Автоматизация судовых электроустановок - Самойлов В.Г.

Автор: Самойлов В.Г.

Теги: электрооборудование судостроение электроустановки судовые установки морские судна

Год: 1972

Похожие

Электротехника и электрооборудование судов

Судостроение 07(452) - 1975

Частотная разгрузка в энергосистемах. Часть 1. Алгоритмы и устройства

Судостроение №09 за 1975 год

Текст

* Г САМОЙЛОВ
АВТОМАТИЗАЦИЯ судовых электрс * установок
В. Г. САМОЙЛОВ
АВТОМАТИЗАЦИЯ
судовых электроустановок
•
Допущено Управлением кадров и учебных заведений Министерства судостроительной промышленности СССР в качестве учебника для судостроительных техникумов
ИЗДАТЕЛЬСТВО «СУДОСТРОЕНИЕ» ЛЕНИНГРАД 19 7 2
Самойлов В. Г-
С Автоматизация судовых электроустановок. «Судостроение», 1972 г.
288 стр.
В книге рассмотрены элементы электроавтоматики, получившие широкое распространение в автоматизированных электроустановках, применяемых иа судах морского и речного флота. Приведены также схемы отдельных судовых устройств и систем, в которых используются элементы электроавтоматики. Даио описание систем автоматики судовых электроустановок, изложены методы расчета ряда элементов автоматики.
Книга является учебником для учащихся электротехнических специальностей судостроительных техникумов, но оиа может быть также полезной широкому кругу инженерно-технических работников, занимающихся использованием средств автоматизации и вычислительной техники на судах.
3—18—5
60—72
629.12—8—52
РЕЦЕНЗЕНТЫ
ипж. Н. М. Осипенко, инж. Г. Д. Макаров.
НАУЧНЫЙ РЕДАКТОР
канд. техн, наук Ю. С. Люблин.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Директивы XXIV съезда КПСС по государственному плану развития народного хозяйства СССР на 1971 —1975 гг. предусматривают: «Пополнить транспортный флот высокоэкономичными, универсальными и специализированными судами с комплексной автоматизацией управления судовыми механизмами и системами». Выполнение этих задач требует подготовки все большего числа специалистов в области автоматизации установок и систем на судах.
В настоящее время отсутствуют учебные пособия для судостроительных средних учебных заведений, в которых излагались бы основы автоматизации судовых электроустановок.
Данный учебник является обобщением опыта автора, прочитавшего на курсах повышения квалификации при Ленинградском судостроительном техникуме и в самом техникуме лекции по курсам «Автоматизация судовых электроустановок», «Основы судовой автоматики» и «Судовая электроаппаратура». При работе над учебником обобщен также передовой производственный опыт разработки и применения элементов электроавтоматики научно-исследовательскими институтами, центральными конструкторскими бюро и электромонтажными предприятиями.
Содержание учебника соответствует утвержденной программе курса «Автоматизация судовых электроустановок» для средних учебных заведений.
Учитывая, что данный учебник является первым опытом обобщения материалов по ав-
1*
3
томатизацпи электроустановок для средних учебных заведений, автор с благодарностью примет все замечания и пожелания, которые будут способствовать дальнейшему улучшению книги.
Автор считает своим долгом выразить большую благодарность д-ру техн, наук В. И. Константинову, к. т. н. К. В. Недялкову, к. т. н. В. К- Ридигеру, инженерам Ю. Ф. Кононову и Р. А. Молоткову за ряд ценных замечаний, сделанных ими при просмотре рукописи, рецензентам инженерам Г. Л-Макарову и Н. М. Осипенко, взявшим на себя труд порецензированию, и к. т. н. Ю. С. Люблину за выполненный им труд по научному редактированию рукописи.
Автор
ВВЕДЕНИЕ
§ 1 Краткий обзор развития автоматизации судовых электроустановок
В последнее время на судах морского и речного флота все шире применяется автоматизация судовых электроустановок. Использование для этих целей полупроводниковых элементов, магнитных усилителей, ферритов и других бесконтактных элементов, а также элементов микроэлектроники позволяет создавать высоконадежные устройства электроавтоматики.
Автоматизация судовых электроустановок является лишь одной из составных частей комплексной автоматизации судна, предусматривающей автоматизацию навигационного оборудования, средств судовождения, управления общесудовыми системами и устройствами, средств радиосвязи и радиообмена, а также управления энергетической и электроэнергетической системами судна. Автоматизация позволяет выполнять операции управления с быстротой и точностью, недоступными человеку (устройства защиты и регуляторы быстро-изменяющихся величин), улучшать условия труда людей и значительно уменьшать численность обслуживающего персонала, повышая тем самым экономичность эксплуатации судна Первый автоматический регулятор уровня воды в паровом котле был изобретен И. И. Ползуновым. В 1765 г. он впервые в мире использовал принцип регулирования, основанный на измерении отклонения регулируемой величины. Только спустя 20 лет, в 1785 г., независимо от Ползунова этот принцип был использован Уаттом^при построении центробежного регулятора числа оборотов.
Практика показала, что работа подобных'*регуляторов связана с вредными колебаниями, при которых системы автоматики становятся неустойчивыми. Это надолго задержало развитие систем автоматического регулирования.
В конце XIX в. общее развитие электротехники способствовало началу внедрения на судах электрической энергии постоянного тока для освещения судовых помещений и сигнальных дуговых прожекторов, обеспечивающих безопасность плавания. В 1838 г. Б. С. Якоби был применен электродвигатель постоянного тока, в системе управления которым был использован простейший регулятор напряжения
5
постоянного тока. В 1856 г. русский изобретатель Л. Н. Шпаковский разработал регулятор автоматической подачи углей в дуговых электрических лампах. В 1891 г. М. О. Доливо-Добровольским изобретен трехфазный асинхронный электродвигатель переменного тока. В 1914 1917 гг. на ряде кораблей Балтийского и Черноморского флотов для привода вентиляторов и других механизмов применялись асинхронные эл е кт р одв и гател и.
Однако несовершенство электромеханизмов, работающих на переменном токе, не позволило широко внедрить переменный ток на судах и с 1920 по 1936 г. в основном суда оснащались электростанциями и механизмами, работающими на постоянном токе
Началом автоматизации отечественных судовых электростанций переменного тока следует считать конец 1940-х годов, когда появились первые автоматические регуляторы напряжения генераторов переменного тока типа РУН. Применение таких регуляторов резко снизило трудоемкость работ по обслуживанию судовых электростанций и улучшило качество электроэнергии, так как до этого времени человек не в состоянии был обеспечить быстрое и точное восстановление напряжения после изменения нагрузки, какое достигается с помощью автоматических регуляторов.
В 1960-х годах все операции по вводу в работу генераторных агрегатов судовых электростанций осуществлялись вручную. С появлением полупроводниковых выпрямителей, транзисторов, тиристоров, магнитных усилителей, стабильных и малогабаритных конденсаторов, а также большого числа различных логических элементов автоматизация судовых электроустановок стала быстро развиваться.
В 1955 г. Институтом электротехники АН УССР был создай первый образец современного автоматического регулятора напряжения судовых синхронных генераторов.
В 1960—1961 гг. впервые были разработаны, изготовлены и установлены на китобазе «Советская Россия» статические (с использованием полупроводниковых и электромагнитных элементов) системы автоматического регулирования возбуждения с прямым управляемым амплитудно-фазовым компаундированием для генераторов сравнительно большой мощности (600 и 750 кет).
К 1962 г. оснащение флота современными автоматическими регуляторами напряжения в основном было завершено. К этому времени относится и ряд теоретических работ д-ра техн, наук Д. В. Вилесова, посвященных исследованию переходных процессов в системах автоматического регулирования напряжения синхронных генераторов.
Появление в 1959—1962 гг. новых технических средств, освоенных промышленностью, позволило создать более совершенные системы электроавтоматики. Их внедрение заставило коренным образом пересмотреть процессы, протекающие в целом в судовой электроэнергетической системе. К этому времени можно отнести разработку д-ром техн, наук В. Н. Константиновым вопросов синхронизации судовых синхронных генераторов и создания под его руководством унифицированных функциональных устройств автоматизации судовых электростанций, нашедших широкое применение на судах оте-
6
чествеиного флота. Эти устройства выполняют функции автоматической синхронизации, автоматического избирательного отключения второстепенных потребителей при перегрузках источников электроэнергии, автоматического контроля загрузки генераторов с выдачей импульса на запуск или остановку резервных генераторов, регулирования частоты тока и распределения активных нагрузок параллельно работающих генераторов, автоматического контроля состояния изоляции сетей и защиты от обрыва фаз.
Характерной особенностью развития современного отечественного и иностранного судостроения яьляется широкое внедрение электрифицированных механизмов, установок и систем, позволяющих осуществить комплексную автоматизацию судовых технических средств.
Все большая электрификация судов в сочетании с автоматизацией повышает надежность действия и экономичность электроустановок, улучшает условия эксплуатации механизмов, облегчает работу личного состава и сокращает его численность, а также устраняет неизбежные ошибки при производстве различных переключений в процессе управления и регулирования.
Началом широкого применения автоматизации судовых электроустановок отечественного флота служат системы дистанционного автоматизированного управления, установленные на ряде судов.
Унифицированные функциональные устройства автоматизации судовых электростанций, применяемые на этих судах, освоены промышленностью, используются уже довольно длительное время и успешно себя зарекомендовали при эксплуатации на судах промыслового и транспортного флота. Разработка устройств электроавтоматики позволила осуществить переход к более полному обьему автоматизации электроэнергетических установок, охватывающему все режимы работы судовой электроустановки. Первой системой подобного рода является автоматизированная электроэнергетическая установка на гунцеловных судах типа «Нереида», проект которой был разработан в 1962 г. Эксплуатация этих судов показала, что система автоматического управления без участия человека успешно выполняет все операции управления вводом и выводом агрегатов в зависимости от изменения нагрузки на шипах электростанции, вполне работоспособна и достаточно надежна.
Большую роль в развитии автоматизации судов сыграли труды таких ведущих ученых, как А. А. Азовцева, Д. В. Внлесова, Л. П. Веретенникова, О. П. Демченко, В. Н. Константинова, В. С. Лейкина, А. И. Мильского, В. А. Михайлова, Б. И. Норневского, Р. А. Не-лепина, А. Е. Сазонова, Г. Ф. Супруна, И. Р. Фрейдзона и других.
Полученный опыт был использован при создании других автоматизированных систем, в частности для мощной рыбопромысловой базы «Восток», сухогрузных судов типа «Лиман», «Владивосток» и др. Прогресс теории и техники систем автоматики, данные эксплуатации средств автоматизации на судах открывают широкие перспективы дальнейшего совершенствования систем автоматиче
7
ского регулирования и управления судовыми электроустановками. Особое значение при этом приобретает использование современной вычислительной техники и управляющих машин.
§ 2
Понятие о системах автоматизации судовых электроустановок
♦-
Прогресс отечественного судостроения в значительной степени определяется уровнем автоматики, применяемой на судах.
Автоматика1 — это отрасль науки и техники, охватывающая теорию автоматического управления и регулирования, а также рассматривающая построение автоматических средств и систем.
Судовая электроустановка представляет собой совокупность технических средств, предназначенных для непрерывного и качественного производства электроэнергии и бесперебойного распределения этой электроэнергии между различными потребителями, призванными обеспечить работу всех систем судна.
Для современных систем автоматизации судовых электроустановок характерно использование различных средств и систем регулирования, управления и контроля.
По характеру автоматизируемых функций системы автоматики судовых электроустановок можно подразделить на следующие виды: автоматическое управление; дистанционное управление; автоматическое регулирование; автоматический контроль; автоматическую защиту и блокировку.
Автоматическое управление. Применение автоматического управления дает возможность управлять судовой электроустановкой и менять режимы ее работы, приспосабливаясь к изменяющимся внешним условиям без участия человека
Дистанционное управление. При дистанционном управлении оператор имеет возможность на расстоянии включать и выключать отдельные механизмы и устройства, непосредственно участвуя в процессе управления.
Автоматическое регулирование. Поддерживание требуемых параметров электроэнергии, а также равномерное распределение нагрузок параллельно работающих генераторов осуществляют системы автоматического регулирования. Оператор при этом освобождается от непосредственного участия в процессе регулирования установки.
Автоматический контроль. Измерение текущих значений контролируемых параметров (напряжения, тока, сопротивления и т. п.), объективно характеризующих ход управляемого процесса, сравнение этих величин с допустимыми значениями и световая и звуковая сигнализация об отклонении параметров от заданных осуществляют системы автоматического контроля.
Слово «автоматика» (греч.) означает самодействие.
8
К устройствам контроля относятся различного тина датчики, приборы обегающего контроля, устройства регистрации текущих значений контролируемых величин, приборы сигнализации, оповещающие обслуживающий персонал о достижении измерительными величинами установленных значений.
Автоматическая защита и блокировка. Устройства автоматической защиты и блокировки предотвращают
возникновение аварийных ситуаций или ограничивают развитие аварии.
В ряде случаев те или иные устройства по своему назначению трудно отнести к какой-либо определенной группе автоматизации.
Системы автоматической защиты иногда аналогичны системам автоматической аварийной сигнализации. Разница здесь заключается лишь в том, что достижение контролируемой величиной предельного значения приводит не к выдаче аварийного сигнала, а к остановке
механизма.
Рассмотрим функции и структуру систем автоматики. В том, что они облегчают труд человека, нетрудно убедиться на простейшем примере поддержания заданной величины напряжения на клеммах генератора. Для того чтобы выполнить эту задачу вручную, без применения системы автоматики, человек
Рис. 1. Системы автоматики: а — автоматического регулирования; б — автоматического контроля; в — автоматического управления (разомкнутая).
О — объект управления (регулирования); ЧЭ чувствительный элемент; НО — нуль-орган (элемент сравнения); УЭ—усилительный элемент; ИЭ — исполнительный элемент; П — прибор.
должен, во-первых, наблюдать за
показаниями вольтметра, во-вторых, сравнивать эти показания с заданными значениями (например, 230 в) и, в-третьих, в случае появления разности между заданной и наблюдаемой величинами передвигать рукоятку реостата, изменяя тем самым ток возбуждения генератора, чтобы уменьшить эту разность до нуля. В данном случае человек выполняет ряд функций: а) контроль напряжения; б) сравнение его с заданным значением; в) регулирование напряжения. Автоматическое устройство или система призваны заменить утомительный труд человека по постоянному наблюдению и регулированию, притом выполнить свою задачу со скоростью, недоступной человеку. Структура такой системы может быть представлена в следующем виде (рис. 1, а): чувствительный элемент (датчик напряжения) измеряет величину, подлежащую регулированию в данном объекте, и преобразует ее в величину другого вида (если в этом есть
9
необходимость), более удобную для воздействия на управляющий орган.
Преобразованная величина сравнивается с заданным значением в элементе сравнения, называемом также нуль-о р г а и о м. Величина на выходе элемента сравнения определяется разностью действительного и заданного значений регулируемой величины. Если эти значения не равны, на выходе элемента сравнения появляется сигнал, поступающий на исполнительный элемент, который, воздействуя па объект регулирования, восстанавливает заданное значение регулируемой величины. Если мощность сигнала на выходе элемента сравнения недостаточна для непосредственного воздействия па исполнительный элемент, сигнал предварительно усиливается усилительным элементом.
При автоматизации процесса регулирования обычно не ограничиваются заменой человека автоматическим управляющим устройством, а изменяют всю систему регулирования, приспосабливая к задачам регулирования и сам объект.
Система автоматического регулирования, структура которой приведена на рис. 1, а, представляет собой замкнутую цепь воздействий: объект воздействует на чувствительный элемент, чувствительный элемент — на элемент сравнения, элемент сравнения — на усилительный (если необходимо усиление сигнала), а усилительный на исполнительный элемент, и наконец, исполнительный элемент воздействует снова на объект. Такая система называется замкнутой.
Таким образом, система автоматического регулирования — это такая система автоматического управления, которая предназначена для обеспечения постоянного или меняющегося по определенному закону значения регулируемой величины.
Встречаются случаи, когда заданное значение регулируемой величины может изменяться во времени в широких пределах по произвольному закону. В этих условиях автоматическая система должна действовать так, чтобы регулируемая величина непрерывно «следила» за изменяющимся заданием. Такая система автоматического управления называется следящей системой. Замкнутая цепь воздействий в системах автоматического управления и автоматического регулирования может быть разделена на две части.
Первая часть (объект — чувствительный элемент — элемент сравнения) осуществляет функцию контроля регулируемой величины, структура такой системы представлена на рис. 1, б. У некоторых систем контроля элемент сравнения отсутствует.
Вторая часть (усилительный элемент — исполнительный элемент — объект) выполняет функцию собственно управления значением регулируемой величины. Структура данной системы приведена на рис. 1, в.
В автоматике находят применение системы, в которых осуществляется одна из перечисленных функций. Это разомкнутые системы.
Большое место в системах автоматики занимают ф у н к ц и о-нальные устройства, выполняющие специальные, только
10
им присущие функции, например, автоматическую синхронизацию генераторов, регулирование их активных нагрузок и т. п.
В системах управления и особенно в функциональных устройствах широко применяются преобразовательные элементы, преобразующие сигналы одного вида в другой, удобный для воздействия на последующий элемент. Они могут также входить в состав перечисленных выше элементов.
Разновидноегыо систем автоматики являются системы автоматической защиты, задача которых — прервать контролируемый или управляемый процесс при возникновении какого-либо аварийного режима.
Выше были охарактеризованы системы автоматического управления (регулирования), функции которых ограничиваются поддержанием некоторых величин на заданном уровне или изменением их по заданному закону.
Современные автоматические системы решают и более сложные задачи, например, задачи оптимизации ряда различных процессов. Такая система содержит вычислительное устройство, в котором формируется необходимое воздействие на систему для того, чтобы привести объект к оптимальному режиму работы. Эти системы носят название экстремальных и с а м он а стр а и в а ю -щ и х с я. Они обладают более сложной структурой, чем системы, рассмотренные выше.
§ з
Основные направления и задачи автоматизации Специфический характер протекания физических процессов и большой объем электроэнергетического оборудования, размещенного по всему судну, затрудняют, а в ряде случаев делают практически невозможной эксплуатацию судовых электроустановок без использования средств автоматизации. Автоматизация является качественно новой ступенью в развитии судовых электроустановок, ее уровень должен быть согласован с объемом и основными направлениями автоматизации всего судна в целом. Только при выполнении этого условия может быть получен максимальный экономический эффект от внедрения автоматизации на судне. Таким образом, одной из главных задач при проектировании автоматических систем является правильный выбор объема автоматизации, который определяется теми функциями, которые выполняет система автоматизации.
Применительно к судовым электроустановкам функциями автоматизации являются:
— повышение надежности работы электрифицированных систем судна;
— регулирование непрерывно протекающих процессов (напряжения и частоты);
— управление операциями пуска и остановки оборудования (пуск и остановка генераторных агрегатов);
11
— управление периодическими операциями (регулирование нагрузок),
— предотвращение и ликвидация аварийных нарушений;
— централизация контроля.
Процесс развития автоматизации судовых электроустановок может быть разделен на три этапа.
На первом этапе автоматизация коснулась таких частей электроустановок, ручное управление которыми было практически невозможным из-за недостаточного быстродействия. Так, в электроустановках переменного тока были применены автоматические регуляторы напряжения и частоты генераторов. Одновременно происходит совершенствование защиты, значительная часть предохранителей заменяется установочными автоматическими выключателями. Управление электроустановкой производится вручную с распределительных щитов.
На втором этапе автоматизируются операции, которые могут быть выполнены оператором, но требуют от него значительного напряжения. Таковы операции синхронизации генераторов и распределения активной нагрузки. На этом этапе внедряется дистанционное управление электроустановкой с отдельного пульта, включая пуск первичных двигателей генераторных агрегатов. Основным средством контроля за состоянием установки являются стрелочные приборы и устройство контроля сопротивления изоляции.
Сигнализация внезапного отключения выключателей производится мигающим светом в сочетании со звуковым сигналом, привлекающим внимание оператора.
Появляются устройства автоматического ввода в работу резервного генератора и автоматического отключения менее ответственных потребителей. Защита обеспечивается главным образом селективными автоматическими выключателями и устройствами защиты от обрыва фазы и снижения напряжения (ЗОФН). На этом этапе исчезает необходимость в несении электриком постоянной вахты в машинном отделении и у главного распределительного щита.
Внедрение автоматического включения резервных агрегатов в сочетании с применением систем централизованного контроля позволяет перейти к безвахтенному обслуживанию электроустановки.
На третьем этапе осуществляется переход от автоматизации отдельных судовых систем к автоматизации целых комплексов: оборудования мостика, оборудования машинного отделения и т. п. При этом автоматизация выполняется с учетом взаимосвязи всех систем и установок, входящих в данный комплекс и на общей элементной. базе. В результате такой комплексной автоматизации контроль и управление всем оборудованием машинного отделения могут производиться одним человеком, притом не постоянно, а периодически.
Осуществление комплексной автоматизации требует обязательного применения систем централизованного контроля и сравии-12
тельно сложных программных автоматических устройств на логических элементах. В последнее время на ряде судов для комплексной автоматизации машинного отделения стали применять цифровые вычислительные машины. Успешный опыт их эксплуатации показывает, что в ближайшем будущем можно ожидать их весьма широкого применения.
С внедрением комплексной автоматизации повысятся эксплуатационные характеристики всех систем судна и их надежность, поэтому существенно сократится экипаж судна. Это позволит снизить стоимость перевозок и увеличить грузоподъемность судов. Таким образом, в настоящее время системы автоматики судовых электроустановок выполняют следующие функции:
— автоматическое управление операциями по включению, регулированию и контролю рабочих режимов и остановки генераторных агрегатов;
автоматическое регулирование напряжения синхронных генераторов;
— автоматизацию процесса синхронизации;
— автоматизацию работы валогенераторных агрегатов;
— автоматическое регулирование частоты и распределение активной нагрузки между параллельно работающими агрегатами;
— автоматизацию работы аварийных агрегатов;
— дистанционное автоматизированное управление электроустановкой с пульта управления;
- — управление электроустановкой с использованием программных устройств и логических элементов электроавтоматики;
— автоматизацию по вводу резервных генераторных агрегатов при перегрузке основных агрегатов;
— автоматизацию операций по разгрузке генераторных агрегатов путем отключения второстепенных потребителей;
— автоматическое резервирование питания электрифицированных механизмов;
— автоматизацию и централизацию контроля средств аварийной защиты и аварийно-предупредительной сигнализации.
В последнее время внимание специалистов привлекают вопросы диагностики и прогнозирования работоспособности разрабатываемых систем автоматики.
Важность этих вопросов заключается в том, что диагностика включает совокупность операций контроля, позволяющих получить информацию о состоянии автоматизированной электроустановки и оценить ее работоспособность в заданных режимных ситуациях.
Прогнозирование позволяет выявить элементы электроустановки, в которых назревают отказы, т. е. определить будущее состояние системы как функцию состояния ее элементов в текущий момент времени.
Совместное использование средств технической диагностики и прогнозирования систем автоматики позволит создать новые высоконадежные системы, позволяющие обеспечивать бесперебойное питание электроэнергией все механизмы судна.
13
1Ic менее серьезной задачей являются также вопросы повышения срока службы систем автоматики, так как в прямой зависимости от решения этих вопросов находится экономическая обоснованность разрабатываемых систем автоматики. Чем дольше будет служить система автоматики, тем экономически более выгодной будет она.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Перечислите этапы развития автоматизации судовых электроустановок.
2. Каковы основные функции, выполняемые системами автоматики судовых электроустановок?
3. Каковы перспективы развития автоматизации судовых электроустановок?
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
Элементы электроавтоматики
Действие любой системы автоматического контроля, регулирования, защиты или управления связано с существованием потока информации, которая вырабатывается, преобразуется и используется теми или иными техническими средствами — элементами, приборами, устройствами.
Данный раздел посвящен рассмотрению отдельных элементов электроавтоматики.
При изучении этих элементов следует обратить внимание на их назначение и область применения, принцип работы и конструктивные особенности, а также на их характеристики.
Для лучшего усвоения материала, посвященного рассмотрению ряда элементов, приведены конкретные примеры расчета отдельных узлов схем электроавтоматики.
ГЛАВА I
ФУНКЦИИ
И ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ
§ 4
Общие сведения
Разнообразие и усложнение систем автоматики судовых электроустановок приводит не только к увеличению количества элементов, входящих в эти системы, ио и к расширению выполняемых ими функций. Под элементом автоматики следует понимать такую часть автоматической системы, в которой выполняется только одна функциональная операция. Задачей элемента является качественное или количественное преобразование воздействия (электрического, теплового, механического и т. и.), полученного от предыдущего элемента системы, и передача этого воздействия последующему элементу.
Функции, выполняемые элементами автоматики, весьма разнообразны. С их помощью осуществляются измерительные, управляющие, исполнительные и корректирующие операции в автоматических системах.
В настоящей главе мы рассмотрим элементы автоматики, па базе которых создаются современные судовые автоматические системы. К этим элементам можно отнести: чувствительные, усилительные, исполнительные, функциональные, корректирующие и преобразовательные.
Чувствительным элементом называется такой элемент, который преобразует контролируемую или регулируемую величину в величину другого рода, с помощью которой более удобно воздействовать на управляющий орган системы автоматики.
Усилительным называется такой элемент, в котором входная и выходная величины имеют одинаковую физическую природу и где производится лишь количественное преобразование (усиление) входной величины.
Исполнительным называется такой элемент, с помощью которого осуществляется воздействие на объект управления или регулирования.
Функциональным устройством называется такое, которое выполняет свою особую функцию, например синхронизатор, устройство разгрузки генератора и т. п.
Под корректирующими средствами понимаются устройства, позволяющие осуществлять коррекцию систем регулирования или управления, т. е. изменять их характеристики в целях улучшения процесса регулирования или управления.
2 В. Г. Самойлов
17
Преобразовательные элементы позволяют преобразовать входную величину одной физической природы в другую величину другой физической природы или преобразовать характер входной величины (например, выпрямители, инверторы).
В системах автоматики применяется ряд элементов, назначение которых определяется функциями, которые они выполняют, например, стабилизатор, реле и т. д.
Стабилизатором называется элемент, назначение которого состоит в поддержании постоянства выходной величины при изменении входной величины в заданных пределах.
В судовых электроустановках наибольшее распространение получили стабилизаторы напряжения, предназначенные для стабилизации напряжения отдельных устройств автоматики.
Реле — это элемент, в котором при достижении известного значения входной величины выходная величина меняется скачком. Реле могут быть контактными и бесконтактными.
Каждый из этих элементов обладает общими характеристиками, которые мы рассмотрим ниже.
Следует отметить, что иногда элементы автоматики имеют одинаковые названия с устройствами и средствами автоматики. Так, чувствительный элемент на практике часто называют датчиком, в то же время некоторые авторы датчиком называют устройство (прибор), содержащее несколько элементов и выполняющее ряд преобразований! — усиление, распределение сигналов и даже вычислительные операции. Так, датчиками называют приборы в системах автоматического контроля, воспринимающие контролируемые параметры и преобразующие их к величинам, которые могут быть измерены и сравнены с заданной уставкой.
§ 5
Характеристики элементов автоматики
Решение задачи автоматизации той или иной операции решается с помощью систем автоматики. Системы автоматики состоят из отдельных, связанных между собой элементов. Каждый из элементов выполняет определенные функции, независимо от типа системы автоматики, в которой он используется.
Рассмотрим элемент автоматики как преобразователь энергии, на вход которого подается некоторая величина лвх, а на выходе получается некоторая величина хВЬ1х (рис. 2, а). В ряде элементов энергия величины хвых получается за счет энергии величины хВх, в других элементах — за счет вспомогательного источника энергии W, величина же хвх при этом лишь управляет передачей энергии U" выходной величине хвь,х (рис. 2, б).
При наличии вспомогательного источника возможно усиление, т. е. преобразование малой входной энергии величины хвх в большую выходную энергию величины хвых.
Безусловно, величины хвх и хвь1х могут быть как электрическими (мощность, ток, напряжение, сопротивление), так и неэлектриче-18
скими (температура, скорость, перемещение, ускорение и т. п.). Неэлектрические элементы находят применение в судовой автоматике, однако в подавляющем большинстве случаев для автоматизации электроустановок применяются электрические элементы, т. е. такие, в которых одна из величин хвх, хВЬ1Х или обе вместе являются электрическими. В последующих разделах будут рассматриваться
только электрические элементы.
Свойства элементов могут быть определены с помощью ряда харак-
теристик, основные из которых следующие.
Статический коэффициент преобразова
ния, или статическая чувствительность элемента, представляет собой отношение выходной величины элемента к входной величине.
Отношение приращения выходной величины к приращению входной величины называется динамическим коэффициентом преобра
зования, или динамической чувствительностью элемента.
Применительно к усилительному элементу коэффициент преобразования называется
Рис. 2. Элемент автоматики как преобразователь энергии: а — без вспомогательного источника энергии; б—-со вспомогательным источником энергии.
усиления. Для
коэффициентом
электрических усилителей можно различать соответственно статический и динамический коэффициенты усиления по напряжению.
току и мощности.
Качество стабилизации характеризуется величиной, обратной относительной чувствительности, и называется коэффициентом стабилизации.
Чем точнее стабилизация, тем выше коэффициент стабилизации. Допустим, входная величина изменяется на 20%, а выходная на 0,5%, коэффициент стабилизации при этом будет равен 40.
Погрешностью называется изменение выходной величины вследствие изменения как внутренних свойств элемента, так и внешних условий его работы. При возникновении погрешности изменяются характеристики элемента.
Абсолютной погрешностью называется разность между полученным значением выходной величины х'ых и расчетным его значением хвых
ЛЙ1ЫХ ^ВЫХ = АХрых*
Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к действительному значению выходной величины (в процентах)
Д = -АУвыч- 100%.
Хвых
Погрешность, вызываемая изменением характеристик элемента с течением времени, называется н е с т а б и л ь н о с т ь ю.
2*
19
Порогом чувствительности называется минимальное (но абсолютной величине) значение отклонения входной величины, вызывающее изменение выходной величины. На характеристике элемента, изображенной на рис. 3, порогами чувствительности являются значения хвх1 и хвх2.
Интервал Лл'вх между порогами чувствительности хвх1 ихвх2 называется зоной нечувствительности.
В усилительных элементах для стабилизации значения коэффициента усиления или для увеличения его широко применяется обратная связь.
Под обратной связью понимается такое воздействие на вход элемента, узла или устройства, которое зависит от выходной величины, ее производных или интеграла. Чаще всего используется обратная связь в виде воздействия, про
Рис. 3. Порог чувствительности элемента при наличии трения.
к
Рис. 4. Блок-схема устройства (усилителя), охваченного обратной связью
порционального выходной величине. Обратная связь осуществляется за счет включения дополнительного элемента (рис. 4), величина на выходе которого определяется выражением
*о. с Р-^вых •
Величина р называется коэффициентом обратной связи. В зависимости от знака р обратная связь может быть либо положительной, либо отрицательной.
Введем положительную обратную связь. При этом на входе устройства получается сумма величин хвх + хо_с.
В этом случае мы будем иметь
*ВХ "4“ *^*О. С -Гвх Р-^ВЫХ"
Введение обратной связи меняет коэффициент преобразования охваченного ею элемента, узла или устройства.
В качестве устройства, охваченного обратной связью, рассмотрим усилитель. Обозначим через k коэффициент усиления усилителя без обратной связи и, считая характеристику усилителя линейной (т. е. прямой линией), получим
*вых
k (-Тих 4 Р-Оых)
или
Хпых
1 — /ф Хвх-
20
Обозначив через ko_ с коэффициент усиления усилителя с обратной связью, получим
/, _ ^ВЫХ______k
°-С~ *вх ~ 1-Лр-
Как видно из формулы (1)-, введение положительной обратной связи увеличивает коэффициент усиления.
При отрицательной обратной связи
h КО. С
k
Г+Ж’
(2)
Введение отрицательной обратной связи приводит к уменьшению коэффициента усиления.
До настоящего времени мы рассматривали характеристики элементов автоматики в статическом режиме их работы, т. е. при по
стоянных во времени значениях -Квх И XBblx.
Когда входная величина хвх будет изменяться во времени, соответственно будет изменяться и выходная величина хВЫх. Такой режим работы элемента автоматики мы будем называть динамическим. При этом элементы будут обладать определенной инерционностью, т.с. величина хВЬ1Х не мгновенно повторяет изменение величины хт, а с некоторым сдвигом во времени (инерцией).
Инерционные свойства элементов необходимо учитывать при проектировании систем электроавтоматики.
Рассмотрим случай, когда входная величина хвх изменяется скачком от нуля до значения хвх0 (рис. 5, а). Допустим, значению хВх0 в статическом режиме соответствует значение хвь,х0 выходной величины. После изменения входной величины Л'вых достигает значения хВыхо не сразу, а спустя некоторое
Рис. 5. Виды переходного^ процесса в элементе автоматики: а — скачкообразное изменение входной величины; б — неколебательный переходный процесс (апериодический); в—колебательный переходный процесс (затухающие колебания).
время, в течение которого в эле-
менте происходит так называемый переходный процесс. Этот процесс может быть либо апериодическим затухающим (рис. 5, б), либо затухающим колебательным (рис. 5, в).
21
Самый простой случай — это установление выходной величины по показательному закону вида
“Чых - “^ПЫХ (>( 1
где Т — коэффициент, называемый постоянной времени элемента. Чем больше постоянная времени, тем дольше устанавливается выходная величина. Выходную величину считают установившейся, если отклонение Л'„Ь1Х от установившегося значения Хвыхп не превышает наперед заданной величины Дл'ВЬ1Х. Обычно апериодический процесс считают установившимся по истечении 3-47.
Время установления выходной величины называется временем установления выхода элемента автоматики.
