Текст
                    Глава 1
ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
1.1.	Принципы управления и задачи,
решаемые автоматизированными системами
Автоматизированная система управления (АСУ) производственным процессом для
эффективного решения задач управления использует современные автоматические сред-
ства обработки и передачи информации, математические методы и новые организаци-
онные методы управления.
Управление представляет собой процесс преобразования информации об объекте
управления (ОУ), в котором управляющая система (УС) воспринимает информацию
об объекте управления, перерабатывает ее в соответствии с функцией управления,
результатом чего является управляющее воздействие на объект управления (рис. 1.1)
Основными принципами управления являются: поддержание или перевод объекта в
требуемое состояние; информация об объекте управления; управляющее воздействие на
ОУ; информация об объекте, перерабатываемая с целью управления и воздействия на ОУ.
Процесс управления протекает в определенной последовательности. Если в нем
исключить хотя бы один из этапов, то управление станет невозможным. Поток инфор-
мации от управляющей системы к объекту (управляющие воздействия) представляет
прямую связь, обратный поток (информация об ОУ) — обратную связь. Управление
является замкнутым, если между ОУ и УС есть прямая и обратная связь, и разомкну-
тым, если существует только одна связь. При наличии только прямой связи управление
может осуществляться по заранее составленной программе — программное управление',
если же имеется только обратная связь, то можно осуществлять только контроль за
состоянием объекта.
По видам информации, используемой для формирования управляющего воздей-
ствия на объект, можно выделить следующие способы управления:
—	по следствию, когда управляющая система реаги-
рует на отклонение состояния ОУ от заданного, т.е. на
следствие, а не на причину, вызвавшую это отклонение;
—	по причине, когда управляющее воздействие вы-
рабатывается только на основе информации о возмуща-
ющих воздействиях на ОУ при отсутствии обратной связи
(принцип компенсации) и на основе информации, задава-
емой системой управления в виде программы (принцип
программного управления);
—	комбинированный, представляющий совокупность
перечисленных выше способов управления.
По способу организации управление можно разде-
лить на следующие виды: одноцентрическое, при котором
принятие решения об управлении осуществляется в од-
ном управляющем органе или центре; многоцентрическое,
Рис. 1.1. Структурная схема сис-
темы управления
7

когда решение об управляющих воздействиях на объект формируются во многих управ- ляющих органах. В последнем случае возможно возникновение недопустимых «конфл иктных» си- туаций между управляющими органами. Поэтому при многоцентрическом управле- нии необходимо согласование действий между управляющими органами, исключа- ющее или сводящее к минимуму «конфликтные» ситуации между ними. Примером такой согласованности является иерархический принцип управления, в соответствии с которым выделяются главный и подчиненный управляющие органы, между кото- рыми распределяются функции управления, чем обеспечивается наиболее эффек- тивное достижение цели управления. В устройствах тягового электроснабжения наряду с одноцентрическим применяет- ся иерархический принцип управления. Например, главным управляющим органом оперативного управления объектами электроснабжения является энергодиспетчерский пункт, а подчиненными органами — пункты управления на тяговых подстанциях, же- лезнодорожных станциях и постах секционирования. Задачи управления техническими объектами разделяются на четыре основных типа: — стабилизации, которые состоят в поддержании выходных параметров объекта управления в заданных пределах; — выполнения программы, которые заключаются в изменении выходных парамет- ров объекта по ранее составленной программе; — слежения, которые возникают, если изменение выходных параметров объекта заранее неизвестно; — оптимизации, которые состоят в наилучшем выполнении поставленной цели управления при сложившейся ситуации. В зависимости от целей и задач управления, вида объекта управления и предъяв- ляемых к ним требований и ограничений управление может быть замкнутым и разомк- нутым, автоматическим и автоматизированным. Соответственно системы при этом на- зываются замкнутыми и разомкнутыми, автоматическими и автоматизированными. Различают автоматизированные системы управления технологическими про- цессами (АСУ ТП) и автоматизированные системы организационно-экономичес- кого управления (АСУ ОЭ). Для АСУ ТП объектами управления являются маши- ны, устройства, технологические процессы; для АСУ ОЭ — предприятия (АСУП) и отрасли хозяйства (ОАСУ). Применяемые в различных отраслях промышленности АСУ ТП существенно от- личаются как по характеру выполняемых ими функций, так и по составу используемых технических средств, но в общем виде АСУ ТП любой отрасли можно представить структурной схемой, приведенной на рис. 1.2. Принципиальная особенность любой АСУ ТП состоит в том, что она является неотъемлемой частью автоматизированного технологического процесса. Текущая ин- формация о состоянии объекта управления (управляемой системы) поступает через устройство сбора и обработки информации в управляющую систему. Собранная ин- Рис. 1.2. Структурная схема управления в АСУ ТП формация контролируется и сравни- вается с имеющимся заданием. Ре- зультаты сравнения анализируются управляющей системой, затем под- готавливаются и принимаются реше- ния, которые в виде управляющих воздействий передаются на исполни- тельные механизмы. Важную роль в сборе и перера- ботке информации выполняет человек 8
как элемент системы управления. Соотношение действий, осуществляемых человеком и автоматическими устройствами, определяется аппаратурной системой управления и зави- сит от конкретных условий. Потоки информации, которые надо переработать в системах, обычно настолько велики, что превышают возможности человека. В связи с этим для пере- работки информации дополнительно привлекаются средства вычислительной техники. 1.2. Автоматизация управления, системой электроснабжения Хозяйство электроснабжения железных дорог можно рассматривать как совокуп- ность различных технологических процессов, объединенных решением задачи беспере- бойного снабжения потребителей электроэнергией соответствующего качества. При этом должно быть экономичное расходование электроэнергии и уменьшение потерь, возни- кающих в процессе передачи и преобразования. Основной целью создания автоматизированной системы управления электроснаб- жением (АСУЭ) является совершенствование управления устройствами электроснаб- жения и их эксплуатацией на основе автоматизации производственных процессов под- держания оптимальных режимов в системе тягового электроснабжения. Наряду с зада- чами оптимального управления технологическими процессами в АСУЭ решаются также задачи, связанные со сбором, обработкой информации, планированием и прогнозиро- ванием технологического процесса и состояния оборудования. Как любая сложная система АСУЭ имеет иерархическую структуру, состоящую из отдельных подсистем (рис. 1.3), имеющих самостоятельные цели управления и общую для всей автоматизированной системы цель. Эти подсистемы находятся на разных уров- нях иерархии, взаимодействуют между собой и имеют внешние связи с питающими районными энергосистемами и другими подсистемами АСУЖТ. Подсистема является частью автоматизированной системы, выделенной по опре- деленному признаку, отвечающему конкретным целям и задачам управления. В рамках этих задач подсистема может рассматриваться как самостоятельная система. Определение структу- ры системы управления яв- ляется одной из важней- ших задач, возникающих при разработке системы в каждом конкретном случае. Правильно составленная структура АСУЭ позволяет наиболее точно определить требуемый объем, содер- жание и потоки информа- ции; обеспечить последо- вательное решение очеред- ных задач на базе преды- дущих; исключить необхо- димость переделок в про- цессе развития АСУЭ. На рис. 1.3 представ- лена структурная схема АСУЭ, построенная по функциональному признаку. Система осуществляет уп- равление всем комплексом § S Рис. 1.3. Структурная схема АСУЭ дистанции электроснабжения 9
электроснабжения железнодорожного транспорта. Управление в пределах дистанции элек- троснабжения включает три уровня: первый уровень управления реализует ручное и автоматическое децентрализованное управление оборудованием и режимами; второй уровень управления предусматривает местное оперативное (дистанционное) и автома- тическое централизованное управление оборудованием тяговых подстанций, постов сек- ционирования и т.д.; третий уровень управления реализуется автоматизированной сис- темой диспетчерского управления (АСДУ) и на нем осуществляется оперативно-дис- петчерское централизованное управление тяговыми подстанциями, постами секцио- нирования и другими пунктами, элементами и режимами. От вышестоящих энергодиспетчерских пунктов четвертого и пятого, уровней уп- равления, соответственно службы электроснабжения дороги и Департамента электри- фикации и электроснабжения МПС (ЦЭ МПС), на энергодиспетчерский пункт дистан- ции электроснабжения поступает нормативная и оперативно-управляющая информа- ция, координирующая режимы работы дистанций электроснабжения в пределах желез- ной дороги. Энергодиспетчерский пункт службы электроснабжения дороги учитывает основные показатели работы дистанций электроснабжения, выполняет все виды пла- нирования в масштабах дороги, обменивается информацией с энергодиспетчерскими пунктами ЦЭ МПС и районных энергосистем. Автоматизированная ристема диспетчерского управления (АСДУ) обеспечивает автоматизированный сбор и обработку информации, необходимую диспетчерскому персоналу для непрерывного централизованного контроля и управления. Задачи оперативного управления, решаемые АСДУ, определяются режимом ра- боты системы электроснабжения. В нормальном режиме происходит регулирование режима электроснабжения, его корректировка при отклонениях для выполнения требований по качеству электроэнер- гии и надежности ее подачи; отключение оборудования для ремонта и резервирования и ввод его в работу из ремонта и резерва; сбор, обработка и документирование инфор- мации о работе дистанции электроснабжения. В аварийном режиме срабатывают автоматические устройства первого уровня (ре- лейная защита). В этом случае оперативно-диспетчерский персонал производит необхо- димые отключения устройств электроснабжения в случае их отказа. Однако, из-за низ- кого быстродействия качество управления ухудшается. В послеаварийном режиме решаются задачи восстановления нормальной схемы элек- троснабжения потребителей, заданного качества электроэнергии, ввод в работу отклю- чившегося неповрежденного оборудования, принятия мер по устранению причин ава- рии и ремонту поврежденного оборудования. Решение задач оперативно-диспетчерского управления (ОДУ) предусматривает максимальное использование опыта и знаний энергодиспетчера. В зависимости от сло- жившейся ситуации он может располагать различным временем для принятия реше- ний, которые вырабатывает практически единолично. В аварийных ситуациях объем информации резко возрастает, а время для принятия решения снижается до несколь- ких минут или секунд. Для обработки всей этой информации используются электронно- вычислительные машины (ЭВМ), ускоряющие принятие энергодиспетчером правиль- ных решений по управлению. ЭВМ являются технической основой АСУЭ наряду с местными системами авто- матики и устройствами телемеханики, состоящими из аппаратуры телеуправления, те- лесигнализации и телеизмерения. Они выполняют расчетные и информационные фун- кции, собирают и обрабатывают информацию, выдают соответствующие рекоменда- ции, осуществляют технико-экономические и планово-производственные расчеты. Подсистема третьего уровня осуществляет оперативно-диспетчерское централи- зованное управление пунктами, объектами и режимами электроснабжения, обменом информацией с энергодиспетчерскими пунктами энергосистем и службой управления 10
дороги, работой поездного диспетчера отделения дороги (ДНЦ). Подсистемы учета, планирования и прогнозирования оптимального управления могут размещаться на энер- годиспетчерском пункте дистанции электроснабжения или же являться общими для дистанций в пределах железной дороги и размещаться на центральном энергодиспет- черском пункте службы электроснабжения (ЦДПЭ). 1.3. Информация в системах управления электроснабжением железных дорог Общие понятия и определения. Во всех автоматических устройствах, системах теле- механики, вычислительных машинах от одних частей и узлов к другим осуществляется передача сведений о происходящих в них процессах и явлениях, т.е. информации. Информация представляет собой сведения, содержащиеся в сообщении, заранее неизвестные получателю. Сообщение — это сведения о некотором событии или явлении, которые необходи- мо передать от источника сообщений к получателю сообщений. Сообщения передаются с помощью сигналов по каналам связи. Сигнал — физический процесс, определенные параметры которого соответствуют некоторому сообщению. Сигнал всегда порождается некоторым фактом, событием или явлением и имеет независимую от него физическую природу. Между сигналом и сооб- щением существует условное соответствие, как между деталью и ее чертежом. Сигналы существуют в пространстве и во времени независимо от тех событий, которыми они были порождены. Читая книги, рассматривая фотографии, получая информацию по радио и телевидению, мы узнаем о событиях, давно прошедших или происходящих сейчас (прямое включение с места событий) рядом с нами или на значительном расстоянии. В процессе передачи и приема сигнала осуществляются его многократные преоб- разования из одной формы в другую. Например, принимаемый радиосигнал преобразу- ется в электрический, который в свою очередь — в звуковой или световой. При переда- че сигналов происходит обратное преобразование. Сигналы могут взаимодействовать друг с другом, образуя новые сигналы и сооб- щения, причем смысл нового сообщения будет отличен от смысла сообщения каждого из взаимодействующих сигналов. Система передачи информации (рис. 1.4) состоит из источника сообщения (ИС), кодирующего устройства (КУ), преобразующего сигнал в вид, удобный для передачи по каналу связи (КС), состоящему из передатчика — модулятора (ПМ), линии связи (ЛС), приемника-демодулятора (ПД), преобразующего сигнал в пер- воначальный вид, декодирующего устройства (ДУ), преобразующего сигнал в сооб- щение, получателя сообщений (ПС). Канал связи представляет собой совокупность технических средств, с помощью ко- торых обеспечивается независимая передача различных сообщений по одной линии свя- зи. В процессе передачи сигнала по каналу связи на него могут воздействовать помехи. Помеха — это любое мешающее воздействие, возникающее в процессе передачи сигнала. Различают аппаратные помехи и помехи от внешних воздействий. Помехи мо- гут частично или полностью исказить передаваемое сообщение А в сообщение Б, при- нятое получателем ПС. За- дача передачи информа- ции по каналу связи бу- дет выполнена, если сооб- щение Б, принятое ПС, Сообщение А ИС ЛС КУ Сигнал Преобразованный сигнал ПМ ДУ Си гнал 4-помеха Рис. 1.4. Структурная схема передачи информации Сообщение Б ПС точно соответствует пере- данному сообщению А. 11
По своему характеру информация, передаваемая в системах управления устрой- ствами электроснабжения, может рассматриваться как оперативная, предназначенная для постоянного контроля за состоянием системы электроснабжения и непосредствен- ного управления ею с диспетчерского пункта; статистическая, предназначенная для обработки, обобщения и анализа результатов эксплуатации системы электроснабже- ния, планирования и нормирования производственных процессов; отчетная, исполь- зуемая для составления отчетных документов. По назначению информация в системе электроснабжения делится на распоряди- тельную (об управлении и регулировании режимов работы электроустановок); сигналь- ную (о положении и состоянии контролируемых объектов); измерительную (о величине контролируемых параметров). Количество сообщений и количество информации. Каждое событие или явление мо- жет иметь N различных состояний. Сигнал, описывающий это событие, должен также иметь Nсостояний. Пусть требуется передавать на диспетчерский пункт информацию о состоянии четырех (п = 4) выключателей на контролируемом пункте. Каждый выклю- чатель имеет два состояния: «включен» и «отключен» (т = 2). Обозначим отключенное состояние выключателя «О», включенное — «1» и запишем все возможные сообщения о состоянии четырех выключателей. Таблица 1.1 Сообщения о состоянии выключателей Номер сооб- щения 1 2 4 5 6 7 8 Номер сообще- ния 9 10 11 12 13 14 15 16 Состояние выключателей 1 2 3 4 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 В табл. 1.1 перечислены все возможные сообщения о состоянии четырех выключате- лей от первого (все выключатели отключены) до шестнадцатого (все выключатели вклю- чены). Нетрудно убедиться, что между числом сообщений (W= 16), количеством объек- тов (п = 4) и числом их состояний (т = 2) существует зависимость 16 = 24, которую можно при произвольных т и п записать как N=m. (1.1) Число возможных сообщений является некоторой мерой информации. Однако пользоваться этой мерой неудобно, так как существует степенная зависимость между количеством сообщений и числом объектов, о которых необходимо передавать эти со- общения. В системе телеуправления «Лисна-Ч» можно передавать сообщения о 126 объек- тах тяговых подстанций (п = 126). Количество сообщений, которое при этом может быть передано (N= 2^6), определяется числом 1(Р8. Для измерения информации более удобна логарифмическая мера, которая позво- ляет получить линейную зависимость между количеством информации и числом объек- тов или числом элементов в сигнале, с помощью которого передается информация: I = loge N = п loga т, (1.2) где а — основание логарифма, может быть любым, но более удобно принять а — 2. При т = 2 выражение (1.2) можно записать 1 =log2 N = nlog2 2 = и. (1.3) 12
За единицу количества информации принимают информацию, содержащуюся в сообщении об объекте, имеющем два состояния. Сигнал, который описывает данное событие, имеет также два состояния. Единица количества информации носит название бит от сокращения английских слов (двоичная единица). Таким образом, если двоичный сигнал состоит из одного элемента, он несет один бит информации и с его помощью может быть передано только два сообщения типа «да-нет» (включено-отключено, 1-0) Выражение (1.2) определяет наибольшее количество информации, которое мо- жет содержаться в передаваемом сигнале. Фактическое значение количества информа- ции I может быть значительно меньшим. При прохождении сигналов по каналам связи передаются определенные сооб- щения. В них кроме полезных могут быть заранее известные или бессмысленные сведе- ния. Истинное значение информации в сообщении определяется лишь полезными сведениями.Разница между истинным и наибольшим значением информации пред- ставляет собой избыточную информацию. Уменьшая избыточную информацию в ре- альных сообщениях, можно канал связи использовать более эффективно. Повседнев- но мы осуществляем сокращение избыточной информации, не думая о понятии «ин- формация». Например, посылая поздравительную телеграмму, мы опускаем в тексте знаки препинания, предлоги, отдельные слова, имея в виду, что получателю и так будет понятен смысл сообщения. Однако в ряде случаев избыточная информация может быть полезной, помогая вос- станавливать информацию при ее искажении помехой. Для повышения гарантии получе- ния переданной информации без потерь нередко передают избыточную информацию. Так, например, в телеуправлении команда «Включить»-«Отключить» передается два раза, пол- ное совпадение двух кодовых серий гарантирует отсутствие искажений команды. Непрерывные и дискретные сигналы. Сигналы как и сообщения бывают непрерыв- ные и дискретные. Непрерывные сигналы могут отличаться друг от друга на очень малую величину. Дискретные сигналы представляют собой позиционные команды «Включить- Отключить», «Открыть-Закрыть» и т.п. Непрерывные сигналы используются в системах телеизмерения, а дискретные — в устройствах телеуправления и телесигнализации. Типичным примером дискретных сообщений и сигналов является передача ин- формации о состоянии выключателей на подстанции. Сигнал при этом состоит из им- пульсов, параметры которых, соответствующие включенному состоянию выключате- лей, существенно отличаются от параметров импульсов, несущих информацию об от- ключенном состоянии выключателей. Между этими двумя значениями сигнал, как и само состояние выключателей, промежуточных значений не имеет (невозможно пред- ставить, что выключатель включен или отключен частично). Передача дискретных сигналов имеет ряд преимуществ перед передачей непрерыв- ных сигналов. Чтобы передать непрерывное сообщение, представленное непрерывной функцией времени X(t), ее разбивают на ряд дискретных значений. Замену непрерывного сообщения дискретным называют квантованием (дискретизацией). Квантование сигнала осуществляют либо по амплитуде, либо по времени. Замена непрерывного сигнала диск- ретным приводит к дополнительной погрешности. Однако это не существенно, если она не велика по сравнению с погрешностями, вызванными другими причинами. На рис. 1.5 представлено квантование сигнала по амплитуде. При квантовании по амплитуде кривую X(t) разбивают на равные интервалы ДХ по вертикали и заменяют ступенчатой характеристикой X(t) Интервал ДХ называют шагом квантования. При за- данном шаге квантования число дискретных значений сигнала (разрешенных уровней) в пределах изменения функции X(t) от Хтах до Xmin равно 13
Рис. 1.5. Квантование сигнала на амплитуде Если мгновенное значение функции по- падает внутрь интервала, то оно заменяется бли- жайшим разрешенным. Переход с одного уров- ня на другой происходит в момент, когда зна- чение функции находится в середине интерва- ла квантования, так как именно в этот момент абсолютная погрешность квантования оказыва- ется наибольшей. Погрешность квантования определяется выражением 5 = ±—-100,%. п 2N U-5) Из выражений (1.4) и (1.5) видно, что с уменьшением Д¥ и увеличением N по- грешность уменьшается. При квантовании по времени кривую X(f) разбивают на равные интервалы по горизонтали и передают только те значения сигнала, которые совпадают с началом (или концом) каждого интервала. Следовательно, при квантовании по времени переда- ча сигналов происходит в определенные фиксированные моменты времени. Теоретически скорость передачи информации по каналу связи, определяющая пропускную способность канала, может быть выражена формулой с = Д7\ log2 (1 + ), бит/с, (1-6) р где AFK — ширина полосы канала связи (полоса частот, которую пропускает канал); — — отношение мощности сигнала к мощности помехи. п Если в секунду передается с бит информации, то за время работы канала связи Тк можно передать количество информации (1-7) Мощность сигнала Рс не может быть больше мощности Рк, допустимой в канале. Приняв Рс= Рк, получим выражение, определяющее наибольшее количество инфор- мации в канале: 1К = ДГК7; log2 (1 + бит. р *п Обозначив log2(l + — )-Нк, получим объем канала Р„ К = F.T.H., биг, где Hv — динамический диапазон канала связи. По аналогии можно записать выражение объема сигнала: Vc = FcTeHe, бит, (1.8) (1.9) (1.Ю) где Fc — ширина полосы частотного спектра сигнала; Тс — длительность сигнала; Нс — динамический диапазон сигнала Необходимым условием передачи сигнала по каналу связи является Ик > Ис, но при этом должны быть выполнены и достаточные условия: Рк > Рс; Тк> Тс; Нк> Нс. Сигналы и их спектры. Телемеханические сигналы, передаваемые по проводным линиям и радиоканалам, представляют собой электрическую величину, изменяющую- ся во времени.В последние годы начинают широко применяться оптические сигналы, передаваемые по волоконно-оптическим кабелям. 14
Различают сигналы непериодические и периоди- ческие. Первые являются не- периодической функцией времени, в простейшем слу- чае — это одиночные им- пульсы произвольной формы (рис. 1.6, а). Вторые являются периодической функцией времени и представляют со- бой бесконечную времен- ную последовательность импульсов с одинаковой формой и периодом повто- рения Т (рис. 1.6, б). Любая периодическая Рис. 1.6. Непериодические (а) и периодические (б) сигналы функция времени Д/) может быть представлена в виде суммы ряда синусоидальных коле- баний (ряда Фурье) с определенными амплитудами Лг-, начальными фазами ср,- и частота- ми со. Следовательно, любой периодический сигнал можно представить в виде ряда F(t} = Ао + i4isin((o/+<pj) + /42sin(2w/ + <p2) + Л3(Зсо + <p3) +.., (1.11) где Ло— постоянная составляющая (амплитуда нулевой гармоники); At, Л2, Л3— амплиту- да соответственно гармоник 1,2,3; ш = 2л/ — угловая частота первой гармоники; f = — — частота первой гармоники в Гц; Т— период повторения импульсов, с. ” На рис. 1.7 представлен результат процесса разложения прямоугольных импульсов (рис. 1.7, а) на гармонические составляющие (рис. 1.7, б). Так как амплитуда гармоник, номера которых кратны отношению — при /и < гп при tM= — = 2 т.е. гармоники, номера кото- рых кратны 2 (четные), обращаются в нуль. По этой причине на рис. 1.7, б отсутствуют четные гармоники. Амплитуда гармоник по мере возрас- тания частоты (номера) снижаются. На рис. 1.7, в показана последовательность, полученная в ре- зультате сложения нулевой Aq, первой, третьей и пятой гармоник. Кривая наглядно показывает, что чем больше гармоник суммируется, тем бли- же синтезированная последовательность совпадает с исходной (рис. 1.7, а). Чтобы при передаче сигнала, состоящего из последовательности прямоугольных импульсов, не произошло искажений, нужно передать по кана- лу весь бесконечный ряд гармоник в соответствии с вырадением (1.11). Практически осуществить это невозможно, так как потребовался бы канал с бесконечной полосой пропускания. Обычно до- пустимы некоторые искажения формы сигнала, что позволяет ограничиться передачей конечного числа гармонических составляющих. или — при обращаются в нуль, то *п Рис. 1.7. Разложение прямоугольных им- пульсов на гармонические составляющие: а — последовательность прямоугольных им- пульсов; б — гармонические составляющие; в — синтезированная последовательность импульсов 15
Рис. 1.8. Структуры периодической пос- ледовательности прямоугольных им- пульсов при различных длительностях импульса ги и паузы /п Амплитуды гармонических составляют ? графически представляются в координатах АК и в виде отдельных спектральных линий (где к л номер гармоники). Совокупность амплитуд АК гар-; монических составляющих представляет собой* спектр амплитуд, который называют линейчатым, ‘ т.к. он состоит из отдельных спектральных линий.; На рис.1.8 приведены спектры амплитуд пос- * ледовательностей прямоугольных импульсов оди- наковой длительности, но с различными перио-: дами Т. Амплитуды гармоник с частотами, крат-' 1 к J ными —, обращаются в нуль, т.к. номер первой ; Т 'Т гармоники с нулевой амплитудой — (или —), а. 1 Г 1 ее частота ~ * у ~ у. Если нет специальных оговорок относитель- но величины искажения импульсов при переда- че, то достаточно ограничиться передачей только тех гармоник, частоты которых лежат между на- i чалом координат и частотой первой гармоники из • числа тех, амплитуды которых равны нулю (пер- вый «лепесток» спектра). ! В этом случае ширина спектра сигнала или \ необходимая для передачи полоса канала связи определяется выражением А/ = — при /и < tn ИЛИ (1.12) i Рис. 1.9. Одиночный прямо- угольный импульс (а) и его спектральная плотность (б) п ; Из приведенных формул видно, что полоса пропускания канала связи обратно про- порциональна длительности наиболее короткого элемента сигнала (импульса или паузы). Непериодические сигналы можно рассматривать как периодические с периодом повторения, равным бесконечности. На рис. 1.8 приведены спектры периодической пос- ледовательности прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды и длительности, но с разными периодами повторения. Из приведенных спектров видно, что при увеличе- нии периода Т частотное расстояние между спектральны- ми линиями уменьшается, а количество линий увеличива- ется. Нетрудно представить, что при увеличении периода до бесконечности спектральные линии сближаются настоль- ко, что сливаются между собой, а их число увеличивается до бесконечности на любом конечном интервале частот. В этом случае нет необходимости говорить об отдельных гар- монических составляющих сигнала, и поэтому вводят по- нятие спектральной плотности S(f) как функции частоты. График спектральной плотности одиночного прямоуголь- ного импульса показывает, что огибающая кривая обраща- ла ется в нуль при частотах ~, где к = 1, 2, 3 и т.д. Для передачи сигнала используют предельно малую ширину спектра, но такую, чтобы в ней была сосредоточе- на основная энергия сигнала. Из рис. 1.9 видно, что наи- 16
большая энергия сигнала сосредоточена в пределах первого «лепестка» спектра. Отсюда необходимая для передачи полоса канала связи определяется выражением которое совпадает с выражением (1.12) для последовательности прямоугольных импульсов. ч 1.4. Модуляция Для передачи информации по каналу связи необходимо иметь переносчик сигна- лов, в качестве которого может быть использован любой физический процесс, способ- ный распространяться в пространстве. Переносчиками информации могут быть, на- пример, звуковые волны, свет и т.д. В автоматизированных системах в качестве пере- носчика сигналов используют электрический ток, способный практически мгновенно распространяться по проводам на большое расстояние. Для нанесения сигнала на пере- носчик (электрический ток) необходимо воздействовать на параметры переносчика с целью их изменения во времени по заданному закону. Модуляция — процесс нанесения информации на переносчик, а параметры пере- носчика, на которые воздействуют при нанесении информации, называются качества- ми (признаками) электрического тока. В качестве переносчика информации может быть использован постоянный ток, переменный синусоидальный ток или периодическая последовательность импульсов. При модуляции постоянного тока можно воздействовать на его амплитуду (тока или напряжения) (рис. 1.10, а). Гармонические колебания переменного тока характеризу- ются амплитудой, частотой и фазой (рис. 1.10 б, в, г), а периодическая последователь- ность импульсов — амплитудой, шириной (временем) импульсов, частотой повторе- ния, фазой и полярностью (рис. 1.10 д, е, ж, з, и). !-6086 Рис. 1.10. Признаки электрического тока: а — амплитудный при постоянном токе; б, в, г — амплитудный, час- тотный и фазовый при гармоническом колебании; д, е, ж, з, и — амплитудный, временной, частотный, фазовый и полярный при не- сущей периодической последовательности импульсов
К признакам электрического тока предъявляют следующие основные требова- ния: возможность получения большого числа состояний признака; простота образо- вания и обнаружения признака; возможность независимой передачи в одной физи- ческой среде, например, в линии связи; способность противостоять помехам и воз- действиям линии связи и аппаратуры. Наиболее универсальным является частотный признак, который может иметь неогра- ниченное число состояний и позволяет одновременно передавать по одной линии несколько состояний. Амплитудный признак больше подвержен действию помех, чем частотный. Вид модуляции определяется переносчиком и его параметром (признаком), на который воздействуют при нанесении информации. При постоянном токе в качестве переносчика возможна амплитудная модуляция (AM). Гармоническое колебание характеризуется амплитудой, частотой и фазой, и мо- жет быть описано выражением a(t)= jQsin(co0r + ф0), (1.М) а АО АО АМ / -тг \ । । г \ где Aq, Wq, <р0— соответственно амплитуда, частота и начальная фаза несущего колебания. Амплитудная модуляция (AM) представлена на рис. 1.11. На рис. 1.11, а показан изменяющийся во времени сигнал Д/), который необходимо нанести на амплитуду Ло гармонического колебания, при этом амплитуда получит некоторое приращение ДА. Амплитуда модулированного колебания равняется Ло(1 ± дпа), где та =----глубина 4) модуляции (рис. 1.11, б). Чтобы не произошло искажения передачи, приращение ДА не должно быть больше Aq. При ЛА — Aq имеем та= 1 (рис. 1.11, в). Дальнейшее увеличе- ние ДА приводит к тому что та > 1 (рис. 1.11, г), и при этом возникают искажения. Как видно из рис.1.11, амплитуда модулированного колебания меняется во времени по закону изменения сигнала F(t), наносимого на гармоническое колебание: Л(О=Ао[1 + maF(t)]. (1.15) Следовательно, модулированное колебание не является гармоническим и должно раскладываться на гармонические составляющие. Разложение AM-колебаний в спектр показывает, что в нем содержится несущее коле- бание с частотой (Oq, а также колебания верхних и нижних боковых частот. В простейшем случае, есл и модуляция осуществляется синусоидальным низ- кочастотным сигналом с частотой Q, в спектре имеется несущее колебание с частотой со0, верх- няя боковая гармоника с частотой w0 + Q. и ниж- няя — с частотой со0 + Q. Для уменьшения полосы частот широко ис- пользуют однополосную амплитудную модуляцию, при которой в канал связи передают только одну из боковых частот без несущей. Уменьшение по- лосы частот канала и повышение мощности гар- моник, несущих информацию, позволяет повы- сить помехоустойчивость. При частотной модуляции (ЧМ) по закону меняющегося сигнала f\t) изменяется частота не- сущего колебания: (о(г) = (в0 + ДсоД/), (116) где Д<о — девиация частоты, т.е. наибольшее от- клонение ее от <й0 (обычно Дю<< сод). а ' A(t) AM в АМ/ Рис. 1.11. Амплитудная модуляция гармонического колебания: а — управляющий сигнал; б, в, г — мо- дулированные колебания при та< 1, wa— 1 18
а Рис. 1.12. Частотная модуляция гармонического колебания: а — при прямоугольном разнополяр- ном сигнале; б при прямоугольном однополярном сигнале Flth* l’H -I- Рис. 1.13. Фазовая модуляция гармо- нического колебания: а — при прямоугольном разнополяр- ном сигнале; б — при прямоугольном однополярном сигнале Наиболее наглядно можно представить частотную модуляцию при модулирующем сигнале в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов (рис. 1.12, а). В этом случае передаче положительного импульса соответствует частота wq+Дсо, передаче отрицательного импульса — частота (о0—Дсо, а при паузе передается несущая частота шд. При передаче однополярных импульсов (рис. 1.12, б) импульс передается частотой Юд+Дсо, пауза — частотой Wg—Aw. Несущая частота при передаче отсутствует, она равна средней арифметической между частотой импульса и паузы. Спектр ЧМ-колебания состоит из гармоник несущей частоты и боковых полос (верхней и нижней). Число гармоник в каждой боковой полосе бесконечно даже при модуляции синусоидальным сигналом (в отличии от AM, при которой в этом случае имеется по одной боковой гармонике с каждой стороны). Полоса частот при ЧМ значи- тельно шире, чем при AM, и это является недостатком ЧМ. Однако, при ЧМ обеспечи- вается существенно большая помехоустойчивость, чем при AM. При фазовой модуляции (ФМ) по закону управляющего сигнала изменяется фаза несущего колебания. На рис. 1.13, а показана модуляция гармонического колебания разнополярным прямоугольным сигналом. Угол, на который изменяется фаза, называ- ется углом модуляции, который на рис. 1.13, а составляет 180° (от 0g +90° до 60 —90°). При однополярных импульсах передаче импульса соответствует фазовый угол (р = 0°, а паузе — ф=180° (рис. 1.13, б) Установлено, что при равной ширине полосы частот и скорости передачи наи- большую помехоустойчивость обеспечивает фазовая модуляция, наименьшую— ампли- тудная, частотная занимает промежуточное положение. При импульсной модуляции в качестве несущего колебания используют периоди- ческую последовательность импульсов. По закону изменения управляющего сигнала F(f) (рис. 1.14,а) модулируют один из параметров переносчика a(f) (рис. 1.14, б). Различают следующие виды импульсной модуляции: амплитудно-импульсную (АИМ) (рис. 1.14, в); широтно-импульсную (ШИМ) (рис. 1.14, г); частотно-импульс- ную (ЧИМ) (рис. 1.14, д'); фазо-импульсную (ФИМ) (рис. 1.14, е); полярно-импульс- ную (ПИМ) (на рис. 1.14 отсутствует). Частоту следования импульсов несущего колебания^ выбирают по теореме В.А. Ко- тельникова, согласно которой число значений п модулирующего сигнала с шириной спектра AF, которое надо передать за время Т, определяется формулой n = 2LFT. (1.17) 19
в Л0дим а W) Л0фим Метки времени Рис. 1.14. Импульсная модуляция: а — управляющий сигнал; б — несущая пос- ледовательность импульсов; в, г, д, е — соот- ветственно АИМ, ШИМ, ЧИМ и ФИМ «(О ^Йшим Л^чим'к Отсюда следует Л =у = 2ДГ. (1.18) В этом случае трудно выделить сигнал из импульсно-модулированного колебания, так как наивысшая частота модулирующего и ча- стота модулируемого колебаний очень близки по величине. Поэтому частоту модулируемого колебания выбирают в 2-3 раза больше, чем следует из выражения (1.18) Кроме простых видов модуляции, рас- смотренных выше, широко применяют и сложные, в которых одновременно осуществ- ляется модуляция нескольких параметров или двух различных несущих колебаний (периоди- ческая последовательность импульсов и гар- моническое колебание). Например, АИМ-АМ представляет собой модуляцию управляющим сигналом по методу АИМ периодической пос- ледовательности импульсов, а полученным сигналом модулируется по амплитуде несущее гармоническое колебание. Широко применяется также особый спо- соб преобразования сигнала, называемый кодо-импульсной модуляцией (КИМ), смысл которой заключается в квантовании непрерывного сигнала и передаче его дискретных значений кодовой комбинацией импульсов. 1.5. Демодуляция Демодуляция — процесс, обратный модуляции, который заключается в выделении сигнала из модулированного колебания с помощью нелинейных элементов. Рис. 1.15. Схема диодного детек- тора AM-колебаний (а) и его характеристика (б) Простейшим видом демодуляции может служить детектирование (выпрямление) AM-колебаний с помо- щью полупроводникового диода VD (рис. 1.15, а). Ис- точник AM-колебаний вырабатывает ЭДС £(/) с пере- менной амплитудой. Диод VD пропускает только поло- жительные полуволны напряжения иъъкс Огибающая этих полуволн является сигналом, представляющим собой низкочастотное колебание ий(г). Для выделения низкочастотных колебаний из вып- рямленного напряжения £/вых применяют фильтры ниж- них частот, примером которых может служить RC- фильтр, показанный на рис. 1.15, а. Емкость конденса- тора С выбирают такой, чтобы его сопротивление Хс на несущей частоте было значительно меньше сопротив- ления нагрузки, а для низкочастотного сигнала, наобо- рот, значительно больше сопротивления нагрузки. На положительной полуволне ток протекает через VD и про- исходит заряд конденсатора до амплитудной величины напряжения. Во время отрицательной полуволны кон- денсатор частично разряжается на резистор R, но так 20
как длительность отрицательной полуволны очень маленькая, то напряжение на конденсаторе прак- тически сохраняется. Если амплитуда следующей положительной полуволны возрастает, то напря- жение на конденсаторе (а значит и на выходе де- тектора) растет, при снижении амплитуды напря- жение на выходе снижается. Изменение напряже- ния Uq(/) происходит по закону огибающей по- луволны, т.е. по закону изменения сигнала, кото- рый был нанесен на переносчик. При демодуляции ЧМ-колебаний предвари- тельно их преобразуют в AM-колебания, после чего их демодулируют АМ-детектором, рассмот- а б Рис, 1.16. Схема простейшего демоду- лятора ЧМ-колебаний (а) и его характеристика (б) ренным ранее (см. рис. 1.15). Простейшим преобразователем (дискриминатором) ЧМ-колебаний в АМ-коле- бания является одиночный колебательный контур LC (рис. 1.16, а). Резонансная часто- та со0 контура должна быть сдвинута относительно несущей частоты со0 ЧМ-колебания таким образом, чтобы весь спектр сигнала от со0 — Дсо до со0 + Д<о размещался на одном из спадов резонансной характеристики UK = Д(о) контура (рис. 1.16, б). Тогда при по- ступлении от источника ЧМ-колебаний с частотой <о0 — Дсо напряжение на LC-контуре будет иметь амплитуду £7К], а при частоте (Oq + амплитуда снижается до значения UK2- Таким образом, на выходе преобразователя имеем напряжение t/BbIX, которое пред- ставляет собой АМ-колебание. Чтобы преобразование происходило без искажения, спад характеристики (7к=/(а)) должен быть линейным. Демодуляция ФМ-колебаний, модулированных прямоугольными импульсами, зак- лючается в сравнении ФМ-сигналов с некоторым опорным напряжением, имеющим частоту, равную частоте несущего ко- лебания ФМ-сигнала (синхронное на- пряжение). В простейшем случае фаза опорного колебания должна совпадать с фазой импульса или паузы. Существует много методов созда- ния опорного напряжения, имеющих те или иные недостатки. Еще в 1933 г. ученый А.А. Пистолькорс предложил схему преобразования ФМ-сигнала в AM-сигнал (рис. 1.17, а) Удвоение частоты сигнала, мани- пулированного по фазе на 180°, при- водит к устранению манипуляции. На- пряжение удвоенной частоты, получен- ное в результате выпрямления, пропус- кают через узкополосный фильтр. На выходе фильтра появляется гармони- ка с удвоенной частотой. После дели- теля частоты получаем аналог исход- ного несущего колебания, которое является опорным напряжением. Из диаграммы (рис. 1.17, б) видно, что результатом слежения ФМ-сигнала с опорным напряжением на выходе де- АМ на выхо- де схемы сравнения Рис. 1.17. Структурная схема демодулятора ФМ- колебаний (а) и диаграмма его работы (б) а 21
лителя частоты является AM-колебание на выходе схемы сравнения, которое затем детектируется ранее рассмотренным способом (рис. 1.15). Недостатком данной схемы является трудность в создании опорного напряжения, частота и фаза которого должны оставаться стабильными во времени. Существует опас- ность так называемой «обратной работы», когда вместо сигнала «1» принимается сиг- нала «О» и наоборот. 1.6. Кодирование Кодирование — процесс преобразования дискретных сообщений в дискретные сиг- налы в виде кодовых комбинаций символов, составленных по определенному закону. Кодирование нашло широкое применение в современных системах передачи информа- ции для защиты ее от помех. Код — это закон или правило, по которому осуществляется кодирование. Кодовые комбинации составляются из символов, заданная совокупность которых называется алфавитом, а закон, по которому составляются эти комбинации, называется языком сообщений. Например, в обыденной жизни сообщение может быть составлено на рус- ском, английском, немецком или другом языке и записано с помощью русского, ла- тинского или другого алфавита. Кодовые комбинации могут быть записаны буквами, цифрами либо другими символами. Числовые коды. В технике широкое применение нашли коды, построенные на осно- ве систем счисления. Количество символов или цифр системы называется основанием кода т системы счисления. По основанию кода т системы счисления бывают двоичные (т = 2), троичные (т = 3) и т.д. В широко применяемой десятичной системе т = 10. В ней используются цифры от 0 до 9. В двоичной системе имеется только две цифры 0 и 1. Число символов, образующих кодовую комбинацию, называется длиной кода п. Место цифры в кодовой комбинации называется разрядом. Значение (вес) разряда определяет- ся основанием т и порядковым номером разряда. В десятичной системе в первом разряде (крайнем правом) содержатся единицы, во втором — десятки, в третьем — сотни и т.д. В двоичной системе первый разряд также содержит единицы, второй — двойки, третий — четверки, четвертый— восьмерки и т.д. Таким образом вес цифры при переводе ее из одного разряда в другой более высокий увеличивается в т раз (см. табл. 1.2). Таблица 1.2 Ряд десятичных и соответствующих им двоичных чисел Число Число Десятичное 0 1 2 3 4 5 6 7 Двоичное четырехразрядное 0000 0001 0010 ООН 0100 0101 ОНО 0111 Десятичное 8 9 10 11 12 13 14 15 Двоичное четырехразрядное 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 При кодировании каждому сообщению присваивается определенная комбинация числового кода. Так, сообщения о состоянии четырех выключателей на контролируе- мом пункте были рассмотрены в табл. 1.1. При передаче по каналу связи каждому символу соответствует свой сигнальный признак. Например, при двоичном коде цифре 1 соответствует импульс, а цифре 0 — пауза. Можно цифру 1 передавать длинным импульсом, а цифру 0 — коротким или передавать эти символы разными частотами (табл. 1.3). 22
Таблица 1.3 Передача кодовых комбинаций с помощью сигналов № Кодовая комбинации комбинация Примеры реализаций в сигнале 0 0 0 0 0 0 0 1 0 010 0 0 11 Случай I Случай П При десятичном коде должно быть десять состояний сигнала, например, десять сигнальных частот. Полное число сигналов, образуемых числовым кодом, определяется выражением #=/пя, (1.19) где т — основание системы счисления; п — число разрядов (элементов сигнала). Наиболее широкое применение в технике нашел двоичный код, так как он соот- ветствует двоичной природе многих сообщений («да-нет», «включено-отключено»). Операции с двоичными числами достаточно просты. Выражение (1.19), определяющее полное число возможных сигналов, принимает вид N= 2п. Кроме простых числовых кодов применяются составные, имеющие два основания и более. Наибольшее распространение из них получили единично-десятичные и двоич- но-десятичные коды. Единично-десятичный код характеризуется тем, что каждая цифра десятичного числа записывается одними единицами. Например, число 325 запишется как 111-11-11111. В двоично-десятичном коде каждая цифра десятичного числа от 0 до 9 записывается четы- рехразрядным двоичным кодом. Такой код позволяет образовать №=24 =16 различных комбинаций, десять из которых могут быть использованы для обозначения десяти цифр десятичной системы. Наибольшее применение нашел код, в котором десятичная цифра представлена ее точным двоичным числом. Такой код иногда обозначают 8 - 4 - 2 -1 по весу двоичных цифр в каждом разряде. Например, число 325 в двоично-десятичном коде имеет следующий вид: 0011-0010-0101. Передача разделительных знаков между че- тырехразрядными группами (тетрадами) не обязательна, так как каждый разряд содер- жит одинаковое число символов, равное 4. По числу элементов в кодовых комбинациях коды делятся на равномерные (ком- плектные) и неравномерные (некомплектные). Кодовые комбинации комплектных ко- дов имеют одинаковую длину (число символов в коде), некомплектных — разную. Комплектность кода позволяет несколько повысить его помехоустойчивость, так как при этом возможно контролировать число элементов в кодовых комбинациях. Так, число 325 в комплектном единично-десятичном коде записывается в следующем виде: 0000000111-0000000011-0000011111. По наличию избыточности коды делятся на избыточные (помехоустойчивые) и неизбыточные (непомехоустойчивые). К последним относятся все коды, в которых заме- на в комбинации одного символа другим (например, 1 на 0 или 0 на 1) приводит к ошибке. Числовые коды, в которых используются все возможные комбинации (коды на все сочетания), являются непомехоустойчивыми. Искажение хотя бы одного символа в передаваемой комбинации приводит к появлению новой комбинации, соответствую- щей другому сообщению. Однако, несмотря на низкую помехоустойчивость, эти коды широко применяют в тех случаях, когда влияние помех при передаче несущественно. 23
Комбинаторные коды основаны на математической теории соединений: перестано- вок, размещений и сочетаний. Коды, построенные по закону перестановок, содержат п символов в каждой ком- бинации. Отдельные комбинации отличаются друг от друга только порядком следова- ния символов. Общее число возможных комбинаций определяется выражением N = Рп= 1x2x3 х...х п = п !, (1.20) где Рп — число перестановок. Коды, построенные по закону размещений, представляют собой комбинации из и элементов по т символов, отличающихся символами или порядком их следования. Число возможных комбинаций определяется выражением (и-m)! ' ' ' Например, имеем п = 3 (а, б, в) и т = 2, тогда число возможных комбинаций 42 = 6 (аб, ба, ав, ва, бв, вб). Коды, построенные по закону сочетаний, представляют собой комбинации по т символов из п возможных, отличающиеся только символами. Число возможных комби- наций определяется выражением till и (1.22) 1) х...х (и — +1) А”1 п\ 1х2х...х?п Рт тЪ<(п-т)\ Например, имеем п = 4 (а, б, в, г) и т = 2, тогда число возможных комбинаций 2 4x3 N = С4 -----= 6 (аб, ав, аг, бв, бг, вг). Такие коды называют кодами на одно сочетание. 1x2 Код типа с\ ПРИ временном разделении элементов сигналов называют распределительным. Кодом на все сочетания называют код, составленный из заданного числа элемен- тов п и представляющий суммарную комбинацию сочетания: п 1 /г 1 Помехозащищенные коды. Рассмотренные выше простые числовые коды при осно- вании системы счисления т и числе разрядов позволяет образовать Nq = т возмож- ных комбинаций. Отсюда минимальная длина кодовой комбинации, необходимая для образования всех Nq комбинаций, „ _1оё2^0 log2m (1.24) Такой код называют минимальным или безызбыточным. В нем некоторые комбина- ции могут отличаться друг от друга не более, чем в одном элементе. Для оценки помехо- защищенности кода от воздействия помех вводят понятие кодового растояния d — числа разрядов, в которых элементы одной кодовой комбинации отличаются от другой. Так, комбинация 0000 и 0001 отличаются только в одном разряде (d = 1). Это означает, что появление 1 в первом разряде комбинации 0000 или 0 в первом разряде комбинациии 0001 приводит к изменению передаваемого сообщения. Для того, чтобы избежать ошиб- ки в случае одиночных искажений, нужно увеличить кодовое расстояние до d = 2, исключив комбинации только в одном разряде (элементе). Кодовое расстояние, обозначаемое буквой d, определяется путем сложения двух комбинаций по модулю 2 (mod 2), которое обозначается знаком © и производится в соответствии с табл. 1.4. 24
Таблица 1.4 Сложение по mod 2 х О 1 О 1 У о о 1 1 d=-x® у О 1 1 О При суммировании по mod 2 двух комбинаций нули будут в тех разрядах, где символы в обеих комбинациях одинаковы, а единицы — где символы различны. Напри- мер, сложение по mod 2 двух пятиразрядных чисел дает следующий результат: 01001 10101 11100 Отсюда d =3. Для того, чтобы определить кодовое расстояние между различными кодовыми комбинациями, составляют матрицы (табл. 1.5). Таблица 1.5 Матрица кодовых расстояний Кодовые комбинации Кодовые расстояния d__ 0001___________________________0010 I 0100 1000 0001 0010 0100 1000 Нетрудно убедиться, что при любом одиночном искажении комбинации, приве- денные в табл. 1.5, не могут переходить одна в другую. Следовательно, при одиночном искажении произойдет появление новой комбинации, по которой можно судить об искажении. Двойные искажения при dmin= 2 обнаружить нельзя. Для получения еще большей помехоустойчивости необходимо увеличить кодовое расстояние. Так, при </т,п= 3 можно обнаружить любые двойные, а при Jmin= 4 — тройные искажения. В общем случае получим выражение ^min — гоб 1’ (1-25) где гоб — количество ошибок, которое можно обнаружить. Для построения помехозащищенного кода необходимо разбить все комбинации на две группы: разрешенные (основные) с кодовым расстоянием Jmin > гоб +1; запре- щенные с кодовым расстоянием dmin < гоб. Помехозащищенным кодом можно передать меньшее число сообщений, чем ко- дом, в котором используются все комбинации при одинаковом числе элементов в ко- дах. При одинаковом числе сообщений в комбинациях помехозащищенного кода при- ходится затрачивать большее число элементов. Такие коды имеют избыточность, кото- рую оценивают коэффициентом избыточности «о (1.26) где п — число элементов в комбинациях кода с избыточностью; «о — число элементов в комбинациях неизбыточного кода. 25
При кодовом расстоянии dmin > 2 можно не только обнаружить, но и исправить ошибку. Рассмотрим две кодовые комбинации ООП и 1000, отличающиеся тремя эле- ментами. Допустим, при передаче комбинации 1000 произошло одиночное искажение, получим 0000 1100 1010 или 1001. Можно с уверенностью сказать, что была передана комбинация 1000, т.е. исправить ошибку. Чтобы исправить любое число ошибок ги, минимальное кодовое расстояние нужно определить по формуле ^min “ + 1- (1-27) Отсюда для исправления одиночной ошибки (r^^ 1) Jmin = 3. Способность кода обнаруживать и .исправлять ошибки определяется минималь- ным кодовым расстоянием из выражения ^min — гоб ги b (1-28) г • , . - s . •• • где гоб и ги — число обнаруженных и исправленных ошибок при условии гоб > ги. Среди помехозащищенных кодов различают блочные и непрерывные. К блочным кодам относятся такие, с помощью которых сообщения передаются блоками опреде- ленной длины из некоторого конечного числа символов. В непрерывных кодах нет последовательности информационных символов опреде- ленной длины. Между информационными символами по определенному закону разме- щают проверочные. Для декодирования таких кодов обычно применяют ЭВМ. В систе- мах телемеханики обычно применяют блочные коды. Их делят на систематические (ли- нейные) и несистематические (нелинейные). К систематическим относят коды, у которых сумма по mod 2 двух разрешенных комбинаций является комбинацией того же кода. Несистематические коды образуются с помощью нелинейных операций над информационными символами. К несистематичес- ким кодам относится, например, корреляционный код, в котором единица передается символом 10, а нуль — 01. Например, если комбинация в исходном неизбыточном коде имеет вид 1011, то в корреляционном она будет записана как 10 01 1010. Если в таком коде появляется подряд три нуля или единицы, то это свидетельствует об ошибке. Коды с повторением предусматривают повторение каждой комбинации 2 раза и более. Такие коды могут быть двух вариантов: код с защитным повторением без инвер- сии и с инверсией. Код с повторением и инверсией более целесообразно применять при несимметричном канале связи, в котором чаще появляются ошибки одного знака. Для повышения достоверности передачи кодированной информации кроме поме- хозащищенных кодов применяют также обратную связь (обратный канал) и мажори- тарное декодирование. В системах с информационной обратной связью приемник, при- няв сообщение, передает его же по обратному каналу. Передающее устройство сравни- вает переданное им сообщение с полученным по каналу обратной связи. При совпаде- нии сообщений передается разрешающий сигнал, при несовпадении — сигнал запрета. В таких системах используют обычно двоичный безызбыточный код. При мажоритарном декодировании в канал связи передается не менее трех оди- наковых кодовых комбинаций. Решение о правильности принимается по большинству одинаковых принятых комбинаций («метод голосования»). : Известенлщ других мартов повышения достоверности передачи, основан- ных'на внесении той или иной избыточности как при посимвольном приеме кодо- вых комбинаций (определяется достоверность приема каждого отдельного символа по Ходу передачи), так и при приеме кодовых комбинаций в целом с последую- щим определением их правильности. ’ £
Глава 2 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА 2.1. Транзисторные ключевые устройства В современных электронных устройствах автоматики и телемеханики функции пе- реключателей выполняют транзисторы. Для этих целей могут быть использованы бипо- лярные транзисторы типов р-п-р и п-р-п и униполярные (полевые) обычно в одном из двух режимов работы: отсечки или насыщения (рис. 2.1.). В режиме отсечки оба р-л-перехода (эмиттерный и коллекторный) закрыты, и ток транзистора ничтожно мал. В режиме насыщения ток в выходной цепи достигает макси- мального значения и не управляется током входной цепи. При переключениях транзис- тор практически мгновенно переходит из режима отсечки в режим насыщения и наобо- рот. Время переключения транзистора является одной из основных характеристик, оп- ределяющей быстродействие электронных устройств. Кл ючевые свойства униполярных транзисторов определяются отношением сопротив- лений его канала в закрытом и открытом состояниях. Оно несколько ниже, чем у биполяр- ных транзисторов, из-за сравнительно большого сопротивления открытого канала. На рис. 2.2, а представлена структура МОП-транзистора (металл-окисел-полупровод- ник). Ток канала транзистора управляется полем, возникающим при приложении напря- жения между затвором 3 и истоком И. Когда напряжение на затворе равно нулю, ток в цепи сток С — исток И отсутствует, так как эти области транзистора электрически изолированы друг от друга. Под действием напряжения, приложенного к затвору, слой полупроводника под затвором становится токопроводящим каналом между областями истока И и стока С. У МДП-транзисторов (металл-диэлектрик-полупроводник) затвор отделен от ка- нала диэлектриком и имеет четвертый вывод — подложку П. Подложкой прибора слу- жит кремний толщиной примерно 0,2 мм. В зависимости от полярности напряжения, прикладываемого к затвору и истоку, транзистор может работать в режиме обеднения или обогащения канала основными носителями заряда. Отсюда каналы транзисторов с МОП-структурой по физическим свойствам разделяются на встроенные (обедненного типа) и индуцированные (обогащенного типа). Условное обозначение МОП и МДП- транзисторов показано на рис. 2.2, б. Эмиттерный Коллекторный переход переход Рис. 2.1. Условное изображение переходов и транзисторов Эмиттерный Коллекторный переход переход Рис. 2.2. Структура (я) и условное графи- ческое обозначение МОП-транзистора с индивидуальным p-каналом (б) и «-кана- лом (в) 27
