всем диапазоне изменения частоты вращения.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение автоматических выключателей, магнитных пускате­ лей и контакторов?

2. Какое положение электромагнитного аппарата принимается за нор­ мальное?

3.С помощью каких реле осуществляется защита электродвигателей от перегрузок?

4.Каким образом с помощью автоматов обеспечивается селективная за ­ щита электродвигателей?

5.Каким образом при помощи предохранителей обеспечивается селектив­ ная защита потребителей?

6.Объясните устройство герконовых реле.

7.Перечислите основные логические функции.

8.Назовите промышленные серии логических элементов.

9.Приведите условное изображение логических элементов И, ИЛИ и НЕ на три входа.

10.Каково назначение и принцип действия тиристора?

11.Каким образом с помощью тиристора регулируется среднее значение выпрямленного напряжения?

12.Каково назначение операционных усилителей и какие типы регуляторов можно реализовать с их помощью?

13.Поясните принцип действия дросселя насыщения.

14.Нарисуйте характеристику вход — выход магнитного усилителя.

15.Каково назначение сельсинов?

Глава 5 УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

5.1. Общие сведения

Управление электроприводом представляет собой целена­ правленное воздействие на электропривод с целью выполнения рабочей машиной заданного технологического процесса с тре­ буемым качеством, например с заданной точностью, минималь­ ными затратами энергии или времени, ограниченным ускорени­ ем и др.

Рабочие машины и выполняемые ими функции весьма разно­ образны. Однако некоторые функции управления характерны

138

для большей части электроприводов: это пуск и торможение, останов.

Существуют также рабочие машины, для которых требуются дополнительные функции управления: изменение направления движения рабочего органа (реверсирование), регулирование частоты вращения и автоматическое поддержание частоты вра­ щения, синхронизация движения отдельных органов рабочей машины и др. В большей части рабочих машин эти функции выполняются системой управления электроприводом.

Если основные функции управления выполняются без непос­ редственного участия человека (оператора), то управление на­ зывают автоматическим, а электропривод — автоматизирован­ ным. Совокупность технических средств, обеспечивающих такое управление, образует автоматическое управляющее устройство.

Роль оператора в данном случае может быть сведена к подаче лишь первого командного сигнала на автоматическое выполне­ ние того или иного режима работы электропривода и к наблю­ дению за этим режимом.

Релейно-контакторные системы были первыми по времени системами управления электроприводами. В этих системах уп­ равление электродвигателями осуществлялось включением и отключением реле и контакторов.

Разработанные и внедренные релейно-контакторные систе­ мы управления электроприводами некоторых технологических установок нефтяной промышленности были доведены до высокой степени автоматизации. Однако они имели ряд существенных недостатков: большие массо-габаритные показатели, большие потери энергии в пусковых устройствах, необходимость часто менять контакты аппаратов со значительными токами и др. В настоящее время релейно-контакторные системы применяют­ ся в относительно простых приводах для выполнения несложных операций.

В сороковых-пятидесятых годах начали широко применять­ ся системы управления при помощи усилителей различных видов (электромашинных, магнитных и др.), где переключения осуществляются в цепях управления с небольшими токами и потерями энергии. В современных электроприводах широко ис­ пользуют тиристорные системы управления. Высокая экономич­ ность, малые габариты, меньшая масса элементов и другие преимущества определяют прогрессирующее использование тиристорных схем.

За последние два-три десятилетия начали развиваться систе­ мы управления, основанные на применении средств вычисли­ тельной техники. Применение таких систем эффективно там, где увеличение производительности и экономия энергии имеют большое экономическое значение и где требуется высокая точ­ ность и обеспечение повышенной безопасности.

139