Характеристики и определения, приведенные применительно к конкретным элементам автоматики, будут использованы в последующих разделах при рассмотрении систем судовой электроавтоматики.
§ 6
Особенности эксплуатации средств автоматизации в судовых условиях
Свойства элементов автоматики зависят от условий их эксплуатации.
В отличие от эксплуатации средств автоматизации в общепромышленных установках, использование их в судовых условиях накладывает целый ряд особенностей, основными из которых являются стесненность судовых помещений и необходимость ограничения веса электроустановки в целом. В связи с этим к средствам судовой автоматизации предъявляются требования минимальности их габаритов и весов Кроме того, следует учитывать, что работа аппаратуры автоматики протекает в помещениях с перепадами температур от —20 до +60 С при влажности, доходящей до 98%. В ряде случаев аппаратура автоматики должна работать в затопленном помещении. Крен судна может достигать 15 , а периодические наклоны во время качки до 45'.
Аппаратура автоматики должна обладать весьма высокой надежностью, долговечностью и достаточной конструктивной простотой, так как личный состав судна не имеет возможности во время рейсов вести большие ремонтные работы.
Аппаратура автоматики должна противостоять масляным и другим испарениям, так как в ряде случаев она используется в помещениях с агрессивными средами.
Все вышеизложенное показывает, что разработка аппаратуры автоматики для судов является весьма сложной и ответственной задачей.
Следует также отметить, что современная аппаратура автоматики судовых электроустановок представляет собой целый комплекс
22
приборов и устройств, нормальная эксплуатация которых требует высокой квалификации обслуживающего персонала и соблюдения соответствующих инструкций.
§ 7
Микроминиатюризация
Современные системы судовой автоматики со стоят из тысяч и даже десятков тысяч различных элементов.
В отличие от элементов автоматики промышленного изготовления, как указывалось выше, элементы, применяемые в судовых условиях, должны иметь минимальные весо-габаритные характеристики.
Повышение надежности, уменьшение потребляемой энергии и веса при создании элементов и устройств автоматики требуют перехода к микроминиатюризации, т. е. к таким принципам и технологии производства, которые обеспечили бы предельно минимальные размеры элементов.
Одной из величин, характеризующих эти элементы, является информационная производительность, т. е. отношение числа элементов, содержащихся в 1 дмя, ко времени перехода элементов из нерабочего состояния в рабочее (табл. 1). Это то требуемое количество информации, которое проходит за единицу времени (1 сек) через определенное количество элементов, содержащихся в 1 дм3.
Таблица 1
Информационная производительность различных элементов
Наименование элемента Число элементов в 1 Ли8 Быстродействие, сек Информационная производительность
Электромагнитные реле 10 -50 КГ2- 10 3 5-104
Электронные лампы Элементы: 10 100 10-6- -10-’ Ю10
полупроводниковые 103-104 10-6—10-7 10й
ферритовые 103— 104 10 е—10’7 10й
магнитные пленочные 104 106 10 8 ю13
полупроводниковые пленочные 10е 10е 10-6— ю 8 Щ16—1 о14
Как видно из приведенной таблицы, полупроводниковые пленочные элементы могут пропустить максимальное количество информации при минимальном их объеме.
Такие конструкции деталей, которые позволяют одновременно с уменьшением их размеров снизить трудоемкость монтажных работ и повысить надежность пленочных элементов, привели к созданию микромодулей. Микромодуль представляет собой конструктивно законченную часть электронной схемы, составленную из комплекса специальных деталей упорядоченной формы (микроэлементов). Микромодуль герметичен и поэтому защищен от каких-либо внешних воздействий.
23
Одна из возможных конструкций микромодуля показана на рис. 6. Эго микромодуль этажерочного типа. Микроэлементы, вхо
дящие в его состав, выполняются на керамических пластинах квад-
Рис. 6. Этажерочная конструкция микромодуля до заливки компаундом.
1 — микроплаты; 2 — соединительные проводники; 3 — ключи; 4 — микроэлементы.
ратной формы размерами 7,9 >: 7,9 < X 0,25 мм. По краям платы расположены металлизированные пазы, к которым присоединяются выводы деталей, укрепленных на плате. Проводящие участки на микроплатах создаются методом вжигания или вакуумного напыления серебра, золота, платины или палладия. Сопротивления наносятся на микроплату в виде гонких пленок. Конденсаторы изготовляются путем двусторонней металлизации микроплаты. Применяются также металлизированные керамические пленки толщиной в несколько десятков микрон, из которых изготовляются многослойные конденсаторные галеты, монтируемые на микроплатах. Индуктивности изготовляются в виде укрепленных на мнкро-платах катушек, намотанных на миниатюрные тороидальные сердечники.
Транзисторы и вентили оформлены в виде таблеток, которые монтируются на платах. Выводы полупровод-
никового прибора присоединяются к контактным участкам платы пастой или с помощью проводящих составов, а также методом
Рис. 7. Схема конструкции микромодуля: а — мпкроплата; б — сборка микроплат в модуль; в — внешний вид микромодуля.
вакуумного напыления металлов. Плотность монтажа микромодулей составляет 10—12 элементов на 1 см2 (10—12 эл/елг2). Схема конструкции микромодуля приведена на рис. 7.
24
Микромодули начинают получать широкое распространение, однако уже сейчас есть основание предполагать, что они будут вытеснены в ближайшее время пленочными микросхемами и функциональными интегральными твердыми схемами.
Элементы микросхемы в пленочном исполнении создаются напылением пленок заданной конфигурации на диэлектрическую основу. Поочередным напылением проводящих, полупроводящих и диэлек-(рических пленок получают необходимые элементы схемы. Плотность монтажа при этом составляет около 200 эл!см2. В настоящее
Р tWJ />'
Рис. 8. Конструкция твердой схемы: а — четырехслойиая пластина; б — схема вытравления участков пластины; в — эквивалент данной твердой схемы.
время появилась возможность изготовлять целые схемы на одном кристалле полупроводникового вещества. Такие элементы получили название твердых схем.
В конструктивном отношении твердые схемы представляют собой многослойные структуры из полупроводниковых, проводящих и изоляционных материалов, которые расположены и соединены в объеме твердого тела так, что образуют монолитный блок, обладающий свойствами целого узла автоматической системы. При этом отдельный элемент такого узла нельзя заменить или откорректировать. При необходимости заменяется весь блок в целом. Метод твердых схем исключает около 80% всех электрических соединений, чем улучшаются помехоустойчивость элемента и его теплопроводность. Кроме того, все элементы защищены от вредных воздействий внешней среды, а малые размеры и веса делают их устойчивыми к ударным и вибрационным сотрясениям.
Но наряду с положительными качествами твердые схемы обладают и недостатками. Главный из них заключается в том, что трудно добиться идентичных характеристик нескольких одинаковых блоков,
25
что объясняется технологической сложностью изготовления таких элементов.
На рис. 8 приведена твердая схема трехкаскадного усилителя постоянного тока. Плотность размещения при этом составляет до 2000 эл!см2. Наиболее широкое использование данные методы микроминиатюризации получают при создании функциональных элементов вычислительной техники, системы управления и контроля. В силовых устройствах применение этих схем ограничено трудностями выполнения больших емкостей и индуктивностей.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Каковы функции элементов автоматики?
2. Перечислите основные типы элементов автоматики
3. Какие требования предъявляются к элементам, применяемым в схемах судовой автоматики?
4. Что такое микроминиатюризация, и каковы ее преимущества?
5. Как конструктивно выполнены твердые микросхемы?
ГЛАВА
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ
§ 8
Общие сведения
Действие большинства систем автоматического регулирования в судовых электроустановках основано на сравнении действительного значения какой-либо регулируемой или измеряемой величины с ее заданным значением и сведении разности этих значений к минимуму в процессе работы системы. Преобразование регулируемого или измеряемого параметра в величину, которую удобно сравнивать с заданным значением, осуществляется с помощью чувствительных элементов. Они измеряют поступающие сигналы и преобразуют их в сигналы, удобные для работы последующих элементов системы регулирования. Часто в самом чувствительном элементе происходит сравнение величины с ее заданным значением. В этом случае система не содержит специального нуль-органа, так как сигнал на выходе чувствительного элемента определяется отклонением регулируемой или измеряемой величины от заданного значения пли уставки.
Природа и характер входных и выходных сигналов чувствительных элементов весьма различны.
По характеру входной и выходной величины чувствительные элементы можно разбить на следующие группы [32].
1. Чувствительные элементы с электрическими входной и выходной величинами. К ним относятся различные мостовые схемы и резонансные элементы.
26
2. Чувствительные элементы с неэлектрической входной и элек-। рическон выходной величинами. К этой группе можно отнести активные и реактивные элементы, сельсины, тахогенераторы, фотоэле
менты и электротепловые элементы.
3. Чувствительные элементы с электрической входной и неэлек-грической выходной величинами. К ним относится большая группа приборов электромагнитного и магнитоэлектрического типа.
4. Чувствительные элементы с неэлектрическими входной и выходной величинами, включающие различные элементы для измерения температуры, давления, угловых скоростей, а также гироскопические
чувствительные элементы.
Рассмотрим наиболее широко распространенную группу чувствительных элементов с неэлектрической входной и электрической выходной величинами. К ним относятся параметрические чувствительные элементы, преобразующие изменение неэлсктричсской величины в изменение активного сопротивления, индуктивности или емкости, генераторные (например, вентильные фотоэлементы, термопары), преобразующие свет, разность температур в э. д. с. Чувствительные контактные элементы, преобразующие механическое перемещение в замыкание цепи, являются параметрическими элементами.'
Рис. 9. Статические характеристики чувствительных элементов.
При выборе элемента необходимо учитывать особенности процесса, в котором будет эксплуатироваться чувствительный элемент: периодичность и максимальную частоту процесса, знакоперемен-ность и наличие в нем постоянной составляющей, температурные и атмосферные условия, вибрацию или сотрясение установки.
Основное назначение чувствительных элементов — осуществлять непрерывный контроль за процессом регулирования или управления и передавать получаемые значения в регуляторы, счетно-решающие устройства и машины. Главным свойством чувствительного элемента является его чувствительность, которая может быть определена из статической характеристики. При этом под чувствительностью элемента подразумевают динамическую чувствительность, т. е. отношение приращения выходной величины AxHUX к вызывающему его приращению входной величины Ахвх.
Статическая характеристика элемента — это зависимость его выходной величины от входной в статическом режиме работы, т. е. хВЬ1Х = f (хвх) (рис. 9, кривая /).
Крутизна статической характеристики в рабочей точке А, равная АхВЬ1Х/Ахвх = k, и представляет собой чувствительность элемента. Если статическая характеристика линейна (прямая 2), то чувствительность определяется тангенсом угла у! наклона прямой, а если
27
нелинейна, то тангенсом угла у2 наклона касательной к характеристике в рабочей точке.
Современная техника дает возможность широко применять электрические методы измерения неэлектрических величин, где необходимым звеном является чувствительный элемент. Электрические методы измерения обладают высокой точностью, чувствительностью, широким диапазоном измерения и дают возможность осуществлять процесс управления судовыми техническими средствами на расстоянии. На базе чувствительных элементов создаются специальные приборы контроля, называемые датчиками.
§ 9
Контактные элементы
Контактные чувствительные элементы преобра-
зуют механическое перемещение объекта управления в электрический сигнал. Контактные элементы обладают релейной характеристикой
Рис. 10. Контактные элементы: а — односторонние; б — дву-
сторонние.
и поэтому представляют собой обычное реле перемещения. Они могут работать как на постоянном, так и на переменном токе.
Контактные элементы могут быть односторонние (рис. 10, а) и двусторонние (рис. 10, б). До тех пор пока перемещение подвижной части контакта меньше величины зазора /0 между контактами, контакты элемента разомкнуты (рис. 10, а). Когда 1^10, контакты элемента замыкаются, включается цепь нагрузки. Нечувствительность контактного элемента определяется величиной начального зазора между контактами /0, а также материалом и геометрическими размерами контактных пружин.
§ ю
Потенциометрические элементы
Потенциометрические, или реостатные, элементы применяются для преобразования угловых и линейных перемещений объекта управления в соответствующие значения тока или напряжения. Потенциометрический элемент представляет собой обычный потенциометр, в котором перемещение щетки изменяет величину введенного в цепь сопротивления. Основное достоинство потенциометрических элементов заключается в простоте устройства, незначительном потреблении энергии и отсутствии в ряде случаев необходимости в последующем усилении выходной величины.
28
К недостаткам этих элементов необходимо отнести: скользящий контакт, относительно большие перемещения щетки, низкую чувствительность и необходимость значительных усилий для перемещения щетки. Следует также иметь в виду, что при перемещении щетки с витка на виток (в случае применения проволочного потенциометра) снимаемое напряжение изменяется не плавно, а скачкообразно.
Рис. 11. Потенциометрические элементы.
/ — тонкий слой углеродистой массы; 2 — подвижные контакты; 3 — неподвижные контакты; 4 — керамическое основание; 5 — однослойная обмотка; 6 — тороидальный каркас.
В то же время для передачи показаний чувствительных приборов, например, магнитного компаса, давление щеток допускается незначительное, щетки должны выполняться очень легкими, а изменение сопротивления надо осуществлять очень малыми ступенями. Это достигается применением платиноиридиевой 0,03 мм при сопротивлении около 5 ком.
Потенциометрические элементы могут применяться как на постоянном, так и на переменном токе. Некоторые потенциометрические элементы приведены на рис. И.
В ряде случаев потенциометрический элемент должен реагировать не па величину перемещения щетки, знак перемещения. В этом случае зуется потенциометр со средней (рис. 12).
В электрических программных и следящих схемах могут быть использованы функциональные потенциометры, в которых выходная величина связана с перемещением щетки определенным нелинейным соотношением.
вести профильные потенциометры, ступенчатые, с переменным шагом намотки; секционированные, с секциями, выполненными из провода различного сечения, и т. п.
Кроме рассмотренного типа применяются также угольные потенциометрические элементы.
проволоки диаметром
-Й
только но и на исполь-точкой
^пит
0
Рис. 12. Схема потенциометра со средней точкой.
0

В качестве примера можно при-
29
§ 11
Емкостные и индуктивные элементы
Принцип действия емкостных элементов основан на изменении емкости, вызванной перемещением пластин конденсаторов относительно друг друга или различным положением диэлектрика относительно пластин конденсатора.
Емкостные элементы обладают следующими достоинствами: высокой чувствительностью, относительно малыми весами и габаритами, отсутствием электромеханических сил притяжения пластин элемента. _
7////л I
у////2 ' । — Wz
Рис. 13. Дифференциальная конструкция плоского емкостного элемента с подвижной средней пластиной.
К
ВмоитЛун! схему
Рис. 14. Схема индуктивного элемента.
Недостатками емкостных элементов являются: необходимость усиления снимаемого сигнала, повышенная чувствительность к влажности и наводкам (помехам).
Трудно получить емкость воздушного емкостного элемента свыше 200 пф без значительного увеличения его габаритов. Сопротивление такого конденсатора при частоте 50 гц настолько велико, что сигналы помех, возникающие от влияния паразитных параметров, делаются соизмеримыми с рабочим сигналом емкостного элемента.
Емкость элемента зависит от расстояния между пластинами, площади пластин и диэлектрической проницаемости. Соответственно емкостные элементы выполняются трех типов: с переменным расстоянием между пластинами, с переменной площадью пластин, с переменной диэлектрической средой. Последние используются в основном для измерения уровня жидкости. На рис. 13 приведена дифференциальная конструкция плоского емкостного элемента с подвижной средней пластиной. При перемещении пластины емкость одной половины такого элемента возрастает, а емкость другой половины уменьшается, т. е. чувствительность такого элемента по сравнению с простым емкостным элементом увеличивается. Для увеличения емкости от 100 до 1000 пф применяются многопластинчатые элементы, пластины которых укрепляются на общем штоке.
Индуктивные элементы основаны на изменении индуктивного сопротивления катушки при перемещении стального якоря. Они широко применяются в системах электроавтоматики, так как обла
30
дают целым рядом достоинств: простотой устройства, отсутствием скользящих контактов, относительно большой величиной отдаваемой мощности, возможностью работы на переменном токе промышленной -частоты. К недостаткам индуктивных элементов можно отнести зависимость их характеристик от частоты питающего напряжения.
С помощью индуктивных элементов можно измерять малые углы поворота и минимальные перемещения. Точность измерения элемента составляет от 1 мк до 1 мм, в зависимости от предела измерения. Пределы измерения перемещений достигают 10 мм.
Рассмотрим принцип действия простейшего индуктивного элемента (рис. 14). Он состоит из двух симметричных катушек индуктив-
Рис. 15. Схема включения индуктивного элемента.
пости L, и £2, магнитные потоки которых замыкаются через стальной сердечник Д'. Если сердечник расположен симметрично относительно катушек, то индуктивные сопротивления сердечников с катушками равны: coLj со£2; когда сердечник К перемещается, например, вправо, то <о£2 > ML,, так как воздушный зазор 62 становится меньше 6V При включении катушек индуктивности в мостовую схему мы можем измерять величину перемещений сердечника.
Может быть приведен и другой пример использования индуктивного элемента, когда перемещение сердечника вызывает срабатывание реле и тем самым передает сигнал в систему электроавтоматики о перемещении сердечника.
Как это следует из схемы, приведенной на рис. 15, катушка L с конденсатором С\ образует резонансный контур. При вертикальном расположении сердечника Л в данном элементе контур находится в состоянии резонанса токов и почти не пропускает ток через выпрямитель В и реле Р. При отклонении сердечника на 2—3 индуктивное сопротивление изменяется, нарушаются условия резонанса, ток в обмотке реле резко возрастает, и реле срабатывает. Для исключения срабатывания реле Р при случайных кратковременных качаниях сердечника /( параллельно реле Р включен конденсатор С2 большой емкости.
Поскольку активное сопротивление катушки индуктивного элемента значительно меньше, чем ее индуктивное сопротивление, при расчетах можно пренебречь величиной активного сопротивления
31
катушки. Если пренебречь также магнитным сопротивлением стали магнитопровода, которое много меньше магнитного сопротивления воздушного зазора, то можно получить упрощенное выражение для гока в катушке индуктивного элемента
1Л1086
0,8n2fw2S ’
(3)
где U — величина напряжения, приложенного к катушке, е;
б — суммарная длина воздушного зазора по пути основного магнитного потока катушки, см,
f — частота, гц;
w — число витков катушки;
S — площадь поперечного сечения воздушного зазора, см2.
На рис. 16 приведена зависимость величины тока в катушке от
Рис. 16. Зависимость величины тока в катушке индуктивного элемента от изменения воздушного зазора.
изменения воздушного зазора.
Недостатками рассмотренного тина индуктивного элемента являются наличие холостого хода при б = 0 и низкая чувствительность элемента при малых перемещениях. Эти недостатки отсутствуют в дифференциальных индуктивных элементах.
Дифференциальный индуктивный элемент состоит из двух сердечников / и 2 с катушками, между которыми находится общий якорь»? (рис. 17). Катушки активного элемента и вторичные обмотки питающего трансформатора Тр соединены по схеме моста, в диагональ которого включена нагрузка Z,,.
В нейтральном положении б1 = б2 = б0и через катушки про-
текают одинаковые токи ц = t2, ток в нагрузке при этом отсутствует
I 1 Г 2 0.
При отклонении якоря 3, например, вниз, 6, = бп + Лб, а б2 = б0 — Лб. В результате t, становится больше t2 и ток в нагрузке будет
I 1 2 6*
Величина этого тока будет тем больше, чем больше Лб.
Изменение знака Лб приведет к изменению мгновенного значения тока нагрузки, т. е. к изменению фазы на 180°.
На рис. 18 приведена характеристика I = f (Лб) дифференциального индуктивного элемента.
При использовании дифференциальных элементов не допускается замыкание сердечника подвижным якорем, для чего зазор б0 должен быть примерно в два раза больше максимального хода якоря. Зазор б0 выбирается порядка 0,2—0,5 мм. Верхний предел обусловливается сильным уменьшением чувствительности при б > 0,5 мм 32
Кроме рассмотренных типов индуктивных элементов могут использоваться также трансформаторные индуктивные элементы, нашедшие широкое распространение в гироскопических и радиолокационных системах.
Характерной особенностью трансформаторного индуктивного элемента является возможность осуществления больших перемещений
Рис 17. Схема дифференциального индуктивного элемента.
якоря и отсутствие электрической связи между измерительной цепью и цепью электрического питания. Между ними существует только магнитная связь, что в ряде случаев является существенным преимуществом.
I
Рис. 19. Трансформаторный индуктивный элемент.
Рис. 18. Характеристика I = f (Лб) дифференциального индуктивного элемента.
Наиболее распространенной конструкцией трансформаторного индуктивного элемента является катушка с секционными первичной и вторичной обмотками (рис. 19). Секции первичной обмотки соединены последовательно согласно, а вторичной — последовательно встречно.
Если сердечник К находится в среднем положении, то в обеих секциях вторичной обмотки индуктивного элемента трансформируются равные напряжения UL Uнапряжение на выходе при
3 В. Г. Самойлов 33
этом UH = UI — U2 = 0. При перемещении сердечника напряжения Uy и U2 будут различными и U„ = Ul — U2 =f= 0. При изменении направления перемещения сердечника меняется знак мгновенного напряжения на нагрузке, т. е. фазы действующего напряжения UH относительно питающего напряжения.
§ 12
Электротепловые элементы
Элсктротепловые элементы служат для измерения и регулирования температур в весьма широком диапазоне. В качестве электротепловых чувствительных элементов часто применяются термопары Термопары являются чувствительным элемеп-
Рис. 20. Чувствительный электротепловой элемент (термопара): а — схема соединения одиночной термопары; б — схема последовательного соединения термопар.
1 — холодный спай; 2 — горячий спай; 3 — прибор.
том генераторного типа. Термопара представляет собой два разнородных проводника, концы которых спаяны между собой. Один спай термопары, называемый горячим, помещается в месте измерения температуры, другой спай, называемый холодным, — в место, где температура стабильна. Прибор может быть включен либо в рассечку холодного спая, либо в рассечку любого из проводов термопары (рис. 20, а).
Принцип работы термопары основан на следующем. Работа выхода электрона из металла различна для разных металлов. Потенциал выхода, равный отношению работы выхода к величине заряда электрона, также различен для разных металлов. Если два металла с различной работой выхода соприкасаются друг с другом, то электроны будут переходить из металла с меньшей работой выхода в металл с большей работой выхода, заряжая последний отрицательным
34
зарядом, пока возникающая разность потенциалов (контактная у. д. с.) не станет равна разности потенциалов выхода этих металлов. Поэтому если холодный и горячий спаи термопары имеют одинаковую температуру, контактные э. д. с. этих спаев равны и, будучи направлены противоположно, уравновешивают друг друга. Изменение температуры изменяет и величину работы выхода, поэтому разность потенциалов горячего спая становится больше разности потенциалов холодного спая.
Термо-э. д. с., возникающая при этом, зависит только от разности температур спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводника. Чем больше разность температур холодного и горячего спаев, тем больше возрастает термо-э. д. с. В качестве материала для изготовления термопар применяются металлы и сплавы: сталь, медь, никель, нихром, константан, хромель, копель и др. В ряде случаев используются и дорогие металлы: платина, иридий, золото, родий. Чувствительность термопар представляет собой величину гермо-э. д. с., развиваемой при разности температур горячего и холодного спаев в 1° С и лежит в пределах 6,4-10~®-^6,9- 10-в в!град. Отдельные термопары можно соединять последовательно в термобатарею (рис. 20, б). Возникающая при этом термо-э. д. с. возрастает пропорционально числу термопар, включаемых последовательно в цепь. Это позволяет создавать элементы с более высокой чувствительностью. Перед пользованием термопары вместе с соединительными проводами и измерительным прибором градуируют по эталонному термометру. Следует иметь в виду, что градуировочные таблицы термопар снимаются при определенной температуре холодного спая. При измерениях выдерживать эти условия сложно и температура холодного спая может иметь какое-то другое значение. Следовательно, измеренной э. д. с. нельзя непосредственно определить измеряемую температуру. Необходимо первоначально определить истинное значение термо-э. д. с., которое должно соответствовать данному значению измеряемой температуры. При точных измерениях поправку для известной температуры находят по градуировочной кривой, а затем по истинному значению термо-э. д. с. определяют величину истинной температуры. Поправка на температуру холодного спая может быть введена непосредственно в показания прибора путем установки корректора перед началом испытаний.
Для измерения температуры широко применяются также электрические термометры сопротивления. Они основаны на свойстве проводников изменять свое электрическое сопротивление при нагревании. Можно привести зависимость сопротивления нагретого проводника от температуры
Rt = Rt, И 4 а (/ — /0) L
где Rt0 — сопротивление проводника при начальной температуре /(); а — температурный коэффициент, равный для меди 0,00428 град~\
Основные погрешности термометров сопротивления возникают вследствие непостоянства напряжения питания, температуры окру 3* 35
жающей среды, внутреннего нагрева термоэлемента и его тепловой инерционности.
Большое распространение для замера температур получили в последнее время термисторы (термосопротивления) — малогабаритные нелинейные электрические сопротивления, изготовляемые из полупроводниковых материалов.
Материалом для изготовления термисторов служат полупроводники с электронной проводимостью, в основном окислы металлов и смеси окислов, а также сульфиды и селениды.
Температурная характеристика термистора приведена на рис. 21.
Рис. 21. Зависимость сопротивления термистора от температуры.
Рис. 22. Вольт-амперные характеристики термисторов.
Для различных полупроводников характер этой зависимости различен, однако для большинства полупроводников электрическое сопротивление термистора выражается экспоненциальным законом
в R, = АеТ,
(4)
где А — коэффициент, зависящий от конструктивных размеров термистора;
В — коэффициент, зависящий от концентрации примесей в полупроводнике;
Т — абсолютная температура.
На рис. 22 приведено семейство вольт-амперных характеристик термистора. Нелинейность термисторов определяется их природой, а также вызвана выделением тепла и повышением температуры термистора при протекании по нему тока. При увеличении температуры окружающей среды вольт-амперная характеристика смещается влево, так как при прочих равных условиях сопротивление терми-
36
сгора с увеличением температуры понижается. Работу термистора характеризует температурный коэффициент
а= '
RT dt ’
определяющий относительное изменение сопротивления термистора при изменении температуры на 1° С. Для выпускаемых промышлен-
ностью термисторов величина этого коэффициента равна от —0,03 до 0,06, что превышает аналогичный коэффициент у металлов в 8— 10 раз. Приведем в качестве примера использование термистора для измерения температуры окружающей среды. Как видно из схемы, представленной на рис. 23, термистор включен в одно из плеч моста. 11ри изменении температуры окружающей среды сопротивление термистора изменяется, а следовательно, изменяется и напряжение и диагонали моста, в цепь,которой включен измерительный прибор.
Рис. 23. Схема включения термистора для измерения температуры окружающей среды.
Как мы уже говорили выше, термисторы, как правило, обладают большей тепловой инерционностью, чем термопары, и могут питаться как постоянным, так и переменным током. Только маломощные игольчатые термисторы обладают малой инерционностью (их постоянная времени менее 1 сек).
§ 13
Контактные и бесконтактные сельсины
Сельсином называется индукционная однофазная электрическая машина переменного тока. Сельсины служат для преобразования сигнала углового рассогласования в напряжение или для передачи на расстояние угловых перемещений.
По конструкции сельсины делятся на контактные и бесконтактные. Контактные сельсины могут быть выполнены с явновыражен-иыми полюсами (рис. 24, а) и без явновыраженных полюсов (рис. 24, б) на статоре. Между полюсами статора располагается рогор, на котором уложена трехфазная вторичная обмотка. Может быть и другая конструкция сельсина, у которого трехфазная обмотка находится на статоре, а ротор имеет при этом явновыраженные полюса. Трехфазная обмотка состоит из трех звеньев, смещенных между собой на 120° и соединенных звездой.
Первичной цепью сельсина является однофазная обмотка возбуждения, которая может располагаться как на статоре, так и на роторе (рис. 25). Концы обмоток, расположенных на роторе, выводятся на три или два токосъемных кольца со щетками.
37
Конструкция сельсина с явнополюсным ротором предпочтительнее, так как ротор при этом получается более легким и имеет два токосъемных кольца, а не три. В результате у такого сельсина моменты трения и инерции меньше, чем у сельсина с явными полюсами на статоре. Наиболее распространенные контактные сельсины, ис
Рис. 24. Конструкция сельсинов: а — с явновыраженными полюсами на статоре; б —• без явновыраженных полюсов на
пользующиеся в настоящее время в системах синхронной связи в виде датчиков, это сельсины типов ДИ-500, ДИ-501, ДИ-511 мощностью от 15 до 18 вт, В качестве приемников используются сельсины типов СС-500, СС-401, СС-402, СС-501.
Рис. 25. Электрическая схема сельсина: а—общая схема; 16 — с явнополюсным статором; в — с явнополюсным ротором.
статоре.
В конструктивном отношении данные сельсины, используемые в качестве датчиков и приемников, отличаются лишь электрическими данными обмоток, размерами и наличием успокоителей у сельсинов-приемников, например, у сельсинов типа СС-500.
В судовых телеграфах применяются сельсины типов ДН 500 и НД-501. Необходимо отметить ряд недостатков контактных сельсинов: увеличенный момент трения из-за щеток и контактных колец; возможность подгорания контактов и их загрязнение, искрение контактных щеток, затрудняющее применение контактных сельсинов во взрывоопасных помещениях.
Бесконтактные сельсины не имеют этих недостатков. Принцип работы бесконтактного сельсина не отличается от контактного,
38
однако в конструктивном отношении они различны. Бесконтактные сельсины не имеют обмотки на роторе. Обмотка возбуждения и фазная обмотка расположены на статоре.
На рис. 26 приведена конструктивная схема бесконтактного сель-< ина. Обмотка возбуждения в виде соединенных последовательно кольцевых катушек укрепляется в торцовой части, а трехфазная — в пазах статора. Статор сельсина заключен в силуминовый корпус 1, и который запрессовано несколько шихтованных стержней 4. В статор 2 уложена трехфазная обмотка 3 и однофазные катушки 7. Ощофазные и трехфазпые обмотки уложены так, что магнитные оси
Рис. 26. Конструкция бесконтактного сельсина.
их взаимно перпендикулярны. Ротор 5 сельсина выполнен из двух магнитопроводящих частей, разделенных прокладкой 6 из немагнитного материала. Благодаря такой конструкции переменный магнитный поток, создаваемый однофазными торцовыми обмотками, через воздушный зазор проходит с правой стороны в ротор 5. Пройдя вдоль оси ротора до немагнитной прокладки 6, поток поворачивает на 90°, проходит через воздушный зазор в статор и пересекает трехфазпую оОмотку 3. Разделяясь на две ветви, магнитный поток идет сверху вниз по двум полуокружностям статора 2, затем через воздушный зазор поток попадает в другую половину ротора и замыкается через спинки. При повороте ротора магнитный поток будет также поворачиваться, следовательно величина э. д. с. обмоток вторичной цепи находится в функции от угла поворота ротора.
К недостаткам бесконтактных сельсинов относятся: большая сложность устройства и изготовления, значительный вес ротора и больший в связи с этим износ подшипников, большой момент инерции ротора, что увеличивает динамическую ошибку при использовании сельсина в системе синхронной связи.
Сельсины выпускаются промышленностью на различные напряжения и частоту питающего напряжения от 50 до 500 гц.
В табл. 2 приведены основные данные различных типов сельсинов.
39
Таблица 2
Основные параметры сельсинов
Тип сельсина Расположение обмоток возбуждения Ток в обмотке возбуждения , а Мощность, вт Линейное напряжение, в Максимальный синхронизирующий момент, г-с.ч р-2 Е С= X о ? о т S Момент трения, гем
Д11-500 ДИ-501 ДИ-511 СС-404 СС-500 СС-501 ДС-500 ДН-500 Н Д-501 БД-404А БД-404 Б Па статоре На роторе Бесконтактные 0,У0 0,56 1,00 0,38 0,30 0,45 0,30 0,40 0,47 0,45 0,40 IG 15 18 13 10 15 2 10 13 11 12,5 12,5. 58,0 57,0 57,0 49,0 54,0 55,0 54,0 58,0 57,3 49,0 150,0 4650 2700 3000 260 520 1800 520 5000 4100 1 Момст 1 0,135 г 50,0 30,0 33,0 4,5 7,0 20,0 7,0 48,0 60,0 инерции см сек2 50,0 40,0 40,0 7,5 15,0 30,0 15—22 70—90 60,0 15,0 15,0
Примечание. Величина напряжения на обмотке возбуждения сельсинов ПО в, частота 50 гц (напряжение сельсина ДН-500 — 127 в).
§ 14
Вращающиеся трансформаторы
В качестве измерителен рассогласования все большее применение находят вращающиеся трансформаторы (ВТ). Вращающийся трансформатор представляет собой электрическую машину с неявно выраженными полюсами на статоре и роторе, где уложены взаимно перпендикулярные обмотки. Если использование ВТ ограничивается +360°, то концы роторных обмоток соединяются с клеммником с помощью гибких проводов. На рис. 27 приведено расположение обмоток различных типов ВТ. Одна из обмоток ВТ, обычно статорная, получает питание от сети однофазного переменного тока.
С помощью вращающихся трансформаторов можно осуществлять также простейшие вычислительные операции, такие, как разложение вектора на прямоугольные составляющие, поворот координатных осей, преобразование прямоугольных координат вектора в полярные.
В системах автоматического регулирования и управления вращающиеся трансформаторы применяются обычно как чувствительные элементы, фиксирующие отклонение системы от некоторого определенного положения.
В зависимости от схемы соединения обмоток вращающиеся трансформаторы могут быть подразделены на:
— линейные с выходным напряжением, пропорциональным питающему напряжению и углу поворота ротора (ЛВТ);
40
— синусно-косинусные с выходным напряжением, пропорциональным синусу и косинусу угла поворота ротора (СКВТ);
— масштабные, выходное напряжение которых пропор пнопально входному (МВТ).