Рис. 2.3. Конструкция (о), схема включения полевого транзистора (б) и его стокозатворная характеристика (в) На рис. 2.3, а приведен полевой транзистор плоской конструкции с затвором в виде р-п перехода и схема его включения (рис. 2.3, б) с общим истоком. Транзистор состоит из пластины кремния с Электропроводностью типа п, представляющей собой канал полевого транзистора, к торцам которого присоединены два металлических кон- такта — исток И и сток С. Последовательно к этим контактам подключены напряжение источника питания Ес и сопротивление нагрузки RH. Напряжение Ес имеет такую по- лярность, что поток основных носителей заряда в канале перемещается от истока к стоку. На верхнюю и нижнюю грани кремниевой пластины введены акцепторные при- меси, превращающие поверхностные слои в области полупроводника типа р. Соединен- ные электрически вместе (рис. 2.3, а), эти слои образуют единый электрод — затвор 3. При этом между каналом и затвором образуются два р-п перехода. Изменяя напряжение на затворе <7ЗИ, можно изменять сечение канала за счет расширения или сужения обедненных слоев переходов, а следовательно, сопротивле- ние канала и проходящий через него ток 1С. При £/зи = 0 ток стока достигает макси- мального значения 1С нас (ток стока насыщения), наступает режим насыщения тран- зистора (рис. 2.3, в). При увеличении обратного напряжения изи обедненные слои р-п перехода расширяются, уменьшая сечение канала, проводящего ток между истоком и стоком. В результате уменьшается значение тока стока 1С. При напряжении отсечки Ци отс сечение канала уменьшается практически до нуля и ток стока 1С также снижается до нуля. Наступает режим отсечки транзистора. В приборах, имеющих кремниевую подложку типа р, индуцируется (наводится) канал типа п. При подключении положительного напряжения к затвору 3 в поверхност- ном слое такого прибора изменяется соотношение между концентрациями свободных электронов и дырок (рис. 2.2, а). Когда концентрация электронов превысит концентра- цию дырок, на поверхности подложки образуется тонкий инверсионный слой типа п. Этот слой является токопроводящим каналом между истоком и стоком. Наиболее полно преимущества полевых транзисторов реализуются в микросхемах (МС) при совместном включении МОП-транзисторов с каналами противоположных типов проводимости на одной подложке, причем переключающее напряжение должно подаваться одновременно на затворы обоих транзисторов. Такие структуры называют комплементарными (КМОП или КМДП). Их применение позволяет повысить быстро- действие переключающих устройств. Для надежного запирания МОП-транзисторного ключа достаточно иметь напряжение между затвором й истоком равное нулю (U3W = 0). Обратный ток стока 7С < 10~8... 10“10 А, и можно считать, что напряжение на запертом МОП-транзисторе равно напряжению источ- ника питания Ес. Пороговое напряжение на затворе, при котором МОП-транзистор от- крывается, составляет 1, 5...3 В. Остаточное напряжение на открытом полевом транзис- торе между истоком и стоком находится в пределах от 0,05 до 0, 15 В, т.е. напряжение на его выходе близко к напряжению источника питания. В логических устройствах МОП-транзисторы используются не только в качестве активных элементов (ключей), но и в качестве пассивных (резисторов). 28
2.2. Логические элементы В системах управления устройствами электроснабжения для выполнения логичес- ких операций И (конъюнкция), ИЛИ (дизъюнкция), НЕ (инверсия) широкое распро- странение получили логические элементы на дискретных компонентах (рис. 2.4). Схема рис. 2.4, а реализует операцию И, т.е. сигнал на выходе (отрицательный по- тенциал) будет только в том случае, если поступающие на входы 7, 2, 3 сигналы будут иметь отрицательный потенциал. При появлении на одном из входов высокого потенци- ала на выходе схемы также будет высокий потенциал. С точки зрения обработки инфор- мации операция И выполняет логическое умножение. Для положительных сигналов дан- ная схема выполняет операцию ИЛИ. Схема рис. 2.4, б реализует операцию ИЛИ, т.е. сигнал на выходе (отрицательный потенциал) появится в том случае, если на входе 1 или 2, или 3 будет также отрица- тельный потенциал. Операция ИЛИ выполняет логическое сложение. Для положитель- ных сигналов схема выполняет операцию И. На рис. 2.4, в показана схема инвертора на основе биполярного транзистора типа р-п-р с диодной связью, выполняющая операцию НЕ. Схема работает в ключевом ре- жиме. При отсутствии на входе сигнала 77с (отрицательный потенциал) транзистор VT открыт благодаря току базы [+£б—VT—VD1— VD2—R^—(—£б)], через него высокий потенциал +£к поступает на выход. При наличии на входе сигнала Uc с положительным потенциалом транзистор VT закрывается и на его выходе появляется отрицательный по- тенциал —£к. Таким образом, полярность напряжений сигналов на входе и выходе схемы противоположная, т.е. операция НЕ выполняет логическое отрицание (инверсию). Логические элементы в интегральном исполнении. В настоящее время логические эле- менты выполняются на интегральных микросхемах. В качестве активных элементов мик- росхем используют как биполярные, так и полевые транзисторы. На биполярных транзи- сторах чаще выполняют элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и эмит- терно-связанной логики (ЭСЛ), которую еще называют логикой типа ТТЛ на переклю- чателях (ПТТЛ). Инжекционно-интегральная логика (ИИЛ или И2Л) представляет собой дальнейшее развитие транзисторной логики. С помощью схем И2Л удалось преодолеть многие недостатки биполярных интегральных схем и создать микросхемы большой степе- ни интеграции, высокого быстродействия и малого потребления электроэнергии. Основой микросхем серии ТТЛ является многоэмиттерный транзистор, отличаю- щийся от обычных транзисторов наличием нескольких эмиттерных областей с общими для всего транзистора базовыми и коллекторными слоями. Эмиттеры многоэмиттерного транзистора расположены так, что взаимодействие между ними через разъединяющий их участок базы практически исключается. В связи с этим многоэмиттерный транзистор яв- ляется совокупностью нескольких транзисторных структур, взаимодействующих между собой только за счет движения основных носителей в общей коллекторной области. Нагрузкой многоэмиттерного транзистора в серии ТТЛ является простой или слож- ный инвертор. Схема ТТЛ с простым инвертором на выходе имеет низкую помехоус- тойчивость и нагрузочную способность. Базовым для схем серии ТТЛ стал эле- мент со сложным инверто- ром (рис. 2.5). Многоэммигерный тран- зистор VT1 осуществляет логи- ческую операцию И. При на- личии на входах 7, 2, 3 и 4 уровня 0 транзистор VT1 на- ходится в режиме насыщения, Рис. 2.4. Схемы логических элементов И (а), ИЛИ (6) и НЕ (в) на дискретных элементах 29
RI R1 R3 R4 VD1 VD2 VD3 VD4 vn R5 VT4 Выход VD5 VT5 ,-ц. Рис. 2.5. Схема логического рии ТТЛ, выполняющего операцию И-НЕ элемента се- а транзистор VT2 закрыт. Следовательно, закрыты и транзисторы VT3, VT5. Транзистор VT4 и диод VD5 открыты, выходное напряжение соответствует уров- ню 1. Схема будет находиться в таком состоянии, если хотя бы на одном входе будет уровень 0. При наличии на всех входах уровня I потен- циал базы транзистора VT2 возрастает, он откры- вается. При этом открываются транзисторы VT3 и VT5, а транзистор VT4 и диод VD5 закрываются, на выходе будет уровень 0 через открытый транзи- стор VT5. Таким образом, элемент выполняет ло- гическую операцию И-НЕ. Во всех элементах ТТЛ при отрицательным входном напряжении резко увеличивается входной ток. Поэтому для ограничения отрица- тельного входного напряжения, возникающего из-за возможных помех, входы шунтиру- ются диодами VD1, VD2, VD3 и VD4. Когда на одном из входов элемента появится низкий потенциал, соответству- ющий логическому нулю, соответствующий эмиттерный переход VT1 сместится в прямом направлении, напряжение на нем будет недостаточным для открывания трех переходов: коллекторного VTI и двух эмиттерных VT2 и VT5. Транзистор VT5 будет закрыт и на выходе элемента будет высокий потенциал, соответствующий логической единице. Сигнал высокого уровня, поданный на все входы элемента, смещает эмит- терные переходы в обратном направлении, устанавливает в транзисторе VT1 ре- жим инверсного усиления. Под действием тока в его коллекторной цепи открыва- ются транзисторы VT2 и VT5, переходя в режим насыщения, что приводит к появ- лению на выходе логического нуля. Таким образом, элемент серии ТТЛ, схема которого приведена на рис. 2.5, реали- зует логическую операцию И-НЕ. Аналогично базовому элементу серии ТТЛ выполняет логическую операцию И-НЕ диодно-транзисторная схема, приведенная на рис. 2.6. Она представляет собой сочетание диодной логической схемы И (в положительной логике) на диодах VD1-VD4 и резисторе R1, простого инвертора на транзисторе VT, резисторах R2, R3 и диоде VD5 (смещающий). В некоторых схемах (см. рис. 2.4, в) для повышения помехоустойчиво- сти применяют два смещающих диода. Если на все входы подаются высокие потенциалы (логические единицы), то дио- ды VD1—VD4 смещены в обратном направлении (закрыты). При этом протекает ток по цепи [+(/п—Rl—VD5—VT—(—(/п)], обеспечивающий открывание транзистора VT до режима насыщения. На выходе элемента возникает низ- кий потенциал, т.е. логический нуль. При появлении на одном или нескольких вхо- дах низкого потенциала входной диод открывается, потенциал в точке А снижается до уровня падения напряжения на открытом диоде и становится недо- статочным для открывания двух переходов (диод VD5 и база-эмиттер транзистора VT). Транзистор VT зак- рывается и выходное напряжение возрастает до уровня логической единицы. Диодно-транзисторная логика имеет ограничен- ное применение, поэтому данная схема (рис. 2.6) при- ведена для обеспечения большей наглядности рабо- ты логического элемента И-НЕ. Рис. 2.6. Схема логического элемента И-НЕ серии ДТЛ 30
Рис. 2.7. Схемы логических элементов И-ИЛ И-НЕ серии ТТЛ (а) и НЕ на МОП-структуре (6) Логические элементы серии ТТЛ могут служить ос- новой для создания других устройств, выполняющих бо- лее сложные логические опе- рации, например И-ИЛИ- НЕ (рис. 2.7, а). Отличительной особен- ностью этой схемы от схемы на рис. 2.5 является наличие двух многоэмиттерных тран- зисторов VT1 и VT4, каждый со своими дополнительными транзисторами VT2 и VT3. Нагрузкой многоэмиттерных транзисторов является слож- ный инвертор (транзисторы VT5, VT6, диод VD, резистор R5). Для отпирания транзистора VT6 и появления на выходе элемента логического нуля необходимо открыть транзистор VT2 путем подачи на входы 7 и 2 логических единиц или открыть транзистор VT3, подавая логические единицы на входы 3 и 4. При других потенциальных комбинациях на входах транзисторы VT2, VT3 и VT6 останутся закрытыми, а транзистор VT5 — открытым, на выходе будет логическая единица. Базовым элементом для функциональных устройств КМОП-структуры является инвертор, состоящий из двух встречно включенных МОП-транзисторов с каналами типов р и п (рис. 2.7, б). Транзистор VT1 или VT2 в этой схеме играет роль нагрузки в зависимости от сигнала на входе. Затворы транзисторов VT1 и VT2 соединены между собой и образуют общий вход. 2.3. Шифраторы и дешифраторы Шифраторы и дешифраторы являются преобразователями кодов. Основой для их построения являются рассмотренные в п. 2.2 логические элементы И, ИЛИ на полупро- водниковых диодах и интегральные схемы И-НЕ, ИЛИ-HE. Шифраторы и дешифрато- ры могут быть выполнены на контактных элементах релейного типа. Для передачи информации широко используются комбинаторные коды, основан- ные на математических сочетаниях. На входе и выходе устройств телемеханики инфор- мация довольно часто представляется в виде распределительного кода CXN (каждому сообщению соответствует одна комбинация из множества N). Шифраторы служат для преобразования распределительного кода ClN в коды дво- ичный, троичный,..., десятичный, на одно сочетание С”' с произвольными тип. Шифратор двоичного кода на все со- четания (рис. 2.8, а), преобразующий код Су в трехэлементный (трехразрядный) дво- ичный код тп (т = 2, п = 3), составлен из трех диодных схем ИЛИ. Выходы логичес- ких схем являются выходами шифратора (7, 2, 3). Каждая логическая схема ИЛИ состоит из четырех диодов и резистора R, подключенных к вертикальной шине, яв- ляющейся выходом схемы. Диоды схем под- а б Рис. 2.8. Шифраторы двоичного кода: а — на все сочетания; б — на одно сочетание ключены к горизонтальным шинам, явля- ющимся входами шифратора. При замыка- нии одного из семи ключей (SB1 . .; SB7) 31
на соответствующую входную шину подается отрицательный потенциал, который че- рез диоды, соединяющие горизонтальные и вертикальные шины схемы, поступает на один, два или все три выхода шифратора. Отрицательный потенциал на выходе соот- ветствует 1, положительный — 0. Так, при замыкании ключа SB1 сигнал 1 будет только на выходе 7, а на выходах 2 и 3 будет сигнал 0 (+£). При отсутствии информации на входе шифратора (ни один ключ не замкнут) на выходе будет ООО (нулевая комбина- ция, которая не используется). Таблица 2.1 Матрица кодовых комбинаций шифратора кода на все сочетания Ключи Сигналы на выходах SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 1 0 1 0 1 о 1 о 1 Из таблицы 2.1 видно, что шифратор кода на все сочетания С\ —»23 (рис. 2.8, а) является преобразователем чисел десятичной системы (номер ключа — десятичное число) в числа двоичной системы (комбинации сигналов на выходах). Шифратор кода на одно сочетание С* 16 —> С%, показанный на рис. 2.8, £ осуществ- ляет преобразование кода в код С*. Он состоит из шести входных ключей (SB1... SB6) и четырех схем ИЛИ, выходы которых (7, 2, 3, 4) являются выходами шифратора. Исходная комбинация на выходах шифратора 0000 (+Е на всех выходах). При нажатии любого ключа на двух выходах появляются сигналы 1, на других двух — 0. Например, при замыкании ключа SB 1 на выходах 7 и 2 будут сигналы 1 и 1, на выходах 3 и 4 — 0 и 0 (кодовая комбинация 1100). Кодовые комбинации шифратора на одно сочетание приведены в табл. 2.2. Таблица 2.2 Матрица кодовых комбинаций шифратора кода на одно сочетание Ключи SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 Сигналы на выходах 1 2 3 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 4 0 0 1 о 1 1 Если в схемах, приведенных на рис. 2.8, поменять полярность источника питания и подключение диодов, то получим шифраторы инверсного кода соответственно на все и на одно сочетание. Шифратор двоичного кода на все сочетания, выполненный на микросхемах типа И-НЕ, показан на рис. 2.9. При разомкнутых контактах ключей SB1...SB6 на входы логических схем LI, L2, L3 поступает сигнал 1 (+£), инверторы этих схем открыты и на выходах I, II, III будут сигналы 0 (комбинация 000). При замыкании одного из ключей сигнал 0 (—Е) поступает на одну, две или все схемы, произойдет переключение инверторов (закроются инверторы схем, на которые поступил сигнал 0) и на выходах будут сигналы 1. Так, при замыкании ключа SB1 сигнал 0 поступит на вход элемента L1, 32
инвертор которого закроется и на выходе будет сигнал 1 (комбинация 001). Комбинации сигналов на выходах при замыкании ключей полностью соответствуют табл. 2.1. Дешифраторы служат для преобразования кода, по- ступающего на их входы, в распределительный код С^- Де- шифраторы составляют из логических схем И, количество которых соответствует числу выходов N дешифратора. Чис- ло входов соответствует числу элементов (разрядов) ком- бинаций входного кода. Дешифратор двоичного кода на одно сочетание С42 представлен на рис. 2.10, а. Он состоит из шести диодных логических схем И, каждая из которых имеет два входных диода и резистор. Шины 1, 2, 3 и 4 являются входами де- шифратора. К ним подключаются диоды схем И таким об- Рис. 2.9. Шифратор двоичного кода на интегральных элемен- тах И-НЕ разом, что совпадение сигнала 1 (—Е) при каждой кодовой комбинации возможно только на диодных входах одной схемы И. На выходе этой схемы будет также сигнал 1. При этом на всех других выходах будет сигнал 0. Все входные и выходные комбинации сведены в табл. 2.3. Таблица 2.3 Матрица кодовых комбинаций дешифратора кода на одно сочетание При подаче на входы дешифратора, например, комбинации № 2 — 1010 сигнал 1 будет на входах 7 и 3, а на входах 2 и 4—0. Совпадение сигналов 1 произойдет на диодах схемы И2, на выходе которой будет также сигнал 1. На выходах всех других логических схем будет сигнал 0, так как хотя бы один из диодных входов этих схем подключен к шине 2 или 4 с высоким потенциа- лом, следовательно, диод этого входа будет открыт. Дешифратор двоич- ного кода на все сочета- ния nf1 (рис 2.10, 6) со- стоит из восьми логичес- ких схем И. Каждому раз- ряду двоичного числа на входе дешифратора соот- ветствуют две кодовые шины: aOvial — разряд I; Ь0 и Ы — разряд II; сО и с! — разряд III. На одну из двух шин каждого разряда подается а Выходы Рис. 2.10. Дешифратор кодов: а — на одно сочетание; б — на все сочетания 3-6086 33
прямой сигнал, на другую — инверсный. Каждой комбинации кода соответствует опре- деленная диодная схема И и выход дешифратора. При совпадении отрицательных потенциалов на всех трех входах одной из схем на ее выходе будет также отрицательный потенциал (сигнал 1). Если принять, что нулю соответствует комбинация на шинах разряда 10, а единице — 01, то кодовой комбина- ции 011 на кодовых шинах входов дешифратора будет соответствовать комбинация сиг- налов 10, 01, 01. При это сигнал 1 будет на шинах al, bl, cl, а сигнал 0 — на шинах аО, Ь0, сО. Совпадение сигналов 1 произойдет на входах схемы И выхода 3, следовательно, сигнал 1 будет на выходе 3. На остальных выходах будут сигналы 0. Работа дешифратора при других комбинациях приведена в табл. 2.4. Матрица кодовых комбинаций дешифратора кода на все сочетания Таблица 2.4 Выход де- шифратора с сигналом 1 Кодовая комбинация 1 1 Выход де- шифратора с сигналом 1 Кодовая комбинация Сигналы на кодовьь к шинах Сигналь >i на кодовых шинах Разряд III Разряд II Разряд I | Разряд III Разряд II Разряд I 0 0 0 0 4 1 0 0 10 10 10 01 10 10 1 0 0 1 5 1 0 1 10 10 01 01 10 01 2 0 1 0 6 1 1 0 10 01 10 01 01 10 0 1 1 7 1 1 1 10 01 01 01 01 01 Дешифратор двоичного кода на все сочетания, выполненный на микросхемах типа И-НЕ, представлен на рис. 2.11. Входы микросхем подключены к кодовым ши- нам по тому же правилу, что и на рис. 2.10, б. При этом на выходах логических схем L0 — L7 будут инверсные сигналы, поэтому в схеме дешифратора предусмотрены дополнительно инверторы L8 — L15. При совпадении отрицательных потенциалов на всех трех входах логической схе- мы, например, на выходе L7 будет положительный потенциал, а на выходе L15 — отрицательный. Дешифратор работает в соответствии с табл. 2.4. В рассмотренном дешифраторе в каждом разряде (I, II, III) для передачи прямого и инверсного сигналов используют две шины. В промышленных интегральных микро- Разряды I П III Рис. 2.11. Дешифратор двоично- го кода на интегральных микро- схемах И-НЕ схемах с целью уменьшения числа выходов с одного кри- сталла применяют схемы с одной входной шиной на раз- ряд. Необходимую инверсию осуществляют непосредствен- но в кристалле (см. рис. 2.12). С увеличением числа разрядов двоичного кода в каж- дой схеме И возрастает число входов, а также число вы- ходов дешифратора, т.е. схем И. Для уменьшения числа входов в одной логической схеме и снижения общего числа схем в дешифраторах с большим числом разрядов применяют многоступенчатые схемы. На рис. 2.13, а показана структурная схема двух- ступенчатого дешифратора. Разряды числа или элемен- ты кода разбивают на две равные части при их четном количестве или примерно равные, если их количество нечетное. Выходы дешифраторов первой ступени, чис- ло которых у первого дешифратора и N2 ~ У второ- 34
Рис. 2.12. Дешифратор двоичного кода с одной входной шиной на разряд го, являются входами дешифратора второй сту- пени. Число выходов дешифратора второй сту- пени N равняется произведению числа выхо- дов дешифраторов первой ступени (N= Восьмиэлементный двоичный код может быть разбит на две группы: 1—4 и 5—8 элемен- ты. С помощью дешифратора каждая группа двоичного кода преобразуется в шестнадцате- ричный код. На рис. 2.13, б приведена принципиаль- ная схема двухступенчатого дешифратора че- тырехразрядного двоичного кода. На шины аО, al, ЬО, Ы, сО, cl, dO, dl подается сигнал двоичного кода (на каждую пару шин пря- мой и инверсный сигнал). При этом двоично- му нулю соответствует комбинация 10, а дво- ичной единице — 01. Каждой входной комбинации двоичных сигналов соответствует определенная комбинация сигналов на выходах дешифраторов первой ступени (двух- разрядный четверичный код). На выходе дешифратора второй ступени возникает определенная комбинация кода С16 (сигнал 1 на одном выходе, на остальных пят- надцати — сигнал 0). Пусть на входе дешифратора задана кодовая комбинация 0101 (двоичное число пять). На выходных шинах будет комбинация прямых и инверсных сигналов 10 01 10 01. Так как счет разрядов ведется справа налево, то комбинация 01 будет на шинах дешиф- ратора аО, al (разряд I), 10 — ЬО, Ы (разряд II), 01 — сО, cl (разряд III), 10 — dO, dl (разряд IV). Число выходов ИИ L Дешифратор 2-й ступени / 4 Nx=m кт пч Вход чисел с 1-го по 1^2 разряд Дешифратор!, 1-й степени Дешифратор 2, 1-й степени Вход чисел с (ZH) пол-w разряд Выходы Рис. 2.13. Двухступенчатый дешифратор: а — структурная схема; б — принципиальная схема 35
Разряды 1~й ступени Разряды 2-й ступени cuctauai V v * ill IV Разряды 1-й ступени Рис. 2.14. Двухступенчатый дешифратор на интегральных микросхемах Таким образом, сигнал 1 (низкий по- тенциал) будет на шинах al, ЬО, cl, dO, а значит появится на выходах 1 дешифраторов первой ступени 1а и 16. На кодовых шинах де- шифратора второй ступени сигнал 1 будет на шинах el и fl, к которым подключены диоды пятой логической схемы, на выходе которой появится сигнал 1, на остальных пятнадцати сохранится сигнал 0. При использовании интегральных микро- схем также целесообразно применять многосту- пенчатые схемы дешифраторов. Экономия зак- лючается в том, что в последней ступени де- шифратора используются двухвходовые элемен- ты И-НЕ. Хотя двухступенчатая схема также позволяет значительно сократить число корпу- сов микросхем. На рис. 2.14 приведена принципиальная схема двухступенчатого дешифратора на ин- тегральных микросхемах. Принцип построе- ния дешифратора аналогичен диодному дешифратору на рис. 2.13, б. Рассматривая работу дешифратора при заданной кодовой комбинации 0101 так, как это было сделано выше, нетрудно убедиться, что сигнал 1 появится на пятом выходе де- шифратора второй ступени (схема Л^). 2.4. Триггеры Триггером называется функциональное устройство, имеющее два устойчивых состояния, в одно из которых под действием входного сигнала может быть установлено это устройство. Одно из состояний триггера принимается за 0, другое — за 1. Каждое из этих состояний триггер способен сохранять неограниченно долго. В зависимости от способа управления триггеры делятся на статические и динамичес- кие. Триггеры со статическим управлением переключаются при достижении входным сиг- налом порогового уровня. При динамическом управлении триггеры реагируют на перепад управляющего сигнала. Входы триггеров также делятся на статические и динамические. По способу ввода информации триггеры делятся на синхронные и асинхронные. Если в асинхронных триггерах ввод информации происходит при изменении входного сигнала, то в синхронных для ввода информации кроме информационных сигналов на входе нужен дополнительный командный импульс, который подается на синхронизирующий (тактиру- ющий) вход. В интервалах между тактовыми импульсами синхронный триггер не реагирует на входные сигналы в том числе и на помехи, что способствует его помехоустойчивости. Входы триггеров, как и входные сигналы, делятся на информационные и управляющие. Информационные входы RS (с раздельной установкой триггера в 0 и 1), JK (с раздельной установкой триггера в 1 и 0), Т (счетный вход), D (информационный вход D- и DV- триггера) воспринимают поступающую на них информацию. Управляющие входы V(под- готовительный вход разрешения приема информации), С (исполнительный вход приема информации, вход синхронизации) служат для управления приемом информации. Асинхронные JK-триггеры с динамическими входами используют емкости в качестве элементов памяти или временной задержки (рис. 2.15) и применяются в системах уп- равления устройствами электроснабжения железных дорог. Для образования входов J и К к каждому транзистору триггера (рис. 2.15, а) под- ключены емкостные потенциально-импульсные ячейки (к VT1 — ячейка VD1; Cl; R.1, 36
Рис. 2.15. JK-триггер на р-п-р транзисторах: а — принципиальная схема; б — временная диаграмма работы; в — функцио- нальная схема с двумя входами; г — функциональная схема со счетным входом к VT2 — VD2, С2, R2). Такие схемы кроме формирования импульсов выполняют также логическую операцию. Заряд емкостей С1 и С2 зависит от выходных сигналов Qn Q, что обеспечивает «запоминание» предыдущего состояния и необходимую блокировку входов на время переключения триггеров. В исходном нулевом состоянии триггера транзистор VT1 закрыт, на его выходе Q сигнал 1 (—Ек), транзистор VT2 открыт, на его выходе Q сигнал О (+ЕК), т.е. на выхо- дах триггера сигнал 10. При подаче на вход J отрицательного потенциала происходит заряд конденсатора С2(+Ек—VT2—R2—С2—2), триггер готовится к переключению. Если теперь подать на вход J + ЕК потенциал (сигнал 0), произойдет разряд конденсатора С2 на базу транзистора VT2, который закроется. Возникший при этом ток базы транзисто- ра VT1 [+EK-VTl-Rc-RK-(-£K)] откроет транзистор VT1. На выходах Q и Q появит- ся сигнал 01, соответствующий состоянию 1 триггера, в котором последний будет на- ходиться до следующего переключения. Сброс триггера в состояние 0 осуществляется путем подачи на вход К отрицательного потенциала, что приведет к заряду конденса- тора С1 с последующим его разрядом на базу транзистора VT1 в момент подачи на К положительного потенциала. Транзистор VT1 закроется, VT2 — откроется, на выходе будет сигнал 10, соответствующий состоянию 0 триггера. Для образования счетного входа Т объединяют входы / и К обеих импульсных схем. Допустим, что в начальный момент триггер находился в состоянии 1; закрыт транзистор VT2 и открыт VT1. На коллекторе VT1 — Ек) = +ЕК, VT2 — С/к2 = — Ек (рис. 2.15, б), на входе Т высокий потенциал (—£к), конденсатор С1 заряжен. При подаче на вход низкого потенциала происходит разряд С1 через VD1 на базу VT1, последний запирается, VT2 отпирается, триггер переходит в состояние 0. Поступление на счетный вход триггера последовательности прямоугольных им- пульсов с периодом Tq, последний будет переключаться с периодом 7\ = 27ф На рис. 2.15, в приведено условное изображение триггера с входами /и К, а на рис. 2.15, г — с входом Т. Универсальный JK-триггер на транзисторах с одним запоминающим конденсатором используется в системе телеуправления «Лиена» (рис. 2.16). В исходном состоянии оба входа J, А" должны находиться под потенциалом — Ек, т.е. иметь высокий уровень. Диоды VD5 и VD6 закрыты, напряжение на емкости С определя- ется потенциалами на прямом и инверсном выходах триггера Q и Q. Пусть триггер нахо- дится в состоянии логического нуля, т.е. транзистор VT1 закрыт, a VT2 — открыт, на обкладке 2 конденсатора С +ЕК потенциал, а на обкладке 1 — (—Е^, поступающий через R1. Заряд конденсатора осуществляется по цепи [+ЕК—VT2—VD4—С—R1—(—Ек)]. Если 37
О Я 50 Рис. 2.16. Универсальный JK-триггер с одним запоминающим конденсатором на счетный вход Т, образованный путем объедине- ния входов J и К, теперь подать +£к (нулевой) по- тенциал, то потенциал обкладки 1 конденсатора ста- новится примерно равным нулю, а потенциал об- кладки 2 конденсатора повышается на величину на- пряжения заряженного конденсатора С, который че- рез диод VD2 разряжается на базу транзистора VT2. Триггер переключается в состояние 1 (VT2 — зак- рыт, VT1 — открыт), на выходах Q и Q сигнал OR Теперь +ЕК потенциал с коллектора VT1 по- ступает через диод VD3 на обкладку 1 конденса- тора С. Диод VD5 при этом запирается. На обклад- ке 2 будет потенциал — Ек, конденсатор С при па- узе (потенциал — Ек на счетном входе Т) заряжа- ется. При очередном импульсе конденсатор раз- ряжается через^циод VD1 на базу транзистора VT1. Триггер сбрасывается в состояние 0, на выходах Q и Q триггера сигнал 10. Входы R и S триггера используются для сбора триггера в состояние 0 (reset — сброс) или установки в состояние 1 (set — установка). Асинхронный RS-триггер на интегральных логических элементах ИЛИ-HE (рис. 2.17, а), либо И-НЕ (рис. 2.17, б) не требует преобразования входной информации, поэтому устройство управления может отсутствовать. Допустим, что в исходном состоянии триг- гера сигналы на входах R и А отсутствуют, т.е. на оба входа подается 0 или 1, тогда на выходе триггера будет сигнал 01 или 10, что определяется только параметрами и внут- ренними сигналами самого триггера. Такая комбинация называется нейтральной, или режимом сохранения информации, в котором триггер может долго сохранять лю- бое из своих устойчивых состояний. При входных комбинациях, когда переключаю- щий сигнал поступает только на один вход (сигнал 0 или 1) триггер переключается или подтверждает существующее состояние. Если переключающие сигналы подать на оба входа (11 при элементах ИЛИ-НЕ или 00 при элементах И-НЕ) в схеме может быть нарушен бистабильный режим. Ответная реакция триггера может быть непредсказуемой. Такие комбинации называются запрещенными и они не должны допускаться в процессе работы триггера. Синхронный RS-триггер на интегральных элементах получается из асинхронного при подключении к входам логических элементов RS-триггера двух схем совпадения и одного синхронизирующего входа С (рис. 2.18, а). Логические элементы 3 и 4 образуют ячейку памяти, а 1 и 2 — простейшую схему управления. При отсутствии синхронизирующего Рис. 2.17. Принципиальная и функциональная схемы асин- хронного RS-триггера на эле- ментах ИЛ И-НЕ (а) и на эле- ментах И-НЕ (б) Рис. 2.18. Принципиальная (а) и функциональ- ная (б) схемы синхронного RS-триггера на интегральных элементах 38
сигнала на входе С элементы 1 и 2 закрыты, на внутренних выходах д^ и сигнал 1, при этом триггер находится в режиме хранения информа- ции. Информация с входов Rvi S может быть пе- редана в триггер только при сигнале 1 на входе С. Входы R и 5 триггера прямые, а входные сигналы инвертируются элементами 1 и 2. Синхронные RS-триггеры снабжаются вво- дами RanSa для асинхронного управления эле- ментами 3 и 4, что позволит расширить функци- ональные возможности триггеров. При синхрон- Рис. 2.19. Принципиальная (а) и функ- циональная (б) схемы двухступенчатого RS-триггера ном управлении на входы и Ra nSa должен подаваться сигнал 1. Функциональная схема синхронного RS-триггера представлена на рис. 2.18, б. В триггерах со статическим управлением возможна неоднократная смена состоя- ний за время действия синхронизирующего (тактового) импульса. Такой недостаток отсутствует у триггеров с динамическим управлением и двухступенчатых триггеров. RS-триггер с двухступенчатой или MS-структурой представлен на рис. 2.19, а. Прин- цип MS-структуры (master-slave, т.е. управляющий и управляемый, ведущий и ведо- мый) широко применяется для выполнения триггеров. При сигнале 0 на входе С ин- формационные входы R и S ведущего ТМ-триггера заперты, и он хранит информацию от предыдущего такта. Ведомый TS-триггер, на синхронизирующем входе которого сиг- нал 1, повторяет состояние ведущей ячейки ТМ. Если на входе С сигнал 1, то в ТМ- триггер заносится информация со входов R и 5, ведомый триггер блокируется на время тактового импульса на входе С инвертором 1, связывающим входы С триггеров ТМ и TS. По окончании действия тактового импульса информация из первой ступени ТМ пере- записывается во вторую TS. Эти RS-триггеры широко используются в качестве ячеек памяти в оперативных запоминающих устройствах (ОЗУ). Функциональная схема RS- триггера показана на рис. 2.19, б. Интегральные JK-триггеры обладают универсальными функциональными возмож- ностями. При всех значениях входного сигнала, кроме 1 на входах / и К, они действуют подобно рассмотренным выше RS-триггерам (вход J играет роль 5-входа, а вход К — роль R-входа). Входной сигнал 1 на входах / и К одновременно не изменяет состояния триггера до поступления тактового импульса, который его переключает. Для реализа- ции этого свойства в JK-триггере используются сигналы обратной связи с выходов Q и Q для блокировки одного из информационных входов в зависимости от состояния триггера в предыдущем такте. Базовая схема такого JK-триггера (рис. 2.20, а) выполнена на основе двух син- хронных RS-триггеров L1-L4 (М-триггер), L5-L8 (S-триггер). Нетрудно убедиться, что сигнал 1 на входах S (установка в 1) и R (сброс в 0) проходят только, если одновременно присутствует сигнал 1 и на входе С (См, Cs). При сигнале 0 на входе См М-триггер принимает состояние, зависящее от сигналов на входах /и К. Инверторы L5 и L6 при этом закрыты сигналом 0, поступающим с инвертора L9. При сигнале 0 на входе См закрыты L1 и L2, а состояние L5, L6 и S-триггера зависит от сигналов, поступающих с М-триггера, т.е. происходит перезапись информации с М-в S-триггер. Допустим, в исходном положении оба триггера находятся в состоянии 0, при этом на инверсных выходах Q и Q' будет сигнал 1 (высокий потенциал), а на прямых выходах Q и Q' — сигнал 0 (низкий потенциал). С выхода Q S-триггера на вход L2 поступает сигнал 0, запирающий L2 независимо от сигнала на его входе К. Теперь допустим, что на входы /и С поступает сигнал 1, а на вход К — сигнал 0. Элемент L1 открывается и на его выходе появляется 0, М-триггер переходит в со- стояние 1 (сигнал 1 на выходе Q'). Элементы L5 и L6 при этом закрыты сигналом 0, с 39
б a М-триггер । S-триггер nt9 <?— в Вход С о L1 L2 L3 L4 L5 L6 7/////////А ШЯР/А Ш Ш/Ш ежя 7ZA У/////Л УША о УША УША ШШ ш о УША L8 Рис. 2.20. Принципиальна схема (а), временная диаграмма работы (б) и функциональная схема (в) двухступенчатого JK-триггера инвертора L9 S-триггер сохраняет состояние 0. Если теперь на вход С поступает сигнал 0, то инверторы L1 и L2 закрываются, а сигнал 1 с выхода L9 поступает на L5 и L6. На входах L5 совпадают сигналы 1, что приводит к его открытию. Сигнал 0 с выхода L5 поступает на L7, S-триггер переключается в состояние 1. Аналогично триггер работает при поступлении сигнала 1 на входы С и К, а на J — сигнала 0. Если на входах Jи К одновременно присутствует сигнал 1, то по входу С триггер работает как счетный: при первом тактовом импульсе он переходит в состояние 0, далее процесс повторяется. Диаграмма работы JK-триггера приведена на рис. 2.20, б, его фун- кциональная схема — на рис. 2.20, в. D-триггеры с динамическим управлением могут быть выполнены на базе несколь- ких RS-триггеров (рис. 2.21, а). D-триггер состоит из трех RS-триггеров: основного на элементах L5 и L6; двух вспомогательных на элементах LI, L2 и L3, L4, образую- щих схему управления. Переключение D-триггера происходит на переднем фронте тактового импульса, поступающего на синхронизирующий вход С. Информация на вспомогательные тригге- ры записывается, когда на входе С имеется сигнал 0. При этом инверторы L2 и L3 а Г//////Л 1.2 И t L3 И t D Рис. 2.21. Принципиальна схема (а), временная ди- аграмма работы (б) и функциональная схема (в) динамического D-триггера 40
принудительно заперты, а внутренняя связь между вспомогательными триггерами разор- вана. С инверторов L2 и L3 на входы инвер- торов L5 и L6 основного триггера поступа- ют сигналы 1, и он сохраняет предыдущее состояние. Состояние инверторов L1 и L4 за- висит от сигнала на входе D. При сигнале О инвертор L4 закрыт, а инвертор L1 открыт (рис. 2.21, б). При сигнале 1, наоборот, ин- вертор L4 открыт, так как на его второй вход поступает сигнал 1 с инвертора L3, а ин- Рис. 2.22. Счетный Т-триггер: а — функциональная схема на базе D-триггера; б — функциональная схема на базе двухступен- чатого RS-триггера вертор L1 закрыт. При поступлении на вход С сигнала 1 оба вспомогательных триггера устанавлива- ются в положение, при котором инверторы L1 и L4 сохраняют свое прежнее состояние. Выходной триггер переключается в новое состояние сигналами с инверторов L2 и L3. После переключения триггера на переднем фронте синхронизирующего импуль- са, поступающего на вход С, оказывается выключенным из работы вход D в результате действия связей между вспомогательными триггерами. Если после сигнала 1 на входе С схема зафиксировалась в состоянии, при котором открыт инвертор L2, то инверторы L1 и L3 закрыты независимо от состояния инвертора L4, а значит, и от сигнала на входе D. Если схема зафиксировалась, когда инвертор L3 открыт, то инвертор L4 будет закрыт при любом сигнале на входе D. Для любой работы триггера необходимо, чтобы сигнал на вход D поступал не- сколько раньше, чем сигнал 1 на вход С. При асинхронном управлении состояние выходного триггера зависит от того, на какой вход подан сигнал 0. Асинхронный сигнал подается также на элементы управля- ющих триггеров, так чтобы подтверждалось состояние выходного триггера. Например, при сигнале 0 на выходе 51 блокируется инвертор L1 в течение тактового импульса и на выходе инвертора L2 формируется 0, который в свою очередь блокирует инвертор L3. Счетный Т-триггер может быть получен путем преобразования из D-триггера с динамическим управлением (рис. 2.22, а) и двухступенчатого RS-триггера (рис. 2.22, б). Общий принцип построения счетных триггеров состоит в том, что подключение обрат- ной связи с выходов на входы сделано так, чтобы обеспечивалась смена сигналов на информационных входах после каждого переключения триггера. В качестве входа Т в обеих схемах используется синхронизирующий вход С. 2.5. Счетчики импульсов Счетчики импульсов предназначены для подсчета импульсов, поступивших на вход, и фиксации их числа, которое отождествляется с некоторым числовым кодом. В счетчи- ках используются числовые коды с различными основаниями счета т. Наиболее часто применяют коды двоичные (т = 2), четверичные (т = 4), восьмеричные (т = 8), десятичные (т = 10) и т.д. Общее число состояний счетчика А называется модулем счета, который определя- ется по формуле N= тп, где п — число разрядов счетчика. Чтобы отображать все символы числового кода, каждый разряд счетчика должен иметь столько же состояний, сколько цифр в используемой для кодирования системе счисления. Выходы одноразрядного счетчика, его состояния и цифры обозначаются 0, ] ..., т — 1. Символом счетчика на схемах служат буквы СТ (рис. 2.23). Если сигнал 1 41
Вход Рис. 2.23. Функциональ- ная схема одноразрядного счетчика присутствует на выходе 0, значит счетчик находится в исходном состоянии 0. На остальных выходах при этом будут сигналы 0. При поступлении на вход счетчика одного импульса счетчик переключается в состояние 1, сигнал 1 будет на выходе 7, на остальных выходах — 0. Счетчики импульсов подразделяются на простые и реверсивные. Простые счетчики могут быть суммирующими (их показания увеличиваются на единицу с поступлением на вход каждого следующего импульса) и вычитающими (их показания уменьшаются на единицу). Реверсивные счетчики могут рабо- тать одновременно как суммирующие и как вычитающие и являются по сути комбина- циями суммирующих и вычитающих счетчиков. воичные счетчики обычно выполняются на основе JK и D-триггеров и имеют выходной код в двоичной системе счисления. Модуль счета двоичного счетчика Д' 7 2" (п — число триггеров в счетчике). На рис. 2.24, а представлена функциональная схема простого трехразрядного дво- ичного счетчика импульсов с последовательным соединением триггеров и комбиниро- ванными входами Т и R (вход S не используется). Импульсы поступают на счетные входы Т, которыми соединены триггеры. Входы R триггеров соединены между собой и служат для сброса триггеров в состояние 0. Пусть в исходном положении все триггеры находятся в состоянии 0 (рис. 2.24, б). При поступлении на Т-вход первичного импульса триггер Т1 переключится в состоя- ние 1 и на его выходе Q\ появится отрицательный потенциал. Входные конденсаторы второго триггера перезарядятся и триггер подготовится к переключению. С приходом на вход счетчика Т второго импульса триггер Т1 переключится в состояние 0, потенциал на его выходе Q] снижается до нуля, в результате чего заряженный входной конденса- тор начнет разряжаться на базу открытого транзистора триггера Т2, и последний пере- ключится в состояние 1 (код на выходе счетчика 010). Таким же образом происходит переключение счетчика при поступлении на его вход последующих импульсов. После отсчета семи импульсов (код 111) счетчик на восьмом импульсе вернется в исходное состояние 000. Кодовые комбинации счетчика приведены в табл. 2.5. Таблица 2.5 Матрица состояний и кодовых комбинаций суммирующего двоичного счетчика Число импульсов Состояние счетчика Числовой код 0 1 Q1 _ 0 0 0 0 0 1 1 0 0 2 2 0 1 0 3 3 0 1 j 4 4 1 0 0 5 5 1 0 1 6 6 1 1 0 7 7 1 J 8 0 0 0 0 Рассмотренный счетчик является суммирующим. Однако если в схеме рис. 2.24, а соединить последовательно не прямые выходы 7, а инверсные — 0, то счетчик будет работать как вычитающий. Начальное состояние всех трех триггеров при снятии потенциалов с инверсных вы- ходов — 111 (семь в десятичной системе). Поступающий на Г-вход импульс переводит триггер Т1 в состояние 0 при неизменном состоянии остальных триггеров, в счетчик
Разряд 1 Г-вход R Установка в О 10 11 12 13 Разряд И _ - >1 Разряд 111 а f s R I I о I Ул 'Ул V77X Т2 Улш. ШЕЛ. V77777777777777A W77777X * ... “ о о Рис. 2.24. Функциональная схема (а) и временная диаграмма работы (б) трехраз- рядного двоичного счетчика будет записано двоичное число 110 (шесть в десятичной системе). При поступлении на Т-вход счетчика еще одного импульса число, записанное в нем, уменьшится еще на единицу в соответствии с табл. 2.6. Таблица 2.6 Матрица состояний и кодовых комбинаций вычитающего двоичного счетчика Число импульсов Состояние счетчика Числовой код 0 Оу 0 7 1 1 1 6 1 1 0 2 5 1 0 1 3 4 1 0 0 4 3 0 1 1 5 2 0 1 0 6 1 0 0 1 7 0 0 0 0 8 7 1 1 1 Счетчик, который может работать как суммирующий и вычитающий, называется реверсивным. В реверсивном счетчике переключение с прямой работы на обратную (со сложения на вычитание) осуществляется автоматически с помощью специальных схем. В синхронных счетчиках счетный сигнал Т подается одновременно на входы синх- ронизации С триггеров всех разрядов (рис. 2.25, а). На входы J, К первого триггера подается сигнал «1». При поступлении на общий вход сигнала 1 информация о состоя- нии триггеров предварительно запоминается, а вводится при сигнале 0 на входе Т. При работе счетчика в суммирующем цикле в цепях переноса информации используются прямые выходы Qt, Q2, Qy Временная диаграмма синхронного счетчика (рис. 2.25, б) практически совпадает с диаграммой счетчика на рис. 2.24, б. Рис. 2.25. Синхронный счет- чик на J К-триггерах с MS- структурой: а — функциональная схема счетчика; б — временная диаграмма работы счетчика 43
Рис. 2.26. Функциональная схема (а) и временная диаг- рамма работы (б) асинхрон- ного двоичного счетчика на Т-триггерах Рис. 2.27. Двоимно-десятичный счетчик на JK-триггерах: а — функциональная схема; б — временная диаграмма работы Асинхронный двоичный счетчик на Т-триггерах приведен на рис. 2.26. Входы RS- триггеров счетчика подключаются к шине «Сброс» и используются для перевода триг- геров в исходное состояние 0. Принимают в качестве числового кода комбинации логи- ческих сигналов на прямых выходах (?3, Q^, Q\. В исходном состоянии все триггеры нахо- дятся в состоянии логического нуля и комбинация сигналов на выходах ООО. Для связи триггеров использованы инверсные выходы Q, поэтому на информационных входах Т второго Т2 и третьего ТЗ триггеров — логические единицы. Первый импульс на входе счетчика переключает триггер Т1 в состояние 1. На его инверсном выходе появляется 0, триггер Т2 сохраняет свое состояние 0, следовательно, триггер ТЗ также остается в состоянии 0. На выходах (?3, (?2, Qi имеется комбинация 001. Второй импульс возвращает первый триггер в состояние 0, на его инверсном выходе формируется сигнал переноса информации, и триггер Т2 переключается в со- стояние 1, на выходе счетчика получается комбинация 010. Дальнейшая работа проте- кает аналогично. Комбинации на выходах счетчика при поступлении на его вход Т им- пульсов соответствует приведенным в табл. 2.5. Данный счетчик суммирующий. Для перехода к вычитающему счетчику достаточ- но в цепи переноса заменить инвертирующий выход прямым. Состояния вычитающего счетчика при поступлении импульсов приведены в табл. 2.6. Двоичные счетчики с обратными связями являются наиболее экономичными по коли- честву используемых триггеров. Двоичный счетчик, содержащий четыре триггера, имеет 16 состояний. Используя 10 из них, можно отображать цифры десятичной системы 0, 1 ... 9. Двоичные счетчики могут быть обращены в недвоичные с модулем счета 7VC4 ф 2" введением дополнительных логических связей. Число разрядов п выбирают таким, чтобы двоичный счетчик обеспечивал ближайшее большее число состояний, чем заданное. Для получения десятичного счетчика, считающего в двоично-десятич- ном коде, нужно использовать четыре двоичных разряда. При этом счетчик имеет число кодовых комбинаций N= 16, из которых 10 будут использоваться для коди- рования цифр десятичной системы. Двоично-десятичный счетчик на JK-триггерах приведен на рис. 2.27, а. Для ис- схеме могут быть использованы триггеры, имеющие несколько входов К, объединенных логичес- кой схемой И. При поступлении на вход С первых 7 импульсов счетчик работает как рассмотрен- ный ранее двоичный асинхрон- ный. В состоянии 7 (0111) на вход J четвертого разряда поступают две единицы из второго и тре- тьего разрядов (выходы Q2 и <?з)’ при счете 8 поступает сигнал с выхода Qj на его вход С, триггер переключается в 1. Логический нуль с его инверсного выхода поступает на вход J второго раз- ключения дополнительных логических элементов 44
Рис. 2.28. Счетчик-делитель с элементами формирования сигнала сброса: а — функциональная схема счетчика; б — временная диаг- рамма работы счетчика О, R ряда, удерживая второй и третий разряды в состоянии 0. При счете 9 переключается только триггер пер- вого разряда. На выходах триггеров будет комбинация 1001. При этом четвертый триггер готовится к пе- реключению в состояние 0. Деся- тый импульс приведет к сбросу в 0 триггеров первого и четвертого раз- рядов, счетчик вернется в нулевое состояние, на выходах комбинация 0000. Процесс переключений счет- ч ика представлен на временной ди- аграмме (рис. 2.27, б). Временные диаграммы также наглядно убеждают, что счетчики импульсов одновременно являют- ся делителями частоты. У каждого последующего триггера период пе- реключений в два раза больше, чем у предыдущего, а у первого — в два раза больше периода входного сигнала, так 73 = 272, 72 = 27ь Ту = 27 (рис. 2.24, б) Частота же переключений соответственно уменьшается в два раза у каждого следующего триггера по сравнению с предыдущим. Действительно, если частота импульсов на входе перво- го триггера/= 1/7, то на его выходе fy = //2, на выходе второго^ “/j/l = f/4, третьего a Пуск Рис. 2.29. Кольцевой сдвигающий пятиразрядный счетчик: а — функциональная схема; б — временная диаграмма работы Получили широкое распространение и другие счетчики с обратными связями, в схему которых вводится дополнительный логический элемент, исключающий лишние состояния. На рис. 2.28, а приведена схема счетчика-делителя с логическим элементом И-НЕ, подключенным к выходам Q4 четвертого и (?2 второго триггеров. Выход логического эле- мента подключен к входам R триггеров счетчика. Как видно из временной диаграммы (рис. 2.28, б) счетчик работает как двоичный до достижения определенного состояния триггеров 1010 (10 в десятичной системе), определенного модулем счета NC4. При этом на выходе логического элемента И-НЕ формируется сигнал сброса, который по цепи обратной связи подается на входы R всех триггеров, возвращая счетчики в исходное состояние 0000. Сброс счетчика может быть произведен в любом его состоянии при подаче сигнала «сброс» на логи- ческий элемент НЕ. Кольцевые сдвигающие счет- чики применяют при основании системы счета больше двух (пг>2). В кольцевом счетчике число триг- геров равно числу состояний (ос- нованию счета). При этом едини- ца на каждом тактовом импульсе перемещается в любом состоянии счетчика. Из последнего триггера единица вновь поступает в первый. Кольцевые счетчики выпол- няются на D- и JK-триггерах, но на D-триггерах счетчики выпол- нять более просто. На рис. 2.29, а приведена схема пятиразрядного Пуск ЩШДШЩДЛДЛ 45
кольцевого счетчика. При пуске первый триггер переходит в состояние 1, остальные — в 0. Далее при каждом тактовом импульсе на входе С триггер, находящийся в состоянии 1, сбрасывается в 0, переключая при этом следующий за ним триггер в состояние 1. При сбросе пятого триггера с его выхода переключающий импульс поступает на вход D первого триггера, который переключается в состояние 1. После этого цикл переключе- ний повторяется (рис. 2.29, б). В результате сбоев в состояние 1 могут одновременно переключиться несколько триггеров. Для предотвращения этого в счетчиках применяют специальную схему само- восстановления на логических элементах, блокирующих вход первого триггера до пере- хода всех триггеров в состояние 0. Благодаря этому работа счетчика при любых сбоях восстанавливается к началу следующего цикла. Кольцевые счетчики можно использовать в качестве распределителей импульсов при относительно небольшом числе выходных цепей. 2.6. Распределители импульсов Распределителем импульсов называется устройство, которое распределяет посту- пающую на его вход серию импульсов по независимым выходным цепям. При наличии у распределителя N выходов он преобразует временную последовательность импульсов (последовательный единичный код) в код C'N. Существует многочисленный класс распределителей импульсов, отличающихся как принципом действия так и элементной базой: на электромеханических элементах (шаговые искатели, релейные распределители); на магнитно-диодных и магнитно-транзи- сторных элементах. Простейшим распределителем импульсов является кольцевой сдви- гающий счетчик с числом устойчивых состояний, равным числу распределяемых им- пульсов (см. рис. 2.29). При большом числе выходных цепей более рациональным является матричный рас- пределитель, состоящий из многоразрядного счетчика СТ и дешифратора DC (рис. 2.30, а). Дешифратор преобразует кодовую комбинацию сигналов с выходов счетчика в код . По мере поступления импульсов на вход С счетчика СТ на его выходах меняется комбина- ция сигналов, поступающих на входы дешифратора DC. Сигнал переходит последова- тельно с одного выхода дешифратора на другой (рис. 2.30, б). В распределителях могут быть использованы одно- или многоступенчатые дешиф- раторы. Одноступенчатые дешифраторы в распределителях применяются при числе вы- ходов N< 16 (реже при N= 32). При большем числе выходов в распределителях исполь- зуются многоступенчатые дешифраторы, позволяющие значительно уменьшить число логических элементов. Так в распределителе с двухразрядным счетчиком применяются дешифраторы с последовательными схемами совпадения И. Принципиальная электри- ческая схема последовательного логического элемента И приведена на рис. 2.31, а. Схе- ма включает один диод VD и резистор нагрузки RH. По резистору может протекать ток только при одной комбинации входных потенциалов (сигналов): на входе Х] низкий Рис. 2.30. Структурная схема (а) и временная диаграмма работы (б) матричного распределителя Рис. 2.31. Последователь- ная логическая схема И: а — принципиальная схе- ма; б—таблица состояний 46
_ПГ Кольцевой счетчик (разряд I) -I F2=1/4F, 5 Прямой код Рис. 2.32. Распределитель с двухраз- рядным кольцевым счетчиком и последовательным дешифратором Инверсный 2 КОД Кольцевой счетчик (разряд И) LOj потенциал (сигнал 0), на входе х2 высокий потенциал (сигнал 1). При этом на резисторе RH создается паде- ние напряжения (сигнал 1). Резистор RH является выход- ным элементом логической схемы. В таблице рис. 2.31, б приведены сигналы на выходе у в зависимости от ком- бинации сигналов на входах Х| и х2. Последовательные схемы И включаются между выходами кольцевого счетчика первого разряда (пря- мой код) и второго разряда (инверсный код) (рис. 2.32). В исходном состоянии счетчика на выходе 0 первого разряда высокий потенциал, а на выходе 0 второго разряда — низкий. Ток протекает через последователь- ную логическую схему L0, на выходе которой появля- ется сигнал 1, на остальных (1...15) — сигналы 0. При поступлении на вход распределителя последователь- ности импульсов с частотой F\ первый разряд пере- ключается. После первого импульса высокий потен- циал будет на выходе 1 первого разряда. Через логи- ческую схему L1 пройдет ток (цепь тока показана на рис. 2.32 пунктирной линией). Второй разряд счетчика переключается с часто- той F2 = Каждый его выход поочередно под- ключается через логическую последовательную схему к выходам первого разряда счет- чика. Число выходов распределителя N— N^2, где N\ и — число выходов первого и второго разрядов. Недостатком рассмотренного распределителя является отсутствие общей точки отдельных логических схем, необходимой для подключения к нулевой шине питания, а значит нельзя применять стандартные логические элементы (транзисторные или интег- ральные), так как они всегда имеют связь с источником питания. В системах телемеха- ники ЭСТ-62 и «Лиена» в качестве нагрузок для таких дешифраторов используются обмотки записи тороидальных трансформаторов с прямоугольной петлей гистерезиса. В современных устройствах телеуправления (например, в системе МРК) в качестве нагрузок используются светодиоды оптронных элементов, которые гальванически развя- заны с источниками питания и могут включаться в последовательную схему совпадения. Двоичные счетчики с дешифраторами параллельного типа часто используют вместо кольцевых счетчиков. В распределителях систем телемеханики ЭСТ-62 и «Лиена» приме- няется двухступенчатый комбинированный параллельно-последовательный матричный дешифратор и двоичный многоразрядный счетчик (рис. 2.33, а). Дешифраторы А и Б а Вход Двоичный счетчик Двоичный счетчик 2 Вход | Разряды Разряды ступень Прямой код Дешифратор Дешифратор Запрет на паузе Инверсный код 2-я ступень (последовательный дешифратор) Дешифратор В ,еш ифратор Деш ифратор А' Б ешифратор Запрет на *— [ импульсе тактовойу сеРии [Последовательный Последовательный дешифратор В' дешифратор В Рис. 2.33. Распределитель с дешифратором параллельно-последовательного типа: а — с кодированием на импульсах; б — с кодированием на импульсах и паузах 47
параллельного типа образуют первую ступень, причем дешифратор А работает в пря- мом, дешифратор Б — в инверсном коде (на его выходах включены инверторы). К дешифратору А подключены низших разрядов счетчика, к дешифратору Б — высшие разряды п — П] (« — полное число разрядов). С помощью дешифраторов комбинации кодов на входах преобразуются в распределительные: код С^. (дешифратор А) и (дешифратор Б), где /V, = 2"1, a N2 = 2Л-Л|. Дешифратор В второй ступени является де- шифратором последовательного типа. В устройствах телемеханики ЭСТ-62, «Лиена» и МРК с целью удвоения числа выходных цепей используют два дешифратора А и А' прямого кода (рис. 2.33, б), под- ключаемые к счетчику параллельно. Выходы дешифраторов А и А' связаны с дешифра- тором Б инверсного кода через дешифраторы В и В' последовательного типа. Дешифра- торы А и В работают только на импульсах (запрет на паузе), а А' и В' — на паузах (запрет на импульсах) тактовой серии. 2.7. Операционные усилители Операционные усилители (ОУ) в интегральном исполнении составляют основу современной электронной схемотехники и находят широкое применение в электрон- ных устройствах. Такие усилители еще использовались для решения оперативных управ- лений в аналоговых вычислительных машинах и аппаратуре электронной техники пер- вого поколения. До появления линейных интегральных схем к классу операционных усилителей относили многокаскадные усилители постоянного тока с обратными связями, которые использовались в аналоговой вычислительной технике для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования, интегри- рования, логарифмирования и т.д. Однако усилители постоянного тока на дискретных транзисторах имели многочисленные недостатки. Появление серийных партий ОУ в виде интегральных микросхем позволило значи- тельно усовершенствовать их технические и эксплуатационные показатели. Все это суще- ственно расширило универсальность и функциональную ориентацию интегральных ОУ. Основные свойства операционных усилителей. Универсальный ОУ является усили- телем постоянного тока с высоким коэффициентом усиления (К„ = 103... 10^), высокое входное сопротивление (Квх —>°°) и низкое выходное (7?вых -»0). К основным свойствам идеального ОУ следует также отнести широкую полосу частот, начиная с частоты f= 0 и постоянство амплитуды усиливаемого сигнала во всем диапазоне частот. Операционный усилитель (рис. 2.34) обычно имеет дифференциальный вход (два входных зажима, на которые подаются напряжения £/вх] и £7вх2). Входное напряжение UBK является разностью напряжений £/вх) и UBX2- Причем каждое из входных напряжений £/вх] Рис. 2.34. Схема операционного усилителя и £7вх2 может быть положительным и отрицательным относи- тельно потенциала общей (заземленной) точки двух источ- ников питания Е\ и Большинство стандартных интегральных ОУ имеет один выход. Выходное напряжение £/Вых находится в фазе с напряже- нием и противофазно напряжению U^, оно пропорцио- нально дифференциальному напряжению входа £4х~ Цзх! Цзх2- Питание ОУ осуществляется от двух соединенных после- довательно источников с одинаковыми постоянными ЭДС Еу и Е2 или от одного источника со средней точкой, которая зазем- лена. При использовании делителей напряжения возможно пи- тание ОУ от одного источника, однако это приводит к увеличе- нию потребления энергии и снижению показателей работы ОУ.
Обратная связь (ОС), образован- ная между входом и выходом ОУ, по- зволяет получить многие положитель- ные свойства передаточных характери- стик между t/Bblx и Свх. Пусть часть t/BBIX через резистор (или иной элемент) об- ратной связи R^, равная ЗСВЫХ, по- ступает на вход ОУ. При этом Р-коэф- фициент передачи цепи ОС обычно меньше единицы (Р < 1). Коэффици- ент р может быть действительной или мнимой величиной. При наличии ОС на вход ОУ по- Рис. 2.35. Структурная схема операционного усилителя: а — трехкаскадного; б — двухкаскадного ступает только часть напряжения, равная Свх = Р^вых, тогда £/вых = АГу £ЛВХ(1 + РАС), где Ку — коэффициент усиления ОУ при разомкнутой цепи ОС. В схеме с ОС коэффи- циент усиления К = С/Вых / ^вх- Подставив в это выражение £/вых, получим К-------U—~Таким образом, коэффиент усиления ОУ с ОС К — Ху(1 + рАГу). При разомкнутой ОС (Р — 0) соотношение между А” и Ку будет К = Ку. Структурные схемы стандартных ОУ приведены на рис. 2.35, на котором показаны схемы трехкаскадного и двухкаскадного ОУ, представляющие собой интегральные уси- лители соответственно первого и второго поколений. Структурная схема трехкаскадно- го ОУ приведена на рис. 2.35, а. Первый каскад обычно выполняется по схеме простого дифференциального усилителя (ДУ), имеющего два входа и два выхода. Второй каскад — усилитель напряжения (УН), также выполнен по схеме дифференциального усилителя и обладает значительным коэффициентом усилителя. В УН осуществляется также сдвиг уровня усиливаемого напряжения с целью согласования выхода этого каскада со вхо- дом оконечного усилителя по постоянной составляющей тока. Выходной каскад являет- ся усилителем амплитуды (УА) сигнала и состоит из сочетания нескольких каскадов, потребляющих основную часть энергии всего усилителя. Общий коэффициент усиления трехкаскадного ОУ может достигать 100000 и более. Изменение технологии изготовления интегральных структуру позволило в ОУ вто- рого поколения совместить функции первого и второго каскадов в одном каскаде усиле- ния (ДУ). Промышленная реализация двухкаскадных ОУ (рис. 2.35, б) с удовлетворитель- ными малосигнальными параметрами и частотными свойствами позволила вне- дрить сложные дифференциальные кас- кады, обладающие повышенным коэф- фициентом усиления. При этом общее усиление двухкаскадных ОУ сохраняет- ся на прежнем уровне. Принципиальная схема одного из интегральных ОУ приведена на рис. 2.36. Первый усилительный каскад на тран- зисторах VT1 (прямой вход 10) и VT2 (инверсный вход 9) с генератором ста- бильного тока Iq на транзисторе VT3 и цепью температурной компенсации на транзисторе VT5. Транзистор VT5 вклю- чен по диодной схеме и является ис- точником опорного напряжения базо- вой цепи транзистора VT3. Рис. 2.36. Принципиальная схема трехкаскадного операционного усилителя 49
Рис. 2.37. Принципиальная схема двухкаскадного операционного усилителя Второй каскад на транзисторах VT6 и VT4 также выполнен по схеме диффе- ренциального усилителя с симметрич- ным входом и несимметричным выхо- дом. Вывод 4 служит для подключения источника питания для цепей эмит- тера через резистор R3. Выходной каскад является сложным эмиттерным повторителем на транзисто- рах VT7 и VT9 с генератором стабилизи- рованного тока на транзисторе VT8. К выводу 5, являющемуся выходом усилителя, подключается внешняя на- грузка в цепи обратной связи, а к выво- дам 1 и 7— источник питания Е\. Выводы 2, 3, /2являются контрольными и предназна- чены для подключения корректирующих цепей. Значительно лучшие технические параметры имеет двухкаскадный ОУ, схема кото- рого представлена на рис. 2.37. Дифференциальный входной каскад выполнен на транзи- сторах VT1 и VT2, эмиттерные цепи которых питаются от генератора тока на транзисторе VT7. При идентичности параметров входных транзисторов VT1 и VT2 обеспечивается высокая степень симметрии схемы по обоим входам. «Токовое зеркало» на транзисторах VT11, VT7, VT6 используется в качестве источников тока для дифференциального (VT7) и выходного (VT6) каскадов. Известно, что при постоянном напряжении (/бэ транзистор с заземленным эмиттером имеет строго определенный коллекторный ток. Однако он может сильно меняться при колебании температуры окружающей среды. Для компенса- ции температурных отклонений коллекторного тока параллельно переходу база-эмиттер включается прямосмещенный диод или транзистор в диодном включении (коллек- тор VT11 объединен с базой). Если транзисторы VT11, VT7, VT6 строго идентичны, то происходит не только точная компенсация температурных изменений, но и точное зада- ние коллекторных токов VT7 и VT6. Если создать ток смещения /см в цепи транзистора VT11, то в коллекторах транзисторов VT7 и VT6 будут такие же токи /к7 = /к& =/см (происходит как бы зеркальное отражение тока /см в коллекторных токах транзисторов). Для повышения точности отображения и стабильности в цепи эмиттеров транзи- сторов иногда дополнительно включают резисторы. Активная нагрузка дифференциаль- ного каскада, выполненная на «токовом зеркале» VT12 и VT3, позволяет, с одной стороны, обеспечить в транзисторах VT1 и VT2 постоянные токи, с другой — большее усиление по напряжению выходного каскада ОУ, так как транзистор VT3 имеет значи- тельное входное сопротивление для переменной составляющей сигнала. Промежуточный усилитель выполнен на составном транзисторе VT4 и VT5. Если на входах ОУ появится дифференциальный сигнал, при котором, например, уменьшится на Д/к ток транзистора VT1 и на столько же увеличится ток транзистора VT2, то на Д/к уменьшается также ток в транзисторе диодного включения VT12, в транзисторе источни- ка тока VT3 и, следовательно, в нагрузке (цепь базы VT4) ток увеличивается на 2Д/К. Выходной каскад выполнен двухтактным на транзисторах разной проводимости VT8 и VT9. Потенциалы баз одинаково смещенных транзисторов VT8 и VT9 должны различаться на 2С7бэ «1,3 ... 1,4 В, это и обеспечивают диоды VD1 и VD2, включенные между базами транзисторов VT8 и VT9. Для увеличения коэффициента усиления по току выходной транзисторный каскад ОУ состоит из транзисторов VT9 и VT10. Рассмотренный ОУ может работать с очень низким напряжением питания (ЗВ) и обеспечивает при этом усиление примерно в 104 раз по напряжению. Многие ОУ имеют существенно более сложные схемы, однако, общие принципы построения их сходны с рассмотренными выше. 50
Рассмотрим некоторые часто встречающиеся на практике схемы, в которых приме- няются операционные усилители. На рис. 2.38 приведены схемы усиления сигналов на основе ОУ. Инвертирующий усилитель (рис. 2.38, а) имеет выходное напряжение, сдви- нутое по фазе относительно входного на 180°. Коэффициент усиления такой схемы услов- но считается отрицательным. Введение отрицательной обратной связи (резистор Ro) по- зволяет повысить стабильность коэффициента усиления схемы или расширить ее частот- ный диапазон. Если коэффициент усиления Kv операционного усилителя имеет конечное •7 значение, то коэффициент усиления схемы (рис. 2.38, а) К = —— DA о °° —2----> 0 получим К = —2-, тогда /7 Y = -KU П ВЫЛ Вл О R, вх * о Отношение — называется масштабным коэффициентом. Если соотношение меж- ду Цзых и Цзх записать в виде UBwl = -Ro —то получим t/BbIX = ~R0IBX- Это выражение R] справедливо при активных, реактивных и комплексных сопротивлениях во входной цепи и цепи обратной связи. Коэффициент обратной связи неинвертирующего усилителя (рис. 2.38, б) р =-!—, /?! + Ro а коэффициент усиления схемы К = 1 + —, т.е. на единицу больше, чем в схеме инверти- рующего усилителя (рис. 2.38, а). 1 Чтобы выровнять усиление по прямому и инверсному входам, например, в схеме вычитающего усилителя (рис. 2.38, в), необходимо в цепь прямого входа включить дели- тель напряжения (резисторы R2 и R3), который уменьшит усиление по прямому входу в Ro 1 о ’ r раз. В простейшем случае для схемы рис. 2.38, в имеем R2 = R] и 7?3 = Ro. ' 1 + ^ Если в схеме рис. 2.38, б принять Rj = «> или Ro = 0, то К- 1, т.е. получится схема повторителя напряжения (рис. 2.38, г). Выполнение математических операций аналоговым способом осуществляется с помощью ОУ. Схема рис. 2.39, а представляет собой суммирующий усилитель. Выходное напряжение равно сумме входных напряжений, каждое из которых умножено на свой масштабный коэффициент t/BUxS = При 7?! = R2 = R3= R и у = К получим tfBWxZ = R(£7Bxl + UBx2 + Um3), т.е. выходное напряжение пропорционально сумме входных. Рис. 2.38. Схемы усиления сигналов на основе операционных усилителей: а — инвертирующего усилителя; б — неинвертирующего усилителя; в — неинвертирующего усилителя с делителем напряжения на прямом входе; г — повторителя уровня напряжения 51
Рис. 2.39. Схемы для выпол- нения математических операции на основе опе- рационных усилителей: а — сумматора; б — интегратора; в — диф- ференциатора В схеме рис. 2.39, б выполняется операция интегрирования. Выходное напряжение определяется из выражения: UBbWif=—^iUm(t)dt + C. ВЫл И tj хп J Вл \ S В схеме рис. 2.39, в выполняется операция дифференцирования входного напряже- n~dUBK(t) ния. Выходное напряжение определяется из выражения: с/8ЫХ = -КС- -}—. dt На основе ОУ осуществляются и другие математические операции, например, возведение в квадрат и т.д. 2.8. Устройства, реагирующие на уровни сигналов Компараторы (нуль-индикаторы) служат для сравнения напряжения входного сиг- нала с опорным напряжением или для сравнения двух входных напряжений. Нуль-ин- дикаторы (НИ) имеют два устойчивых состояния, которым соответствуют сигналы на выходе 0 или 1. Для выполнения НИ широко используются операционные усилители. В компараторном режиме цепи отрицательной ОС обычно у ОУ отсутствуют. Одновходовые компараторы (рис. 2.40, а) используются для сравнения разнопо- лярных входных напряжений Ц и —t/2, поступающих на инвертирующий вход ОУ. При этом напряжение на входе ОУ и его выходе — разнополярны. В зависимости от результатов сравнения напряжений и £72 выходное напряжение принимает значе- ние J7BbIX = +£| или (7ВЫХ = —£2. При Щ Щ режим ОУ становится неустойчивым, он может переключиться в любое состояние. Точность сравнения напряжений увеличива- *з = ется с увеличением их амплитуд, которые, однако, не должны превышать допустимых уровней. Сопротивление резистора в цепи неинвертирующего входа определяется через R\ и Л2 Двухвходовые компараторы (рис. 2.40, б) сравнивают сигналы, поступающие на оба входа усилителя. Поэтому полярность выходного напряжения определяется боль- шим по модулю напряжением одного из входов. При равенстве входных напряжений ОУ выходное напряжение равно нулю. Стандартные ОУ непосредственно не могут быть использованы в качестве элемента НИ. Это связано с тем, что низкий потенциал на выходе ОУ в режиме переключения Рис. 2.40. Функциональная схема компаратора: а — одновходного; б — двухвходного равен 2-3 В, в то время как для управления элементами ТТЛ или КМОП-схемами низ- кий уровень (сигнал 0) не должен превы- шать +0,4 В. С другой стороны, высокий по- тенциал (сигнал 1) на выходе закрытого ОУ превышает допустимый уровень на входах ТТЛ, который обычно не выше 3,5 В. Для согласования выходных параметров ОУ с входными логических схем применя- ются специальные схемы в виде простейших 52
нуль-индикаторов, которые пе- реключаются из состояния 0 в состояние 1 и обратно при пе- реходе напряжения на выходе ОУ через среднее напряжение между максимальным и мини- мальным уровнем. Возможны различные схемы таких НИ. На рис. 2.41 представле- Рис. 2.41. Схема нуль-индикатора с двумя источниками питания на схема нуль-индикатора на транзисторной схеме (VT1 и VT2) с заземленным эмиттером. В схеме для питания ОУ, НИ и выходной логической схемы L используются два напряжения Еу и Е-}, обычно ТГ2 = 0,5Е]. Схему на рис. 2.42 отличает наличие трех источников питания. Два разнополяр- ных источника Еу и Т?2 используются для питания ОУ, а Е^ — для питания НИ и выходной логической схемы L. Принципиальная схема нуль-индикатора с двумя источниками питания Еу и ТГ2 приведена на рис. 2.43. Схема включает ОУ на транзисторах VT1 —VT6 и выходной уси- лительный каскад на транзисторах VT7—VT9. Коэффициент усиления такого НИ дол- жен быть достаточно высоким Ку =103...104, чтобы при небольшой разбалансировке напряжений Uy и С/2 на входах 7 и 2 выходной каскад переходил из полностью закрыто- го состояния в полностью открытое и наоборот. Схемы сравнения абсолютных значений электрических величин выполняются на основе НИ. Для сравнения двух напряжений используют двухвходовой НИ (см. рис. 2.40, б), имею- щий прямой и инверсный входы- Резисторы R1 и R2 служат для уменьшения входных токов НИ или отображают внутреннее сопротивление источников сигналов (напряжения Uy и <72). В схеме (см. рис. 2.40, а) используется для ввода информации инверсный вход ОУ. Если равны по величине входные напряжения Uy и t/2 и входные сопротивления Ry и Т?2, то равны и токи 1у = 1^ В этом случае напряжение на входе ОУ равно нулю. При /Ц/ У/U-J на входе ОУ потенциал выше нуля и на его выходе будет напряжение, соответствующее сигналу 0. При /Uy/< /U^/ на входе ОУ потенциал ниже нуля и на его выходе будет напряжение, соответствующее сигналу 1. Пороговые устройства являются разновидностью рассмотренных схем сравнения. Они срабатывают при условии, что уровень входного напряжения превышает некоторое наперед заданное значение, называемое порогом срабатывания 77ср, и возвращаются в исходное со- стояние при уровне входного напряжения Цюз. Отношение напряжения возврата к напряжению срабатывания С/ср называют коэффициентом возврата = Цюз / Ucp. Для получения Къ < 1 в пороговом устройстве применяют небольшую положитель- ную обратную связь. Коэффициент усиления в активной зоне становится очень большим и устройство из закрытого состояния в открытое и наоборот переходит скачкообразно. Рис. 2.42. Схема нуль-индикатора с тремя источниками питания Рис. 2.43. Принципиальная схема нуль-индикатора с двумя источни- ками питания 53
г Рис. 2.44. Однофазное реле переменного напряжения (тока): а — принципиальная схема; б — временная диаграмма работы Схемы сравнения по уровню переменных напряжений широко используют в уст- ройствах релейной защиты, автоматики и телемеханики. В этих схемах сравнение переменных напряжений по уровню осуществляется как в пороговых устройствах с той лишь разницей, что переменные напряжения предварительно выпрямляют. Пе- ременную составляющую выпрямленного напряжения отфильтровывают с помощью RC-фильтра. Это приводит к снижению быстродействия схемы сравнения из-за того, что выпрямленное напряжение на входе фильтра изменяется медленнее, чем пере- менное на входе выпрямителя. Однофазное реле переменного напряжения (тока). Рассмотрим работу такого реле в качестве примера схемы сравнения (рис. 2.44, а). Реле включает в себя: разделительный трансформатор TL; выпрямительный мост VS с емкостным фильтром С; схему образо- вания опорного напряжения (резистор R1 и стабилитрон VDCT); нуль-индикатор VT1 — VT6, охваченный положительной ОС Roc; выходной инвертор L. На первичную обмотку трансформатора TL подается напряжение Ux(i), являющееся аналогом контролируемой величины (напряжения или тока). Снимаемое с вторичной об- мотки трансформатора напряжение выпрямляется мостом VS и поступает на резистор R2, являющийся входом схемы сравнения. К второму входу (с резистором R1) схемы сравне- ния подводится стабилизированное опорное напряжение, снимаемое со стабилитрона VDCT. В диагональ моста, образованного источником опорного напряжения (Уоп и сигнала Uc, а также резисторами R1 и R2, включен дифференциальный каскад нуль-индикатора. Если Uon / R\> Uc/ R2, то есть Uon -7- > t/c, то потенциал базы VT1 будет выше, чем потенциал базы VT2. При этом транзистор VT1 будет открыт, а транзистор VT2 — закрыт, транзисторы VT5 и VT6 также будут открыты и на выходе Q схемы появляется сигнал 0. Если же входное напряжение реле Ux(t) возрастет до напряжения срабатывания f7cp (рис. 24.4, б), при котором выполняется условие (7С > Uon т0 потенциал базы транзистора VT1 становится ниже потенциала базы транзистора VT2 и транзистор VT1 призакрывается, а транзисторы VT2 и VT3 приоткрываются. Высокий потенциал с коллектора VT3 поступает на базу транзистора VT5, последний закрывается вместе с транзистором VT6, на выходе Q появляется высокий потенциал, соответствующие сигналу 1, и реле срабатывает. Реле имеет два выхода: прямой О, при использовании которого оно выполняв' роль максимального реле; инверсный Q на выходе инвертора L, при использование которого получаем минимальное реле. 54
Возврат реле в исходное состояние происходит при напряжении Ux(t) = Не- обходимый коэффициент возврата Къоз = UBO3 / Ucp обеспечивается подбором сопро- тивления резистора обратной связи Roc. Величину срабатывания реле можно регулиро- вать резистором R1. Диоды VD1 и VD2 служат для защиты эмиттерных переходов тран- зисторов VT1 и VT2 от недопустимых напряжений на входе элемента НИ. 2.9. Времязадающие и времяизмеряющие схемы Формирователи дискретных временных функций широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, где процессы, протекающие обычно в реальном масштабе времени, требуют образования и измерения временных интервалов, сдвига импульсов во времени на заданный интервал. Для формирования дискретных временных функций ис- пользуют следующие устройства: формирователи импульсов, формирующие короткие им- пульсы f/BbIX по переднему или Г7]ВЫХ заднему фронту входного импульса Z/BX (рис. 2.45, о); формирователи временных интервалов (таймеры), формирующие импульсы заданной про- должительности 7’имп (рис. 2.45, б) по переднему или заднему фронту входного импульса иъх, формирователи временных интервалов (таймеры), запускаемых короткими импульсами (одновибраторы, кипп-реле) (рис. 2.45, в); реле времени, с помощью которых осуществля- ется задержка срабатывания на время Тср или возврата в исходное состояние (рис. 2.45, г) Принципы образования временных интервалов в диапазонах от долей миллисекунд до нескольких секунд основаны на использовании переходных процессов заряда, раз- ряда и перезаряда конденсаторов. Использование заряда конденсатора для образования временного интервала (рис. 2.46). В исходном состоянии ключ SB находится в разомкнутом состоянии, при этом напря- жение на конденсаторе С равно нулю (ис = 0). В момент t3aM замыкания ключа SB кон- денсатор С начинает заряжаться (рис. 2.46, а), напряжение ис изменяется во времени по экспоненциальному закону (рис. 2.46, б) в соответствии с выражением: ис(0 = Еп(1-е~), (2’4) где т = RC — постоянная времени цепи заряда. Когда напряжение ис(1) достигнет напряжения срабатывания Ucp, то сработает пороговое устройство, включенное параллельно конденсатору С, на выходе появится напряжение иъък. Интервал времени от момента замыкания ключа /зам до переключе- ния порогового устройства называется временем срабатывания /ср. Чем больше посто- янная времени цепи т, тем более пологая кривая u^t) и тем больше /ср. Время срабаты- вания зависит также от напряжения срабатывания £/ср, которое должно быть не более (0,5...0,7) Еп, иначе возрастает погрешность /ср. Если в выражение (2.4) подставить Ucp и /ср и прологарифмировать его, то получим ^вых ^1вых Рис. 2.45. Временные функции формирователей импульсов: а — коротких по фронту или спаду входного импульса; б — задан- ной продолжительности по фронту или спаду входного импульса; в — заданной продолжительности, запускаемых короткими им- пульсами; г — задержанных относительно входного импульса Рис. 2.46. Образование временного ин- тервала с использованием заряда кон- денсатора: а — принципиальная схема устройства; б — временная диаграмма работы а
а б Рис. 2.47. Образование временного ин- тервала с использованием разряда кон- денсатора: а — принципиальная схема устройства; б — временная диаграмма работы Из выражения (2.5) видно, что /ср зависит от напряжения источника питания Еп, т.е. при отклонении напряжения источника питания будет меняться /ср, возникнет по- грешность, зависящая от напряжения источника питания Еп. Использование разряда конденсатора для образования временного интервала (рис. 2.47). В исходном состоянии контакты ключа SB2 замкнуты (рис. 2.47, а) и конденсатор С заряжен до напряжения Еп. В момент tn переключения ключа SB2 (рис. 2.47, б) его контакты размыкают цепь заряда конденсатора С, а контакты SB 1 замыкают цепь раз- ряда конденсатора на резистор R. Напряжение ис снижается по экспоненциальному закону в соответствии с выражением: uc(l) = Е„е~*, (2.6) где т = RC — постоянная времени цепи разряда. Когда напряжение u^t) снизится до напряжения срабатывания порогового уст- ройства Еср, последнее переключится и напряжение на его выходе иъълх снизится до нуля. Подставив £7ср и /ср в выражение (2.6) и прологарифмировав его, получим (2.7) Из выражения 2.7 видно, что время срабатывания /ср зависит от напряжения источника питания Еп. Использование перезаряда конденсатора для образования временного интервала (рис. 2.48). Предварительно заряженный конденсатор С через контакт ключа SB2 (рис. 2.48, а) до напря- жения Еп в момент времени tn (рис. 2.48, б), соответствующий переключению ключа (кон- такты ключа SB2 размыкаются, SB1 замыкаются), начинает разряжаться до нуля, а затем заряжается до напряжения источника питания ЕП. Таким образом, напряжение на конденса- торе изменяется на величину 2ЕП. Процесс перезаряда можно представить как разряд кон- денсатора от 2^ до нуля. Нуль-индикатор срабатывает, когда напряжение ис= 0, т.е. экспо- нента пересекает ось времени, Ucp = Еп. Используя выражение (2.7), можно записать. г =т1п—- = т1п2«0,7т. Еп Таким образом /ср не зависит от напряжения источника питания Е} (2.8) а б Рис. 2.48. Образование временного интервала с использованием перезаряда конденсатора: а — принципиальна схема устройства; б — временная диаграмма работы
R1 R2 R3 Рис. 2.49. Формирователь пря- моугольного импульса за- данной продолжительности: а — принципиальная схема; б — временная диаграмма работы схема формирователь управления импульсов Формирователь импульсов заданной продолмаипелыюапи (рис. 2.49). В нем для создания импуль- сов необходимой длительности используется процесс разряда конденсатора С. В исходном состоянии транзистор внешней управляющей схемы VT1 закрыт (рис. 2.49, а). Транзистор формирователя импульсов VT2 открыт под действием тока в цепи: +£к, переход эмиттер- база, R2, — Ек. На выходе транзистора VT2 появляется высокий (нулевой) потенциал. Кон- денсатор С заряжается до значения Ек током цепи: +£к, эмиттер-база, С, R1, ~ЕК. В момент времени (рис. 2.49, б) транзистор VT1 открывается, через него потен- циал +ЕК поступает на обкладку 1 конденсатора С, потенциал обкладки 2 выше на Ек, чем потенциал обкладки 1. Этот потенциал поступает на базу транзистора VT2, после- дний закрывается. Конденсатор С разряжается через резистор R2 и источник питания (частично через резистор R1). В течение времени разряда конденсатора от Ек до нуля транзистор VT2 закрыт, на его выходе потенциал снижается до ~ЕК и формируется отрицательный импульс длительностью ^вых— О,?^^ После окончания входного импульса длительностью /вх транзистор VT 1 закрыва- ется, начинается заряд конденсатора по цепи: +ЕК, эмиттер-база транзистора VT2, конденсатор С, резистор R1, —Ек. Время заряда конденсатора составляет (3...5) тзар, где постоянная времени заряда конденсатора тзар = R। С. После заряда конденсатора формирователь снова готов к действию. Рассмотренная схема является простейшей из тех, которые позволяют формиро- вать импульсы прямоугольной формы заданной продолжительности. Она используется для выполнения одновибраторов, реле времени и других времязадающих схем. Простой пц нзисторный одновибратор (рис. 2.50). Он занимает промежуточное положение между триггером, имеющим два устойчивых состояния, и мультивибратором, имеющим два временно ус- тойчивых состояния (на время разряда конденса- тора). Одновибратор имеет одно устойчивое и одно временно устойчивое состояние. Это обусловлено тем, что между базой транзистора VT1 и коллек- тором транзистора VT2 имеется резисторная связь с помощью резистора Rc, а между базой транзис- тора VT2 и коллектором транзистора VT1 — ем- костная связь с помощью конденсатора С. Вход 2 а -Е - Рис. 2.50. Транзисторный одновибратор: а — принципиальная схема; 5— условное графическое изображение 57
В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт и с его коллектора нулевой потенциал поступает на базу транзистора VT1. Конденсатор С заря- жен, так как на его обкладку 1 поступает потенциал — Ек, а на обкладку 2 — нулевой потенциал через переход эмиттер-база транзистора VT2. Для запуска одновибратора на вход / подается отрицательный потенциал или на вход 2 — положительный. Пусть на вход 1 подан отрицательный потенциал, транзистор VT1 открывается и начинается разряд конденсатора С. Транзистор VT2 закрывается, и отрицательный потенциал с его коллектора будет удерживать транзистор VT1 откры- тым даже после окончания пускового импульса. Такое состояние сохраняется временно до окончания разряда конденсатора через резистор Rg, после чего транзистор VT2 вновь откроется, а транзистор VT1 закроется, одновибратор вернется в исходное состояние. Конденсатор С начнет заряжаться /за„ = (3...5) тза„. После окончания заряда схема гото- ва к действию. В такой схеме длительность выходного импульса может быть существенно больше входного, но так как коэффициент усиления по току одиночного транзистора не может быть очень большим и сопротивление разрядного резистора R6 обычно не превышает 10 кОм, то длительность выходного импульса мала и не превышает несколь- ких десятков миллисекунд. При этом погрешность длительности выходного импульса при изменении температуры окружающей среды составляет 5—10 %. Одновибратор на операционном усилителе (рис. 2.51). Такой одновибратор имеет погрешность длительности выходного импульса при изменении температуры окружаю- щей среды менее 1 %. В схеме (рис. 2.51, о) использован процесс заряда конденсатора С через резистор R. Для фиксации момента достижения напряжения при заряде конденсатора порого- вого значения Un используется компаратор СА на операционном усилителе и тран- зисторах VT1 и VT2. Схема на транзисторах VT1 и VT2 осуществляет согласование ОУ и выходного триггера Т, так как выход ОУ непосредственно для управления триг- гером ИСПОЛЬЗО] н быть не может. В исходном состоянии триггер Т находится в положении 0, транзистор VT3 от- крыт, конденсатор С разряжен. При поступлении на вход «Пуск» короткого импульса (рис. 2.51, б) триггер Т переключается в положение 1, с его выхода Q поступает нуле- вой потенциал на вход транзистора VT3 и запирает его. В этот момент начинается заряд конденсатора С. После достижения напряжения на нем, равного напряжению порога срабатывания (ис Un), напряжение на выходе ОУ понижается, транзисторы VT1 и VT2 открываются, триггер Т переходит в состояние 0. При этом транзистор VT3 вновь открывается, через него разряжается конденсатор Напряжение порога срабатывания Un определяется сопротивлением резисторов R\ и /?2и должно быть меньше допустимой разности напряжений на входах ОУ (для современных ОУ оно составляет 5В). При величине напряжении питания Еу = 10 В, = Rq. Длительность а +£! Пуск Рис. 2.51. Одновибратор с операционным усилителем: а — принципиальная схема; б — временная диаграмма работы Пуск I При £( TH=C,7RC выходного импульса может быть определена как Т’= RC In — = 0,1 RC, т.е. 5 Ти не зависит от величины напряжения питания. Величина зарядно- го сопротивления R в этой схеме в 1О2...1О3 раз больше, чем в схеме од- новибратора, приведен- ного на рис. 2.50. Следо- вательно, для получения 58
Рис. 2.52. Помехоустойчивый формирователь импульсов заданной продолжительности: а — принципиальная схема; б, в — временные диаграммы работы импульса заданной продолжительности Ги можно использовать конденсатор значительно меньшей емкости. Существенным недостатком одновибраторов является их низкая помехоустойчи- вость, вызванная наличием положительных обратных связей и, как следствие, лавино- образных процессов. С целью повышения помехоустойчивости стремятся использовать схемы формирователей импульсов без положительных обратных связей. Помехоустойчивый таймер без обратной связи (рис. 2.52). Такой тамер использу- ется для формирования импульсов заданной продолжительности. В исходном состо- янии на вход схемы (рис. 2.52, а) подается сигнал 0, инвертор L1 закрыт, а транзи- стор VT3 открыт и конденсатор С разряжен. На инвертор L2 с компаратора СА по- ступает сигнал 1 (рис. 2.52, б), а с входа схемы по замкнутой перемычке 1—2 сигнал О и на выходе инвертора L2 появляется сигнал 1. При поступлении на вход схемы сигнала 1 инвертор L1 открывается, транзистор VT3 закрывается, конденсатор С начинает заряжаться через резистор R. Одновременно сигнал 1 с входа схемы через перемычку 1—2 поступает на вход инвертора L2 и на его выходе появляется сигнал 0. После заряда конденсатора С до напряжения порога (7П компа- ратор СА срабатывает, открываются транзисторы VT1 и VT2 и на вход инвертора L2 поступает сигнал 0. На выходе инвертора L2 появляется сигнал 1 и заканчивается формирование выходного импульса Ти. Длительность входного импульса для работы схемы должна быть больше длительности формируемого импульса ТИ. Реле времени можно получить, разомкнув перемычку 1—2 в схеме (см. рис. 2.52, а). Диаграмма работы реле времени приведена на рис. 2.52, в. Из нее видно, что с выхода компа- ратора СА на вход инвертора L2 поступает сигнал 1, на выходе инвертора L2 будет сигнал 0. При поступлении на вход инвертора L1 сигнала 1 начинается заряд конденсатора С, напряжение на нем возрастает до порогового значения Un, при котором срабатывает компаратор СА и переключается выходной инвертор L2. Интервал времени от момента подачи входного импульса до переключения инвертора L2 является выдержкой време- ни срабатывания реле Тср — Q,1RC (при R\ = R^). Универсальный времязадающий элемент. Такой элемент применяется в устройствах релейной защиты в качестве реле времени и устройствах телемеханики как времяим- пульсный формирователь (рис. 2.53), выполняется на основе микросхем. В качестве ком- паратора используется гибридная схема на транзисторах VT1, VT2, VT3. Для повыше- ния чувствительности компаратора в качестве коллекторной нагрузки транзистора VT 1 применено «токовое зеркало» на транзисторах VT4 и VT5. Транзистор VT5 является ис- точником тока,- величина которого выбирается равной сумме максимальных токов транзис- торов VT1 и VT2 и лежит в пределах 3—6 мкА. Этот ток задается резистором R1. Напряжение цепи транзистор VT4 — резистор R1 задается падением напряжения на диоде VD. Разность напряжений транзистора VT4 в диодном включении и диода VD составляет 59
Рис. 2.53. Универсальный времязадающий элемент примерно 0,15 В и прикладывает- ся к резистору R1. Чтобы полу- чить на выходе «токового зерка- ла» ток 5 мкА, нужно иметь рези- стор R1 сопротивлением 30 кОм. При другом напряжении, напри- мер 5 или 10 В, потребовалось бы сопротивление в несколько мега- ом, что трудно получить в интег- ральной микросхеме. Рассмотренная схема работа- ет как реле времени в соответствии с диаграммой (см. рис. 2.52, б). Если установить внешнюю по отношению к микросхеме перемычку 1—2, то схема будет работать как времяимпульсный формирователь аналогично диаграмме (см. рис. 2.52, в). При этом по- меха, поступающая на вход, передается через перемычку на выход без изменения длительно- сти. Для предотвращения срабатывания выходных инверторов L3 и L4 под действием крат- ковременных помех необходимо предпринимать меры защиты. Если схема используется как реле времени (при отсутствии перемычки 1—2), то в режиме ожидания она имеет очень высокую помехоустойчивость. Длительность помехи, вызывающей ложное срабатывание схемы, должна превышать время заряда конденсатора до порогового напряжения Un (см. рис. 2.52, б), образованного делителем на сопротивлени- ях Т?2 + Ази ^4- £ Целью уменьшения общего числа транзисторов в схеме напряжение £7бэ транзистора VT1 не компенсировано и входит в контур сравнения, т.е. практически напря- жение порога U'n = Un + U63, что вносит дополнительную погрешность при срабатывании. Таймеры с использованием счетных схем позволяют получить выдержки времени, превышающие 100 с. Реле времени на основе заряда и перезаряда конденсатора не могут создать таких выдержек, так как это требует применения конденсаторов очень большой емкости. Поэтому, чтобы получить большие выдержки времени (до несколь- ких минут и более), применяют реле времени, в которых генератор тактовых импульсов ГИ работает совместно со счетчиком импульсов (рис. 2.54). В качестве генератора тактовых импульсов может служить управляемый мульти- вибратор. В исходном состоянии схема пуска и сброса удерживает ГИ в заторможенном состоянии, а двоичный счетчик импульсов находится в нулевой позиции. При поступ- лении входного импульса схема пуска и сброса запускает ГИ. Двоичный счетчик полу- чает импульсы ГИ и переключается из одного положения в другое, каждому из которых соответствует определенный сигнал на одном из выходов дешифратора. После отсчета счетчиком заданного числа импульсов ГИ останавливается импульсом, поступающим с соответствующего выхода дешифратора. Одновременно импульс поступает на выход реле. При постоянном периоде повторения импульсов время срабатывания Топределя- Рис. 2.54. Таймер с использованием счетных схем ется длительностью импульса и числом отсчитан- ных импульсов Гср = NT. С выходов такого реле можно получить несколь- ко выходных импульсов с различными выдержками времени. Такие реле могут использоваться в качестве датчиков времени в устройствах телемеханики. Микросхема на МОП-транзисторах, содержа- щая 21-разрядный счетчик, позволяет отсчитывать N = 221 = 2 106 импульсов. Если выполнить управля- емый мультивибратор ГИ с периодом Т = 1 с, то у такого реле время срабатывания 7L, == 2 • 10° с = 550 ч. 60
В качестве ГИ можно использовать кварцевый генератор, размеры которого уменьша- ются с увеличением частоты, поэтому целесообразно применять генераторы с часто- той 105 -5- 10° Гц. Используя рассмотренную микросхему, содержащую 21-разрядный счетчик, можно получить реле времени с Тср = 2 + 20 с. Таймеры с использованием счетных схем выпускаются промышленностью в виде однокристальной микросхемы. Для изменения времени срабатывания они снабжаются многоразрядными шинами управления, на которые подаются кодовые комбинации. Каждой комбинации соответствует своя выдержка времени. Такие таймеры использу- ются в микропроцессорных устройствах, которые задают программу работы таймера и изменяют кодовые комбинации. 2.10. Модуляторы импульсных последовательностей В преобразовательной технике широко применяют модуляторы: частотно-импуль- сные (ЧИМ); широтно-импульсные (ШИМ); фазоимпульсные (ФИМ). В них входные напряжения, являющиеся аналогами контролируемых величин, преобразуются в час- тоту, длительность или фазу импульсной периодической последовательности. Широтно-импульсная и фазоимпульсная модуляции близки по физической приро- де и их в основном осуществляют с помощью одной и той же типовой схемы (рис.2.55, а). Модулирующее напряжение Ux(t) на входе нуль-индикатора НИ сравнивается с на- пряжением Ц1И(/) пилообразной формы, которое поступает на НИ с выхода 7 генера- тора пилообразных импульсов ГПИ. На заднем фронте пилообразного импульса с выхо- да 2 ГПИ на выходной триггер Т поступает импульс (рис. 2.55, б), переключающий его в состояние 1. В этот момент напряжение на выходе 7 ГПИ начинает возрастать по прямой Um(t) до пересечения с кривой входного напряжения UJfy при напряжениях tfl, U2, и3. При этом срабатывает НИ, с которого на вход R триггера Т поступает импульс, переключающий его в состояние 0. Длительность импульса на выходе триггера Т пропорциональна величине напряжения в момент времени, когда ЦщО) = U^t), и равняется: при Uy — /и1; при U2 — tn2, при U$ — 1иу Фазоимпульсная последовательность импульсов поступает на ФИМ-выход с нуль-ин- дикатора НИ, если последний имеет импульсный выход. Детектирование ФИМ-последова- тельности может быть осуществлено после преобразования ее в ШИМ-последовательность. ШИМ- и ФИМ-последовательность может быть получена с помощью схемы рис. 2.55, в. Времяимпульсный преобразователь ВИП запускается генератором импульсов ГИ, который определяет интер- вал квантования Т моду- лирующего напряжения Ux(t). Выход ВИП являет- ся выходом ШИМ, а вы- ход одновибратора S — выходом ФИМ. Времяимпульсный преобразователь ВИП. Схе- ма такого преобразовате- ля (рис. 2.56) имеет гене- ратор тока ГТ на основе «токового зеркала» на транзисторах VT1 и VT2, конденсатор С, разрядный транзистор VT3, нуль-ин- дикатор НИ, триггер Т, а ГПИ в Выход ШИМ Рис. 2.55. Структурные схемы широтно- и фазоимпульсных модуляторов: а — схема модулятора с генератором пилообразных импульсов; б — временная диаграмма работы модулятора; в — схема модулятора с генератором тактовых импульсов Выход ФИМ 61
цСГ ’фи. Рис. 2.56. Принципиальная схема время- импульсного преобразователя формирователь коротких импульсов ФИ. При по- ступлении на вход пускового импульса триггер Т переключается в состояние 1, открывается тран- зистор VT4 и закрывается транзистор VT3. Кон- денсатор С заряжается током I с генератора ГТ до порогового напряжения, при котором срабатыва- ет нуль-индикатор НИ, возвращающий триггер Т в исходное состояние 0. С выхода триггера Т посту- пает запирающий потенциал на транзистор VT4, что в свою очередь приводит к открытию транзис- тора VT3 и разряду конденсатора С. Таким обра- зом, схема возвращается в первоначальное состо- яние и готова к действию. Частотно-импульсный модулятор на основе мультивибратора Роера. Такой преобразователь напряжения в частоту (рис. 2.57) используется в технике низких частот. Сердечник трансфор- матора Т выполняется из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 2.57, а). Начала обмоток трансформатора обозначены точками. Транзисторы VT1 и VT2 при подаче на вход напряжения Ux(t) попеременно открываются и закрываются как в мультивибраторе с емкостной связью. Пусть в на- чальный момент времени начинает открываться транзистор VT1. Через него протекает ток в обмотке w2, сердечник трансформатора Т перемагничивается. При этом в об- мотке wl наводится ЭДС, под действием которой протекает ток эмиттер-база транзи- стора VT1, и последний полностью открывается. В то же время ЭДС, наводимая в обмотке w3 запирает транзистор VT2. Процесс запирания Т2 и отпирания VT1 разви- вается лавинообразно и заканчивается полным открытием VT1 и закрытием VT2. По мере перемагничивания сердечника ЭДС, удерживающая транзистор VT1 в открытом состоянии, будет уменьшаться и транзистор VT1 начнет закрываться. Ток в обмотке w2 уменьшается, в обмотке w3 наводится ЭДС, отпирающая транзистор VT2. Теперь ток транзистора VT2 будет протекать через обмотку w4 (от конца к началу), перемагничивая сердечник трансформатора. Вновь развивается лавинообразный про- цесс, приводящий к закрытию транзистора VT1 и открытию транзистора VT2. На выходной обмотке трансформатора при перемагничивании сердечника возникает временная последовательность импульсов, близкая по форме к прямоугольным (рис. 2.57, б). Частота колебаний имеет линейную зависимость от входного напряжения т.е. муль- тивибратор Роера является частотно-импульсным модулятором колебаний. Рассмотренная схе- а б Рис. 2.57. Частотно-импульсный модулятор на основе мультивибратора Роера: а — принципиальная схема; б — временная диаграмма работы ма обеспечивает гальва- ническую развязку меж- ду входной и выходной цепями, что позволяет использовать ее в каче- стве датчика в высоко- вольтных цепях уст- ройств автоматики. Частотно-импульс- ный модулятор на интег- ральных схемах (ЧИМ). Такой модулятор широ- ко применяется для пре- образования напряже-
Рис. 2.58. Двухпороговый преобра- зователь напряжения в частоту: а — структурная схема; б — временная диаграмма работы t <&т *раз * mm ния в частоту импульсов. Существуют различные способы выполнения ЧИМ на мик- росхемах, обеспечивающие высокое качество измерения. Схема простейшего двухпорогового преобразователя напряжения в частоту приве- дена на рис. 2.58, а. Преобразователь содержит интегратор ИН, два пороговых устрой- ства ПУ1 и ПУ2, выходной триггер Т и коммутирующий элемент на транзисторе VT. Интегратор выполнен в соответствии со схемой рис. 2.39, б. Если на вход интегратора подать постоянное напряжение Ux, то на выходе напряжение будет возрастать линейно: ивьп =--------— ]uxdt = —Uxt. DoJA. j-ъ J А -w-ц А rCjCx о (2.9) Чем больше входное напряжение Ux, тем круче прямая и тем быстрее напряжение на выходе интегратора ИН достигнет порогового значения t/nl, при котором на выходе порогового устройства ПУ 1 появляется импульс, устанавливающий триггер Т в состоя- ние 1 (рис. 2.58, б). Транзистор VT при этом закрывается. Так как в интеграторе ИН использован операционный усилитель с инверсным входом, то напряжение на выходе интегратора снижается. Скорость его изменения определяется напряжением Ux или то- ком /]. В момент, когда напряжение на выходе ИН уменьшается до Ц12, при котором на выходе порогового устройства ПУ2 появится импульс, устанавливающий триггер Т в состояние 0. Транзистор VT открывается, конденсатор С заряжается в обратном направ- лении током /2. Крутизна изменения напряжения при этом должна быть намного боль- ше, чем в рабочем полупериоде, т.е. /2 »1\- Время снижения напряжения Г значитель- но меньше минимального периода импульсов 7\, Т2 и т.д. на выходе триггера Т, при этом частота импульсов про- порциональна входному напряжению Ux. При возрастании Ux (участок А—Б) увеличи- вается частота импульсов на выходе триггера, сни- жается их период, поэто- му Т2 < Гр Схема однопорогово- го преобразователя напря- жения в частоту приведена на рис. 2.59, а. Частотно-им- пульсный модулятор ЧИМ Рис. 2.59.0днопороговый преобразователь напряжения в частоту: а — структурная схема; б — временная диаграмма работы 63
содержит интегратор ИН на операционном усилители, пороговое устройство ПУ, одно- вибратор S, формирующий опорный импульс /оп и коммутирующее устройство на транзисторе VT. При подаче на вход постоянного напряжения Ux протекает ток /| заря- да конденсатора С. При достижении на входе интегратора напряжения Un (рис. 2.59, б) происходит срабатывание порогового устройства ПУ. Импульс с ПУ запускает одно- вибратор S, с выхода которого опорный импульс ?оп поступает на коммутирующий транзистор VT. При этом транзистор VT открывается, конденсатор С разряжается через него током /2- Длительность импульса /оп выбирается такой, чтобы конденсатор С, заря- женный током /] до максимального напряжения, успевал полностью разрядиться. Вы- ходной сигнал снимается с выхода одновибратора S. Частота импульсов на выходе /и пропорциональна входному напряжению Ux и зависит от емкости конденсатора С и порога срабатывания ПУ. Однако требуется иметь в схеме стабильный одновибратор для того, чтобы обеспечить /оп — const. 2.11. Преобразователи непрерывной величины в код В устройствах автоматики и телемеханики часто используются преобразователи непрерывной величины в код (кодоимпульсная модуляция КИМ). Исходная непрерыв- ная величина (ток, напряжение, частота вращения и т.д.) первоначально преобразуют- ся в аналог Ux(t) — напряжение, которое во времени изменяется по тому же закону, что контролируемая непрерывная величина. Затем электрический аналог преобразуется в код с помощью преобразователя «аналог-код» или «аналог-цифра» АЦП. Широтно-импульсный АЦП (рис.2.60, а). С помощью широтно-импульсного модуля- тора ШИМ аналог контролируемой величины Ux(t) преобразуется в импульсы, ширина (длительность /], /2) которых пропорциональна аналогу Ux(t) (рис. 2.60, б). Эти импульсы с выхода ШИМ поступают на генератор импульсов ГИ, который запускается и выраба- тывает импульсы со стабильной частотой в течение всей длительности импульса с выхода ШИМ. Число импульсов ГИ, которое уложится в каждом импульсе с ШИМ, будет пропорционально его длительности (/ls ?2 и т.д.), а следовательно, контролируемой величине. Счетчик импульсов фиксирует их число в заданной системе счета (двоичной, двоично-десятичной, десятичной и т.п.). На диаграмме (рис. 2.60, б) видно: за время на счетчик прошло два импульса и на его выходе возникла комбинация 0010, соответствую- щая двоичной двойке; за время /2 — прошло пять импульсов и появилась комбинация 0101, соответствующая двоичной пятерке. Эти комбинации записываются в ячейках па- ЛйПБ Сброс Пуск ги Сброс ЛЗ Регистр ' (память) Запись1""! | J Счетчик импульсов с основанием т б Выход параллельного кода Рис. 2.60. Преобразователь аналог-код с широтно-импульсным модулятором: а — структурная схема; б — временная диаграмма работы
УЖ) bill Лii П Сброс Счетчик импульсов с основанием т U£f) ЧИМ /1 =const Пуск Пуск ЛЗ Выход кода П реоб разователь " параллельного кода в после- довательный оТ J Выход последо- __I нательного кода ЧИМ ГИ Вход— счетчики О Ц! I I I 10 10 I 10 10 4— I Ц) Кодовая комбинация " I 11111III1II1II11....11 а к а У к 7 Рис. 2.61. Преобразователь аналог-код с частотно-импульсным модулятором: а — структурная схема; б — временная диаграмма работы мяти регистра, где хранятся до очередного отсчета. Сброс записанной в регистре инфор- мации происходит на заднем фронте импульса с инверсного выхода ШИМ через линию задержки ЛЗ на выход 1. С выхода 2 ЛЗ подается разрешение на запись в регистре новой кодовой комбинации, после чего с выхода 3 ЛЗ на счетчик поступает импульс сброса. Таким образом, к началу нового импульса, формируемого ШИМ, счетчик находится в нулевой позиции (на выходе комбинация 0000). Схема вновь готова к действию. Частотно-импульсный АЦП (рис. 2.61, а). Аналог контролируемой величины Ux(f) с помощью частотно-импульсного модулятора ЧИМ преобразуется в импульсы, часто- та которых пропорциональна UX(J). Эти импульсы через ключ К, в качестве которого используется логическая схема И, подаются на счетчик в течение времени tj, когда на вход 2 ключа К поступает калиброванный импульс с генератора импульсов ГИ дли- тельностью Чем больше напряжение Ux(fy, тем больше частота импульсов на выходе ЧИМ, тем большее их число поступит за время /| на счетчик. С выхода счетчика кодовая комбинация поступает на преобразователь параллель- ного кода в последовательный для поочередной передачи элементов кода в линию свя- зи. По окончании передачи, когда преобразователь устанавливается в положение 0, с его выхода через линию задержки ЛЗ (выход 7) подается на счетчик импульсов команда «сброс». После этого с выхода 2ЛЗ на генератор ГИ поступает пусковой импульс. Про- цесс преобразования аналога Ux(f) в кодовую комбинацию повторяется. 2.12. Устройства хранения и преобразования кодированной информации Для хранения информации в виде многоразрядных двоичных чисел (двоичного кода) служит регистр. В отличие от постоянных запоминающих устройств долговремен- ной памяти в регистрах осуществляется кратковременное запоминание (регистрация) информации на период одного или нескольких циклов работы всей системы. Запоминающими элементами регистра, количество которых равно количеству раз- рядов двоичного числа, служат триггеры. Обычно регистры выполняют на основе RS-, D-, JK-триггеров. Для выполнения вспомогательных операций: ввода в регистр или вывода из него хранимого числа, преобразования кода двоичного числа, сдвига числа на определенное число разрядов влево или вправо применяют комбинированные схемы на основе логических элементов. Регистр сдвига предназначен для хранения и поразрядного сдвига (вправо, влево) хранящихся в нем чисел путем подачи импульсов на шину сдвига ШС. 5-6086 65
Рис. 2.62. Регистры сдвига на D-триггерах: а — четырехразрядный; б — трехразрядный реверсивный На рис. 2.62, а приведен ре- гистр сдвига, выполненный на D- триггерах. Количество триггеров в регистре соответствует числу разря- дов. Каждый триггер служит для хра- нения кода одного разряда запоми- наемого двоичного числа. В рассмат- риваемом случае регистр предназ- начен для хранения четырехразряд- ного двоичного числа. Выход Q каж- дого предыдущего триггера объеди- няют с входом D последующего Информация в виде последователь- ного кода поступает на выход L первого триггера, начиная с низ- шего разряда кода. Синхронизирующие входы С триггеров, подключенные к шине сдви- га ШС, используются для перемещения записанного числового кода вправо. Предста вим, что в регистр сдвига необходимо записать число 1011. На вход триггера Т1 посту пает сигнал 1, соответствующий единице низшего разряда. В триггере Т1 записывается 5 На вход С триггеров поступает тактовый импульс с шины сдвига, который перемещае 1 в триггер Т2. В триггер Т1 на вход D поступает сигнал 1 второго разряда числа записывается в нем. После очередного тактового импульса на шине сдвига единит переходят с триггера Т2 в триггер ТЗ, а с триггера Т1 в триггер Т2. На вход D триггер Т1 поступает и записывается в нем сигнал 0. Следующий тактовый импульс перемещае единицы из триггеров Т2 и ТЗ в триггеры ТЗ и Т4, а нуль — в триггер Т2. На вхс триггера Т1 поступает единица четвертого разряда. Таким образом, число полность вводится в регистр после тактового импульса, на выходах Q2, Q2, Q4 появляетс сигнал 1011 и при каждом тактовом импульсе двоичная комбинация, включая сигне на входе регистра, перемещается вправо. Если переключить связи между разрядами так, чтобы выход Q каждого высше разряда связать со входом D-триггера ближайшего низшего разряда, то при поступл нии тактового импульса число будет перемещаться влево. Направление сдвига можно менять сигналами, подаваемыми на шины прямого сдви ПС и обратного сдвига ОС, которые подключаются с помощью логических схем И-НЕ триггерам (рис. 2.62, 6). Выход Q каждого триггера (кроме первого) связан с логическ схемой И на входе предыдущего для обеспечения обратного сдвига кодовой комбинац при подаче тактовых импульсов на шину ОС. Таким образом, представленный на рис. 2.62 регистр сдвига является реверсивным трехразрядным. Информация, записанная в регист в виде двоичного числа, выводится из него через выходы Q[, Q2, Q2 триггеров. Регистры сдвига используются для выполнения математических и логических 01 раций над числовыми кодовыми комбинациями. Преобразователь последовательного кода в параллельный и обратно с регистром сдв (рис. 2.63) выполнен на трех D-триггерах. Количество триггеров соответствует чи разрядов регистра. Кроме триггеров в схему преобразователя входят элементы ввод вывода информации на логических схемах И и И-НЕ. Предварительно триггеры устанавливаются в нулевое состояние. Число, кото необходимо ввести в регистр преобразователя, подается в параллельном коде на е ды Хр х2, х3 логических элементов LI, L3, L5. После этого на шину ввода паралле ного кода С2 поступает сигнал 1, кодовая комбинация записывается в триггера: Подавая затем на шину сдвига С1 тактовые импульсы, можно с выхода Q тригп последнего разряда последовательно вывести кодовую комбинацию из регистра. 66
Преобразование пос- ледовательного кода, эле- менты которого поступают на вход D первого тригге- ра, осуществляется после ввода кодовой комбинации в регистр путем сдвига ее элементов тактовыми им- пульсами, поступающими на шину сдвига С1. Вывод информации в виде парал- лельного кода осуществля- ется через выходы У|, у2, уз логических схем L7, L8, L9 при подаче сигнала 1 на шину вывода параллельно- го кода СЗ. Преобразователи ко- дов с распределителями им- Выходы параллельного кода ' >1 Ут Ут Входы параллельного кода Рис. 2.63. Преобразователь последовательного кода в параллельный и обратно пульсов используются двух видов: мультиплексор — преобразователь параллельного кода в последовательный; демультиплексор — преобразователь последовательного кода в параллельный. Мультиплексор (рис. 2.64, а) содержит распределитель импульсов (регистр сдвига единицы RG1 —>), логические элементы И (LI — L7V) и выходной элемент ИЛИ (L). Входы 7 элементов LI — L7V подключены к выходам распределителя, а на входы 2 подаются сигналы параллельного кода. Распределитель RG1 —> переключается импуль- сами G генератора тактовых импульсов и поочередно подает сигнал 1 на логические элементы LI — LTV. Если на вход 2 в этот момент поступает 1 параллельного кода, то на выходе элемента появляется сигнал 1, который через элемент ИЛИ (L) проходит на выход последовательного кода. Предположим, что на входы Х|, х2, х2, хп поступила кодовая комбинация 1101 (рис. 2.64, б). В момент нахождения распределителя RG1 -> в позиции 1 на входы логичес- кого элемента L1 поступают сигналы 1 и на выходе логического элемента L также будет сигнал 1. При переключении распределителя в позицию 2 на входах логического элемента L2 также совпадают сигналы 1 и на выход логического элемента L проходит сигнал 1. В позиции 3 распределителя на вход 7 логического элемента L3 поступает сигнал 1, а на вход 2 — 0, поэтому на выходе логического элемента L будет 0. В позиции п распределителя Рис. 2.64. Мультиплексор: а — функциональная схе- ма; б — временная диаг- рамма работы RGI Выход п от ГТ И последова- тельного кода Входы параллель- ного кода 3 ь 0 о 2/ ГТИ(С) I 5 Is L2 J X L3 со S — ____LN Выход L й о о Разделительные паузы 67
RG Синхронные тактовые импульсы 13 2 и Вход последова- тельного кода 3 со Рис. 2.65. Функциональная схема демультиплексора — п L7V L2 на входах 1 и 2 логического элемента L/V совпадают сигналы 1 и на выходе будет сигнал 1. В результате на выходе мультиплексора будет комбинация 1101 пос- ледовательного кода. Для создания разделительных пауз между элементами последовательного кода необходимо в выходной элемент ИЛИ ввести дополнительный вход Б, который образует с другими входами схему И. На этот вход сигнал 1 подается от ГТИ только во время импульса, а во время паузы — сигнал 0, схема логического элемента L в течение времени, соответ- ствующего паузе, будет закрыта. Демультиплексор (рис. 2.65) содержит распре- делитель импульсов RG1 логические элементы И (LI — L7V) и регистр RG, имеющий на каждый эле- мент кода ячейку памяти. Пусть на вход последова- тельного кода поступает кодовая комбинация 1101. Первый сигнал 1 проходит на входы 2 элементов LI—LN, распределитель RG1 —> находится в позиции 1, на его выходе 1 будет сигнал 1, следовательно, на выходе элемента L1 будет сигнал 1. Этот сигнал записывается в устройстве памяти RG. Второй сигнал 1 поступает на вход последова- тельного кода при переключении распределителя RG1 —> во вторую позицию и анало- гично первому записывается во второй ячейке памяти регистра RG. В позиции 3 RG1 —> на вход последовательного кода и в запоминающее устройство поступает сигнал 0, а в позиции п RG1 -> — сигнал 1. В данной схеме распределитель импульсов должен переключаться одновременно с поступающей кодовой комбинацией, т.е. в течение первого сигнала кодовой серии он должен находиться в позиции 1, в течение второго — в позиции 2 и т.д. Для выполнения этого требования демультиплексор дополняется специальными схемами синхронизации. Преобразование последовательного кода в параллельный и обратно с помощью распределителей импульсов находит широкое применение в устройствах телемеханики. 2.13. Устройства ввода и вывода информации В электронных системах автоматики и телемеханики для ввода первичной и выво- да переработанной информации применяются специальные устройства. С их помощью осуществляется согласование и гальваническая развязка (изоляция) высоковольтных и сильноточных цепей управления оборудованием, линий связи и слаботочных цепей электронных схем. Важнейшей функцией устройств ввода и вывода информации явля- ется также предотвращение проникновения внешних помех в электронные схемы. Та- кие помехи, возникающие при переключении коммутационных аппаратов, носят им- пульсный характер. Они могут проникать через входные и выходные устройства в элек- тронные схемы, вызывая сбои в работе и даже повреждения отдельных элементов. Как во входных, так и в выходных узлах передачи информации в 1 бит часто ис- пользуют слаботочные электромеханические реле, обеспечивающие идеальную гальва- ническую развязку цепей. Магнитные и емкостные связи между входом и выходом реле (между катушкой и контактами) практически отсутствуют, что исключает возможность проникновения помех. Однако электромеханические реле громоздки, малонадежны, об- ладают недостаточным быстродействием. Во входных цепях наиболее целесообразно при- менять безъякорные реле с герметизированными контактами (герконы). Для выходных цепей применяются более мощные реле с допустимыми токами через контакты 5-10А. Оптроны — оптоэлектронные полупроводниковые приборы, которые широко ис- пользуются в устройствах автоматики и телемеханики для гальванической развязки. Оптроны содержат источник и приемник светового излучения, которые оптически и
конструктивно связаны между собой. В качестве источников света часто используют светодиоды, а в качестве фотоприем- Рис. 2.66. Оптроны с фотоприемниками на основе: а — фоторезисторов; б — фотодиодов; в — фототранзисторов; г — ников: фоторезисторы (рис. 2.66, а), фотодиоды (рис. 2.66, 6), фототран- зисторы (рис. 2.66, в) и фототиристоры (рис. 2.66, тотиристоров г). Сигналы, получаемые с выхода таких фотоприемников, достаточно слабы и не могут быть использованы для непосредственного управления, например, логическими элементами, поэтому на их выходе необходимо применять до- полнительные усилители. Схема оптрона с усилителем представлена на рис. 2.67. При отпирании транзисто- ра VT1 в цепи светодиода протекает ток. Светодиод освещает фотодиод, обратное со- противление которого резко снижается, в результате чего переход база-эмиттер транзи- стора VT2 оказывается шунтированным и он закрывается. При этом дешунтируется пе- реход база-эмитгер транзистора VT3, который в свою очередь открывается. Потенциал на выходе меняется с +24В на —24В. Выходные тиристорные элементы применяются в схемах управления высоковольт- ными выключателями. Для гальванической развязки в них используется тиристорный оптрон VU (рис.2.68, а) или герконовое реле К (рис.2.68, б). Эти тиристорные элемен- ты обладают низкой помехоустойчивостью и могут ложно срабатывать от помех. Для повышения помехоустойчивости на выходе тиристора включается LC-контур, который, с одной стороны, препятствует проникновению внешних помех на тиристор, с другой — запирает ложно открывшийся тиристор на обратной полуволне колебательного процес- са LC-контура. Если помеха достаточно продолжительна, тиристор вновь откроется и снова закроется. Такой процесс может продолжаться 5—10 мс. Если помеха или сигнал превышают это время, то тиристор сможет включиться окончательно. Практически в цепях управления высоковольтными выключателями помех такой длительности не бы- вает, ложные включения тиристоров маловероятны. Длительность же управляющего импульса тиристора должна быть больше длительности переходного процесса. Допол- нительная емкость конденсатора Сд является малым сопротивлением, шунтирующим тиристор и защищающим его от помех. При отпирании тиристора конденсатор Сд раз- ряжается через него. Стабилитрон VD3 ограничивает напряжение на тиристорном оптроне (рис. 2.68. а) и контакте К геркона (рис. 2.68, б), конденсаторы Cl, С2, СЗ защищают тиристоры VD4 и цепи оптрона VU от кратковременных помех. Выходные устройства отображения информации служат для выведения полученной информации о состоянии контролиру- емых объектов («Включено», «Отключено»), исправной работе устройств или возникновении отдельных нарушений. В устройствах телемеханики «Лиена» используются магнитотиратрон ные сигнальные ячейки двух типов: для однопозиционных и двухпозиционных сигналов. В однопозиционных сигнальных ячейках сердечник маг- нитного элемента Т выполнен из пермаллоя с прямоуголь- ной петлей гистерезиса. На сердечнике расположены четыре обмотки: записи w3, считывания wC4, сброса wc6 и выход- ная wB (рис. 2.69, а). К выходной обмотке подключен сиг- нальный тиратрон VL через схему формирования управляю- щего импульса. В начале цикла приема телесигнализации в +24B Рис. 2.67. Принципиальная схе- ма оптрона с усилителем 69
Рис. 2.68. Выходные тиристорные элементы на основе: а — тиристорного оптрона; б — герконового реле обмотку сброса wc6 поступает импульс, перемагничивающий сердечник в состояние О (рис. 2.69, б). При наличии соответствующего однопозиционного сообщения (например, аварийное состояние, неисправность, срабатывание защиты и т.д.) устройство телесигна- лизации выдает импульс в обмотку записи w3, в результате чего сердечник перемагничива- ется в состояние 1. В конце цикла приема информации после проверки правильности при- ема осуществляется считывание информации. Считывающий импульс поступает в обмотку wC4, при этом сердечник трансформатора Т перемагничивается в состояние 0, а на его выходной обмотке wB появляется импульс. Этот импульс через интегрирующую цепочку R1-C1 и конденсатор С2 поступает на управляющий электрод (сетку) тиратрона. При этом тиратрон VL зажигается. Цепочка R1-C1 повышает помехоустойчивость и вместе с конден- сатором С2 формирует на сетке тиратрона импульс Uc (рис. 2.69, б) необходимой формы. Диод VD2 создает шунтирующую цепочку для импульсов обратной полярности, которые могут возникать в выходной обмотке wB при записи информации. Горение тиратрона в течение цикла телесигнализации поддерживается напряжением питания НО В, которое отключается в конце каждого цикла, что приводит к гашению тиратрона. В двухпозиционных сигнальных ячейках применяют трансформаторы Т1 и Т2 (рис. 2.70) для записи информации. На одном трансформаторе Т1 записывается 1 при включенном, на другом трансформаторе Т2 — при отключенном объекте. Модуль содержит квитирую- щий ключ SA, через контакт 1 которого при считывании информации с сердечника транс- форматора Т1 импульс с обмотки выхода wB поступает на управляющий электрод тиратро- на VL только при отключенном состоянии объекта (ключ включен — объект отключен). Через контакт 2 ключа SA (ключ отключен) импульс поступает на тиратрон с обмотки wB трансформатора Т2, на сердечнике которого записывается 1 при включенном объекте. I I I I I Рис. 2.69. Однопозиционная сигнальная ячейка: а — принципиальная схема; б — временная диаграмма работы 70
Схема работает следующим образом. В нача- ле цикла телесигнализации импульс, поступаю- щий в обмотки сброса wc6, устанавливает транс- форматор Т1 в состояние О, Т2 — в состояние 1. При приеме сообщения «Включено» импульс в обмотки записи w3 трансформаторов не поступа- ет и состояние трансформаторов сохраняется. При считывании информации импульс возникает в об- мотке wB трансформатора Т2, но так как кон- такт 2 ключа SA разомкнут, то он не поступит на управляющую сетку тиратрона VL, который не загорится. Схема выполнена таким образом, что импульс с обмотки wB поступает через замкну- тый контакт ключа SA на сетку тиратрона только Рис. 2.70. Схема двухпозиционной сигнальной ячейки при положении головки ключа, не соответствую- щем положению объекта. Обычно положение ключей на мнемонической схеме щита теле- сигнализации соответствует состоянию объектов, тиратроны сигнальных ячеек при этом не горят. При отключении объекта, если его ключ остается во включенном состоянии, тиратрон загорается. То же происходит при включении объекта, если ключ отключен. При необходимо- сти диспетчер квитирует ключ, то есть переводит его в положение соответствия объекту. После этого тиратрон в конце цикла гасится и на следующем цикле не горит. а + 12 В Цикл 2 Цикл 1 Цикл 3 Т1(Я) ТЦЛ) Т2(С) Рис. 2.71. Сигнальная ячейка на D-триггерах: а — схема двухпозиционной ячейки; б — временная диаграм- ма работы; в — схема сигналь- ного блока однопозиционной ячейки Т1(<2) Т2(О) Т2(0 VT1 !S fssssszfsszt Т I т I ! г X 71
В схемах (рис. 2.69, 2.70) конденсатор С2 обеспечивает гальваническую развязку цепей, а делитель напряжения R2—R3 создает необходимое небольшое смещение на- пряжения управляющего электрода, а резистор R4 ограничивает ток тиратрона. В устройствах телемеханики МСТ-95 сигнальные ячейки выполняются на двух D-триггерах (рис. 2.71, а). Первый триггер Т1 принимает текущую информацию, второй триггер Т2 — хранит данные, принятые в предыдущей серии. Перезапись информации из триггера Т1 в триггер Т2 осуществляется по сигналу «Считывание» (рис. 2.71, б). Сигнал «Сброс» приводит к переключению триггера Т1 в состояние 0 (на выходе Q — 0, на выходе Q — 1). Сигнал на вход ячейки поступает только при отключенном состоянии объекта. Через оптрон U сигнал «Запись» проходит на вход 5 триггера Т1, который пере- ключается в состояние 1 (на выходе Q — 1, на выходе Q — 0). Сигнал 0 с выхода Q триггера Т1 поступает на вход D, запрещая его переключение при сигнале «Считыва- ние», поступающем на вход С триггера Т2. С выходов Q и Q сигналы поступают на базы транзисторов VT1 и VT2. При подключе- нии контакта ключа к открытому транзистору светодиод HL начинает светиться. При поворо- те головки ключа его контакт подключается к коллектору закрытого транзистора, светодиод при этом гаснет. Соответствие положения ключа и состояния объекта восстанавливается. При отсутствии сигнала «Запись» на входе триггер Т1 остается в состоянии 0 (цикл 2), разрешая переключение триггера Т2 в состояние 1. На выходах Q и Q триггера Т2 сигналы меняются, транзисторы VT1 и VT2 при этом переключаются. В зависимости от состояния ключа SA сигнальный светодиод переключается (горит при несоответствии положения ключа состоянию объекта, гаснет при соответствии). В цикле 3 на входе вновь появляется сигнал в момент «Запись», что приводит к переключению триггера Т2 и транзисторов VT1 и VT2. В однопозиционных сигнальных блоках (рис. 2.71, в) сигнальный ключ отсутству- ет, и светодиод HL подключается только к одному транзистору VT2. При отсутствии входного импульса транзистор VT2 остается закрытым и светодиод HL не горит. При возникновении режима работы, о котором должен сигнализировать светодиод, на вход оптрона U поступает импульс, что при считывании информации приводит к отпира- нию транзистора VT2 и зажиганию светодиода HL.