Как видно из схемы, приведенной па рис. 28, если на одну из обмоток СКВТ вдс1 статора трансформатора подать напряжение
Рис. 27. Схемы вращающихся трансформаторов: а — вращающийся трансформатор ВТ; б — масштабный вращающийся трансформатор МВТ.
Рис 28. Схема синусно-косинусного вращающегося трансформатора.
переменного тока, то на нагрузочных сопротивлениях ZHl и Z,,.,, включенных на зажимы роторных обмоток, создаются напряжения
U„x = kU sin а;
Uп , = kU cos а.
(5)
Для исключения погрешностей, вносимых поперечным потоком реакции в СКВТ, включается сопротивление Zc в обмотку статора а>с2. В схеме ЛВТ (рис. 29, а) питающее напряжение подведено к двум последовательно соединенным обмоткам статора и ротора. Вторые, гак называемые квадратурные обмотки ротора и статора, включены соответственно на сопротивление нагрузки Z„ и симметрирующее сопротивление Zc. На нагрузке мы получим в этом случае следующую швисимость:
, , , , , Sill «
UH = k,U , , .-----------
н 1 1 + kt cos а
(6)
где kT — коэффициент трансформации, ~ 0,5.
При углах отклонения не более 60° синусная кривая может быть заменена прямой линией, как это видно из рис. 29, б.
41
Масштабные вращающиеся трансформаторы применяются в системах автоматики для согласования масштабов напряжения. При этом
Utt = kU, (7)
где k — коэффициент пропорциональности, так же как и в (5).
Отечественная промышленность выпускает вращающиеся трансформаторы типов ВТ-1, ВТ-2, ВТ-3 и ВТ-4. Они отличаются друг
от друга в основном мощностью и некоторыми особенностями токосъемного устройства. Наибольшей мощностью обладает вращающийся трансформатор типа ВТ-1. Различные трансформаторы каждой серии имеют различные коэффициенты трансформации, сопротивление холостого хода и различный материал магнитопровода.
§ 15
Фотоэлементы
Фотоэлементом называется прибор, в котором под действием света изменяется его электропроводность или возникает электродвижущая сила. Фотоэлементы строятся с использованием внешнего (вакуумные и газонаполненные), внутреннего (фоторезисторы) и вентильного фотоэффектов.
В последние годы разработано большое число новых совершенных фотоэлементов, построенных на внутреннем и вентильном фотоэффекте. К ним необходимо отнести фоторезистор, приведенный на рис. 30, а. Работа фоторезистора основана на изменении сопротивления полупроводника под влиянием лучистой энергии, падающей
42
па него. В качестве светочувствительного материала в фоторезисторах применяются сернистый свинец, сернистый висмут, сернистый кадмий, реже селен и сернистый таллий. Фоторезистор имеет одинаковую проводимость в обоих направлениях, включается последовательно с источником питания и без него работать не может.
Неосвещенный фоторезистор характеризуется темновым током и темновым сопротивлением. Темновой ток очень мал, величина юмнового сопротивления составляет 105—107 ом. На рис. 30, б приведена световая характеристика фоторезистора. Как видно, при малых световых потоках ее можно считать линейной, а при больших линейность нарушается. Вольт-амперная характеристика фоторезистора (рис. 30, в) имеет линейную зависимость.
Рис. 30. Схема включения (а), световая (б) и вольт-амперная (п) характеристики фоторсзистора.
Следует отметить высокую чувствительность фоторезисторов, порядка 5000 мко!лм (в основном в инфракрасной области спектра), небольшие габариты и высокую надежность. Недостатком чувствительных фоторезисторов (например, сернистокадмиевых) является оольшая инерционность (в связи с чем их нельзя применять в устройствах, где имеют место быстрые изменения световых потоков). Все фоторезисторы отличаются нелинейностью световой характеристики н значительной температурной нестабильностью. Фоторезисторы широко применяются в релейных системах автоматики; основные их характеристики приведены в табл. 3.
Таблица 3
Данные фоторезисторов
Тип фоторезистора Удельная чувствительность, мка[лм-в Освещенность, лк Длина ВОЛНЫ , мк Рабочая ча стота, гц Рабочее напри-жение, в
ФС-А1, ФС-А4 500 200 2,1 100—6-103 15
ФС-Б2, ФС-Б0 1 000 —- 0,7 102—4-Ю2 50
ФС-К1, ФС-К0 3 000 1000 0,52 10—102 400
ФС-К2 2 500 .—- 0,6 10—102 300
ФСК-М 2 500 — 0,505 — 150
ФСУ-М2 90 000 — — — 150
43
Вентильные фотоэлементы представляют собой фотоэлектрический полупроводниковый прибор с вентильным фотоэффектом, имеющий один или два р—«-перехода. При освещении р— «-перехода появляется э. д. с. или изменяется величина обратного тока.
Вентильные фотоэлементы изготовляются из германия, кремния, селена, сернистого галлия, сернистого серебра и ряда других элементов. Как видно из рис. 31, а, светочувствительный полупроводник монтируется в пластмассовом корпусе с отверстием, через ко
Рис. 31. Схема включения (а), графическое изображение (б) и световые характеристики (в) фотодиода.
торое световой поток падает на р—« переход и прилегающую к нему область. Вентильный фотоэлемент с одним р—«-переходом называется фотодиодом.
Режим работы вентильного фотоэлемента без внешнего источника называется режимом фотогенератора, т. е. при попадании светового потока на фотодиод на внешних зажимах его появляется разность потенциалов, называемая фото-э. д. с. Еф, составляющая у фотодиодов величину порядка 0,1 в. Если замкнуть зажимы такого фотоэлемента через сопротивление, то в электрической цепи появится небольшой фототок, величина которого будет зависеть от фото-э. д. с. Еф.
Условное графическое изображение фотодиода приведено на рис. 31, б. Если к фотоэлементу подключить внешнюю батарею с полярностью, при которой фотодиод будет закрыт, то фотоэлемент начнет работать в режиме фотопреобразователя, т. е. при увеличении освещенности фотодиода увеличивается обратный ток. Световые характеристики фотодиода приведены на рис. 31, в. При малых световых потоках световая характеристика линейна, а при увеличении светового потока происходит насыщение фототока. При увеличении сопротивления нагрузки 7?п насыщение фототока наступает при меньших световых потоках. В табл. 4 приведены некоторые основные параметры фотоэлементов, в табл. 5 — данные фотодиодов.
44
Таблица 4
Параметры фотоэлементов
Фотоэлементы и их типы Внутреннее сопротивление, ком Максимальная чувствительность, мка/лм
Селеновые: К-5 К ю К-20 Серписто-серебряньге: ФЭСС У-2 ФЭСС У-3 ФЭСС У-5 ФЭСС У-10 Меднозакисные 150 150 150 1,53 1—20 71 404—0,8 0,55 0,95 0,55 0,95 0,55 0,95 0,95 0,85 0,85 0,48
Таблица 5
Характеристики фотодиодов
Тип фотодиода Рабочее напряжение, в Темновой ток, мка Чувствительность, ма[лм Величина свете -чувствительной поверхности , мм2 Допустимая относительная влажность, % Допустимая температура, °C Вес, г
ФД-1 15 30 20 5 98 60 -+45 1.0
ФД-2 30 25 10—20 1 90 - 45—1- 45 0,85
ФД-3 10 15 20 2 98 —60— I 60 0,2
ФД-К1 20 3 3 2 98 - 50—+80 0,2
Примечание. Постоянная времени элементов 10 сек, срок службы 500 ч.
В последние годы разработаны новые типы вентильных фотоэлементов — фототранзисторы, с помощью которых можно осуществлять внутреннее усиление фототока. Фототранзисторы изготовляются из германия или кремния.
Фототранзистор (фототриод) в отличие от обычного транзистора имеет лишь два вывода — коллектор и эмиттер. Схема фототриода приведена на рис. 32, а, световой поток попадает на базовую плоскость р -п—р-перехода, под действием фотонов в базе образуются новые пары носителей заряда, дырки и электроны, которые диффундируют к р—«-переходам. Появление в базе электронов аналогично появлению базового тока в обычном полупроводниковом транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Наличие же базового тока приводит к возникновению коллекторного тока 7К, который будет в р раз больше базового. Чувствительность фототриодов довольно высока и составляет величину порядка 0,1 а!лм.
45
На рис. 32, в приведены вольт-амперные характеристики фототриода. По виду они не отличаются от коллекторных характеристик обычного транзистора. Приведем в качестве примера основные характеристики фототранзистора типа ФТ-1. Рабочее напряжение
Рис. 32. Схема включения (а), графическое изображение (б) рактеристика (а) фототранзистора.
и вольт-амперная ха-
1—3 в, темновой ток 300 мка, чувствительность 190—500 ма!лм, постоянная времени 20 мксек., площадь светочувствительной поверхности 2 мм2. Фототранзисторы и фототиристоры получают распространение в специальных системах электроавтоматики.
Они применяются, например, в оптронных устройствах (бесконтактных ключах), где в качестве инфракрасного излучателя используется светодиод из арсенида галия и в качестве ключа кремниевый фототиристор.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. На чем основана работа потенциометрических чувствительных элементов?
2. Какая особенность ограничивает широкое применение емкостных элементов?
3. Объясните принцип работы чувствительного элемента с сельсинами.
4. Как работают чувствительные элементы с термо-э. д. с.?
5. Из каких материалов изготовляют фоторезисторы?
6. Каковы особенности фоторезисторов?
7. Как зависит чувствительность фоторезистора от спектра светового потока?
ГЛАВА
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ ЬН Ы Е
1 ЭЛЕМЕНТЫ
§ 16
Общие сведения
Задача по преобразованию электрических сигналов, получаемых от чувствительных элементов, решается, как правило, с помощью электронных, ионных и полупроводниковых приборов. Без этих приборов немыслимо существование и развитие ни одной из передовых отраслей техники и в первую очередь судовой 40
автоматики, радиотехники, телевидения, вычислительной техники, связи и радиолокации. С помощью этих приборов осуществляются все основные процессы по преобразованию электрических сигналов: генерирование, модуляция, усиление, выпрямление, инвертирование,’преобразование частоты.
Внедрение электронных, ионных и полупроводниковых приборов позволило решить задачу по созданию быстродействующих, высокочувствительных и весьма точных автоматических систем.
На рис. 33 приведена классификация преобразовательных элементов. Как видно из приведенного рисунка, они подразделяются
Рис. 33. Классификация преобразовательных элементов.
на электровакуумные и полупроводниковые приборы. Электровакуумные приборы делятся на проводниковые, электронные и ионные, а полупроводниковые — на электропреобразовательные и фотоэлектрические приборы.
К электронным приборам могут быть отнесены электронные лампы, электроннолучевые трубки, электронные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители и пр. К ионным приборам относятся неоновые лампы, стабилитроны, газоразрядные источники света, газотроны, тиратроны, ионные фотоэлементы. К полупроводниковым приборам относятся полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, полупроводниковые фотоэлементы и многие другие.
Электронные лампы и ионные приборы с накаленным катодом имеют ограниченный срок службы — от нескольких сотен до нескольких тысяч часов. Системы автоматики судовых электроустановок обычно рассчитываются на длительную непрерывную работу, что накладывает определенные ограничения на применение электронных ламп и ионных приборов в судовых условиях.
К Полупроводниковые приборы обладают значительно большим сроком службы, что делает особенно целесообразным применение этих приборов в системах автоматики судовых электроустановок.
47
Полупроводниковые приборы обладают и другими преимуществами: малыми габаритами и весом, меньшим потреблением электроэнергии.
§ 17
Выпрямители и инверторы
В системах автоматики судовых электроустановок для питания потребителей постоянного тока применяются в настоящее время электромашинные преобразователи и статические выпрямители, созданные на основе полупроводниковых приборов. Селеновые статические выпрямители имеют сравнительно большие габариты и вес и обладают довольно низким к. п. д. Машинные преобразователи также имеют вышеперечисленные недостатки, а кроме того недостаточно надежны и требуют повседневного ухода. По сравнению с ними статические выпрямители с использованием кремниевых вентилей имеют лучшие характеристики по к. п. д., надежности и весо-габаритным показателям.
В последнее время все шире стали применяться кремниевые выпрямители на тиристорах.
Статические выпрямители применяются для питания потребителей радиосвязи и радиолокации, входят в состав аппаратуры электроавтоматики, служат для зарядки аккумуляторных батарей, для питания электроприводов постоянного тока с широким диапазоном регулирования скорости, используются для возбуждения синхронных генераторов и питания цепей управления.
В настоящее время применяются выпрямительные устройства с различными схемами соединения (в зависимости от мощности устройства, мощности источников переменного тока и характера нагрузки).
Наибольшее распространение получили следующие схемы выпрямления: однофазная однополупериодная, однофазная двухполу-периодная мостовая, однофазная двухполупериодная с выходом от средней точки, трехфазная однополупериодная с общим выводом и трехфазная двухполупериодная мостовая.
В табл. 6 приведены примеры подобных схем и их основные технические характеристики.
Однофазные схемы применяются, как правило, в выпрямительных устройствах небольшой мощности. Более широкое распространение получили однофазные мостовые схемы, позволяющие использовать габаритную мощность трансформатора и получать меньший коэффициент пульсации выпрямленного напряжения по сравнению с однополупсриодиой схемой.
Трехфазные мостовые схемы применяются обычно в выпрями тельных устройствах и агрегатах мощностью свыше 1 кет. Данные схемы отличаются сравнительно небольшим коэффициентом пульсации выпрямленного напряжения и равномерной загрузкой всех фаз судовой электрической сети.
Коэффициентом пульсации н а п р я ж е и и я на выходе выпрямителя kn называется отношение амплитудного значе-
48
Таблица 6
Схемы соединения вентилей
Однофазная Трехфаз на я
однопол у -периодная двухполу-пер нод на я мостовая однополупериодная двухполупериодная мостовая
b ht '1 L и 2-X + 1/2 S лд, [ Г*~ /'г ДР )е /. ж -Id X ); d’, СДОИ апрт Z <1 1/1 >,л 1 л 3 6 Г
> III 1 0; та;
г-U - U2 = 2,22 X x(t/d+ s&udy. 1Л=1,б1а; ka = 1,57 и 1 и
X ио М( । _ -Ud ► 14=1,11 X (Ud + + 2S AUd /2= 1,11/ k„ = 0,6' одов, поел падение и L (Ud /2 = /гп IX по
Vd-, = 1,11 <Ud + SAUd) = 2U’2 = 0,8/<z = 0,07 — 4HCJ — пря - Ud —. и'2 = 0,8 : (ud hs п2 = 1,7 /2 = О,о, /Л| = 0 гелию с<х <еиия. г 6 X AUdy, ЗС/'; 5/</; 25 .'ДИНС1 Ud--, = 0,7 4-2S 0,85 = о,( »етни ы 5 X ДЦ 5/<г; )57 мое
пня основной гармоники выпрямленного напряжения Ulltl к среднему значению выпрямленного напряжения Ud.
Допустимые значения коэффициентов пульсаций для различного рода нагрузок приведены в табл. 7.
Таблица 7
Величина допустимой пульсации на нагрузке
Наименование нагрузок выпрямительного устройства Допустимый коэффициент пульсации на нагрузке
Коллекторные и эмиттерные цепи транзисторных усилителей 0,0005- 0,005
Обмотки поляризованных реле и механизмов Анодные цепи электронных усилителей: 0,001—0,005
входные каскады 0,001 0,005
выходные » 0,000 0,02
Для снижения коэффициента пульсации наиболее радикальным средством является включение на выходе выпрямительного устройства специальных сглаживающих фильтров.
Таким образом, в общем виде судовые выпрямительные устройства, как правило, состоят из следующих элементов (рис. 34): по-
4 В. Г . Самойлов
49
нижающего силового трансформатора Тр для согласования напряжения питающей сети с напряжением на входе выпрямителя; выпрямительного блока (вентилей) В; блока автоматического управления БУ выпрямителем (в случае применения управляемых вентилей); блока коммутационной и защитной аппаратуры БЗ (автоматы для включения и выключения, сигнализация); сглаживающего фильтра Ф.
Процесс, обратный выпрямлению, называется инвертированием.
При инвертировании постоянный ток преобразуется в переменный. Данное преобразование можно осуществлять либо с помощью электромашинных преобразователей, либо с помощью полупроводниковых преобразователей (инверторов). Инверторы подразделяются па зависимые и независимые (автономные).
Рис. 34. Блок-схема выпрямительного устройства.
Зависимые инверторы — это статические преобразователи постоянного тока в переменный, питающие сеть, имеющую другие источники электрической энергии.
Независимые инверторы — статические преобразователи постоянного тока в переменный, питающие сеть, не имеющую других источников энергии.
Зависимые инверторы еще не получили широкого распространения, поэтому остановимся на работе независимых инверторов.
Независимые инверторы могут применяться в качестве аварийных источников питания радиолокационных и гироскопических устройств, а также для целей управления, контроля и сигнализации.
В качестве примера рассмотрим работу независимого инвертора параллельного типа, собранного по однофазной однотактной схеме на тиристорах (рис. 35). Инвертором параллельного типа называется такой инвертор, в котором коммутирующие и компенсирующие реактивную мощность конденсаторы включены параллельно первичным обмоткам трансформатора.
Из рис. 35 видно, что при подаче в противофазе на тиристоры ТЛ и 7\ управляющих импульсов с частотой сети fc происходит поочередное их открытие и, следовательно, поочередное протекание тока по полуобмотке трансформатора напряжения Тр. При этом во вторичной обмотке трансформатора Тр индуктируется э. д. c.j частота которой равна fc, и по нагрузке ZH протекает переменный ток. Конденсатор С в данной схеме выполняет роль источника коммутирующей э. д. с. тиристоров Тг и Т2- При открывании Т\
50
конденсатор С заряжается до полного напряжения на первичной обмотке. Когда открывается тиристор 7\, э. д. с. конденсатора оказывается приложенной к тиристору 7\ в обратном направлении. После закрытия тиристора 7\ конденсатор С в течение некоторого
времени удерживает на нем отрицательное напряжение, предоставляя тем самым ему необходимые условия для восстановления управляемости, после чего полностью перезаряжается и при последующем открытии 7\ запирается Т2-
При изменении нагрузки параллельного инвертора резко изменяются величина выходного напряжения и форма его кривой.
По сравнению с другими источниками независимые инверторы в качестве аварийных источников питания обладают значительными
Рис. 35. Однофазный независимый инвертор параллельного типа.
преимуществами. При использо-
вании инвертора в качестве основного источника переменного тока для питания большого количества судовых потребителей необходимо применять специальные регулирующие устройства, которые обеспечивают стабилизацию выходного напряжения при изменении
величины и характера нагрузки.
§ 18
Транзисторные и тиристорные преобразователи
Транзистор, или полупроводниковый триод, состоит из двух противоположно направленных р—п-переходов, которые объединены таким образом, что одна из областей оказывается общей. Если объединены области р этих переходов, то транзистор имеет структуру п—р—п. При объединении областей п транзистор имеет структуру р—п—р (рис. 36). Одна из внешних областей называется эмиттером, другая — коллектором, средняя область называется базой. Эквивалентная схема транзистора представлена па рис. 37, а. Вольт-амперные характеристики коллекторной цепи (выходные характеристики транзистора) представляют собой зависимость тока коллектора /к от напряжения коллектор—эмиттер UK э при определенных значениях тока базы транзистора /б и изображены па рис. 37, б.
Рассмотрим два крайних состояния транзистора, режим отсечки и режим насыщения. При /б = 0 транзистор находится в режиме отсечки (точка Л), когда все напряжение источника питания Ек э приложено к транзистору. При большом токе базы почти все напряжение источника питания приложено к нагрузке, ток в нагрузке при этом зависит в основном от напряжения питания и сопротивления
4*
51
нагрузки. Транзистор в этом случае работает в режиме насыщения (точка В).
В режиме отсечки (точка А) транзистор представляет собой большое сопротивление, его можно сравнить с разомкнутым контактом в цепи нагрузки (транзистор закрыт). В режиме насыщения (точка В)
Рис. 36. Конструкция плоскостного транзистора (с), схема переходов (б) и его графическое изображение (в).
/ — электрод коллектора; 2 — кристалл германия; 3 — электрод эмиттера; 4 — колба; 5 — вывод эмиттера; 6 — вывод базы; 7 — вывод коллектора.
он представляет собой малое сопротивление и его можно сравнить с замкнутым контактом (транзистор открыт). Режим работы транзистора между точками А и В называется активным.
Ранее был рассмотрен транзистор, у которого условно были приняты цепь база—эмиттер — входной, а цепь коллектор—эмиттер — выходной. Так как у транзистора три электрода, то один из них оказался общим для входной и выходной цепей. В рассмотренном случае общим был эмиттерный электрод, поэтому и схема включения называется схемой с общим эмиттером. Транзистор может быть включен и по другим схемам с общим коллектором или с общей базой (рис. 38).
52
Так как мы рассматриваем в этом параграфе только режим переключения транзистора, то остановимся на схеме с общим эмиттером и возвратимся еще раз к рис. 37, а. В этом случае импульсное напряжение сигнала Ес, позволяющее изменять соотношение между длительностью открытого и закрытого состояния транзистора, можно подвести к цепи база—эмиттер. Цепь эмиттер—коллектор может быть использована как прерыватель тока, создаваемого источником питания Еп в сопротивлении нагрузки. В этом случае транзистор
Рис. 38. Схемы включения транзисторов с р—п—р-переходами: а — с общей базой; б — с общим эмиттером; в — с общим коллектором.
используется одновременно как прерыватель и усилитель мощности, поэтому он является активным переключателем. Подобные схемы применяются в переключающих устройствах, предназначенных для переработки информации, заданной в виде электрических импульсов (например, в вычислительных машинах дискретного действия), а также в силовых переключающих устройствах, предназначенных для импульсного регулирования значительной мощности в цепях управления судовых электрических машин и электромагнитных механизмов, а также для статического преобразования электрической энергии.
В последнее время широкое распространение получили управляемые полупроводниковые переключатели (управляемые вентили, управляемые диоды), называемые тиристорами. Структура тиристора представлена на рнс. 39, а, его вольт-амперные характеристики — на рис. 39, б. С увеличением напряжения на тирис-
53
торе ток сначала нарастает медленно. При напряжении на тиристоре, равном 17пер, последний открывается, и ток в его цепи с этого момента определяется сопротивлением нагрузки. Включение напряжения между катодом тиристора и управляющим электродом (рис. 39, а) приводит к протеканию через левый р—/1-переход тока управления. Этот ток уменьшает напряжение переключения. Величину тока управления, при котором «горб» характеристики исчезает, называют током спрямления. При этом зависимость / = f (U) превращается в прямую ветвь вольт-ампер
Рис. 39. Структура тиристора (а), его вольт-амперные характеристики (б) и зависимость напряжения переключения от тока управления (в).
ной характеристики вентиля. Обычно напряжение цепи, содержащей тиристор, не должно превышать 0,5 Unep при /у = 0. При этом ток запертого тиристора будет не более 10 (рис. 39, б).
Важной характеристикой тиристора является зависимость напряжения переключения от тока управляющего электрода (рис. 39, в). Свойства тиристора характеризуются также током выключения /ВЬ1Х, соответствующим конечной точке «горба» вольт-амперной характеристики при токе управления, равном нулю (точка В на рис. 39, б).
После переключения тиристор теряет свои управляющие свойства. Для обратного переключения тиристора необходимо снизить ток, протекающий через управляемый переключатель, до величины, меньшей тока выключения.
54
Время срабатывания тиристора зависит от режима работы вы-
ходной цепи и параметров управляющего импульса и составляет
величину порядка 2—10 мксек. Общий вид тиристора представлен
на рис. 40. Высокое быстродействие срабатывания тиристоров позволяет на их основе создавать быстродействующие коммутационные аппараты (рис. 41). При замыкании контакта К питание подается на управляющие элект-
а)
Рис. 40. Общий вид тиристора ВКУ-100 в керамическом корпусе е радиатором и без него (а) и разрез этого же тиристора в металло-стеклянном корпусе (б).
роды и тиристоры открываются, размыкание контакта приводит к запиранию тиристоров в начале следующего полупериода.
Весьма важным устройством,
в котором используются тиристоры, является регулируемый выпрямитель. Это устройство может быть использовано не только как регулируемый или стабилизированный источник питания, но и как устройство для регулирования скорости электродвигателей постоянного тока.
Основные параметры ряда тиристоров и транзисторов приведены в приложении 11.
Рис. 41. Схема быстродействующего выключателя на тиристорах.
55
§ 19
Фазочувствительные устройства
В системах автоматики судовых электроустановок часто встречаются устройства, реагирующие на фазовый сдвиг одного переменного напряжения по отношению к другому. На этом принципе построены схемы фазочувствительных выпрямителей.
иг,1
Рис. 42. Фазочувсгвнтельный выпрямитель: а — кольцевая схема; б — зависимость тока в нагрузке Ra от времени.
Существует целый ряд схем фазочувствптельных выпрямителей, используемых в устройствах электроавтоматики.
Некоторые из этих схем рассматриваются ниже, при описании устройств, в которых они применены (гл. IX).
Для изучения принципа работы фазочувствительного выпрямителя рассмотрим его кольцевую схему, приведенную па рис. 42, а.
Как видно из данного рисунка, выходной ток / такого устройства зависит но величине и направлению от фазного сдвига между коммутирующим UK и управляю-щ и м Uy напряжение м. Схему называют кольцевой, так как диоды В}, В2, В3 и Bt соединены в кольцо, пропускающее ток в одном направлении. При иу = О U 2 = 0, и ток в нагрузке /?,, отсутствует, так как в одном полупериоде изменения U х он замыкается через вентили Bt и В.,, а в другом через вентили В., и В4. Для нормальной работы фазочувствительного выпрямителя необходимо, чтобы коммутирующее напряжение значительно превышало управляющее, т. е. U, Д U.2.
Рассмотрим сначала действие одной половины этого выпрямителя без диодов В3, Вц и правой полуобмотки трансформатора Тр2. Напряжение U2 вызывает протекание тока в нагрузке RH только при одном полупериоде изменения напряжения Ult когда не запирает вентили Вг и В2- Таким образом, ток в нагрузке может существовать только в интервале со/ от —ф до л—ф (рис. 42, б). Считая
56
напряжение t/2 синусоидальным, а ток I совпадающим с ним по фазе (нагрузка чисто активная), т. е. i — kiU2„,ax sin получим среднее значение тока нагрузки за период изменения напряжения:
31—ф
/Ср = J VAniax si" Mt - ф
^(^2 max 2л
.л ф
COS 0)/ I 1-ф
Л 1
Таким образом, среднее значени личины коммутирующего напряжения С/4, пропорционально управляющему напряжению U2 и косинусу угла фазного сдвига этих напряжений.
Правая полуобмотка трансформатора Тр2 с вентилями В3 и В4 работает аналогично, но только в том полупериоде изменения UK, когда вентили В рассмотренный кольцевой фаз<
тока нагрузки не зависит от ве-
Рис. 43. Схема однополупериодного фазо-ч увствител иного у сил и тел я.
и В2 заперты. Таким образом, /вствительный выпрямитель яв-
ляется двухполупериодным, постоянная составляющая тока нагрузки, по сравнению с полученной в последнем уравнении удвоена, а пульсация меньше, чем при однополупериодном выпрямлении.
Существуют и другие схемы фазочувствительных выпрямителей.
В ряде случаев необходимо сочетать свойства фазочувствительных выпрямителей с усилением мощности сигнала.В этих случаях используются схемы фазочувствительных усилителей. На рис. 43 приведена простейшая схема однополупериодного фазочувствительного усилителя. В этой схеме транзистор включен по схеме с общей базой. Управляющее напряжение Uy, усиливаясь, подводится к эмиттеру через трансформатор Тр1. Напряжение питания Un подается через трансформатор Тр2 к цепи коллектора. Сопротивление нагрузки R„ включено в цепь коллектора транзистора Т. При совпадении напряжений Uy и L/n по фазе в течение одного полупериода по сопротивлению нагрузки RHпотечет ток. Если фазы напряжения Lt и U„ противоположны, то ток в цепи нагрузки отсутствует.
Для получения сдвига фазы в управляемых выпрямителях применяются специальные фазосдвигающие устройства.
Приведем двухполупериодную мостовую схему выпрямления с силовыми вентилями В4 В4 и тиристорами 7', и Т2 (рис. 44, а). В данной схеме с целью регулирования величины выходного напряжения в широких пределах применено специальное фазосдвигающее устройство, с помощью которого управляется момент отпирания
57
тиристоров. Фазосдвигающее устройство состоит из последовательно включенных активного R и реактивного X сопротивлений. В зависимости от соотношения величин сопротивлений У? и X изменяется величина сопротивления всей цепи, при этом меняется фаза напряжения между точками а и b в соответствии с векторной диаграммой, приведенной на рис. 44, б. Данное напряжение подводится к управляющим электродам тиристоров. Меняя величину сопротивления R,
Рис. 44. Управляемый двухполупериодный выпрямитель: а —схема включения; б—векторная диаграмма фа-зосдвнгающего устройства.
можно изменять момент отпирания тиристоров и тем самым в широких пределах менять величину среднего значения выпрямленного напряжения.
Фазочувствительные устройства применяются в схемах датчиков активного тока и в ряде других устройств.
§ 20
Стабилизаторы напряжения
В судовых электроустановках имеют место значительные колебания напряжения электроэнергии, вызываемые как эксплуатационными, так и аварийными режимами. В связи с этим возникает необходимость в применении для питания систем и устройств электроавтоматики специальной аппаратуры (стабилизаторов напряжения), позволяющей уменьшить указанные колебания напряжения до допустимой величины. •
Осуществлять стабилизацию можно только с помощью элементов, обладающих нелинейной характеристикой.
58
По принципу действия все стабилизаторы могут быть разделены на два класса: параметрические и компенсацией-н ы е. Возможны также схемы, где совмещены оба эти принципа.
Рассмотрим принцип работы параметрического стабилизатора напряжения с кремниевыми стабилитронами.
Кремниевые стабилитроны. Стабилизация напряжения может осуществляться параметрическим стабилизатором с применением нелинейного сопротивления в виде кремниевого стабилитрона, пред-
Рис. 45. Схема простейшего параметрического стабилизатора (а) и иольт-амперпая характеристика кремниевого стабилитрона (б).
ставляющего собой кремниевый диод, включенный встречно по отношению к стабилизируемому напряжению (рис. 45, а).
Основные характеристики стабилитрона — пробивное напряжение £7проб (рис. 45, б) и предельно допустимый обратный ток /обртах- При обратных напряжениях, меньших С/проб, ток, протекающий через стабилитрон, ничтожно мал. Приложение к стабилитрону обратного напряжения, равного i/проб, приводит к резкому увеличению обратного тока. При этом динамическое сопротивление стабилитрона очень мало, так что небольшое изменение напряжения на стабилитроне вызывает значительное изменение тока. Величина предельно допустимого обратного тока определяется допустимой мощностью рассеивания на стабилитроне и пробивным напряжением.
Резистор R6 (рис. 45, а) называется балластным и служит для гашения избыточного напряжения. Из-за малого динамического сопротивления стабилитрона при UBX > f/npo6 любое изменение напряжения на входе почти полностью падает на 7?б. При этом напряжение на стабилитроне равно £7ироб Ч R№lJ„, где 7СТ — ток стабилитрона, a R^ — его динамическое сопротивление, при
59
чем /?дин X /ст Ппроб. Коэффициент стабилизации рассмотренного стабилитрона равен
/, ___ Вел ^дин 4~ В С)
U В дин Кст 4* Вб ’
(8)
где RCT = -j— — статическое сопротивление стабилитрона.
Для компенсации падения напряжения на динамическом сопротивлении RmnfcT может быть применена мостовая схема стабилизатора, приведенная на рис. 46, а. Если в этом стабилизаторе
Рис. 46. Мостовая (а) и многокаскадная (б) схемы параметрического стабилизатора.
соблюдается условие ,
А| А 2
топадение напряжения на 7?3 компенсирует 7?Ди11/ст и U ПЫХ ^П|Юб несмотря на изменение UDK.
Рис. 47. Схема компенсационного стабилизатора напряжения на полупроводниковых приборах.
Коэффициент стабилизации при этом приближается к бесконечности.
Большие колебания входного напряжения могут вызвать нагрев кремниевого стабилитрона и разбалансировку моста. Условия качественной стабилизации нарушаются. В таких случаях используется многокаскадная схема параметрических стабилизаторов (рис. 46, б), где стабилитрон СТ2 работает в условиях малых колебаний входного напряжения.
Параметрические стабилитроны кремниевого типа благодаря их высокой стабильности можно использовать в качестве источников эталонного напряжения. По сравнению с гальваническими элементами они обладают рядом положительных качеств: меньшей зависимостью напряжения от температуры, допускают в эксплуатации больший диапазон температур, имеют небольшое внутреннее сопротивление.
Компенсационные стабилизаторы. Принцип компенсационной стабилизации заключается в том, что величина напряжения на нагрузке сравнивается с заданной величиной напряжения. Полученная разность напряжений подводится к исполнительному органу регулятора и воздействует на него с таким расчетом, чтобы уменьшить эту разность до допустимых значений. Компенсационные стабилизаторы находят применение в тех случаях, когда требуется
60
получить постоянное напряжение на нагрузке значительной мощности.
Измерительный элемент в стабилизаторе позволяет непрерывно контролировать отклонения напряжения на нагрузке от заданной величины. Получаемые отклонения в виде сигналов от измерительного элемента усиливаются и подаются на исполнительный элемент, который восстанавливает величину регулируемого напряжения.