Глава 3 АВТОМАТИКА ПИТАЮЩИХ ЛИНИЙ И ФИДЕРОВ НЕТЯГОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ 3.1. Устройства автоматического повторного ключения Назначение устройств и основные требования. Значительная часть коротких замыка- ний на воздушных линиях (ВЛ) электропередачи, вызванных схлестыванием проводов, перекрытием изоляции, срабатыванием разрядников и другими причинами, самоуст- раняется после снятия напряжения с линии. При этом электрическая дуга, возникшая в месте повреждения, гаснет, не успевая вызвать существенных разрушений. Такие са- моустраняющиеся повреждения называются неустойчивыми и составляют 50—90 % от общего количества повреждений. Реже на ВЛ возникают устойчивые повреждения (обрыв проводов или гирлянд изоляторов, падение или поломка опор и т.д.), которые не могут самоустраниться пос- ле отключения напряжения, поэтому их называют устойчивыми. При повторном вклю- чении линии, на которой произошло устойчивое повреждение, возникает короткое замыкание (КЗ), и она вновь отключается защитой. При неустойчивом повреждении линия может быть введена в работу сразу после отключения. Для уменьшения времени перерыва электроснабжения потребителей и уско- рения включения линии широко используются специальные устройства автоматическо- го повторного включения (АПВ), время действия которого не превышает нескольких се- кунд. АПВ восстанавливает нормальную схему сети также и в тех случаях, когда отключе- ние происходит вследствие ошибок персонала или ложного действия релейной защиты. Как показывает опыт эксплуатации, успешность действия АПВ на ВЛ достигает 60—80 %. Наиболее эффективно применение АПВ на линиях с односторонним питанием, так как в этих случаях каждое успешное действие АПВ восстанавливает питание потре- бителей и предотвращает аварию. В ряде случаев АПВ используется на кабельных и смешанных кабельно-воздушных линиях 6—10 кВ. Несмотря на то, что повреждения кабелей бывают, как правило, устойчивыми, успешность АПВ составляет 40—60 %. Это объясняется тем, что АПВ вос- станавливает питание потребителей при отключении линий вследствие перегрузок, не- селективных или ложных действиях релейной защиты, а также при неустойчивых по- вреждениях на шинах подстанций. В эксплуатации получили применение следующие виды устройств АПВ: трехфаз- ные (ТАПВ), осуществляющие включение трех фаз выключателя после их отключения релейной защитой; однофазные (ОАПВ), осуществляющие включение одной фазы вык- лючателя, отключившейся при однофазном КЗ; комбинированные, осуществляющие включение трех фаз выключателя (при междуфазных повреждениях) или одной фазы (при однофазных КЗ). По числу циклов (кратности действия) различают АПВ однократного и мно- гократного действия, однако эффективность второго и последующих повторных включений очень низка. 73
По способу воздействия на привод высоковольтного выключателя устройства АП В делятся на: электрические, выполненные с помощью релейных схем; механические, встро- енные в грузовые или пружинные приводы. Хотя устройства АПВ могут значительно отличаться друг от друга, все они должны удовлетворять следующим требованиям: приходить в действие при аварийном отключе- нии выключателя и не срабатывать при его оперативном отключении; выполнять необ- ходимое число повторных включений (действовать с заданной кратностью) с соответ- ствующими выдержками времени; исключать возможность многократных включений выключателя на устойчивое короткое замыкание (не более заданной кратности); время действия АПВ должно быть минимальным для обеспечения быстрой подачи напряже- ния потребителям и восстановления нормального режима работы; после успешного повторного включения выключателя линии в работу устройство АПВ должно автомати- чески возвращаться в положение готовности к новому действию. Для обеспечения правильной работы АПВ выдержка времени на повторное вклю- чение выключателя и время автоматического возврата устройства АПВ в исходное поло- жение выбирают по определенным условиям. Повторное включение отключившегося выключателя линии становится возмож- ным после перехода привода в положение готовности для включения, т.е. ^1АПВ - ^гп + ^зап’ (3-1) где /гп — время готовности привода, которое может изменяться в пределах 0,2—1с для приводов разных типов; — время запаса, учитывающее непостоянство /гп и погрешность действия АПВ, равное 0,3—0,5 с. АПВ будет успешным, если в месте повреждения линии после снятия с нее напря- жения восстановятся изоляционные свойства воздуха, т.е. закончится процесс деиони- зации. Следовательно, выдержка времени АПВ на повторное включение должна быть больше времени деионизации воздуха ^1АПВ - (зап ’ (3.2) где /_ — время деионизации, составляющее 0,1—0,3 с; — время запаса, принимаемое 0,3-0,5 с. Выдержка времени АПВ принимается равной большему значению ^дпв- Время автоматического возврата устройства АПВ в положение готовности к ново- му действию для линий с односторонним питанием определяется условием ^2АПВ - (защ + (откл + (зап» (3.3) где Уча,,, — наибольшая выдержка времени защиты; /откл — время отключения выключателя. В рассматриваемых далее схемах АПВ с использованием комплексных устройств типа РПВ-58 время возврата устройств АПВ в положение готовности АП В составляет 15—20 с, что определяется временем заряда конденсатора. Как правило, это удовлетво- ряет условию (3.3). Для выполнения требования к устройствам АПВ приходить в действие при аварий- ном отключении выключателя и не срабатывать при оперативном отключении в цепях управления и автоматики используются универсальные переключатели и специальные ключи управления или релейные схемы, фиксирующие команды оперативного вклю- чения и отключения выключателей. Переключатели и ключи управления. Они применяются для управления комму- тационными аппаратами и переключения различных цепей. При подаче команды переключатель переводится из одного положения в другое поворотом рукоятки на некоторый угол. Отдельные типы переключателей выполняются таким образом, что- 74
+ контакты замкнуты — контакты разомкнуты SA Рис. 3.1. Переключатель управления коммутационными аппаратами: а — конструкция; б — таблица работы; в — условное графическое изображение бы операции могли производиться в два приема для предотвращения ошибок при операциях переключения. Широкое распространение получили переключатели се- рий ПМО (переключатель малогабаритный общепромышленного назначения) и УП (универсальный переключатель). Переключатели УП (рис. 3.1, а) и ПМО состоят из набора пакетов (секций), насаженных на общий вал. Каждая секция состоит из изолирующей перегородки, не- подвижного и двух подвижных контактов, кулачковых шайб, с помощью которых при повороте рукоятки производится замыкание или размыкание контактов. Переключатель УП имеет четыре положения, соответствующие операциям «Включить», «Включено», «Отключить», «Отключено». Операция «Включить» выполняется поворотом рукоятки на 45° вправо, а «Отключить» — на 45° влево. В обоих случаях после выполнения опера- ции и отпускания рукоятки переключатель устанавливается в исходное положение под действием возвратной пружины. Переключатель имеет оперативные и сигнальные контакты. Оперативные кон- такты 13—14 и 15—16 замыкаются кратковременно при повороте рукоятки на от- ключение, а контакты 9—10 и 11 — 12 — на включение. На рис. 3.1, б приведена таблица замыкания и размыкания контактов при разных операциях. Графическое условное изображение универсального переключателя УП показано на рис. 3.1, в. Положения переключателя обозначены следующим образом: 01 — отключить, 02 — отключено, В1 — включить, В2 — включено; замкнутое состояние контактов обозна- чено точкой на пунктирной линии. Из рис. 3.1, би 3.1, в видно, что оперативные контакты замкнуты только при повернутой рукоятке и размыкаются после возврата ее в исходное состояние, сиг- нальные контакты после возврата рукоятки в исходное состояние остаются замкну- тыми или разомкнутыми. Контакты 1—2 и 3—4 фиксируют включенное состояние, замыкаются при вклю- чении и остаются замкнутыми, пока ключ управления находится во включенном состо- янии. Контакты 5—6 фиксируют отключенное состояние ключа, а контакты 7—8 раз- мыкаются только на время включения и отключения, т.е. рукоятка ключа повернута. Фиксация команд включения и отключения (рис. 3.2). Эта фиксация осуществляется с помощью релейной схемы при кнопочном управлении выключателями. При нажатии кнопки включения замыкается ее контакт SBC и получает питание реле включения 75
Цепи реле включения и отключения Реле фиксации командных импульсов Цепи включения и отключения Рис. 3.2. Релейная схема фиксации команд управления КСС, которое замыкает цепь обмотки включения реле фиксации KQQ. В качестве реле фиксации используются двухпозици- онные реле типов РП8 и РП11, имеющие два электромагнита, между которыми рас- положен якорь, связанный с контактной системой. При протекании тока по обмот- ке включения реле якорь переходит во включенное положение, вспомогательные контакты KQQ размыкают цепь обмотки включения, замыкают цепь обмотки отклю- чения, подготавливая реле фиксации к от- ключению. Обмотки электромагнитов реле не рассчитаны на длительное прохождение тока и поэтому включаются вспомогатель- ными контактами только на время, необ- ходимое для действия реле. Реле включения КСС замыкает при этом также цепь включе- ния выключателя. При нажатии кнопки отключения SBT получает питание реле отключения КСТ, которое замыкает цепь отключения выключателя и одновременно подает ток в обмотку отключения реле фиксации KQQ, которое возвращается в исходное состояние, при этом цепь обмотки отключения размыкается вспомогательным контактом. Таким образом, при включенном выключателе положение реле фиксации всегда соответствует положению выключателя. При отключенном же выключателе такое соот- ветствие имеет место только при оперативном отключении выключателя кнопкой SBT. При отключении выключателя под действием релейной защиты реле фиксации остает- ся в положении «Включено», благодаря чему возникает несоответствие между положе- ниями выключателя и реле фиксации, используемое для пуска АПВ. После успешного повторного включения выключателя восстанавливается соответствие положений вык- лючателя и реле фиксации. Схема АПВ фидера потребителей 6 и 10 кВ (рис. 3.3). Схема состоит из цепей управ- ления (7—2)—(7— б), защиты (9— 6)—{21— 10), автоматики (23—12)—(39—26), сигнали- зации (41—28)—{45—34). Оперативное включение выключателя осуществляется поворотом ключа управле- ния SA и замыкания его контактами 9—10 цепи (3—2) или замыканием цепи (5—2) контактами реле включения по телеуправлению КСС при включенном ключе телеуп- равления SA1. При этом получает питание катушка контактора включения масляного вык- лючателя КМ. Контактор замыкает своими контактами цепь катушки включения выключа- теля YAC. Включившись, выключатель своим контактом Q размыкает цепь 1—2 (5—2) и замыкает цепь 1—6. Контактор КМ и повторительное реле отключенного положения выключателя KQT теряют питание, а повторительное реле включенного положения выключателя KQC получает питание по цепи 1—6. Реле KQT размыкает своими контак- тами цепь 43—32 зеленой лампы HLG, которая гаснет; реле KQC замыкает цепь 35—26 реле фиксации автоматического отключения выключателя KQQ. Реле KQQ возбуждает- ся и замыкает свои контакты в цепях: 23—14 (начинается заряд конденсатора С через резистор R2), 37—26 (реле KQQ становится на самоподпитку, так как контакты 1—2 ключа SA замкнуты, фиксируя его включенное положение), 30—32 (готовится цепь подключения лампы HLG к шине мигания (+)ЕР), 45—34 (готовится цепь питания шины аварийной сигнализации ЕНА от шины +ЕС). Контакт KQQ в цепи 43—32 раз- мыкается, благодаря чему при автоматическом отключении выключателя лампа HLG отключена от шины +110 В и получает пульсирующее напряжение от шины (+)ЕР. 76
a Рис. 3.3. Схема АПВ фидера потребителей 6 и 10 кВ: а — схема питающей линии; б — схема вторичной коммутации линии Автоматическое отключение выключателя линии при КЗ и перегрузках осуществ- ляют токовая отсечка (ТО) и максимальная токовая защита (МТЗ). Реле токовой отсеч- ки KAI, КА2 и реле максимальной токовой защиты КАЗ, КА4 (рис. 3.3) подключены ко вторичным обмоткам трансформаторов тока ТАа и ТАС. При коротком замыкании на линии реле токовой отсечки КА1 и КА2 замыкают цепи 15—8 или 17— 8 промежуточ- ного реле отсечки KL, которое в свою очередь замыкает цепь 13—6 катушки отключе- ния выключателя YAT через обмотку указательного реле отсечки КН2. В результате вык- лючатель Q линии отключается. Токовые реле МТЗ КАЗ и КА4 срабатывают при перегрузке линии или удаленном коротком замыкании (в мертвой зоне ТО). Они замыкают цепи 19—10 или 21—10 реле времени МТЗ КТ, которое с выдержкой времени замыкает цепь 9—6 катушки отключения через обмотку указательного реле МТЗ КН 1, в результате чего выключатель Q отключается. Автоматическое повторное включение выключателя осуществляет устройство РПВ-58. При отключении выключателя релейной защитой замыкается в цепи 1—2 контакт Q, по- вторительное реле KQT получает питание, его контакт замыкает цепь 25—14 реле времени КТ1 устройства РПВ-58. Контакт реле фиксации KQQ в этой цепи остается замкнутым 77
после отключения выключателя релейной защитой, т.к. ключ SA включен, его контак- ты 1—2 в цепи 37—26 катушки KQQ замкнуты. Через эти же контакты по цепи 37—24 получает питание счетчик аварийных отключений выключателя РС при замыкании кон- тактов повторительного реле KQC после размыкания цепи 1 —6 контактом Q и прекра- щения питания обмотки KQC. Реле времени КТ1 с замедлением замыкает свой контакт в цепи 29—18, конденсатор С разряжается через контакт КТ1 на шунтовую обмотку двухобмоточного реле KL1 по цепи: С—КТ1—KL1—С. Контакт реле KL1 замыкает цепь 23—2 (23— KL1— KL1—КНЗ—SX—KBS—Q—КМ—2) контактора КМ включения вык- лючателя, который в свою очередь замыкает цепь катушки включения выключателя YAC, выключатель включается. После включения выключателя цепи 23—2 и /—2размыкаются контактом выклю- чателя Q, катушки реле KL1 и KQT в этих цепях обесточиваются и размыкают своими контактами цепи 23—2 и 25—14. Реле времени КТ1 теряет питание и размыкает свой контакт в цепи 29—18, после чего начинается заряд конденсатора С, подготовка уст- ройства РПВ-58 к новому повторному включению. Время заряда конденсатора С состав- ляет 15—20 с. Если в течение этого времени выключатель вновь отключится, то повтор- ного включения его не произойдет, т.к. импульс разряда конденсатора на обмотку KLI будет недостаточно мощным для включения реле KL1. Таким образом обеспечивается однократность АПВ. Ускорение действия МТЗ после оперативного или автоматического включения вык- лючателя на КЗ обеспечивается замыканием цепи 11—6 контактом КТ без выдержки времени. Контакт реле ускорения защиты KL2 в этой цепи замыкается при отключении выключателя (замыкается цепь 33—22 обмотки KL2 контактом KQC) и остается замк- нутым в течение некоторого времени после его включения. Оперативное отключение выключателя осуществляется поворотом ключа SA и за- мыкания его контактами 13—14 цепи 7—6 катушки отключения YAT или замыканием контакта реле отключения по телеуправлению КСТ в цепи 5—6. При этом получает питание катушка отключения YAT и выключатель отключается. Одновременно размы- кается цепь 37—26 контактами 1—2 ключа SA или контактом реле отключения по теле- управлению КСТ (контакты SA1 при этом разомкнуты), реле фиксации KQQ теряет питание и размыкает свои контакты в цепи 25—14 запуска АПВ, поэтому автоматичес- кого повторного включения не происходит. Реле KQQ замыкает свои контакты в цепи 43—32 и лампа HLG при отключенном выключателе (контакт KQT замкнут) горит ровным светом, сигнализируя об отключенном состоянии выключателя. Сигнализация автоматического отключения выключателя релейной защитой осуще- ствляется миганием зеленой лампы HLG при замыкании цепи 30—32 контактом повто- рительного реле KQT. При этом контакт реле KQQ в этой цепи остается замкнутым, а в цепи 43—32 — разомкнутым, так как реле KQQ по цепи 37—26 получает питание. Блокировка многократного включения выключателя на устойчивое КЗ в случае зали- пания в замкнутом состоянии контактов реле KL1 в цепи 23—2 обеспечивается включе- нием в схему управления специального блокировочного реле KBS, имеющего две обмот- ки — рабочую последовательную и параллельную удерживающую. Реле KBS срабатывает при прохождении тока по катушке отключения YAT и рабочей обмотке KBS (цепь 9— с или 13—6). При этом замыкается цепь 23—4 контактом реле KBS и по удерживающей обмотке реле блокировки протекает ток. Другой контакт реле KBS размыкает цепь 23—. катушки контактора КМ, благодаря чему предотвращается включение выключателя. Аналогично блокировка предотвращает многократные включения выключателе при оперативных включениях по цепи 3—2 или 5—2 (по телеуправлению). Реле КВ‘ удерживается во включенном состоянии до снятия команды на включение выключате ля и прекращение питания удерживающей обмотки реле. АПВ линии с двусторонним питанием. Устройства АПВ на таких линиях имеют следую щие особенности: повторное включение линии производится после ее отключения с дву 78
a б Рис. 3.4. Схема АПВ линии с двусторонним питанием: а — схема контроля встречного напряжения и синхронизма; б — схема вторичной коммутации линии; в — векторная диаграмма напряжений сторон выключателями Q1 и Q2 (рис. 3.4, а) для ликвидации ее неустойчивого поврежде- ния; первым включается выключатель Q2 при условии отсутствия напряжения в линии, что контролируется с помощью реле напряжения KV2, подключенного к линии через шкаф отбора напряжения AV2 (контакты реле KV2 на рис. 3.4, б замкнуты в цепи 23—24, перемычка SX2 в этой цепи включена); вторым включается выключатель Q1 при условии наличия напряжения в линии, что контролируется с помощью реле напряжения KV1, подключенного к линии через шкаф отбора напряжения AV1, причем это напряжение должно изменяться синхронно и синфазно с напряжением Ц на шинах подстанции. При несинхронном режиме работы источников G1 и G2 угол 5 между напряжени- ями t/( и t/2 (рис.3.4, в) будет изменяться от 0 до 360°, проходя через 180°, при кото- ром разность напряжений At/достигает 2Щ, а уравнительный ток при включении вык- лючателя в этот момент может превысить ток КЗ. Проверка синхронизма осуществляется с помощью реле контроля синхронизма KSS, одна обмотка которого подключена через трансформатор напряжения TV к шинам с напряжением Ц, вторая — через AV1 к линии с напряжением t/2. Результирующий магнитный поток в реле, создаваемый его обмотками, пропорционален А t/до тех пор, пока At/ превышает заданное значение, реле KSS находится в возбужденном состоя- нии, а его контакты в цепи 21—22 (рис. 3.4, б) разомкнуты. Угол 8ср между Ц и t/2, при котором происходит срабатывание реле, выбирают в пределах 20—40°. Когда значение 8 становится меньше Зср, реле KSS замыкает контакты и осуществляет пуск устройства АПВ. Таким образом происходит автоматическое повторное включение с ожиданием синхронизма (АПВ ОС). 79
Схема АПВ ОС (рис. 3.4, б) состоит из цепей: управления (1—2)—(15—16), фикса- ции команды управления (17—18)—(19—20), автоматики (21—22)—(31—32). Оперативное включение выключателя линии производится с проверкой отсутствия напряжения (выключатель Q2) или с проверкой наличия напряжения на шинах и в линии (выключатель Q1), при этом перемычка SX1 замыкает цепь 3—2, а перемычка SX3 в цепи 29—30 разомкнута. Включение выключателя осуществляется кнопкой SBC. По цепи 1—2 протекает ток, возбуждается реле команды включения КСС и становится на самоподпитку по цепи 3—2, в которой замыкается контакт КСС. Другим своим контактом реле КСС замыкает цепь 21—26 (КСС—KSS—KV1—KQT—КТ—КТ) включения выключателя Q1 (перемычка SX2 при этом отключена) или (КСС—SX2—KV2—KQT—КТ—КТ) вклю- чения выключателя Q2 (накладка SX2 включена). Реле КТ при этом возбуждается и с выдержкой времени замыкает цепь разряда конденсатора С на обмотку промежуточного реле KL. Заряд конденсатора С предварительно был произведен по цепи 29—26 через резистор R2. Реле KL замыкает цепь катушки контактора включения выключателя КМ (29— KL— KL—КСС—32— 6— KSB—Q—КМ—10). Контактор КМ при срабатывании за- мыкает цепь катушки включения YAT. Включение выключателя приводит к переключе- нию повторительных реле. Катушка KQT в цепи 9— 70 теряет питание при размыкании контакта Q выключателя. В свою очередь реле KQT размыкает цепь 21—26 реле времени КТ, которое размыкает свой контакт в цепи разряда конденсатора С. После этого начи- нается заряд конденсатора по цепи 29—26 и подготовка к следующему включению. В цепи 9—14, которая замыкается контактом Q выключателя, получает питание повтори- тельное реле KQC. Его контакт замыкает цепь 19—20 и переключает реле фиксации команды KQQ, которое размыкает своим контактом цепь 19—20 катушки включения, замыкает цепь 17—18, подготавливая цепь катушки отключения реле KQQ, и замыкает цепь 23—24, подготавливая пусковую цепь 23—26 к запуску устройств АПВ. Автоматическое повторное включение осуществляется после отключения выключа- теля линии Q под действием релейных защит. Контакт реле KQT создает цепь 23—26 реле времени КТ, которое с выдержкой времени замыкает цепь разряда конденсатора С на катушку реле KL. При срабатывании реле KL создается цепь 29—10 через последователь- ную катушку реле KL, его контакт, катушку указательного реле автоматики КН, контакт реле блокировки KBS, контакт выключателя Q и катушку КМ контактора включения выключателя. Катушка указательного реле КН при этом не шунтируется контактом КСС реле команды включения, как при оперативном включении выключателя. Реле КН сра- батывает, сигнализируя персоналу о действии АПВ. Оперативное отключение выключателя линии производится замыканием кнопки SBT в цепи 15—16 реле команды отключения КСТ. Реле КСТ замыкает цепь 13—14 катушки отключения выключателя YAT, что приводит к его отключению. Другой контакт реле КСТ замыкает цепь 17— 7катушки отключения реле фиксации KQQ, которое отклю- чается, замыкая цепь 19—20 и размыкая цепи 17—18 и 23—26 запуска АПВ. Следова- тельно, при оперативном отключении АПВ не действует. Оперативное включение выключателя без проверки синхронизма (выключатель Q1) или отсутствия напряжения на линии (выключатель Q2) осуществляется путем переключения перемычек SX1 (замыкается цепь 3—10) и SX3 (замыкается цепь 29— 50 разряда конденсато- ра С). При включении кнопкой SBC замыкается цепь 7—2 реле КСС, которое своими кон- тактами собирает цепь 3—10 катушки контактора КМ, который замыкает цепь катушки включения выключателя YAC, и выключатель включается. Другим своим контактом КСС замыкает цепь разряда конденсатора С на резистор R3 (С—R3—SX3— КСС—30—26— С), что предотвращает срабатывание устройств АПВ при включении выключателя на КЗ. Блокировка включения выключателя от многократных включений по цепи 3—10 при устойчивом КЗ на линии осуществляется с помощью реле блокировки KBS. При отклю- чении выключателя от защиты ток катушки отключения YAT протекает через последова- 80
тельную обмотку реле KBS, которое срабатывает, переключает свои контакты, размыкая цепь 3—10 и замыкая цепь 3—12 удерживающей параллельной обмотки KBS. Удерживаю- щая обмотка KBS будет получать питание по цепи 3—12 до размыкания ее контактом КСС, а контакт KBS в цепи 3—10 катушки контактора КМ будет оставаться разомкну- тым, предотвращая повторные включения выключателя. Таким образом, реле KBS разре- шает одно включение выключателя при однократном нажатии кнопки SBC. Устройство АПВ на переменном оперативном токе. Такое устройство АПВ можно осу- ществить на выключателях с грузовыми и пружинными приводами. На рис. 3.5 приведены схемы однократного АПВ для выключателей с пружинным приводом ПП-67. В схемы уп- равления входят различные вспомогательные контакты SQ. В зависимости от того, с каки- ми деталями и узлами привода связаны эти контакты, их можно разделить на три группы. Первая группа контактов привода выключателя связана с механизмом натяжения включающих пружин и переключается при изменении их состояния. Вспомогательный контакт SQ1 (рис. 3.5, а и б), разомкнутый при ненатянутых пружинах и замыкающийся только в момент их полного натяжения, называется контактом готовности привода. Другой вспомогательный контакт SQ5, связанный с пружиной, действует в обратном порядке и используется в качестве конечного выключателя в цепи электродвигателя М редуктора, осуществляющего натяжение включающей пружины. Вторая группа контактов привода SQ3, SQ4 и SQ6 связана с его валом и переклю- чается при изменении положения выключателя по любой причине. Вспомогательный контакт SQ3 является кратковременно проскальзывающим, обеспечивающим однократ- ность действия АПВ. Контакты QS4 и QS6 являются блок-контактами выключателя, SQ4 замыкает цепь катушки включения YAC при отключенном выключателе, a SQ6 — катушки отключения YAT при включении выключателя. Третья группа контактов включает в себя так называемые аварийные контакты. В эту группу в рассматриваемых схемах рис. 3.5 входит контакт SQ2. Этот вспомогательный контакт замкнут при включенном выключателе, остается замкнутым при отключении выключателя от защиты, а при отключении ключом управления SA размыкается, зап- рещая действие АПВ. На схеме рис. 3.5, а все вспомогательные контакты показаны в положении, соот- ветствующем отключенному выключателю и полностью заведенной включающей пру- жине. Натяжение пружины осуществляется электродвигателем М. В течение времени его работы контакт SQ1 готовности привода остается разомкнутым, не допуская включе- ния выключателя до тех пор, пока пружина не будет полностью натянута. По оконча- нии процесса натяжения пружины контакт SQ1 замыкается, а конечный выключатель SQ5 размыкает цепь электродвигателя М. а Рис. 3.5. Схема АПВ фидера на переменном оперативном токе: а — с проскальзывающим блок-контактом; б— с реле времени 6-6086 81
Оперативное включение и отключение выключателя осуществляется замыканием цепей катушек включения YAC и отключения YAT ключом управления SA. АПВ мгновенного действия осуществляется при включенной перемычке SX, благо- даря чему параллельно контакту ключа управления SA включается вспомогательный контакт SQ2 третьей группы, создающий цепь несоответствия при отключении выклю- чателя релейной защитой. При этом цепь катушки YAC замыкается контактом SQ4, контакт SQ2 остается замкнутым, контакт SQ1 также замкнут при натянутых пружинах привода, кратковременно замыкается проскальзывающий контакт SQ3. Через указа- тельное реле автоматики КН и катушку YAC протекает ток, катушка YAC срабатывает и освобождает в приводе механизм зацепления, удерживающий пружины в заведенном состоянии, которые при этом производят включение выключателя. Одновременно за- мыкается концевой выключатель SQ5 в цепи электродвигателя М, который вновь натя- гивает включающие пружины. Если АПВ было успешным, то схема приходит в состояние готовности к новому действию после натяжения пружины и замыкания контакта SQ1 готовности привода. Если АПВ было неуспешным, то выключатель остается отключенным, но пружи- ны будут вновь натянуты и привод подготовлен к оперативному включению ключом управления SA. Контакт SQ3 в цепи АПВ к моменту новой готовности привода будет разомкнут, чем обеспечивается однократное действие АПВ. Для обеспечения однократ- ности АПВ минимальное время натяжения пружин должно быть больше наибольшей выдержки времени защиты действующей на этот выключатель: ^пруж — (защ + Garr (3.4) где /зап — время запаса, равное 2-3 с. Схема АПВ с выдержкой времени однократного действия приведена на рис. 3.5, б. Эта схема отличается от предыдущей схемы на рис. 3.5, а наличием реле времени КТ переменного тока с проскальзывающим контактом, который кратковременно замыкает цепь включающей катушки YAC. Вспомогательный контакт SQ7 в цепи катушки реле КТ обеспечивает замыкание этой цепи только при отключении вык- лючателя, а контакт SQ2 — при отключении от защиты. Перемычка SX необходима для вывода из работы АПВ. 3.2. Устройства автоматическоао включения резервных линий Назначение устройств автоматического включения резервных линий (АВРЛ). Устрой- ства АВРЛ служат для повышения надежности электроснабжения потребителей. Оди- ночные линии с односторонним питанием не обеспечивают достаточной надежности электроснабжения при устойчивых повреждениях. Высокую степень надежности элект- роснабжения обеспечивают схемы питания одновременно от двух и более источников питания, поскольку отключение одного из них не приводит к исчезновению электро- питания у потребителей. Несмотря на это очевидное преимущество многостороннего питания потребителей, многие подстанции работают по схеме одностороннего пита- ния, при котором одна линия находится в работе, другая — в резерве. Применение такой менее надежной, но более простой схемы электроснабжения во многих случаях оказывается целесообразным для снижения токов КЗ, упрощения релейной защиты, снижения потерь электроэнергии, предотвращения перетоков мощности и т.п. Такая схема позволяет использовать преимущества линий с односторонним пита- нием и быстро подавать питание потребителям по резервной линии при прекращении питания по основной, используя для этой цели устройства автоматического включения резерва (АВР). 82
Основные требования, предъявляемые к устройствам АВР, связаны с повышением надежности работы электроустановок, снижением последствий аварий, обеспечением экономичности работы электросети. К ним относятся нижеперечисленные требования: 1. Схемы АВР должны приходить в действие при исчезновении напряжения на шинах потребителей по любой причине (аварийное, ошибочное или самопроизвольное отключение выключателя рабочей линии). 2. Включение резервной линии должно происходить сразу после отключения ос- новной, чтобы уменьшить длительность перерыва питания потребителей. 3. Действие АВР должно быть однократным, чтобы не допустить многократного включения резервного источника питания при неустранившемся КЗ. 4. Схема АВР должна приходить в действие только после отключения выключате- ля основной линии, чтобы исключить включение резервного источника на КЗ при неотключенной основной линии. 5. Отключение резервной линии при ее включении на неустранившеёся КЗ должно быть ускоренным, т.е. релейная защита должна действовать без выдержки времени. 6. Устройства АВР не должны действовать при отсутствии напряжения на ре- зервной линии. Опыт эксплуатации показывает, что АВР является очень эффективным сред- ством повышения надежности электроснабжения. Успешность действия АВР состав- ляет 90—95 %. Простота схем и высокая эффективность обусловили широкое примене- ние АВР в электрических сетях. Схема АВР питающей линии (рис. 3.6). Питание сборных шин подстанции осуще- ствляется по рабочей линии W\ через выключатель Q1. Линия является резервной, ее выключатель Q2 отключен. Контроль наличия напряжения на сборных шинах под- станции осуществляют реле напряжения KV1 и KV2 через трансформатор напряже- ния TV1. Контроль наличия напряжения на резервной линии осуществляет реле KV3 через трансформатор TV2. При исчезновении напряжения на шинах подстанции по любой причине замыка- ются контакты реле KV1 и KV2, при этом контакты реле KV3 остаются замкнутыми при наличии напряжения на резервной линии W2. Через контакты реле KV1, KV2, KV3 полу- чает питание реле времени КТ, которое с выдержкой времени замыкает цепь катушки отключения YAT выключателя Q1, если перед этим Q1 не был отключен защитой. Отключение выключателя приводит к переключению его вспомогательных кон- тактов Q1, которые снимают питание с катушек YAT выключателя Q1 и реле контроля включения резервной линии KQS, а также замыкают цепь катушки контактора КМ через контакт KQS. Этот контакт остается некоторое время замкнутым после размыка- ния цепи реле KQS. Рис. 3.6. Схема АВР питающей линии на постоянном оперативном токе
Контактор КМ, получив питание, замыкает цепь катушки включения YAC вык- лючателя Q2, который включается и своим вспомогательным контактом Q2 размыкает цепь контактора КМ, после чего эта цепь еще раз размыкается контактом реле KQS. Это исключает возможность повторного включения контактора КМ и выключателя Q2 резервной линии при ее отключении, например, при КЗ на шинах подстанции, т.е. обеспечивается однократность АВР. Выдержка времени /ов однократности включения, которую обеспечивает реле KQS, от момента снятия напряжения с реле KQS до размыкания его контакта должна превы- шать время включения /вкл выключателя резервной линии: (ов ^вкл + Garr (3.5) где La„ — время запаса, составляющее 0,3-0,5 с. «XIII 4 3.3. Устройства АПВ и АВР фидеров автоблокировки Устройства автоблокировки как потребители первой категории должны получать питание от двух взаимно резервируемых источников через две взаимно резервируемые линии. Питание устройств СЦБ (сигнализации, централизации и блокировки) осуще- ствляют обычно от тяговых или трансформаторных подстанций по трехфазным линиям напряжением 6 или 10 кВ с изолированной нейтралью. Основное питание устройства автоблокировки получают от специальных воздуш- ных высоковольтных линий СЦБ (ВЛ СЦБ). Для повышения надежности электроснаб- жения устройств автоблокировки и проведения плановых ремонтов предусматривают резервные линии, в качестве которых, как правило, используются на участках, элект- рифицированных по системе постоянного тока, трехфазные линии продольного элект- роснабжения (ПЭ); на участках, электрифицированных по системе переменного тока, линии «два провода — рельс» (ДПР). Схема электромеханических устройств АПВ и АВР линий автоблокировки (рис. 3.7). На схеме питания устройств СЦБ (рис. 3.7, а) между подстанциями ПI и П2 проходят две линии: основная с выключателями Q1 и Q2, резервная — Q3 и Q4. Основная линия получает питание через один выключатель, например, Q1, выключатель Q2 при этом отключен. Восстановление питания осуществляется путем автоматического включения резер- вного выключателя Q2. Если питание линии после этого не восстанавливается, то осуще- ствляется АПВ отключившегося выключателя Q1. На время восстановления питания ос- новной линии автоблокировки устройства СЦБ получают питание от резервной линии через резервный трансформатор Т2. Реле контроля напряжения KSV при исчезновении напряжения на основной линии теряет питание, отключается, замыкает своими контак- тами цепь питания устройств СЦБ от трансформатора Т2 и размыкает цепь от Т1. При восстановлении питания основной линии реле KSV получает питание, от- ключает цепь от трансформатора Т2 и восстанавливает питание устройств СЦБ от Т1. Трансформатор Т2 переводится в резерв. Схема вторичной коммутации выключателей Q1 и Q2 фидера СЦБ (рис. 3.7, б) состоит из цепей управления и защиты (/—2)—(/5—6), цепей фиксации команды (17—8)—(25—10), цепей контроля напряжения на линии (27, 29—12) и на шинах соб- ственных нужд подстанции (31, 33, 35—14) и цепей автоматики (39—16)—(41—24). Оперативное включение выключателя фидера СЦБ осуществляется замыканием кнопкой SBC цепи 1—2 или контактом КСС реле телемеханики цепи 3—2 от шины +ЕС1 включения по телеуправлению. Контактор КМ получает питание и замыкает сво- ими контактами цепь включающей катушки выключателя YAC от шин включения EY. При включении выключателя переключаются его повторительные реле: KQT теряет 84
Рис. 3.7. Схема переключения питания устройств СЦБ: а — схема питания устройства СЦБ; б — схема вторичной коммутации питающей линии; в — схема питания линии СЦБ от шин СН питание при размыкании цепи 7—2 блок-контактом выключателя Q; KQC получает питание при замыкании блок-контактом Q цепи 7—6. Катушка включения реле фиксации KQQ получает питание по цепи 21—10 или 23—10, реле KQQ переключается, фиксируя команду включения выключателя. Контакты KQQ размыкают цепи 21, 23—10, 37—16, 39—20 и замыкают цепи 17, 19—8, подготавливая к отключению реле KQQ, и цепь 41—24, подготавливая к пуску АПВ. Размыкание контакта KQQ в цепи 39—20 при разомк- нутом контакте KL2 (наличие напряжения на шинах собственных нужд подстан- ции) разрешает заряд конденсатора С в устройстве РПВ-58 по цепи 39—24 при подготовке этого устройства к повторному включению выключателя. Цепь 37—16 размыкается контактом KQQ, и реле KL3 включения резерва выводится из рабо- ты, т.е. АВР запрещается. Оперативное отключение выключателя производится путем подачи питания на ка- тушку отключения YAT кнопкой SBT по цепи 13—6 или по цепи телеуправления 11—6 85
контактом КСТ от шины +ЕС2 отключения по телеуправлению. Отключение выключате- ля приводит к переключению его повторительных реле KQT (включается), KQC (отклю- чается) и реле фиксации KQQ, которое отключается по цепи 19—<Уили 17—8. Его кон- такт замыкает цепь разряда конденсатора С (С—R3—KQQ—20—24—С), выводя АПВ из работы. Контакт KQQ замыкается в цепи 37—16, вводя в работу устройство АВР. Автоматическое отключение выключателя фидера СЦБ осуществляется по цепи 15— 16 при срабатывании одной из защит фидера и замыкании контактов промежуточного реле KL1 защит фидера или по цепи 9—6 при исчезновении напряжения на шинах соб- ственных нужд подстанции и размыкании контактов KSVfl, KSV^, KSVC в цепи 31—14. Автоматическое включение резервного выключателя Q2 происходит при исчезнове- нии напряжения на линии. Контроль напряжения в линии осуществляется с помощью реле напряжения KV1 и KV2 (рис. 3.7, в), подключаемых через трансформатор напря- жения TV к линии СЦБ. Пуск АВР (рис. 3.7, 6) осуществляется по цепи 37—16 при исчезновении напряжения в линии (контакты KV1, KV2 замкнуты) и наличии напря- жения на шинах собственных нужд (контакты KSVa, KSV^,, KSC в цепи 31—14 замкну- ты, реле KL2 возбуждено, его контакты в цепи 37—16 замкнуты). При этом выключа- тель Q2 отключен оперативно (замкнуты контакты KQC и KQQ и контакты реле блоки- ровки КВ). Реле включения резерва KL3, получив питание, замыкает цепь 5—2. Через указательное реле КН1 включения резерва и катушку контактора КМ проходит ток, выключатель Q2 включается, реле КН1 сигнализирует о срабатывании устройства АВР. Автоматическое повторное включение выключателя Q1 осуществляется, если АВР выключателя Q2 не произошло, например, вследствие отсутствия напряжения на шинах СН подстанции П2 или АВР было неудачным, и напряжение в линии не восстановилось. Пуск устройства АПВ происходит при отключении выключателя Q1 и замыкания цепи 41—24 контактом повторительного реле KQT (контакт KQQ остается замкнутым при автоматическом отключении выключателя). Реле КТ получает питание и замыкает цепь разряда конденсатора С с выдержкой времени. При разряде конденсатора на па- раллельную катушку промежуточного реле KL последнее срабатывает и замыкает цепь 39—2 (39— KL—KL— КН2—КВ—Q—КМ—2) через указательное реле КН2 АПВ на ка- тушку контактора КМ, который включает выключатель. Цепь 39—2 замыкается через 1,3 с (максимальное время АПВ фидера СЦБ), если до этого ее не разомкнет контакт реле блокировки КВ после удачного АВР линии и замыкания цепи 29, 29—12 контакта- ми реле напряжения KV1 и KV2. В случае успешного АВР линия СЦБ будет получать питание через выключатель Q2 от подстанции П2. Цепь 39—2 схемы управления выключателем Q1 будет разомкнута контактом КВ и АПВ не произойдет. В схеме управления выключателем Q2 его повтори- тельное реле KQC замкнет цепь 25—10 реле фиксации KQQ, которое переключается, размыкает цепь 37—16, выводя из работы АВР, и замыкает свой контакт в цепи 41—24, вводя в работу АПВ. После удачного включения выключателя Q2 выключатель Q1 может быть выведен в резерв. Для этого нужно вывести из работы АПВ и ввести АВР нажатием кнопки SBT или послать по телеуправлению приказ на отключение Q1. Замыкание цепей 17—8 или 19—8 приводит к отключению KQQ, размыканию цепи 41—24 и замыканию контакта KQQ в цепи 37—16. Таким образом, выключатели Q1 и Q2 меняются ролями: выключа- тель Q2 подает питание в линию СЦБ, a Q1 переходит в резерв. Схема электронного устройства АПВ фидера СЦБ (рис. 3.8). Эта схема выполнена на модулях типа «Сейма». В нее входят цепи релейных защит на модулях ДТ-ЗК и ФТНК, их выходной усилитель (модуль ВУ), цепи управления контактором КМ включения выключателя фидера Q и катушкой отключения YAT, а также цепи фиксации команд (модуль ТФ2) и положения выключателя (лампы HLR и HLG). Модули ДТ-ЗК максимальной токовой защиты (МТЗ) и токовой отсечки (ТО) под- ключены через промежуточные трансформаторы тока ТЬАД и TLAC к трансформаторам 86
Рис. 3.8. Схема электронного устройства АПВ фидера СЦБ 87
тока ТАа и ТАС. Модули ДТ-ЗК и ФТНК защиты от замыканий на землю (33) подклю- чены через промежуточные трансформаторы тока TLA0 и напряжения TLV к трансфор- маторам тока ТА0 и напряжения TV. Модули ДТ-ЗК включают в себя реле напряжения КА, выполняющее роль токового реле, реле времени КТ и инверторы И-НЕ. Модуль ФТНК сравнивает фазы тока и напряжения и переключается, когда сдвиг по фазе превышает 45°. В комплекты защит входят также сигнальные элементы НЕ1, НЕ2, НЕЗ, сигнализирующие об их срабатывании. Защиты через модуль выходного усилителя ВУ воздействуют на выходной тиристорный модуль ВТ, управляющий контактором КМ и катушкой отключения YAT. Модуль ТФ2 фиксирует команды включения и отключения выключателя Q и его аварийное отключение защитами. Оперативное включение выключателя Q фидера СЦБ осуществляется путем замыка- ния цепи кнопкой SBC или контактом реле включения по телеуправлению (ТУВК). При этом ток пройдет через обмотку w" трансформатора включения Твк по цепи 23(+Е’К)— VD1—w"—R2—26—SBC—(—7Гб) или 23(+£к)-УО2-К1-77-ТУвк-(-£б). При протека- нии импульса тока по обмотке w" во вторичных обмотках трансформатора включения Твк наводится ЭДС, под действием которой отпираются тиристоры VS1 и VS2. Через ти- ристоры VS1 и VS2 начинает протекать ток по цепи +110 В— 1— VS1— VS2—16— Q1— КМ—(—110 В). Контактор КМ замыкает цепь катушки включения выключателя Q (на схеме эта цепь не показана), последний включается, отключая контактом Q1 контактор КМ и повторительное реле KQT. Контактом Q2 замыкается цепь повторительного реле включенного положения выключателя KQC. Контакт KQC замыкает цепь красной лампы HLR, сигнализирующей о включенном положении выключателя Q. Одновременно по- тенциал +ЕК через контакт KQC подается на вход транзистора VT5 триггера фиксации ТФ2 и логическую схему И, связывающую вход транзистора VT6 с шиной мигания (+)ЕР. Транзистор VT5 закрывается, VT4 открывается и запирает транзистор VT6, транзистор VT3 остается закрытым. Таким образом, при включении выключателя в триггере фикса- ции транзисторы VT3, VT5, VT6 закрыты, VT4 — открыт. Оперативное отключение выключателя Q производится путем замыкания цепи кноп- кой SBT или по телеуправлению ТУот. При этом ток в модуле ВТ пройдет через обмотку w" трансформатора отключения Тот по цепи 23(+ЕК)—VD1— w"—R8—5— SBT— (— Еб) или 23(+£к)—VD—w"—R7—6—ТУот—(7?б). При протекании тока по обмотке w" наводится ЭДС во вторичных обмотках трансформатора отключения Тот и отпираются тиристоры VS3 и VS4, подавая напряжение на катушку отключения YAT выключателя Q. Выклю- чатель при этом отключается, катушка повторительного реле KQC обесточивается при размыкании блок-контакта Q2. Контакты повторительных реле переключаются. Контакт реле KQC размыкает цепь красной лампы HLR и снимает потенциал +ЕК с входа тран- зистора VT5. Кнопкой SBT подается (—Eq) на вход 14 триггера фиксации ТФ2 или на вход 27 реле включения по телеуправлению. В результате этого транзистор VT5 отпирает- ся, запирая транзисторы VT4 и VT3, что в свою очередь приводит к отпиранию транзи- стора VT6. Через VT6 получает питание зеленая лампа HLG, сигнализирующая об от- ключении выключателя Q. Таким образом, триггер фиксации переключился в исходное состояние: транзисторы VT3 и VT4 закрыты, VT5 и VT6 открыты. Автоматическое отключение выключателя Q происходит при срабатывании мак- симальной токовой защиты МТЗ, токовой отсечки ТО, защиты от замыкания на землю 33. При срабатывании МТЗ и ТО на выходах 27 модулей ДТ-ЗК этих защит, а при срабатывании 33. на выходе 10 модуля ДТ-ЗК появляется низкий потенциал — Ек, кото- рый поступает на один из входов 75, 29 или 14 выходного усилителя ВУ. Это приводит к отпиранию одной из трех диодных схем на входе транзисторного каскада VT1—VT2 и протеканию тока эмиттер-база по цепи +ЕК—VT2—VT1— VD6—VD7—VD8—R7—(—Eq). Ток эмиттер-база отпирает транзисторный каскад и на выходе 77 модуля ВТ появляется потенциал +£к. Предварительно заряженный конденсатор С1 разряжается на обмотку 88
w' трансформатора отключения Тот модуля ВТ по цепи Cl— VD4—w'—(+£к)—VT2— 1 /—С 1. При протекании тока по обмотке w' наводится ЭДС во вторичных обмотках трансформатора Тот, что приводит к отпиранию тиристоров VS3 и VS4, через которые собирается цепь катушки отключения выключателя YAT +110 В—2—VS3—VS4—15— Q2—YAT—(—НО В), что приводит к отключению выключателя. При автоматическом отключении выключателя триггер фиксации ( транзисто- ры VT4 и VT5) не переключается, так как на его входы 14, 27 не подается — Eq, транзистор VT5 остается закрытым, транзистор VT4 — открытым. Высокий потенциал с коллектора транзистора VT4 поступает на входы транзисторов VT5 и VT6. На другой вход транзистора VT6 через схему И от шины мигания (+)ЕР будет подаваться пульси- рующее напряжение. На диоды схемы И поступает потенциал ~ЕК. В момент подачи на вход 7 модуля ТФ2 потенциала — Eq транзистор VT6 открывается, подавая напряжение на зеленую лампу HLG. При поступлении от (+)ЕР на вход /высокого потенциала +£к транзистор VT6 запирается, лампа HLG гаснет. Мигание зеленой лампы свидетель- ствует об аварийном отключении выключателя Q фидера СЦБ. При автоматическом отключении выключателя с входных диодов транзистора VT3 снимаются высокие потенциалы +ЕК, так как транзистор VT5 закрыт, контакт реле KQC разомкнут. Транзистор VT3 открывается, запуская датчик времени ДВ устройства АПВ, воздействуя на общеподстанционную сигнализацию (ОПС). Автоматическое повторное включение выключателя Q осуществляется с помо- щью трансформатора ТАПВ в модуле ВТ. Этот трансформатор имеет обмотки: записи w3, блокировки w6, считывания wC4, выхода wB. Запись на сердечнике трансформа- тора ТАПВ единицы происходит при отключении выключателя и замыкании контак- тов реле KQT, в результате чего предварительно заряженный конденсатор С2 разря- жается на обмотку w3 по цепи С2—w3—RL—(+£к)—KQT—VD5—С2. В обмотке бло- кировки w6 ток в этот момент отсутствует и не препятствует записи единицы в сердечнике. На обмотки считывания wC4 импульсы считывания подаются с некото- рой выдержкой, определяемой датчиком времени АПВ. При считывании в обмотке wB наводится ЭДС, под действием которой в обмотке w' трансформатора включения Твк протекает ток, приводящий к отпиранию тиристоров VS1 и VS2, последующему включению контактора КМ и выключателя Q. При успешном АПВ контакт повторительного реле KQC замыкается и подает +ЕК на вход транзистора VT3, запирая его, и на схему И, которая прекращает пропуск пульсирующего напряжения от шины мигания (+)ЕР на транзистор VT6. Транзистор VT6 запирается, мигание зеленой лампы HLG прекращается. Контакт реле KQT размыкается, снимается +ЕК с входа 7<? модуля ВТ, начинается заряд конденсатора С2 по цепи: +ЕК— RL—w3—С2— 4— R6—(~ЕК). Большое время заря- да конденсатора С2 обеспечивает однократность АПВ. При оперативном отключении выключателя перемагничивания сердечника транс- форматора ТАПВ не происходит, так как этому препятствует ток в обмотке блокировки w6, протекающий по цепи: +£к—VD1—w6—VD3—R3—5—SBT—(—£б) или +£к—VD1— w6-VD3-R4- 6-ТУот-(- Eq). Ускорение действия максимальной токовой защиты после оперативного включения или неуспешного АПВ осуществляется с помощью схемы И-НЕ модуля ДТ-ЗК. Токо- вый элемент КА этого модуля запускает реле времени КТ и запирает схему И-НЕ, на выходе 10 которой появляется потенциал — Ек, поступающий на вход 12 модуля ВУ. Снятие потенциала +£к с входов 12 и 27 (после АПВ на входе 27 некоторое время отсутствует потенциал +£к) приводит к отпиранию транзисторного каскада VT1—VT2 и отключению выключателя без выдержки времени. Аналогично без выдержки времени срабатывает МТЗ после оперативного включе- ния выключателя. При этом кнопкой SBC или контактом реле ТУВК потенциал — Eq 89
подается на входы 25 или 10 модуля ВУ, на входе 12 в этот момент появляется потенци- ал ~ЕК, в результате чего отпирается каскад VT1—VT2 и выключатель отключается. 3.4. Автоматическое включение резерва на переменном оперативном токе На рис. 3.9 приведена схема автоматического включения резерва (АВР) на перемен- ном оперативном токе для секционного выключателя. Питание подстанции осуществляет- ся по двум вводам И/1, и (рис. 3.9, а). Секционный выключатель Q3 нормально отключен. При исчезновении напряжения на одной из линий, питающих подстанцию, устройство АВР включает секционный выключатель Q3, а при восстановлении напряжения на линии автоматически отключает Q3 и восстанавливает нормальную схему подстанции. Контроль наличия напряжения на линиях и осуществляют реле времени КТ1 через трансформатор напряжения TV1, а на секциях шин — реле КТ2 через транс- форматор TV2. Реле КТ1 и КТ2 являются пусковым органом автоматики. Контакты этих реле КТ1.2 и КТ2.2 включены последовательно в цепь катушки электромагнита откл ю- чения YAT1 выключателя Q1 (рис. 3.9, б) Контакты ключа управления SA1 в этой цепи замкнуты при включении в работу автоматики. Контакты реле КТ1.1 и КТ2.1 в цепи катушки реле времени КТЗ замкнуты Рис. 3.9. Схема АВР секционного выключателя на переменном оперативном токе: а — схема питания подстанции и контроля напряжения на вво- дах и секциях шин; б — цепи управления и АВР выключателя ввода; в — цепи управления и АВР секционного выключателя при наличии напряжения на линии и на секции, кото- рую питает эта линия. Контак- ты реле КТ3.1 в цепи YAT1 при этом разомкнуты. При исчезновении на- пряжения в результате отклю- чения линии реле времени КТ1 и КТ2 разомкнут свои мгновенные контакты КТ 1.1 и КТ2.1, снимая напряжение с обмотки реле времени реле КТЗ. Это реле при снятии с его обмотки напряжения мгновен- но возвращается в исход ное со- стояние, а при подаче напря- жения срабатывает с установ- ленной выдержкой времени. Если действием АП В от- ключившейся линии напряже- ние восстановлено не будет, то с выдержкой времени (боль- шей, чем время срабатывания АПВ линии) замкнутся контак- ты реле времени КТ1.2 и КТ2.2 и создадут цепь питания катуш- ки отключения YAT1 выклю- чателя Q1 линии И7]. При отключении выклю- чателя Q1 замкнется его вспо- могательный контакт SQ1.1 (рис. 3.9, в) в цепи катушки включения YAC3 секционного 90
выключателя Q3 через еще неразомкнувшийся контакт KQC 1.1 повторительного реле. Вклю- чение выключателя Q3 может быть только однократным, так как контакт KQC1.1 с неко- торой выдержкой размыкает цепь после первого включения выключателя Q3, и далее она будет разомкнута до включения выключателя Q1 и его повторительного реле KQC 1. При включении выключателя Q3 подается напряжение на 1-ю секцию шин. При этом получит питание реле КТ2, замкнется контакт КТ2.1 и разомкнется контакт КТ2.2. Реле КТ1, подключенное к линии Ж], останется без напряжения, поэтому его контакт КТ1.1 размыкается, реле КТЗ обесточивается и его контакты во всех цепях размыкаются. При восстановлении напряжения на линии Ж] получит питание реле КТ1, замк- нется контакт КТ1.1 и разомкнется контакт КТ1.2. Реле времени КТЗ получит питание и своим проскальзывающим контактом КТЗ.2 создаст цепь на включающую катушку YAC1 выключателя Q1, а контактом КТЗ.З — цепь на катушку YAT3, в результате чего отключится секционный выключатель Q3. При этом автоматически будет восстановлена исходная схема подстанции. Цепь на отключение секционного выключателя создается только при условии, если включены выключатели Q1 и Q2. При повреждении на первой секции АВР будет неуспешным, в работе останется только вторая секция.
Глава 4 АВТОМАТИКА ФИДЕРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ 4.1. Назначение устройств автоматики контактной сети Контактная сеть работает в более тяжелых условиях по сравнению с линиями элек- тропередачи, к тому же не имеет резерва. Это требует предъявления к устройствам авто- матики фидеров контактной сети дополнительных условий. Как показал опыт эксплуа- тации электрических железных дорог постоянного и переменного тока, большинство коротких замыканий, возникающих в контактной сети, неустойчиво и, как правило, ликвидируются после снятия напряжения. Число успешных повторных включений, осуществляемых устройствами АПВ, на отдельных участках достигает 80—90 %. Чтобы снизить до минимума число неуспешных АПВ, используют устройства, предварительно испытывающие контактную сеть на на- личие или отсутствие в ней короткого замыкания и запрещающие или разрешающие повторное включение в зависимости от результатов испытаний. Для обеспечения минимального перерыва питания поездов желательно иметь ми- нимальную выдержку времени АПВ. В то же время это может отрицательно сказаться на работе фидерных выключателей, в которых идет процесс гашения дуги и деионизация пространства между контактами. Кроме того, при мгновенном АПВ увеличивается веро- ятность пережога контактного провода при включении на короткое замыкание КЗ, так как температура его в точке КЗ не успевает снизиться в течение короткого бестокового интервала. Для устройств АПВ двукратного действия, применяемых на фидерах контактной сети постоянного тока, оптимальным интервалом первого АПВ, который определяется конструкцией выключателей и необходимостью отключения двигателей ЭПС машини- стом, можно считать 6—10 с, второе АПВ осуществляется через 6 с после первого. Автоматическое повторное включение предусматривают для следующих вык- лючателей: - фидеров контактной сети тяговых подстанций постоянного тока — двукратное АПВ с предварительным испытанием на наличие КЗ; - фидеров контактной сети тяговых подстанций переменного тока, фидеров рас- пределительных пунктов и пунктов группировки переключателей контактной сети стан- ций стыкования, фидеров депо — однократное АПВ; - пунктов параллельного соединения постоянного и переменного тока — одно- кратное АПВ при наличии напряжения в контактной сети двух путей. При двустороннем питании контактной сети от смежных тяговых подстанций и больших токах тяговой нагрузки релейная защита может оказаться нечувствительной к токам короткого замыкания в конце защищаемой линии, в результате чего появляются незащищенные («мертвые») зоны. Для ликвидации таких зон в комплексе с релейной защитой и автоматикой используются устройства телеблокировки выключателей кон- тактной сети тяговых подстанций и постов секционирования.
4.2. Устройства автоматики фидеро: контактной сети переменного тока Контактная сеть на участках, электрифицированных на переменном токе, получа- ет питание от шин напряжением 27,5 кВ тяговой подстанции по фидерам (рис. 4.1, а). Выключатель фидера Q служит для включения и отключения фидера. Шинный QSy, и линейный QSj4 разъединители с дистанционным управлением обеспечивают снятие напряжения с выключателя фидера при работе на нем, а обходной разъединитель QS0 с дистанционным управлением обеспечивает питание контактной сети по фидеру от запасной шины ЗШ при отключенном выключателе Q. К трансформатору тока ТА подключен амперметр РА, токовое реле КА, комплект электронной защиты фидера AKZ, фиксатор-сумматор токов коротких замыканий ASA и устройство для определения места повреждения контактной сети ASN. Устройства AKZ и ASN подключены также к шинам 100 В трансформатора напряжения. В схему вторичной коммутации фидера (рис. 4.1, б) входят цепи управления (1—2)— (9—6), защиты (П—8)—(19—14), фиксации команды управления (21—16)—(28—18), автоматики (29—20)—(37—30), пуска телеблокировки (39—32)—(43—38) и сигнализа- ции (45—40)—(49—42). Рис. 4.1. Схема автоматики фидера контактной сети переменного тока: а — схема фидера контактной сети; б — схема вторичной коммутации тока 93
Оперативное включение выключателя фидера осуществляется путем нажатия кноп- ки включения SBC, контакты которой замыкают цепь 1—2, или по телеуправлению при замыкании цепи 3—2 контактом реле включения КСС. При этом получает пита- ние контактор КМ, который своими контактами замыкает цепь питания катушки включения выключателя YAC от шин включения EY. Выключатель включается и сво- им контактом Q размыкает цепи 1—2 и 9—2, обрывая цепь питания катушки КМ и повторителя отключенного положения выключателя KQT. Другим своим контактом Q выключатель замыкает цепь 9—6 катушки повторительного реле включенного поло- жения KQC, которое в свою очередь замыкает цепь 45—40 красной сигнальной лампы HLR, сигнализирующей о включении выключателя. Цепь 47—42 зеленой лампы HLG размыкается контактом реле KQT. Одновременно другим контактом кнопки SBC за- мыкается цепь 25—18 или контактом реле KQQ цепь 27—18, что приводит к переклю- чению реле фиксации команды KQQ. Его контакты переключаются в цепях 23—16, 25—18, 29—20, 37—26, 47-42 и 49-42. Автоматическое отключение выключателя фидера происходит при срабатывании электронной защиты AKZ (цепь 19—AKZ—VD1— КН1— ASA— KBS—Q—YAT— 6) или телеблокировки АТВ ( цепь 19—АТВ—VD2—КН2—ASA—KBS—Q—YAT— 6). Катушка отключения YAT, получив питание, отключает выключатель. При этом срабатывает указательное реле защиты КН1 или телеблокировки КН2, включается в работу фикса- тор-сумматор ASA, реле блокировки выключателя KBS на время его отключения раз- мыкает цепь 1—2, запрещая включение контактора КМ и выключателя Q. Если отклю- чение происходит сразу после оперативного включения, то контакт реле KBS замыкает цепь 1—4 или 3—4 питания удерживающей катушки KBS. Реле KBS будет удерживать цепи 1—2 или 3—2 разомкнутыми, запрещая повторное включение выключателя при наличии повреждения в контактной сети. Отключение включателя приводит к переключению его повторительных реле KQC и KQT: реле KQT возбуждается по цепи 9—2, а реле KQC обесточивается при размыка- нии цепи 9—6. Реле KQC размыкает цепь 45—40 красной лампы HLR, а реле KQT замыкает цепь 49—42 зеленой лампы HLG (контакт реле KQQ в этой цепи замкнут). Зеленая лампа, получая пульсирующее напряжение от шины мигания (+)ЕР, будет гореть мигающим светом, сигнализируя об аварийном отключении фидера. Автоматическое повторное включение выключателя осуществляется устройством РПВ-58, срабатывающим при автоматическом отключении выключателя фидера. Кон- такт реле KQT замыкает цепи 29—20 и 29—22 (контакт реле KQQ замкнут) счетчика PC аварийных отключений и реле КТ устройства РПВ-58. Реле КТ обеспечивает необходи- мую выдержку АПВ. Контакт реле КТ, шунтирующий резистор 1R1, размыкается и включает его последовательно с катушкой реле КТ для снижения тока и уменьшения нагрева катушки. Контакт реле КТ с выдержкой времени замыкает цепь разряда конденсатора С на катушку реле KL. Предварительно заряд конденсатора осуществляется по цепи 37—22 после включения выключателя и отключения резистора 1R3 от шины —ЕС контактом реле KQQ (контакт реле KL1 разомкнут при наличии напряжения на шинах 27,5 кВ). Резистор 1R2 ограничивает ток заряда конденсатора, время заряда которого составляет 15—20 с, чем обеспечивается однократность АПВ. Реле KL, возбудившееся в результате разряда конденсатора С на катушку KL, замыкает своим контактом цепь 37—2(37— KL—KL—КНЗ—KBS—Q—КМ—2). Контак- тор КМ, получив питание, включает повторно выключатель Q. Катушка KL в цепи 37—2 служит для удержания реле KL во включенном состоянии до включения выключателя и размыкания цепи 37—2 контактом Q. Оперативное отключение выключателя фидера контактной сети осуществляется путем замыкания цепи 7—6 кнопкой отключения SBT или цепи 5—6 контактом реле отключения по телеуправлению КСТ. При этом протекает ток по катушке отключения 94
YAT и выключатель отключается. Одновременно создается цепь 23— /били 21—16 ка- тушки отключения реле фиксации KQQ. Реле KQQ переходит в исходное состояние, фиксируя команду отключения. Его контакты в цепях 23—16, 29—22, 49—42 размыка- ются, а в цепях 25—18, 37—26, 47— 42 замыкаются. Размыкание цепи 29—22 предотвращает запуск АПВ, а замыкание цепи 37—26 приводит к разряду конденсатора С на резистор 1R3 по цепи С— 1R3—KQQ—26—22— С. Замыкание цепи 47—42 приводит к подключению зеленой лампы HLG к шине мест- ной сигнализации +ЕС, а размыкание цепи 49—42 приводит к отключению HLG от шин мигания (+)ЕР. Зеленая лампа HLG горит ровным светом, сигнализируя опера- тивное отключение выключателя. Блокировка выключателя фидера от повторного включения осуществляется при отключении фидера защитой по напряжению по цепи 11—6, которая замыкается кон- тактом реле KL1 защиты шин 27,5 кВ. Одновременно другой контакт этого реле замыка- ет цепь разряда конденсатора С устройства РПВ-58 (С— 1R3—KL1—28—22— С). Хотя пуск АПВ по цепи 29—22 произойдет и реле времени КТ замкнет цепь катушки реле KL, повторного включения выключателя Q не произойдет, так как конденсатор С к этому моменту будет разряжен. Отключение выключателя фидера при срабатывании электронной защиты AKZ или телеблокировки АТВ приводит к запуску устройства резервирования при отказе выключателя (УРОВ) по цепи 79—AKZ—VD3—KQT—УРОВ или 19-АТВ—VD4—KQT- УРОВ. Контакт повторительного реле KQT размыкает цепь запуска УРОВ при отключе- нии выключателя. Если же выключатель фидера не отключится, то УРОВ отключает питание сборных шин 27,5 кВ. По цепи 19—10 при срабатывании электронной защиты AKZ или телеблокировки АТВ через диоды VD5 или VD6 запускается в работу устройство определения места повреждения контактной сети ASN (ОМП). До отключения выключателя Q оно по значениям тока и напряжения, поступающим на ASN от трансформаторов ТА и TV (рис. 4.1, а) определяет сопротивление до точки повреждения, которое пропорционально расстоянию до этой точки. Результаты измерений передаются энергодиспетчеру по системе телемеханики. 4.3. Телеблокировка выключателей контактной сети Выключатели фидеров тяговых подстанций А, В и поста секционирования ПС связны между собой устройством телеблокировки, предназначенным для повышения надежности защиты контактной сети (рис. 4.2). Аппаратура телеблокировки АТВ резер- вирует защиту первой ступени дистанционной защиты на подстанциях и постах секци- Рис. 4.2. Структурная схема телеблокировки выключателей контактной сети 95
онирования ПС, ускоряет отключение в зоне действия второй ступени и обеспечивает защиту контактной сети при выводе ПС из работы. При аварийном отключении выключателя, например, Q1 на подстанции А от первой ступени электронной дистанционной защиты аппаратура телеблокировки АТВ1 передает сигнал на отключение соответствующего выключателя Q3 поста секциониро- вания, присоединенного к той же секции контактной сети СК1, что и отключившийся выключатель Q1 подстанции А. Если первым отключается выключатель поста секциони- рования ПС, то телеблокировка отключает соответствующий выключатель подстанции. В том случае, когда по каким-либо причинам выключатель подстанции не отклю- чается телеблокировкой, сработает с выдержкой времени вторая ступень электронной защиты, контролирующая всю межподстанционную зону. Однако при этом увеличива- ется вероятность пережога контактного провода. На рис. 4.2 представлена структурная схема участка контактной сети с телеблоки- ровкой. Выключатели четырех секций контактной сети СК1—СК4 связаны телеблоки- ровкой попарно: QI—Q3, Q2—Q4, Q5—Q7, Q6—Q8. На участке между подстанцией А и постом ПС в линии связи используется канал связи с несущей частотой Д, а на участке между ПС и подстанцией В — частотойД. Отключение выключателей QI—Q3 осуществ- ляется сигналом частотой Д —45Гц, выключателей Q2—Q4—Д +45 Гц, выключателей Q5—Q7—Д —45Гц и Q6—Q8 — Д +45Гц. Внутри каждого частотного канала с полосой А/для отключения четных и нечетных выключателей используются сигналы двух час- тот, отличающихся друг от друга на 90 Гц. При отключении выключателей на ПС и включении продольных резъединителей QS1 и QS2 их вспомогательные контакты включают ретранслятор US, связывающий устройства АТВ2 и АТВЗ поста. В этом случае на тяговых подстанциях А и В будут попар- но связаны телеблокировкой выключатели QI—Q7 и Q2—Q8. При отключении защи- той Q1 запускается АТВ1 и сигнал на отключение Q7 передается частотой Д —45 Гц на АТВ 2 далее на ретранслятор US (при включенном разъединителе QS1) преобразуется и проходит на АТВЗ, откуда идет сигнал частотой Д —45 Гц на АТВ4, в результате чего отключается выключатель Q7. Для телеблокировки используются линии связи телеуправления ТУ. Каналы ТУ действуют на длине всего диспетчерского круга на частоте Ду, а каналы телеблокиров- ки на частотах Д и Д — только в пределах одной фидерной зоны. На соседних участках (слева от подстанции А и справа от подстанции В) частоты Д и Д могут использоваться повторно. Для устранения взаимного влияния соседних участков на каждой подстанции в линию связи включают заградительные фильтры ZF, а для усиления сигналов ТУ — усилители UW. На рис. 4.1 приемное устройство АТВ находится в цепи 17—12, а передающее — в цепи 43—38. Запуск телеблокировки происходит при срабатывании электронной защи- ты AKZ и замыкании цепи 43—38 между контактами 9—10 AKZ при условии, что контакты повторительного реле KQC замкнуты (выключатель фидера Q включен) и по фидеру протекает ток, превышающий установленную величину токового реле КА (7уст=0,6/ном). Контакт реле KL2 в этой цепи остается замкнутым, пока не сработает устройство АПВ фидера и не замкнется контакт реле KL в цепи 37—34. Устройство АТВ получает питание по цепи 37—38 и передает сигнал на отключение соответствующего выключателя ПС до отключения выключателя Q и размыкания цепи 37—38 его повто- рительным реле KQC или контактом реле КА. Таким образом, работа передающего устройства АТВ на время действия АПВ запрещается. При срабатывании АПВ реле KL замыкает цепи 37—34 реле KL2 и 37—32 реле КТАТВ. Реле времени запуска телеблокировки КТд-pg становится на самоподпитку через контакт в цепи 39—32, а реле запрета телеблокировки KL2 размыкает цепь 43—38. Реле КТдпв будет возбуждено до тех пор, пока его катушку не шунтирует контакт с выдерж- кой времени. При этом реле КТАПВ отключается и отключает реле KL2. Но до этого 96
-110 В 24 Рис. 4.3. Схема управления выключателем поста секционирования момента реле КТАПВ замкнет своим проскальзывающим контактом цепь 41—36, кон- такт повторительного реле KQC в этой цепи замкнут при успешном АПВ. Устройство АТВ в цепи 37—38 вторично получит питание и передаст сигнал для включения отклю- чившегося выключателя ПС, который не имеет своей схемы АПВ. При неуспешном АПВ выключателя Q его повторитель KQC разомкнет цепь 37—38 до того, как она будет замкнута контактом реле КТАПВ. Устройство АТВ в этом случае вторично запущено не будет. На посту секционирования устройство телеблокировки АТВ при получении сигнала с тяговой подстанции через трансформатор Т2 отпирает тиристоры VS1 и VS2 (рис. 4.3). При включенном выключателе ПС создается цепь 1—VS1— VS2—KQC—Q2—YAT— 4, че- рез катушку отключения УАТ проходит ток, выключатель отключается. После успешного АПВ на подстанции приходит второй сигнал на ПС, приводя- щий к повторному отпиранию тиристоров и замыканию цепи 1—2 через замкнутый контакт повторительного реле KQT. Катушка контактора включения выключателя КМ получает питание, выключатель ПС включается повторно. Включение и отключение выключателя ПС может осуществляться кнопками SBC и SBT при нахождении персонала на посту или по телеуправлению энергодиспетчером (цепи телеуправления на рис. 4.3 не показаны). Передающее устройство телеблокировки (рис. 4.4) состоит из блока управления передачей АТВ и передатчика частотно-модулированных сигналов ЧМПер. В передатчик входят: частотный генератор GF, вырабатывающий частоту f ±45Гц; модулятор UB, изменяющий частоту работы генератора f— 45Гц на f +45Гц; полосовой фильтр ZF, пропускающий полосу частот Д/; выходной усилитель мощности UW, обеспечивающий необходимую мощность сигнала; линейный блок UV, обеспечивающий связь передат- чика ЧМПер с линией связи. Блок управления передачей при сраба- тывании защиты фидера запуска- ет в работу генератор GF и через модулятор UB задает частоту его работы в зависимости от номера выключателя f — 45Гц или/+45Гц. Частотный сигнал через фильтр ZF поступает на выходной усили- тель UW, где усиливается до не- обходимого уровня и через линей- Рис. 4.4. Структурная схема передающего и приемного устройств телеблокировки 7-6086 97
ный блок UV поступает в линию связи. Время передачи сигнала определяется блоком управления АТВ. Приемное устройство телеблокировки (см. рис. 4.4) состоит из приемника частот- но-модулированных сигналов ЧМПр и блока исполнения АТВ. В приемник входят: линейный блок UV, обеспечивающий связь приемника ЧМПр с линией связи; поло- совой фильтр ZF, пропускающий полосу частот Д/; усилители-ограничители UW1 и UW2, усиливающие поступающий с линии связи сигнал и ограничивающие его с большой и малой амплитудой; демодулятор UR, преобразующий поступающий сигнал в импульсы постоянного тока. Сигнал, поступивший из линии связи через линейный блок UV и фильтр ZF, проходит на усилитель UW1. Последний усиливает ослабленный сигнал и одновременно защищает приемник от помех. Далее сигнал поступает на уси- литель-ограничитель UW2, который не пропускает импульсы длительностью менее 15 мс (длительность частотного импульса телеблокировки составляет не менее 70 мс). Демодулятор UR расшифровывает сигнал (по его частоте определяется выключатель, который нужно отключить) и дает информацию в блок исполнения АТВ, замыкаю- щий оперативные цепи соответствующего выключателя поста секционирования, а при необходимости осуществляет ретрансляцию команды в устройство телеблокировки со- седней секции контактной сети. 4.4. Испытание контактной сети постоянноао тока до АПВ Применение на фидерах контактной сети испытательных устройств, позволяю- щих отличать режим КЗ от перегрузок, дает возможность исключить оперативные и повторные включения выключателей фидеров на короткое замыкание. На фидерах кон- тактной сети переменного тока в качестве устройств, разрешающих или запрещающих АПВ, используются реле напряжения, контролирующие величину напряжения в кон- тактной сети после отключения фидера. На фидерах контактной сети постоянного тока устанавливают испытатели корот- ких замыканий (ИКЗ), которые постоянно контролируют состояние контактной сети. При КЗ напряжение в контактной сети практически мгновенно снижается до нуля, а в случае перегрузки спадает постепенно, что фиксирует ИКЗ и соответственно запрещает или разрешает включение выключателя. Испытатель коротких замыканий (рис. 4.5) представляет высоковольтную вып- рямительную установку UDN, состоящую из двух диодных ветвей: испытательной зш Рис. 4.5. Схема испытателя коротких замыканий ИКЗ
2VD1—2VD12 и компенсационной 1VD1 —1VD12; двух трансформаторов: испыта- тельного Т1 и измерительного Т2. Выпрямительная установка UDN присоединяется к фидеру контактной сети через предохранитель FU. Если фидерные выключатели QF1 и QF2 включены, то к диодам UDN приложено в обратном направлении полное выпрямленное напряжение 3,3 кВ, что исключает протекание по диодным ветвям токов и При отключении выключателей QF1 и QF2 в обмотках якорей тяговых двигателей элекгроподвижного состава ЭПС, движущегося по инерции, возникает ЭДС в результате остаточного магнитного потока. ЭДС имеет ту же полярность, что и рабочее напряжение контактной сети, запирает диоды, UDN не реагирует на отключение QF1 и QF2. При отсутствии КЗ напряжение в контактной сети спадает постепенно, в течение 2-3 с оно превышает 250—300 В. Так как напряжение на вторичной обмотке трансформатора Т1 равно 200 В, то в течение 2-3 с токи /] и /2 в диодных ветвях UDN будут отсутствовать. При отсутствии тока /2 во вторич- ной обмотке трансформатора Т2 ЭДС не наводится, а значит нет запрета АПВ. При КЗ в контактной сети напряжение, создаваемое двигателями ЭПС, спадает прак- тически мгновенно, при этом открываются диодные ветви и возникают токи 1\ и /2. От трансформатора Т1 ток /2 протекает по первичной обмотке трансформатора Т2, создавая во вторичной обмотке напряжение, запрещающее АПВ или оперативное включение. И КЗ осуществляет контроль состояния контактной сети по остаточному сопротив- лению 7?ост между контактам проводом КП и рельсом. Если оно значительно (напри- мер, при включенных вспомогательных машинах или печах отопления неподвижного ЭПС, когда остаточная ЭДС отсутствует), токи /; и /2 не достигают больших значений и во вторичной обмотке трансформатора Т2 наводится малая ЭДС, разрешающая АПВ. Установленная величина тока ИКЗ зависит от значения Аост, принятого в качестве кри- тического /?ост кр в зависимости от которого запрещается АПВ (при 7?ост < ^qCT кр) или разрешается (при /?ост > 7?ост кр). Контроль состояния контактной сети в отключенном состоянии с помощью ИКЗ ведется непрерывно при включенных разъединителях фидера контактной сети: линей- ном 08л и мачтовом QSM. Такой контроль предотвращает оперативное включение вык- лючателей QF1 и QF2 на КЗ, сохранившееся в контактной сети. 4.5. Устройство автоматики фидеров контактной сети постоянноао тока Бесконтактное устройство фидерной автоматики БФАК-81. Это устройство обеспечи- вает двукратное АПВ выключателей QF1 и QF2 фидера контактной сети с предваритель- ным испытанием ее на отсутствие короткого замыкания с помощью ИКЗ. На рис. 4.6 приведена схема устройства АПВ, на которой стрелками показано направление хода про- цессов. На выходах элементов проставлены потенциалы (+FK и — Ек), соответствующие исходному состоянию схемы, когда двоичный счетчик СТ находится в нулевом состоя- нии (триггеры Tl, Т2 и ТЗ в состоянии 0), и отсутствию КЗ в контактной сети. При КЗ в контактной сети выключатели QF1 и QF2 отключаются, а разъедините- ли QSj, и QSM остаются включенными и через них испытатель коротких замыканий U DN получает информацию о состоянии контактной сети. Испытатель UDN переклю- чает модуль ДС-ЗК, что приводит к переключению логических схем 1 И—НЕ — 4И—НЕ. С их выходов потенциал +.ЕК поступает на логическую схему И5 и реле сигнализации испы- тателя KHU, а на схему И1 и транзисторный каскад задержки ТЗК-1 — потенциал (—Ек). Автоматическое отключение выключателей фидера при КЗ приводит к замыканию цепи «Пуск АПВ» контактом реле KL4 (повторительного реле выключателей фидера). Контакты реле KL6 и KL2 в этой цепи уже замкнуты. Реле KL6 размыкает цепь только на время оперативного включения выключателей, а реле KL2 — после оперативного отключения. Замыкание цепи «Пуск АПВ» приводит к разряду конденсаторов: С1 на 99
Рис. 4.6. Схема бесконтактной фидерной автоматики типа БФАК-81 счетчик импульсов СТ; С2 на мультивибратор G. Счетчик СТ переключается из со- стояния 0 в 1 (триггер Т1 переходит в состояние 1, триггеры Т2 и ТЗ остаются в состоянии 0).Мультивибратор G работает непрерывно и к моменту пуска автоматики может находиться в любом состоянии, разряд конденсатора С2 устанавливает его в исходное состояние. Предварительный заряд конденсатора С1 происходит по цепи: +ЕК— VD3—Cl—R1—(—2^), а конденсатора С2 — по цепи: +£к—VD4—С2—R2—(-Ек). Переключение счетчика СТ в состояние 1 приводит к появлению на его выходе 0 потенциала +ЕК, который запирает схему 7И—НЕ, с ее выхода на вход схемы И7 поступает потенциал — Ек. До этого момента схема И7 не пропускала импульсы с муль- тивибратора G на вход счетчика СТ. Теперь импульсы будут проходить через схему И7 и переключать счетчик СТ, пока он не сделает полный цикл переключений. В нулевой позиции счетчика на вход схемы 7И—НЕ поступит вновь потенциал ~ЕК, на ее выходе появится потенциал +ЕК, который запрет схему И7, пропуск импульсов на счетчик СТ прекратится, он остановится до следующего пуска автоматики. На первой позиции счетчика на схему И1 поступает потенциал — Ек со счетчика и схемы ЗИ—НЕ. С выхода схемы И1 на вход триггера блокировки ТБ подается потенциал —Ек, разрешая подготовку триггера к переключению. При переключении счетчика во вторую позицию со схемы И1 на ТБ подается потенциал +ЕК, триггер переключается и запирает потенциалом +ЕК схемы И4, И6, И5, запрещая АПВ на четвертой и шестой позициях счетчика и оперативное включение через схему И5. С выхода ТБ потенциал +ЕК через диод VD5 и резистор R3 поступает на управляющий электрод тиристора VS, который открывается. Реле сигнализации KHU испытателя короткого замыкания воз- буждается, сигнализируя о наличии КЗ в контактной сети, а светодиод HL1 на лицевой панели устройства автоматики загорается. При остановке двоичного счетчика после полного цикла переключений в нулевой позиции с его выхода на схему ИО поступает потенциал — Ек, через контакты реле KL2 и KL4 — потенциал — £б. С выхода схемы ИО на вход схемы 6И—НЕ подается потенци- ал —Ек, переключая последнюю. На выходе схемы 6И—НЕ появляется потенциал +ЕК, реле аварийной сигнализации КНА возбуждается и загорается светодиод HL2, сигна- лизируя обслуживающему персоналу об аварийном отключении фидера. 100
Отключение выключателей при перегрузке, как и при КЗ, приводит к замыканию цепи «Пуск АПВ» и разряду конденсаторов С1 на счетчик СТ и С2 на мультивибратор G. Мультивибратор G устанавливается в исходное положение, а счетчик СТ— в состо- яние 001. С первого выхода счетчика на схему И1 подается потенциал — Ек, на другой вход схемы с выхода схемы ЗИ—НЕ поступает потенциал +ЕК, так как при перегрузке испытатель UDN не переключается. Этот потенциал через И1 будет подаваться на триг- гер блокировки ТБ, состояние которого сохранится на весь цикл переключения счет- чика, и он будет разрешать АПВ выключателей фидера. Первое повторное включение происходит на четвертой позиции счетчика, когда с его выхода 4 на схему И4 поступит Потенциал — Ёк и через нее на схему 5И—НЕ. Транзисторный каскад схемы 5И—НЕ при этом открывается, на реле включения КСС подается потенциал +ЕК, оно возбуждается и включает выключатели фидера. При ус- пешном включении повторительное реле KL3, замыкая свои контакты, подает потен- циал +£к на схемы И4, И6 и И5, запрещая через них последующие включения. Если первое повторное включение окажется неуспешным, то контакт реле KL3 будет разомкнут и на шестой позиции счетчИка по цепи через схему И6 будет осуществ- лена вторая попытка включения выключателей. Если же и она окажется неуспешной, то на нулевой позиции счетчика через схему ИО получит питание реле сигнализации ава- рийного отключения КНА, которое будет сигнализировать о неуспешном АПВ. Если одна из попыток АПВ окажется успешной, то контакт реле KL4 разомкнется и снимет потенциал — Ек со схемы ИО, транзисторный каскад схемы 6И—НЕ останется заперт и реле КНА не сработает. Оперативное включение выключателей фидера осуществляется с помощью реле KL5, при замыкании контактов которого на схему И5 поступает потенциал — Ек. Если в кон- тактной сети отсутствует КЗ, то со схемы 2И—НЕ на схему И5 также поступает потен- циал —Ек, разрешая включение. С выхода схемы И5 потенциал — Ек подается на схему 5И—НЕ, транзисторный каскад которой, отпираясь, подает потенциал +ЕК на реле включения КСС. Потенциал —Еб подается на КСС через замкнутый контакт реле KL2, которое фиксирует команду включения. Реле КСС возбуждается и включает выключате- ли. До включения выключателей возбужден их обратный повторитель KL4, который своим замкнутым контактом создает цепь от — Ек к схеме ИО. Чтобы при оперативном включении не сработало реле КНА, на время включения реле KL5 подает потенциал +ЕК на схему ИО. При отключении фидера под действием земляной защиты РУ-3,3 кВ тяговой подстан- ции замыкается контакт промежуточного реле KL1 и подается потенциал +ЕК на схемы И4, И6, И5, запрещая автоматическое и оперативное включение выключателей фидера. Каскад транзисторной задержки ТЗК-1 обеспечивает выдержку времени, не да- вая схемам 2И—НЕ, ЗИ—НЕ, 4И—НЕ мгновенно возвращаться в исходное состояние после устранения КЗ в контактной сети. Конденсатор ТЗК-1 начинает заряжаться при КЗ в контактной сети, в результате чего на выходе 1И—НЕ появляется потенциал — Ек. Когда же после устранения КЗ на этом выходе вновь появляется потенциал +ЕК, схема 2И—НЕ не переключится, так как от ТЗК-1 на другой ее вход будет подаваться потен- циал —Ек в течение времени разряда конденсатора. Схема вторичной коммутации фидера контактной сети (рис. 4.7). На фидере контак- тной сети (рис. 4.7, а) установлены два быстродействующих выключателя QF1 и QF2 типа ВАБ-43 или ВАБ-49, три разъединителя: шинный ОБШ, линейный ОБЛ и мачтовый QSM, а также обходной разъединитель QSO, связывающий фидер с запас- ной шиной ЗШ. Заземляющие ножи QSGI и QSG2 управляются общим приводом и сблокированы с разъединителями QS1H и QSj,. Включение выключателей осуществ- ляют включающие катушки YAC1 и YAC2, питание на которые подается от шин включения EY при замыкании контактов контакторов включения КМ1 и КМ2. Кон- троль тока фидера осуществляет амперметр РА, подключаемый к фидеру через шунт 101
Рис. 4.7. Схема управления фидером контактной сети постоянного тока: а — схема фидера контактной сети; б — схема вторичной коммутации фидера RS. Испытатель коротких замыканий UDN подключается к фидеру через предохра- нитель FU. Оперативное включение выключателей фидера QF1 и QF2 (рис. 4.7, б) осуществля- ется замыканием кнопкой включения SBC цепей 15—10, 15—12 и 15—14 или контак- том реле телеуправления КСС2 цепей 17—10, 17—12 м 17—14. При этом возбуждаются реле фиксации команды KQQ, реле включения выключателей КСС1 и реле KL5 уст- ройства БФАК. Контакты KQQ и КСС1 замыкают цепь 1—24 держащих катушек YAT1 и YAT2 выключателей на время их включения, когда размыкаются контакты QF1 и QF2 в цепи 3—24 и замыкаются QF1 и QF2 в цепи 1—24. Реле фиксации KQQ замыкает цепь 11—10, реле KL2 возбуждается и замыкает свои контакты в схеме БФАК (рис. 4.8). Контакт реле KL5 при замыкании подает потен- циал —Eq на резистор Rl 1 схемы И5, а через диод VD18 и резистор R12 на КСС. При отсутствии на фидере КЗ на диоды схемы И5 подаются потенциалы — Ек с триггера блокировки ТБ и схемы 2И—НЕ. На вход 29 схемы 5И—НЕ поступает потен- циал —Eq через контакт KL5—Rll—VD15. Транзисторный каскад схемы 5И—НЕ отпи- рается, с ее выхода 11 на реле включения КСС подается потенциал +ЕК. Реле КСС возбуждается и замыкает цепи 7—2 и 7—6 (см. рис. 4.7, б) контакторов КМ1 и КМ2, которые в свою очередь замыкают цепи катушек включения YAC1 и YAC2 фидерных выключателей QF1 и QF2, и последние включаются (см. рис. 4.7, а). Блок-контакты выключателей QF1 и QF2 замыкают цепь 23—18 повторитель- ного реле KQF. Его контакты размыкают цепь 27—22 зеленой лампой HLG и замы- 102
Рис. 4.8. Схема устройства БФАК-81 103
кают цепи: 25—20 красной лампы HLR; 13—10 реле, KL3, контакт которого в схеме БФАМ (см. рис. 4.8) шунтирует катушку реле KL4. Реле KL4 размыкает цепь «Пуск АПВ» и снимает потенциал — Eq с резистора R8 схемы ИО, а также подает потенциал +ЕК на схемы И4, И6, И5, запрещая включение реле КСС при включенных выклю- чателях фидера. Автоматическое отключение выключателей QF1 и QF2 при перегрузке (см. рис. 4.7, б) приводит к размыканию цепи 23—18 и отключению повторителя KQF, который снима- ет питание с реле KL3 в цепи 13—10, размыкает цепь 25—10 красной лампы HLR и замыкает цепь 29—22 мигания зеленой лампы. Реле KL3, отключившись, дешунтирует катушку реле KL4 (см. рис. 4.8) и снимает потенциал +Е со схем И4, И6, И5, разре- шая работу КСС. Реле KL4 возбуждается и замыкает цепь «Пуск АПВ» (контакты KL2, KL6 замкнуты), другой контакт KL4 подключает R8 схемы ИО к шине — Eq. При замыкании цепи «Пуск АПВ» происходит разряд конденсаторов С1 и С2 на мультивибратор G, двоичный счетчик СТ и триггер блокировки ТБ. Мультивибратор устанавливается в исходное состояние, триггер ТБ — в нулевое, а счетчик переклю- чается в состояние 001. С выхода 19 триггера Т1 счетчика потенциал +£к подается на вход схемы 7И—НЕ, запирая транзисторы этой схемы. С выхода 12 схемы 7И—НЕ потенциал — Ек поступает на схему И7, разрешая импульсам с мультивибратора G проходить на счетчик СТ. Счетчик переключается до четвертой позиции, на которой на диоды схемы И4 посту- пают потенциалы — Ек и — Eq. Потенциал — Eq через резистор R10, диод VD14 поступает на вход 29 схемы 5И—НЕ, транзисторный каскад которой отпирается, реле КСС получает питание по цепи: 11— КСС—R12—VD18—VD17—KL2—(~Eq). Возбудившись, реле КСС включает выключатели QF1 и QF2, а контакт их повторителя KQF замыкает цепь 13—10 реле KL3 (см. рис. 4.7, б). Контакт реле KL3 в схеме БФАК шунтирует катушку KL4 и подает потенциал +Е^ на схему И6, запрещая работу реле КСС на шестой позиции счетчика. Если первая попытка АПВ оказывается неудачной, то на шестой позиции счетчика со входов 26, 15 и 14 схемы 5И—НЕ будут сняты потенциалы +£к, что приведет к отпиранию транзис- торного каскада этой схемы. На выходе 11 схемы 5И—НЕ появляется потенциал +ЕК, реле КСС получит питание и осуществит вторую попытку включения фидера. Если вторая попытка также окажется неудачной, то на нулевой позиции счетчика на вход 16 схемы 6И—НЕ поступит потенциал — Eq через контакты реле KL2, KL4, резистор R8, диод VD13. Это приведет к отпиранию транзисторного каскада VT1—VT2 через диоды VD5 и VD4 и срабатыванию реле аварийной сигнализации КНА. Если же включение фидера будет удачным, то реле KL3, получив питание по цепи 13—10, шун- тирует своим контактом в схеме БФАК катушку реле KL4, которое обесточивается и размыкает своим контактом цепь, по которой потенциал — Eq подается на схему ИО. Транзисторный каскад схемы 6И—НЕ остается закрытым, реле КНА не получает пита- ние, что свидетельствует об удачном включении фидера. Автоматическое отключение выключателей QF1 и QF2 при КЗ приводит к замыка- нию цепи «Пуск АПВ» и переключению UDN, в результате чего на выходе схемы ЗИ- НЕ появляется потенциал — Ек. На первой позиции счетчика на диоды схемы И1 пода- ются с триггеров счетчика СТ потенциалы — Ек, происходит заряд конденсатора СЗ через транзистор VT2 , и диоды VD6 и VD8 триггера блокировки, а также через рези- стор схемы И1. При переключении счетчика во вторую позицию на выходе схемы И1 появляется потенциал +Е*, что приводит к разряду конденсатора СЗ на базу транзистора VT2 триггера ТБ, который переходит в состояние блокировки. С выхода 22 триггера блокировки ТБ на схемы И4 и И6 поступает потенциал +ЕК, запрещающий отпирание транзисторного кас- када схемы 5И—НЕ на 4-й и 6-й позициях счетчика, а следовательно, и повторное вклю- чение выключателей. На нулевой позиции счетчика срабатывает реле КНА, сигнализирую- щее об аварийном отключении фидера, а реле KHU сигнализирует о КЗ на фидере. 104
Вывод устройства автоматики из работы осуществляется отключением ключа автоматического управления SA, которое приводит к подаче потенциала +£к на входы 3 схемы 4И—НЕ и 16 схемы 6И—НЕ, выводу из работы реле КНА и KHU (см. рис. 4.8), отключению реле KL1, KL2, KL3 и KL5 от шины -ЕС (см. рис. 4.7). Размыкание контактов SA в цепях 7—2 и 7—6 и замыкание в цепях 5—2 и 5—6 позволяет включать выключатели фидера без проверки состояния контактной сети. При этом замыкание цепей 15—12 кнопкой SBC или 17—12 контактом реле включения по телеуправлению КСС2 приводит к включению реле КСС1, которое своими контактами замыкает цепи 5—2 и 5—6 контакторов КМ1 и КМ2, а они в свою очередь — цепи включающих катушек YAC1 и YAC2 выключателей QF1 и QF2 фидера контактной сети. Оперативное отключение выключателей QF1 и QF2 осуществляется путем замы- кания цепей 19—16кнопкой отключения SBT или 21—16 контактом реле отключения по телемеханике КСТ. При этом реле фиксации KQQ отключается, размыкает своими контактами цепи 1—24 держащих катушек YAT1 и YAT2, 11—10 реле KL2 и 29—22 мигания лампы HLG. Держащие катушки обесточиваются, происходит отключение вык- лючателей. Реле KL2, потеряв питание, размыкает свои контакты в цепи «Пуск АПВ» (см. рис. 4.8), снимает потенциал — £б с реле КСС и схемы ИО. При отключении вык- лючателей QF1 и QF2 размыкается цепь 23—18 повторительного реле KQF, которое размыкает цепь 13—10 реле KL3 и замыкает цепь 27—22 зеленой лампы HLG, в кото- рой уже замкнут контакт KQQ. Лампа горит ровным светом, сигнализируя об опера- тивном отключении фидера. 4.6. Автоматика постов секционирования Посты секционирования контактной сети (ПС) располагаются между тяговыми подстанциями, как правило, в середине межподстанционной зоны для повышения чув- ствительности защиты контактной сети, а также для соединения контактных подвесок двух и более путей многопутных участков друг с другом с целью снижения потерь элек- троэнергии и напряжения в тяговой сети. На постах секционирования предусматривает- ся автоматическое повторное включение выключателей после их автоматического от- ключения. На постах секционирования переменного тока АПВ выключателей осуще- ствляется обычно с помощью устройства РПВ-58, работа которого описана ранее в главе 3. На посту секционирования ПС постоянного тока (рис. 4.9, а) поляризованные быстродействующие выключатели QF1—QF4 обеспечивают защиту, а также переклю- чение под нагрузкой фидеров поста секционирования, подключенных к контактной сети разъединителями QS1—QS4. Для контроля за наличием напряжения на секциях контактной сети СК1—СК4 применяются реле напряжения KV1—KV4, подключаемые к фидерам через предохранители FU1—FU4. Для ограничения токов в реле используют- ся добавочные резисторы Rl„—Д4д. Защита аппаратуры ПС от перенапряжений обеспе- чивают разрядники FV1—FV4. Схема автоматики ПС, представленная на рис. 4.9, б, является одной из разновид- ностей схем, применяемых на Московской железной дороге. Она обеспечивает незави- симое АПВ (НАПВ), выполняемое с помощью устройства РПВ-58, зависимое мгновен- ное АПВ (МАПВ), осуществляемое промежуточным реле KLM, и зависимое АПВ с вы- держкой времени, которую обеспечивает реле времени КТ1. Независимое АПВ вводится в работу по телеуправлению энергодиспетчером замыканием цепи 11—10 контактом реле включения КССН. Реле включения НАПВ KLH получает питание, становится по цепи 13—10 на самоподпитку и замыкает цепь 15—14 заряда конденсатора С. Выводится НАПВ из работы размыканием цепи 13— 10 контактом реле отключения по телеуправлению КСТН или снятием напря- жения с шины +110 В кнопкой отключения SBT или контактом промежуточного реле земляной защиты KL,,. 105
Рис. 4.9. Схема автоматики поста секционирования постоянного тока: а — схема поста секционирования; 6 — схема вторичной коммутации поста Заряд конденсатора С по цепи 15—14 начинается после включения выключателя фидера QF1, который своим блок-контактом замыкает цепь 9—8 повторительного реле KQF1. Реле KQF1 замыкает цепь 15—14 и размыкает цепь 15—12. После заряда конден- сатора НАПВ готово к действию. При автоматическом отключении выключателя QF1 его повторитель KQF1 раз- мыкает цепь 15—14 и замыкает цепь 15—12, по которой получает питание реле вре- мени КТ. С выдержкой времени реле КТ замкнет цепь разряда конденсатора С на шунтовую катушку КЬШ промежуточного реле. Реле KL возбуждается и замыкает цепь 17— 4(17— QF—KLC—KL—16— 6— KBS—КМ1 —4). По цепи 17—4 получает пита- ние контактор КМ1, который замыкает цепь включающей катушки YAC1. В резуль- тате этого произойдет повторное включение выключателя QF1 независимо от состо- яния контактной сети. Если включение окажется неудачным, то следующего вклю- чения не будет, т.к. конденсатор С разряжен. Зависимое АПВ с выдержкой времени запускается по цепи 17—20 после от- ключения выключателя QF1 и восстановления напряжения на отключившейся сек- ции контактной сети CKI путем включения на тяговой подстанции фидерных вык- лючателей. Блок-контакт QF1 отключившегося выключателя и контакт реле напря- жения KV1 при появлении напряжения на СК1 замыкают цепь 17— 20 реле време- ни КТ1 зависимого АПВ, которое с выдержкой замыкает цепь 7— 4 контактора КМ 1. Последний подает питание на катушку включения YAC1 выключателя QF1, который включается повторно. Мгновенное АПВ используется для быстрого включения выключателя фидера, от- ключившегося от тока перегрузки при условии, что на отключившейся секции сохра- нилось напряжение (реле KV1 возбуждено) и пост секционирования отключился час- 106
тично, т.е. часть выключателей осталась включенной. При этом их повторительные реле в цепи промежуточного реле МАПВ KLm частично шунтируют резисторы 1R—4R и ток в катушке KLM достаточен для удержания его в возбужденном состоянии. Цепь 17—4 (17— QF1—KV1—KLM—KBS—КМ 1—4) замыкается, контактор КМ1 включает повтор- но выключатель QF1 и размыкает цепь 17—4 своим блок-контактом. При полном отключении ПС контакты повторителей дешунтируют резисторы 1R—4R, ток в катушке KLM снижается и становится недостаточным для удержания реле в возбужденном состоянии. Последнее размыкает цепь 17—4 контактом KLM, запрещая МАПВ всех выключателей ПС. Включение реле KLM происходит после вклю- чения всех четырех выключателей ПС, повторители которых шунтируют свои рези- сторы 1R—4R. В момент включения выключателя, когда ток протекает по его вклю- чающей катушке YAC1 реле блокировки КВ размыкает цепь KLM, запрещая МАПВ выключателей всех фидеров. Вывод устройства МАПВ из работы осуществляется от- ключением ключа SA. Оперативное включение выключателя QF1 фидера ПС осуществляется замыканием цепей 3—4 кнопкой SBC или 5—4 контактом реле включения по телеуправлению КСС. Катушка контактора КМ1 получает питание и он замыкает цепь катушки включения YAC1, включая выключатель QF1. Последний своим блок-контактом QF1 шунтирует катушку КМ1, ток в катушке реле блокировки KBS увеличивается, оно возбуждается и вторично шунтирует своим контактом катушку реле КМ1. Реле KBS запрещает повтор- ное включение контактора КМ1 и выключателя QF1 при его автоматическом отключе- нии в момент включения. Это необходимо в связи с тем, что контакты SBC в цепи 3—4 или КСС в цепи 5—4 после замыкания несколько секунд могут оставаться замкнутыми и при отсутствии блокировки выключатель может включиться на КЗ несколько раз. Оперативное отключение выключателя QF кнопкой SBT или автоматическое — земляной защитой приводит к снятию напряжения с шины +110 В контактами SBT или KL33, прекращению питания держащей катушки YAT и цепей автоматики повторного включения. При отключении секции контактной сети СК1 по телеуправлению энерго- диспетчер должен сперва отключить фидер тяговой подстанции, питающий СК1, затем выключатель QF1 ПС. Контакты реле отключения по телеуправлению КСТ размыкают цепь 1—2 держащей катушки выключателя и замыкают цепь разряда конденсатора С НАПВ на резистор R3, выводя НАПВ из работы. После отключения QF1 напряжение на секции СК1 исчезает, и реле KV1 размыкает цепи 17—18 МАПВ и 17— 20 зависимого АПВ с выдержкой времени. Таким образом, при оперативном отключении все виды АПВ выводятся из работы. 4.7. Автоматика пунктов параллельного соединения Пункты параллельного соединения (ППС) устанавливают между тяговыми под- станциями и постами секционирования для соединения контактных подвесок двух пу- тей. При таком соединении обе подвески работают параллельно на тяговую нагрузку обоих путей независимо от количества поездов на каждом из них. Этим снижаются потери электроэнергии в контактной сети. Недостатком применения ППС является усложнение тяговой сети и защиты ее от токов КЗ. Среднее количество отключений ППС на грузонапряженных линиях может составлять несколько десятков в месяц. Каждое отключение приводит к скачкообразно- му добавлению нагрузки на оставшиеся в работе фидеры тяговых подстанций, а следо- вательно, увеличивается вероятность отключения их выключателей. Если же выключа- тель ППС при КЗ в контактной сети не отключится, подвески двух путей продолжают работать параллельно, при этом фидерные выключатели подстанции не отключаются, возникает опасность отжига проводов при протекании длительного недопустимого тока и нагрева им проводов. 107
Рис. 4.10. Схема пункта параллельного соединения постоянного тока (а) и и схема управления разъединителем ППС (6) Схема ППС постоянного тока (рис. 4.10, а). Контактные подвески двух путей со- единяются быстродействующим выключателем QF типа ВАБ-28. Для контроля наличия напряжения в подвесках обоих путей применяются высоковольтные реле контроля на- пряжения KSV1 и KSV2. Защита оборудования ППС от перенапряжений осуществляется разрядниками FV1 и FV2. Для подключения ППС к контактным подвескам служат разъе- динители QS1 и QS2 с дистанционным управлением и заземляющими ножами QSG1 и QSG2. Для автоматического отключения выключателя QF используются токовое диф- ференциальное шунтовое реле KAD и токовое реле земляной защиты КА33. Включение ППС происходит в следующем порядке: по телеуправлению включаются разъединители QS1 и QS2; при наличии напряжения в контактных подвесках обоих путей возбуждают- ся реле контроля напряжения KSV1 и KSV2; быстродействующий выключатель QF вклю- чается автоматически после возбуждения реле KSV1 и KSV2. Схема управления разъединителем ППС (рис.4.10, б). Эта схема позволяет включать разъединитель при замыкании цепи 77—2 контактом реле КСС или кнопкой SBC при замыкании цепи 9—2. Токи в этих цепях возникают при условии, что блок-контакт QSG замкнут ( заземляющие ножи QSG1 и QSG2 отключены), а также замкнут блоки- ровочный контакт SBB крышки привода (крышка закрыта). Ток протекает по обмотке двигателя М и обмотке его возбуждения LM, двигатель вращается и включает разъеди- нитель. В конце процесса включения специальная шайба на валу привода своим высту- пом переключает контакты SAB1 и SAB2, цепь 11—2 размыкается, двигатель останав- ливается. Переключатель своими контактами SAB1 и SAB2 размыкает цепь 7—2 повто- рителя отключенного положения разъединителя KQST и замыкает цепь 7—2 через по- вторитель включенного положения KQSC, одновременно подготавливает цепи отклю- чения: 7—2 кнопкой отключения SBT; 3—2 контактором реле отключения по телеуп- равлению КСТ; 5—2 контактом промежуточного реле земляной защиты KL33. При замыкании цепи отключения ток через обмотку возбуждения двигателя LM протекает в противоположном включению разъединителя направлении, поэтому дви- гатель вращается в обратном направлении, отключая разъединитель. В конце процесса отключения контакты переключателя SAB1 и SAB2 размыкают цепь отключения и за- мыкают цепи включения. Через них протекает ток по цепи 7—2 повторителя отключен- ного положения разъединителя KQST. 108
Рис. 4.11. Схема вторичной коммутации выключателя ППС Схема вторичной коммутации выключателя ППС (рис. 4.11). После включения разъе- динителей QS1 и QS2 их повторители KQSC1 и KQSC2 замыкают своими контактами цепь 75—10. Контакт KQF повторителя выключателя QF в этой цепи при отключенном выключателе замкнут, так как катушка KQF в цепи 7—6 получает питание через блок- контакт выключателя QF. Если напряжение имеется в подвесках обоих путей, то реле контроля напряжения KSV1 и KSV2 возбуждаются, их контакты замыкают цепь 5—4 промежуточного реле контроля напряжения KLV, оно замыкает своим контактом цепь 15—10. Реле времени КТ получает питание и с выдержкой замыкает цепь 17—16 своим проскальзывающим контактом, по катушке контактора КМ протекает ток, он замыка- ет цепь 7—2 держащей катушки YA выключателя ВАБ-28. Катушка YA выполняет роль включающей катушки, выключатель QF включается. Его повторитель KQF в цепи 7—6 теряет питание, размыкает цепь 15—12 катушки КТ. Если выключатель не включился по каким-то причинам, то проскальзывающий контакт КТ через определенное время ра- зомкнет цепь 17—16 и снимет питание с контактора КМ, который отключит держащую катушку YA и предотвратит ее недопустимый нагрев. Отключение выключателя QF происходит при исчезновении напряжения в под- веске одного из путей и размыкании контактом KSV1 или KSV2 цепи 5—4. В результате этого реле KLV, обесточившись, замыкает цепь 23—20 реле отключения КСТ. Это реле получает питание также при отключении одного из разъединителей QS1 или QS2, по- вторитель которого KQSC1 или KQSC2 замкнет цепь 25— 20 или 27—20. Реле отключе- ния КСТ, возбудившись, размыкает цепь 3—2 держащей катушки YA, в результате чего выключатель QF отключится. В этой же цепи 3—2 находятся контакты дифференциаль- ного шунтового реле KAD, которое производит отключение выключателя при КЗ меж- ду ППС и ПС, когда ток через KAD резко возрастает. Для отключения малых токов КЗ, протекающих через ППС со стороны ПС, при- меняются токовые реле, реагирующие только на величину тока, в качестве которых используются герконовые реле КА1 и КА2. Когда ток превышает установленное значе- ние, реле срабатывает, замыкая цепь 9— 8 или 77—<? промежуточного реле KL. Контак- ты реле KL размыкают цепь 3—2 держащей катушки выключателя YA. Если при КЗ в удаленной от подстанции точке выключатели поста секционирова- ния не отключились и через ППС протекает ток, недостаточный для срабатывания гер- конных токовых реле КА1 и КА2, а тем более — для реле KAD, то отключение произ- водит потенциальная защита ППС. Для нее в качестве датчика используются реле KSV1 и KSV2, в которых параллельно обмотке включается регулирующая цепь добавочных резисторов, а параллельно части добавочных резисторов — контакты реле KRS и кон- денсаторы. Такая схема включения реле KSV обеспечивает высокий коэффициент воз- 109
врата. Катушка шунтирующего реле KRS находится в цепи 15—14 и получает питание после включения разъединителей, когда их повторители KQSC1 и KQSC2 замыкают цепь 15—14 при отключенном выключателе. Контакты KRS шунтируют часть добавоч- ных резисторов реле KSV, что обеспечивает возбуждение реле. После начала включения выключателя реле КТ, получив питание по цепи 15—10, размыкает цепь 15—14 реле KRS, его контакты, шунтирующие резисторы, размыкаются, ток в обмотке KSV умень- шается, обеспечивая его отключение при снижении напряжения в контактной сети. На ППС устанавливают счетчики, фиксирующие число срабатывания каждой за- щиты, что облегчает анализ работы ППС. Счетчик РС1 получает питание при размыкании контактов KAD в цепи 3—2. Ток в этой цепи становится недостаточным для удержания выключателя во включенном положении, недостаточным для переключения РС1. Счетчик РС2 в цепи 29— 22 фикси- рует отключение ППС от токовых защит при срабатывании реле КА1 и КА2, а счетчик РСЗ в цепи 31—24 — срабатывание потенциальной защиты. В эту цепь дополнительно введен контакт токового герконного реле КАЗ с током срабатывания 500—800 А, разре- шающий работу счетчика до отключения выключателя, когда через ППС протекает ток. Схема ППС переменного тока (рис. 4.12, а). Контактные подвески двух путей со- единяются при включении выключателя Q пункта параллельного соединения. Для кон- троля наличия напряжения в подвесках обоих путей применяются датчики напряже- ния TV1 и TV2 типа ДН-27,5, к которым подключаются реле напряжения KV1 и KV2 типа РН-53/200. Защита оборудования ППС от перенапряжений осуществляется раз- рядниками FV1 и FV2 типа РВМ-35 с регистраторами срабатывания. Для подключе- ния ППС к контактным подвескам служит двухполюсный разъединитель QS с мотор- ным приводом и заземляющими ножами QSG. Для автоматического отключения вык- лючателя Q при больших токах используется токовая защита, реле КА которой под- ключается к трансформатору тока ТА типа ТФЗМ-35А. Рама ППС и вся металлоконст- рукция ППС заземлена на среднюю точку путевого дросселя ближайшего к ППС же- лезнодорожного пути. Рис. 4.12. Схема пункта параллельного соединения переменного тока (о) и схема управления разъединителем ППС (б) НО
Схема управления разъединителем ППС (рис. 4.12, б) позволяет включать разъеди- нитель по телеуправлению при замыкании цепи 9—2 контактом реле КСС или кнопкой SBC при замыкании цепи 7—2. Токи в этих цепях возникают при условии, что выклю- чатель Q отключен и его повторитель KQT (цепь 1—2 на рис. 4.13, а) включен, блок- контакт QSG замкнут (заземляющий нож QSG отключен, а также замкнут блокиро- вочный контакт SBB крышки привода (крышка закрыта). Ток проходит по обмотке двигателя М и обмотке его возбуждения LM через замкнутые контакты SAB1 и SAB2 реверсного переключателя привода. Двигатель при этом вращается и включает разъеди- нитель. В конце процесса включения специальная шайба на валу привода своим высту- пом переключает контакты SABIh SAB2, цепь питания двигателя размыкается и он останавливается. Переключатель размыкает цепь 5—2 повторителя отключенного поло- жения разъединителя KQST и замыкает цепь 5—2 через повторитель включенного поло- жения KQSC, который своим контактом замыкает цепь 13—6 красной лампы HLR. Цепь зеленой лампы HLG 11—4 размыкается контактом KQST. • При замыкании цепи отключения 1—2 кнопкой отключения SBT или 3—2 кон- тактом реле отключения по телеуправлению КСТ ток через обмотку возбуждения дви- гателя LM протекает в противоположном включению разъединителя направлении, по- этому двигатель вращается в обратном направлении, отключая разъединитель. В конце процесса отключения переключаются контакты переключателя SAB1 и SAB2, двигатель останавливается, переключаются повторители KQSC и KQST и сигнальные лампы, загорается зеленая лампа HLG. Схема вторичной коммутации выключателя ППС (рис. 4.13). Оперативное включение выключателя осуществляется замыканием цепи 3—2 кнопкой SBC или цепи 7—2 кон- тактом реле включения по телеуправлению КСС при условии, что разъединитель ППС включен и контакт его повторителя KQSC замкнут. При этом контактор КМ получает питание и замыкает цепь включающей катушки YAC, которая получает питание от выпрямителя UD, выключатель включается. Цепь 1—2реле повторителя отключенного положения KQT размыкается блок-контактом выключателя Q, а цепь 15— 4реле повто- рителя включенного положения KQC замыкается. При этом переключаются контакты повторителей в цепях сигнальных ламп 29—16 и 31—18, красная лампа HLR получает питание, загорается, сигнализируя о включении выключателя. Автоматическое включение выключателя осуществляется по цепи 5—2 при усло- вии, что ключ автоматики SA включен, в контактных подвесках обоих путей есть на- пряжение и контакты реле KV1 и KV2 в цепи 25— 72 замкнуты. С выдержкой времени реле КТ замыкает цепь 27—14 промежуточного реле KL3, которое замыкает цепь 5—2 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Рис. 4.13. Схема вторичной коммутации выключателя ППС: а — цепей постоянного тока; б — цепей переменного тока 111
контактора КМ. После включения выключателя его повторитель KQT обесточивается и размыкает цепь 25—12, а реле времени, потеряв питание, размыкает цепь 27—14 реле KL3. Оперативное отключение выключателя осуществляется кнопкой отключения SBT при замыкании цепи 9—4 или по телеуправлению замыканием цепи 11—4 контактом реле отключения КСТ. Катушка отключения выключателя YAT получает питание и вык- лючатель отключается и переключает повторители: KQC обесточивается при размыка- нии цепи 15—4, a KQT получает питание по цепи 1—2. Контакт KQT замыкает цепь 29—16 зеленой лампы HLG, красная лампа HLR гаснет при размыкании цепи 31—18 контактом повторителя KQC. Автоматическое отключение выключателя происходит по цепи 13—4 при сра- батывании токовой защиты и замыкании цепи 17—6 токовым реле КА или по цепи 7—4 при условии, что разъединитель QS включен и контакт его повторителя в цепи 7—4 замкнут, а напряжение в контактной подвеске отсутствует (замкнута цепь 21—10 или 23—10 — контактами реле KV1 или KV2). Реле KL2 получает пита- ние и замыкает цепь 7—4. Срабатывание токовой защиты фиксируется счетчиком отключений PC, который сра- батывает при замыкании цепи 19—8 контактом промежуточного реле KL1 токовой защиты. 4.8. Определение места повреждения контактной сети и высоковольтных линий автоблокировки При устойчивых коротких замыканиях в контактной сети и на высоковольтных линиях автоблокировки необходимо быстро устранить повреждение. Сократить время поиска места повреждения позволяет аппаратура, автоматически определяющая рас- | стояние до места КЗ и передающая результаты измерений энергодиспетчеру по системе | телемеханики. В контактной сети переменного тока и на ВЛ СЦБ ток КЗ достигает установивше- ! гося значения до отключения высоковольтного выключателя. При этом полное сопро- j тивление поврежденного фидера от подстанции до точки КЗ практически равно отно- j шению напряжения фидера £7фкз к току КЗ /фкз j (4.1) Расстояние до места повреждения приблизительно пропорционально сопротивлению II III I iu III wniiui lllllllllll (4.2) Сопротивление 2^3 можно сравнительно просто определить за время протекания тока КЗ. В контактной сети тяговая нагрузка в течение этого времени отсутствует, так как ЭДС тяговых двигателей электровозов, продолжающих двигаться по инерции, превыша- ет напряжение контактной сети и запирает их выпрямители. Существенную погрешность в измерение может вносить наличие между точкой КЗ и подстанцией поста секциониро- вания, поэтому определять расстояние до точки КЗ следует от ближайшей к ней подстан- ции при повторном включении фидера, что обеспечивает консольное питание точки КЗ. Для определения расстояния до места повреждения методом Z применяют аппа- ратуру ОМП-1 (рис. 4.14). В комплект входят: передающие устройства типа КМП-1, устанавливаемые на тяговых подстанциях; приемное устройство типа ДМП-1, разме- щенное на энергодиспетчерском пункте. При повторном включении фидера контактной сети или ВЛ СЦБ со вторичных обмоток измерительных трансформаторов тока и напряжения на входные выпрямитель- 112