Наиболее важным элементом в схеме компенсационной стабилизации является измерительный элемент, который воспринимает изменения напряжения, поступающие на вход схемы. Для этого
он должен быть высокочувствительным и безынерционным. Таким требованиям отвечает кремниевый стабилитрон.
Одна из наиболее часто применяемых схем компенсационных стабилизаторов напряжения постоянного тока показана на рис. 47.
Измерительным элементом в схеме служит стабилитрон СТ с делителем напряжения С помощью устанавливается требуемый уровень выходного напряжения. Транзисторы Т} и Т2 выполняют роль усилителей. Транзистор Т2 является также исполнительным элементом стабилизатора напряжения. Если нагрузка стабили-
Рис. 48. Схема феррорезонансного стабилизатора напряжения.
затора уменьшается, то напряжение на выходе может увеличиться. Транзистор Т2 препятствует этому увеличению следующим образом: при уменьшении нагрузки выходное напряжение стабилизатора стре-
мится повыситься, что приводит к увеличению тока через эмиттер-ный переход транзистора 7\. Увеличение тока (сигнала) поступает на базу транзистора Т2 и закрывает его. В свою очередь это усиливает падение напряжения на транзисторе Т2, что препятствует увеличению выходного напряжения стабилизатора.
При соответствующем выборе стабилитрона и транзисторов рассмотренный стабилизатор позволяет стабилизировать напряжение величиной 12,5 в при изменении тока нагрузки от нуля до 0,5 а. Если исполнительный элемент (транзистор Т2) выполнить на не
скольких параллельно соединенных транзисторах одного типа, то стабилизатор обеспечит уровень напряжения 12,5 в с точностью ±2% при изменении тока нагрузки от нуля до 6 а.
Феррорезонансные стабилизаторы. Работа феррорезонансного стабилизатора, являющегося параметрическим стабилизатором напряжения, основана на использовании нелинейности кривой намагничивания стали. На рис. 48 показана схема феррорезонансного стабилизатора. Магнитопровод стабилизатора -— сердечник трех-сгержневого трансформатора с разным сечением стержней. Первичная обмотка надета на стержень с большим сечением. На край-
61
Рис. 49. Зависимость напряжений на обмотках и на выходе феррорезонансного стабилизатора от напряжения на входе.
нем стержне с меньшим сечением — вторичная обмотка w2. Третий стержень, отделенный от основного воздушным зазором, является магнитным шунтом.
Основной намагничивающий поток, образующийся в среднем стержне при протекании тока через обмотку w}, замыкается через крайние стержни. Ампер-витки первичной обмотки недостаточны для создания режима насыщения среднего стержня, имеющего большое сечение. Магнитный поток, замыкающийся через магнитный шунт, имеет небольшую величину, так как сопротивление воздушного зазора во много раз больше, чем сопротивление материала сердечника.
При включении первичной обмотки на напряжение на зажимах вторичной и дополнительной обмоток возникает э. д. с., приложенная к конденсатору. В результате в обмотках появляется опережающий ток, подмагничивающий левый стержень и вызывающий его насыщение. Из-за насыщения уменьшается индуктивность вторичной и дополнительной обмоток. В результате в цепях этих обмоток наступает резонанс, ток в обмотках резко увеличивается и левый стержень вводится в режим глубокого насыщения.
Индуктивность обмоток ю2 и уменьшается еще более и контур С —
w2—wc начинает выходить из резонанса. При этом левый стержень (см. рис. 48) оказывается в условиях устойчивого насыщения. Действительно, уменьшение напряжения на первичной обмотке уменьшает поток в насыщенном стержне, но при этом увеличивается индуктивность обмоток w2 и щс, контур С — w2—Щс — приближается к резонансу, ток в нем увеличивается, подмагничивая левый стержень, и в результате уменьшение магнитного потока в левом стержне оказывается очень небольшим. В случае увеличения напряжения на входе стабилизатора магнитный поток насыщенного стержня также мало увеличивается, так как с его увеличением уменьшается индуктивность обмоток w2 и цус, контур С — w2—— удаляется от резонанса и токи в этих обмотках уменьшаются, уменьшая подмагничивание левого стержня.
Таким образом, при значительных изменениях питающего напряжения магнитный поток левого стержня, а следовательно, и э. д. с. вторичной обмотки мало изменяются (рис. 49). Для компенсации этого изменения последовательно вторичной обмотке включают небольшую компенсационную обмотку wK, э. д. с. которой пропорциональна напряжению на первичной обмотке и вычитается из э. д. с. вторичной обмотки, так как направлена встречно.
Условие резонанса выражается равенством со Л = 1/<оС, из которого видно, что работа феррорезонансного стабилизатора за
62
висит от частоты тока о». Это его существенный недостаток. Второй недостаток - несинусоидальность выходного напряжения. Однако простота устройства, надежность в работе, высокий коэффициент стабилизации, низкая стоимость, широкий диапазон мощности способствуют его применению.
§ 21
Модуляторы
В системах автоматики широко применяются усилители сигналов постоянного тока с модуляцией несущих колебаний. На рис. 50 приведена блок-схема усилителя. Усиливаемое напряжение постоянного тока UBX поступает на модулятор М. На другой вход модулятора поступает переменное напряжение от источника несущих колебаний 17~.
Рис. 50. Блок-схема усилителя с модуляцией несущих колебаний.
Переменное напряжение на выходе модулятора изменяется пропорционально входному сигналу постоянного тока U=. Усилитель переменного тока У усиливает напряжение 1Д~ до необходимой величины U2~- С помощью демодулятора ДМ напряжение U2~ преобразуется в пропорциональное напряжение постоянного тока (7ВЫХ, т- е- усиление постоянного тока заменяется усилением переменного тока. Модуляторы получили распространение для усиления малых напряжений.
В модуляторах на полупроводниковых приборах вентили и транзисторы выполняют функции бесконтактных ключей, управляемых напряжением источника несущих колебаний. Схемы модуляторов несколько похожи на схемы фазочувствительных выпрямителей и усилителей.
На рис. 51 представлена однополупериодная схема модулятора па диодах, который представляет собой модулятор параллельного типа, где вход и выход соединены через резистор Rt. При работе модулятора диоды Bt и В2 в течение одного полупериода несущих колебаний U? запер гы, и напряжение на выходе [?вЫХ при отсутствии нагрузки примерно равно 17вХ. В течение второго полупериода оба диода открыты и напряжение на выходе близко к нулю (при условии,
63
что R2 Ri)- В результате на выходе действует пульсирующее напряжение, амплитуда и полярность которого определяются напряжением на входе. Смена полярное гм U„x вызывает изменение па 180" фазы переменной составляющей f7nux.
При применении модуляторов на транзисторах (рис. 52) напряжение несущих колебаний поступит на базы транзисторов Tt и Т.,, вызывая открытие транзисторов в первом полупериоде и закрытие во втором. При открытии транзисторов напряжение со
Рис. 51. Схема однополупериодного модулятора на диодах.
Рис. 52. Схема однополупериодного модулятора на транзисторах.
входа Ц1Х через коллекторные переходы транзисторов передается на сопротивление R2 и снимается с него на выход. На выходе образуется пульсирующее напряжение £7нЬ1х, амплитуда и полярность которого определяются напряжением (7вХ.
§ 22
Триггеры
Триггером называют бесконтактное реле с двумя устойчивыми состояниями.
Как известно, триггер на транзисторах характеризуется ключевым режимом работы последних, т. е. таким режимом, когда в установившемся состоянии транзистор либо заперт, либо полностью открыт. Это свойство триггера используется в большинстве устройств электроавтоматики, применяемых при автоматизации электроэнергетических установок. Использование управляемого транзисторного ключа значительно повышает чувствительность и надежность сра батывания оконечного исполнительного реле, в качестве которого обычно используется электромагнитное реле постоянного тока, а также позволяет стабилизировать уставку срабатывания этого реле. По чувствительности подобные управляемые схемы сравнимы с поляризованными и магнитоэлектрическими системами.
Рассмотрим схему несимметричного триггера с эмиттерной связью, известного также под названием «триггер Шмитта», предназначенного для работы с реле типа РЭС-6 (рис. 53, а). Схема характери-
64
зуется устойчивыми состояниями ключа, выполненного на транзисторе Т2 (например, типа П26Б), в цепь коллектора которого включено реле Р (типа РЭС-6) с сопротивлением катушки 550 ом. Этот ключ управляется транзистором (П26Б), у которого в свою очередь изменяется потенциал базы (входной сигнал, например, при изменении параметров делителя Ru R2). Если транзистор 7\ открыт и находится в режиме, близком к насыщению, то его коллектор и база транзистора Т 2, связанная с ним через делитель R, R6, оказываются под низким потенциалом. При этом падение напряжения на общем эмиттерном сопротивлении R3, создаваемое током эмиттера транзистора Tlt обеспечивает надежное запирание транзистора Т2.
Рис. 53. Схема несимметричного триггера с эмиттерной связью: а — схема триггера; б — несимметричная входная цепь; в—симметричная входная цепь.
При снижении потенциала базы транзистора 7\ последний начинает работать в активной области. Потенциал его коллектора, а следовательно, и базы транзистора Т2 повышается; запирающее напряжение на участке база—эмиттер этого транзистора уменьшается, так как уменьшается эмиттерный ток Tlt что в свою очередь способствует отпиранию транзистора Т2.
Описанный процесс протекает лавинообразно, вследствие чего транзистор Т2 насыщается, ключ открывается и электромагнитное реле срабатывает, т. е. в новом устойчивом состоянии транзистор Тг закрыт, а транзистор Т2 открыт.
Можно получить два варианта схемы — с несимметричным (рис. 53, б) и симметричным (рис. 53, в) входами. Изменением сопротивления между клеммами 1 и 2 схема настраивается на определенный уровень срабатывания. Схема с симметричным входом отличается большей чувствительностью (0,4 в) вследствие одновременного действия управляющего входного напряжения на базы обоих транзисторов.
На базе данного триггера могут быть построены различные сигнализаторы, например температуры, влажности, уровня и т. д.
5 В. Г. Самойлов
65
Так, в схеме сигнализатора температуры (рис. 54) применен термистор КЛАТ-4. Изменением сопротивления резистора /?у можно определить уставку, при которой будет срабатывать реле Р, в диапазоне температур 20—100° С с точностью ±1,5° С. С помощью такого сигнализатора можно получить информацию, например, о состоянии подшипников генераторных агрегатов.
Кроме рассмотренного выше несимметричного триггера существует ряд схем симметричных триггеров. Последние отличаются тем, что не возвращаются в исходное состояние после снятия входного
сигнала.
Их перевод в исходное состояние осуществляется путем подачи повторного сигнала или сигнала на второй вход. Симметричные триг-
Рис. 54. Схема сигнализатора температуры с использованием триггера.
геры используются в пересчетных схемах (как элементы памяти), а также в ряде других устройств.
Ниже, в примере расчета, рассматривается одна из схем симметричных триггеров.
Пример расчета триггера. Пусть требуется рассчитать приведенную на рис. 55 схему симметричного триггера на транзисторах типа П16Б 115], обеспечивающую i/DbK = 10 в и работающую в диапазоне температур от —30 до -4-60° С. Отклонение питающих напряжений, а также
отклонение параметров отдельных элементов схемы от номинальных величин составляет ±10%. В расчете триггера будем принимать Р = 25 и ток /к0 = 10 мка, что соответствует наихудшим паспортным данным транзистора типа П16Б. Как известно, наихудшие условия работы транзистора при температуре окружающей среды 4-60 С, когда /ко^Лотах- Определим /ко тах при -|-G0° С по формуле / —(J\ Л»(Г-20°С)
1 кО max \1 кО?20° С с
Коэффициент а для германиевых транзисторов выбирают равным 0,07—0,08 Мград. Подставив а = 0,07 , получим
^«-20° С) ‘п2—10^
/кОшах = (-^«0)20° С® = (^«0)20°
= ('ко)2о= *" 2 = (4o)2oo се'П 2 = (ЛАо- с • 24-
Подставив (/к0)2о°с = Ю мка из исходных данных, получим /котах — 10 -М/Ш-24 = 160 мка.
Можно считать, что с понижением температуры па каждые 10° С коэффициент р уменьшается на 5—7%, следовательно Pmln будет равен 60% от значения Р при 20° С:
Pmln = 0,6-25 = 15.
66
В зависимости от значений Pmln и /кОп1ах перепад напряжения на выходе триггера может составлять
Д«Бых = (0,7-г-0,95) Ек.
В соответствии с этим условием выбираем Ек = 1,25AzzBUX — = 12,5 в и /к.н = 10 ма. Тогда
ю'Х =1250»-.,.
Исходя из параметров имеющегося в наличии источника питания выбираем Еб = 1,5 в. Условием запирания транзистора является неравенство
Eq 5s Iк0Яб,
При работе транзистора и при максимальной температуре данное условие выполняется всегда при
Еб ^котах^б, •
Наиболее неблагоприятный случай работы триггера, с точки зрения выполнения условия запирания, будет при заниженном
Рис. 55. Схема симметричного триггера.
на 10% значении Еб и завышенном на 10% значении 7?б [22]. С учетом этого 7?б определится из следующего уравнения:
(1 - 0,1) Сб
Iко max ’
= 7670 ом.
(1 + 0,1)7?б = о _ 0,9-1,5
Кб — 1,1-160-IO"6
Выбираем ближайший стандартный номинал /?б = 7,5 ком. Величину R = /?, = R2 определяем из равенства
_____Pmln_______, о Rk Eq Pmln Rq Ек
R = R«
5*
67
При определении сопротивления R следует учитывать самый худший с точки зрения условия насыщения транзистора случай, когда £б = (1 + 0,1) £б.н; Ек = (1-0,1) £к.н; R6 = (1-0,1) /?б.н и R„ = (1 + 0,1) /?к.н (где индексом «н» отмечены номинальные значения величин). Тогда
/? = (1 + 0,1) 1,25
1,25(1 +0,1) 1,5(1 +0,1)
7,5(1 —0,1) 12,5(1—0,1)
= 11,85 ком.
Выбираем ближайший стандартный номинал: R = 12 ком. Перепад напряжения на выходе
р)
Дыиыхт1п = (^к ^кО^к)-
Минимальный перепад напряжения будет при высокой температуре, когда /к0 = /котах-
Подставляя полученные данные, получим
д«выхт1п = -79+ ~ (12,5 - 0,16 -1,25) = 11,1 в.
Следовательно, во всем диапазоне температуры напряжение несколько больше заданного, т. е. требования задания выполняются с некоторым запасом.
§ 23
Бесконтактные логические элементы
В последнее время к схемам судовой электроавтоматики предъявляются все более повышенные требования в отношении большего числа включений, длительного срока службы, надежности работы, снижения веса и габаритов аппаратуры. Все это приводит к необходимости перевода на новые элементы и, в частности, на бесконтактные логические элементы. Большая часть операций, выполняемых современными релейными схемами судовой электроавтоматики, носит характер логических операций.
Эти логические операции могут быть представлены в виде логических уравнений — алгоритмов, в которых зависимости между переменными выражены специальными символами логических функций. Дискретные устройства (имеющие два граничных, резко отличающихся друг от друга состояния устойчивого равновесия), с помощью которых реализуются логические функции, называются логическими элементами.
Наиболее распространенным видом логических элементов являются электромагнитные реле. Однако их применение в ряде случаев затруднено или даже вообще невозможно вследствие недостатков, присущих контактной аппаратуре. Бесконтактные элементы более надежны в работе, менее чувствительны к влиянию окружающей среды, не требуют регулировки в процессе работы, имеют большой срок службы, обеспечивают унификацию схемных узлов.
68
Перечисленные достоинства бесконтактных логических элементов не означают, что эти элементы могут полностью заменить реле во всех случаях. Логические элементы не могут разрывать или соединять мощные электрические цепи, а также работать в цепях с плавно изменяющимися сигналами. Схемы на бесконтактных элементах содержат обычно в несколько раз больше элементов, чем аналогичные релейные, поэтому в ряде случаев применение бесконтактных элементов может только неоправданно усложнить схему. Это относится в первую очередь к схемам с простой функциональной частью, где число контактов в схеме управления невелико, а количество входных сигналов не намного превышает число выходных. Последнее обстоятельство приводит к необходимости тщательного анализа
Рис. 56. Блок-схема системы электроавтоматики с включением логических элементов.
схем автоматики при использовании в них бесконтактных элементов. Следует также иметь в виду, чго бесконтактные элементы требуют специального источника питания.
Таким образом, для реализации схем электроавтоматики на бесконтактных логических элементах необходимы, как правило, три группы элементов: входные (датчики с дискретным выходом), собственно логические элементы и выходные (усилители, воздействующие на исполнительные элементы).
Блок-схема системы электроавтоматики с использованием логических элементов представлена на рис. 56.
Входные элементы включают в себя датчики сигналов и входные трансформаторы. К датчикам сигналов относятся пусковые кнопки, пакетные и конечные выключатели, блок-контакты контакторов и автоматических выключателей, датчики давления, температур, напряжения, тока, частоты, сопротивления изоляции и т. д.
В системах электроавтоматики логические элементы являются промежуточными, выполняющими ряд операций, позволяющих реализовать нужную программу управления исполнительными механизмами в зависимости от информации, поступающей от датчиков.
Выходные устройства усиливают выходные сигналы логических элементов до уровня, необходимого для управления исполнительными механизмами (контакторами, электродвигателями, автоматическими выключателями, электромагнитами, магнитными муфтами и т. п.).
Обозначения логических элементов и релейное выполнение логических функций представлено в табл. 8. В табл. 9 приведены основные параметры типовых логических элементов.
69
Функции и обозначения логических элементов
Таблица 8
Наименование функции (элемента) Условное обозначение Алгебраическая запись Релейный эквивалент Диаграмма сигналов *•
старое новое
Повторение (размножение) X — 1 -у у = х ей X 0 У 0
1 1
И КОНЪЮНК- ЦИЯ У = = Ххх2; У = = xY/\x2 Х1 х2 У
& -у U/f u.g — У 0 0 0
♦ г ~У — Л
0 1 0
1 0 0
1 1 1
ИЛИ дизъюнкция У = *1 х2 У
X, - 1 -у У 0| 0| 0
О,; -з — Л]\/Л2, У = = х±+хг 0 1 1
. л г 1 0 1

1 1 1
НЕ инверсия (отрицание) *~У .II II I х У X У
^У т — 1 У _ 0 1
1 0
Таблица 9
Основные параметры типовых логических элементов
Наименование и тип элементов Напряжение элементов, гц Номинальное напряжение на вы ходе элемента при нагрузке, соответствующее «1», в Номинальное напряжение на выходе элемента при холостом ходе, соответствующее «1», в Максимальное напряжение на выходе элемента, соответствующее «0», в Мощность выхода элемента, вт Характер выходного напряжения
Транзисторные логические типа ЭТ 50 4,0 12,0 0,15 0,04 Постоянное
Магнитные логические типа ЭЛМ 50 2,8 5,3 0,3 0,078 Одно-полупе-
Магнитные логические типа ЭЛМ-400 400 4,0 6,0 1,0 0,16 То же
Бесконтактные магнитные реле типа ЛТ 400 14,0 — 0,5 3,0 Двух-полупе-риодное
70
В настоящее время находят широкое применение транзисторные логические элементы с использованием микросхем типа «Пенал», «Посол», «Логика-2» и др.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Каково назначение преобразовательных элементов?
2. Каковы особенности транзисторных и тиристорных преобразователей?
3. Что такое инвертирование?
4. Каковы назначение и принцип действия фазочувствительных выпрямителей?
5. Как производится усиление сигналов постоянного тока с модуляцией несущих колебаний?
6. Объясните особенности работы триггера.
7. В каких системах судовой автоматики триггер находит применение?
8. Какова область применения электрических логических элементов?
ГЛАВА
IV
УСИЛИТЕЛЬНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ
§ 24
Общие сведения
Усилительным называется такой элемент, в котором осуществляется количественное преобразование (усиление) входной величины за счет использования дополнительной энергии ог внешних источников питания. Усилительные элементы применяются в тех случаях, когда мощность, получаемая с выхода чувствительного элемента, недостаточна для приведения в действие исполнительного элемента.
Усилительные элементы можно классифицировать по следующим признакам:
— по виду используемой дополнительной энергии: электрические, механические, гидравлические и пневматические;
— по принципу действия: полупроводниковые, релейные, электронные, ионные, магнитные и т. п.;
— по роду тока: постоянного и переменного тока,
— по реакции на качество входного сигнала: знакочувствительные и фазочувствительные;
— по количеству ступеней (каскадов) усиления: одно-, двух-, трех- и многокаскадные.
В системах судовой электроавтоматики с исполнительными устройствами переменного тока могут применяться усилительные элементы различных типов — электронные, полупроводниковые, магнитные, электромашинные и др.
Электронные усилительные элементы обладают рядом преимуществ: возможностью усиления и суммирования весьма малых по величине сигналов, большим коэффициентом усиления, малой инерционностью, возможностью обеспечения больших входных сопротивлений, сравнительно небольшими размерами,
71
отсутствием подвижных частей, универсальностью. Однако они обладают и рядом существенных недостатков: малой механической прочностью, недостаточной надежностью работы, малым сроком службы, отсутствием мгновенной готовности к действию.
Полупроводниковые усилительные элемент ы характеризуются прежде всего надежностью и долговечностью, малыми размерами и весом, высокой экономичностью, мгновенной готовностью к действию, незначительной инерционностью, высокой механической прочностью. Недостатком их является некоторая зависимость характеристик от изменения температуры окружающей среды. Следует также отметить, чго современные мощные транзисторы имеют сравнительно низкие значения предельно допустимого коллекторного напряжения. Это в известной мере сужает область применения усилительных элементов на транзисторах. Поэтому на практике транзисторы обычно используются для усиления малых управляющих сигналов, а построение мощных усилительных каскадов осуществляется с помощью магнитных и электро-машинных элементов.
В связи с этим мы рассмотрим следующие группы усилителей: транзисторные, тиристорные, магнитные, электромашинные.
Основным параметром, характеризующим все усилительные элементы, является коэффициент усиления ky, показывающий отношение сигнала, снимаемого с выхода усилителя, к сигналу, подводимому на его вход. Наиболее часто усиливаемым параметром является мощность.
В судовых усилителях коэффициент усиления по мощности изменяется в широких пределах — от 10 до 107, что зависит от конструкции и принципа действия усилителя. В системах автоматики электронные усилители применяются тогда, когда на выходе мощность должна быть не более 100—200 вт. Для выходных мощностей свыше 200 вт применяются другие типы усилителей.
Усилители бывают линейные и нелинейные. Если выходная величина изменяется пропорционально входной, то такой усилитель называется линейным, в противном случае — нелинейным. Некоторым усилителям свойственна инерционность, которая вносится индуктивностью управляющей обмотки. Так, инерционность в магнитных усилителях доходит до десятых долей секунды. Практически безынерционными являются электронные усилители.
§ 25
Транзисторные и тиристорные усилители
В последнее время в судовых системах автоматики широкое распространение получили усилители на транзисторах, обладающие, как мы ранее отмечали, рядом преимуществ по сравнению с ламповыми (электронными) усилителями. Так же, как и электронные усилители, сложные усилительные схемы на транзисторах состоят из отдельных усилительных каскадов.
Существует три типа транзисторных усилителей: с общим эмиттером, с общей базой и с общим коллектором.
72
В усилителях, используемых в судовой автоматике, в измерительных и вычислительных системах наибольшее распространение получили схемы усилительных каскадов с общим эмиттером. Эти схемы обеспечивают довольно большое усиление как по напряжению, так и по току. Схемы же с общей базой обеспечивают усиление только по напряжению, а схемы с общим коллектором — только по току.
На рис. 57 приведена типовая схема транзисторного усилителя с общим эмиттером.
Входное напряжение UDK подается на усилитель между базой и эмиттером транзистора, а выходное напряжение 7/вых снимается
Рис. 57. Схема транзисторного усилителя с общим эмиттером.
между коллектором и эмиттером. Эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Резистор в цепи базы /?б обеспечивает ток базы /б, определяющий положение рабочей точки транзистора. На коллекторном резисторе RK выделяется выходное переменное напряжение, равное t/вых =
Конденсатор Сс на выходе усилителя обеспечивает отделение переменной составляющей напряжения t/Bblx от постоянной составляющей коллекторного напряжения.
При отсутствии входного напряжения t/BX в цепи базы протекает постоянный ток /б0 и в цепи коллектора постоянный ток /к. Между коллектором и эмиттером устанавливается постоянное отрицательное напряжение Uk0.
При подаче входного переменного напряжения ток базы начинает пульсировать, т. е. к постоянной составляющей /б прибавляется переменная составляющая, обусловленная приложенным переменным напряжением. Пульсирующий ток базы вызывает увеличенные пульсации тока коллектора, а следовательно, и коллекторного напряжения, так как изменения тока коллектора приводят к изменению падения напряжения на резисторе в цепи коллектора 7?к. Переменная составляющая коллекторного напряжения через конденсатор Сс подается на выход схемы. В то же время конденсатор Сс не пропус
73
кает на резистор нагрузки /?„ постоянную составляющую коллекторного напряжения.
Анализ работы усилителя производится по его статическим коллекторным характеристикам и линии нагрузки. Первоначально строится переходная характеристика 7К = f (7б) (рис. 58, а), имеющая линейный участок аб, являющийся рабочим участком. Зна-
li ма
чения тока коллектора 7К и коллекторного напряжения UK могут быть найдены на пересечении коллекторной характеристики 7К = = f (Дк) и линии нагрузки (рис. 58, б).
Входная характеристика транзистора представляет собой зависимость напряжения между базой и эмиттером от тока базы U6 — = f (7б) (рис. 58, в).
Для удобства построения график входных характеристик повернут на 90° и смещен относительно выходных характеристик.
Рабочая точка (РТ) выбирается в середине рабочего участка аб и характеризуется параметрами 7к0, £7б0, 7К и Йк0 (в ряде случаев ток покоя коллектора не обозначают через 7к0, так как 7к0 — на
74
ЧаЛьный ток коллектора при 7Э = 0). В этом случае сопротивление /?б может быть подсчитано по формуле
п __ Ек </бо
7бо *
Как видно из приведенной характеристики U6 = f (7б), при подаче на вход усилителя синусоидального входного напряжения (7ВХ происходит сложение напряжения UBK с постоянным базовым напряжением U60. Для этого напряжения по динамической входной характеристике определяется величина и форма тока базы, а затем по переходной характеристике 7К = f (76) находится зависимость тока коллектора, а по линии нагрузки — напряжение на коллекторе. Переменная составляющая коллекторного напряжения и является выходным напряжением усилителя.
Коэффициент усиления усилителя можно найти исходя из приведенных характеристик, как отношение амплитудных значений выходного и входного напряжений:
Так, в нашем случае
Л — 2,7 — 34
Входное сопротивление усилительного каскада с общим эмиттером составляет величину от нескольких сотен омов до нескольких килоомов. Выходное сопротивление достигает нескольких десятков килоомов. В связи с этим при эксплуатации транзисторных усилителей следует обращать внимание на величину внутреннего сопротивления источника входного сигнала и сопротивление нагрузки R„. В качестве примера произведем расчет транзисторного усилителя по схеме, приведенной на рис. 57.
Для температурной компенсации питание в цепь базы через резистор /?б подается не с отрицательного полюса источника питания, а с зажима коллектора [15]. В этом случае изменение тока коллектора, вызванное изменением температуры, вызывает противоположное изменение напряжения в цепи тока базы, и изменившийся базовый ток препятствует изменению тока коллектора. В результате изменение тока коллектора из-за температуры значительно уменьшается. Однако такое включение резистора /?б представляет собой отрицательную обратную связь. Для того чтобы эта связь не уменьшала усиления, необходимо не допустить в цепь базы переменную составляющую напряжения из цепи коллектора. С этой целью резистор 7?б разделяют на две части и точку между ними соединяют с положительным полюсом источника питания через фильтрующий конденсатор Сф.
Пример расчета. Рассчитать усилитель на транзисторе П26А при Ек = 60 в и частоте сигнала f = 50 гц. Определить коэффициенты усиления по напряжению ky по току k[ и по мощности kp при гы1 — 1 ком и Rn = 5 ком.
75
На рис. 59 приведены входная и выходная характеристики транзистора П2бА. Справочные параметры транзистора: htl = 900 ом, h21 = 30, /i22 = 10~Б сим/м.
Сопротивление Йк выбираем равным 5 ком и строим линию нагрузки аб Рабочая точка выбирается в середине рабочего участка линии нагрузки. По выходным характеристикам определяем: /7КО = —25 в, /к = 7 ма, /б0 = 200 мка, по входной — йбо = —0,18 в. Сопротивление в цепи базы равно
R6 = 1.^ко.1-|^бо1 = 25-0,18 = !25000 = 125 ком.
1 бо UU • I и
При этом -g- = —g— = 62 ком Сопротивление конденсатора фильтра должно быть значительно меньше сопротивления базы Яб (в 10 раз). Это условие учитывается при определении емкости конденсатора фильтра
Коэффициент усиления по напряжению ненагруженного усилителя равен к _ ^21____________________Як________ 30_____5000______ „
1 + h22RK 9001 +5000-10~Б
Входное сопротивление
RB!i = Иг1 = 900 ом.
Выходное сопротивление р _ Як _ 5000 _
^вых 1 + Як/г22 11- 5000-10-Б Л’
Реальные коэффициенты усиления. — по напряжению
h ___ h =
U ГВ11 I hit x Явых + Ян
900 5000 _
1000 + 900 5000 + 5000
76
— по току
«, _I __ол 5000 __ _
1 1 Rk + Ra + 5000 + 5000 + 25-ЮМО'®
— по мощности
kp - kjjk{ = 39-15 590.
На практике используются многокаскадные транзисторные усилители с гораздо более высокими коэффициентами усиления.
Способы связи каскадов усилителей. В зависимости от способа связи отдельных усилительных каскадов различают усилители с различными сопротивлениями в цепи коллектора: на резисторах, на
Рис. 60. Схема транзисторного усилителя с трансформаторной связью.
дросселях и на трансформаторах. В качестве примера на рис. 57 и рис. 60 приведены схемы транзисторных усилителей с реостатноемкостной и трансформаторной связью. Схема усилителя с реостатноемкостной связью относительно проста и имеет малые искажения в широком диапазоне частот. Основным недостатком усилителя является сравнительно малый коэффициент усиления. Усилитель на дросселях отличается большей величиной частотных искажений по сравнению с усилителем с реостатно-емкостной связью. Коэффициент усиления его примерно такого же порядка, что и усилителя на резисторах. Усилители на трансформаторах могут иметь довольно большой коэффициент усиления, поэтому усилители мощности наиболее часто выполняются на трансформаторах.
Усилители на тиристорах. В последнее время широко внедряются усилители мощности, выполненные на тиристорах. Коэффициент усиления по мощности у каскадов с однополупериодным управлением тиристорных усилителей достигает 2,5-104, в то время как коэффициент усиления по мощности эквивалентного быстродействующего магнитного усилителя равен 0,5-104. Кроме того, тиристорные усилители дают значительный выигрыш в весе и к. п. д. Однако для управления тиристорами необходимо иметь специальную схему управления.
77
Рис. 61. Схема реверсивного усилителя на тиристорах.
Рассмотрим работу одного из усилителей на тиристорах, получающего питание от источника переменного тока и нагруженного серводвигателем постоянного тока (рис. 61). Принципиально возможно управлять тиристорным усилителем двумя способами: изменением угла включения тиристора и изменением числа периодов напряжения переменного тока, подаваемого на обмотку управления двигателя. Как видно из схемы, приведенной на рис. 61, обмотка возбуждения двигателя питается напряжением UB. Тиристорный усилитель, содержащий тиристоры, питается напряжением Un.
Во время работы открывается один из тиристоров. Питание производится подвух-полупериодной схеме выпрямления со средней точкой. Когда открывается тиристор Тх, работают выпрямители BL и В3, когда открывается тиристор Т2 — выпрямители В 2 и В4. Одновременное открывание тиристоров 7\ и Т2 недопустимо, так как при этом происходит короткое замыкание трансформатора через выпрямители В1— Bit работающие в этом случае по мостовой схеме. Реверс двигателя производится прекращением подачи импульсов от устройства управления на один тиристор и подачей управляющих импульсов на другой.
Как видно из схемы, запирание работавшего тиристора и открытие другого приводят к изменению полярности напряжения на нагрузке. В момент реверса запирание ранее работавшего тиристора может задержаться из-за индуктивности нагрузки (в данном случае индуктивности цепи якоря серводвигателя). При этом второй тиристор откроется раньше, чем закроется первый тиристор.
§ 26
Магнитные усилители
Магнитные усилители образуют довольно широкий класс усилителей, получивших распространение при автоматизации судовых электроустановок.
Магнитным усилителем называется ферромагнитное статическое устройство, предназначенное для усиления подводимых к нему Сигналов.
Усиление входного сигнала осуществляется изменением индуктивного сопротивления в цепи переменного тока за счет изменения магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника подмагничиванием его постоянным током. Ряд достоинств магнитных усилителей обусловил их широкое применение в судовой электроавтоматике. К таким достоинствам можно отнести: высокую степень надежности,
78
большой срок службы, отсутствие движущихся частей, возможность питания от сети переменного тока, нечувствительность к значительным перегрузкам.
Магнитные усилители используются в системах управления и регулирования судовыми гребными установками, в системах дистанционного управления судовыми дизелями, в системах управления электроприводами, в рулевых приводах и в целом ряде других.
Основным параметром, характеризующим магнитный усилитель, является коэффициент усиления. Необходимо различать: коэффициент усиления по току
коэффициент усиления по мощности
коэффициент усиления по напряжению
где /н, UK и Ра — ток, напряжение и мощность в нагрузке;
/у, Uy и Ру — ток, напряжение и мощность в обмотках управления.
Для получения больших коэффициентов усиления магнитных усилителен используют магнитные материалы с резко выраженной
зависимостью изменения магнитной проницаемости от подмагничивающего поля =f (Ну). Повышение коэффициента усиления может быть также получено путем применения в маг
Рис. 62. Принципиальная схема дросселя насыщения.
нитном усилителе положительной обратной связи. Для управ
ления усилителем при этом по-
требуется меньший ток управления. Однако с увеличением коэффициента усиления растет инерционность (постоянная времени) магнитного усилителя, поэтому нецелесообразно применять коэффициент усиления более 200. При необходимости получения большего коэффициента усиления применяется каскадное включение усилителей. Общий коэффициент усиления такого усилителя будет равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов, а общая инерционность определяется суммой постоянных времени отдельных усилителей. Инерционность последних составляет величину порядка десятых долей секунды и объясняется индуктивностью управляющей обмотки.
На рис. 62 приведена схема простейшего магнитного усилителя, работающего по принципу дросселя насыщения. На стальном замкну
79
том сердечнике имеются две обмотки. Одна из обмоток II является управляющей и подключена к источнику постоянного тока через дроссель, другая обмотка I подключена к цепи переменного тока с сопротивлением нагрузки ZH. Дроссель в цепи обмотки // не допускает трансформации в эту цепь переменного тока из цепи обмотки I.
Ток в обмотке I будет равен
/ _ и~ _
Z" Г^1 + И+Х„)2 '
(9)
где — активное сопротивление нагрузки и обмотки /;
со — угловая частота напряжения;
L — индуктивность обмотки /;
Хн — индуктивное сопротивление нагрузки.
Индуктивность обмотки I может быть рассчитана следующим образом:
O.^.lO'V-S.nax
L —---------у---------гн,
*гпах
(10)
где — число витков обмотки /;
Smax — площадь сечения стального сердечника, см2-, /тах — средняя длина сердечника, см.
Рис. 63. Зависимость и ц = f (Н).
Если обмотку // подключить к источнику постоянного тока, то на переменное поле в сердечнике наложится постоянное поле с индукцией В (рис. 63), которое будет его насыщать.
При возр астан и и н асыщен ия сердечн и ка уменьшается его магнитная проницаемость р. Уменьшение магнитной проницаемости приведет к уменьшению индуктивного сопротивления XL = (coL + Хи) = L = р и, следовательно, вызовет возрастание тока в обмотке I (см. рис. 62).
Изменяя величину постоянного тока в обмотке II и тем самым насыщение сердечника, можно изменить величину переменного тока I~ в обмотке I. Обмотка,
включенная в цепь переменного тока, называется
рабочей
обмоткой, а обмотка, включенная в цепь постоянного тока, —
обмоткой управления. Как уже указывалось, от величины тока в обмотке управления зависит индуктивность L обмотки / и ток I_
Если материал сердечника имеет большую крутизну прямолинейной части кривой намагничивания В = f (//), то за счет небольших изменений величины входного сигнала U— можно значительно
80
изменять напряжение и мощность в нагрузке. Основной недостаток вышеприведенной схемы заключается в необходимости применения дросселя, увеличивающего габариты и постоянную времени цепи входного сигнала.
Для устранения этого недостатка на практике применяются магнитные усилители, выполненные на двух одинаковых сердечниках, рабочие обмотки которых соединяются согласно — последовательно или параллельно, а обмотки управления — последовательно и встречно.
Рис. 64. Магнитный усилитель с выходом на переменном токе.
Л/у — намагничивающая сила обмотки управления
Н ~ — намагничивающая сила рабочей обмотки
В качестве примера приведем на рис. 64 схему магнитного усилителя, где рабочие обмотки соединены последовательно, а обмотки управления включены встречно. При этом переменные э. д. с., индуктируемые в каждой обмотке, будут всегда в противофазе и взаимно компенсируются. В схеме магнитного усилителя, приведенного на рис. 65, рабочие обмотки соединены параллельно, а обмотка управления охватывает оба сердечника. При этом суммарный магнитный поток, создаваемый рабочими обмотками и сцепляющийся с обмоткой управления, будет в любой момент времени равен нулю. В первой схеме (см. рис. 64) через нагрузку магнитного усилителя протекает переменный ток. Такой усилитель называется усилителем с выходом па переменном токе. Во второй схеме (см. рис. 65) нагрузка включена через выпрямитель. Такой усилитель называется усилителем с выходом на постоянном токе.
Рассмотренные магнитные усилители обладают сравнительно небольшими коэффициентами усиления, kv = 2004-300.
Наиболее существенным способом повышения коэффициента усиления магнитного усилителя является введение положительной обратной связи. В этом случае ток нагрузки, выпрямляясь, подается
6 В. Г. Самойлов 81
в обмотку обратной связи, наложенную так же, как и обмотка управления, и действующую согласно с ней. При этом создается дополнительное подмагничивающее поле с напряженностью, пропор-
Рис. 65. Магнитный усилитель с выходом на постоянном токе.
циональной величине тока нагрузки. Дополнительное подмагничивающее поле обмотки обратной связи еще больше увеличивает выходной ток и, таким образом, при одинаковом управляющем сиг-
Рис. 66. Характеристики магнитного усилителя: а — без обратной связи; б — с обратной связью.
нале общий коэффициент усиления повышается до 3000—5000. При отрицательных управляющих сигналах обмотка обратной связи противодействует управляющей обмотке и управляющий ток должен быть значительно больше. На рис. 66 приведена характеристика магнитного усилителя без обратной связи и с обратной связью. Введение обратной связи увеличивает ток усилителя при токе уп
82
равления, равном нулю. Для восстановления прежнего значения тока
нужно ввести дополнительное постоянное подмагничивание усилителя, которое действует навстречу обратной связи. Кривая, полученная в результате действия такого подмагничивания, показана пунктиром на рис. 66, б. Характеристика при этом сместилась параллельно вправо. Обычно такое подмагничивание обеспечивается дополнительной обмоткой управления, питаемой током постоянной величины и называемой обмоткой смещения. С помощью
смещения усилитель можно настроить на характеристики при /у = 0.
Обратная связь с использованием отдельной обмотки называется внешней.
Увеличение коэффициента усиления магнитных усилителей может быть получено путем применения схем с внутренней обратной связью или с с а м о п одна г н и ч и пап нем, в которых не требуется введения дополнительных обмоток (рис. 67). Особенностью таких схем является параллельное соединение обмоток переменного тока Введение обратной связи достигается включением однопол у периодных выпрямителей В1 и В2 в цепь По отношению к питающему напряжению U ~ оба выпрямителя имеют противоположную полярность, что обеспечивает равномерное пропускание положительных и отрицательных полуволн переменного тока. Постоянные же составляющие токов
работу в любой точке
Рис. 67. Магнитный усилитель с внутренней обратной связью.
каждой из обмоток совпадают при этом по направлению с постоянными составляющими тока в управляющей обмотке wy.
Благодаря тому, что переменные и постоянные составляющие проходят через одни и те же цепи, автоматически обеспечивается пропорциональность между напряженностью поля обратной связи и напряженностью переменного поля, причем коэффициент обратной связи близок к единице. Для регулирования коэффициента обратной связи (в сторону уменьшения) используется резистор 7?ш, шунтирующий оба выпрямителя. Снижение сопротивления резистора /?ш уменьшает коэффициент выпрямления, в обмотках wy появляется обратный ток, ослабляющий обратную связь и уменьшающий коэффициент усиления. Схема магнитных усилителей с внутренней обратной связью широко применяется в современных устройствах электроавтоматики, так как не требует наложения на усилитель пополнительной обмотки, отчего упрощается его конструкция, уменьшаются габариты и потери в обмотках по сравнению с усилителем с внешней обратной связью.
Все перечисленные магнитные усилители являются однотактными, обладают током холостого хода и большой нелинейностью выходной характеристики. Применяя двухтактные магнитные усилители, со
G*
83
бранные на базе двух однотактных усилителей, можно значительно улучшить выходные характеристики последних.
Существуют три основные схемы двухтактных усилителей: дифференциальная, мостовая и трансформаторная. Дифференциальная схема магнитного усилителя приведена на рис. 68.
Как видно из схемы, два однотактных усилителя получают питание от трансформатора Тр, вторичная обмотка которого имеет вывод от средней точки. Рабочие обмотки обоих усилителей соединены последовательно и подключены к вторичной обмотке трансформатора.
Рис. 68. Дифференциальная схема и характеристики двухтактного магнитного усилителя с обратной связью: а — схема; б — характеристики.
Обмотки управления включены между собой последовательно так, что у одного усилителя намагничивающая сила обмотки управления Fy совпадает по направлению с намагничивающей силой обмотки обратной связи Fo. с, а у другого усилителя намагничивающие силы этих обмоток направлены встречно. Нагрузка ZH включена между средними точками трансформатора и рабочих обмоток усилителей. Когда управляющий сигнал отсутствует, оба усилителя насыщены одинаково, и тогда ток в нагрузке i„ = — i2 = 0. Например, при наличии сигнала управления в первом усилителе он насыщается больше, а второй — меньше. Сопротивление их рабочих обмоток становится разным, у первого — меньше, а у второго — больше. Через нагрузку потечет уравнительный ток iH — iA — t2 > > 0. При перемене полярности сигнала управления ток в нагрузке изменяет направление i„ = ix — i2 < 0, т. е. это означает, что его фаза изменилась относительно питающего напряжения на 180 .
84
Таким образом, при изменении полярности сигнала управления происходит изменение фазы переменного тока в нагрузке.
На рис. 68 ампер-витки обратной связи создают автоматическое смещение рабочей точки при соответствующем выборе коэффициента обратной связи. Применяют и специальные обмотки смещения. Характеристики токов и i2 в выходных обмотках отдельных усилителей показаны пунктиром на рис. 68, б. Сплошной линией изображена общая характеристика усилителя, т. е. зависимость I = = ij — i2 в нагрузке Za от величины тока в управляющей обмотке.
На рис. 69, а представлена характеристика магнитного усилителя с сильной положительной обратной связью. Эта характеристика
Рис. 69. Работа магнитного усилителя в релейном режиме: а — с сильной положительной обратной связью, б — с введением обмотки смещения.
становится релейной: участки между точками 1 и Г, 2 и 2' неустойчивы, при малейшем увеличении тока управления усилитель из точки 2 переходит в точку 2', а при уменьшении тока управления также переходит из точки 1 в точку т. е. работает как бесконтактное реле. С помощью введения обмотки смещения характеристика такого бесконтактного реле может быть смещена относительно начала координат в любое из положений (рис. 69, б).
§ 27
Электромашинные усилители
Электромашинные усилители нашли широкое применение в системах автоматического регулирования и управления судовыми электроустановками. Они используются в качестве генераторов для управления исполнительными электродвигателями, в качестве возбудителей и подвозбудителей генераторов и двигателей, а также для обеспечения регулирования мощности гребных электрических установок.
Электромашинные усилители (ЭМУ) обладают следующими достоинствами: возможностью изготовления с большой мощностью на выходе, значительной перегрузочной способностью, высокой надежностью и долговечностью, большой механической прочностью,
85
высоким коэффициентом усиления (по мощности достигающим 10й), простотой суммирования нескольких входных сигналов и отсутствием электрической связи между входными сигналами.
К недостаткам электромашинных усилителей можно отнести по вышенную инерционность.
Разновидностей ЭМУ имеется очень много, однако наибольшее распространение получили ЭМУ с поперечным и с продольным полем.
ЭМУ с поперечным полем. Эти ЭМУ, иногда называемые амплидинами, представляют собой генератор постоянного тока специальной конструкции. Принцип усиления основан на том, что при помощи сравнительно небольшой мощности в цепи возбуждения можно управлять значительно большей мощностью в цепи якоря генератора. При этом происходит преобразование энергии электродвигателя, вращающего усилитель, в электрическую энергию на выходе ЭМУ.
Коэффициентом усиления ЭМУ по мощности называется отношение мощности на выходе ЭМУ к мощности, затрачиваемой в обмотке возбуждения. Обмотку возбуждения ЭМУ принято называть управляющей. В ЭМУ обычно имеется несколько управляющих обмоток, усилитель реагирует при этом на алгебраическую сумму потоков всех обмоток.
В отличие от обычных двухполюсных генераторов постоянного тока в ЭМУ с поперечным полем коллектор имеет две пары щеток, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 70, а\ Щетки АА, установленные на поперечной оси, перпендикулярной потоку Фу управляющей обмотки wy, замыкаются накоротко. Вторая пара щеток, установленная на продольной оси ББ, является выходом усилителя и подключается к нагрузке. Обмотка якоря является общей. Ее витки, проходящие в данный момент у полюсов, коммутируются щетками А А, а витки, пересекающие нейтраль, — щетками ББ.
Магнитопровод выполняется с минимально возможным воздушным зазором между якорем и магнитной системой. Это позволяет при малом токе создать в управляющей обмотке сравнительно интенсивный магнитный поток возбуждения, в результате чего повышается чувствительность усилителя. Полюса имеют широкие наконечники с большой дугой охвата якоря и пазами, параллельными оси якоря. Подобная конструкция увеличивает поперечный магнитный поток реакции якоря и улучшает его распределение.
На рис. 70, б представлена электрическая схема ЭМУ с поперечным полем. Ток управляющей обмотки /у создает продольный управляющий магнитный поток Фу, пропорциональный ампер-виткам обмотки шу/у:
Фу = k^Wyly,
где ky — коэффициент пропорциональности;
Wy — число витков управляющей обмотки.
Управляющий магнитный поток Фу индуктирует в обмотке вращающегося якоря э. д. с., величина которой пропорциональна этому потоку и скорости вращения якоря. Э. д. с. действует в коротко
86
замкнутой поперечной цепи щеток А А, создавая в ней сравнительно большой ток /п
_ФуП
уп —«2 #я >
где k2 — коэффициент пропорциональности;
Кя — сопротивление короткозамкнутой цепи якоря; п — скорость вращения якоря.
Рис. 70. Электромашинный усилитель с поперечным полем: а — распределение потоков, действующих в усилителе; б—схема включения; в — внешние характеристики.
Рассмотренная часть ЭМУ является первым каскадом усиления. Ток /п, протекая по обмотке якоря, создает свой магнитный поток реакции якоря Фп> развернутый на 90° по ходу вращения якоря относительно потока Фу и потому называемый поперечным:
Фп = &3Л1, причем
Ф„ » Фу.
87
Поперечный магнитный поток неподвижно ориентирован в пространстве и является потоком возбуждения для второго каскада усиления. Этот поток также пересекается витками якоря, а индуктируемая в них рабочая э. д. с. Ер коммутируется щетками Б Б и используется для питания нагрузки RK. Величина рабочей э. д. с. пропорциональна поперечному потоку и скорости вращения якоря:
Ер = ^4ФП«
С учетом предыдущих соотношений получим:
/уЬУуП2
Ер = kjk.figki ----------= klytl.
Ток нагрузки ЭМУ определяется суммарным сопротивлением
якоря и нагрузки:
" Яя + Яи *
(12)
Протекая по обмотке якоря, ток нагрузки создает свой поток реакции якоря Фр.,,., который в свою очередь развернут на 90° относительно потока Фп по ходу вращения якоря и потому направлен навстречу управляющему потоку и уменьшает его. Таким образом, в усилителе возникает отрицательная обратная связь, резко снижающая усиление. Устранение ее достигается введением на полюсах компенсационной обмотки wK, включаемой последовательно с нагрузкой. Число витков wK обмотки подбирается таким образом, чтобы создаваемый компенсационной обмоткой магнитный поток Фк был несколько больше магнитного потока реакции тока нагрузки Ф„. н. Регулировка компенсационного потока осуществляется реостатом 7?ш. Для повышения качества работы ЭМУ на статоре часто размещают дополнительные обмотки: короткозамкнутую, размагничивающую и обмотки дополнительных полюсов. Короткозамкнутая обмотка служит для стабилизации поперечного потока реакции якоря. При случайных изменениях поперечного потока в ней индуктируется 9. д. с. и появляется ток, который своим магнитным полем препятствует этим изменениям. Размагничивающая обмотка шр.о служит для устранения остаточного намагничивания магнитопровода статора. При наличии остаточного намагничивания на выходе ЭМУ будет некоторое напряжение, даже если входного сигнала нет. Размагничивающая обмотка укладывается в пазы управляющей обмотки и питается от источника переменного тока небольшого напряжения, что дает возможность получить среднее значение остаточной индукции, равное нулю. Переменное напряжение обычно создается небольшим встроенным генератором, состоящим из вращающегося постоянного магнита и небольшой обмотки на статоре ЭМУ. Обмотка дополнительных полюсов и»доп включается последовательно со щетками Б Б (как и компенсирующая). Дополнительные полюса обра
88
зуются пазами в основных полюсах и улучшают коммутацию секции обмоток якоря щетками ББ.
Основной характеристикой ЭМУ является внешняя, представляющая зависимость напряжения на выходе от величины тока потребителя при постоянной скорости вращения и постоянном входном напряжении.
На рис. 70, в характеристика 1 соответствует полной компенсации реакции якоря. Э. д. с. прямо пропорциональна управляющему току и не зависит от тока нагрузки. При небольшой перекомпенсации (характеристика 2) устраняется снижение выходного напряжения, происходящее за счет увеличения падения напряжения на обмотке якоря. При большой перекомпенсации (характеристика 3) работа ЭМУ становится неустойчивой, так как рост тока нагрузки сопровождается увеличением э. д. с., что в свою очередь вызовет дальнейшее увеличение тока нагрузки. При недокомпенсации (характеристика 4) увеличение тока нагрузки вызывает уменьшение продольного потока возбуждения, а следовательно, выходного напряжения. Обычно с помощью подбирают режим работы ЭМУ с небольшой недокомпенсацией. При этом небольшое снижение напряжения при увеличении тока нагрузки не влияет на работу системы, но устойчивость работы усилителя значительно возрастает. ЭМУ имеют низкое входное сопротивление, поэтому входной сигнал подводится к ним предварительно усиленным по мощности каким-либо усилителем. При использовании усилителя с большим внутренним сопротивлением значительно уменьшается инерционность управляющей обмотки ЭМУ. Уменьшение инерционности имеет важное значение при использовании ЭМУ в автоматических устройствах. С этой целью разработано большое число многокаскадных ЭМУ — усилителей с продольным полем, называемых также рототролами. Они нашли широкое применение в качестве усилителей мощности в цепях возбуждения гребных электродвигателей.
ЭМУ с продольным полем. Двухкаскадные (двухступенчатые) усилители с продольным полем изготовляются мощностью до 45 кет и нашли применение в системах электродвижепия атомного ледокола «Ленин» и на судах типа «Амгуэма». Была разработана также серия трехкаскадных усилителей с продольным полем мощностью до 100 кет (серия ПУ).
Переход от двухкаскадных усилителей к трехкаскадным позволил увеличить коэффициент по мощности более чем на два порядка, при весьма незначительном увеличении результирующей постоянной времени (примерно на 8%).
Трехкаскадный усилитель, как и двухкаскадный, представляет собой одноякорную машину с простой петлевой обмоткой якоря без уравнительных соединений (рис. 71).
Если магнитную систему описанного выше ЭМУ с поперечным полем выполнить в виде четырех полюсов (полюсы I—III по продольной оси и полюсы II—IV по поперечной оси), наложить на каждый полюс по две полуобмотки возбуждения В, соединить их, как указано на рис. 71, и включить в качестве нагрузки на зажимы ЭМУ,
89
Рис. 71. Схема трехкаскадного ЭМУ продольного поля (с параллельной обмоткой самовозбуждения).
90
то поле этих обмоток образует четырехполюсную магнитную систему третьего каскада усиления (намагничивающая сила каждой полуобмотки показана стрелками). Для четырехполюсного потока щетки 1 и 3 имеют одинаковый потенциал, щетки 2 и 4 также. Напряжение на выходе усилителя снимается с перемычки, соединяющей щетки 1 и 5, и средней точки обмоток В, на которые замкнуты щетки 2 и 4. Пунктирными стрелками на рис. 71 показано направления намагничивающих сил обмоток, создаваемых током нагрузки. Как видно из рис. 71, намагничивающие силы в полуобмотках, расположенных на одном полюсе, направлены встречно и взаимно компенсируются. На полюсах I и III продольной реи укладываются компенсационные обмотки для компенсации продольной реакции якоря от тока, протекающего по цепи 2—4. Эти обмотки, как и в ЭМУ с поперечным полем, включаются последовательно с нагрузкой второго каскада, т. е. с обмоткой В, и так же, как и обмотка В, делятся на равные части для уравновешивания намагничивающих сил, возникающих в них от тока нагрузки усилителя. Для настройки компенсации параллельно этим обмоткам подключают резистор Дк.
Для увеличения коэффициента усиления усилителя с продольным полем нередко применяют обмотку самовозбуждения СВ, укладываемую на четыре полюса и создающую четырехполюсную систему. Эта обмотка обеспечивает положительную обратную связь по напряжению усилителя, охватывающую третий каскад. Ее сопротивление выбирается равным или несколько большим критического значения. Настройка цепи самовозбуждения производится с помощью резистора RCB.
Намагничивающая сила обмотки самовозбуждения (СВ) складывается (или вычитается) с намагничивающей силой, создаваемой обмоткой В, и соответственно увеличивает или уменьшает э. д. с. на выходе усилителя.
При сопротивлении Rcb, соответствующем критическому самовозбуждению, изменение (увеличение или уменьшение) э. д. с. на выходе усилителя происходит до тех пор, пока обмотка управления получает питание. При прекращении питания обмотки управления э. д. с. устанавливается на том уровне, на котором было прекращено питание.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какими основными параметрами характеризуется усилительный элемент? 2. Перечислите основные достоинства и недостатки транзисторных усилителей. 3. Какие типы усилителей являются наиболее перспективными для использования в схемах судовых электроустановок?
4. Для каких систем автоматического регулирования усилитель необязателен?
5. По какому принципу работают магнитные усилители?
6. В каких случаях применяются дифференциальные схемы магнитных усилителей?
7. Что дает введение положительной обратной связи в схему магнитных усилителей?
8. Чем ограничивается верхний предел мощности электромашинного усилителя?
91
ГЛАВА
КОРРЕКТИРУЮЩИЕ
СРЕДСТВА
§ 28
Общие сведения
В зависимости от назначения судовых систем автоматического регулирования, к ним могут быть предъявлены различные требования. Основное требование, которое должно выполняться во всех случаях, это обеспечение устойчивости системы. Если система неустойчива, то процесс регулирования не может протекать. Однако регулирование, осуществляемое и устойчивой системой, может быть неудовлетворительным, так как регулируемые параметры при этом могут отклоняться от заданных значений. Обеспечение устойчивости неустойчивой системы автоматического регулирования называют стабилизацией системы.
Коррекцией системы автоматического регулирования называется улучшение ее характеристик с помощью дополнительных узлов и цепей. Если корректирующие цепи объединены в отдельное устройство, то такое устройство называют корректором.
Для осуществления коррекции в систему приходится вводить ряд дополнительных элементов, которые могут быть включены или последовательно в цепь прохождения сигнала, или параллельно этой цепи. Применение корректирующих средств может быть осуществлено либо путем изменения управляющего сигнала, либо путем изменения свойств отдельных элементов системы.
Изменение управляющего сигнала достигается добавлением к нему других сигналов, определенным образом зависящих от возмущающего воздействия (коррекция по возмущению) или от сигнала рассогласования регулируемой величины с заданным значением (коррекция по отклонению).
Примером коррекции по возмущению может служить корректор по активной мощности двухимпульсного регулятора скорости первичного двигателя генераторного агрегата. Этот корректор, упреждая изменение скорости регулируемого агрегата при изменении нагрузки, значительно улучшает как динамические, так и статические показатели системы регулирования. Примером коррекции по отклонению является корректор напряжения в системе компаундирования синхронного генератора, обеспечивающий повышение точности поддержания напряжения в установившемся режиме.
Улучшение реагирования системы на входной сигнал и повышение ее устойчивости может быть также достигнуто путем различных преобразований сигнала по отклонению (рассогласованию). Это преобразование сводится к получению управляющего сигнала в виде суммы самого сигнала рассогласования с сигналами, представляющими его производную, интеграл или какую-либо другую функцию.
92
В ряде случаев для повышения устойчивости систем вводят местные обратные связи, охватывающие отдельные части системы регулирования. Среди местных обратных связей различают жесткую п гибкую обратную связь. Обратная связь, сигнал на выходе которой однозначно определяется величиной сигнала на ее входе, называется жесткой. Такая связь не содержит дифференцирующих и интегрирующих элементов. Обратная связь называется г и б -к о й, если в цепи имеются дифференцирующие элементы. Сигнал гибкой обратной связи зависит от скорости изменения сигнала на
Рис. 72. Применение гибкой обратной связи в качестве корректирующего средства в системе автоматизированного электропривода.
входе связи. Гибкие отрицательные обратные связи получили наиболее широкое распространение в электромеханических системах. Рассмотрим работу системы автоматизированного электрического привода, где с помощью гибкой обратной связи уменьшается инерционность системы и, в частности, инерционность электрического двигателя. В электромеханических системах гибкая обратная связь обычно осуществляется с помощью тахогенератора. Как это видно из рис. 72, она охватывает не только двигатель, но и усилитель. Управляющий сигнал выразится следующим образом:
Z (/) = 6 (0 — с (t),
где 6 (/) — сигнал рассогласования;
с (t) — сигнал гибкой отрицательной обратной связи.
При быстром изменении входного сигнала A (f) скорость вращения электродвигателя из-за его инерционности невелика, соответственно напряжение тахогенератора также мало. В этот период гибкая обратная связь не уменьшает управляющий сигнал и не влияет па скорость реагирования системы. В дальнейшем двигатель раз-гопится, но к этому времени система подойдет ближе к согласованному положению, сигнал рассогласования уменьшится и станет меньше сигнала гибкой обратной связи. Знак результирующего управляющего сигнала изменится на обратный. Это приведет к электрическому торможению двигателя, и система плавно, без значительного перерегулирования, подойдет к согласованному положению. В этом, в сущности, и проявляется преодоление инерции исктродвигателя путем форсирования его разгона и торможения.
93
Гибкие обратные связи не вводят в систему статической ошибки, кроме того, они уменьшают зону нечувствительности системы, которая определяется напряжением трогания двигателя. Введя дополнительное усилие, можно добиться трогания при достаточно малом сигнале рассогласования. Сразу же после трогания тахогенератор начинает вырабатывать сигнал обратной связи, что уменьшает усилие. Система при этом остается устойчивой.
Корректирующие звенья гибких обратных связей могут быть получены не только при помощи тахогенератора. Для этой цели весьма эффективно могут быть использованы RC-цепи (рис. 73, а) и специальные стабилизирующие трансформаторы.
Рис. 73. Использование в качестве корректирующего средства RC-цепи а — схема включения; б — зависимость t/BX и 1/Бых от времени.
Использование трансформатора в качестве корректирующего . звена основано на том, что э. д. с. вторичной обмотки пропорциональна производной от магнитного потока сердечника (первичного тока при ненасыщенном трансформаторе).
Сердечники стабилизирующих трансформаторов выполняются с регулируемым воздушным зазором.
§ 29
Тахогенераторы постоянного тока
В качестве корректирующих звеньев широко применяются тахогенераторы постоянного тока, представляющие собой генераторы постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов или с независимым возбуждением (рис. 74). Тахогенераторы используются также в ряде систем автоматического регулирования скорости в качестве чувствительных элементов.
Из теории электрических машин известно, что индуктируемая при вращении ротора э. д. с. пропорциональна потоку возбуждения и скорости вращения
(13)
Е = СсоФ,
где С — постоянная для данной машины величина; со — угловая скорость вращения генератора.
94
Для исключения зависимости э. д. с. от случайных изменений потока возбуждения в тахогенераторах с независимым возбуждением добиваются насыщения магнитопровода. В этом случае изменения тока возбуждения не вызывают заметных изменений магнитного потока Ф. При Ф = const
Е = few,
где fe — коэффициент пропорциональности.
При работе на нагрузку и с течением времени выходное напряжение тахогенератора несколько отклоняется от линейного закона из-за: падения напряжения в цепи якоря; влияния реакции якоря, уменьшающей поток возбуждения тахогенератора; переходного
Рис. 74. Тахогенератор постоянного тока: а — спостоянными магнитами; б — с независимым возбуждением; в — характеристики тахогенератора.
сопротивления между щетками и коллектором, оказывающего влияние при малых скоростях вращения; старения постоянных магнитов от резких толчков и ударов, а также гистерезиса в магнитной цепи тахогенератора.
При проектировании систем автоматики необходимо иметь в виду, что тахогенераторы постоянного тока создают сравнительно большой тормозной момент. Для улучшения характеристик тахогенераторы создаются на сравнительно небольшие электромагнитные нагрузки, порядка 0,01—0,02 а. К достоинствам тахогенераторов постоянного тока можно отнести довольно высокую точность измерения скорости вращения, хорошую линейность выходной характеристики п незначительную инерционность.
Тахогенераторы с постоянными магнитами более просты по устрой-< гв\ и не требуют отдельного источника для питания возбуждения, однако применяются они довольно редко, так как температурные воздействия и механические сотрясения изменяют их характеристики, снижая надежность работы аппаратуры. у (
Тахогенераторы можно считать дифференцирующими звеньями, i;ik как их э. д. с. пропорциональна первой производной угла поворота вала по времени с . < df>
Е = few = fe —, at
I ie б — угол поворота вала тахогенератора.
95
§ 30
Тахогенераторы переменного тока
В качестве тахогенераторов переменного тока используются синхронные и асинхронные двухфазные тахогенераторы.
Синхронный тахогенератор представляет собой небольшую синхронную машину с ротором в виде постоянного магнита (рис. 75, а).
Рис. 75. Схемы синхронного (а) и асинхронного (б) тахогенераторов переменного тока и конструкция асинхронного тахогенератора (в).
S)
В синхронных тахогенераторах изменение магнитного полюсов тахогенератора, пересекающего обмотку статора, быть записано в виде
Ф = Фгаах cos tot.
При этом э. д. с. и напряжение холостого хода будет
е = и = — w = шиФ,пах sin at = sin erf.
Действующие значения напряжения равны
UH = <о = Ага.
12 Г2
потока
может
тахоге-
Благодаря отсутствию коллектора и щеток синхронные нераторы обладают повышенной надежностью, однако они имеют и ряд существенных недостатков. Так, с изменением скорости вращения ротора выходное напряжение у синхронных тахогенераторов изменяет не только свою амплитуду, но и частоту. Синхронные тахогенераторы нечувствительны к изменению направления вращения, влияние нагрузки на э. д. с., вследствие продольно-размагничиваю-щей реакции якоря, в них весьма значительно. Все это не позволяет широко использовать синхронные тахогенераторы в судовых системах.
В системах судовой электроавтоматики получили распространение асинхронные тахогенераторы переменного тока. В конструктивном отношении асинхронный тахогенератор представляет собой
96
индукционную машину, аналогичную асинхронному двухфазному двигателю с полым ротором.
Асинхронный тахогенератор (рис. 75, в) состоит из статора 1, в пазах которого уложены две взаимно перпендикулярные обмотки 2, и ротора <3 в виде тонкостенного немагнитного стакана, вращающегося между внешним статором 1 и внутренним неподвижным стальным сердечником 4. На одну из обмоток подается напряжение переменного тока, с другой снимается напряжение, причем амплитуда выходного напряжения практически является линейной функцией скорости вращения ротора машины. Электрическая схема асинхронного тахогенератора приведена на рис. 75, б. Обмотка wu получает питание напряжением и = (7шах sin соо t от сети переменного тока с угловой частотой <оо. Обмотка создает пульсирующий магнитный поток возбуждения Ф, пересекающий ротор в направлении, перпендикулярном оси обмотки и>„. Если представить ротор в виде бесконечно большого числа проводников, составляющих его обмотку, то при неподвижном роторе в нем индуктируется э. д. с., создающая ток, и, следовательно, поток, который направлен по оси обмотки возбуждения wD. В обмотке wu э. д. с. индуктироваться не будет. При вращении ротора в нем, кроме э. д. с. трансформации, индуктируется э. д. с. вращения. Ток, создаваемый этой э. д. с., вызовет появление поперечного потока реакции якоря, направленного по оси обмотки и индуктирующего в ней э. д. с. выхода. Так как обмотка возбуждения получает питание переменным током, то ее поток можно выразить так:
'I’l = I’nwxi sinco оt.
Э. д. с. вращения, индуктируемая в роторе, будет пропорциональна потоку Ф и скорости вращения ротора (в:
ер = СеФ11ИХсо sino0/.
Поперечный поток, сцепляющийся с обмоткой wH, без учета насыщения магнитной цепи и рассеивания пропорционален этой э. д. с., если активное сопротивление ротора значительно больше индуктивного
Ф2 = ^1СеФП1ах1 LO sin ю0/.
Э. д. с., индуктируемая в обмотке равна
ен = — ши = — и’1Л1СеФПИх10)пЮ cos <вс/ = Ав sin (u>ot — 90°),
где
А ^1ШнСеФтаХ1Соо.
Действующее значение э. д. с. равно
С I
Ьн= - = на.
н |/2
У асинхронных тахогенераторов выходная э. д. с. пропорциональна скорости вращения ротора и изменяется во времени с частотой
7 В . Г, Самойлов
97
сети «ои, не зависящей от скорости вращения ротора. В этом основное преимущество асинхронных тахогенераторов перед синхронными.
Преимущество асинхронных тахогенераторов заключается также в том, что перемена направления вращения его ротора вызывает изменение фазы выходного напряжения относительно питающего напряжения. К недостаткам асинхронных тахогенераторов необходимо отнести зависимость э. д. с. на выходе от сопротивления ротора и соответственно от изменения температуры. Для уменьшения температурной погрешности роторы изготовляют из материалов, имеющих малые температурные коэффициенты сопротивления (марганцовистая медь, марганцовистый алюминий и т. п.). В ряде схем тахогенераторы применяют для введения производной в закон регулирования с целью коррекции качества динамики протекания процесса.