a Тяговая подстанция Рис. 4.14. Устройство для определения расстояния до точки КЗ: а — структурная схема аппаратуры ОМ П-1; б — временная диаграмма работы преобразователей ные блоки VD1 и VD2 устройства КМП-1 поступают напряжения, пропорциональные t/ф и /ж (рис. 4.14, а). После трансформации и выпрямления они подаются на преобразо- ватель UZ, в котором преобразуются в последовательность прямоугольных импульсов. Частота импульсов с преобразователя UV fy, пропорциональная напряжению, на поря- док выше частоты с преобразователя UA, пропорциональной току фидера: Z КЗ ^фкз _ K\fu ^фкз К2 fl (4.3) где Т , и Т — период соответственно измеряемого напряжения и тока после преобразователя. Результат деления определяется путем подсчета числа импульсов частотой fy, со- держащихся в периоде с частотой f[ (рис. 4.14, б). Подсчет осуществляется счетчиком СТ после снятия запрета с блока записи US при срабатывании АПВ фидера. Наличие блока АК исключает запись рабочих токов и напряжений. Счетчик СТ состоит из трех частей, каждая из которых отсчитывает доли километ- ра, километры и десятки километров. С выхода СТ закодированное в двоично-десятич- ном коде расстояние до точки КЗ поступает на выходной блок UW, где производится усиление сигналов по мощности. Усиленные сигналы поступают на устройство телесигнализации контролируемого пункта ТС КП для передачи энергодиспетчеру и на ламповое табло HLA, расположен- ное на двери шкафа КМП-1. Сигнальные лампы загораются в соответствии с посту- пившей кодовой комбинацией, что позволяет с помощью переводных таблиц опреде- лить расстояние то точки КЗ с точностью до 0,5 км. С устройства ТС КП информация по линии связи поступает на диспетчерский пункт в устройство ТС ДП. К выходам ТС ДП подключены ячейки памяти DS1—DS6, число которых соответствует числу контролируемых подстанций. При поступлении на диспетчерский пункт сигнала об автоматическом отключении фидера подстанции диспетчер включает соответствующий переключатель SB1—SB6, осу- ществляя схемой S сброс с дешифратора DC предыдущей записи. После этого с ячейки памяти DS на дешифратор DC поступает новая информация, которая преобразуется из двоично-десятичного кода в десятичный. С дешифратора информация через блок управ- ления UC передается на табло цифровой индексации HVL, где и воспроизводится в виде числа десятичной системы. Устройство для определения места повреждения в контактной сети постоянного тока не нашли применения вследствие значительных погрешностей и сложности их устранения. 8-6086 113
Глава 5 АВТОМАТИКА ТРАНСФОРМАТОРОВ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ПОДСТАНЦИЙ 5.1. Автоматизация работы трансформаторов Автоматизация работы трансформаторов значительно повышает надежность элек- троснабжения потребителей и позволяет выбрать наиболее экономичный режим рабо- ты. Используют следующие виды устройств автоматики трансформаторов: - автоматическое управление обдувом, т.е. включением и отключением двигателей вентиляторов, охлаждающих трансформаторы; - автоматическое регулирование напряжения трансформатора (АРНТ); - автоматическое включение резервного трансформатора (АВРТ); - автоматическая разгрузка трансформаторов (APT). Автоматика обдува понижающего трансформатора (рис. 5.1) обеспечивает включе- ние вентиляторов при возникновении перегрузки трансформатора, а также при темпе- ратуре масла в нем свыше 65 °C. Обдув трансформаторов используется обычно в летний период. На схему обдува питание подается пакетным выключателем S. Схема позволяет производить дистанционное включение и отключение двигателя вентилятора. Для вклю- чения обдува ключ управления SA переводится во включенное положение «В». При этом контакты 1—2 замыкают цепь катушки промежуточного реле KL от фазы А до фазы С. Реле KL замыкает цепь катушки контактора КМ. Через контакты тепловых реле КК1 и КК2 на катушку КМ проходит ток. Контактор своими контактами подает напря- жение фаз А, В, С на двигатель М вентилятора, который начинает работать, охлаждая SA 114
трансформатор. Перевод ключа SA в нейтральное положение «Н» приводит к размыка- нию цепи катушки контактора и отключению вентилятора. Перевод схемы на автоматическое управление осуществляется при переключении ключа SA в отключенное состояние «О». При этом замыкается цепь между контактами 3—4 ключа. При повышении температуры масла в трансформаторе до 55° С замыкаются контакты термосигнализатора KSK. При дальнейшем повышении температуры при 65 °C замыкается вторая пара контактов термосигнализатора KSK, подается питание на ка- тушку промежуточного реле KL, которое включает контактор КМ, а он в свою очередь подает питание на двигатель М вентилятора. Отключение контактора произойдет при снижении температуры масла ниже 55 °C, когда разомкнутся контакты термосигнали- затора KSK и прекратится питание катушки реле KL через свои контакты и контакты термосигнализатора KSK (55 °C). Температурная вилка (65—55 °C) позволяет значи- тельно уменьшить число переключений двигателя вентилятора. При перегрузке трансформатора возбуждается токовое реле, контролирующее на- грузку трансформатора, и своим контактом КА замыкает цепь питания катушки реле времени КТ через вспомогательный контакт контактора КМ. По истечении заданной выдержки времени реле КТ замыкает цепь катушки KL промежуточного реле, которое становится на самоподпитку через свой контакт и контакт реле КА. Контакт реле KL замкнет цепь катушки пускателя КМ. На двигатель М вентилятора будет подаваться напряжение до тех пор, пока не снизится нагрузка трансформатора и токовое реле КА не разомкнет цепь питания катушки реле KL. В результате этого реле KL отключит пускатель КМ, что приведет к отключению вентилятора. Отключение вентиляции может произойти при срабатывании термореле КК1 и КК2 тепловой защиты в цепи питания двигателя вентилятора. Вывод автоматики обдува осуществляется переводом ключа управления SA в ней- тральное положение «Н». Автоматика регулирования напряжения предусматривается для ограничения от- клонений напряжения на шинах подстанции от нормального значения в сторону как понижения, так и повышения. Так, например, при снижении напряжения на 5—10 % значительно снижаются вращающий момент асинхронных электродвигателей, светоот- дача осветительных установок, количество тепловой энергии, выделяемой нагреватель- ными приборами и установками и т.д. Не менее вредные последствия имеет и чрезмер- ное повышение напряжения, следствием чего является повышенный износ и ускорен- ный выход из строя электрооборудования. На рис. 5.2 представлена структурная схема устройства автоматического регулиро- вания напряжения. Регулирование напряжения заключается в изменении коэффициен- Рис. 5.2. Структурная схема автоматики регулирования напряжения на шинах РУ 115
та трансформации трансформатора Т путем уменьшения или увеличения числа витков его первичной обмотки. Регулируемое напряжения подается на устройство автоматического регулиро- вания напряжения трансформатора (АРНТ) через трансформатор напряжения TV. С трансформатора TV напряжение поступает на блок токовой компенсации ТК. Благо- даря токовой компенсации обеспечивается так называемое «встречное регулирование», необходимое для поддержания напряжения на шинах у потребителя. Блок токовой ком- пенсации ТК, подключенный к трансформатору тока ТА, учитывает падение напряже- ния в линии, питающей потребителя. Напряжение с учетом токовой компенсации по- дается на измерительный орган ИО, который в зависимости от результатов измерений направляет информацию на усилитель А1 в тракт «Прибавить» или А2 в тракт «Уба- вить». С помощью элементов КТ1 и КТ2 создается выдержка времени на срабатывание, обеспечивающая отстройку контролируемого напряжения от кратковременных бросков. Далее сигнал поступает на исполнительный орган KL1 или KL2 и на приводной меха- низм регулятора, двигатель М которого начинает вращаться, изменяя число витков первичной обмотки трансформатора Т. Принцип регулирования напряжения под нагрузкой с помощью переключающего устройства РПН показан на рис. 5.3. Электрическая схема одной фазы РПН (рис. 5.3, а) состоит из двух параллельных симметричных цепей, включающих избиратели с систе- мой контактов SAC1 и SAC2, контакторы КМ1 и КМ2 и реактор LR. На схеме показано рабочее положение на одном из регулировочных ответвлений РО обмотки. Число вит- ков обмотки изменяется без разрыва цепи тока (под нагрузкой). В исходном пол ожени и контакты переключателей SAC1 и SAC2 находятся на одном и том же неподвижном контакте ответвления обмотки трансформатора, контакты контакторов КМ1 и КМ2 замкнуты, ток I, протекающий по обмотке, в переключателе делится пополам, по ветвям протекают токи 0,5/. Чтобы изменить напряжение на одну ступень, включают приводной механизм, который отключает один из контакторов, например КМ2, а затем передвигает контакт переключателя SAC2, соответствующий этой ветви, на следующий контакт ответвле- ния обмотки. После этого контактор КМ2 замыкает цепь, кратковременно шунтируя реактором LR витки одной ступени регулировочной обмотки. Далее размыкается кон- тактором КМ1 вторая ветвь, передвигается контакт SAC1 на контакт ответвления, где находится контакт SAC2, и вновь замыкается контактор КМ 1. На этом переход с одной Рис. 5.3. Принцип выполнения переключающего устройства регулирования напряжения: а — электрическая схема одной фазы; б — размещение элементов регулятора в трансформаторе ступени регулирования на дру- гую без разрыва цепи тока / за- канчивается. При переходе на ступень в обратном направлении последо- вательность переключения из- меняется. Сначала размыкается контактор КМ1, передвигается контакт SAC1, замыкается кон- тактор КМ1, размыкается кон- тактор КМ2, передвигается контакт SAC2 и замыкается контактор КМ2. Размещение частей трех- фазного переключающего уст- ройства РПН в трансформаторе показано на рис. 5.3, б. Однофаз- ные избиратели 3 с контактами 116
SAC1 и SAC2 ответвлений фаз А, В, и С обмоток 1 и реактор 4 установлены на ярмовых балках. Избирате- ли соединены между собой бумажно-бакелитовыми трубками, а с контактором 2 — стальным валом 7. Контактная система избирателей 3 работает без раз- рыва цепи тока, их контакты при переключениях не обгорают, поэтому избиратели располагаются в баке трансформатора вместе с его активной частью. Дей- ствия контакторов 2 сопровождается разрывом цепи тока одной ветви с возникновением дуги, поэтому контакторы размещаются в отдельном кожухе, запол- ненном трансформаторным маслом, которое не со- общается с маслом бака трансформатора. Это позво- Рис. 5.4. Схема подключения транс- форматоров к шинам подстанции ляет производить осмотр и ремонт контактора с заме- ной масла без вскрытия бака трансформатора. При- водной механизм РПН размещается в коробке 5, ус- тановленной на стенке бака трансформатора. Переклю- чение происходит так, что избиратели 3 и контакторы 2 всех фаз действуют одновре- менно. Полный цикл переключения со ступени на ступень происходит за один оборот главного вертикального вала 6. Длительность переключения составляет около 3 с. Автоматическое включение резервного трансформатора (АВРТ) производится в за- висимости от схемы, принятой для нормального режима работы подстанции (рис. 5.4). Например, при секционировании шин на стороне низшего напряжения выключателем Q3, который нормально отключен при работе двух трансформаторов. Отключение од- ного из трансформаторов приводит к исчезновению напряжения на одной секции. При этом устройство АВР включает секционный выключатель Q3 и оставшийся в работе трансформатор питает обе секции шин. Если нормально в работе находится один трансформатор, например, Т1 и секци- онный выключатель включен, то при отключении рабочего трансформатора Т1 устрой- ство АВРТ включает резервный — Т2. В случае КЗ на сборных шинах в точке К1 защита отключает секционный выключатель Q3, затем отключаются выключатели Q1 и Q2 трансформатора Т1. АВРТ включает трансформатор Т2, который будет питать одну не- поврежденную секцию. При КЗ в точке К2 отключается выключатель Q3, трансформатор Т1 остается в работе, а автоматическое включение трансформатора Т2 на неустраненное КЗ будет неуспешным. 5.2. Автоматика понижающих трансформаторов Понижающие двухобмоточные трансформаторы 110/10 кВ и 35/10 кВ при парал- лельном включении на сборные шины 10 кВ оборудуются устройством автоматического включения резерва (АВР). На рис. 5.5. представлена схема управления, защиты и автоматики трансформатора 35/10 кВ и секционного выключателя шин 10 кВ. Трансформатор Т1 (рис. 5.5, а) получает питание от шин 35 кВ через разъединитель QS1, трансформаторы тока ТА1а и ТА1С, выключатель Q1. К первой секции шин 10 кВ трансформатор Т1 подключен через выклю- чатель Q2, установленный на выкатной тележке. Аналогичным образом подключен ко второй секции шин 10 кВ трансформатор Т2 (на рис. 5.5 не показан). Секции связаны секционным выключателем Q3 и высоковольтным разъемом XT, между которыми на шинах установлены трансформаторы тока ТА0 и ТАС и заземляющие ножи QSG2. Оперативное включение трансформатора Т1 осуществляется путем включения пер- соналом подстанции или энергодиспетчером по телеуправлению выключателей Q1 и Q2. 117
Из схемы Т2 КА2 QSG1 49 J0 10 кВ <4 2-я секция 1-я секция Из схемы Т2 Q1 КМ1 QS1 КЛ1^ КА1 КА2 КСС2 КА2 -EY -ЕС ТА1 ТА1 Q1 КМ2 YAC2 КМ2 КМ1 YAC1 КМ1 КН1 KL1 КН4 КМ2 YAT2 KL2 KQQ1 -EY -ЕС 20 \KQQ1 ‘ KQC1 KQT1 Из схемы Т2 Из схемы Q КСС2 34 36 38 Рис. 5.5. Схема подключения трансформаторов к шинам 35 и 10 кВ (а), схема вторичной коммутации выключателя Q1 (6), схема управления выключателем Q2 (в) и схема вторичной коммутации выключателя Q3 (г) При замыкании цепей 3—2 (рис. 5.5, б) кнопкой SBC1 или 5—2 контактом реле включе- ния по телеуправлению КСС1 получает питание катушка КМ1 контактора включения выключателя Q1. Контактор замыкает своими контактами КМ1 цепь катушки включения YAC1 между шинами включения EY. Выключатель Q1 включается, его вспомогательные контакты в цепях 7—2 и 7—4 переключаются, повторитель отключенного положения 118
KQT1 теряет питание, повторитель включенного положения KQC1 получает питание и замыкает цепь 51—20 (рис. 5.5, в) контактора КМ2 включения выключателя Q2. Контак- тор своими контактами КМ2 подает питание на катушку включения YAC2, в результате этого включается выключатель Q2. Блок-контакты выключателя переключают его повто- рительные реле в цепях 53—20 и 53—22: реле KQT2 обесточивается, реле KQC2 возбуж- дается. Одновременно с этим переключается реле фиксации команды KQQ1. Его включа- ющая катушка получает питание по цепи 41—14 или 43—14. Контакты реле KQQ1 пере- ключаются, размыкая цепь 41—14 или 43—14 и замыкая в цепи 37—12 или 39—12 отклю- чающей катушки реле KQQ1. После размыкания цепи включающей катушки реле KQQ1 остается включенным до оперативного отключения выключателей Q1 и Q2. Оперативное включение секционного выключателя Q3 происходит путем замыка- ния цепи 59—24 (рис. 5.5, г) кнопкой SBC или реле включения по телеуправлению КСС4 цепи 61—24. Контактор КМ замыкает цепь катушки включения YAC выключа- теля Q3. Его повторительные реле в цепях 63—24 и 63—26 переключаются: реле KQT обесточивается, реле KQC возбуждается. Одновременно происходит включение реле фиксации KQQ по цепи 91—36 или 93—36. Автоматическое отключение трансформатора Т1 осуществляется реле газовой заши- ты KSG по цепи 17—6 или реле токовой отсечки КА1а по цепи 19—6 или КА1С по цепи 21—6. При этом промежуточное реле защит трансформатора KL1 возбуждается и стано- вится на самоподпитку по цепи 15—6 до размыкания ее повторителем KQT1 после отключения трансформатора. Контакт KL1 замыкает цепь катушки отключения YAT1, выключатель Q1 отключается. Повторительное реле KQT1 , получив питание по цепи 7—2 при ее замыкании блок-контактом выключателя Q1, размыкает цепь 15—6 само- подпитки реле KL1 и замыкает цепь 55—22 катушки отключения YAT2 выключателя Q2, который отключается. Таким образом, рабочий трансформатор отключен от шин 35 кВ выключателем Q1, от шин 10 кВ — выключателем Q2. Автоматическое включение резервного трансформатора осуществляется сразу после отключения рабочего трансформатора в результате работы релейной защиты. Контакт реле KQT1 замыкает цепь 47—16 реле автоматического включения резервного транс- форматора КСС2, в которой контакт реле KQC1 некоторое время остается замкнут. Контакт реле KQQ1 также замкнут после автоматического отключения выключателя Q1. Контакт реле KL2 замкнут, если не действовала максимальная токовая защита МТЗ. Включающая катушка реле КСС2 получает питание и реле замыкает цепь 1—2 в схеме трансформатора Т2. В этой цепи находятся катушки: удерживающая реле КСС2 и указа- тельного реле КН1 автоматики включения резерва, а также катушка контактора КМ1. Замыканием цепи 1—2 начинается процесс включения резервного трансформатора. Контактор КМ1 получает питание и включает выключатель Q1, повторительное реле которого KQC1 включает выключатель Q2. Если первая попытка АВР трансформатора окажется неудачной, то второй не будет, так как цепь 47—16 к этому моменту будет разомкнута контактом реле KQC1. Автоматическое отключение рабочего трансформатора при срабатывании максималь- ной токовой защиты МТЗ происходит при перегрузке трансформатора или наличии КЗ на шинах 10 кВ. Токовая отсечка при этом не действует, так как она не настроена на наличие КЗ на шинах 10 кВ и реагирует только на КЗ в первичной обмотке трансформа- тора. Контакты токовых реле КА2О, КА2Й и КА2С замыкают цепь 31—10, 33—10, 35—10 реле времени КТ1 МТЗ. Реле КТ1 с выдержкой времени замыкает цепь 25— £ промежу- точного реле KL2. В этой же цепи находится обмотка указательного реле КН4 МТЗ. Реле KL2, получив питание по цепи 25—8, становится на самоподпитку по цепи 29—8 до размыкания ее контактом реле фиксации KQQ1 при оперативном отключении. Контакт реле KL2 замыкает цепь 23—6 промежуточного реле KL1 защит трансформатора, кото- рое отключает рабочий трансформатор. Контакт реле KL2 размыкает цепь 47—16, запре- 119
щая АВР до отключения секционного выключателя и замыкания контактами его повто- рителя KQT цепи 49—18. Если в этой цепи контакты KQQ реле фиксации команды разомкнуты, т.е. выключатель Q3 отключен оперативно, то АВР не произойдет. Ускоренное отключение трансформатора максимальной токовой защитой при вклю- чении его на КЗ осуществляется путем замыкания без выдержки времени контактом реле КТ1 цепи 27— 8 до ее размыкания контактом повторительного реле KQT1. При этом реле KL2 возбуждается и становится на самоподпитку по цепи 29—8, замыкая цепь 23— 6 промежуточного реле защит трансформатора KL1, которое отключает транс- форматор. АВР второго трансформатора при этом не произойдет, так как контакт реле KL2 в цепи 47—16 будет разомкнут. Автоматическое включение резерва при работе двух трансформаторов на шины 10 кВ и отключенном секционном выключателе Q3 сводится к включению Q3 при отключе- нии одного из трансформаторов. Оставшийся в работе трансформатор будет обеспечи- вать питание обеих секций шин 10 кВ. Это происходит путем замыкания контактом реле KQT1 цепи 97—38при отключении Т1 или цепи 99— 5<?при отключении Т2 (рис. 5.5, г). Обмотка реле автоматического включения КССЗ получает питание, его контакт замы- кает цепь 57—24 контактора КМ, который подает питание на катушку YAC и включает выключатель Q3. При отключении трансформатора Т1 и Т2 от МТЗ при КЗ на одной из секций АВР выключателя Q3 невозможно, так как контактом реле KL2 будет разомкну- та цепь 97—38 при отключении Т1 или 99—38 при отключении Т2. Это предотвращает повторную подачу напряжения на секцию шин, где возникло КЗ. Автоматическое отключение секционного выключателя Q3 при КЗ на шинах 10 кВ или на одном из присоединений к ним, если последнее почему-либо не отключилось, осуществляется токовой отсечкой с выдержкой времени. Токовое реле КАа и КАС, под- ключенное к трансформаторам тока ТАД и ТАС, возбуждаются при протекании тока КЗ по ТАД и ТАС. Их контакты замыкают цепи 81—30 м 83—30 реле времени отсечки КТ, которое в свою очередь с выдержкой времени замыкает цепь 73—28 промежуточного реле KL3. Реле KL3 становится на самоподпитку по цепи 71—28, а другим своим кон- тактом замыкает цепь 69—26 катушки отключения секционного выключателя YAT, последний при этом отключается. Если КЗ возникло при включении секционного выключателя Q3, то в этом случае токовая отсечка действует без выдержки времени по цепи 75—28, которую реле КТ замыкает без выдержки времени до того, как разомкнется контакт промежуточного реле ускорения защиты KL4 в цепи 75—28. Реле KL3 в этой схеме предотвращает по- вторное включение выключателя Q3, если последний отключился токовой отсечкой в момент включения, а контакты реле КССЗ (цепь 57—24), кнопки SBC (59—24) еще остаются замкнутыми. Один контакт KL3 размыкает цепь катушки контактора КМ1, запрещая включение выключателя Q3, через другой — реле KL3 становится на само- подпитку (цепь 57—28, 59—28 или 61—28) при замкнутом контакте реле КССЗ, кнопки SBC или реле КСС4 до размыкания последнего. Если указанные контакты разомкнуты, то самоподпитка реле KL3 осуществляется по цепи 71—28 до отключения выключателя и размыкания в ней контакта повторительного реле KQT. Отключение выключателя Q3 происходит также при срабатывании МТЗ трансформатора Т1 по цепи 77—28 и транс- форматора Т2 по цепи 79—28, так как это срабатывание может быть результатом КЗ на секции, которую питание Т отключившийся трансформатор. При отключении Q3 замыкаются контакты его повторителя KQT в цепи 49—18 (контакты L2 в цепи 47—16 разомкнуты), реле включения резервного трансформатора КСС2 получает питание и включает трансформатор, который подает напряжение на неповрежденную секцию. Если включение резервного трансформатора окажется неудач- ным, то второго АВР не произойдет, так как цепь 47—16 окажется разомкнутой кон- тактом реле повторителя включенного положения KQC 1. 120
5.3. Автоматика трансформаторов собственных нужд На тяговых подстанциях для питания потребителей собственных нужд устанавли- вают по два трансформатора. Кроме того, могут устанавливаться по два трансформато- ра питания подогрева масла выключателей 110—220 кВ в зимний период. Трансформаторы собственных нужд ТСН получают питание от разных секций шин РУ-10 кВ (тяговые подстанции постоянного тока) или РУ-27,5 кВ (тяговые подстанции переменного тока, рис. 5.6, а). Подключение к секции шин РУ-27,5 кВ трансформатора собственных нужд ТСН1 осуществляется через разъединитель QS1, выключатель Q1 и трансформаторы тока TAfl и ТА^. Шины собственных нужд 380/220 В разделены на две секции. Мощные трансформаторы собственных нужд, вторичный ток которых состав- ляет 500 А и более, подключают к шинам двумя контакторами и рубильниками. Транс- форматоры подогрева и ТСН, вторичный ток которых не превышает 500 А, подключа- ют к секциям шин одним контактором КМ2 и рубильником S2 (см. рис. 5.6, а). К транс- форматорам тока TAfll, ТА^1, ТАС1 подключены реле перегрузки ТСН1 KAI (ТСН2 КА2), амперметр РА и счетчик активной энергии PI. Контроль напряжения на шинах собственных нужд СН осуществляют реле напряжения 1KV1 и 1KV2 на первой секции, 2KV1 и 2KV2 на второй. В летнее время обычно в работе находится один ТСН, при этом секционный кон- тактор КМ включен. При отключении рабочего ТСН устройство АВР включает резерв- ный. В зимний период в работе могут находиться оба ТСН, при этом секционный кон- тактор КМ отключен. При отключении одного из трансформаторов АВР включает сек- ционный контактор, обе секции получают питание от оставшегося в работе ТСН. Защищаются трансформаторы от повреждений максимальной токовой защитой МТЗ и токовой отсечкой ТО. Токовые реле МТЗ КА1а, КА1^, КА1С и ТО KAfl, КА^ подключаются к фазам первичной обмотки ТСН через трансформаторы тока ТАО и ТА^. Защиту трансформаторов от перегрузки с действием на сигнал выполняют со вторич- ной стороны ТСН в однофазном варианте с помощью токового реле КА1. При пере- грузке трансформатора ТСН1 реле КА1 замыкает цепь 1—2 (рис. 5.6, б), а трансформа- тора ТСН2 реле КА2 — цепь 3—2 реле времени КТ защиты от перегрузки. Установлен- ное время замедления реле КТ составляет до 9 с. Реле КТ при срабатывании замыкает цепь 5—4 реле неисправности подстанции KLHn через катушку указательного реле КН. Оперативное включение ТСН осуществляется путем включения контактора КМ2 и выключателя Q1 при включенных рубильнике S2 и разъединителе QS1. Включение кон- тактора КМ2 происходит при замыкании цепи 13—6 кнопкой включения SBC2. Катуш- ка КМ2 получает питание, контактор включается и включает последовательно с ка- тушкой резистор, дешунтируя его своим контактом. Другим контактом КМ2 замыкает цепь 17—6, становясь на самоподпитку через замкнутые контакты SBT2 кнопки отклю- чения и промежуточного реле защит KL. Контактор замыкает также цепь 73—30 своего повторительного реле ККМ2. Включение выключателя Q1 происходит при замыкании цепи 25—10 контактора включения выключателя КМ1 кнопкой SBC1. Контактор замыкает цепь катушки включе- ния выключателя YAC 1, выключатель включается и переключает своими блок-контакта- ми цепи 29— Юн 29—12. При этом повторительное реле KQC1 включается, а реле KQT1 отключается. Одновременно кнопкой SBC1 по цепи 25—18 переключается реле фиксации KQQ1, которое фиксирует команду оперативного включения выключателя Q1. Включение секционного контактора КМ осуществляется путем замыкания цепи 19— кнопкой SBC. После включения контактор становится на самоподпитку по цепи 23—8 через контакт кнопки отключения SBT. Оперативное отключение ТСН осуществляется путем отключения контактора КМ2 и выключателя Q1. Выключатель отключается при замыкании кнопкой отключе- ния SBT1 цепей: 31—12 катушки отключения выключателя YAT, 53—20 катушки от- 121
SA Рис. 5.6. Схема подключения ТСН к шинам 27,5 кВ и 380/220 В (а), цели защиты от перегрузки (г5), схема управления контакторами (в) и схема вторичной коммутации выключателя Q1 (г) 122
ключения реле фиксации команды KQQ1. При этом выключатель Q1 и реле фиксации KQQ1 отключаются. Отключение Q1 приводит к переключению его повторителей: KQT1 получает питание по цепи 29—10:, KQC1 теряет питание при размыкании цепи 29—12. Автоматическое включение резервного трансформатора ТСН2 происходит при от- ключении рабочего ТСН1. При этом исчезает напряжение на шинах СН 380/220 В и реле напряжения 1KV1,1KV2 и 2KV1, 2KV2 обесточиваются. Контактами этих реле замыка- ются цепи 65—26, 67—26 промежуточного реле KL1 и цепи 69—28, 71—28 промежуточ- ного реле KL2. Реле KL1 и KL2 подают питание на реле времени КТ1 по цепи 61—24 и КТ2 по цепи 63—24, которые замыкают цепь 55—22 реле автоматического включения КСС2 трансформатора ТСН2. В этой цепи контакты переключателя автоматики включе- ния резерва SA в позиции В2 замкнуты, т.е. в резерве находится трансформатор ТСН2. Если в резерве находится трансформатор ТСН1, то переключатель SA в позиции В1 и при этом получает питание реле КСС1. При работе двух трансформаторов ТСН и от- ключенном секционном контакторе КМ переключатель SA в позиции В, реле КТ1 и КТ2 замыкают цепи 57—22 при отключении трансформатора ТСН1 или 59—22 при отключении трансформатора ТСН2. При этом получает питание реле КСС, которое замыкает цепь 21—8 секционного контактора КМ. Контактор включается, становится по цепи 23—8 на самоблокировку и подает напряжение на секцию шин СН, где оно исчезло при отключении трансформатора ТСН. Если трансформатор ТСН2 находится в работе, а трансформатор ТСН1 — в резер- ве, то при отключении трансформатора ТСН2 по цепи 55—22 получит питание реле КСС1, которое своими контактами замыкает цепи 15—6 контактора КМ2, 27—70 кон- тактора КМ1 и 27—18 реле KQQ. При включении выключателя Q1 и контактора КМ2 в работу включается резервный трансформатор ТСН, на шинах СН появляется напряже- ние. Реле 1KV1, 1KV2, 2KV1, 2KV2 получают питание, отключают реле KL1 и KL2, которые размыкают цепи 61—24 и 63—24. Реле времени КТ1 и КТ2 размыкают цепь 55—22 реле КСС1. На этом процесс автоматического включения резервного трансформатора заканчивается. Вывод АВР из работы производится переключением SA в позицию 0 и отклю- чением реле КСС1, КСС2 и КСС, а также при размыкании цепи этих реле блокиро- вочным реле по напряжению KBV в результате исчезновения напряжения на шинах РУ-27,5 кВ. Автоматическое отключение ТСН осуществляют максимальная токовая защита и токовая отсечка. При КЗ в первичной обмотке ТСН1 срабатывают реле КАО и ЮЦ от- сечки, замыкают цепи 37—14 и 39—14 промежуточного реле защит KL, которое стано- вится на самоподпитку по цепи 35—14 ло отключения выключателя и размыкания этой цепи контактом повторительного реле KQT1. Если же токовая отсечка срабатывает сра- зу после включения трансформатора, то реле KL выполняет роль блокировочного реле, размыкая цепи 25—10 и 27—10 контактора КМ1 и становясь на самоблокировку по цепям 25—14 или 27—14, пока эти цепи не разомкнут контакты кнопки SBC1 или реле КСС1. Срабатывание токовой отсечки фиксирует указательное реле КН2. Максимальная токовая защита срабатывает при КЗ во вторичной обмотке ТСН1, на первой секции шин СН или на присоединении ТСН1 к первой секции, а также при значительной перегрузке, опасной для трансформатора. При срабатывании реле КАЦ, КАЦ, КАЦ замыкаются цепи 45—16, 47—16, 49—16 реле времени КТ, которое замыка- ет с выдержкой времени цепь 41—14 промежуточного реле KL защит трансформатора через указательное реле КНЗ. Реле KL замыкает цепь 33—12отключающей катушки выключателя YAT1. Другим своим контактом реле KL размыкает цепь 17—6 самоподпитки контактора КМ2. Таким образом, трансформатор отключается выключателем Q1 от шин 27,5 кВ и контактором КМ2 от шин СН. 123
Автоматическое отключение трансформатора ТСН1 по цепи 43—14 происходит перед автоматическим включением трансформатора ТСН2 с помощью реле КСС2. Это необходимо, например, в случае исчезновения напряжения на секции шин 27,5 кВ, к которой подключен трансформатор ТСН1, в результате чего исчезло напряжение на шинах СН и автоматика приступила к включению трансформатора ТСН2. Реле блоки- ровки KBV при сохранении напряжения на другой секции 27,5 кВ, к которой подклю- чен трансформатор напряжения TV2 (см. рис. 5.7), не будет запрещать работу АВР. Реле КСС2 включает реле KL, которое становится на самоблокировку по цепи 35—14, пода- ет питание на катушку отключения выключателя YAT1 и размыкает цепь 17—6 само- блокировки контактора КМ2. Отключение трансфоматора ТСН1 с помощью реле КСС2 фиксирует указательное реле КН4, катушка которого находится в цепи 43—14. 5.4. Автоматика трансформаторов напряжения Автоматический контроль напряжения (АКН) на шинах распределительных уст- ройств осуществляется с помощью трансформаторов напряжения TV. Схемы контроля напряжения разных РУ принципиальных различий не имеют, поэтому достаточно оз- накомиться с одной из них. На рис. 5.7, а представлена схема подключения трансформаторов напряжения РУ- 27,5 кВ к шинам 27,5 кВ и 100 В. На схеме показаны два комплекта трансформаторов напряжения TV1 и TV2, каждый из которых включает два однофазных трансформато- ра, соединенных по схеме неполного треугольника (фаза С РУ-27,5 кВ соединена с кон- туром заземления подстанции). Комплекты трансформаторов TV1 и разрядников FV1 и FV2 подключаются к первой секции шин 27,5 кВ разъединителем QS1 с двумя заземля- ющими ножами. При *номинальном первичном напряжении со вторичных обмоток сни- мается напряжение 100 В, которое через рубильники S1 и S2 и автоматические выклю- чатели SF1 и SF2 подается на шины 100 В. В работе обычно находится один комплект трансформаторов, например, TV1, а секции шин 27,5 кВ соединены секционными разъе- динителями. Вольтметр PV используется для замера напряжений Uac и с помощью переключателя SA. Реле напряжения KV1, KV2, KV3 осуществляют постоянный конт- роль наличия напряжения на шинах 100 В. На рис. 5.7, б показаны цепи постоянного тока автоматики контроля напряжения на шинах РУ-27,5 кВ. Контакты реле KV1, KV2, КУЗ при наличии напряжений Uab, 1-я секция 27.5 кВ 2-я секция Рис. 5.7. Схема подключения ТН-27,5 кВ к шинам 27,5 кВ и 100 В (а), схема автоматического контроля напряжения на шинах 27,5 кВ (6) 124
Ubc, Uca разомкнуты. При исчезновении напряжения на шинах 27,5 кВ происходит замыкание контактов реле напряжения и реле времени КТ получает питание по цепи 1—2, 3—2 или 5—2 через контакт SF1 при работе TV1 или SF2 при работе TV2 и через контакты повторительного реле KQQ1 выключателя первого ввода РУ-27,5 кВ или KQQ2 выключателя второго ввода. При оперативном отключении выключателя SF1 или вык- лючателя ввода 27,5 кВ в цепи КТ размыкается контакт автоматического выключателя SF1 или повторителя KQQ1 (контакты SF2 и KQQ2 разомкнуты), реле времени КТ остается обесточенным. При замыкании контактов KV1, KV2, KV3 в случае исчезновения напряжения на шинах 27,5 кВ срабатывает реле времени КТ и с выдержкой времени замыкает цепи 7—6, 7—8 промежуточных реле KL1—KL6, контакты которых используются в схемах вторич- ной коммутации присоединений РУ-27,5кВ (см. рис. 4.1) для отключения их при КЗ на шинах 27,5, запрета АПВ фидеров и АВР трансформаторов, присоединенных к этим шинам. АВР трансформатора собственных нужд происходит только при наличии напря- жения на шинах, от которых он получает питание. Если же напряжение на шинах 27,5 кВ отсутствует, то реле блокировки KBV получает питание по цепям 1—4, 3—4, 5—4 и запрещает АВР ТСН, размыкая цепь 61—24 или 53—24 (см. рис. 5.6, г). 5.5. Автоматика преобразователей тяговых подстанций На тяговых подстанциях постоянного тока широко применяют преобразователи с кремниевыми шести- и двенадцатипульсовыми выпрямителями с естественным воз- душным охлаждением. Подстанции оборудованы двумя преобразователями, которые могут работать параллельно на шины РУ-3,3 кВ в часы максимальной нагрузки. При ее снижении в работе остается один преобразователь, а второй — переводится в резерв. При оптимальном управлении стремятся, с одной стороны, обеспечить нормаль- ную загрузку преобразователей, снизить потери электроэнергии, с другой — свести число переключений к минимальному для уменьшения износа переключающей аппа- ратуры. С помощью устройств автоматики регулирования мощности (АРМ) осуществ- ляют подключение и отключение резервного преобразователя в зависимости от величи- ны тока нагрузки, который сравнивается с током срабатывания. Экономически целесо- образно токовые уставки включения (/ср тах) и отключения (7ср min) определять по критическому току (7кр), при котором потери в параллельно работающих преобразова- телях равны потерям в одном из них при выводе другого в резерв: где /ном — номинальный выпрямленный ток преобразователя; РПГ| — постоянные потери мощности преобразователя; Рнп — потери мощности преобразователя под нагрузкой; К? — коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора. Для того, чтобы избежать лишних переключений, резервный преобразователь вклю- чается при максимальном токе срабатывания на первичной стороне преобразователя I = 1 077 'ср. max 1 ’' 'кр ’ а отключается при минимальном токе срабатывания 1 ср. min । Qy 1 кр ’ где 1,07 — коэффициент надежности. (5.2) (53) 125
Если число переключений в сутки становится большим (десять и более), то вво- дятся задержки на переключения, которые обычно находятся в диапазоне от 3 до 10 мин и уточняются в каждом конкретном случае в зависимости от перегрузочных способно- стей преобразователей. При срабатывании защиты и отключении рабочего преобразователя автоматика должна включать резервный и восстановить питание тяговой нагрузки. Эта операция осуществляется устройствами АВР. Кроме указанных видов автоматики преобразователи оснащаются коммутацион- ной автоматикой, позволяющей осуществлять в заданном порядке включение и от- ключение быстродействующего выключателя QF и масляного Q преобразователя под- станции (рис. 5.8, а). Коммутационная автоматика вводится в работу ключом автома- тического управления SA2 (рис. 5.8, б). Включение преобразователя разрешает реле временной блокировки КВ, если в цепи 7—2 замкнуты следующие контакты: проме- жуточного реле земляной защиты KL33 (земляная защита РУ-3,3 кВ не действовала); заземляющих ножей разъединителя QSG2 (ножи отключены); заземляющего разъеди- нителя QSG1 (разъединитель отключен); реле постоянной блокировки KL (не одна защита преобразователя на это реле не действовала); реле блокировки лестницы транс- форматора SQ1 (лестница сложена); реле блокировки дверей SQ2, SQ3, SQ4 (закрыты двери шкафов кремниевого выпрямителя, ячейки быстродействующего выключателя QF и шкафов RC). Автоматическое включение преобразователя осуществляется нажатием кнопки вклю- чения SBC. В цепи 3—4 получает питание реле автоматического включения КСС при условии, что реле КВ возбуждено и выключатель Q отключен, контакт повторительного реле KQC при этом замкнут. Реле КСС замыкает цепь 51—28 контактора включения быстродействующего выключателя КМ1. Последний собирает цепь 57—22 держащей катушки YA выключателя ВАБ-28, которая выполняет в этом случае роль включающей. Включившись, выключатель QF своим блок-контактом размыкает цепь 57—28 контак- тора КМ1, а другим блок-контактом QF замыкает цепь 57—26 блокировочного реле KBS1, которое становится на самоподпитку через свой контакт, а другим — размыка- ет еще раз цепь 57—28. Это необходимо для запрета повторного включения QF, если первое включение окажется неудачным, а контакт КСС в этой цепи еще некоторое время остается замкнутым. После отключения контактора держащая катушка YA получает питание по цепи 53—24 через резисторы R3, R4, R6, которые ограничивают ток до величины, необхо- димой для удержания выключателя во включенном положении. После включения вык- лючатель замыкает своим блок-контактом QF цепь 61—30 повторительного реле KQF. Контакт реле KQF замыкает цепь 77— 6 контактора включения масляного выклю- чателя КМ, в которой контакты ключа SA2 предварительно включены (схема переведе- на на автоматическое управление). Контакты реле КСС в этой цепи также замкнуты, так как реле КСС находится на самоподпитке по цепи 7—4 после размыкания в цепи 3-4 контактов SBC кнопки включения. Контактор КМ возбуждается и замыкает цепь ка- тушки включения YAC выключателя Q, который включает преобразователь в работу. При этом цепи 17—6 и 21—6 размыкаются блок-контактом выключателя Q, кон- тактор КМ и повторитель отключенного положения выключателя KQT теряет питание. Другой блок-контакт выключателя Q замыкает цепь 21—10 повторителя включенного положения KQC, который размыкает цепь 7—4, реле КСС отключается и процесс включения преобразователя на этом заканчивается. Включение по телеуправлению преобразователя осуществляется путем замыкания контактом реле включения КСС1 цепи 5—4 от шины включения по телеуправлению +ЕС1. Далее процесс включения идет описанным выше путем. 126
Рис. 5.8. Автоматика работы преобразователей тяговых подстанций постоянного тока: а — схема подключения преобразователя к шинам 10 и 3,3 кВ; б — схема цепей управления преобра- зователем; в — схема защит преобразователя; г — схема автоматики включения и отключения резерва 127
Автоматическое отключение преобразователя осуществляется нажатием кнопки SBT в цепи 43—16 промежуточного реле команды отключения KLCT, которое замыкает цепь 47—18 реле автоматического отключения КСТ. Последнее своими контактами по цепи 29—10 подает напряжение на катушку отключения выключателя YAT. При отклю- чении выключателя Q его блок-контакты переключают цепи 27—би 21—10. Повтори- тель KQT получает питание и возбуждается, а реле KQC обесточивается. Ток в цепи 21—6 ограничен сопротивлениями резистора R1 и катушки KQT и недостаточен для включения контактора КМ. Повторитель KQT замыкает цепь 65— 32 промежуточного реле KL1, которое раз- мыкает цепь 53—24держащей катушки YA быстродействующего выключателя QF. Дру- гими контактами реле KL1 создает цепь 55—20, в результате чего меняется полярность подключения держащей катушки YA к шинам управления ЕС, что способствует быст- рому размагничиванию и отключению выключателя QF. При размыкании блок-контак- та QF его повторитель KQF в цепи 61—30 обесточивается. Одновременно реле KLCT по цепи 39—14 отключает реле фиксации команды KQQ, которое возвращается в исходное состояние и размыкает цепь 39—14 своим контактом. Отключение по телеуправлению преобразователя осуществляется путем замыкания контактом реле отключения КСТ1 цепи 45—16 от шины отключения по телеуправле- нию +ЕС2. Далее процесс отключения идет описанным выше путем. Оперативное включение и отключение выключателей Q и QF необходимо при их ревизии и ремонте. Они могут управляться раздельно, каждый своими кнопками управления. Включается быстродействующий выключатель QF при замыкании кнопкой SBC2 цепи 59—28 контактора КМ1, который замыкает цепь 57—22 держащей катушки YA и включает выключатель QF. Отключение выключателя QF происходит при замыкании кнопкой SBT2 цепи 63—32 промежуточного реле KL1 при условии, что масляный выключатель Q отключен и контакт его повторителя KQT в цепи 63—32 замкнут. Реле KL1, получив питание, меняет полярность подключения держащей катушки YA к шинам управления. При этом цепь 53—24 размыкается, а замыкается цепь 55—20, выключатель QF отключается. Включается выключатель Q при замыкании кнопкой SBC1 цепи 15—6 через кон- такт SQ5 тележки выключателя, который размыкает цепь при выкатывании тележки с выключателем из ячейки комплектного распределительного устройства. Контактор КМ, получив питание, замыкает цепь включающей катушки YAC, выключатель Q включа- ется. Одновременно другой контакт кнопки SBC1 замыкает цепь 35—12 включающей катушки реле фиксации KQQ, которое включается, фиксируя команду включениями размыкает цепь 35—12 своим контактом. Отключение выключателя Q происходит при замыкании кнопкой SBT1 цепи 25—10 катушки отключения YAT выключателя Q, который отключается. Блок-контакты Q пере- ключаются в цепях 27—би 21-10. Повторитель включенного положения КОС обесточива- ется, а повторитель отключенного положения KQT возбуждается, замыкая свой контакт KQT в цепи 63—32 и разрешая отключение быстродействующего выключателя QF. Автоматическое отключение преобразователя от защит осуществляет реле KL, на которое действуют все защиты: по цепи 69—36 фильтровая с выдержкой времени, которая реагирует на токи обратной последовательности ТОП; по цепям 71—36 и 73—36 токовая без выдержки времени; по цепи 75—36 газовая зашита трансформа- тора преобразователя. Токовые реле КАа и КАС токовой защиты и фильтровое реле токов обратной после- довательности KAZ подключаются к трансформаторам тока ТАа и ТАС (рис. 5.8, а). Сра- батывание фильтр-реле KAZ при несимметричном КЗ во вторичных обмотках транс- форматора приводит к замыканию цепи 67—34 (рис. 5.8, в) реле времени КТ, которое с выдержкой времени замыкает цепь 69—36 реле KL. Указательное реле КН1, обмотка 128
которого находится в этой цепи, фиксирует срабатывание фильтровой защиты. Токовая защита реагирует на симметричные КЗ в преобразователе и на его недопустимые пере- грузки, в этом случае замыкаются цепи 71—36и 73—36реле KL через указательное реле КН2, фиксирующее срабатывание защиты. Газовое реле KSG при бурном газообразо- вании или понижении уровня масла в баке трансформатора замыкает цепь 75—36 реле KL через указательное реле КНЗ. Таким образом, при срабатывании любой защиты получает питание реле KL, которое замыкает цепь 27—10 отключающей катушки YAT выключателя Q. При отклю- чении выключателя его повторитель KQT замыкает цепь 17—18, в которой контакты KQF замкнуты при включенном выключателе QF. Если схема на автоматическом управ- лении и контакты ключа SA2 замкнуты, реле автоматического отключения КСТ полу- чает питание, замыкает цепь 65—32 промежуточного реле KL1, которое отключает вык- лючатель QF. Реле фиксации KQQ при отключении преобразователя защитами остается включенным, фиксируя автоматическое отключение. Автоматическое включение и отключение резерва (АВОР) включает в себя два вида автоматики: регулирования мощности (АРМ) и включения резерва (АВР) при аварийном отключении рабочего преобразователя. Включение АВОР в работу осуще- ствляется ключом SА1 (рис. 5.8, г), АРМ осуществляет непрерывный контроль за на- грузкой преобразователей. Датчиками нагрузки являются токовые реле KAmax,KArnjn и КА2тах. Реле КАтах и КА2тах контролируют нагрузку при работе одного преобразо- вателя и срабатывают, когда максимальный ток срабатывания нагрузки в первичной обмотке трансформатора тока превышает /ср тах (выражение 5.2). Реле KAmin контро- лирует суммарную нагрузку двух преобразователей, катушки его электромагнита под- ключены к двум трансформаторам тока и создают вращающий момент, пропорцио- нальный суммарной нагрузке. Срабатывание КАтах или КА2тах приводит к замыканию цепи 79—42 или 81—42, реле включения КСС2 получает питание и по цепи 89— за пускает реле времени вклю- чения и отключения резерва КТСТ. Если нагрузка на преобразователь не снижается в течение 10 мин, то реле КТСТ замыкает цепь 9—4 реле автоматического включения преобразователя КСС. Реле КСС включается, становится на самоподпитку по цепи 7—4. Далее процесс включения резервного преобразователя идет описанным выше путем. После включения резервного преобразователя реле КАтах или КА2тах отключает реле КСС2, которое размыкает цепь 89—48 и 9—4. Если при двух включенных преобразователях нагрузка снижается и суммарный ток становится ниже /ср min (выражение 5.3), то реле KAm,n обесточивается и замыкает цепь 87—46 реле отключения КСТ2. Последнее по цепи 91—48 запустит реле времени КТСТ, которое через 3 мин замкнет цепь 9—16 промежуточного реле команды отклю- чения KLCT. Реле KLCT отключит резервный преобразователь, а по цепи 39— 74 пере- ведет реле фиксации KQQ в исходное состояние. Рабочий преобразователь при работе автоматики останется включенным, хотя в его схеме цепь 41— 16 замкнется, но контакты SA1 будут разомкнуты и цепь 9—16 оста- нется разомкнутой. Автоматическое включение резерва (АВР) происходит при аварийном отключении рабочего преобразователя защитой. Повторители замыкают цепь реле времени КТС: 85—44 реле KQT при отключении первого преобразователя или 83—44 реле KQT2 — второго. Контакты реле фиксации KQQ и KQQ2 в этих цепях остаются замкнутыми при отключении преобразователя защитой. Реле КТС с небольшой выдержкой времени за- мыкает цепь 13—4, в которой контакты реле фиксации KQQ замкнуты, если перед этим резервный преобразователь не был отключен защитой. Реле КСС, получив пита- ние, включит резервный преобразователь и его реле фиксации. Если включение окажет- ся неудачным, то повторного включения не произойдет, так как цепь 13—4 будет ра- 9-6086 129
зомкнута контактом KQQ. Отключение реле КТС осуществляется кнопкой отключения масляного выключателя SBT1, контакт которой замыкает цепь 37—14 катушки отклю- чения реле KQQ, которое после отключения размыкает цепь 85—44 реле КТС. Поменять ролями рабочий и резервный преобразователи можно, переключив ключ SA1. При этом его контакты в цепи 9—4 рабочего преобразователя размыкаются, а в аналогичной цепи переходящего в резерв — замыкаются. 5.6. Автоматическая общеподстанционная сигнализация Для контроля за работой оборудования подстанции, возникновением неисправ- ности, отклонений от нормального режима или пожара используется общеподстанци- онная сигнализация, призванная привлекать внимание персонала. Звуковой сигнал выполняют, как правило, двухтональным. С этой целью устанав- ливают звонок или зуммер для подачи предупреждающего сигнала и сирену или ревун для оповещения об аварии. Предусматривают также световые индикаторы (сигнальные лампы, световые табло), которые указывают персоналу, на каком объекте возникло отклонение от нормального режима. Звуковая сигнализация должна обеспечивать: выключение сигнала с помощью кнопки на щите управления; возможность повторного действия (после снятия сигнала сигнали- зация должна быть готова к действию); возможность периодической проверки сигнализа- ции (опробование). Предупреждающая сигнализация приводится в действие от индивидуальных дат- чиков и реле. При возникновении на подстанции пожара срабатывает реле пожарной сигнализации KSN в цепи 3—4 (рис. 5.9), при неисправности цепей вторичной комму- тации — реле общего контроля цепей КЬокц в цепи 5—4, при неисправности на под- станции — реле KLHn в цепи 7—4. В каждой из этих цепей установлено указательное реле (КН1, КН2, КНЗ), фиксирующее режим, на который отреагировала сигнализация, и размыкающее после этого свою цепь. Промежуточное реле KL1 предупреждающей сиг- нализации срабатывает, замыкает цепь 9—6 второго промежуточного реле KL2, ко- торое по цепи 11—6 становится на самоподпитку. Реле KL1 обесточивается при размы- кании указательным реле КН1 цепи 3—4, КН2—цепи 5—4, КНЗ—цепи 7—4. Реле KL2 замыкает цепь 19—16 звонка НР2, находящегося в помещении на щите управления, и цепь 19—14 звонка НР1 на открытой территории подстанции. Звонки предупреждают персонал о возникновении отклонений от нормального режима или неисправности. Дежурный электромеханик на щите управления нажимает кнопку выключения звонка SBP2, размыкается цепь И—6реле KL2, которое обесточивается и размыкает в этой цепи и в цепи звонка 19—16 свои контакты. При отключении KL2 прекращается работа звуковой сигнализации. Далее дежурный по состоянию указатель- Рис. 5.9. Схема автоматической общеподстанционной сигнализации 130
ных реле, сигнальных световых ламп и табло определяет причину срабатывания сигна- лизации и принимает необходимые меры устранения неисправности. Принимая дежурство, электромеханик должен убедиться в исправности предуп- реждающей сигнализации. Для этого предусмотрена кнопка испытания предупреждаю- щей сигнализации SBP1, с помощью которой замыкается цепь 1—4 реле KL1. При этом звонят звонки НР1 и НР2, выключение которых осуществляется кнопкой SBP2. При возникновении аварийного режима и отключении защитой выключателя на подстанции, его повторительное реле KQT замыкает цепь 17— 8. На шину аварийной сигнализации ЕНА подается напряжение, так как контакт реле фиксации KQQ остает- ся замкнут. Реле аварийной сигнализации КНА возбуждается и замыкает цепи 21—18 и 21—20. Сирены НА1 на щите управления и НА2 на открытой территории подстанции начинают работать, сигнализируя персоналу о возникновении аварийной ситуации, в том числе и о возникновении пожара, так как реле пожарной сигнализации KSN замы- кает цепь 15—81л. в конечном итоге включает звонки и сирены. Выключение сирены осуществляется нажатием кнопки выключения SBA2 сире- ны, контакты которой замыкают цепь реле выключения сирены KL3, которое стано- вится на самоблокировку и снимает питание с реле КНА. Последнее размыкает цепи сирен 21—181Л 21—20. Напряжение на шине ЕНА сохраняется, на реле мигающего света КНА1 по цепи 17—12 подается напряжение. Периодически эта цепь размыкается на короткое время контактом КНА1. Таким образом, реле КНА1 работает в пульсирующем режиме, замыкая и размыкая цепь 23—22. От шины сигнализации +ЕН на шину мига- ющего света (+)ЕР поступает пульсирующее напряжение, под действием которого зе- леная лампа HLG отключившегося выключателя горит мигающим светом. Для каждого выключателя предусмотрены сигнальная лампа HLG и реле фиксации KQQ, через которые лампы подключаются к шине (+)ЕР или ЕН (при оперативном отключении выключателя). Выключение сирены и отключение реле КНА1 можно осуществить нажатием кнопки, отключения выключателя (SBT1 на рис. 5.8, б), которое приводит к отключению реле фиксации KQQ и снятию напряжения с шины ЕНА. Исправность сирены проверяется нажатием кнопки испытания аварийной сигна- лизации SBA1. При этом реле КНА получит питание по цепи 13— 8 и включит сирены, которые отключаться при отпускании кнопки. 5,7. Автоматическое регулирование напряжения в тяговой сети Для. обеспечения нормальной работы электроподвижного состава (ЭПС) необхо- димо поддерживать напряжение в тяговой сети в заданных пределах. С этой целью при- меняются устройства регулирования напряжения, устанавливаемые на тяговых под- станциях. Поддержание принятого уровня напряжения достигается изменением коэф- фициента трансформации силовых, тяговых и вольтодобавочных трансформаторов. На тяговых подстанциях переменного тока для стабилизации напряжения приме- няют трансформаторы, снабженные устройством автоматического регулирования на- пряжения под нагрузкой (АРПН), схема которого представлена на рис. 5.3, а структур- ная схема автоматического регулирования напряжения — на рис. 5.2. В качестве регули- руемой величины на тяговых подстанциях принимается напряжение на шинах тягового распределительного устройства, контроль за которым осуществляет блок автоматичес- кого управления регулированием напряжения под нагрузкой (БАУРПН). Этот блок вы- полняет ту же роль, что и блок АРНТ в схеме рис. 5.2. Для снижения числа срабатыва- ний регулятора до допустимого вводится выдержка времени, которая в среднем прини- мается равной от 40 до 60 с. 131
Рис. 5.10. Структурная схема устройств телеавтомати- ческого регулирования напряжения в тяговой сети При наличии нескольких регуля- торов, например, на всех подстанциях при их параллельной работе на контак- тную сеть выдержку времени необходи- мо выбирать с учетом работы соседних подстанций так, чтобы обеспечивалась избирательность действия регуляторов. Можно принять выдержку времени на одной подстанции меньшей, чем на двух соседних. Тогда срабатывание регулято- ра на рассматриваемой подстанции обеспечит требуемый уровень напряже- ния на обеих фидерных зонах, при этом не надо будет регулировать напряжение на двух соседних подстанциях. Это по- зволяет исключить излишне частую ра- боту регуляторов в пределах электрифи- цированного участка. На участках с электротягой посто- янного тока регулирование напряжения наряду с изменением коэффициента трансформации трансформаторов TI и Т2 тяговых подстанций может осуществ- ляться с помощью регулируемых пре- образователей UD1 и UD2 (рис. 5.10). Наличие устройств регулирования у преобразова- телей и систем телеизмерения позволяет за уровень стабилизации принимать мини- мальное напряжение между тяговыми подстанциями, которое чаще всего совпадает с напряжением Unc на шинах поста секционирования (ПС). Наличие телеметрической информации и средств бесконтактного регулирования позволило перейти от стабилизации напряжения на тяговых подстанциях к системе телеавтоматического управления напряжением в тяговой сети. Телеавтоматическое ре- гулирование подразделяется на зонное и централизованное. Зонное регулирование (рис. 5.11) ведется на подстанциях по данным телеизмере- ний, которые с постов секционирования и смежных подстанций передаются по неза- висимым частотным каналам . Такой способ регулирования получил название «Сирена» (система регулирования напряжения). «Сирена» в зависимости от уровня напряжения на посту секционирования t/nc с учетом напряжения на шинах подстанций иш। и иш2 воздействует на регуляторы преобразователей UD1 и UD2 и изменяет напряжение на шинах постоянного тока £/ш1 и (/ш2- При централизованном телерегули- ровании напряжения контактной сети, получившим название УТРНК, напря- жение регулируется в пределах электри- фицированного участка из диспетчерс- кого пункта ДП (рис. 5.12). Информация об уровне напряжения на шинах подстан- ций 11шЬ иш2 и ПС — Unc по каналу связи ТИ поступает на ДП, обрабатыва- ется и регулирующее воздействие по ка- налу связи ТУ передается на соответству- ющую тяговую подстанцию. Канал связи ТИ КП1 ТИ ПС ТИ КП2 “Сирена” Сирена” UDI UD2 Контактная сеть Рис. 5.11. Схема зонного регулирования напряжения U,ai • • о 132
Каждая подстанция имеет два транс- форматора Tl, Т2 (рис. 5.10) и два пре- образователя UDI, UD2, оборудованных средствами регулирования напряжения под нагрузкой. С помощью автоматики регулирования напряжения под нагрузкой (АРПН) стабилизируется напряжение на шинах, от которых питаются преобразо- ватели. Из-за ограниченного ресурса ре- гуляторов автоматический режим работы устройства АРПН применяется редко. Чаще всего с помощью АРПН корректи- руется напряжение. При наличии на подстанции опера- Канал связи ТУ Канал связи ТИ ТИ КП1 КП1 UD1 ТИ ПС и,к ТИ КП2 Контактная сеть КП2 UD2 Рис. 5.12. Схема централизованного регулирования напряжения ^Ш1 <4.2 тивного персонала возможна совместная работа АРПН и системы «Сирена» или АРПН и УТРНК. С помощью АРПН достигается стабилизация напряжения на шинах перемен- ного тока, а с помощью системы «Сирена» или УТРНК — стабилизация напряжения постоянного тока в середине подстанционной зоны Unc. Устройства телеавтоматического регулирования напряжения контактной сети по- стоянного тока применяют совместно с системой бесконтактного автоматического ре- гулирования выпрямительных преобразователей с применением дросселей насыщения или вольтодобавочных трансформаторов с тиристорным регулированием напряжения.