В некоторых системах автоматизации электроустановок, например в авторулевых типа АБР, для введения производной в закон регулирования используют асинхронные электродвигатели типа АДП, которые представляют собой двухфазные асинхронные машины с полым ротором, выполненным из немагнитного материала.
При подаче на одну из статорных обмоток этих двигателей переменного напряжения, на выходе, т. е. на второй статорной обмотке электродвигателя, работающего в генераторном режиме, получим напряжение, пропорциональное первой производной от угла поворота ротора.
§ 31
Пассивное корректирующее звено
В системах автоматического управления и регулирования для дифференцирования и интегрирования сигнала ошибки или отклонения регулируемой величины от заданного значения широкое распространение получили пассивные корректирующие звенья.
Под пассивным корректирующим звеном понимается такое устройство, которое не содержит источников электроэнергии. Оно состоит в основном из резисторов и конденсаторов. Следует различать пассивное дифференцирующее звено, пассивное интегрирующее звено и пассивное интегро-дифференцирующее звено.
Пассивное дифференцирующее звено может быть собрано по схеме, приведенной на рис. 76, а. Пассивное интегрирующее звено собирается по схеме рис. 76, б. Чем больше отношение R2/Rt, тем в более широком интервале частот и с большей точностью пассивный контур производит интегрирование сигнала. Однако чем больше это отношение, тем сильнее ослабление сигнала при высоких частотах.
В ряде случаев применяют пассивное интегро-дифференцирующее звено (рис. 76, в). Одной из особенностей данного пассивного звена является то, что оно ведет себя при низких частотах как пассивное интегрирующее звено, а при более высоких частотах — как пассивное дифференцирующее звено.
98
К пассивным корректирующим звеньям относится также стабилизирующий трансформатор (рис. 76, г), э. д. с. вторичной обмотки которого пропорциональна скорости изменения тока в первичной обмотке. Стабилизирующие трансформаторы широко применяются в автоматических системах с электромашин-ными усилителями.
Рис. 76. Пассивные корректирующие звенья: а—дифференцирующее; б — интегрирующее; в — интегро-дифференцирующее; г — стабилизирующий трансформатор.
Схемы пассивных корректирующих звеньев могут включать в себя большое количество элементов с непостоянными параметрами. Для обеспечения эффективности действия пассивных корректирующих звеньев необходимо предъявлять повышенные требования к стабильности их параметров. Выполнение этого требования позволит значительно расширить область применения подобных звеньев.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
I. С какой целью применяются корректирующие элементы?
2. Что такое стабилизация?
3. Как действует жесткая положительная обратная связь?
4. Как действует гибкая отрицательная обратная связь?
99
ГЛАВА
VI
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ
§ 32
Общие сведения
Исполнительные элементы предназначены для воздействия непосредственно, или через регулирующий орган на объекты управления или регулирования. Они применяются для включения и выключения электрических, механических, гидравлических и пневматических цепей, для сцепления и расцепления вращающихся валов, открывания и закрывания клапанов, золотников, задвижек и вентилей н ряда других целей. Исполнительные элементы служат также для плавного перемещения или поворота различных частей механизмов. Скорость перемещения (поворот) зависит от величины подводимого тока.
По виду энергии, которая используется в исполнительном элементе, они могут быть разделены на электромеханические, гидравлические и пневматические. В данной главе рассматриваются только электромеханические исполнительные элементы.
К электромеханическим исполнительным элементам могут быть отнесены исполнительные электродвигатели (серводвигатели), тяговые электромагниты, электромагнитные муфты и релейно-контакторная аппаратура.
В зависимости от вида энергии электродвигатели подразделяются на двигатели постоянного и переменного тока.
Электродвигатели, используемые в судовой автоматике, отличаются малыми размерами, небольшой мощностью, стабильностью скорости вращения и малой инерционностью. Конструкция их должна быть простой и удобной в эксплуатации. Электродвигатели, применяемые в силовых электроприводах (шпилях, брашпилях, кранах, лебедках нт. п.) должны обладать широким диапазоном и простотой регулирования скорости вращения, малыми габаритами и весом при относительно большой мощности, а также небольшим моментом трения.
Все электродвигатели в зависимости от назначения можно разбить на две группы. К первой группе относятся электродвигатели, которые имеют приблизительно постоянную скорость вращения и позволяют изменять направление вращения на обратное. Эта группа двигателей нашла широкое применение в качестве серводвигателей для управления первичными двигателями. Двигатели второй группы быстро и плавно запускаются, тормозятся, меняют направление вращения и имеют широкий диапазон регулирования скорости, т. е. они обладают хорошими динамическими характеристиками. Эти двигатели используются в системах автоматического регулирования и следящих системах. В маломощных следящих системах преиму-100
щественно используются двухфазные асинхронные электродвигатели. В системах автоматического регулирования (от 0,1 кет и выше) обычно применяются электродвигатели постоянного тока. В последнее время наряду с ними все шире применяют шаговые электродвигатели. Это двигатели с прерывистым движением. Обмотки такого двигателя питают импульсным напряжением, и при каждом импульсе вал двигателя поворачивается на одинаковый угол, на один «шаг». Шаговые электродвигатели останавливаются, таким образом, без выбега, что очень ценно при автоматическом регулировании.
Для выполнения наиболее простых операций, как, например, открыть — закрыть, при управлении клапанами, заслонками, золотниками и т. и. широко используются электромагнитные приводы переменного или постоянного тока с подвижным или поворотным якорем.
В судовых системах автоматики нашли применение электромагнитные муфты, предназначенные для автоматического соединения и разъединения вращающихся валов.
К исполнительным элементам может быть также отнесена релейно-контакторная аппаратура, использующаяся для включения и отключения различных электрических цепей.
§ 33
Электродвигатели постоянного тока
В системах автоматики нашли применение
электродвигатели постоянного тока с независимым, с последовательным и со смешанным возбуждением.
Так как электродвигатель является исполнительным звеном в си
стеме автоматического управления, то можно рассматривать' значение управляющего напряжения, поступающего к электродвигателю, а в качестве выходной величины — угловую скорость вращения вала.
Электродвигатели с независимым возбуждением (рис. 77, а) характеризуются постоянством магнитного потока Ф = const при условии пренебрежения влиянием реакции якоря на поток Ф. В системах автоматики
в качестве входной величины
Рис. 77. Электродвигатель постоянного тока с независимым возбуж-
дением: а — схема включения; б — статическая характеристика.
применяются электродвигатели, в которых обмотка возбуждения заменена постоянным магнитом. Они имеют
небольшие габариты, просты по устройству и управлению. Однако находят применение и электродвигатели с обмоткой возбуждения. Наиболее характерной величиной для таких электродвигателей является напряжение трогания, т. е. напряжение, которое необходимо подвести к якорю электродвигателя, чтобы он начал вращаться. Величина этого напряжения равна
t/Tp =
СМФ
= 67ИС,
101
где
b =
СМФ
Рис. 78 Схема реверсивного электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.
Чем больше момент сопротивления Мс, тем большее напряжение надо приложить к якорю двигателя, чтобы он стронулся с места. Как видно из рис. 77, б, для того чтобы электродвигатель начал вращаться, необходимо приложить к пему начальное напряжение Um4 = 77тр, определяемое моментом трения покоя Л4тр. При вращении с небольшой скоростью, как правило, момент трения становится меньше, чем момент трения покоя, в результате чего даже при плавном увеличении напряжения двигатель, начиная вращаться, разгоняется до некоторой начальной скорости ю11ач.
Отношение максимальной рабочей скорости юра6 к начальной скорости (Онач называется кр ат-ностью регулирования скорости:
£ __ ^раб Юнач
Чем меньше момент трения на валу двигателя, тем выше кратность регулирования. В
электродвигателях постоянного тока основную долю момента трения создает трение щеток о коллектор, которое не может быть уменьшено ниже определенного предела из-за опасности потери контакта. Кратность регулирования у электродвигателей постоянного тока невысока и составляет величину порядка 20—40 при холостом ходе. В качестве серводвигателя, воздействующего на регулятор скорости первичного двигателя, широко используется реверсивный электродвигатель с последовательным возбуждением, схема которого приведена на рис. 78.
Электродвигатель имеет две обмотки возбуждения, создающие магнитный поток противоположного направления и работающие поочередно в зависимости от положения переключателя, который имеет три положения: «Больше», «Отключено», «Меньше».
Поток возбуждения создается током якоря, протекающим по последовательной обмотке возбуждения, и меняет свое направление в зависимости от включения той или другой обмотки. Достоинством данной схемы является ее простота и надежность, так как электродвигатель с последовательным возбуждением развивает большой пусковой момент. Одним из основных недостатков схемы является невозможность плавного реверсирования двигателя.
В судовых системах автоматики широкое применение нашли электродвигатели типа СЛ — двухполюсные коллекторные двигатели постоянного тока с параллельным или последовательным возбуждением; универсальные коллекторные электродвигатели типа УМТ, электродвигатели постоянного тока типа МН и электродвигатели постоянного тока типов П и ПН.
102
§ 34
Электродвигатели переменного тока
Наибольшее распространение в системах электроавтоматики получили двухфазные асинхронные электродвигатели переменного тока. Ротор такого электродвигателя изготовлен для уменьшения момента инерции в виде легкого тонкостенного алюминиевого стакана. На статоре электродвигателя расположены две обмотки, магнитные оси которых сдвинуты ио отношению друг к другу на 90° (рис. 79, а). Одна из обмоток получает питание от сети
переменного тока напряжением неизменной амплитуды Uc, а на другую обмотку подается изменяющееся по амплитуде напряжение. Эту обмотку называют управляющей. Напряжение на управляющей обмотке сдвигают по отношению к напряжению Uc на 90°. Сдвиг напряжений во времени осуществляется включением конденсатора в цепь основной сетевой обмотки Uc. Взаимодействие магнитных потоков, индуктированных в этих обмотках, создает вращающееся магнитное поле. При равенстве м. д. с. обмоток магнитный поток будет круговым. Когда м. д. с. управляющей обмотки равна нулю, магнитный поток становится пульсирующим. Другие значения м. д. с. управляющей обмотки создают эллиптическое поле.
Для изменения направления вращения ротора электродвигателя достаточно изменить на 180° фазу питающего напряжения сетевой или управляющей обмотки. Двухфазные асинхронные электродвигатели обладают следующими достоинствами: моменты трения и инерции их незначительны из-за отсутствия щеток и в связи с тем, что ротор выполнен в виде стакана из легкого сплава; электродвигатель не создает помех радиоприему, так как отсутствует искрение, поскольку
103
нет трущихся контактов; электродвигатель требует весьма малой мощности от источника, питающего управляющую обмотку; обладает управляемой и устойчивой механической характеристикой, т. е. скорость и направление вращения ротора зависят от величины и фазы напряжения на обмотке управления, а при неизменном напряжении на обмотке управления с увеличением момента нагрузки скорость вращения ротора уменьшается. Зависимость со — f (Uy) приведена на рис. 79, б, а механические характеристики на рис. 79, в.
Основной недостаток двухфазных асинхронных электродвигателей — сравнительно большой вес на единицу мощности, поэтому данные электродвигатели изготавливают на мощности до 100 вт.
В настоящее время промышленность выпускает электродвигатели типов АДП, АД, ВК, ФД и др. Основная сетевая обмотка электродвигателей типа АДП включается в сеть переменного тока напряжением от 35 до 220 в и частотой 50, 330—500 гц, управляющая обмотка питается от управляющего усилителя с максимальным напряжением на выходе. Основные параметры двигателей АДП приведены в табл. 10.
Таблица 10 Основные параметры двигателей типа АДП
Тип двигателя Напряжение, в Ток, а Частота питающей сети, гц Вращающий момент, г-дм Пусковой момент, г-дм Скорость вращения, об/мин Момент инерции, г-см-сек
обмотки возбуждения обмотки управл е- ння обмотки возбуждения обмотки управления
АДП-1 120 35 0,36 0,15 500 4 5,5 9000 0,008
АДП-120 ПО — 0,30 — 400 6 — 4000 —
АДП-123 110 но 0,22 0,27 400 100 140 4000 — — -
ЛДП-123Б ПО но 0,27 0,23 400 145 170 6000 —
АДП-262 ПО 125 0,23 0,53 50 50 90 1850 0,007
АДП-263А 36 275 1,50 0,55 500 45 60 6000 0,018
АДП-362 110 120 0,60 0,65 50 95 170 1950 0,040
АДП-363А 36 240 2,00 0,65 500 75 85 6000 0,050
АДП-563А 36 240 3,30 0,75 500 100 120 6000 0,12
В судовых системах используются также электродвигатели типа 116 — асинхронные двухфазные конденсаторные управляемые двигатели с малоинерционным полым немагнитным ротором и электродвигатели типа СД — синхронные реактивные малогабаритные машины однофазного переменного тока частотой 50 гц со встроенным редуктором и расщепленными полюсами.
§ 35
Электромагнитные муфты
Для автоматического соединения и разъединения вращающихся валов применяются специальные электромагнитные муфты. Наибольшее распространение получили электромагнитные муфты трения и скольжения.
104
На рис. 80 показано устройство электромагнитной муфты трения.
На ведущем 1 и ведомом 8 валах насажены на шпонки два стальных диска 4 и 6. В кольцевой впадине диска 4 помещается катушка электромагнита 5, ток к которой подводится через контактные кольца 2 и щетки 3. Диск 6 может незначительно перемещаться вдоль ведущего вала. Если ток к электромагниту не подводится, то диск 6 под действием пружины 7 оттягивается вправо. При этом ведущая ось не связана с ведомой. Когда к электромагниту подводится напряжение, возникает магнитный поток, который стремится сблизить диски и прижать их друг к другу. В результате создается момент трения, для увеличения которого на диске 6 укреплено кольцо 9, изготовляемое из материала с высоким коэффициентом трения.
Рис. 80. Электромагнитная муфта тре- Рис. 81. Электромагнитная муфта ния. скольжения
На рис. 81 представлена электромагнитная муфта скольжения, состоящая из якоря 1, индуктора 2 и катушки 3, располагающейся на полюсах индуктора. Ток подводится к катушке с помощью колец 5 и щеток 4.
Принцип действия электромагнитной муфты аналогичен действию асинхронного электродвигателя, с той лишь разницей, что в муфте вращающийся поток создается за счет вращения полюсов индуктора. Ведомая часть муфты вследствие скольжения несколько отстает от ведущей. Разъединение валов производится отключением тока катушки. При изменении величины тока в катушке электромагнита может быть осуществлено плавное регулирование скорости вращения ведомого вала при постоянной скорости ведущего вала. Однако при этом, вследствие мягких механических характеристик, необходимо создать замкнутую систему автоматического регулирования скорости вращения.
В ряде случаев нашли применение бесщеточные электромагнитные муфты скольжения, однако в этом случае для создания вращающего момента требуется большая намагничивающая сила.
Применяются также электромагнитные муфты с ферромагнитным порошком либо в смеси с маслом, либо в сухом виде. Пространство между втулкой и стаканом заполняется ферромагнитной массой, густой, но маловязкой суспензией карбонильного железа в керосине,
1Э5
машинном масле или силиконе (состав 1 : 5). При подаче напряжения на катушку под действием магнитного потока частицы порошка намагничиваются и сцепляются друг с другом, со втулкой и стаканом, создавая значительный момент трения. При выключении напряжения момент трения снижается.
Следует отметить, что порошковые электромагнитные муфты при тех же габаритах и весе передают более значительные моменты, чем фрикционные муфты.
Быстродействие порошковых и фрикционных муфт составляет при включении от 0,03 до 0,25 сек, при отключении от 0,01 до 0,35 сек.
§ 36
Электромагниты
Электромагниты широко применяются в качестве приводов при выполнении операций по автоматическому управ-
лению механизмами.
Электромагнитный привод состоит из катушки, обмотанной изолированным проводом и установленной в магнитопроводе, внутри которой помещается стальной сердечник, называе-
Рис. 83. Электромагнитное стоп-устройство типа ЭМС.
1 — нижний якорь; 2 — основная обмотка; 3 — шариковая защелка-фиксатор; 4 — обмотка защелки; 5 — микропереключатель; 6 — кнопка ручной разблокировки; 7 — верхний якорь.
Рис. 82. Электромагнитный вентиль.
мый якорем и соединяемый с управляемым объектом (золотником, задвижкой и т. п.).
При пропускании электрического тока в обмотке катушки создается магнитное поле, втягивающее сердечник, который в свою очередь, воздействует на управляемый объект. Возвращение сердечника в исходное положение после выключения тока осуществляется пружиной. На этом принципе осуществлено действие электромагнитного вентиля, конструкция которого приведена на рис. 82.
106
При подаче Тока в катушку 1 сердечник 2 втягивается и открывает вентиль 3. При отключении тока вентиль закрывается. Мощность, потребляемая катушкой такого вентиля, составляет от 15 до 25 вт.
Конструкции электромагнитов могут быть самые разнообразные. Основное преимущество электромагнитов заключается в том, что с их помощью может быть осуществлено автоматическое и дистанционное управление судовыми устройствами и системами. В качестве примера рассмотрим электромагнитное стоп-устройство типа ЭМС, предназначенное для автоматической или дистанционной остановки дизеля путем воздействия па органы управления подачи топлива (рис. 83). Стоп-устройства ЭМС представляют собой прямоходовой электромагнит с автоматическим отключением питания после срабатывания и удержанием якоря в притянутом положении механической защелкой. Стоп-устройство ЭМС имеет две катушки. При подаче напряжения (для остановки дизеля) на катушку нижнего якоря последний втягивается, преодолевая сопротивление пружины, и переводит рейку топливного насоса в соответствующее положение. С помощью микровыключателя катушка обесточивается и якорь удерживается в верхнем положении шариковой защелкой, не потребляя электроэнергии.
В случае подачи напряжения (для пуска дизеля) на катушку защелки последняя притягивает верхний якорь, который, преодолевая усилие своей пружины, опускается и расцепляет защелку. Освобожденный нижний якорь под действием пружины встает в исходное положение и переводит рейку так, что происходит полная подача топлива. Снять стоп-устройство с защелки можно и вручную, воздействуя па верхний якорь кнопкой.
В табл. 11 приведены основные технические характеристики электромагнитных устройств типа ЭМС при ходе нижнего якоря 10 мм.
Таблица 11
Основные параметры электромагнитов
Тип электромагнитного устройства Рабочее напряжение, в Тяговое усилие, кг Потребляемая мощность катушки якоря, вт Вес, кг
верхнего нижнего
ЭМС 10-24 24 10 90 400 3,5
ЭМС5-24 24 5 131 296 2,1
ЭМС5-12 12 5 83 103 2,1
§ 37
Релейно-контакторная аппаратура
В качестве исполнительных элементов судовых систем электроавтоматики используется также релейно-контакторная аппаратура. Реле — такой элемент автоматики, который осуществляет скачкообразное (дискретное) управление параметрами вы
107
ходной величины (вторичного процесса) под действием изменений в определенных пределах входной величины (первичного процесса).
Характеристикой управления реле является зависимость между выходными хВЬ1Х и входными хвх параметрами. Как видно из рис. 84,
при увеличении параметра хвХ от нуля до величины хвх.сраб значение параметра хвыхт|П не изменяется, причем у большинства реле .хвь,Хт1п = = 0. При достижении параметром хвх значения хвХ. сраб параметр хвЫХ изменяется от значения хвЫХ mln до значения xBblxmax- Время изменения параметра хвЫХ определяется временем переходного процесса. При дальнейшем увеличении параметра хвх до величины хвх. раб значение
параметра хвЬ1Х остается неизменным.
При уменьшении параметра хвХ до величины, равной хвх.отп, значениепара-
*^gbix max
0,5 ।
хечхтт xixrm xexcpal xlxpal
метра хвМХ также не изменяется и только при величине х11Х, равной хвх. оТП, параметр хвЬ1х скачком уменьшается до значения параметра *uwxmin- Значение хвх = хвх. сраб называется параметром срабатывания реле, а хвх = хвх.отп— параметром отпускания реле.
Отношение хвх.отп к -Хвх. сраб называется коэффициентом возврата реле
Рис. 84. Характеристика управ- /гв=хвх. 0Т1/хвХ. сраб, а отношение ХЕХ. раб ления реле. к — коэффициентом запаса kt =
— -*-вх. раб^вх. сраб-
Входному параметру хвхсраб соответствует мощность срабатывания или управляющая мощность Рсраб, которая необходима для приведения в действие реле. Мощность, многократно коммутируемая
исполнительным органом реле, называется управляемой мощностью Ру. Отношение управляемой мощности к мощности срабатывания называется коэффициентом управления реле
— у
У Р сраб
(14)
В зависимости от входного параметра реле подразделяются на электрические, тепловые, механические, магнитные, оптические, акустические, жидкостные и др. Виды реле весьма разнообразны, в связи с этим ниже приводится неполная классификация главным образом электрических реле.
В зависимости от устройства воспринимающих органов электрические реле могут быть электромагнитными (нейтральными), поляризованными, магнитоэлектрическими, электродинамическими, индукционными, электростатическими, электронными и ионными.
По принципу действия исполнительных органов электрические реле делятся на контактные и бесконтактные. К бесконтактным реле относятся магнитные, электронные, ионные и полупроводниковые. По роду управляющего тока реле делятся на реле постоянного и переменного тока. 108
В зависимости от физической величины, от которой реле должны срабатывать, они подразделяются на реле тока, напряжения, мощности, сопротивления, частоты, времени и т. п.
В зависимости от величины коммутируемой мощности различают: реле для коммутирования цепей малой мощности (до 60 вт постоянного тока или до 120 ва переменного тока частотой 50—1000 гц), реле для коммутирования цепей средней мощности (до 150 вт постоянного тока или 500 ва переменного тока), реле для коммутирования цепей повышенной мощности (более 150 вт постоянного тока или 500 ва переменного тока) и контакторы (более 500 вт).
По времени действия реле разделяют на сверхбыстродействующие (время срабатывания и отпускания до 5 мсек), быстродействующие (до 50 мсек), нормальные (до 150 мсек), замедленные (до 1 сек) и реле времени (больше 1 сек).
В зависимости от габаритных размеров и веса реле малых размеров можно подразделить на три группы: малогабаритные реле с шестью и четырьмя переключающими контактами (объем менее 40 см3 и вес меньше 150 г); м и н и а т ю р н ы е реле с двумя переключающими контактами (объем от 3,5 до 8 см3 и вес от 10 до 30 г)исверхминиатюрные реле с одним или двумя переключающими контактами (объем менее 3,8 см3 и вес меньше 10 г).
В последнее время получили распространение различные электронные, полупроводниковые и магнитные бесконтактные коммутирующие устройства. Однако в большинстве случаев они не могут заменить электромагнитные реле. Это объясняется тем, что электромагнитные реле имеют очень малое переходное сопротивление замкнутых контактов (менее 0,1 ом) и практически бесконечное сопротивление разомкнутых контактов. Электромагнитное реле представляет собой электромагнит, якорь которого связан с одной или несколькими контактными группами При срабатывании электромагнита можно одновременно замыкать и размыкать несколько цепей управления. Токи контактов реле не превосходят нескольких ампер.
В судовой электроавтоматике наиболее широко применяются электромагнитные реле. Они подразделяются на поляризованные и нейтральные. Поляризованные реле имеют два независимых магнитных потока: поляризующий и рабочий. Поляризующий магнитный поток создается большей частью постоянным магнитом, а рабочий поток — обмоткой, обтекаемой током. Поэтому действие поляризованных реле зависит от направления постоянного тока в рабочей обмотке.
Устройство поляризованного реле приведено на рис. 85.
Стальной поворотный якорь находится между двумя постоянными магнитами, на которых расположены обмотки. Якорь реле удерживается пружинами в нейтральном положении. Магнитный поток, создаваемый обмотками в воздушных зазорах, в зависимости от направления тока в обмотках будет в одном из зазоров вычитаться, а в другом складываться с величиной потока постоянных магнитов. В результате этого при включении обмотки реле направление притя-109
жения якоря будет зависеть от направления тока в обмотке и коп такт 3, связанный с якорем, замкнется с контактом 1 или с контактом 2. Данная схема реле называется трехпозиционной, так как подвижный контакт реле имеет три позиции — нейтральную, замыкание с контактом 1 или замыкание с контактом 2.
Поляризованное реле более чувствительно к слабым сигналам, чем обычные электромагнитные реле. В электромагнитных нейтральных реле рабочий магнитный поток создается с помощью обмоток. Работа нейтрального реле зависит только от величины тока, протекающего через обмотку, и не зависит от направления тока.
В последние годы все шире применяют своеобразные реле, называемые дистанционными переключателями. Это двухпозиционное реле с двумя катушками, устойчиво сохраняющее свое состояние без питания катушек. Последнее обеспечивается либо с помощью защелок (в нейтральных дистанционных переключателях), либо с помощью постоянных магнитов (в поляризованных дистанционных переключателях). Поляризованные дистанционные переключатели отличаются при том же или большем числе контактов, чем у нейтральных, значительно меньшей мощ
ностью срабатывания. Переключение дистанционного переключателя осуществляется кратковременным включением напряжения на соответствующую обмотку.
В зависимости от расположения якоря и характера воздействия на него магнитного потока электромагнитные реле разделяются на реле с внешним притягивающимся якорем (реле клапанного типа), реле с втягивающимся якорем (реле соленоидного типа) и реле с внешним поперечно движущимся (поворотным) якорем (реле поворотного типа).
В последнее время широко применяются нейтральные электромагнитные реле, поляризованные реле, дистанционные переключатели и ряд других электромагнитных приборов. Основные технические характеристики этих реле приведены в приложениях 12 и 13.
Остановимся более подробно на технических характеристиках и конструктивных особенностях ряда реле [20].
Реле РПС. Реле типа РПС — один из видов малогабаритных поляризованных реле. Они изготовляются в трех модификациях: РПС-4, РПС-5 и РПС-7, имеют весьма повышенную чувствительность и широко применяются в аппаратуре автоматики. Реле типа РПС-4 двухпозиционное, с нейтральной регулировкой, т. е. без питания обмоток устойчиво в обоих положениях. В связи с тем, что рессорная пружина якоря в этом реле недоступна для регулировки, контакты реле РПС-4 имеют довольно значительную вибрацию. Реле типа РПС-5 трехпозиционное. Реле типа РПС-7 двухпозиционное, с преоблада-110
нием перемещения контакта в заданную сторону, т. е. при отсутствии тока в обмотке якорь реле всегда прижат к правому контакту. Габариты реле 44X44x95,5 мм. Вес с чехлом 200 г, без чехла 145 г.
Дистанционный переключатель ДП-12. Это малогабаритный герметичный поляризованный дистанционный переключатель с 12 переключающими контактами, нашедший применение в судовой электроавтоматике. Магнитная система переключателя состоит из стального ярма, четырех сердечников с катушками, плоского магнита, расположенного между этими катушками, и общего симметричного якоря прямоугольной формы. Контактные группы расположены двумя параллельными рядами под изоляционными упорами якоря. Нормально якорь притянут к одной паре полюсов сердечников, после подачи кратковременного импульса тока во вторую обмотку якорь перебрасывается в другое крайнее положение (к другой паре полюсов) и переключает все контакты. Переключатель имеет четыре обмотки сопротивлением по 420 ом каждая. Для нормальной работы переключателя достаточно двух из них. Обмотки могут включаться последовательно, параллельно, либо в разные цепи. Напряжение срабатывания на каждой из обмоток 19 в, напряжение несрабатывания 10 в. Время срабатывания 12 мсек. Габаритные размеры переключателя 34X40X41 мм, вес 220 г.
Реле типа РДЧГ. Этот тип объединяет высокочувствительные нейтральные электромагнитные реле с одним переключающим контактом (рис. 86). Магнитная система реле имеет П-образную форму * и состоит из двух катушек с сердечниками, замыкаемыми плоским якорем клапанного типа. Сердечники, основание и якорь реле изготовлены из пермаллоя марки 50Н. Контактная система реле жесткая. Неподвижные контакты укреплены на двух регулируемых винтах, расположенных на угольниках, приклепанных к текстолитовой плате. Размыкающий контакт изготовлен из вольфрама, замыкающий — из серебра. Подвижный серебряный контакт припаян к латунному рычагу якоря.
Герметизация осуществлена с помощью стеклянного цоколя с пятью выводными крючками. Мощность, потребляемая реле при срабатывании, не более 13,2 мет (ток срабатывания не более 2,5 ма при сопротивлении обмотки 2100 ом). Коэффициент возврата реле не менее 0,24. Номинальная нагрузка контактов 0,4 а — 27 в постоянного тока. Срок службы контактов при активной нагрузке 105 циклов. Габаритные размеры реле — 38,5x58,5 мм, вес 180—220 г.
Реле типа PC-13. Малогабаритное электромагнитное реле этого типа (рис. 87) предназначено для использования в аппаратуре автоматики, работающей в условиях колебаний температуры от —50 до +40° С при повышенной влажности до 98% и вибрации с ускорением до 4 g при частоте 45 гц. Ярмо магнитопривода реле из стали толщиной 2,5 мм, ширина его 16 мм. Верхний конец ярма загнут под углом 45° и заточен под призму, к грани которой прижат якорь. Диаметр сердечника 7 мм, длина 40 мм. Для увеличения чувствительности сердечник имеет полюсный наконечник диаметром И мм.
Ill
Рис. 86. Реле типа РДЧГ. Рис. 87. Реле типа РС-13.
Vw Vss
112
Л, 5
Рис. 88. Реле типа РЭС-7.
К передней части якоря приклепана стальная пластина. В исходное положение якорь возвращается плоской пружиной Г-образной формы из фосфористой бронзы. Давление возвратной пружины около 100 г. Для исключения возможности вибрации якорь прижат к опоре пружиной сложной формы.
Контактная система состоит из двух групп, каждая из них может иметь от двух до девяти контактных пружин. Пружины изготовлены из фосфористой бронзы и снабжены двойными контактами Неподвижные пружины лежат на опорах из латуни. Реле имеет задний щиток из стали и защищено съемным алюминиевым чехлом, который удерживается стальной П-образной пружиной. На чехле обозначена схема обмотки и контактов. Реле крепится двумя винтами к плате. Наибольшая мощность в обмотках 2,4 вт, допустимое напряжение в обмотке 100 в. Номинальный ток, проходящий через контакты, 1 а. Срок службы реле при номинальной активной нагрузке 106 циклов.
Реле типа РЭС-7. Малогабаритное реле РЭС-7 (рис 88) имеет однокатушечную двухполюсную магнитную систему с симметричным поворотным якорем. Магнитная система состоит из стального стакана, внутри которого укреплен сердечник с катушкой. В стакане сделаны два больших выреза, образующих полюсы, к которым притягиваются концы якоря. Плоский симметричный якорь с отогнутыми книзу концами укреплен на вертикальной оси, которая проходит через канал сердечника. Якорь возвращается в исходное положение двумя цилиндрическими пружинками. К якорю приклепана пластина из текстолита, имеющая по окружности шесть зубцов для переключения контактных пружин. Реле РЭС-7 предназначено для работы в таких же условиях, в каких работает реле типа РС-13 (за исключением вибрации в диапазоне частот от 600 до 1500 гц с ускорением 5 g и влажности 98% при температуре 20 С).
Контактные группы реле расположены вокруг корпуса параллельно оси сердечника. Средняя пружина каждой группы жесткая, а крайние — гибкие. Зазоры между контактами более 0,25 мм. Реле закрыто пылезащитным чехлом из алюминия. Мощность сраба
8 В. Г. Самойлов 113
тывания реле 0,8—1,2 вт. Коэффициент возврата 0,14—0,2. Срок службы контактов 3-10Б срабатываний при активной нагрузке 2 а при 30 в или 0,3 а при 300 в постоянного тока и 1 а при 50 в переменного тока. Вес реле 120 г.
Реле типа РЭС-22. Миниатюрное реле этого типа предназначено для эксплуатации при окружающих температурах от —60 до +85° С и относительной влажности до 98% при температуре 40° С; ударная
прочность реле 25 g. Схема реле приведена на рис. 89. Реле имеет однокатушечную магнитную систему клапанного типа с сердечником прямоугольного сечения. Якорь несимметричный, с двумя длинными рычагами по бокам. Две контактные группы пакетного типа с плоскими контактными пружинами и стеклотекстолитовыми прокладками стянуты одним общим винтом. Реле имеет задний щиток из стали и защищено съемным алюминиевым чехлом, который удерживается проволочной стальной пружиной П-образной формы. Зазоры между контактами более 0,3 мм. Мощность срабатывания реле 0,23—0,28 вт. Коэффициент возврата 0,2—0,24. Сопротивление контактов не более 0,6 ом. Время срабатывания 12 мсек, время отпускания 5 мсек. Емкость контактной системы 5 пф. Вес реле не более 36 г.
114
Реле типа РМУ. Оно предназначено для коммутации электрических цепей в малогабаритной передвижной аппаратуре автоматики при колебаниях температуры от —60 до +85° С, относительной влажности до 98% при 40 ±5° С, вибрациях мест крепления частотой от 16 до 300 гц и ускорением до 10 g, центробежных ускорениях до 25 g и атмосферном давлении до 15 мм рт. ст. Реле выдерживает 250 ударов с ускорением до 150 g.
ЛАагнитная система клапанного типа, выводы катушки и контактных пружин расположены со стороны якоря. Контактные пружины перемещаются якорем с помощью удлиненного рычага с изолирующими буксами.
Возвратные пружины плоские, с силой натяжения 20—30 г. Якорь удерживается на корпусе с помощью специальной плоской пружины. Контактная система реле состоит из двух групп, каждая группа может иметь до шести контактных пружин, изготовляемых из нейзильбера. Контакты одинарные серебряные. Они выдерживают 105 циклов при активной нагрузке 5 а при 30 в или 0,05 а при 600 в. Замедленные реле типа РМУ-3 имеют на сердечнике массивную медную втулку. Наибольшая мощность в обмотке 1,95 вт. Время отпускания замедленного реле с переключающим контактом около 30 мсек.