Глава 6 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ ТЕЛЕМЕХАНИКИ 6.1. Общие сведения об устройствах телемеханики В электроустановках в соответствии с принятой схемой управления находят при- менение как местные, так и дистанционные методы управления контролируемыми объектами. Под местным понимается управление непосредственно на месте установки управляемого объекта. Местное управление может осуществляться либо вручную путем непосред- ственного воздействия на органы управления объектом или со щита управления электроустановки. Дистанционное управление осуществляется по линиям связи. Передача информа- ции по линии связи осуществляется путем соединения каждого объекта управления (контроля) с соответствующим органом управления (ключом, кнопкой и т.д.) или с прибором воспроизведения информации (сигнальной лампой, табло, цифровым ин- дикатором и т.д.). Для передачи каждого сигнала требуется наличие специальной линии связи с проводами соответствующего сечения. В связи с этим применение непосред- ственного дистанционного управления (контроля) экономически целесообразно лишь при местном управлении и при малом числе объектов. С увеличением расстояния передачи, объема информации и числа контролируе- мых объектов особое значение приобретает необходимость сокращения затрат на ли- нии связи, обеспечения качества передачи сигналов и быстродействия системы пере- дачи. Эти проблемы решаются с помощью устройств телемеханики, позволяющих наи- более рационально использовать линии связи и одновременно обеспечить надежную, быструю и точную передачу приказов, сигналов и результатов измерений. Телемеханическими устройствами называются технические средства, с помощью которых обеспечивается управление, контроль и регулирование производственными или технологическими процессами на расстоянии путем передачи кодированных сиг- налов по каналу свзи. По характеру выполняемых функций их делят на устройства теле- управления (ТУ) и телеконтроля (ТК), последние подразделяются на устройства теле- сигнализации (ТС) и телеизмерения (ТИ). Устройства телеуправления служат для управления на расстоянии отдельными объектами или целыми производственными комплексами. Наиболее часто они осуще- ствляют передачу двухпозиционных команд («Включить—отключить», «Прибавить— убавить»), однако могут передавать также терхпозиционные и многопозиционные ко- манды. Большинство объектов управления электроустановок являются двухпозицион- ными. К многопозиционным объектам относятся, например, различные задвижки, зат- ворки и другая трубопроводная арматура систем водоснабжения, теплоснабжения. Устройства телесигнализации служат для контроля на расстоянии за состоянием или положением объектов управления (У) и контроля (К) (рис. 6.1). Устройства ТС в основном также передают информацию в виде двухпозиционных сигналов типа «Вклю- чено—отключено». Телесигнализация может передаваться на диспетчерский пункт (ДП) периодически, автоматически в результате изменения положения или состояния одно- 134
Телемеханические системы ( По характеру сообщении (По выполняемым функциям осооу пере-1 сообщению По вид объектов У Непрерывные Теле- управ- ление Теле- сигнали- зация Одноканальные Неподвижные Дискретные ] Многоканальные | |~ Подвижные Сосредоточенные объекты У и К Рассредоточенные объекты У и К Телеизме- рение Комбинированные (комплексные) Электрическое разделение много- проводное Временное разделение | Частотное разделение "| По расположению обьектов У и К По структуре линии связи По виду каналов связи Радиальные ^Цепочечные Древовид- иые Неэлекгри- ческие г мешанньк Оптичес- кие Акусти- ческие Электри- ческие невмати- ческие Г идравли- ческис Рис. 6.1. Классификация телемеханических систем го из объектов или поступает на ДП по вызову (запросу) диспетчера, т.е. по команде, поступающей на контролируемый пункт (КП) по системе ТУ. Устройства телеизмерения служат для контроля на расстоянии за параметрами контролируемых процессов: напряжением, током и т.д. Наряду с системами телемеханики, предназначенными для выполнения какой- либо одной из указанных выше функций (ТУ,ТС,ТИ), широко используются также комплексные системы телемеханики, выполняющие все перечисленные выше функции или различные их сочетания. На рис. 6.1 приведена классификация телемеханических систем по различным признакам: характеру передаваемых сообщений — непрерывные и дискретные; расположению объектов управления и контроля — сосредоточенные и рассре- доточенные (рис. 6.2); выполняемым функциям — телеуп- равление, телесигнализация, телеизмере- ние и комбинированные (комплексные); структуре линий связи — радиаль- ная, цепочечные (лучевые), древовидные и смешанные (рис. 6.3); способу передачи сообщений — од- ноканальные и многоканальные с элект- рическим, частотным и временным раз- делением каналов; виду каналов связи — электричес- кие и неэлектрические (оптические, аку- стические, пневматические, гидравли- ческие); виду объектов управления и контро- ля — неподвижные и подвижные. а ТУ ДП ДП КП1 ТС 4 /V КПЗ КП2 КП4 Kntf Рис. 6.2. Территориальное расположение объектов управления: а — сосредоточенное; б — рассредоточенное 135
Рис. 6.3. Структурные схемы и конфигурации линий связи телемеханических систем: а ~ радиальная; б — цепочечная (лучевая); в — древовидная одноствольная; г ~ древовидная многоствольная Управление телемехани- ческими объектами осуществ- ляет обычно оператор или дис- петчер из диспетчерского пун- кта (ДП), на котором разме- щается диспетчерский полу- комплект аппаратуры телеме- ханики. На контролируемых пунктах (КП) размещается ап- паратура полукомплектов кон- тролируемых пунктов и объек- ты управления и контроля. Обычно с одного ДП произ- водится контроль и управление объектами нескольких КП. Если объекты сосредоточены в одном месте (например, тя- говая подстанция), то на всю группу устанавливается один полукомплект аппаратуры те- лемеханики контролируемого пункта КП, связь которого с объектами осуществляется по системе местного дистанционного управления (рис. 6.2, а). При рассредоточении объектов по одному или небольшими группами на сравнительно больших расстояниях возле каждо- го объекта или группы устанавливают отдельный полукомплект аппаратуры (6.2, б). При- мером таких объектов могут являться разъединители контактной сети. На рис. 6.4 представлена структурная схема комплексной системы телемеханики для сосредоточенных объектов, включающая в себя полукомплекты диспетчерского и контролируемого пунктов, связанные между собой каналами связи ТУ и ТС-ТИ. На ДП оператор (диспетчер) с помощью кнопок на пульте управления ПУ набирает при- каз, который поступает на кодирующее устройство КУ и далее в виде кода — на блок разделения элементов сигнала РЭС. Каждый элемент кодовой серии поступает на пере- датчик Пер канала связи и передается по своему электрическому, частотному или вре- менному каналу, образованному в линии связи ЛС. Кодовая серия приказа по ЛС ТУ поступает на приемник Пр канала связи КП, где происходит усиление сигнала, очищение от помех. После этого кодовая серия подается ДП Пер Пр Канал связи лс Канал связи ЛС --(2 Рис. 6.4. Структурная схема телемеханической системы 136
на блок РЭС, преобразуется в вид, удобный для декодирования декодирующим устройством ДКУ, затем в виде определенно- го приказа через выходное уст- ройство ВУ поступает на объект управления. Результатом являет- ся переключение объекта ТУ. Информация о состоянии объектов, аварийно-предупреди- тельная и контрольная информа- ция о режимах работы оборудо- вания поступает на датчики те- лесигнализации ДТС. Информа- ция о контролируемых парамет- рах, от объектов ТИ подается на датчики телеизмерения ДТИ. Преобразованная с помощью ДТС и ДТИ информация пере- дается в кодирующее устройство КУ и далее в виде кодовой се- Рис. 6.5. Секционный мозаичный диспетчерский шит ЩДСМ-1 с мнемосхемой системы электроснабжения рии на блок РЭС. Элементы кодовой серии после разделения по индивидуальным элек- трическим, частотным или временным каналам, образованным передатчиком Пер ка- налов связи ТС-ТИ по линии связи Л С передаются на диспетчерский пункт ДП. Приемник Пр канала связи ТС-ТИ принимает информацию, преобразует ее для дальнейшего использования. Через блок РЭС и декодирующее устройство ДКУ инфор- мация поступает на устройство отображения информации УОИ диспетчерского пунк- та, воспроизводится с помощью сигнальных табло и приемников телеизмерения ПрТИ и воздействует на оператора. С приемника канала связи ТС-ТИ информация передается через блок согласования БС на компьютер ЭВМ диспетчера, который пользуясь пуль- том управления ПУ ЭВМ выводит информацию на дисплей или в печать. На ДП устанавливается диспетчерский щит (рис. 6.5) с мнемосхемой электроустановки или диспетчерского круга, работой которого руководит диспетчер. На щите устанавливают- ся переключатели с сигнальными тиратронами или светодиодами, сигнализирующими состояние объектов. Мнемоническая схема (мнемосхема) (рис. 6.6) представляет собой наглядное гра- фическое изображение функциональной схемы контролируемого пункта (на рис. 6.6 — подстанция 2), содержащее все элементы этой схемы, что позво- ляет оператору (диспетчеру) судить о состоянии оборудования на кон- тролируемых пунктах, находящих- ся в его ведении, и оперативно принимать решения по управлению объектами на КП. Мнемосхема, таким образом, выполняет роль визуальной опоры информацион- ного обеспечения системы диспет- черского управления. Выпускаемые в настоящее время диспетчерские щиты явля- ются секционными мозаичного Рис. 6.6. Мнемоническая схема подстанции на щите типа ШДСМ-1 137
типа. Щиты мозаичного типа собираются из отдельных стандартных стоек, фасады ко- торых облицовываются типовыми мозаичными элементами. На мозаичных элементах изображают различные детали мнемонической схемы, из которых она набирается, или крепятся аппараты сигнализации и квитирования (сигнальные ключи). Мозаичные эле- менты с изображенными на них мнемознаками могут легко извлекаться из гнезд в секциях щита, переставляться в другое место или заменяться другими элементами, что позволяет при необходимости оперативно изменять на щите мнемоническую схему любого КП, не нарушая внешнего вида щита и практически не выводя его из работы. Конструкция щитов типа ЩДСМ-1 (см. рис. 6.5) и аналогичных типов позво- ляет компоновать из отдельных секций щиты различной длины и допускает уста- новку панелей в плане под углом друг к другу для улучшения обзора с рабочего места диспетчера. На столе диспетчера располагается пульт-манипулятор с кнопками управления и персональный компьютер. Наличие нескольких компьютеров, объединенных в локаль- ную сеть, позволяет реализовать «виртуальный» энергодиспетчерский щит, отказав- шись от громоздкого диспетчерского щита, составленного из отдельных панелей, ко- личество которых зависит от сложности энергодиспетчерского круга. 6.2. Разделение элементов сигнала при передаче Блоки разделения элементов сигнала РЭС (рис. 6.4) осуществляют отделение эле- ментов кодовой комбинации для их независимой друг от друга передачи по линии связи. При этом элементы сигнала сохраняют свои параметры и не оказывают друг на друга искажающего влияния. Основными методами разделения каналов элементов сигналов являются: элект- рический (схемный), при котором каждый элемент кодовой комбинации передается по своей паре проводов; частотный, заключающийся в том, что каждый элемент переда- ется на своей частоте, отличной от всех других; временнбй, основанный на поочеред- ной передаче элементов сигнала в течение определенного периода времени. Электрическое разделение элементов сигнала рассмотрим на примере схем рис. 6.7. Приказ ТУ набирается диспетчерами путем нажатия кнопки SB 1—SBД'на пульте управле- ния. Каждой команде соответствует своя комбинация включенных кнопок. Через замкну- тые контакты кнопок ток протекает по проводам линии связи на контролируемый пункт, где находятся реле KI— K7V, срабатывающие при протекании по их обмоткам тока. Сраба- тывают те реле, цепи которых замкнуты контактами кнопок. Через контакты сработавших реле замыкается цепь определенного объекта, которому соответствует комбинация вклю- ченных кнопок. В схеме рис. 6.7, а каждый элемент кодовой комбинации передается по своей паре проводов, а в схеме рис. 6.7, б — по одному проводу, а второй (обратный) провод является общим для всех элементов. Это дает экономию проводов, но такая схема связывает галь нически все цепи между собой, снижая надежность. При электрическом разделении требуется большое число проводов, передача ин- формации на большое расстояние оказывается технически и экономически нерацио- Рис. 6.7. Электричес- кое разделение элементов сигнала 138
Рис. 6.8. Частотное разделение элементов сигнала нальной. Поэтому такое разделение применяют только в тех случаях, когда передача осуществляется на небольшое расстояние, например, от одного узла устройства к дру- гому или в системах дистанционного управления, когда дальность передачи не превы- шает нескольких сотен метров. Частотное разделение поясняется схемой на рис. 6.8. Сигнал в виде кодовой ком- бинации, состоящей из элементов, подается на передающее устройство, которое уп- рощенно представлено генераторами GF1—GF/V. Каждый генератор работает на своей частоте Запускаются только те генераторы, на которые в соответствии с кодо- вой комбинацией подается питание. Элементы сигнала в виде токов определенных частот передаются по линии связи на приемное устройство, где установлены частот- ные полосовые фильтры ZF1— ZVN. Каждый фильтр пропускает только ток опреде- ленной частоты. На выходе приемного устройства появляется кодовая комбинация, состоящая из тех же элементов, что и на входе передающего устройства. Для передачи информации необходимо иметь столько частотных каналов (генераторов в передаю- щем устройстве, фильтров в приемном устройстве), сколько имеется элементов сиг- нала (кодовой комбинации). Достоинством частотного разделения является использование для передачи ин- формации одной двухпроводной линии связи в отличие от электрического разделения и одновременная передача всех элементов сигнала, как и при электрическом разделе- нии. Недостатком частотного разделения можно считать необходимость использования для образования частотных каналов дорогой передающей и приемной аппаратуры. Временное разделение элементов сигнала получило широкое применение в систе- мах телемеханики для передачи информации. При временном способе разделения каж- дому передаваемому элементу поочередно предоставляется линия связи на время, не- обходимое для его прохождения. В линии связи элемент существует независимо от дру- гих в течение отведенного для него времени и может быть выделен на приемной сторо- не. Последовательную передачу элементов осуществляют с помощью преобразователей параллельного кода в последовательный на передающей стороне, а обратное преобра- зование на приемной. В качестве преобразователей кода наиболее часто используют распределители импульсов. На рис. 6.9, а представлена схема, поясняющая принцип временнбго разделения с помощью распределителей RG и RG1. При работе они должны переключаться синх- ронно, т.е. одновременно с одинаковой частотой и синфазно, т.е. в каждый момент времени они должны находиться в одноименных позициях. Так, когда распределители находятся на позиции I, то передается первый элемент кодовой комбинации, на пози- ции 2 — второй элемент и т.д. Приемный распределитель находится в той же позиции, что и передающий, поэтому элемент сигнала xj в позиции 1 распределителей появится на первом выходе RG 1, элемент х2 в позиции 2 — на втором выходе и т.д. На рис. 6.9, б показан процесс передачи четырехэлементной комбинации двоич- ного кода 1101 с помощью временной Диаграммы. Распределители для этой передачи должны иметь не менее четырех позиций. Значению сигнала 1 будет соответствовать 139
a Рис. 6.9. Временное разделение элементов сигнала: а — схема системы телемеханики; б — диаграмма передачи сигналов 7XZZZZZZZZZZZZZZZZL_ EzazEiojzzza Линия связи импульс, а значению 0 — отсутствие импульса в соответствующей позиции распреде- лителя. На входы Х|, х2 и х4 распределителя RG подаются сигналы 1, а на вход х3 — сигнал 0. В позиции 1 распределителей по линии связи будет передан импульс, в пози- ции 2 — импульс, в позиции 3 — пауза (отсутствие импульса), в позиции 4 — импульс. Элементы кода поочередно поступают на распределитель RG1 и на выходах Х|, х2, х3 и Хд появляются сигналы 1, 1, 0 и I. Таким образом, обеспечивается независимая переда- ча каждого из элементов кодовой комбинации 1101. Достоинством временного разделения является использование для передачи ин- формации одной двухпроводной линии связи как и при частотном разделении, но аппаратура каналов связи при временном разделении значительно проще и дешевле. Недостатком временного разделения является значительная длительность цикла пере- дачи Гц информации, которая зависит от количества и продолжительности временных интервалов Lt. Tu = Lt-n, (6.1) где п — количество временных интервалов (элементов сигнала). Таким образом, чем больше элементов содержится в кодовой комбинации, тем больше время передачи. Снизить время передачи можно за счет повышения быстродей- ствия системы при переключении распределителей. 6.3. Методы избирания объектов телемеханики При передаче информации в системе телемеханического управления конечной це- лью является объект, на который она передается. Метод избирания (выбора) объекта в значительной мере влияет на принципы выполнения приемо-передающей аппаратуры. Различают три основных метода: прямой, групповой (адресный) и кодового избирания. Прямое избирание характеризуется тем, что сообщение передается одним элемен- том импульсной серии (импульсом или паузой определенного качества). На рис. 6.10 представлена структурная схема частотной системы телеуправления с прямым изображением. По каждому частотному каналу может передаваться одно сооб- щение. Всего система имеет N частотных каналов. На передающей стороне установлено N частотных генераторов GF, которые запускаются при нажатии кнопок SB. Нажатие каждой кнопки соответствует определенному сообщению (приказу). Например, нажа- тие кнопки SB1 соответствует передаче приказа «Включить первый объект», при этом 140
Рис. 6.10. Структурная схема частотной си- стемы ТУ с прямым избиранием запускается частотный генератор GF13 вырабатывающий гармонические колебания ча- стотой /|, которые проходят через полосовой фильтр ZF1 и передаются по линии связи Л С на контролируемый пункт. Частотный импульс пропускается фильтром ZF1 приемного устройства, с помо- щью выпрямителя UZ1 преобразуется в импульс постоянного тока и поступает на реле К1. Оно срабатывает и включает первый объект. Фильтр ZF1, установленный в переда- ющем устройстве, необходим для того, чтобы исключить попадание в ЛС гармоник, возникающих при модуляции и лежащих вне полосы частот первого канала. Для передачи приказа «Отключить первый объект» необходимо нажать кнопку SB2 и запустить генератор GF2. Импульс частотой/j пройдет по второму частотному каналу и в конечном итоге поступит на реле К2, которое отключит первый объект. Аналогичным образом можно осуществлять включение и отключение других объек- тов. Общее количество сообщений (команд), которые можно передать, пользуясь данной системой, соответствует числу частотных каналов N. За одну передачу можно передать все необходимые сообщения, предварительно набрав их нажатием определенных кнопок. Прямое избирание можно осуществить, используя систему с временным разделени- ем элементов сигнала (рис. 6.11, а). В этой системе в передающем и приемном устройстве используются синхронно работающие распределители RG и RG1. Набор сообщений так- Содержание сообщения о Рис. 6.11. Временная система ТУ с прямым избиранием: а — структурная схе- ма системы; б — структура сигналов в линии связи 1 Случай II Случай I № сооб- щения Сигналы в линии связи с импульсами в разных позициях Включить 1-й разъединитель Отключить 1-й разъединитель Включить 2-й разъединитель Отключить 2-й разъединитель Включить 3-й разъединитель Отключить 3-й разъединитель 141
же производится нажатием кнопок SB1—SBN. Когда распределители передающего ДП и приемного КП устройств находятся на первой позиции, идет передача первого сообщения при нажатой кнопке SB1, которая поступает на реле К1, замыкающего своим контактом исполнительную цепь. При переходе распределителей во вторую позицию может быть пе- редано второе сообщение (рис. 6.11, б). За цикл переключений распределителей с позиции 1 до позиции 7Vможно поочередно передать все необходимые сообщения. Можно несколько видоизменить систему, посылая на каждой позиции распределителя импульсы с разными качествами, каждому из которых будет соответствовать определенное сообщение. В этом случае номер импульса можно отождествить с номером объекта, а качеству придать значе- ние операций («Включить—отключить»). Часто используют два качества длительности им- пульса: например, короткий и длинный импульс (рис. 6.11, б— случай II). Важным свойством системы телемеханики с прямым избиранием является пере- дача каждого сообщения по независимому частотному или временному каналу связи при общей физической линии связи. Таким образом, системы с прямым избиранием являются многоканальными. При прямом избирании за один цикл передачи можно передать одно, два или все возможные сообщения. Это свойство системы называется циркулярностью. Исключе- нием являются системы с временным разделением каналов, когда по одному каналу передается два и более сообщений с использованием двух и более качеств импульса, каждое из которых соответствует отдельному сообщению (рис. 6.11, б). В таких системах циркулярность соблюдается только в пределах числа сообщений, равного числу каналов. Сообщения передаются одним импульсом, поэтому время его передачи при час- тотном разделении определяется длительностью импульса и является минимально воз- можным. В системе с временным разделением даже при передаче одного сообщения распределитель должен сделать полный цикл переключений и опросить все позиции. Поэтому здесь можно говорить только о минимальном времени, затрачиваемом при циркулярной передаче на одну команду. Групповой (адресный) метод избирания заключается в выборе объекта в несколько приемов. Все сообщения разбиваются на группы. Наиболее часто в системах телеуправ- ления сообщения делят на группы по виду выполняемых операций «Включить—отклю- чить» (рис. 6.12). На контролируемом пункте при приеме команды «Включить» замыка- ется контакт реле Квкл, а команды «Отключить» — Коткл. При этом на шину включе- ния или отключения поступает напряжение Еп от шины питания. После выбора номера объекта замыкаются контакты реле KI, К2, КЗ или К4, причем один контакт от шины включения, другой — отключения. Питание подается в одну из выходных цепей 1—8 через два замыкающих контакта. Такое избирание называется одноступенчатым. При многоступенчатом групповом избирании сообщения делят на группы, группы — на подгруппы и т.д. Разделение осуществляется с целью уменьшения числа элементов сиг- нала. Например, для передачи восьми сообщений при прямом избирании требуется сигнал, содержащий восемь элементов, и соот- ветственно нужно восемь частотных или временных каналов связи. При групповом избирании для передачи тех же вось- ми сообщений, разбитых на две груп- пы (рис. 6.12) требуется сигнал, содер- жащий шесть элементов (два для выбо- ра группы, четыре для выбора объекта), и соответственно — шесть каналов связи. Наглядность экономии элементов сигнала и каналов связи возрастает при увеличении числа объектов управления. Допустим, требуется управлять десятью 0 п вкл Шина отключения Шина г ключения откл К4 2 об Рис. 6.12. Групповое избирание объектов 142
масляными включателями на тяговой подстанции. На каждый выключатель может быть передана команда «Включить» или «Отключить». Всего требуется передавать двадцать команд, которые можно разбить на две группы по десять команд. Для передачи двадцати команд в системе с прямым избиранием потребуется двад- цать импульсов, двадцать каналов связи и двадцать выходных реле на КП. При исполь- зовании системы с одноступенчатым групповым избиранием необходимо иметь десять импульсов для выбора объекта и два импульса для выбора операции, т.е. требуется двенадцать импульсов, каналов и выходных реле. Применяют и многоступенчатое избирание. В системах телеуправления электри- фицированных железных дорог все командные сообщения в пределах диспетчерского круга делятся между контролируемыми пунктами (первая ступень), внутри пункта — на группы. Так, например, в системе «Лисна-В» имеется четыре группы, в системе «Лисна-Ч» — пять групп. В каждой группе команды разбиваются по виду операции, а затем по объектам управления. При этом импульсная комбинация содержит элементы выбора КП, операции, объекта и группы. Так, в указанных выше системах выбор опе- рации, объекта и группы осуществляется прямым избиранием, а КП — кодовым. Кодовое избирание характеризуется тем, что каждое сообщение передается опре- деленной кодовой комбинацией. Может быть использован любой код, чаще предпочте- ние отдается двоичному коду на одно сочетание. На рис. 6.13, а приведена структурная схема кодовой системы телеуправления с частотным разделением элементов сигнала. В передающем устройстве команда набира- ется одной кнопкой из общего числа N. После нажатия кнопки SB команда подается на шифратор, где происходит преобразование кода на одно сочетание с\ (нажата одна а № ключа Условное одержание ю общения Рис. 6.13. Кодовая си- стема ТУ с частот- ным разделением: а — структурная схе- ма системы; б — структура сигналов в линии связи SB1 11000 SB2 SB4 SB6 SB7 SB9 SB10 Сигналы на выходах генераторов Сигналы на выходах Кодовая шифратора комбинация 2 10001 01100 01010 01001 00110 00101 00011 Отключить 2-й объект Отключить 3-й объект Включить 3-й объект Отключить 4-й объект Отключить 5-й объект Включить 1-й объект Включить 4-й объект Включить 5-й объект Отключить 1-й объект Включить 2-й объект ....... ... WAAf 143
кнопка из множества N) в код, с помощью которого команда на линии связи переда- ется на приемное устройство. Каждый элемент кода передается по своему частотному каналу. Генераторы гармонических колебаний GF1—GFN запускаются в соответствии с кодовой комбинацией, и частотные импульсы работающих генераторов проходят через частотные фильтры ZF1—ZFTVb линию связи. На приемном устройстве каждый частотный импульс кодовой серии проходит через свой фильтр, поступает на преобра- зователь UZ, который преобразует его в импульс постоянного тока. Комбинация им- пульсов постоянного тока, аналогичная той, которая была на выходе шифратора, по- ступает на дешифратор, где расшифровывается, при этом на одном из его выходов, соответствующем номеру нажатой кнопки, появляется сигнал 1, который и поступает на соответствующее выходное реле К. На рис. 6.13, б представлен процесс преобразования сообщения при передаче его с передающего устройства на приемное. Например, для включения первого объекта необходимо нажать кнопку SB1. При этом на выходе шифратора появится кодовая ком- бинация 11000, т.е. на выходах 1 и 2 будут импульсы постоянного тока, на выходах 3, 4, 5 импульсы будут отсутствовать. Генераторы GF1 и GF2 при поступлении на их входы сигнала 1 запускаются и работают с частотами: GF1—Д, GF2—/2. При нажатии другой кнопки будет передаваться другая кодовая комбинация, со- ответствующая другому сообщению. В каждой кодовой комбинации содержится два сиг- нала 1 и три — 0, т.е. используется двоичный код на одно сочетание С$. С помощью 2 5-4 этого кода можно передать десять сообщений (С5 = —— -10). 1-2 Кодовое избирание широко используется в системах с временным разделением элементов сигнала (рис. 6.14). В такой системе кодовая комбинация параллельного кода на выходе шифратора с помощью преобразователя, на который она поступает, преоб- разуется в соответствующую комбинацию последовательного кода. Все ее элементы поступают в линию связи поочередно во времени. На КП с помощью преобразователя происходит обратное преобразование последовательного кода в параллельный. Комби- нация параллельного кода поступает на дешифратор, на одном из выходов которого появляется передаваемая команда. В кодовых системах за один цикл передачи можно передать только одну команду (сообщение), так как при одновременной передаче, например, двух кодовых комбина- ций элементы одной невозможно отделить в приемном устройстве от элементов другой кодовой комбинации. Таким образом, кодовые системы не обладают свойствами цир- кулярное™, а значит все сообщения в случае необходимости передаются поочередно. Полное время передачи всех сообщений в кодовых системах всегда больше, чем в сис- темах с прямым избиранием. В частотных системах с прямым избиранием все команды можно передать одно- временно по своему частотному каналу. Полное время передачи всех команд равно КП Преобразователь параллельного кода в последовательный Линия связи П реобразовател ь последовательного кода в параллельный Шифратор Дешифратор Выход команд Рис. 6.14. Структурная схема кодовой системы ТУ с временным разделением 144
времени передачи одной команды. В частотных кодовых системах одновременно пере- даются все элементы одной команды, а сами команды передаются поочередно, полное время их передачи равняется суммарному времени передачи всех команд. Время, затрачиваемое на передачу одного сообщения, в кодовых системах с вре- менным разделением (кодово-распределительных) может быть существенно меньше, чем в системах с временным разделением и прямым избиранием, так как число пози- ций распределителей может существенно отличаться. На электрифицированных железных дорогах применяют системы телемеханики преимущественно с временным разделением элементов сигнала, так как в системах с частотным разделением используется сравнительно большое число достаточно слож- ных и дорогих элементов — генераторов, фильтров и др. Частотные системы телемеха- ники применяют только в тех случаях, когда число объектов на одном КП невелико (от одного до трех), например, в системах, предназначенных для телемеханизации рассре- доточенных объектов. Если число объектов на КП превышает три, то более эффектив- ны системы с временным разделением, так как стоимость распределителей в этом случае меньше стоимости генераторов и фильтров, а надежность их выше. 6.4. Методы синхронизации распределителей При временном разделении каналов связи телемеханики в передающем и прием- ном устройствах применяются распределители, которые должны переключаться синх- ронно и синфазно, т.е., двигаясь с одинаковой скоростью, одновременно переключать- ся на одну и ту же позицию. Рассинхронизация и сбой в работе распределителей приводят к смещению элементов сигнала сообщения при приеме и искажению информации. Переключение распределителя из одной позиции в другую происходит при поступ- лении на его вход импульсов, которые принято называть продвигающими или тактовы- ми. Номер позиции, которую занимает распределитель, всегда соответствует номеру им- пульса, поступившего на его вход. Если в исходном состоянии распределитель находится в нулевой позиции, то первый тактовый импульс переключает его в первую позицию, второй — во вторую и т.д. Это свойство используется для синхронного переключения распределителей. Наиболее широко применяются три метода синхронизации: от общей питающей сети переменного тока, циклическая и пошаговая (тактовая) синхронизация. Различие в методах синхронизации заключается лишь в способах образования тактовой серии импульсов, подаваемых на распределители передающего и приемного устройств. Метод синхронизации от общей питающей сети основан на том, что напряжения в любой точке электрической цепи синхронны во времени, поэтому питающая сеть мо- жет быть использована в качестве генератора тактовых импульсов (рис. 6.15). Положи- тельные полуволны после выпрямления синусоидального напряжения сети служат так- товыми импульсами, которые поступают на приводы ПР распределителей Р1 передаю- щего и Р2 приемного устройств. Первоначально распределители находятся в нулевой позиции. Для одновременного запуска рас- пределителей привод распределителя ПР переда- ющего устройства подключается к сети, а на при- вод ПР приемного распределителя передается спе- циальный синхронизирующий (фазирующий) им- пульс ФИ, который переводит распределитель Р2 в нулевую позицию, если в этот момент он нахо- дился в другой, и подключает его к сети. После фазирующего импульса первый импульс от пита- ющей сети переводит распределители в первую по- зицию, начинается новый цикл переключений. Синхронная питающая сеть Рис. 6.15. Структурная схема синхрони- зации распределителей с общей сетью 10-6086 145
Такой метод синхронизации распределителей наряду с простотой и относительно невысокой стоимостью имеет ряд недостатков: не всегда имеется общая питающая сеть; частота переключений определяется частотой напряжения питающей сети, кото- рая составляет 50 Гц; при полном или частичном отключении питающей сети, когда нет напряжения на диспетчерском или контролируемом пункте, работа телемеханики невозможна; напряжение питающей сети в удаленной точке может иметь значительный фазо- вый сдвиг, а сигнал в канале связи—запаздывание, в результате чего импульсы на приемном устройстве могут поступать на позиции распределителя, отличающиеся от тех, в которых они были переданы; невозможность резервирования питания устройств телемеханики другими источ- никами, например, применением аккумуляторной батареи. Синхронизация распределителей от общей питающей сети, достаточно широко ис- пользуемая в промышленных устройствах телемеханики, оказывается неприемлемой при Рис. 6.16. Структурная схема системы с циклической синхронизацией |ГТИ1 Рис. 6.17. Тактовая синхронизация распределителей: а — структурная схема системы; б — временная диаграмма работы телемеханизации устройств электроснабжения элек- трифицированных железных дорог. Метод циклической синхронизации (рис. 6.16) заключается в применении индивидуальных ге- нераторов тактовых импульсов ГТИ1 и ГТИ2 с одинаковой частотой колебаний на передающем и приемном устройствах. Распределитель Р1 по- лучает импульсы от генератора ГТИ1, а распре- делитель Р2 — от генератора ГТИ2. Запуск рас- пределителей осуществляется синхронизирующим импульсом в нулевой позиции. На распределитель Р2 синхронизирующий импульс поступает по ка- налу связи с передающего устройства. Он воздей- ствует на привод ПР распределителя Р2 и генера- тор ГТИ2, устанавливая их в исходное состояние, в котором в этот момент находятся распредели- тель Р1 и генератор ГТИ1. Выполнить генераторы тактовых импульсов с абсолютно одинаковой и стабильной частотой прак- тически невозможно. Разница частот генераторов всегда будет существовать, и ошибка будет накапли- ваться с каждым шагом, что в конечном итоге вы- зовет рассинхронизацию распределителей. Это явля- ется существенным недостатком. Для предотвраще- ния рассинхронизации необходима в конце каждого цикла передачи синхронизация ГТИ2 с помощью фазирующего или дополнительного импульса. Метод тактовой синхронизации получил наи- более широкое применение, так как он обеспе- чивает наибольшую надежность. Этот метод зак- лючается в том, что оба распределителя переклю- чаются одним генератором тактовых импульсов ГТИ (рис. 6.17, а). Начало работы распределите- лей определяется фазирующим импульсом в на- чале цикла, когда распределители находятся в нулевой позиции. Если распределитель Р2 нахо- 146
дится в другой позиции, то он устанавливается фазирующим импульсом в нулевую позицию (рис. 6.17, б). При таком методе синхронизации необходимы каналы связи для передачи такто- вых импульсов и сигналов (информационных импульсов). Систему выполняют так, чтобы использовать один общий канал для информационных и тактовых импульсов. Для этого тактовым импульсам, которые передают на каждой позиции распределителей, прида- ют дополнительный импульсный признак, например, временнбй. На рис. 6.17, б пока- зано, что для передачи сигнала 1 используется длинный импульс, а сигнала 0 — корот- кий. Переключение распределителей происходит в начале каждого импульса, незави- симо от его длительности. Импульсы отделяются друг от друга паузами одинаковой продолжительности. Фазирующему импульсу придают отличительный признак от сиг- налов 0 и 1, как правило, его выполняют длиннее длинного, т.е. сверхдлинным. Синфазность работы распределителей передающего и приемного устройств долж- на обеспечиваться во всех случаях дополнительными методами. Конец каждого цикла сопровождается посылкой в канал связи специального фазирующего импульса, с по- мощью которого проверяется вся предшествующая передача. Если прием этого импуль- са не совпадает с переходом приемного распределителя в контрольную (обычно нуле- вую) позицию, то фиксируется сбой, принятое сообщение аннулируется, распредели- тели принудительно переводятся в режим синфазной работы. 6.5. Принципы построения устройств телеизмерения Для передачи на расстояние значений параметров контролируемого производ- ственного процесса применяются устройства телеизмерения. Особенностью телеизме- рения, отличающей его от других видов измерений, является преобразование измеря- емой величины в форму, удобную для передачи по каналу связи. При этом исходную величину преобразуют сначала в промежуточную, которая изменяется во времени по тому же закону, что и контролируемая величина, и носит название аналога контроли- руемой величины. Электрический аналог затем преобразуется в сигнал, удобный для передачи по каналу связи. Цель преобразования заключается главным образом в том, чтобы свести к минимуму погрешности, вносимые каналом связи, обеспечить необходимую помехоу- стойчивость и быстродействие. В приемном устройстве полученный по каналу связи сигнал преобразуется в вид, удобный для отображения на сигнальных табло. При телеизмерении, как и при других измерениях, точность оценивается по абсо- лютной, относительной и приведенной погрешности. Абсолютная погрешность определяется по выражению ЛА = АП~АД, (6.1) где Лп — показания прибора на приемной стороне; Ля — действительное значение контролируемой величины. Относительная погрешность определяется по выражению 8. = '1 »0%- (6.2) Приведенная погрешность определяется выражением (6-3) ^таа где Лтах — максимальное значение измеряемой величины. 147
Информация, передаваемая по системе телеизмерения, может изменяться во вре- мени непрерывно или скачкообразно. Такой же характер имеют и сигналы, соответ- ственно их называют непрерывными и дискретными. В системах с непрерывными сиг- налами с помощью электрического аналога контролируемой величины модулируют переносчик информации аналогично тому, как это было описано в первой главе. Классификация систем телеизмерения осуществляется по принципу действия, даль- ности действия, роду измеряемой величины и т.д. Наиболее часто для устройств телеизмерения применяют классификацию по па- раметрам переносчика информации. В соответствии с этой классификацией системы ТИ делятся на системы интенсивности, которые используют в качестве переносчика информации постоянный ток, модулируемый по амплитуде; частотные системы, в которых в качестве переносчика информации используются импульсы постоянного тока или переменный ток, причем частота импульсов или частота переменного тока зависят от значения контролируемой величины; импульсные системы, в которых в качестве пе- реносчиков информации используется периодическая последовательность импульсов; кодовые системы, которые характеризуются тем, что измеряемая величина преобразу- ется и передается по каналу связи в виде цифрового кода, т.е. определенной комбина- цией импульсов (кодоимпульсная модуляция — КИМ). Системы интенсивности являются устройствами ТИ ближнего действия, так как с увеличением дальности передачи возрастают токи утечки и сопротивление линий связи, в результате чего снижается точность ТИ. Импульсные и частотные системы относятся к устройствам ТИ дальнего действия и могут использоваться для передачи телеизмерительной информации в системах телемеханики устройств электроснабже- ния железных дорог. Частотные системы ТИ позволяют передавать информацию по занятым линиям связи без дополнительной аппаратуры частотного уплотнения, при этом несущая час- тота устройств ТИ размещается в свободной части частотного диапазона линии. Импульсные устройства ТИ подразделяются на частотно—импульсные (с ЧИМ модуляцией), времяимпульсные (с ШИМ модуляцией), фазоимпульсные (с ФИМ модуляцией), кодоимпульсные ( с КИМ модуляцией). Кодовые системы ТИ при использовании КИМ модуляции обеспечивают любую требуемую точность, а также позволяют обойтись без специальных каналов связи ТИ и передавать кодовые комбинации ТИ по каналам телесигнализации. Принцип выполнения этой систе- Рис. 6.18. Преобразование непрерывной величины в код мы заключается в том, что непрерыв- ная функция времени F(t), квантуется (заменяется дискретной) по амплитуде или по времени. Каждое дискретное зна- чение передается определенной кодовой комбинацией. Процесс преобразования непрерыв- ной величины в код и информационные сигналы, соответствующие кодовым ком- бинациям, представлен на рис. 6.18. Кван- тование в данном случае осуществляется по времени. Через равные промежутки вре- мени в моменты /|, и т.д. осуществля- ется замер функции F(t), полученная ве- личина преобразуется в кодовую комби- нацию, поступающую в канал связи в виде сигнала, в котором 1 — импульс, 0 — от- 148
U(f)-аналог. Сигнал Канал связи Рис. 6.19. Структурная схема кодовой системы ТИ Цифра сутствие импульса. Шаг квантования (А/ = /2 “ выбирают в соответствии с теоремой В.А. Котельникова (1.17) (6.4) где/та* — максимальная частота гармоник, которые содержатся в непрерывной функции F(t). На рис. 6.19 представлена структурная схема кодоимпульсной системы ТИ, кото- рая состоит из датчика Д (первичного преобразователя измеряемой величины), преоб- разователя аналог-кода АЦП, блоков разделения элементов сигнала РЭС, линейного передатчика ЛП и приемника ЛПр канала связи, линии связи ЛС, декодирующего устройства ДКУ и цифрового индикатора ЦИ. Измеряемая величина F(f) преобразуется с помощью датчика Д в аналог U(t), поступающий на преобразователь АЦП, на выходе которого образуется сигнал в виде кодовой комбинации. Элементы сигнала разделяются с помощью блока РЭС и поступа- ют на аппаратуру канала связи, с выхода которого элементы сигнала попадают в блок РЭС, преобразуясь в вид, удобный для декодирования в блоке ДКУ. Далее сигнал в виде числа, соответствующего значению величины F(f), поступает на цифровой инди- катор ЦИ, который визуально воспроизводит результат измерения. Применение дискретных сигналов в кодовых системах ТИ позволяет объединить их с системами ТУ и ТС в единую комплексную систему телемеханики. В этом случае для передачи кодовых комбинаций ТИ используются устройства ТС. Это осуществлено в системе телемеханики «Лиена» электрифицированных железных дорог. В ней с помо- щью устройств ТИ осуществляется передача уровня напряжения в контактной сети, линиях автоблокировки, а также расстояния в этих линиях до места КЗ. Передающий полукомплект ТИ (рис. 6.20) состоит из ЧИМ-модулятора, выпол- ненного на основе мультивибратора Роера, логической схемы L1, двухразрядного дво- ично-десятичного счетчика, элемента транзисторной задержки ТЗ, выходных диодных ключей из двух- входовых схем И. На вход ЧИМ-модулятора поступает аналог измеряемой величины в виде напряжения U(t), пре- образуемый в импульсы, частота которых пропор- циональна аналогу U(t) измеряемой величины F(t) (см. рис. 6.18). Импульсы с выхода ЧИМ поступают на логическую схему L1, которая открыта в течение времени, соответствующего длительности отрица- тельного импульса /и, поступающего с каскада тран- зисторной задержки ТЗ. В первой позиции распреде- лителя устройства ТС КП на вход ТЗ поступает им- пульс «Пуск», в результате чего на выходе ТЗ фор- мируется колиброванный по длительности импульс /и. В течение времени импульсы с ЧИМ проходят через схему L1 на двоично-десятичный счетчик, который фиксирует их количество. Чем выше напря- В линию связи Рис. 6.20. Структурная схема передаю- щего устройства ТС-ТИ 149
Из линии связи Рис. 6.21. Структурная схема приемного устройства ТС-ТИ жение {/(/), тем больше импульсов поступит за время /и на счетчик, и наоборот. В момент записи числа в счетчике диод- ные ключи находятся в закрытом состоянии. После записи числа импульсом с устройства ТС КП открываются ключи и информация со счет- чика переписывается в память устройства ТС, где для этого отведены отдельные ячейки па- мяти. Далее поочередно сигналы телеизмерения передаются устройством ТС КП вместе с дру- гими сигналами ТС в линию связи. Сброс счет- чика ТИ осуществляется в начале серии ТС, когда распределитель ТС КП переключается в первую позицию. Информация ТИ по линии связи посту- пает на диспетчерский пункт в устройство ТС ДП и записывается в его промежуточной памя- ти (рис. 6.21). В конце серии устройство ТС ДП осуществляет проверку правильности принятой информации ТС и ТИ. При отсутствии каких-либо сбоев и нарушений при приеме серии подается импульс гашения сигнальных тиратронов ТС и стирания предыдущей информации из памяти цифровых индикаторов ЦИ. Память ЦИ выполнена на тригге- рах, которые при стирании информации переключаются в состояние 0. При считывании информация из промежуточной памяти устройств ТС поступает на сигнальные тиратроны ТС и в память ЦИ, где происходит переключение триггеров в соответствии с поступившими на них сигналами. С выходов триггеров сигналы непре- рывно поступают в преобразователь двоично-десятичного кода в десятичный, а с него в виде десятичного кода — в блок управления цифровым индикатором БУ ЦИ и далее на цифровой индикатор ЦИ. В качестве ЦИ применяют цифровые табло на светодиодах или газоразрядных цифровых лампах, каждая из которых загораясь высвечивает одну из десяти цифр от 0 до 9. Если при приеме кодовой серии возникает какой-либо сбой, то гашения тиратро- нов ТС и стирания информации из памяти ЦИ не происходит, а на цифровом индика- торе сохраняется предыдущая информация.
Глава 7 СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕХАНИКИ В УСТРОЙСТВАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ 7.1. Телемеханизация системы электроснабжения Оперативное руководство работой устройств электроснабжения на электрифици- рованных железных дорогах осуществляет энерго диспетчер. Система оперативного уп- равления электрифицированными участками автоматизирована. Важнейшим звеном такой системы являются устройства телемеханики. С их помощью энергодиспетчер осу- ществляет оперативное управление тяговыми подстанциями, постами секционирова- ния и разъединителями контактной сети, линий продольного электроснабжения и вы- соковольтных линий СЦБ. Устройства телеуправления позволяют обеспечить квалифи- цированное руководство действиями эксплуатационного персонала и повысить произ- водительность труда за счет ускорения переключения схем питания при профилакти- ческих и ремонтно-восстановительных работах. При этом отпадает необходимость в значительной части оперативного персонала, осуществляющего дежурство на подстан- циях или выполняющих переключения на контактной сети. Кроме того, оказывается возможным более полно реализовать пропускную способность электрифицированных железных дорог благодаря сокращению числа специальных «окон», необходимых для профилактического обслуживания контактной сети, и более быстрому устранению воз- никающих повреждений. Энергодиспетчер осуществляет оперативное руководство в пределах диспетчерс- кого «круга», протяженность которого составляет 150—180 км. В отдельных случаях на участках, электрифицированных на переменном токе, длина одного круга может дос- тигать 250 км. Энергодиспетчерские пункты (ДП) размещаются в отделениях дороги, в непосредственной близости от диспетчерских пунктов управления движением поез- дов. Это облегчает согласование ряда оперативных работ, на выполнение которых необ- ходимо разрешение поездного диспетчера. Объекты, управляемые или контролируемые диспетчером (высоковольтные вык- лючатели, разъединители, преобразователи, трансформаторы и т.д.), как правило, со- средоточены на тяговых подстанциях, постах секционирования и станциях, которые в общем называются контролируемыми пунктами (КП); могут быть и другие варианты расположения объектов. В границах дистанции электроснабжения может быть три-четыре диспетчерских круга. В состав одного круга может входить до 15 крупных КП (тяговых подстанций, постов секционирования, станций стыкования и т.д.) и различное количество КП с небольшим числом объектов ТУ и ТС (станции с группами разъединителей контакт- ной сети). Всего в состав круга может входить до 40 КП. Количество объектов ТУ на контролируемых пунктах КП колеблется в широких пределах: от 4-6 до 50-60, а на отдельных КП может достигать 80. Число, объектов ТС составляет от 5 до 120 (включая телеизмерения) на одном КП. На электрифицированных участках постоянного тока осуществляется телеизме- рение напряжения на шинах подстанций и телерегулирование напряжения в пределах 151
диспетчерского круга с помощью системы УТРНК (принцип работы описан в главе 5). На участках переменного тока осуществляется телеизмерение напряжений и токов на фидерах контактной сети, а также производится телеизмерение расстояния до места короткого замыкания в контактной сети и высоковольтных линиях СЦБ. Для большей оперативности при организация работ на контактной сети в системе телемеханики предусмотрены сигналы частотного диспетчерского контроля (ЧДК) дви- жения поездов. Представляя себе действительное расположение поездов на линии, энер- годиспетчер может разрешить выполнение работ на отдельных участках контактной сети как под напряжением, так и со снятием его в интервалах между поездами. В устройствах телеуправления должна быть исключена возможность появления ложных команд, так как их исполнение может привести к возникновению аварийной ситуации. Ложные команды не должны поступать при любом ухудшении работы аппа- ратуры или каналов связи и даже при их повреждении. К устройствам телесигнализации предъявляются менее жесткие требования, учитывая, что наиболее ответственные ава- рийные сигналы дополняются звуковыми и световыми сигналами, поясняющими ха- рактер повреждения. 7.2. Основные сведения о системе телемеханики «Аисна» С 1976 года началось широкое внедрение системы телемеханики «Лиена». В насто- ящее время телемеханизация электрифицированных железных дорог России на базе системы «Лиена» составляет около 60% от всей протяженности телемеханизированных линий. Эта система за четверть века эксплуатации хорошо зарекомендовала себя: она устойчиво работает в сложных климатических условиях, при высоком уровне электро- магнитных помех, значительных колебаниях напряжения. За весь период работы этой системы на железнодорожном и городском транспорте, а также на ряде метрополите- нов России не зафиксировано ни одной ложной команды. Система телемеханики «Лиена» состоит из подсистем с частотным («Лисна-Ч») и временным («Лисна-В») разделением каналов связи. Аппаратура частотных каналов рассчитана на образование 16 каналов в тональном диапазоне частот. Аппаратура теле- механики размещается в стойках и шкафах. На диспетчерском пункте устанавливается диспетчерский щит (рис. 7.1), выполненный в виде комбинации напольных стоек, в нижней части которых находятся диспетчерские полукомплекты ТС. На лицевой сторо- не щита размещена мозаичная мнемоническая схема устройств электроснабжения дис- Рис. 7.1. Диспетчерский щит телеуправления системы «Лиена» 152
петчерского круга. Мозаичные элементы 1 раз- мером 50 х 50 мм или 35 х 35 мм с помощью четырех цанговых ножек крепятся к панели щита, на которой имеются отверстия для фик- сации цанговых ножек. На панели крепятся так- же сигнальные элементы 2 (для однопозици- онных объектов) и квитирующие ключи 3 (для двухпозиционных объектов), в головку кото- рых вмонтированы сигнальные лампы. Исполь- зуется мимическая сигнализация, при которой положение контролируемого объекта определя- ется по положению ключа управления. Сигналь- ные лампы или светодиоды, вмонтированные в головки ключей зажигаются, если положение объекта не соответствует положению ключа на щите. При соответствии их положения использу- ется сигнализация с так называемым «темным щитом», т.е. световая сигнализация отсутствует. На столе энергодиспетчера расположены пульты управления, телефон и другие устрой- ства связи, предусмотрено место для размеще- ния аппаратуры АРМ диспетчера. На контролируемых пунктах подсистемы «Лисна-Ч» устанавливаются стойки КП (рис. 7.2), а на контролируемых пунктах подсистемы «Лис- на-В» — навесные шкафы (рис. 7.3), внутри ко- торых установлены сборные блоки 4 с логичес- кими и функциональными модулями 2, ап- паратура каналов связи 1, блок питания 3, выходные панели зажимов (клеммники) 5 для подключения внешних цепей. Подсистема «Лисна-Ч» предназначена для контролируемых пунктов с большим объемом информации (тяговые подстанции, посты секционирования). Устройство телеуп- равления имеет общий передающий полуком- плект ТУ ДП и индивидуальные приемные ТУ КП1-ТУ КП15 (рис.7.4). Устройство теле- сигнализации имеет индивидуальные переда- ющие ТС КП1-ТС КП 15 и приемные ТС ДП1- ТС ДП 15 полукомплекты. Передача сигналов ТУ осуществляется по одному общему частотному каналу Ду, а передача сигналов ТС — по индивидуальным частотным каналам Скорость переда- чи в тракте телеуправления 20—25 импульсов в секунду, в тракте телесигнализации 28—30 импульсов в секунду. Подсистема «Лиена-В» предназначена для контролируемых пунктов с малым объе- мом информации (группы разъединителей контактной сети, линий продольного элект- Рис. 7.2. Стойка КП подсистемы «Лисна-Ч» 3 Рис. 7.3. Шкаф КП подсистемы «Лисна-В» 153
Рис. 7.4. Структурная схема подсистемы «Лисна-Ч» Тту Линия связи ТУ КП2 КП 15 КП15 Линия связи ТС Линия связи ТУ у у Линия связи ТС Рис. 7.5. Структурная схема подсистемы «Лисна-В» роснабжения и ВЛ СЦБ). Она может быть использована для уп- равления постами секционирова- ния. Один комплект подсистемы рассчитан на 10 контролируемых пунктов с максимальным числом объектов ТУ равным 16. Если сум- марное число объектов на двух КП не превышает 16, то их можно рас- сматривать как один КП и уста- навливать на них отдельные полу- комплекты. Все объекты ТС разбиты на две группы, для каждой из кото- рых используется отдельный час- тотный передатчик. Для ТУ и ТС выделены два раздельных частот- ных канала с несущими частотами /1 и/2 (Рис- 7.5). При наличии сдво- енных КП для ТС используется два самостоятельных частотных кана- ла с частотами и /3. Устройство имеет общий для всех пунктов полукомплект ТУ ДП(Р) (для управления разъединителями), общий приемный полукомплект ТС ДП(Р) и индивидуальные по- лукомплекты ТУ-ТС на контро- лируемых пунктах КП1—КПДС С помощью передающего полукомплекта ТУ ДП(Р) на контролируемый пункт КП посылаются поочередно автоматические команды вызова телесигнализации с КП. Одновременно аналогичная серия передается через линию задержки ЛЗ на приемный полукомплект ТС ДП(Р). В процессе Запроса на соответствующих позициях распредели- теля устройства КП посылают ответные импульсы ТС на диспетчерский пункт ДП. Вследствие запаздывания работы распределителей, вносимого аппаратурой ка- налов связи, распределители КП и ДП работают со сдвигом во времени. Поэтому импульсы ТС, принятые на ДП с некоторым опозданием, могут не совпадать с позициями распределителя, в которых они были посланы. Линия задержки ЛЗ при- звана устранить этот сдвиг во времени. С этой целью она включается между ТУ ДП(Р) и ТС ДП(Р). В конце каждого цикла опроса КП на фазирующем импульсе переключается счет- чик циклов и задает устройству ТУ ДП(Р) номер очередного КП, с которого следует вызывать телесигнализацию, а устройству ТС ДП(Р) — запоминающие элементы для приема информации с данного КП. Порядок автоматического опроса КП можно нарушить оперативным вызовом ТС с любого КП в нужный момент времени, после чего продолжится автоматический опрос контролируемых пунктов со следующего за оперативно опрошенным КП. Кроме того, предусмотрен автоматический вызов телесигнализации с КП, на который была послана команда ТУ. После автоматического опроса всех КП счетчик циклов сбрасывается в состояние 1, новый цикл опроса КП начинается с вызова ТС с КП 1. 154
В табл. 7.1 приведены технические данные системы «Лиена» для базового варианта при полном объеме использования информационных возможностей. Краткие технические данные системы Таблица 7.1 Подсис- тема Число КП на один ДП Число объектов на один КП Число датчиков ТИ на один КП Продолжительность передачи,с Число частотных каналов ТУ ТС команды ТУ серии ТС ТС ТУ Лисна-Ч 15 80 122 4 4—5 До 5 15 1 Лисна-В 10 16 22 2 До 5 Цикл — до 30; по вызову — 2—3 2 1 20 8 11 1 До 5 То же 2 1 Структура кодовых комбинаций, принятая в системе «Лиена», обеспечивает вы- сокую помехозащищенность и практически полностью исключает возможность пере- дачи ложных команд. 7.3. Принципы построения ТУ и ТС подсистемы «Диена-Ч» Передающее устройство телесигнализации (рис. 7.6) устанавливается на контролиру- емом пункте. Оно состоит из генератора тактовых импульсов (ГТИ), распределителя (Р), контактов-датчиков сигнализации (КД ТС), устройства ввода информации (УВИ), блока кодирования (БК), логического блока (ЛБ) и частотно-модулирующего пере- датчика (ЧМП). Генератор ГТИ работает непрерывно и выдает серию прямоугольных импульсов и пауз равной продолжительности, которая через логический блок ЛБ по- ступает на входы распределителя Р и частотного передатчика ЧМП, с выхода которого — в линию связи. Распределитель переключается на каждом импульсе тактовой серии и поочередно опрашивает элементы устройства ввода информации УВИ, состояние ко- торых определяется состоянием контактов-датчиков КД ТС. Контакты-датчики и соответствующие им элементы УВИ разбиты на две группы. Одна группа контролируется на импульсах тактовой серии, другая — на паузах. При переключении распределителя в позицию, к которой подключен элемент УВИ с замк- нутым контактом-датчиком, на выходе УВИ появляется импульс, переключающий блок кодирования БК. Логический блок запирается и импульсы с ГТИ перестают про- ходить на распределитель Р и передатчик ЧМП. Распределитель останавливается на этой позиции, ожидая очередного импульса с ЛБ. Идет процесс удлинения импульса или паузы (кодирования). Сброс БК в исходное состояние осуществляет ГТИ третьим импульсом, отсчет ко- торых осуществляет БК после свое- го переключения. Сброс БК приво- дит к отпиранию логического бло- ка, который снова пропускает им- пульсы на распределитель Р и пере- датчик ЧМП. В результате образует- ся тактовая кодовая серия, состоя- щая из 63 импульсов и пауз (рис. 7.7) различной длительности. Короткие В линию связи Рис. 7.6. Структурная схема передающего устройства ТС 155
Рис. 7.7. Кодовая серия телесигнализации импульсы и паузы соответствуют разомкнутым контактам-датчикам, длинные — зам- кнутым. Последний импульс серии сверхдлинный фазирующий ФИ. Приемное устройство телесигнализации (рис. 7.8) находится на диспетчерском пункте. По линии связи импульсная серия поступает на частотный приемник ЧМПр, где пре- образуется в серию прямоугольных импульсов и пауз, поступающих через линейный триггер ЛТ на блок синхронизации БС, который осуществляет синхронизацию работы распределителей Р и прием длинных импульсов и пауз. С выходов блока синхрониза- ции БС серия поступает на распределитель Р и блок контроля и защиты БКЗ, на кото- рый одновременно импульсы поступают с линейного триггера ЛТ. Распределитель пе- реключается в соответствии с тактовой серией. Его выходные цепи открываются только при приеме длинных импульсов и пауз, на которых в промежуточном запоминающем устройстве ПрЗУ происходит запись информации. Блок БКЗ в течение всего цикла передачи осуществляет контроль поступающей тактовой серии. Если серия была принята без искажения, то в конце цикла БКЗ разрешает производить считывание информации с ПрЗУ и передачу ее на сигналь- ные элементы устройства отображения информации. Перед считыванием информа- ПрЗУ БКЗ I Устройство отображения j информации |________ Исполнительный блок Рис. 7.8. Структурная схема приемного устройства ТС ции исполнительный блок осуще- ствляет стирание предыдущей ин- формации (гашение сигнальных элементов), затем посылает им- пульс считывания на ПрЗУ. Блок синхронизации и приема длинных импульсов и пауз БС конт- ролирует синхронность работы уст- ройства и автоматически вводит его в синхронизм при сбое, а также вы- дает сигнал на БКЗ о нарушении син- хронизма. Передающее устройство телеуп- равления (рис. 7.9) размещается на диспетчерском пункте. В отличие от ТС кодирование в ТУ ведется только Рис. 7.9. Структурная схема передающего устройства ТУ на импульсах, а паузы являются раз- делительными элементами между импульсами и бывают всегда корот- кими. Генератор тактовых импульсов ГТИ, логический блок ЛБ, распре- делитель Р и блок кодирования БК взаимодействуют так же, как и в пе- редающем устройстве ТС (см. рис. 7.6). Нормально передающее устрой- ство ТУ посылает в линию связи хо- лостую серию, состоящую из 30 ко- ротких импульсов и пауз, а также 156
одного сверхдлинного фазирующего им- пульса. Это позволяет непрерывно конт- ролировать исправность канала, а также всего тракта передачи и приема, за исклю- чением исполнительных цепей. Если воз- никает сбой в системе ТУ, с КП переда- ется соответствующий сигнал на ДП. Для передачи приказа диспетчер дол- жен нажать на пульте-манипуляторе две кнопки КУ: кнопку выбора КП и опера- ции, фиксируемую во включенном состо- янии, и кнопку выбора объекта, удержи- ваемую до окончания посылки команды. Через контакты кнопок управления КУ Рис. 7.10. Структурная схема приемного устройства ТУ информация поступает на шифратор Шив блок регистрации команд БР. Шифратор при переключении распределителя в первую позицию воздействует на блок управления передачей БУП, который в свою очередь разрешает начать передачу команды, отпирая входные цепи блока кодирования БК. При переключении распределителя Р на опреде- ленных его позициях шифратор Ш воздействует на блок кодирования БК, который запирает логический блок, на некоторое время останавливает распределитель Р. Через частотный передатчик ЧМП в линию связи идет длинный импульс. Таким образом, фор- мируется командная тактовая серия ТУ, которая для большей надежности передается дваж- ды, после чего блок управления передачей БУП осуществляет сброс элементов, участвую- щих в образовании кодовой серии, и запрещает передачу любых последующих командных серий до возвращения в исходное положение кнопки выбора операции и КП. Приемное устройство телеуправления (рис. 7.10) осуществляет на контролируемом пункте КП прием информации ТУ из линии связи и передачу команд на выходные реле ВР блока выходных реле БВР. Выходные реле после получения команды осуще- ствляют переключение соответствующих объектов ТУ. Приемное устройство ТУ КП состоит из приемника частотных сигналов ЧМПр, линейного блока ЛБ, блока селекции и синхронизации БСС, блока контроля и защи- ты БКЗ, распределителя Р, запоминающего устройства и исполнительных цепей ЗУ и ИЦ, блоков выходных реле БВР и блока исполнения БИ. Распределитель Р переключается в соответствии с поступающей тактовой серией. Во время холостой серии выполняется только контроль синхронизма и автоматическая синхронизация распределителей при сбое. При этом контролируется исправность рабо- ты общей части устройства и исправность канала связи. В случае сбоя блок контроля и защиты БКЗ с помощью устройства ТС КП передает соответствующую информацию на диспетчерский пункт. Тактовая кодовая серия телеуправления (рис.7.11) состоит из 31 импульса и содер- жит элементы выбора КП, операции, объекта, группы, а также фазирующий импульс. Выбор КП осуществляется кодом на одно сочетание С% (два длинных импульса из шести). Выбор операции производится одним длинным импульсом из двух, объекта — Рис. 7.11. Кодовая серия телеуправления 157
одним длинным из шестнадцати и группы — одним длинным из пяти. Первый им- пульс в командной серии выполняет служебные функции: его удлинение соответ- ствует началу передачи команды (на рис. 7.11 обозначен НП). Каждая серия заканчи- вается сверхдлинным фазирующим импульсом ФИ. Командная серия передается дваж- ды, ее исполнение производится после сравнения двух серий в приемном полукомп- лекте. Представленная на рис. 7.11 серия содержит приказ: на КП6 отключить объект 2 в группе 4. Таким образом, в устройстве телеуправления применено многоступенча- тое избирание (четыре ступени). Принятая структура кодовых комбинаций обеспечи- вает высокую помехозащищенность и практически полностью исключает возмож- ность передачи ложных команд. При приеме командной серии импульсы с линейного блока ЛБ проходят через блок БСС на блок БКЗ и распределитель Р. Длинные импульсы с выходов Р поступают на запоминающее устройство ЗУ, выполненное на наборных реле с герконами. Ин- формация считывается с ЗУ импульсом, поступающим из блока исполнения БИ в конце цикла из двух кодовых серий, при условии, что блок контроля и защиты БКЗ зафиксировал правильность принятых кодовых комбинаций и разрешил работу БИ. С устройства ЗУ командные импульсы поступают на выходные реле ВР. Блок контроля и защиты БКЗ осуществляет контроль правильности приема серии и предотвращает воспроизведение ложных команд в случае неправильности выбора КП (появление лишнего или исчезновение одного из избирающих импульсов), выбора двух и более объектов и групп, появление сверхдлинного импульса в середине серии, а также при несовпадении двух командных кодовых комбинаций одного приказа. 7.4. Передающее устройство телесивнализации Генератор тактовых импульсов (ГТИ), схема которого представлена на рис. 7.12, служит для образования тактовой серии. Генератор состоит из мультивибратора (МВ) и триггера-делителя (ТД). Симметричный мультивибратор с самовозбуждением обладает двумя устойчивыми состояниями, смена которых происходит автоматически. МВ вы- полнен на двух каскадах транзисторной задержки ТЗк. Выход Г4 первого каскада под- ключен к конденсаторному входу второго, а выход Г5 второго каскада — к конденса- торному входу первого, одновременно являясь выходом мультивибратора. При подключении ГТИ к источнику питания открывается один транзистор муль- тивибратора МВ, например VT2 (рис. 7.12). На выходе Г5 мультивибратора МВ появля- Мультивибратор (МВ) Рис. 7.12. Схема генератора тактовых импульсов Выход ГТИ Триггер-делитель (ТД) 158