Реле типа РМУГ. Это реле типа РМУ в герметическом исполнении. Герметизация осуществлена с помощью запаянного металлического (стального) кожуха и круглого стеклянного цоколя, в который заварено 14 паяльных крючков из ковара для вывода цепей контактных пружин и обмотки. Для крепления к плате реле имеет на основании три болта с гайками. После запайки внутренний объем реле заполняется сухим азотом. Виброустойчнвость реле меньше, чем реле типа РМУ, из-за наличия промежуточного крепления внутри кожуха.
Реле типа РМУГ (рис. 90) можно эксплуатировать при температуре от —60 до +85° С, относительной влажности до 98% при 45± 5° С, вибрации частотой от 16 до 80 гц и ускорении до 4 g, при линейных ускорениях до 8 g и атмосферном давлении до 15 мм рт. ст. Реле выдерживает испытание на вибропрочность при частоте 50±5 гц и ускорении 4 g (5-10® циклов) и на ударную прочность при ускорении 4 g (104 ударов с частотой 80 ударов в минуту).
Срок службы контактов реле 10Б циклов при активной нагрузке 1 а при 27 в (или 0,1 а при 300 в постоянного тока, или 1 а при 115 в переменного тока частотой 1400 гц). Сопротивление изоляции в нормальных условиях более 5000 Мом, после пребывания в течение 48 ч при повышенной влажности — не менее 100 Мом.
Реле типов ТКЕ и ТК.Д. Малогабаритные электромагнитные реле гипов ТКЕ и ТКД в зависимости от величины коммутируемого тока и числа контактов выпускаются различных марок: ТКЕ-210Б, ГКЕ-21ПД, ТКД-21ПК, ТКЕ-52ПД, ТКЕ-53ПД, ТКЕ-53ПК, ТКЕ-56ПД, ТКД-12ПД, ТКД-12ПК и др. Маркировка реле обозначает: Т — напряжение на катушке до 30 в (номинальное напряжение 27 в); К — коммутационное реле; Н — реле напряже-
8*
115
Ния; Е — единицы; Д — десятки, первая цифра — величина номи нального коммутируемого тока в единицах ампер для ТКЕ и в десятках ампер для ТКД, вторая — число переключающих контактов; Д — длительный режим работы или К — кратковременный режим работы; О — для эксплуатации при температуре до , 60е С и Т — для эксплуатации при температуре до -J- 90 С. Например, обозначение реле типа ТКД-12ПД расшифровывается следующим образом: коммутационное реле тридцативольтовой серии для длительного режима работы с двумя переключающими контактами, рассчитанными
Ф26
Рис. 90. Реле типа РМУГ.
для коммутации тока 10 й(при индуктивной нагрузке ст = 0,015 сек). Реле серии ТКЕ предназначены для эксплуатации при окружающих температурах от —60 до +50' С (если верхний предел температуры не оговорен специально дополнительной буквой О или Т), относительной влажности до 98% при температуре 20° С, вибрациях в диапазоне частот от 10 до 200 гц с ускорением 5 g, линейных ускорениях до 8 g и атмосферном давлении до 41 мм рт. ст. Номинальное напряжение на обмотке и в цепи контактов 27 в, пределы рабочих напряжений от 24 до 30 в (для реле, рассчитанных на кратковременный режим работы, К, —от 16 до 30 в). При кратковременном режиме работы реле включаются на 5 мин, а затем выключаются до полного охлаждения. При переменном токе контакты могут коммутировать напряжение не более 220 в при cos <р 0,5 (нагрузка всех контактов должна быть подключена к одной и той же фазе). Срок службы контактов реле при индуктивной нагрузке Ю4 циклов. При активной нагрузке величина тока может быть увеличена примерно на 60%. Коэффициент возврата реле равен 0,09—0,15. Время срабатывания
116
реле при номинальном напряжении 10—14 мсек, время отпускания 2,4—3,5 мсек. Падение напряжения на контактах при номинальной нагрузке не более 0,09 в. Испытательное напряжение изоляции обмотки 500 в, контактов — 1500 в. Сопротивление изоляции реле не менее 100 Мом, при повышенной влажности 3 Мом. Реле типа ТКЕ (рис. 91) имеют магнитную систему клапанного типа Ш-образной формы. Неподвижные контакты из серебра припаяны к плоским выводным шинкам, запрессованным в изоляционную панель (цоколь)
Рис. 91. Реле типа ТКЕ.
из пластмассы. Магнитная система также крепится к этой панели двумя винтами. Подвижные контакты приклепаны к контактной пружине, укрепленной на якоре. Якорь возвращается в исходное положение с помощью цилиндрической спиральной возвратной пружины. Каркас катушки изготовлен из пластмассы. В дне чехла, отштампованного из алюминия, развальцованы две резьбовые втулки для винтов, крепящих реле к плате. Параметры реле серии ТКЕ приведены в приложении 13. Реле, предназначенные для кратковременного режима работы, потребляют примерно в два раза большую мощность при номинальном напряжении.
Реле типа РМ-4. Электромагнитное реле постоянного тока типа РМ-4 предназначено для коммутации цепей постоянного и переменного тока. Реле изготовляется с катушкой на номинальное напряжение питания 24 и ПО в постоянного тока, имеет четыре размыкающих и четыре замыкающих контакта. Максимальная величина
117
напряжения на разомкнутых контактах постоянного тока 110 в, переменного тока частотой от 50 до 400 гц 380 в. Величина тока, коммутируемого контактами, составляет при включении на постоянном токе 7 а, на переменном 10 а, при отключении на постоянном токе 0,6 а, на переменном 5 а. Время втягивания реле составляет 50 мсек, время отпускания 30 мсек. Переходное сопротивление контактов при протекании по ним тока не более 0,04 ом. Сопротивление катушки реле в холодном состоянии и температуре окружающей среды 20° С не менее 1200 ом для реле на номинальное напряжение ПО в и не менее 50 ом для реле на номинальное напряжение 24 в. Габаритные размеры реле приведены на рис. 92. Вес реле не более 370 г.
Рис. 92. Реле типа РМ-4.
Контакторы — это одноступенчатые аппараты, предназначенные главным образом для частых замыканий и размыканий электрических цепей. Контакторы широко используются для дистанционного управления электродвигателями и аппаратами в цепях переменного и постоянного тока при напряжении до 500 в. Судовые контакторы предназначены для работы при температуре окружающей среды от —40 до +40° С, относительной влажности 95 + 3% при температуре 25 + 2° С, в условиях вибрации и ударных сотрясений. Судовые контакторы рассчитаны для работы в следующих режимах: продолжительном, прерывисто-продолжительном, кратковременном, повторно-кратковременном с частотой от 600 до 1200 включений в час.
Классификацию контакторов можно провести по ряду признаков, в том числе:
1) по роду тока — постоянного и переменного тока;
2) по числу полюсов — одно-, двух- и трехполюсные;
3) по положению главных контактов — контакторы с замыкающими и размыкающими главными контактами или с различным сочетанием этих контактов;
118
4) по номинальному напряжению втягивающей катушки — 24; 110; 220; 320 в постоянного тока и 127; 220; 380 в переменного тока частотой 50 и 400 гц;
5) по номинальному току главных контактов, например, 10; 15; 25; 60; 100; 150; 200; 300; 350 ; 600 а и др.;
6) по наличию устройства для гашения дуги — контакторы с принудительным гашением дуги и контакторы без принудительного гашения дуги;
7) по назначению — на линейные контакторы для замыкания и размыкания силовых цепей двигателей и контакторы ускорения для шунтирования ступеней пускового сопротивления.
Основными узлами контактора являются: электромагнитный механизм, система главных контактов, дугогасительная система и блок-контакты.
Контакторы постоянного тока выполняются обычно одно- или двухполюсными. В контакторах постоянного тока широкое распространение получили электромагниты клапанного типа с вращением якоря на призме.
Для магнитных систем постоянного тока характерным является малая величина зазора между якорем и сердечником (8—10 мм). Раствор главных контактов составляет обычно 10—20 мм. Для увеличения раствора в клапанных системах контакты располагаются на большом рычаге. Используются увеличенные нажатия контактных пружин.
У контакторов постоянного тока для улучшения теплоотдачи катушки выполняются небольшого диаметра и большой длины. Тяговая характеристика электромагнита постоянного тока обычно трудно согласуется с противодействующей. Напряжение отпускания в контакторе постоянного тока обычно составляет 0,15—0,25 Д,.ом. Отношение напряжения отпускания к напряжению срабатывания называется коэффициентом возврата. Следовательно, контакторы постоянного тока имеют низкий коэффициент возврата.
Контакторы переменного тока в основном исполняются трехполюсными с замыкающими главными контактами. В некоторых судовых контакторах, например типа КМ2000 число главных контактов доходит до четырех.
Электромагнитная система контакторов состоит из сердечника, якоря, катушки и короткозамкнутого витка. Магнитные системы выполняются как поворотного типа — клапанные с сердечником III- и П-образной формы и поворачивающимся на оси якорем, так и прямоходовыми с сердечником, движущимся внутри катушки.
У магнитных систем переменного тока клапанного типа подвижные контакты можно располагать на меньшем расстоянии от оси вращения, чем якорь электромагнита. Вследствие более легких условий гашения дуги переменного тока раствор контактов выполняется небольшим, что позволяет приблизить контакт к оси вращения. В связи с этим оказывается возможным использовать увеличенное контактное нажатие и уменьшить скорость движения подвижных контактов.
119
Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитные системы изготовляются шихтованными — набираются из отдельных изолированных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм.
Дугогасительная система контакторов постоянного тока обычно выполняется в виде камеры с продольными щелями с применением магнитного дутья. Для контакторов переменного тока — в виде камеры со стальными дугогасительными пластинами или закрытой камеры с двойным разрывом дуги на каждый полюс.
Блок контакты (добавочные контакты) применяются для переключения в цепях управления, сигнализации и электрической блокировки. Выполняются они на токи не более 20 а и могут быть как замыкающими, так и размыкающими.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Для выполнения каких функций предназначен исполнительный элемент?
2. Какие электродвигатели постоянного и переменного тока применяются в качестве исполнительных элементов?
3. Какой принцип положен в основу работы электромагнитных муфт трения?
4. Какие бывают электромагнитные муфты?
5. Приведите классификацию различных типов реле, используемых в качестве исполнительных элементов.
6. Что такое коэффициент возврата?
7. Как работают электромагнитные реле?
8. Как конструктивно выполнено реле типа ТКЕ?
9. Опишите конструкцию дистанционного переключателя.
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
Устройства и системы автоматизации судовых электроустановок
Автоматизация процессов производства и управления является важнейшим направлением технического прогресса в народном хозяйстве. Развитие автоматизации идет от разработок систем управления отдельными установками к созданию сложных систем управления целыми комплексами.
Данный раздел посвящен рассмотрению построения систем автоматического регулирования и управления. Приводятся характеристики типовых звеньев систем автоматического регулирования и методы определения устойчивости систем.
Изложены также основные сведения о ряде унифицированных устройств электроавтоматики на судах, системах синхронной связи, системах управления первичными двигателями, системах управления и контроля судовыми электростанциями, а также об автоматических вычислительных машинах.
ГЛАВА VII
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
§ 38
Общие сведения
Системы автоматического регулирования служат для поддержания требуемых режимов работы электроустановки, а также для изменения этих режимов по заданной программе. В данной главе рассматриваются основы теории автоматического регулирования, иллюстрируемые конкретными примерами.
Системой автоматического регулирова-н и я называется комплекс устройств или устройство, которое без непосредственного участия человека осуществляет функции контроля и управления процессом, воздействующим на некоторую физическую величину с целью поддержания количественного значения этой величины равным заданному значению с требуемой степенью точности. Система автоматического регулирования состоит из регулятора и регулируемого объекта. Регулятор содержит все средства, обеспечивающие регулирование, не принадлежащие непосредственно регулируемому объекту.
В судовых электроустановках такими системами являются системы автоматического поддержания напряжения, частоты, скорости вращения и т. п. Системы автоматического регулирования могут быть линейными и нелинейными. Если все элементы системы имеют линейные характеристики, т. е. если в каждом из элементов, входящих в систему автоматического регулирования, можно считать выходную величину прямо пропорциональной входной (или ее производной, или интегралу), то такая система в целом называется линейной. Системы, в элементах которых указанная пропорциональность нарушена, называются нелинейными. Имеется весьма широкий класс нелинейных систем (например, регуляторы релейного действия, системы, имеющие нелинейные элементы с люфтом или значительным трением, насыщением и ряд других), нашедших широкое практическое применение в судовых электроустановках. На графиках нелинейных элементов зависимость выходной величины от входной изображается кривой или ломаной линией (см. рис. 3, 16, 18 и т. д.).
Теория и методы расчета нелинейных систем весьма сложны, в связи с этим в рамках настоящего учебника рассматриваются лишь линейные системы, а влияние отдельных наиболее распространенных нелинейностей оценивается лишь с качественной стороны. Обычно в системах автоматического регулирования отклонения всех величин от установившегося значения невелики. В этом случае
123
при расчетах действительную характеристику элемента заменяют отрезком прямой, касательной к характеристике в точке, соответствуют щей установившемуся значению, и рассматривают систему как линейную. Такая замена действительной характеристики отрезком прямой называется линеаризацией.
§ 39
Типовые звенья систем автоматического регулирования и их характеристики
Как было отмечено выше, система автоматического регулирования любого типа состоит из отдельных элементов, отличающихся друг от друга функциями, выполняемыми в данной системе. Существует большое разнообразие элементов, которые отличаются друг от друга конструктивным выполнением, принципом работы, устройством схемы. Однако многие элементы, их части и узлы, состоящие из нескольких элементов, на первый взгляд совершенно отличные по конструктивному выполнению, имеют одинаковый переходный процесс, который показывает, как выходная величина достигает своего установившегося значения при скачкообразном изменении величины на входе элемента, его части или узла [32]. Такие элементы, их части и узлы, различаемые по реакции на входную величину, называют звеньями. Разделение системы автоматического регулирования на звенья помогает при составлении уравнений системы, упрощает ее анализ и разработку.
Процессы в системах автоматического регулирования описываются дифференциальными уравнениями. Для удобства составления этих уравнений, их исследования и решения обычно пользуются операционным исчислением. При этом дифференциальные уравнения подвергаются так называемому преобразованию Лапласа, в результате которого дифференциальное уравнение с заложенными в него переменными преобразуется в алгебраическое уравнение, содержащее изображения, или образы, этих переменных, те же постоянные коэффициенты и операторы р. Умножение образа переменной на оператор р соответствует операции дифференцирования этой переменной во времени, а деление — операции интегрирования. По отношению к своему изображению переменная называется оригиналом. Изображения некоторых функций показаны в табл. 12.
Любое звено системы автоматического регулирования и система в целом характеризуются передаточной функцией k (р), представляющей собой отношение изображения выходной величины звена (системы) к изображению входной величины.
При исследовании систем автоматического регулирования часто рассматривают реакцию системы и соответствующих ее звеньев на входную величину, изменяющуюся синусоидально с различной частотой. Реакция звена (или системы) на такую величину в зависимости от частоты определяется частотной характеристикой этого звена (системы). Частотная характеристика показы-124
Оригиналы и изображения некоторых функций
Таблица 12
Наименование Оригинал f (/) Изображение <p (p)
Единичный импульс 1 p
Равномерное нарастание величины t 1 p
Экспоненциальная функция eat e~at 1 -e~al p p — a P P + a 1 P/a + 1
Тригонометрические функции sin tut cos (at cos (co< — ф) pco p2 + co3 p2+ co2 p2 cos cp + pco sin <p p2+co2
Производная по времени при нулевом начальном значении функции при f (0) = 0 и f (/), соответствующем Ф (P) РФ (p)
• Производная по времени при ненулевом начальном значении функции "рИ HO) = л и /(/), соответствующем Ф(Р) РФ (p) — pA
вает отношение амплитуд величин на выходе и входе, а также разность фаз между этими величинами в функции частоты. Частотную характеристику получают из передаточной функции заменой оператора р на /со. Модуль полученного выражения показывает отношение амплитуд и называется амплитудно-частотной характеристикой А (со). Аргумент отражает зависимость разности фаз от частоты и называется фазочастотной характеристикой <р (со).
Рассмотрим основные типовые звенья.
Безынерционное звено. Безынерционными звеньями могут быть: рычаг, редуктор, электронная лампа, делитель напряжения (рис. 93, а) и ряд других приборов. Выходная величина в безынерционном звене достигает установившегося значения немедленно при
125
подаче входного сигнала. Зависимость между входной и выходной величинами этого звена может быть выражена графически (рис. 93, б).
Аналитически эта зависимость выражается уравнением
-*-ВЫХ --- AtBx. ( 15)
Из графика видно, что при скачкообразном изменении входной
величины хвх выходная величина °)
без запаздывания повторяет изменения входной. Амплитудно-частотная характеристика безынерционного звена представляет собой горизонтальную прямую, фазочастотная характеристика совпадает с осью абсцисс.
Инерционное или апериодическое звено. В таком звене
Рис. 93. Потенциометр как безынерционное звено: а — схема включения; б — график переходного процесса; в—амплитудно-частотная характеристика.
выходная величина после скачкообразного изменения входной достигает установившегося значения в течение некоторого времени, приближаясь к установившемуся состоянию монотонно.
Зависимость между выходной и входной величинами инерционного звена показана на рис. 94, а. Из графика видно, что при подаче на вход звена скачкообразного сигнала выходная величина изменяется по экспоненциальной кривой, запаздывая по отношению к входной. Аналитически эта зависимость выражается уравнением
где Т — постоянная времени звена.
После решения это уравнение будет иметь вид
*вых = kxDX (i — е *'т).
126
Передаточная функция зЯена Выразится так:
k
k(p) = -^ = -
Хвх 1 + Pl
(16)
Инерционными звеньями могут быть: контур индуктивность — сопротивление (LR), контур сопротивление — емкость (RC), двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, двухфазный индукционный двигатель и др.
Рис. 94. Инерционное звено: а—график переходного процесса; б—амплитудно-частотная характеристика.
Интегрирующее звено. Интегрирующим называется звено, в котором при подаче на вход скачкообразного входного сигнала выходная величина с течением времени непрерывно увеличивается по линей
Рис. 95. Интегрирующее звено: а —график переходного процесса; б—амплитудно-частотная характеристика.
ному закону. Графическое изображение такой зависимости показано на рис. 95, а. При скачкообразном входном сигнале выходная величина с течением времени непрерывно увеличивается. Другими словами, выходная величина является интегралом входной величины:
127
л‘вых — k J xDX dt. Если это выражение продифференцировать, то получим уравнение звена в дифференциальной форме:
1 rf-^ВЫХ _
k dt ~Хвх
или в операторном виде:
*вх — £ РХвых-
Передаточная функция равна
Хък Р
(17)
Примером интегрирующих звеньев могут быть: конденсатор, в ко-
тором заряжающий его ток I является входной величиной, а на-
Рис. 96. Схема интегрирующего звена.
пряжение U на обкладках — выходной (рис. 96); электродвигатель, если пренебречь значениями электромеханической и электромагнитной постоянных времени, и другие устройства.
Колебательное звено. В этом звене выходная величина достигнет установившегося значения спустя некоторое время после скачкообразного изменения входного сигнала, причем приближение выходной величины к установившемуся значению носит колебательный харак
тер.
Графически переходный процесс в колебательном звене определяется степенью успокоения (рис. 97).
Уравнение этого звена будет иметь следующий вид:
1 ^2Хвых । 2е ЙЛ'вых । „ ___ /,,,
to2 dt* ~ <оо dt ЕЬ,Х “ Хвх’
где а»о — собственная частота неуспокоенных колебаний, рад!сек\ е — степень успокоения.
Передаточная функция равна
£(?) =
k
Если со = ю0, то А (со) = k/2e.
Если е > 1, то переходный процесс апериодический, колебания будут отсутствовать.
Если 0 < в < 1, то переходный процесс протекает в виде затухающих колебаний (см. рис 97, а), и частота колебаний выражается так:
СО = 100 [ 1 — в2.
128
Если е = 0, то колебания затухать не будут (см. рис. 97, б) и могут продолжаться как угодно долго (случай теоретический). Это значит, что сопротивление цепи обратилось в нуль, в системе нет потерь энергии.
Рис. 97. График переходных процессов в колебательном звене системы автоматического регулирования: а — затухающие колебания; б — незатухающие колебания; в — расходящиеся колебания; г — переходный процесс для критического случая.
Если е < 0, то колебания становятся нарастающими (см. рис. 97, в). В контур извне поступает энергия, идущая на увеличение колебаний.
Случай, когда е = 1, называется критическим. Он является граничным между апериодическим и колебательным затухающими процессами (см. рис. 97, г).
Примером таких звеньев может служить контур, включающий элементы L, С и R, или механическое звено (рис. 98).
9 В. Г. Самойлов
129
Дифференцирующее звено. Это такое звено, в котором выходная величина является производной от входной:
_ < dxBK
ЛВЫХ - /с
и передаточная функция равна
k(p) = -^ = pk.
Лвх
(18)
Графически переходный процесс для такого звена показан на рис. 99.
Примером идеального дифференцирующего звена может служить контур RC, зарядный ток которого — выходная величина, пропорциональная производной приложенного напряжения
1 = С^.
at
Нужно иметь в виду, что в реальных дифференцирующих звеньях выходной величиной служит не ток, а падение напряжения, создавае
Рис. 98. Колебательное звено: а — контур RLC- б — амплитудно-частотная характеристика колебательного звена при различных значениях степени успокоения.
мое зарядным током контура и снимаемое с резистора. Аналогичным свойством обладает контур, состоящий из индуктивности и резистора.
Дифференцирующие звенья пропускают не постоянную величину, а только производную входной величины.
Если требуется передать одновременно производную сигнала и сам сигнал, то такую задачу может решить звено, указанное на 130
рис. 100. В таком звене конденсатор шунтирован резистором. Передаточная функция такого звена равна
(19>
где
Тс — постоянная времени звена;
а — коэффициент ослабления, а<1.
Рис. 99. Дифференцирующие звенья (а) и график переходного процесса (б).
Зная уравнения отдельных звеньев, нетрудно перейти к составлению уравнения, характеризующего всю систему автоматического регулирования.
Пример составления дифференциального уравнения системы. Для примера рассмотрим составление дифференциального уравнения системы, которая показана в виде структурной схемы (следящий привод) на рис. 101, а. Исполнительным элементом в схеме является двухфазный асинхронный двигатель, чувствительным элементом — сельсины. Усилитель электронный.
Напишем уравнения для каждого звена.
9* 131
1. Уравнение сельсина-приемника с сельсином-датчиком как безынерционного звена:
ив = К (бп - ед),
•где /гх — крутизна характеристики сельсина-приемника;
0П — угловое перемещение ротора сельсина-приемника;
Од — угловое перемещение ротора сельсина-датчика;
Ue — выходное напряжение.
Передаточная функция равна k± (р) = kY.
2. Уравнение электронного усилителя как безынерционного звена:
Нвых —
где k2— коэффициент усиления усилителя.
Рис. 101. Структурная схема следящего привода.
1 — сельсины; 2 — усилитель; 3—двигатель;
4 — редуктор и вал управляемого объекта; 5 — объект регулирования.
Рис. 100. Схема звена, передающего сигнал и его производную.
Передаточная функция усилителя равна /г2 (р) = k2. 3. Уравнение исполнительного двигателя:
_ ^26дв ^бдв
71 dt- dt
^3^вых>
где Ti — механическая постоянная времени двигателя, нагруженного через редуктор объектом управления;
0Дв — угловое перемещение вала двигателя.
Передаточная функция исполнительного двигателя равна k3 (р) = = k^Tp* + р).
4. Уравнение редуктора
где i — передаточное число редуктора.
Передаточная функция редуктора равна /г4 (р) = 1//.
Определим сначала передаточную функцию для разомкнутой системы. Будем считать, что сельсин-датчик отделен от вала* объекта управления и вал сельсина-датчика заторможен в положении 0д = 0 При этом контур, показанный на структурной схеме (см. рис. 101, б), будет разомкнут по линии, соединяющей со звеном 1,
132
Структурная схема разомкнутой системы имеет вид ряда последовательно включенных звеньев. Передаточная функция такой системы равна произведению передаточных функций последовательно включенных звеньев:
4- 21^5
k (р) = /г± (р) /г2 (р) кя (р) /г4 (р) - -Тр2+'р = сгр+Вр '
Соответственно уравнение разомкнутой системы в операторной форме будет иметь вид
(Тр+1)рхв,.,х = ^хвх.
Безусловно, разомкнутая система неработоспособна: при любом Хвх ¥= 0 она будет бесконечно изменять угол поворота вала объекта управления. Замкнем систему, присоединив сельсин-датчик к валу объекта управления. Теперь 0д =£ 0, 0д = хВЬ1х и в уравнение системы вместо хвх следует подставить хвх — хвЬ1х:
{Тр + 1)рхВь1Х = (хвх — хвых).
Перенося члены, содержащие хвЫх, в левую часть, получим уравнение замкнутой системы:
( Тр2 + р + \ х = -^1хвх.
1 * 1 I 1 £ 1 DdIA £ DA
Соответственно передаточная функция замкнутой системы равна
k3 (Р) =
i
TfP + p+ k^ka
Уравнение ошибки системы выразится так: 0 = 0ВХ — 0вЫх.
В общем виде передаточные функции замкнутой и разомкнутой систем связаны соотношениями:
^з(Р)
k(p) 1-М(р);
Л(р)
ks (р)
1 — *3 (р) ’
где ks (р) — передаточная функция замкнутой системы;
k (р) — передаточная функция разомкнутой системы.
Уравнение замкнутой системы может быть определено по передаточной функции разомкнутой системы
И (р) + 1J *сь.х = k (р)
133
§ 40
Анализ устойчивости систем автоматического регулирования
Выше указывалось, что основным требованием, которому должна удовлетворять система автоматического регулирования, является ее устойчивость.
Нарушаться устойчивость может по самым разнообразным причинам: от изменения напряжения питающего источника и заданного значения скорости; от внешних возмущений, которые могут носить постоянный и переменный характер.
При скачкообразном характере возмущения система автоматического регулирования не может работать тоже скачкообразно, а будет переходить из одного устойчивого состояния в другое по определенному закону, характеризующему систему регулирования.
Закон регулирования может быть апериодическим или колебательным. В первом случае регулируемая величина изменяется плавно и не переходит через новое значение. Во втором случае регулируемая величина приходит к новому значению по колебательному закону, становясь на некоторое время то больше, то меньше.
Если система регулирования, реагируя на внешнее возмущение, перейдет к новому положению без колебаний или с несколькими затухающими колебаниями, то такая система регулирования называется устойчивой.
Неустойчивой называется такая система автоматического регулирования, которая при отработке нового значения параметра будет совершать колебания неопределенно долго с постоянной или возрастающей амплитудой. В неустойчивых системах весьма малые возмущения могут вызвать очень большую ошибку регулирования. Практически к неустойчивым откосятся и такие системы, колебания в которых в переходном режиме затухают длительное время, вследствие чего использование их становится невозможным. Значительная инерционность систем также приводит к неустойчивой работе. В этом случае происходит, например, отставание по времени изменения вращающего момента исполнительного двигателя от соответствующих изменений ошибок. Вследствие этого угол рассогласования, а значит, и ошибка регулирования увеличиваются.
На устойчивость регулирования оказывают влияние некоторые параметры. Например, при определенном значении коэффициента усиления k система может работать устойчиво, а при увеличении k до некоторого значения может потерять свою устойчивость. Такая система называется структурно-устойчивой. Систему, которая не может быть устойчивой ни при каких значениях своих параметров, называют структурно-неустойчивой.
Анализ устойчивости системы регулирования в процессе проектирования приобретает первостепенное значение. Расчетом выясняется степень воздействия выбранного стабилизирующего устройства на систему, влияние того или иного параметра на работу всей системы И т. д.
Г34
Для устойчивости системы требуется, чтобы все корни характеристического уравнения имели отрицательную вещественную часть, что указывает на затухание процесса. Это значит, что нужно составить общее дифференциальное уравнение исследуемой системы, составить соответствующее характеристическое уравнение, решить его и по полученным корням сделать заключение об устойчивости системы. Напомним, что характеристическим уравнением называют алгебраическое уравнение, получаемое заменой в левой части дифференциального уравнения символов дифференцирования множителем р в соответствующей степени и приравниванием правой части нулю, причем р являются корнями характеристического уравнения. Так, характеристическое уравнение рассмотренной в § 39 системы имеет вид
Тр2 + р -р _ 0
Корни этого уравнения равны
п ______Li 1/-1_____М?*3 п —_________!___|/~*____Л1Мз
Pi 2Т “г V 4Т2 iT ~ 27 Г 4Т1 iT '
Как видно, при любых значениях коэффициента усиления рассматриваемой системы и постоянной времени Т оба корня имеют отрицательные вещественные части, следовательно, система устойчива при любых значениях своих параметров. При —
корни уравнения вещественные и переходный процесс будет аперио-дияеским, при корни уравнения сопряженные ком-
плексные и переходный процесс будет иметь вид затухающих колебаний.
Однако некоторые практические системы автоматических регуляторов бывают очень сложными, они могут иметь такие звенья, для которых затруднительно выразить аналитически переходный процесс. Их характеристики получают только экспериментально. Дифференциальные уравнения сложных систем описываются весьма высокими степенями, и решение их затруднено. Поэтому в современной теории автоматического регулирования для определения устойчивости разработаны критерии устойчивости — правила проверки сложных дифференциальных уравнений. Использование их позволяет избежать решения сложных дифференциальных уравнений.
Для определения устойчивости автоматической системы регулирования составляется дифференциальное уравнение движения системы, и применяется к нему один из критериев устойчивости. Это позволяет решить вопрос — устойчива или неустойчива система автоматического регулирования без сложных математических операций.
Рассмотрим один из наиболее распространенных критериев устойчивости — амплитудно-фазовый.
135
Рис. 102. Амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы.
1 — устойчивая система; 2 — неустойчивая система.
Амплитудно-фазовый критерий устойчивости. Сущность амплитудно-фазового критерия устойчивости заключается в том, что замкнутая система автоматического регулирования для исследования разрывается в какой-либо точке, например, между приемником и редуктором регулируемого объекта (см. рис. 101), как это было выполнено при определении передаточной функции разомкнутой системы в § 39.
Аналогично определяется передаточная функция любой разомкнутой системы. Если в передаточных функциях замкнутой и разомкнутой систем символ дифференцирования р заменить на /<о, то выражения амплитудно-фазовых характеристик замкнутой и разомкнутой систем будут, соответственно, К3 (/со) и К (ja).
Если допустить, что частота со будет изменяться от нуля до бесконечности, то соответственно будет изменяться соотношение амплитуд и фаз выходных сигналов по отношению _ко входу. На основании этого можно построить на комплексной плоскости кривую, представляющую собой амплитудно-фазовую характеристику разомкнутой системы. Амплитудно-фазовый критерий устойчивости на основании построения амплитудно-фазовой характеристики разомкнутой системы позволяет судить об устойчивости системы.
Построенная кривая является геометрическим местом точек концов отрезков К (/’со) на комплексной плоскости, которые получаются при различных значениях частоты ш, т. е. каждой точке кривой К (/со) соответствует определенное значение частоты. Такая кривая называется годографом К
Если замкнутая система находится на границе устойчивости, то годограф передаточного коэффициента разомкнутой системы должен пройти через точку, имеющую координаты —1 по горизонтальной оси и 0 по вертикальной оси. Это будет означать равенство амплитуд входной и выходной величин при сдвиге фаз между ними, равном л.
Если устойчивость системы улучшается путем изменения какого-либо параметра системы, то годограф будет проходить мимо этой точки, а если, наоборот, устойчивость системы ухудшится, то годограф К (/со) будет охватывать эту точку. Оценка устойчивости автоматического регулирования с помощью амплитудно-фазовых характеристик производится по следующему критерию. Замкнутая система автоматического регулирования устойчива, если амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы, построенная на комплексной плоскости, при всех изменениях частоты со от нуля до бесконечности не охватывает точки с координатами —1, jO; если же амплшпудно-
136
фазовая характеристика охватывает эту точку, то система в замкнутом состоянии будет неустойчива.
На рис. 102 построена амплитудно-фазовая характеристика устойчивой (кривая /) и неустойчивой (кривая 2) систем.
Критерий Михайлова. Для исследования устойчивости систем автоматического регулирования широко применяется также критерий Михайлова, который особенно прост и удобен для использования. Он основан на следующих рассуждениях. Устойчивость системы определяется свободным движением системы, т. е. таким движением, какое она совершает при неизменном значении хвх. Такое движение описывается дифференциальным уравнением без правой части:
(аорп + а1рп'1 Ч-----И ап_хр + ап) хвЫх = 0,
соответствующее характеристическое уравнение имеет вид
аор'1 + Ч------------1- ап_1р Ч- ап = 0.
Заменяя в уравнении р на (/со), получим
ап (j<o)n Ч- (/м)'1-1 Ч--h cz„_i (/со) Ч- ап = 0.
Последнее выражение комплексное, все члены с четными показателями степени будут представлять собой действительную часть, а члены с нечетными показателями степени — мнимую часть.
Если зададимся разными значениями угловой скорости со в уравнении, то получим ряд точек на комплексной плоскости. Ординаты этих точек будут представлять мнимую часть выражения, а абсциссы— действительную часть. Следовательно, изменяя со от нуля до бесконечности на комплексной плоскости, получим кривую, которая называется характеристической кривой, или годографом Михайлова. Вектор, конец которого описывает характеристическую кривую, называется характеристическим вектором. В устойчивых системах он никогда не равен пулю.