Рис. 7.13. Временная диаграмма работы генератора тактовых импульсов ется нулевой потенциал Н-Е^. Транзи- стор VT1 при этом запирается, на его выходе Г4 будет потенциал —Ек. Кон- денсатор С2 начинает заряжаться по цепи: 4-^—диоды—С2—коллектор VT1—(—£к). Нулевой потенциал с вы- хода Г5 VT2 поступает на базу тран- зистора VT1, который удерживается в закрытом состоянии. По мере заряда конденсатора С1 через транзистор VT2 потенциал базы транзистора VT1 сни- жается. Транзистор VT1 открывается, подавая потенциал +£к на конденса- тор С2, разряд которого приведет к запиранию транзистора VT2, что в свою очередь приведет к перезаряду конденсатора С2. В первый момент времени /| (рис. 7.13) потен- циал +ЕК коллектора транзистора VT2 сохраняется, но по мере заряда конденсатора С2 он снижается по экспоненте. К моменту /2 окончания разряда конденсатора С2 конденсатор С1 полностью заряжен. В момент времени ?2 транзистор VT2 открывается, на выходе Г5 появляется нулевой потенциал, что приводит к разряду конденсатора С1 и запиранию транзистора VT1. Это в свою очередь приводит к заряду конденсатора С2 и повторению очередного цикла работы мультивибратора МВ. Длительность периода работы Т| мультивибратора МВ определяется емкостью конденсаторов С1 и С2. Одним из недостатков в работе мультивибратора является непрямоугольная фор- ма импульсов напряжения на транзисторах из-за большой постоянной времени нарас- тания отрицательного потенциала. Для улучшения формы импульсов ГТИ используют триггер-делитель ТД со счет- ным входом ТГ-4к с выходами Гб и Г8. При поступлении с мультивибратора МВ импульсов триггер-делитель ТД переключается. За период Ту между двумя импульсами происходит перезаряд конденсатора С и подготовка триггера к очередному переключе- нию, которое происходит практически мгновенно. Импульсы на выходах Гб и Г8 име- ют прямоугольную форму, их период Т2 в два раза больше периода Ту переключений мультивибратора МВ. Соответственно частота переключений триггера ТД в два раза меньше частоты мультивибратора МВ, т.е. триггер ТД делит частоту пополам, отсюда его название — триггер-делитель. Длительность импульсов /и и пауз /*п на выходе ГТИ одинаковая и равняется периоду работы Ту мультивибратора МВ и не зависит от сим- метрии каскадов транзисторной задержки ТЗк. Блок кодирования (БК), схема которого изображена на рис. 7.14, состоит из триг- гера кодирования (ТК), инвертора И-НЕ-1 к, датчика времени (ДВ) на двух триггерах ТГ-4к и двух формирующих схем ФС10 и ФС14. При необходимости удлинения импульса или паузы при замкнутом контакте- датчике телесигнализации КД ТС (см. рис. 7.6) устройство ввода информации (УВИ) подает на блок кодирования (БК) импульс. Потенциал + ЕК поступает на предвари- тельно заряженный конденсатор схемы ФСК) (ем1, рис. 7.14). Разряд конденсатора на базу транзистора триггера кодирования ТК приводит к переключению ТК (ГЗ) из состояния 0 в состояние L При этом на выходе ГЗ появляется потенциал — Ек в момент времени (у (рис. 7.15). С выхода ГЗ потенциал — Ек поступает на логический блок, зап- рещая его переключение, и на инвертор 12 (Г5), разрешая импульсам с ГТИ переклю- чать его. С выхода ТК (Г4) потенциал +ЕК передается на конденсатор схемы ФС14, который разряжается на базу транзистора первого Триггера’датчика времени. Датчик времени ДВ переключается из нулевой позиции в первую. С выхода Г2 первого триггера на счетный вход второго триггера ДВ поступает потенциал — Ек, второй триггер гото- вится к переключению (заряжается его конденсатор). 159
Рис. 7.14. Схема блока кодирования ФС10(9) ТК(ГЗ) ФС14(17) 12(Г5) ГТИ (Гб) Г2 Г5 Рис. 7.15. Временная диаграмма работы блока кодирования При поступлении от ГТИ с выхода Гб потенциала —Ек на вход инвертора отпира- ется его транзистор, импульс проходит на счетный вход первого триггера ДВ. Первый триггер переключается в состояние 0, с его выхода Г2 потенциал +ЕК поступает на счет- ный вход второго триггера ДВ, переключая его в состояние 1. С выхода Г5 потенциал — Ек поступает на триггер кодирования ТК, ко- торый готовится к переключению. Теперь датчик времени ДВ находится в первой по- зиции. Следующий отрицательный импульс от ГТИ переводит первый триггер датчика времени ДВ в состояние 0, второй остается в состоянии 1, а датчик времени ДВ перехо- дит во вторую позицию. Третий импульс пе- реключает датчик времени ДВ в третью по- зицию, четвертый в нулевую, при этом по- тенциал +ЕК с выхода Г5 датчика времени ДВ поступает на триггер кодирования ТК, который переключается в нулевое состояние. С выхода ГЗ на логический блок ЛБ и на вход инвертора подается потенциал +ЕК. Инвертор запирается, не пропускает импульсы на датчик времени ДВ, который удер- живается в нулевой позиции до следующего цикла переключений. Логический блок (ЛБ) осуществляет передачу тактовой серии с ГТИ на распреде- литель и передатчик канала связи устройства ТС. Он состоит (рис. 7.16) из двух инвер- торов И-НЕ-2к (Гб и Г5) модуля 11 и инвертора И-НЕ-Ik (Гб) модуля 12. Инверторы модуля 11 Г5 и Гб переключаются генератором ГТИ и находятся в противофазе, т.е. при открытом инверторе Гб (при формировании импульса кодовой серии) инвертор Г5 закрыт. Он открывается при формировании паузы, запирая инверторы И-НЕ-2к (Гб) и И-НЕ-1к(Г6), т.к. на их входные диодные логические схемы с логического блока Г5 подается потенциал +ЕК. К счетчику распределителя СчР и передатчику канала связи подается низкий потенциал и формируется пауза. 160
К линиям задержки Рис. 7.16. Схема логического блока устройств ТС КП Инверторы логического блока ЛБ переключаются импульсами с ГТИ (Гб и Г8) (рис.7.17) до тех пор пока триг- гер кодирования ТК находится в ну- левом состоянии, т.е. до момента вре- мени /] когда начинается удлинение импульса. Инверторы И-НЕ-1 к (Гб) и И-НЕ-2к (Гб) в этот момент откры- ты, а инвертор И-НЕ-2к (Г5) — зак- рыт. При переключении триггера коди- рования ТК с его выхода ГЗ потенциал —Ек поступает на клемму Алогической схемы И, на клемму 25 с инвертора И-НЕ-2к (Г5) также подается потен- циал — Ек, транзисторы инвертора И-НЕ-2к (Гб) останутся открытыми, несмотря на то, что на вход 13 другой логической схемы И инвертора перио- дически от генератора ГТИ будет по- ступать потенциал +ЕК. После полного цикла переключений триггеров датчи- ка времени ДВ триггер кодирования ТК Рис. 7.17. Временная диаграмма работы логического блока переходит в нулевое состояние, в мо- мент времени инверторы логическо- го блока ЛБ продолжают переключать- ся генератором ГТИ до следующего перехода триггера кодирования ТК в состояние 1 в момент времени л при образовании длинной паузы. Инверторы Гб будут при этом закрыты, а Г5 — открыт. На его входы 22 и А потенциалы — Ек будут поступать в течение всего цикла образования длинной паузы от инвертора И-НЕ-2к (Гб) и тригге- ра кодирования ТК (ГЗ). Периодическое поступление импульсов нулевого (низкого) потенциала на вход 7А от генератора ГТИ не приведет к запиранию инвертора. Логический блок управляет также выходами распределителя с помощью линий задержки, на которые с выходов инверторов Г5 и Гб поочередно подаются высокие и низкие потенциалы. Для образования сверхдлинного фазирующего импульса на 63-й и 64-й позициях распределителя необходимо заполнение паузы между 63 и 64 импульсами серии. Для 11-6086 161
к Р (МА2) Рис. 7.18. Схема элемента ввода информации устройства ТС КП этого (см. рис. 7.16) предусмотрена логическая схема с шестью диодами. Диоды под- ключены к 63-му выходу счетчика распределителя СчР. В 63-й позиции распределителя СчР на все шесть диодов логической схемы подается потенциал — Ек, транзистор ин- вертора И-НЕ-1 к остается открытым и во время паузы, хотя на его диодный вход с инвертора И-НЕ-2к (Г5) подается потенциал +ЕК. На передатчик ТС с инвертора Гб в течение 63-го импульса и 63-й паузы подается потенциал +ЕК, т.е. пауза отсутствует. Таким образом, 63-й импульс сливается с 64-м, создавая сверхдлинный импульс, состоящий из двух длинных импульсов и короткой паузы между ними. Устройство ввода информации (УВИ) выполнено из оптронных модулей (рис. 7.18). Эти модули содержат набор оптронных пар (светодиод-фотодиод), которые обеспечи- вают гальваническую развязку цепей ввода информации и внешних цепей кабельных присоединений объектов телесигнализации. Последовательно со светодиодами и фото- диодами включены в каждую цепь 1—8 защитные диоды. Катоды светодиодов через защитные диоды и резисторы Rl—R4 подключены к контактам-датчикам KI—К4 по- ложения объектов телесигнализации. Общая шина контактов-датчиков присоединена к отрицательному полюсу источника питания (—24 В). Аноды светодиодов объединены общей шиной, соединенной с положительным полюсом источника питания (+24 В) через элемент модуля ЗАП2. Фотодиоды подключены к соответствующим выходам матрицы МА2 распредели- теля, например, диодная цепь 1 — к первому выходу, диодная цепь 2 — ко второму и т.д. Общая шина фотодиодов соединена с базой выходного транзистора VT, служащего для подачи сигнала в блок кодирования БК. Эмиттер транзистора VT подключен к соответствующему выходу матрицы распределителя МБ. При замкнутом контакте-датчике, например, К1 при подаче +24 В от ЗАП2 через светодиод по цепи 5 протекает ток, световой поток воздействует на фотодиод, сопро- тивление которого резко снижается (до трех порядков). Если от матрицы распределите- ля МА2 на цепь 1 в этот момент поступает отрицательный потенциал, а на эмиттер транзистора VT — положительный потенциал от матрицы распределителя МБ, то по цепи эмиттер-база транзистора VT протекает ток и он открывается. При этом через транзистор VT на блок кодирования БК подается потенциал +ЕК и осуществляется удлинение импульса (паузы). Непрерывная подача напряжения +24В на оптроны модуля, если их цепи замкну- ты контактами-датчиками в течение длительного времени, приводит к снижению их надежности и срока службы. Поэтому питание на модуль подается кратковременно с помощью модуля ЗАП2. 162
Рис. 7.19. Модуль ЗАП2 Модуль ЗАП2 состоит из четырех элементов, схема одного из них представлена на рис. 7.19. Вход элемента модуля подключается через инвертор к триггеру-делителю ГТИ. С инвертора поступает на вход элемента потенциал —Ек. Конденсатор С1 при этом заряжается. При переключении ГТИ с инвертора на вход модуля ЗАП2 подается потенциал +£к и на базу транзистора VT1 поступает импульс разряда конденсатора, длительность которого определяется емкостью конденсатора С1 и сопротивлением ре- зистора R1. Транзистор VT1 закрывается на время разряда конденсатора, при этом открывается транзистор VT2 и через светодиод оптрона U протекает ток. Светодиод световым потоком воздействует на фотодиод, сопротивление которого резко снижает- ся. Транзистор VT3 закрывается, т.к. фотодиод шунтирует его переход база-эмиттер. Это в свою очередь приводит к закрытию транзистора VT4 и открытию транзисторов VT5 и VT6. На выходе VT6, который является выходом элемента модуля ЗАП2, появляется потенциал +£р (+24 В), который подается на шину анодов светодиодов (см. рис.7.18). Длительность периода поступления потенциала +24 В на светодиоды соответствует вре- мени разряда входного конденсатора. Оптрон U в эмиттерной цепи транзистора VT2 служит для гальванической развязки цепей, подключенных к источникам питания Ек и £р. Время горения светодиодов при использовании модуля ЗАП2 снижается в 5-6 раз по сравнению с вариантом постоянного присутствия потенциала +24 В на анодной шине светодиодов, за счет чего существенно увеличивается срок их службы. Распределитель (Р) передающего устройства телесигнализации состоит из шести- разрядного двоичного счетчика и двухступенчатого комбинированного параллельно- последовательного матричного дешифратора, выполненного в соответствии со струк- турной схемой (см. рис. 2.33, б). Двоичный счетчик, (рис. 7.20) выполнен на основе трех модулей ТГ-1м, которые содержат шесть триггеров. Правые выходы триггеров Г4 и Г5 подключены к счетным входам последующих триггеров, а на счетный вход первого поступают переключающие тактовые импульсы с выхода логического блока ЛБ (см. рис. 7.16). Выходы первых трех триггеров счетчика подключаются к шинам матриц МА2 и МА2', а выходы трех ос- К шинам матриц МА2 и МА2' Рис. 7.20. Схема счетчика распределителя устройства ТС КП 163
тальных — к шинам матрицы МБ. Первая часть двоичного счетчика переключается на каждом тактовом импульсе, поступающем от логического блока ЛБ, при этом обнов- ляется комбинация сигналов на входах логических схем матриц МА2 и МА2'. Вторая часть счетчика переключается после полного цикла переключений первых трех тригге- ров, т.е. на каждом восьмом импульсе, поступающем от логического блока ЛБ. Таким образом, комбинация сигналов на шинах матрицы МБ обновляется после полного цикла переключений первой части двоичного счетчика, состоящей из трех триггеров. Полный цикл переключений второй части двоичного счетчика также равняется вось- ми, а всего счетчика — шестидесяти четырем (8 х 8 = 64 или 26 = 64, где 6 — количе- ство триггеров счетчика, 2 — число состояний одного триггера). Двухступенчатый матричный дешифратор состоит из дешифраторов первой ступе- ни МА2, МА2' прямого кода и МБ-инверсного (рис. 7.21). Дешифраторы МА2 и МА2' содержат по восемь логических схем И, подключаемых к шинам на определенные кодовые комбинации, которые поступают от двоичного счетчика. В этих дешифраторах имеются дополнительные шины разрешения работы матриц: Р разрешает работу мат- рицы МА2 на импульсе (запрет на паузе) и Р' разрешает работу МА2' на паузе (запрет на импульсе). При нахождении счетчика в первой позиции на импульсе потенциал — Ек появляется на первом выходе МА2, на паузе — на первом выходе МА2', при переклю- чении счетчика во вторую позицию потенциал — Ек возникает сначала на втором выхо- де МА2, потом — на втором выходе МА2' и т.д. Дешифратор матрицы МБ содержит восемь схем И-НЕ, размещенных в 15-м и 16-м модулях типа И-НЕ-Ik. К выходным шинам матрицы МБ подключены выходы трех триггеров высших разрядов счетчика распределителя. Нулевой потенциал появля- ется поочередно на выходах ГЗ, Г4, Г5 и Гб модуля 15, затем на аналогичных выходах модуля 16. Дешифраторы второй ступени МВ и МВ' последовательного типа состоят из логи- ческих схем, которые включаются между выходами матриц МА2, МА2' и МБ. Они представляют собой диодные цепи 1, 2, 3, 4, в которые последовательно включается переход эмиттер-база транзистора VT. Если контакты-датчики замкнуты, то светодио- ды оптронов в цепях 5, 6, 7, 8 освещают фотодиоды, сопротивления которых при этом резко снижаются, и через переход эмиттер-база протекает ток, открывающий транзис- тор VT. С выхода транзистора VT при этом на блок кодирования БК поступает им- пульс, в результате чего удлиняется импульс или пауза, поступающие на передатчик телесигнализации ТС. Первый импульс кодовой серии ТС обычно является коротким, так как светодиод в цепи 5 через резистор R1 не подключен к шине (—24 В). Работа устройства ТС контролируемого пункта складывается из процессов обра- зования коротких импульсов и пауз при разомкнутых контактах-датчиках, длинных импульсов и пауз при замкнутых контактах-датчиках и сверхдлинного фазирующего импульса в конце кодовой серии. Процесс формирования кодовой серии рассмотрим с помощью временной диаграммы работы устройства ТС КП (рис. 7.22). Формирование короткого импульса начинается в момент переключения триггера- делителя (ТД) в состояние 0. С выхода Г8 триггера ТД потенциал +£к (нулевой) по- ступает на вход 14 инвертора 11 (Г5) логического блока (ЛБ), который запирается. На выходе Г5 появляется отрицательный потенциал, поступающий на клемму И инверто- ра И-НЕ-1к 12 (Гб), с выхода Гб которого нулевой потенциал поступает на передат- чик ТС. В линию связи с передатчика передается импульс. С выхода Гб триггера ТД потенциал —Ек поступает на вход 13 инвертора 11 (Гб), который открывается, с его выхода Гб импульс поступает на счетный вход первого триггера СчР, который пере- ключается. Одновременно с выхода Гб инвертора 11 логического блока нулевой потен- циал поступает на вход элемента 10 линии задержки импульсов (ЛЗИ), транзистор которого запирается на время разряда входного конденсатора. Конденсатор элемента 164
Рис. 7.21. Функциональная схема передающего устройства ТС системы «Лисна-Ч»
ТД 13(Г8) И-НЕ -2 к П(Г5) -2к ЛЗИ 10(ГЗ) ЛЗИ 14(Г6) Пози- ции МА Выходы МБ1 15(ГЗ) 7///////////А МБ8 16(Г6) 77777///////Z7/77/7/777777. 7/7/////////////7Я ФС ТК ТК ФС И-НЕ -1к ДВ1 13(ГЗ) тки 13(Г4) 7777777777Л ткп 12(Г5) 13(Г2) 77777777777^ 13(Г5) 63-й ВЫХ. У/77/777Л УШ7/< ДВ2 И-НЕ -1к 12(1 6) V7777//777. 77777Я 7/777////// ТКИ У////7//Л Г77/^7777/7Л W7////7/ Рис. 7.22. Временная диаграмма работ устройства ТС КП системы «Лиена»
14 ЛЗИ успевает зарядиться за время разряда конденсатора элемента 10, пока на его выходе ГЗ имеется потенциал — Ек. После разряда конденсатора элемента 10 ЛЗИ, открывается его транзистор и начинается разряд конденсатора элемента 14. На его выходе Гб появляется потенциал —Ек, поступающий на вход элемента 11 ЛЗИ, на выходе ГЗ которого при открытии транзистора возникает потенциал +ЕК, что приво- дит к запиранию следующего инвертора 11 ЛЗИ. С его выхода Г4 потенциал —Ек посту- пает на шину разрешения (Р) работы матрицы МА2. На диодные входы логической схемы матрицы МА2 подаются потенциалы —Ек с первых трех триггеров СчР и на выхо- де матрицы появляется потенциал —Ек, поступающий от шины —Eq через резистор логи- ческой схемы. Одновременно с выхода матрицы МБ, например, первого (см. рис. 7.21) на эмиттер транзистора VT подается нулевой потенциал. Так как контакт-датчик в цепи светодиода разомкнут или отсутствует (цепь 5) и светодиод не освещает фотодиод, то транзистор VT остается закрытым, блок кодирования этот импульс не удлиняет. При следующем переключении триггера ТД генератора ГТИ происходит пере- ключение логического блока ЛБ и короткий импульс заканчивается. Формирование короткой паузы осуществляется аналогично формированию ко- роткого импульса, но имеются следующие отличия. На паузе с выхода Гб триггера ТД на вход 13 инвертора 11 (Гб) поступает нулевой потенциал. Инвертор закрывается, с его выхода Гб потенциал —Ек подается на вход 13 инвертора 11 (Г5), на другой его вход 14 также поступает потенциал —Ек с Г8 триггера ТД. Инвертор 11 (Г5) открывает- ся, подает потенциал +£к на вход 11 инвертора 12 (Гб), который закрывается. С его выхода Гб на передатчик ТС потенциал —£"к. В линию связи передается пауза. Формирование длинного импульса начинается так же, как и короткого. С выхода Гб ТД на логический блок поступает потенциал —Ек, а с выхода Г8 — нулевой. Инвер- тор И (Гб) открывается, 11 (Г5) закрывается, разрешая открыться инвертору 12(Г6). Передатчик ТС начинает передавать импульс. С выхода инвертора 11 (Гб) импульс поступает на вход счетчика СчР и переключа- ет его в очередную позицию, на которой контакт-датчик оказывается замкнут. В это время разряжается конденсатор элемента 10(ГЗ), в течение времени (см. рис. 7.22) на его выходе ГЗ имеется потенциал —Ек, обеспечивающий заряд конденсатора элемента 14(Г6). При открытии транзистора элемента 10(ГЗ) начинается разряд конденсатора эле- мента 14(Г6), который длится в течение времени /2- На выходах элементов ЛЗИ 14(Г6) и 11 (Г4) появляются отрицательные потенциалы. На шине Р матрицы МА2 на время также появляется отрицательный потенциал и начинается проверка состояния контакта- датчика, например КЗ. При замкнутом состоянии КЗ по цепи 7 от модуля ЗАП 18(Г1), который кратковременно на импульсах подает на аноды светодиодов +24 В, протекает ток. Светодиод освещает в цепи 3 фотодиод, сопротивление которого резко снижается, ток возрастает и отпирает транзистор VT. С выхода транзистора VT импульс поступает на блок кодирования и триггер ТК переключается. При этом в блоке кодирования БК запус- кается датчик времени первым импульсом, который поступает с клеммы 17 формирую- щей схемы ФС. При переходе датчика времени ДВ в нулевую позицию происходит сброс триггера ТК в 0. В состоянии 1 триггер ТК при формировании длинного импульса на- ходится в течение времени /тки. С его выхода ГЗ на логический блок поступает потенци- ал —Ек, удерживающий от переключений инверторы ЛБ. Таким образом, импульсы с генератора ГТИ через логический блок ЛБ на счетчик СчР не проходят, распределитель останавливается до окончания длинного импульса. Формирование длинной паузы на четвертой позиции распределителя рассмотрено на рис 7.21. С выхода триггера ТД Гб на логический блок поступает потенциал +£к, а с выхода Г8 — (—Ек). Инвертор логического блока ЛБ 11 (Гб) закрывается, подавая на вход другого инвертора 11(Г5) потенциал —Ек. Инвертор 11(Г5) открывается, так как на его входах при этом будут потенциалы -Ек, и запирает инвертор 12(Г6). На передат- чик ТС поступает потенциал — Ек и формируется пауза. 167
С выхода инвертора 11 (Г5) нулевой потенциал поступает также на линию задер- жки пауз (ЛЗП), которая формирует отрицательный импульс на шине Р матрицы МА2. При этом проверяется состояние четвертого контакта-датчика в группе пауз так же, как проверялось замкнутое состояние третьего контакта в группе импульсов. При замкнутом состоянии четвертого контакта на выходе элемента «1-4 вых.» появляется импульс, поступающий на блок кодирования. Триггер кодирования переключается в состояние 1 и останавливает переключение инверторов логического блока ЛБ импуль- сами с генератора ГТИ. В этом состоянии триггер ТК находится в течение времени за счет чего формируется длинная пауза. Формирование сверхдлинного импульса происходит на 63-й и 64-й позициях рас- пределителя, светодиоды в этих позициях элемента «61-64 вых.» постоянно подключе- ны к шине (—24 В), поэтому 63-й и 64-й импульсы всегда будут длинные. Паузы 63-я и 64-я всегда короткие, так как светодиоды 63-й и 64-й элемента «61-64 вых.» в группе пауз не подключены к шине (—24 В). На передатчик ТС вместо 63-й паузы поступает короткий импульс, который соединяет длинные импульсы 63-й и 64-й, за счет чего образуется сверхдлинный импульс, состоящий из двух длинных и короткого между ними. Заполнение 63-й паузы импульсом происходит благодаря входящей в логичес- кий блок ЛБ диодной схемы, подключенной к 63-му выходу счетчика распределителя (СчР). В 63-й позиции со всех шести триггеров СчР на диодную схему поступают потен- циалы —Ек> на выходе 55 этой схемы также будет потенциал — Ек, благодаря которому транзистор инвертора 12(Г6) останется открытым на паузе. На передатчик ТС при этом подается нулевой потенциал, в линию связи передается импульс. 64-я пауза, отделяющая одну кодовую серию ТС от другой, будет всегда короткой. На следующем за ней импульсе (1-й импульс новой серии) распределитель вновь переходит в 1-ю позицию и формирование кодовой серии, а следовательно, и конт- роль положения объектов, выполняемый путем опроса состояния оптронных ячеек, начинается снова. Выход 61-й распределителя используется для служебного сигнала «Сбой ТУ». Для этой же цели в устройстве служат элементы ТЗК.1 14(Г5) и инверторы И-НЕ-1К 12(ГЗ) и 12(Г4). При сбое в процессе приема серии ТУ с выходов И-НЕ-1К 12(Г4) и «61-й вых. СчР» кратковременно поступает на триггер ТК потенциал —Ек, обеспечивающий за- ряд конденсатора триггер ТК. Следующий за этим потенциал +ЕК приводит к разряду конденсатора, переключению триггера ТК и удлинению 61-го импульса в серии теле- сигнализации. На временной диаграмме (см. рис. 7.22) представлены процессы образования 58-й длинной паузы и 60-го длинного импульса, которые аналогичны процессам образова- ния 3-го длинного импульса и 4-й длинной паузы. Остальные элементы рассмотрен- ной серии, короткие, что соответствует разомкнутому состоянию контактов-датчиков. 7.5. Приемное устройство телесианализации Кодовые серии телесигнализации по частотным каналам поступают на ДП с КП. В приемнике частотно-модулированных сигналов (ЧМС) частотные импульсы преоб- разуются в импульсы постоянного тока, которые поступают на линейный блок (ЛБ). Линейный блок (ЛБ) (рис. 7.23) состоит из линейного триггера (ЛТ) и инверто- ров И-НЕ-2К 12(Г6) и 12(Г5). Триггер ЛТ переключается на каждом импульсе и каж- дой паузе, поступающим на его входы от приемника ЧМС. Одновременно с триггера ЛТ переключаются инверторы линейного блока ЛБ. Во время импульса с выхода Г4 триггера ЛТ на вход инвертора 12(Г6) поступает потенциал +ЕК, запирающий его. На выходе Гб инвертора появляется потенциал —Ек (—И). На выходе Г5 другого инвертора линейного блока ЛБ будет потенциал +£к (+И). 168
1 I I -II Рис. 7.23. Функциональная схема блоков селекции, синхронизации и линейного
Во время паузы на выходе ГЗ триггера ЛТ появляется потенциал +ЕК, запираю- щий инвертор 12(Г5), на выходе которого будет потенциал — £к (—П). С выхода Г4 триггера ЛТ на вход инвертора 12(Г6) подается потенциал —Ек и на его выходе Гб будет потенциал +ЕК (+П). Таким образом, инверторы ЛБ переключаются на импуль- сах и паузах тактовой серии и находятся постоянно в противофазе друг к другу. Их выходы Гб и Г5 подключены к линиям задержки импульсов и пауз (ЛЗИ и ЛЗП) и к линиям, фиксирующим появление в серии длинных импульсов (ДлИ) и пауз (ДлП), выполненных на модуле И-НЕ-1 К-19. Блок синхронизации и приема данных импульсов и пауз (БСС) включает триггер за- держки (ТЗД) (рис. 7.23) с управляющими диодными логическими схемами, линии за- держки импульсов и пауз (ЛЗИ и ЛЗП), линии, фиксирующие появление длинных им- пульсов и пауз (ДлИ и ДлП) в кодовой серии и датчик времени (ДВ) мультивибратором. Датчик времени ДВ замеряет длительность импульсов и пауз: коротких — переключается один раз; длинных — 3-4 раза; на сверхдлинном импульсе делает более семи переключений. При приеме устройством ТС ДП длинного импульса на выходе Гб линейного блока появляется отрицательный потенциал (-И), который поступает на один из дио- дов логической схемы 15. На два других диода этой схемы отрицательные потенциалы поступают с датчика времени ДВ на его третьей и четвертой позициях. Как только на всех входах диодной схемы 15 собираются отрицательные потенциалы, открывается транзистор инвертора 19(Г6). Это приводит к закрытию транзистора схемы 19(Г5) и появлению на шине Р матрицы МА2 отрицательного потенциала (—ДлИ), разрешаю- щего запись в промежуточном запоминающем устройстве (ПрЗУ) длинного импульса. При приеме длинной паузы аналогично действует линия, фиксирующая появление длинной паузы. С выхода Г5 линейного блока Л Б отрицательный потенциал (—П) подается на диодную схему 16. После отсчета трех импульсов с выхода датчика времени ДВ на другие два диода схемы 16 также поступают отрицательные потенциалы, происходит пере- ключение инверторов 19 (ГЗ и Г4). На выходе инвертора 19 (Г4) появляется отрицатель- ный потенциал (—ДлП), поступающий на шину разрешения Р' записи длинной паузы. При приеме коротких импульсов и пауз на диодные схемы 15 и 16 с датчика времени ДВ поступает нулевой потенциал, на шинах Р и Р' будет сохраняться потенци- ал +ЕК, запрещающий запись. Проверка синхронной работы распределителей устройств ТС КП и ТС ДП и их синхронизация осуществляются с помощью триггера задержки (ТЗД), на который в 62-й позиции распределителя через диодную схему 15(Г7) от счетчика распределителя (СчР) поступает отрицательный потенциал. Триггер ТЗД готовится к переключению (заряжается конденсатор). В 63-й позиции счетчик СчР подает через диоды схемы 15(Г7) на триггер ТЗД нулевой потенциал и переключает его из состояния 0 в состояние 1. С выхода Г1 ТЗД на счетчик СчР подается нулевой потенциал, запрещающий его пере- ключение. Распределитель останавливается в 63-й позиции до тех пор, пока триггер ТЗД находится в состоянии 1. Если 63-й импульс тактовой серии фазирующий (сверх- длинный), то датчик времени ДВ доходит до 7-й позиции и через диодную схему 15 (Г2) на вход триггера ТЗД поступит отрицательный потенциал, разрешающий его под- готовку к переключению (заряд конденсатора). На 8-й позиции датчика времени ДВ на триггер ТЗД с выхода Г2 съемы 15 поступает нулевой потенциал, переключающий его в состояние 0. С выхода Г1 триггера ТЗД на счетчик СчР подается потенциал — Ек, разрешающий переключение его в последнюю 64-ю позицию. При рассинхронизации 63-й импульс тактовой серии оказывается не сверхдлин- ным (коротким или длинным), датчик времени ДВ не доходит на нем до 7-й позиции и сброса триггера ТЗД не происходит. Счетчик СчР останавливается в 63-й позиции до прихода сверхдлинного импульса, на котором происходит сброс триггера ТЗД и пере- ключение счетчика СчР в 64-ю позицию, в которой находится распределитель передаю- щего устройства ТС. Таким образом, осуществляется синхронизация распределителей. 170
к БКЗ Мультивибратор ДВ1 Рис. 7.24. Функциональная схема датчика времени блока БСС ДВ2 ДВЗ Датчик времени (ДВ) (рис. 7.24) является составной частью блока селекции и синхронизации (БСС). Он управляется мультивибратором 18(ГЗ), который является генератором тактовых импульсов (ГТИ). Измерение длительности импульсов и пауз кодовой серии, поступающей на линейный блок, производится путем отсчета числа импульсов ГТИ. В начале каждого импульса и паузы тактовой серии счетчик сбрасы- вается транзисторными каскадами 18 (Гб, Г5) линий задержки импульсов и пауз (см. рис. 7.23). На паузе со схемы инвертора 12(Г5) линейного блока Л Б отрицательный потен- циал поступает на конденсаторный вход каскада задержки 18(Г5), конденсатор заря- жается и находится в этом состоянии до конца паузы. Во время импульса с инвертора 12(Г5) на конденсатор поступает нулевой потенциал, который приводит к разряду конденсатора на базу транзистора инвертора. Транзистор закрывается, на его выходе Г5 появляется отрицательный потенциал, поступающий на диодную схему 16. Это приво- дит к открытию инвертора 13(Г4) и ток по цепи эмитгер-база транзисторов протекает через резистор схемы 16. На выходе Г4 инвертора 13 возникает нулевой потенциал, поступающий через диоды схемы 17 на выходы II, IV, VI триггеров ДВ1, ДВ2, ДВЗ датчика времени (рис. 7.24), которые сбрасываются в состояние 0, а датчик — в пози- цию 1. Сигналы на выходах 1-V1 триггеров ДВ1—ДВЗ датчика времени в различных его позициях приведено в табл. 7.2. Как известно, полное число позиций двоичного счетчика на трех триггерах, каким является датчик времени, равняется восьми. Сигналы на выходах триггеров ДВ1, ДВ2, ДВЗ датчика времени Таблица 7.2 № позиции ДВ Состояние выходов I—VI триггеров ДВ1—ДВЗ датчика времени в устройстве ТС ДП № позиции ДВ Состояние выходов 1—VI триггеров ДВ 1— ДВЗ датчика времени в устройстве ТС ДП ДВ1 ДВ2 ДВЗ ДВ1 ДВ2 ДВЗ II III IV V VI I II III IV V VI 1 1 0 1 0 1 0 5 1 0 0 0 1 2 0 1 1 0 0 6 0 1 1 0 0 1 3 1 0 0 1 1 0 7 1 0 0 1 0 1 4 0 0 1 1 0 8 0 1 0 1 0 1 Из табл. 7.2 видно, что в 3-й и 4-й позициях датчика времени ДВ на выходах IV и V будут сигналы 1, т.е. потенциалы —Ек, поступающие на диодные схемы 15 и 16 блока БСС (см. рис. 7.23). В седьмой позиции датчика времени ДВ сигналы 1 будут на выходах I, IV, VI триггеров. Потенциалы — Ек с этих выходов поступают на схему 15(Г2), обеспечивая подготовку триггера ТЗД к сбросу в состояние 0. 171
Частота работы мультивибратора датчика времени ДВ (рис. 7.24) выбирается не- сколько большей частоты работы ГТИ передающего устройства ТС. В течение длинного импульса (паузы), который состоит из пяти тактовых элементов серии ТС, датчик времени успеет отсчитать 6-8 разнополярных импульсов мультивибратора, переклю- чившись в 3, 4-ю позицию. Максимальная длительность открытого состояния 3, 4-го выходов ДВ составляет два периода мультивибратора, а длительность открытия 7-го выхода соответствует периоду МВ. Датчик времени при приеме фазирующего импуль- са, состоящего из 11 тактовых элементов, успевает завершить полный цикл переклю- чений, отсчитав не менее семи периодов мультивибратора, а на восьмом импульсе переключается в нулевую позицию, начиная новый цикл переключений. Исполнительный блок (ИБ) (рис. 7.25) включает в себя модуль ГС (гашения и считывания), усилители общего сброса (УОС), считывания (УСЧ), гашения тиратро- нов (УГГ), диодных логических схем 14 и 16 и формирующую схему Ф4(20). На первой позиции распределителя с триггеров СчР на диодную схему 16 подаются низкие потенциалы. Со схемы сброса датчика времени ДВ (см. рис. 7.23) в начале импуль- са поступает нулевой потенциал, запрещая отпирание усилителя УОС до тех пор, пока идет процесс переключения триггеров СчР из 64-й позиции в первую. После снятия высокого потенциала со входа усилителя УОС, он отпирается и нулевой потенциал с выхода Гб поступает к обмоткам сброса промежуточных запоминающих устройств, под- готавливая ПрЗУ к приему новой информации. Нулевой потенциал также подается на формирующую схему Ф4 (20), конденсатор которой зарядился, когда с выхода Гб уси- лителя УОС поступал потенциал —Ек. Импульс разряда конденсатора подается на сброс триггера запрета ТЗП блока контроля и защиты. Далее до конца информационной части тактовой серии исполнительный блок в работе приемного устройства не задействован. VS1 Считы- вание -10 в VS2 К катодам СЭ Сброс ТЗП Ф4 20 от ТЗД 7-й вых. К обмоткам сброса ПЗУ К обмоткам считывания ПЗУ 14 16; Рис. 7.25. Функциональная схема исполнительного блока устройства ТС ДП Гашение И-НЕ-2К 13 УОС 13 УСЧ С4 ГЗ И-НЕ-2к 13 схему ТИ 20 от НП(ТУ) 172
ТЗД ТЗП НП УСЧ С4 Анод VS2-------------------g-------- Анод Г ашение ч к_____ С5 Считывание Катод vsH Рис. 7.26. Временная диаграмма работы исполнительного блока Работа исполнительного блока ИБ на фази- рующем импульсе описана графически с помо- щью временной диаграммы на рис. 7.26. В начале 63-го импульса, который является сверхдлинным, триггер ТЗД переключается в состояние 1 и пода- ет отрицательный потенциал на диодную схему 14 исполнительного блока ИБ (см. рис. 7.25). На два других диода этой схемы поступают также от- рицательные потенциалы от триггеров запроса ТЗП и начала передачи НП (из устройства ТУ). Датчик времени блока БСС на сверхдлинном импульсе доходит до 7-й позиции и с его выходов поступа- ют отрицательные потенциалы на диоды схемы 14. В этот момент открывается усилитель УГГ. Потен- циал +ГК с выхода ГЗ усилителя подается на пред- варительно заряженный конденсатор С2 схемы управления тиристором VS2. Конденсатор С2 раз- ряжается на первичную обмотку трансформатора Т2, во вторичной — наводится ЭДС и формирует- ся импульс, открывающий тиристор VS2. Конден- сатор С4 заряжен через открытый тиристор VS3, который соединяет катоды сигнальных элементов (тиратронов) с шиной —110 В. При открытии VS2 конденсатор С4 разряжается через него. Ток раз- ряда протекает через тиристор VS3 в обратном на- правлении, снижая прямой ток через него до нуля, что приводит к запиранию тиристора VS3. После окончания разряда конденсатора С4 тиристор VS3 остается закрытым до подачи импульса на его управляющий электрод, сигнальные элементы оказываются отключенными от шины —110 В и их тиратроны гаснут. По окончании 7-й позиции датчика времени ДВ на диоды схемы 14 поступает нулевой потенциал, усилитель УГТ закрывается, разрешая открыться усилителю счи- тывания УСЧ. Нулевой потенциал с его выхода Г5 подается на заряженные конденса- торы С1 и СЗ схем управления тиристорами VS1 и VS3. Разряд конденсаторов С1 и СЗ проходит на первичные обмотки трансформаторов Т1 и ТЗ. Во вторичных обмот- ках наводятся ЭДС и формируются импульсы, отпирающие тиристоры VS1 и VS3. Тиристор VS3 подключает катоды сигнальных элементов СЭ к шине —110 В, а тири- стор VS1 замыкает цепь разряда конденсатора С5 на обмотки считывания ПрЗУ через дроссель L1, при этом загораются тиратроны сигнальных элементов и удерживаются в зажженном состоянии током через открытый тиристор VS3. Тиристор VS1 после разряда конденсатора С5 снова закроется, а конденсатор С5 начнет заряжаться от источника питания НО В. Блок контроля и защиты (БКЗ) (рис. 7.27) состоит из триггера запрета (ТЗП), защиты от искажения импульсов и пауз, выполненной на диодной схеме 14 (Г1), защиты от рассинхронизации, выполненной на формирующей схеме Ф4, и схемы световой сигнализации «Сбой ТС», выполненной на инверторе 12(Г4) и подключен- ной к нему сигнальной лампе HL. Защита от рассинхронизации работает на 63-й позиции распределителя. От тригге- ра ТЗД с его выхода Г2 при переходе в состояние 1 на схему Ф4 подается потенциал —Ек. Конденсатор С1 заряжается по цепи: +£к—VD2—Cl—R3—ТЗД(Г2). Линейный триггер ЛТ(Г4) на импульсе подает на диодную схему отрицательный потенциал (—И). 173
к ИБ от ТЗД(Г2) 10 VD2 о -и Защита от рассинхронизации К Сбой ТС Рис. 7.27. Функциональная схема блока контроля и защиты Защита от ! искажения импульсов и пауз от ТЗД(П) ТЗП*! И-НЕ*2к 12 Если 63-й импульс серии оказывается не сверхдлинным (коротким или длинным), то на паузе от линейного триггера ЛТ(Г4) поступает нулевой потенциал на заряженный конденсатор С1, который разряжается через диод VD1 на базу открытого транзистора триггера запрета ТЗП. Триггер запрета переходит в состояние 1, с его выхода Г7 нуле- вой потенциал поступает на блок исполнения, запрещая гашение тиратронов и счи- тывание полученной информации. С выхода Г5 триггера задержки ТЗД потенциал —Ек подается на вход 2 инвертора 12(Г4), который открывается, и с выхода Г4 потенциал +ЕК поступает на сигнальную лампу HL, включение которой сигнализирует «Сбой ТС». При отсутствии рассинхронизации с триггера ЛТ на 63-м импульсе серии будет поступать отрицательный потенциал (—И) на вход схемы Ф4. При сбросе триггера ТЗД датчиком времени на его 7-й позиции в состояние 0 происходит разряд конденсатора С1 через триггер ТЗД по цепи: C1—R2—(+£К)—ТЗД—R3—С1. Импульс разряда кон- денсатора из-за наличия в разрядной цепи резисторов R2 и R3 оказывается слабым и переключения триггера запрета ТЗП не происходит. Защита от искажения импульсов и пауз срабатывает в середине тактовой серии, если импульс (пауза) оказывается длиннее длинного, т. е. воспринимается как сверх- длинный. Датчик времени доходит до 7-й позиции и с его выхода на диоды схемы 14(Г1) поступают отрицательные потенциалы, от триггера ТЗД с выхода ГТ также поступает отрицательный потенциал (триггер ТЗД находится в состоянии 0). Когда от генератора ГТИ датчика времени будет подан отрицательный потенциал, то на вход 15 триггера ТЗП поступит отрицательный потенциал, разрешающий заряд конденсатора С. При переключении датчика времени ДВ в другую позицию на вход 15 триггера ТЗП поступит нулевой потенциал. Конденсатор С разряжается на базу открытого транзисто- ра и триггер ТЗП переходит в состояние 1. С выхода Г5 триггера ТЗП на вход 2инверто- ра 12(Г4) подается потенциал — Ек, позволяющий открыться инвертору. В результате переключения инвертора загорается лампа «Сбой ТС». Распределитель (Р) (рис. 7.28) приемного устройства ТС аналогичен распределите- лю передающего устройства. Он состоит из счетчика на шести триггерах трех модулей ТГ-1 м, матричных дешифраторов параллельного типа МА и МА' и последовательного типа МБ, которые подключены к обмоткам записи информации магнитотиратронных ячеек сиг- нальных элементов (СЭ) и включенных последовательно с ними диодов. Таким обра- зом, вместо оптронных модулей ввода информации, применяемых в передающих уст- ройствах ТС, в приемных — включены обмотки записи блоков сигнализации положения объектов (БСП) и блоков сигнализации режимов работы (БС). Схемы и принцип работы 174
Рис. 7.28. Функциональная схема устройства ТС ДП системы «Лисна-Ч»
БСП и БС рассмотрены в п. 2.13. Разрешение на запись информации поступает на шины Р(МА) и Р' (МА')- Матрицы МА и МА' подключены к выходам первых трех триггеров счетчика распределителя, а матрица МБ — последних трех. Работа устройства ТС ДП заключается в записи длинных импульсов и пауз при приеме кодовой серии, воспроизведении полученной информации на щите телесигна- лизации с помощью сигнальных элементов (СЭ), а также в контроле за синхронной работой распределителей устройств ТС КП и ТС ДП и отсутствием сверхдлинных им- пульсов и пауз в середине кодовой серии. Схема работы устройства ТС ДП представлена на рис. 7.28, а описание ее работы показано графически с помощью временной диаграммы на рис. 7.29. Тактовая серия с приемника ЧМС поступает на линейный триггер ЛТ, который переключается на каж- дом импульсе и паузе. Через инверторы 12 Г5 и Гб серия поступает в схему управления датчиком времени на линии задержки импульсов (ЛЗИ) и пауз (ЛЗП) 18(Г6) и 18(Г5). Датчик времени ДВ сбрасывается в положение 1 на каждом импульсе (паузе).На корот- И-НЕ- -2к 12(Г5)- ЛЗИ 18(Г5) И-НЕ- -2к 12(Г6) ЛЗП 18(Г6) И-НЕ- -2к 13(Г4) И-НЕ- -2к 12(ГЗ) СР Пози- ции СР 62-й вых. ТЗД 10(Г1) МВ 18(ГЗ) ДВ1 11(Г1) ДВ2 11(Г5) IV ДВЗ 11(Г8) V ДВЗ Н(Г6) VI ДВ Пози- ции МА 3-4-й вых. МАу 3-4-й вых. да 7-й вых. МБ Выхо- ды УОС 13(Г6)| У ГТ 13(ГЗ)| ГС 22-1 УСЧ 13(Г5) ГС 22-12 '/7777'7/777/Л шшштщ '/////7, 60____61 62 '///7/////////////////////////////////////////////W7//////////////////////7l'///////////7t'Z7//////////////////7/tftf7/, '/////ТУ/////////////////////////////////// '77/ '7777777/77777777777777/7777ЛI '77, 77Л '7777/7, '777777, '777/77, '7/7/7/, I t I r / / t / t I I / / t I t i I t I t t / / 0 Рис. 7.29. Временная диаграмма работы элементов устройства ТС ДП 176
ких импульсах (паузах) он успевает переключиться своим генератором ГТИ один раз, т.е. перейти во второе положение, после чего сбрасывается в 1. На 60-м длинном им- пульсе и 5-й длинной паузе (рис. 7.29) датчик времени ДВ от мультивибратора МВ успевает переключиться до 3-4-й и даже 5-й позиции. На 3-й и 4-й позициях через диодные схемы 15 и 16 и инверторы модуля И-НЕ-1к 19 разрешение на запись длин- ного импульса (паузы) поступает на шину Р матрицы МА (Д' матрицы МА'). От выхо- да матрицы МБ, на котором имеется нулевой потенциал, к выходу матрицы МА (МА') проходит импульс тока через обмотку записи блока БСП (БС). При этом на сердечнике трансформатора длинного импульса записывается сигнал 1, а на сердечнике транс- форматора короткого импульса — сигнал 0, т.к. его обмотка включена встречно. На 63-м импульсе возбуждается триггер ТЗД. С его выхода Г1 нулевой потенциал поступает на вход 18 инвертора 12 (ГЗ), который закрывается. С выхода ГЗ закрытого инвертора на счетный вход первого триггера СчР ТГ-1М подается потенциал ~ЕК, обеспечивающий подготовку триггера к переключению. Если 63-й импульс сверхдлин- ный, то триггер ТЗД на 7-й позиции датчика времени ДВ подготовится к переключе- нию, а на 8-й — произойдет сброс ТЗД. С его выхода Г1 отрицательный потенциал поступит на вход /<? инвертора 12(ГЗ), который откроется и переключит счетчик СчР в 64-ю позицию. Таким образом, на фазирующем 63-м импульсе счетчик СчР переклю- чается дважды: первый раз в начале импульса, второй — после сброса триггера ТЗД датчиком времени. Этим восполняется недостающий в тактовой серии 64-й импульс. При синхронной работе распределителей на 63-м импульсе серии датчик времени ДВ доходит до 7-й позиции, усилитель УГГ открывается, что приводит к открытию тиристора VS2, разряду через него конденсатора С4 модуля ГС (гашения и считыва- ния) и закрытию тиристора VS3, через который сигнальные тиратроны подключены к шине (—110 В). Запирание тиристора VS3 приводит к гашению тиратронов. При пере- ключении датчика времени ДВ в 8-ю позицию усилитель УГТ закрывается и открыва- ется усилитель УСЧ, с выхода Г5 которого на схемы управления тиристорами VS1 и VS3 поступает нулевой потенциал. При открывании тиристоров происходит считывание информации с ячеек памяти блоков БСП (БС) и подключение сигнальных тиратронов через тиристор VS3 к шине (—110 В). При считывании импульс через контакт ключа в блоке БСП (в положении несо- ответствия) поступает на управляющий электрод (сетку) тиратрона и зажигает его. Если несоответствие устраняется (переключение объекта или квитирование ключа БСП), тиратрон гасится модулем ГС (гашения и считывания) и больше не зажигается. Гаше- ние тиратронов происходит на время равное примерно 20 мс, что практически не ощущается глазом. При сбое (рассинхронизации, искажении импульсов или пауз в серии) срабаты- вает триггер ТЗП, запрещающий работу усилителей УГТ и УСЧ. На щите ТС сохраня- ется информация, существовавшая до сбоя, и одновременно при возбужденном триг- гере запрета ТЗП зажигается лампа «Сбой ТС». В начале нового цикла на первой пози- ции счетчика СчР усилитель УОС стирает ложную информацию, подготавливает ПрЗУ к приему новой информации, сбрасывает триггер ТЗП, что приводит к гашению лам- пы «Сбой ТС». 7.6. Передающее устройство телеуправления Генератор тактовых импульсов (ГТИ), логический блок (ЛБ), блок кодирования (БК) и распределитель (Р) взаимодействуют так же, как в передающем устройстве телесигнализации (см. рис. 7.9). ГТИ передающего устройства ТУ имеет такое же схемное решение, что и в устрой- стве ТС. ГТИ состоит из мультивибратора, выполненного на двух каскадах транзистор- ной задержки ТЗк 2(ГЗ, Г4) и триггера-делителя (ТД) ТГ-4к 7(ГЗ, Г4). Выход Г4 12-6086 177
Рис. 7.30. Принципиальная схема логического блока триггера-делителя подключен к логическому блоку, через который тактовые импульсы передаются на счетчик распределителя (СчР) и передатчик ЧМС. Логический блок (ЛБ) (рис. 7.30) имеет более простую схему, чем в устройстве ТС, так как в кодовой серии ТУ удлиняются только импульсы, а паузы все короткие. Логический блок ЛБ выполнен на двух инверторах И-НЕ-2к 1(Г5) и 1 (ГЗ). Инвертор 1(Г5) в течение серии закрыт и открывается только в 31-й позиции счетчика распреде- лителя (СчР), когда с его пяти триггеров на входную диодную схему подаются низкие потенциалы. При этом с выхода Г5 на передатчик ЧМС в течение 31-го импульса и следующей за ним паузы поступает высокий потенциал, т.е. пауза заполняется импуль- сом, соединяя 31-й и 32-й импульсы. Инвертор 1 (ГЗ) переключается генератором тактовых импульсов и с выхода Г4 триг- гера-делителя ТД тактовая серия поступает на входную диодную логическую схему 15. При поступлении потенциала — Ек транзисторы инвертора открываются и нулевой потенциал (импульс) с выхода ГЗ подается на передатчик ЧМС, счетчик распределителя СчР и линию задержки импульсов (ЛЗИ), а нулевой потенциал с триггера-делителя ТД приво- дит к запиранию инвертора и появлению на выходе ГЗ потенциала — Ек (паузы). Переключение инвертора 1(ГЗ) происходит при условии, что триггер кодирова- ния (ТК) находится в состоянии 0 и с его выхода (ГЗ) на вход 18 инвертора подается нулевой потенциал. При переключении триггера ТК в состояние 1 на вход 18 инвертора поступает потенциал — Ек, его транзисторы остаются открытыми независимо от потен- циала на диодной схеме 15, поступающего от триггера-делителя ТД. В этом состоянии инвертор 1 (ГЗ) находится до сброса триггера ТК в 0, идет процесс удлинения импуль- са. Таким образом, логическим блоком управляют ГТИ, блок кодирования БК и счет- чик распределителя СчР на 31-й позиции. Блок управления передачей (БУП) (рис. 7.31) включает в себя триггеры ограниче- ния передачи (ТОП), начала передачи (НП), повторной передачи (ТПП), инверторы И-НЕ-2к 10(Г4) и 10(Г6), который является усилителем сброса (УСб), формирующую схему Ф5(Г5) и транзисторный каскад задержки ТЗк 9(Г4). Триггер НП в исходном нулевом состоянии с выхода Г5 подает на вход блока кодирования (БК) нулевой по- тенциал, запрещая удлинять все импульсы тактовой серии кроме 31-го и 32-го. При переключении триггера НП в состояние 1 на вход БК поступает потенциал ~~ЕК, раз- решающий его работу по формированию командной серии. Триггер ТПП обеспечивает передачу командной серии дважды, после чего разрешает усилителю УСб сброс триг- геров НП и группы (1гр—5гр), фиксирующего номер группы, в которой находится 178
Рис. 7.31. Принципиальная схема блока управления передачей 4
t объект управления. Триггер ТОП ограничивает передачу приказа ТУ двумя командны- ми сериями, даже если кнопки управления (КУ) остаются нажатыми после окончания второй серии. Инвертор 10(Г4) переключается триггером НП и в зависимости от его состояния запирает логические схемы ЛС1—ЛС5 или разрешает их работу. Блок БУП переключается в режим передачи приказа при его наборе кнопками КУ и возбуждении триггера группы, который подает отрицательный потенциал на диод, подключенный к 32-му выходу счетчика распределителя СчР. С выхода Г1 ТОП также поступает отрицательный потенциал на вход триггера НП. Когда СчР переключается в 32-ю позицию на диоды логической схемы, подключенной к 32-му выходу СчР, пода- ются отрицательные потенциалы. Таким образом, с входа триггера НП снят нулевой потенциал, что приводит к заряду конденсатора триггера НП. При переключении счет- чика распределителя СчР в первую позицию через диоды логической схемы подается нулевой потенциал, конденсатор триггера НП разряжается, переключая его в состоя- ние 1. С выхода Г5 триггера НП потенциал — Ек поступает на вход блока БК, разрешая его работу. Нулевой потенциал с выхода Г7 триггера НП подается на триггер ТОП, переключая его в состояние 1, на инвертор 10(Г4), запирая его, и на формирующую схему Ф5, заряженный конденсатор которой разряжается на базу транзистора триггера ТПП, переключая его в состояние 0, если он находится в состоянии 1. На второй позиции счетчика распределителя СчР на счетный вход триггера ТПП поступает по- тенциал —Ек, разрешающий заряд его конденсатора. На третьей позиции счетчика рас- пределителя СчР конденсатор разряжается и триггер ТПП переключается в состояние 1, с его выхода Г8 нулевой потенциал поступает на вход усилителя УСб, удерживая его в закрытом состоянии до конца первой командной серии, в том числе и на 31-й позиции счетчика СчР. На второй командной серии во второй позиции счетчика СчР триггер ТПП готовится к переключению, а на третьей — сбрасывается в 0, снимая нулевой по- тенциал с входа усилителя УСб. С выхода Г2 триггера ТОП на усилитель УСб пода- ется также потенциал — Ек, разрешая на 31-й позиции счетчика СчР открыться усилителю УСб. Это приводит к сбросу триггеров НП и Гр в состояние 0. Сброс триггера группы приводит к подаче на вход триггера НП нулевого потенциала и запрету его переключения при переходе счетчика СчР из 32-й позиции в 1-ю. Даже если сброса триггера Гр по какой-то причине не произошло, триггер ТОП, нахо- дясь в состоянии 1, подает с выхода Г1 нулевой потенциал на вход триггера НП и запрещает его повторное возбуждение. Сброс триггера ТОП происходит в момент возврата кнопок КУ в исходное состояние. Одновременно импульс сброса поступает на триггер НП, фиксируя его нулевую позицию. Если возврат кнопок КУ в исходное состояние происходит до окончания второй командной серии, то это также приведет к сбросу триггеров ТОП и НП. С выхода Г2 триггера ТОП нулевой потенциал поступает на заряженный конденсатор триггера ТЗк, при разряде которого закрывается транзистор ТЗк, и на его выходе на время разряда конденсатора появляется потенциал ~ЕК. При этом усилитель УСб открывается и сбрасывает триггер Гр во избежание повторного воз- буждения триггера НП. Блок кодирования (БК) (рис. 7.32) принципиально выполнен так же, как в передающем устройстве ТС. Основное отличие состоит в том, что импульсы, возбуж- дающие триггер кодирования ТК, поступают через два входных элемента: инвертора И-НЕ-2к 15(Г4) при удлинении импульса объекта и каскада транзисторной задержки ТЗк 9(ГЗ) при удлинении остальных импульсов (начала передачи НП, контролируемого пункта КП, группы Гр, фазирующего импульса ФИ). Импульс, переключающий триггер ТК в состояние 1, поступает на его выход Г4 и одновременно на вход формирующей схемы 8(ГЗ). Импульс со схемы 8(ГЗ) переключает датчик времени из положения 0 в положение 1. Первый триггер датчи- 180
Рис. 7.32. Функциональная схема устройства ТУ ДП
ка времени ДВ1 при этом переходит в состояние 1, с его выхода Г2 на счетный вход датчика времени ДВ2 подается отрицательный потенциал. Триггер датчика вре- мени ДВ2 готовится к переключению. После переключения триггер ТК подает с выхода ГЗ отрицательный потенциал на диодную логическую схему 10. Импульсы с триггера ТД генератора ГТИ начинают проходить через диодную логическую схему 10 на счетный вход датчика времени ДВ1, который переключается. Триггер ТК подает также отрицательный потенциал на логи- ческий блок ЛБ, инвертор которого 1(ГЗ) остается открытым до сброса триггера ТК. Импульс сброса триггера ТК поступает с датчика времени ДВ2 (Г5) на третьем им- пульсе, который приходит от генератора ГТИ на датчик времени ДВ через диодную схему 10(22). Датчик времени и триггер ТК переходят в состояние 0. Нулевой потенци- ал с триггера ТК(ГЗ) запирает диодную логическую схему 10, импульсы от генератора ГТИ через нее на датчик времени ДВ проходить не будут, и входную диодную схему инвертора 1 (ГЗ), который будет переключаться ГТИ через диодную схему 15. Распределитель (Р) передающего устройства ТУ (рис.7.32) состоит из пятираз- рядного счетчика СчР и одноступенчатого дешифратора, логические схемы И кото- рого имеют пять входных диодов, подключаемых к шинам KI—К10, и один выход- ной. Через выходные диоды схемы 1—9 и 26—30 подключены к шине 4, которая связана с входом БК через диодную схему 1. Выходы дешифратора 10—25 через кноп- ки выбора объектов SB1—SB80 подключаются при нажатии последних к шинам группы 1гр—5гр. Шины 1гр—5гр через формирователи импульсов ФИ1—ФИ5 и логические схемы ЛС1—ЛС5 подключаются к инвертору 15(4) блока БК. Шифратор выбора пункта, операции, объекта и группы (Ш) (рис. 7.32) состоит из трех частей, отличающихся схемным исполнением: выбора контрольного пункта КП и операции, выбора объекта и выбора группы. Первая часть шифратора выполнена на диодных логических схемах ИЛИ. Схе- мы шифратора 1—6 содержат по десять диодов, 7—8 — по пятнадцать. Диоды логи- ческих схем в определенном порядке подключаются к шинам контролируемых пунктов КП 1—КП 15. Каждый КП имеет две шины, на которые поступает потенциал (—Ек) через кнопки включения Вк1—Вк15 или отключения От1— От 15. Вторая часть шифратора выполнена на кнопках SB1—SB80, включенных после- довательно с дешифратором распределителя. Кнопки разбиты на пять групп по 16 кно- пок в каждой. Кнопки каждой группы подключены к шине группы 1гр—5гр. Третья часть шифратора выполнена на триггерах 1гр—5гр. При формировании командной серии один из триггеров возбуждается и фиксирует номер группы, в кото- рой находится управляемый объект. С левого выхода возбужденного триггера Гр на инвертор 10(Г5) поступает нулевой потенциал, что приводит к запиранию инвертора. С выхода Г5 инвертора потенциал — Ек поступает на вход триггера НП, разрешая его переключение на первой позиции счетчика СчР следующей серии. В кодовой комбинации первый импульс начала передачи НП образуется на первой позиции счетчика СчР. Импульсы со второго по седьмой предназначены для выбора КП. Шифратор выбора КП преобразует импульсы, поступающие с кнопок выбора КП (Вк и От) в код на одно сочетание • Так, при нажатии кнопки От7 отрицательный потен- циал с шины — Ек поступает по шинам КП7 на 2-й, 4-й и 7-й выходы шифратора. В 3-м положении распределителя на всех диодах логической схемы «3-й вых.» появляются отрицательные потенциалы, одновременно на резистор логической схемы также будет поступать отрицательный потенциал со 2-го выхода шифратора. С выхода логической схемы дешифратора отрицательный потенциал поступает на общую шину 4 дешифрато- ра, откуда он поступает через диодную схему 1 (22) на вход блока кодирования — вход 4 каскада задержки триггера ТЗк 9(ГЗ). Конденсатор каскада транзисторной задержки ТЗк 9(ГЗ) заряжается, готовя его к срабатыванию и возбуждению триггера ТК. Срабатывание 182
схемы транзисторной задержки ТЗк 9(ГЗ) и возбуждение триггера ТК происходит с некоторым сдвигом по отношению к началу импульса распределителя под воздействием линии задержки импульсов (ЛЗИ), выполненной на каскадах ТЗк 2(Г6 и Г5) и инверто- рах И-НЕ-2к 15(Г6 и Г5). Каскад ТЗк 2(Г6) возбуждается инвертором 1(ГЗ) по шине 7 одновременно с переключением счетчика СчР. За время разряда конденсатора схемы ТЗк 2(Г6) заряжается конденсатор каскада ТЗк 2(Г5), на вход которого поступает по- тенциал —Ек с выхода Гб. После разряда конденсатора схемы ТЗк 2(Г6) на выходе Гб появляется высокий потенциал, начинается разряд конденсатора каскада ТЗк 2(Г5), на время которого с выхода Г5 на инвертор 15(Г6) поступает низкий потенциал. Отпирание инвертора 15(Г6) приводит к запиранию инвертора 15(Г5), на выходе которого возни- кает отрицательный потенциал, разрешающий заряд конденсатора каскада ТЗк 9(ГЗ) и подготовку БК к удлинению импульса. Сдвиг срабатывания триггера ТК во времени позволяет защититься от возмож- ных ложных срабатываний, вызванных поочередным переключением триггеров счет- чика СчР. Длительность сдвига во времени определяется временем разряда конденсато- ра каскада ТЗк 2(Г5). После разряда на выходе Г5 появляется нулевой потенциал, запи- рающий инвертор 15(Г6), что приводит к отпиранию инвертора 15(Г5) и появлению на выходе Г5 нулевого потенциала, что в сою очередь приводит к появлению потенци- ала —Ек на выходе ТЗк 9(ГЗ) на время разряда его конденсатора. Инвертор 15(Г4) открывается, нулевой потенциал поступает на выход Г4 триггера ТК, который пере- ключается в состояние 1. Это приводит к удлинению третьего импульса серии. Анало- гичным образом удлиняется пятый импульс. Через кнопку «От7» потенциал с шины — Ек поступает на 7-ю схему шифратора, а с ее выхода передается на резистор 8-й схемы дешифратора. При переключении распреде- лителя в восьмую позицию происходит удлинение импульса операции «Отключить». Работа устройства ТУ ДП определяется кнопками КУ, с помощью которых в устройство вводится предназначенное для передачи сообщение (команда). После ввода команды путем нажатия двух кнопок КУ начинается подготовка к передаче команды (подготовительная серия). За подготовительной серией следует первая командная, за- тем — вторая. На каждой серии в работе устройства есть свои особенности. Если кнопки КУ не нажаты, то устройство формирует холостую серию, состоящую из 30 коротких импульсов и одного сверхдлинного фазирующего. На холостой серии осуществляется постоянный контроль исправности передаю- щего и приемного устройств ТУ. На коротких импульсах триггер ТК находится в состо- янии 0 и блокирует потенциалом +ЕК с выхода ГЗ диодную схему 10, запрещая гене- ратору ГТИ переключать датчик времени блока кодирования БК, и входную схему инвертора 1 (ГЗ) логического блока. Инвертор 1 (ГЗ) переключается импульсами с ГТИ, открываясь на каждом импульсе и переключая счетчик СчР. При переключении счетчика СчР в 31-ю позицию с 31-го выхода дешифратора отрицательной потенциал поступает на вход блока кодирования БК (клемма 4 ТЗк 9). В начале 31-го импульса с инвертора 15(Г5) на вход БК подается нулевой потенциал, затем по линии задержки импульсов ЛЗИ поступает импульс, запирающий кратковре- менно инвертор 15(Г5) на время, необходимое для заряда конденсатора каскада за- держки ТЗк 9(ГЗ) на входе блока кодирования БК. При открытии инвертора 15(Г5) конденсатор каскада ТЗк 9(ГЗ) разряжается, на выходе ГЗ появляется потенциал — Ек, разрешающий инвертору 15(Г4) открыться и переключить триггер ТК в состояние 1. Одновременно нулевой потенциал с выхода инвертора 15(Г4) поступает на формиру- ющую схему Ф5 8(ГЗ), импульс с выхода которой переключает датчик времени из состояния 0 в состояние 1. Отрицательный потенциал с выхода ГЗ триггера ТК дебло- кирует диодные схемы 10 и вход инвертора 1(ГЗ). Инвертор 1(ГЗ) остается открытым на все время возбужденного состояния триггера ТК, на это время переключение счет- чика СчР прекращается. Датчик времени переключается импульсами с триггера ТД 183
ГТИ, поступающими через схему 10. Третий импульс с триггера ТД переводит датчик времени ДВ в состояние 0. С выхода Г5 ДВ2 на вход триггера ТК поступает импульс сброса. После этого длинный импульс продолжается до очередной паузы с генератора ГТИ. Таким образом, длительность длинного импульса равняется трем импульсам и двум паузам между ними. При переключении распределителя в 32-ю позицию с 32-й логической схемы дешифратора отрицательный потенциал поступает на вход БК. Процесс образования длинного импульса на 32-й позиции распределителя идет так же, как и на 31-й. Пауза между 31-ми 32-м импульсами заполняется импульсом. Так образуется сверхдлинный фазирующий импульс. Работа устройства ТУ ДП при подготовке и передаче команды ТУ наиболее на- глядно описывается временной диаграммой. На рис. 7.33 приведена диаграмма форми- рования командной серии приказа «на КП7 отключить объект 15 в группе 4». Для передачи приказа диспетчер нажимает две кнопки: кнопку выбора КП и операции «От7», кнопку выбора объекта и группы SB63 (15 объект в четвертой группе). Подготовительная серия начинается с момента нажатия кнопок, который совпа- дает с 22-й позицией счетчика СчР. При переключении распределителя в 24-ю пози- цию отрицательный потенциал от шины — Ек передается через кнопку «От7» на 7-й выход шифратора, далее через диод на шину подключения резисторов логических схем второй части дешифратора, резистор 24-й схемы и замкнутый контакт кнопки SB63 на шину 7<?(4гр), от нее на формирователь импульсов ФИ4(14Г6). Пока со схемы инвер- тора 15(Г5) будет поступать задержанный отрицательный импульс, произойдет заряд конденсатора ФИ4. При разряде конденсатора после окончания задержанного импуль- са с выхода Гб формирователя импульсов ФИ4 на вход триггера группы 4гр подается отрицательный потенциал, обеспечивающий заряд конденсатора триггера 4гр. После разряда конденсатора с формирователя импульсов ФИ4(Г6) на триггер 4гр поступает нулевой потенциал, возбуждающий триггер 4гр. С выхода Г5 триггера 4гр на резистор 29-й схемы дешифратора подается потенциал ~ЕК, а с выхода Г7 на вход инвертора 10(Г5) — нулевой, запирающий схему инвертора 10(Г5). Эта схема запирается при возбуждении любого из пяти триггеров группы (1гр—5гр). С выхода Г5 потенциал —£к поступает на клемму 8 диода на входе триггера НП. На 32-й позиции счетчика СчР со входа триггера НП будет снят нулевой потенциал, зарядится его конденсатор, триггер НП будет готов к переключению. При переключении распределителя в 1-ю позицию начинается 1-я серия команды. Триггер НП переключается в состояние 1, триггер ТОП также переключается в состоя- ние 1 и сбрасывает в состояние 0 триггер ТПП через формирующую схему Ф5. На диодную схему 1 на входе блока БК подается с выхода Г5 триггера НП потенциал ~ЕК. На выходе 1-й схемы дешифратора появляется потенциал — Ек, который по шине 4 через диодную схему 1 поступает на вход блока кодирования БК. Первый импульс серии удлиняется блоком кодирования, фиксируя начало передачи (НП). Третий и пятый импульсы серии будут также удлиняться, потому что на резисто- ры 3-й и 5-й схем дешифратора будет поступать через кнопку От7 потенциал — Ек от шины ~ЕК. Удлинение 3-го и 5-го импульсов соответствует передаче приказа на КП7. Восьмой импульс серии будет удлиняться точно так же, как 3-й и 5-й, так как через кнопку От7 на резистор 8-й схемы дешифратора поступит потенциал ~ЕК. Несколько сложнее будет процесс удлинения импульса объекта. В 24-й позиции распределителя потенциал — Ек от шины — Ек через кнопку От7, 7-й выход шифрато- ра, резистор 24-й схемы дешифратора, кнопку SB63, шину 18 поступает на вход кас- када формирователя импульсов ФИ4, конденсатор которого заряжается. При отпира- нии инвертора 15(Г5) нулевой потенциал с его выхода передается на шину 4гр и далее на заряженный конденсатор формирователя импульсов ФИ4. При разряде конденсато- ра на выходе Гб схемы ФИ4 появляется потенциал — Ек, поступающий на диод VD2 184
S8I Рис. 7.33. Временная диаграмма работы полукомгшекта ТУ ДП системы «Лиена» при формировании командной серии г т {шштщплплгшгашлпшшгашплг
логической схемы ЛС4. На диод VD1 этой схемы также поступает потенциал — Ек с закрытого инвертора 10(Г4). Через логическую схему ЛС4 потенциал -Ек поступает на инвертор 15(Г4) блока кодирования БК и обеспечивает его отпирание. Блок кодирова- ния удлиняет 24-й импульс серии. Удлинение 29-го импульса серии происходит при переключении распределителя в 29-ю позицию. С триггера 4гр на резистор 29-й схемы поступает потенциал — £ так как триггер 4гр находится в возбужденном состоянии еще с подготовительной серии. По шине 4 потенциал —£к с выхода 29-й схемы передается на клемму 4 каскада 9(ГЗ). Блок кодирования БК удлиняет 29-й импульс серии. На 31-й и 32-й позициях распределите