Характеристический вектор монотонно поворачивается против стрелки часов (в положительном направлении) на угол лт/2, где т — порядок характеристического уравнения. Критерий Михайлова, определяющий устойчивость системы, можно сформулировать так: система будет устойчивой, если характеристическая кривая при изменении угловой скорости ы от нуля до бесконечности последовательно пересечет в положительном направлении такое количество четвертей комплексной плоскости (не пропуская ни одной), какое соответствует степени уравнения системы.
Для ряда устойчивых систем автоматического регулирования с разным порядком дифференциальных уравнений характеристические кривые будут иметь вид, показанный на рис. 103. Из характеристических кривых видно, что устойчивость системы зависит от коэффициента усиления /г.
Если система неустойчива, то характеристическая кривая, минуя вторую четверть, попадет в третью четверть (рис. 103, б). В итоге можно сделать следующий вывод: для того чтобы определить устой
137
чивость системы автоматического регулирования с помощью критерия Михайлова, необходимо:
1) составить дифференциальное уравнение движения замкнутой системы;
2) найти характеристическое уравнение свободного движения системы, для чего в уравнении правую часть приравнять к нулю;
3) заменить символ производной р на /со;
4) отделить действительную часть от мнимой;
5) задаться разными значениями <о (от нуля до бесконечности) и
Рис. 103. Характеристические кривые (годографы Михайлова) устойчивой (а) и неустойчивой (б) систем.
6) по характеру годографа сделать выводы об устойчивости системы.
Существуют и другие способы определения устойчивости, например, алгебраический критерий Рауса—Гурвица и определение области устойчивости методом D разбиения, однако в данном курсе они не рассматриваются.
§ 41
Общие сведения о надежности систем автоматики
Надежность является основным качественным показателем систем автоматики и определяется надежностью отдельных блоков и элементов, входящих в данную систему.
Под надежностью понимается свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Надежность обусловливается целым рядом факторов, например безотказностью, ремонтопригодностью и долговечностью.
Безотказность — это свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов.
Наработка — это продолжительность или объем работы изделия в часах или других единицах.
138
Работоспособность — это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации.
Ремонтопригодность определяет свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.
Долговечность — это свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.
Чтобы оценить надежность количественно, вводится понятие «отказ». Отказом называется такая неисправность, без устранения которой невозможно дальнейшее выполнение аппаратурой всех или хотя бы одной из ее основных функций. Отказы могут быть полными и частичными, внезапными, постепенными, зависимыми и независимыми .
Внезапный отказ возникает в результате скачкообразного изменения какого-либо параметра; элемент схемы при этом теряет свойства, необходимые для обеспечения нормальной работы аппаратуры. К таким отказам относятся: пробой изоляции, короткое замыкание, перегорание предохранителей и др.
Причинами внезапных отказов могут быть конструктивные недоработки, скрытые производственные дефекты, нарушение правил эксплуатации и различные внешние воздействия, не свойственные нормальной эксплуатации (удары, вибрация, перегрев и др.). Подобные отказы возникают чаще всего в начальный период эксплуатации системы или элемента.
Постепенный отказ возникает в результате постепенного изменения какого-либо параметра элемента, при этом элемент теряет свои рабочие свойства (например, изменение емкости конденсаторов, величины сопротивления, параметров транзисторов, понижение эмиссии электронной лампы и др.).
Если отказ какого-либо элемента в системе не послужил причиной отказа других элементов, то такой отказ называется независи-м ы м. Если отказ появился в результате отказа других элементов, то такой отказ называется зависимым. Основной количественной характеристикой надежности является интенсивность (опасность) отказов, называемая также Z-x а р а ктер ист и -кой. Она статистически определяется из выражения
ъ — п Nit
(20)
где п — число систем (элементов), отказавших в течение времени /; Nt — число систем (элементов), работоспособных к началу этого промежутка времени.
Х-характеристина показывает, какая часть элементов по отношению к среднему числу исправно работающих элементов выходит из строя в единицу времени (обычно за час).
139
На рис. 104, а приведена типичная кривая изменения интенсивности отказов аппаратуры в зависимости от времени. Данная кривая имеет три характерных участка:
1. У ч а с т о к приработки (от нуля до /,), характеризуется повышенной интенсивностью внезапных отказов, которые
. являются следствием несовершенства техно-
Рис. 104. Кривая интенсивности отказов элементов автоматики (а) и схемы общего (б) и раздельного (в) резервирования.
сивность отказов уменьшается, так как период приработки закончился, а износ элементов еще не наступил. Вероятность безотказной (нормальной) работы элемента на этом участке определяется законом Пуассона (законом редких явлений).
3. Участок старения (от и далее) характеризуется новым Нарастанием интенсивности отказов, являющихся результатом старения или износа элементов.
На участке нормальной работы при X = const между интенсивностью отказов и средним временем исправной работы аппаратуры 7’ср существует следующая зависимость:
Л =
1 ср
Если известно число элементов, отказавших на каждом интервале времени, то Тср можно определить по формуле
m
У| i
гтл _ 1=1
1СР~ ~ N ’
140
где nt — число элементов, вышедших из строя в /-м интервале; т — число интервалов;
t ti-x + ti
‘cpi — 2 ’
ti_t — время начала /-го интервала;
— время конца /-го интервала;
N — общее число испытываемых элементов.
Среднее время исправной работы удобно для оценки надежности простых элементов, работающих в одинаковых условиях, и не ремонтирующихся после отказа.
Для оценки надежности систем автоматики удобно пользоваться понятием вероятности безотказной работы Ро за определенный интервал времени эксплуатации /рзб
Ро = е Л/раб.
(21)
С учетом выражения для X
^раб
Р0 = е гсР .
Данйое уравнение выражает экспоненциальный закон надежности. При последовательном соединении элементов надежность системы в целом зависит от надежности каждого из элементов и равна произведению надежности всех входящих в систему элементов. Так, надежность п элементов при вероятности безотказной работы каждого элемента Pi будет равна
(22)
Ро = Р",
т. е. с ростом числа элементов надежность системы падает. Однако увеличивать вероятность исправной работы системы за счет сокращения числа элементов не всегда возможно, так как трудность решаемых задач влечет за собой усложнение системы. В связи с этим особое значение приобретает проблема создания надежной системы из менее надежных элементов за счет резервирования. Различают общее и раздельное резервирование (рис. 104, б и в). По способу включения резервирование можно разделить на постоянное и заменяющее. При постоянном резервировании резерв всегда находится в рабочем режиме, при заменяющем резервировании резерв включается автоматически или вручную после отказа основного элемента.
Недостаток постоянного включения резерва заключается в том, что при выходе из строя одного из элементов изменяются режимы резервируемого узла системы и всех остальных параллельно включенных элементов.
Включение резерва методом замещения требует определенного времени для замены вышедшего из строя элемента после подачи соот
141
ветствующего сигнала. Для сокращения этого времени заменяющий резерв может находиться в полурабочем состоянии (горячий резерв).
Общая надежность системы Ровщ при резервировании определяется следующим образом:
= 1 - (1 - РУ",
где Р — надежность отдельной цепи;
т — число резервных цепей.
Резервирование является одним из наиболее эффективных средств повышения надежности системы, однако при этом значительно усложняется конструкция, увеличиваются габариты и вес системы в целом. Резервирование следует применять в тех случаях, когда исчерпаны все другие способы повышения надежности.
В связи с этим особо важное значение приобретают вопросы повышения надежности на различных стадиях создания систем автоматики. Следует отметить, что вопросы надежности систем автоматики имеют не только техническое значение, но и являются важной экономической проблемой. Эксплуатация сложных и ненадежных систем автоматики сопряжена с большими расходами на содержание высококвалифицированного обслуживающего персонала, на профилактические осмотры и ремонт.
Усложнение систем автоматики, повышение требований точности и растущая скорость решаемых задач обусловили трудности эксплуатации систем.
Следует иметь в виду, что профилактика, оптимальная по одному параметру, может оказаться неоптимальной по другому.
Эффективность профилактических мероприятий может быть оценена по ряду критериев. Для ремонтопригодных систем такими критериями могут быть: интенсивность потока отказов, время восстановления работоспособности системы; расходы на обслуживание системы; условный доход от проведения профилактики на единицу полных затрат (стоимость новой системы, эксплуатации и ремонта) и ряд других.
Выбор тех или иных критериев зависит от целого ряда факторов. Одним из наиболее важных критериев является интенсивность потока отказов системы. При анализе системы можно выделить поток случайных отказов, поток отказов из-за износа элементов; поток отказов из-за разрегулирования системы; поток послепрофилактиче-ских отказов. Среди потоков отказов из-за износа элементов и регулирования системы можно выделить преобладающий, который и определит периодичность профилактических осмотров систем автоматики на судне.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение системы автоматического регулирования.
2. С какой целью введена классификация звеньев системы по динамическим свойствам?
3. Перечислите основные динамические звенья и напишите их передаточные функции
4. Какую форму будет иметь переходный процесс в колебательном звене, если корни его характеристического уравнения мнимые?
142
5. В каком случае дифференцирующее звено называют идеальным?
6. При каком условии электрический двигатель можно рассматривать как интегрирующее звено?
7. Как определить срок службы системы автоматики?
8. Как определяется устойчивость системы автоматического регулирования с помощью амплитудно-фазовых характеристик?
9. Как составляются дифференциальные уравнения системы автоматического регулирования?
ГЛАВА VIII
СУДОВЫЕ СИСТЕМЫ СИНХРОННОЙ связи
§ 42
Общие сведения
В системах автоматизации судовых электроустановок широкое применение получили системы синхронной связи, осуществляющие различного рода сигнализацию, измерения, передачу команды, участвующие в автоматическом управлении и регулировании.
Синхронной связью называется совокупность электрически связанных механизмов, обеспечивающих одновременное перемещение нескольких механически не связанных между собой деталей на равные или пропорциональные величины.
В состав синхронной связи входят следующие основные элементы: чувствительный элемент (датчик), преобразующий угол поворота вала в соответствующие ему электрические сигналы; преобразующее устройство (приемник), воспринимающее электрические сигналы чувствительного элемента для их последующего преобразования в угол поворота управляемого вала; линия связи, служащая для передачи электрических сигналов от датчика к приемнику. Линия связи может быть проводной и беспроводной. Перемещения датчика и приемника могут быть как угловыми, так и линейными. На практике чаще применяются синхронные связи с угловыми перемещениями.
По величине моментов, развиваемых приемниками, синхронные связи делятся на индикаторные, не несущие механической нагрузки и обеспечивающие только синхронный поворот стрелки; маломощные, осуществляющие синхронный поворот с небольшим моментом, и силовые, создающие значительные вращающие моменты.
По характеру передачи угловой величины синхронные связи делятся на и м п у л ь с н ы е и плавные.
Из
Импульсная синхронная связь представляет собой систему, в которой передача угловой величины осуществляется отдельными равными и короткими импульсами тока. Вращение осей приемников такой системы, вследствие применения фиксаторов положения, происходит скачкообразно.
Плавная синхронная связь осуществляет передачу плавным вращением осей датчиков и приемников. По роду питания синхронные связи различают постоянного и переменного тока. По принципу действия синхронные связи делятся на и м п у л ь с н ы е и индукционные.
Основным элементом индукционной синхронной связи, как уже говорилось выше, является специальная электрическая машина — сельсин. Слово сельсин означает самосинхронизирующийся. Иногда вместо термина «сельсин» применяются равнозначные ему термины «самосин» и «автосин». В общей схеме синхронной связи сельсин может быть либо датчиком, либо приемником. Устройство и принцип работы контактных и бесконтактных сельсинов были рассмотрены в гл. II
В связи с эксплуатацией синхронных связей в судовых условиях к ним предъявляется ряд специфических требований:самосинхронизация системы; высокая точность синхронной передачи; большая надежность в работе и живучесть системы; независимость работы приемников от нагрузки и исправности других приемников системы; большая скорость передачи; бесшумная работа; длительность непрерывной работы системы и большой срок службы; возможность подключения к датчику максимального количества приемников; малое количество проводов в линии связи; полное отсутствие скользящих и обрывающихся контактов или возможно меньшее их количество; простота устройства и обслуживания элементов и отдельных приборов, входящих в систему синхронной связи, минимальные габариты, вес и стоимость.
§ 43
Индикаторный и трансформаторный режимы работы сельсина в синхронной связи
В системах синхронной связи сельсины используются для выполнения функций как передачи некоторой угловой величины на расстояние, так и для измерения угла рассогласования в следящих системах. В первом случае они работают в индикаторном режиме, во втором — в трансформаторном. Рассмотрим схему соединения сельсина-датчика и сельсина-приемника, образующих индикаторную систему передачи показаний.
Как видно из рис. 105, к обмоткам возбуждения сельсинов подведен переменный ток, который наводит э. д. с. в трехфазных обмотках (роторе) сельсинов. Значение этих э. д. с. зависит от расположения той или иной обмотки ротора относительно обмотки возбуждения. Если ротор приемника и ротор датчика расположены одинаково относительно своих обмоток возбуждения, то э. д. с. в роторных обмотках датчика и приемника уравновешиваются и сила тока в обмотках роторов будет равна нулю.
144
При повороте ротора датчика на угол 6ВХ относительно своей обмотки возбуждения, а ротора приемника на угол 6вЬ1х (бвх =£ 6БЫХ), э. д. с. в обмотках вторичной цепи датчика и приемника будут различными по величине. Таким образом, при наличии угла рассогласования между осями приемника и датчика в обмотках их роторов возникает уравнительный ток. Данный ток создает на обоих сельсинах синхронизирующий момент, который обеспечивает поворот ротора приемника в положение, при котором угол рассогласования будет равен нулю. При этом и уравнительные токи достигают нулевого значения.
| На рис. 106 приведена схема соединения сельсшюв, работающих в трансформаторном режиме. Так как однофазная обмотка возбужде-
Рис. 105. Работа сельсинов в инди- Рис. 106. Работа сельсинов в трансфор-каторном режиме. маторном режиме.
ния сельсина-датчика питается переменным током, то в трехфазной обмотке ротора датчика наводятся переменные э. д. с., которые и возбуждают напряжения в обмотках ротора ссльспна-приемника. Последние создают в однофазной обмотке сельсина-приемника переменное напряжение (7вЫх. Ротор сельсина-приемника неподвижен, следовательно, он работает в трансформаторном режиме. Входной величиной в этом случае является угол поворота оси сельсина-датчика, а выходной — напряжение однофазной обмотки сельсина-приемника. При повороте ротора сельсина-приемника на 90°, как это показано на рис. 106, напряжение (7вЫх 0. При этом считают, что угол рассогласования между осями сельсина-приемника и сельсина датчика также равен нулю. Если теперь повернуть ротор сельсина-датчика на какой-либо угол, то на выходе системы появится напряжение. Величина этого напряжения пропорциональна синусу угла рассогласования, что позволяет при малых углах считать ее пропорциональной углу рассогласования
Ииых == С sin <х,
где С — коэффициент пропорциональности; а — угол рассогласования,
10 В . Г. Самойлов
145
При повороте ротора против часовой стрелки э. д. с. изменяет свое направление на 180°, т. е. вектор выходного напряжения характеризует при этом не только величину угла рассогласования, но и его знак.
§ 44
Потенциометрическая синхронная связь
Согласованное вращение механически не связанных между собой валов может быть осуществлено при помощи потенциометрической передачи. В этом случае в качестве датчика применяется двухпластинчатый потенциометрический датчик (модифика-
Рис. 107. Синхронная связь с использованием потенциометрического датчика.
ция датчика Маручина), а в качестве приемника — двухполюсный синхронный двигатель. Данная система работает на постоянном токе и применяется в качестве основной синхронной связи для аварийного машинного телеграфа.
Принципиальная схема синхронной связи с потенциометрическим датчиком приведена на рис. 107. Потенциометрический датчик имеет две контактные пластины 1,
между которыми расположены контакты 2, соединенные с отдельными секциями реостата R. Приемником является трехфазный синхронный двигатель, ротор которого представляет собой двухполюсный постоянный магнит <3. При повороте датчика на угол, равный 15°, происходит изменение тока питания обмоток двигателя. Следовательно, одному обороту щеток датчика соответствуют 24 различных варианта питания обмоток двигателя. При каждом изменении питания результирующий магнитный поток, создаваемый током обмоток I, II, III двигателя, поворачивается в пространстве также на 15°. Наличие постоянного магнита на роторе приводит к взаимодействию полей статора и ротора, вследствие чего ротор приемника поворачивается синхронно с полем статора.
Датчик с тремя парами контактов может обеспечить только 24синхронных положения, следовательно, таким же будет количество делений шкалы прибора. При необходимости иметь большое число делений датчики изготовляются с большим количеством контактов (на 48 и 96 положений). Существуют датчики, обеспечивающие 12 положений приемника.
Точность рассмотренной системы равна 3°. Такая точность вполне приемлема для машинных телеграфов, так как цена деления их шкалы составляет 15°. Питание системы осуществляется от аккумуляторной батареи напряжением 24 в. В системе применяются коммутаторные датчики типа ДК. В аварийных телеграфах в качестве приемников применяются синхронные двигатели типов СП-300 и СП-301.
146
§ 45 Индукционная синхронная связь
Индукционные синхронные связи обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими синхронными связями: автоматическим согласованием показаний датчика и приемника при включении системы; высокой точностью передачи, составляющей 0,75—2,5°; простотой и однотипностью конструкций датчика и приемника; отсутствием контактов, разрывающих цепи тока; возможностью получения в пределах одного оборота большого количества фиксированных положений ротора двигателя; большой скоростью передачи (до 2000 об!мин).
Индукционные системы синхронной связи осуществляются на переменном токе постоянной частоты. Для питания индукционных систем применяется сеть переменного тока напряжением ПО или 127 в, частотой 50 гц. В качестве датчиков и приемников используются одинаковые по конструкции индукционные электрические машины, выполненные по типу асинхронных машин (индукционные датчики типа ДИ и судовые приемники типа сельсинов СС).
По характеру питания индукционные системы подразделяются на однофазные и трехфазные. Однофазные используются в основном в качестве индикаторных систем, а трехфазные в силовом электрическом приводе, где необходим большой вращающий момент. Принципиальная схема однофазной индукционной синхронной связи и ее действие описаны в § 43 (см. рис. 105). Вращение ротора датчика в этой системе вызывает плавное и синхронное вращение ротора приемника. Устойчивость положений роторов сельсинов зависит от угла рассогласования между роторами датчика и приемника. Практически индукционная синхронная связь работает при значении угла рассогласования, не превышающем 30°. При угле больше 40° начинает сказываться реакция цепи роторов, вызывающая уменьшение потока обмотки статора, что влечет за собой уменьшение величин токов в обмотках ротора. Индукционные синхронные связи не требуют предварительного согласования. При вращении сельсины-датчики и сельсины-приемники должны преодолевать некоторый тормозной момент. Если бы ротор приемника не имел тормозного момента, он устанавливался бы точно в соответствии с ротором датчика.
Тормозной момент обусловливают такие факторы, как трение ротора о подшипники, неточная балансировка ротора, неравенство зазоров под обоими полюсами, трение щеток о контактные кольца. Во время работы синхронной связи практически всегда будет иметь место некоторая разность углов поворота роторов датчика и приемника. Разность углов поворота называется статической погрешностью, или ошибкой. В зависимости от величины статической ошибки все сельсины делятся на три класса точности;
Классы Максимальная ошибка, град
I От 0 до ±0,75
II » ±0,75 » ± 1,5
III » ±1,5 » ±2,5
10*
147
На точность работы синхронной связи оказывают влияние изменения напряжения и частоты источника питания, длина и сечение соединительной линии и количество приемников, работающих от одного датчика.
Для индикаторных систем длительные колебания напряжения и частоты в пределах ±10% можно считать допустимыми. Колебания напряжения и частоты до ±20% увеличивают погрешность сельсинов в 1,2—1,3 раза.
Одновременное изменение с одним и тем же знаком напряжения и частоты питающей сети ограничивает влияние колебания напряжения и частоты на ошибку приемника. Примером использования синхронной связи в судовых установках является ее применение в судовых авторулевых прерывистого и непрерывного действия.
§ 46 Авторулевые
прерывистого действия
Рассмотрим электрическую систему авторуле-
вого, типичную для авторулевых прерывистого действия как отече-
ственного, так и зарубежного производства [32] (рис. 108).
2ССП
2 С СП
rn Г К
Основным элементом этого авторулевого является контактный механизм КМ. Он состоит из двух пар полуколец, неподвижно закрепленных относительно палубы, и кон-
Л
л
+ 0 te-
Рис. 108. Схема авторулевого прерывистого действия.

тактной каретки К, поворачивающейся около своей оси. На концах каретки имеются два ролика, один из которых осуществляет электрический контакт с наружными полукольцами, а другой — с внутренними. Каретка механически связана с сельсином-приемником 1ССП, питающимся от датчика гирокомпаса ГК, и с сельсином-приемником 2ССП, получающим питание от сельсина-датчика обрат
148
ной связи 2ССД. Эта связь осуществлена через дифференциальную передачу ДП, при помощи которой сельсины 1ССП и 2ССП могут приводить в движение каретку каждый в отдельности и оба одновременно. Схема рулевого электропривода выполнена по системе генератор—двигатель. Управление контактное, с воздействием на обмотку возбуждения генератора Г.
Рассмотрим действие авторулевого без обратной связи. При движении судна по заданному курсу контактные ролики каретки находятся на изоляционных промежутках. Катушки контакторов П и Л обесточены, и в обмотку возбуждения ток не поступает. Приводной двигатель руля неподвижен. Если судно отклонится от курса, ролики каретки сойдут с изоляционных промежутков и накатятся на контактные полукольца, которые повернутся вместе с судном, при этом получит питание катушка контактора, например, контактора П, и приводной двигатель Д начнет перекладывать руль вправо.
Судно будет возвращаться к исходному курсу, а контактные полукольца будут стремиться занять первоначальное положение. Когда судно придет на заданный курс, ролики накатятся на изоляционные промежутки, и приводной электродвигатель остановится.
От начала возмущения руль перекладывался вправо и когда судно придет па исходный курс, руль будет отклонен на максимальный угол. В следующий момент судно под действием отклоненного руля перекатится на другой борт и весь процесс повторится, т. е. судно будет совершать колебания около линии заданного курса. Для устранения этого явления в схему авторулевого введена обратная связь, состоящая из сельсина-датчика 2ССД, который через сельсин-приемник 2ССП действует с помощью элемента дифференциальной передачи ДП на каретку. При отклонении судна от курса ролики каретки накатятся на полукольца и приводной двигатель придет во вращение, однако, в отличие от рассмотренного выше случая, без обратной связи каретка не останется неподвижной, а под действием обратной связи с небольшим запаздыванием начнет поворачиваться вслед за контактными полукольцами. Когда перо руля повернется на требуемый угол, ролики каретки попадут в изоляционные промежутки и приводной двигатель остановится, т. е. остановка двигателя произойдет значительно раньше, чем судно придет к заданному курсу. Как только судно под действием руля начнет поворачиваться к линии курса, ролики снова замкнут электрическую цепь. Электродвигатель, вращаясь в противоположном направлении, станет возвращать перо руля к диаметральной плоскости. При подходе судна к линии заданного курса каретка под действием обратной связи повернется в направлении вращения полуколец и займет свое первоначальное положение. Перо руля при этом расположится в диаметральной плоскости. Процесс регулирования закончился. В системе имеется регулятор степени перекладки руля PC, предназначенный для изменения передаточного числа между валом сельсина-приемнийа 2ССП и дифференциалом ДП. Изменение передаточного числа позволяет регулировать угол отклонения руля при одном и том же отклонении судна от курса. В системе имеется также специальный регулятор погоды РП (регуля-
149
Тор рыскания). С его помощью, в случае значительного волнения, в контактном механизме КМ вручную смещаются пары полуколец относительно друг друга. В результате появляются промежутки, на которых каретка дает питание обоим контакторам. Как видно из рис. 108, при включении обоих контакторов обмотка возбуждения генератора лишена питания, как и при отключении их. Поэтому смещение полуколец аналогично увеличению изоляционных промежутков, т. е. увеличивает зону нечувствительности авторулевого. Это позволяет при рыскании судна уменьшить число включений рулевого электродвигателя.
Изменение курса судна можно осуществлять с помощью задатчика курса ЗК, поворачивающего каретку через дифференциальную передачу.
§ 47
Авторулевые непрерывного действия
На ряде морских судов средней и большой грузоподъемности устанавливаются автоматические бесконтактные рулевые (АБР). По своим характеристикам они значительно превосходят авторулевые прерывистого действия [32]. Применение авторулевых непрерывного действия дает значительный экономический эффект за счет повышения эксплуатационной скорости, изменения величины и числа перекладок руля и спрямления пути вследствие более точного удержания судна на курсе. Скорость судна с использованием АБР повышается на 2—3%.
Работа АБР основана на принципе непрерывного регулирования. В схеме авторулевого применены только бесконтактные элементы. Питание системы осуществляется от сети переменного тока напряжением ПО в, частотой 50 гц. Авторулевой АБР осуществляет стабилизацию судна на заданном курсе в функции следующих параметров:
— угла отклонения судна от курса (угла рассогласования);
— скорости отклонения судна от курса (первой производной от угла рассогласования):
— несимметричности рыскания (интегралы от угла рассогласования).
Так как система является довольно сложной, рассмотрим ее структурную схему (рис. 109). Сигнал, поступающий от гирокомпаса 1, воспринимается сельсином-приемником 3 и передается по трем каналам. Первый канал вырабатывает сигнал управления, пропорциональный углу отклонения судна от курса. Он представляет собой цепь последовательно соединенных механическим путем сельсина-приемника курса <3, червячной передачи 4, дифференциала 5 и линейного вращающегося трансформатора курса 7. При отклонении судна от курса вращение сельсина-приемника курса передается линейному вращающемуся трансформатору курса, и на выходе появляется напряжение Uпропорциональное углу рассогласования.
Второй канал вырабатывает сигнал, пропорциональный скорости отклонения судна от курса. Это осуществляется с помощью сельсина-приемника курса, тахогенератора 6 и регулятора сигнала тахо-
150
Мостин I Румпельное отделение
Рис. 109. Схема авторулевого непрерывного действия
I
I
151
генератора 13. Величина напряжения U2, снимаемая с выхода тахогенератора, пропорциональна скорости ухода судна с курса.
Третий канал производит регулирование по интегралу отклонения судна от курса. В цепь интегрирующего звена введен приемник курса 3, червячная передача 4, дифференциал 5, сельсин 8, работающий в трансформаторном режиме, переключатель 9, интегрирующий асинхронный двигатель 10, и линейный вращающийся трансформатор интегратора 12. Переключатель осуществляет переход работы системы с автоматического режима А на следящий С и обратно) В следящий режим авторулевой переводят при маневрировании. В этом случае размыкается контакт 2 и руль «следит» за положением штурвала, которым рулевой вращает дифференциал 5. Одновременно контакт переключателя 9 отделяет асинхронный двигатель 10 от сельсина 8 и подключает его к сельсину 11.
Работа интегрирующей цепи заключается в следующем. Когда судно отклоняется от курса, на выходе сельсина-трансформатора 8 появляется напряжение, пропорциональное углу рассогласования. Интегрирующий двигатель приходит во вращение и поворачивает ротор линейного вращающегося трансформатора (ЛВТ) и интегратора 12.
Интегратор через редуктор с большим передаточным отношением соединен с асинхронным двигателем 10, в связи с этим при единичном отклонении судна от курса ротор ЛВТ повернется на малый угол. При этом напряжение на выходе ЛВТ будет настолько мало, что не окажет ощутимого влияния на величину общего сигнала управления системы. Если же судно будет рыскать в противоположную сторону, интегрирующий двигатель начнет вращаться в обратном направлении и напряжение на выходе ЛВТ изменит свой знак, т. е. при симметричном рыскании сигнал, вырабатываемый интегрирующей цепочкой, практически будет равен нулю.
Совершенно другая картина будет при несимметричном рыскании судна. Ось ЛВТ в конце периода каждого рыскания в этом случае не займет нулевого положения, как это было при симметричном рыскании, а повернется на некоторый малый угол. В дальнейшем угол этот будет все возрастать, пока на выходе ЛВТ не появится достаточно большой сигнал в виде напряжения U3. Величина этого напряжения будет пропорциональна некоторому суммарному углу рыскания, накопленному в результате отклонения судна от курса. Под действием сигнала, выработанного интегрирующим устройством, перо руля повернется на некоторый угол и судно будет идти по курсу с постоянно отклоненным рулем 28. Дрейф судна (параллельный снос судна) интегрирующим устройством не устраняется, так как гирокомпас не реагирует на параллельное перемещение судна.
В интегрирующую цепочку включен дополнительно сельсин 11, работающий в трансформаторном режиме. Данный сельсин, приводимый в движение интегрирующим асинхронным двигателем 10, предназначен для возвращения оси ЛВТ в нулевое положение при переходе схемы на работу в следящем режиме. Величина напряжения на выходе сельсина 11 имеет полярность, противоположную полярности 152
напряжения сельсина 8. В связи с этим при перестановке переключателя 9 в «следящее» положение, напряжение сельсина 11, воздействуя на интегрирующий двигатель, заставит его вращаться в противоположном направлении. При этом двигатель сделает такое же количество оборотов, что и под действием сельсина 8, но в обратном направлении. В результате ротор сельсина-интегратора 12 установится в нулевом положении. Сигналы управления трех каналов в виде напряжений Ult U2 и Ся суммируются и через регулятор чувствительности 14 подаются на вход промежуточного усилителя 15'. После предварительного усиления сигнал управления подается на обмотку управления электромашинного усилителя 25. Исполнительный электродвигатель 26, управляющий работой электрогидравлической рулевой машины 27, получает питание непосредственно от этого усилителя. По такой схеме, например, работает авторулевой типа АБР-1, предназначенный для судов типа «Казбек», оснащенных электрогидравлической рулевой машиной.
Рассмотрим обратную связь, имеющуюся в системе АБР.
Линия обратной связи включает в себя линейный вращающийся трансформатор 23, механически соединенный с валом исполнительного электродвигателя 26, и масштабный вращающийся трансформатор 21. Напряжение Uit снимаемое с линейного вращающегося трансформатора 23, подается совместно с напряжениями Ult U2 и U3 на вход промежуточного усилителя, где и суммируется. Масштабный вращающийся трансформатор предназначен для изменения величины обратной связи ko_ с, т. е. значения отношения угла ухода судна с курса к углу перекладки руля.
Регулятор обратной связи выполняет те же функции, что и регулятор степени перекладки руля PC в схеме авторулевого прерывистого действия. Изменение величины обратной связи осуществляется с помощью рукоятки 20. Поворот рукоятки обеспечивает изменение величины Ut на выходе вращающегося трансформатора. С валом исполнительного двигателя механически связаны также сельсины-датчики 22 и 24, которые питают соответствующие сельсины-приемники 15 и 17, и передают сигналы на репитеры указателя 16, находящегося на мостике, и 18, расположенного на пульте управления. Регулятор сигнала тахогенератора 13 влияет на величину напряжения U2 и тем самым изменяет эффективность регулирования по первой производной от угла рассогласования.
Регулятор чувствительности 14 ограничивает по величине результирующий сигнал управления, подаваемый на промежуточный усилитель. С помощью этого регулятора можно схему значительно затрубить в условиях сильного рыскания на волнении. Если и это покажется недостаточным, то чувствительность системы можно понизить путем отключения двух первых каскадов усиления промежуточного усилителя. Выносные посты управления 19 позволяют непосредственно воздействовать на обмотку управления электромашинного усилителя 25.
153
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Из каких элементов состоит система синхронной связи?
2. Сравните трансформаторный и индикаторный режимы работы сельсинов в синхронной связи.
3. Какова точность работы потенциометрической синхронной связи?
4. Каковы перспективы использования индукционной синхронной связи?
5. Перечислите настроечные регуляторы авторулевого прерывистого действия.
6. Как повлияет на работу авторулевого непрерывного действия отключение сельсина-трансформатора 11, изображенного на рис. 109?
ГЛАВА
IX
УНИФИЦИРОВАННЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
§ 48
Общие сведения
Функциональные устройства нашли широкое применение в системах автоматизации судовых электроустановок. Функциональным называется устройство, выполняющее строго определенные функциональные операции.
В настоящем разделе рассмотрен ряд функциональных устройств, предназначенных для производства следующих наиболее характерных операций по автоматизации судовых электростанций:
— введение в действие и выведение в резерв источников электроэнергии;
— синхронизация источников электроэнергии;
— распределение активных нагрузок пропорционально мощностям источников электроэнергии;
— частичная разгрузка источников электроэнергии при недостатке мощности или аварии с одним из них;
— включение и отключение коммутационных аппаратов для управления распределением электроэнергии, обеспечивающим проведение определенной технологической операции или режима работы технических средств судна;
— определение состояния изоляции электрических цепей;
— осуществление световой и звуковой сигнализации.
Решение этих задач осуществляется с помощью следующих унифицированных функциональных устройств: устройства распределения мощности (УРМ), устройства включения резерва (УВР), устройства автоматической синхронизации (УСГ), устройства (прибора) контроля изоляции (УКИ, ПКИ), устройства световой и звуковой сигнализации (УС, УЗС), устройства автоматической разгрузки генераторов (УРГ) и токовой защиты (УТЗ), устройства автоматического распределения активных нагрузок и поддержания частоты (УРЧИ),
154
устройства автоматического переключения питания (УПП), устройства защиты двигателей от обрыва фаз и понижения напряжения (ЗОФН).
Многообразие модификаций каждого из функциональных устройств объясняется тем, что все они рассчитаны на определенный диапазон параметров судовых источников электроэнергии и их первичных двигателей.
В зависимости от состава, назначения и режимов работы судовых электростанций применяются определенные функциональные устройства, воздействующие на различные исполнительные элементы (коммутационные аппараты, реле, серводвигатели).
Разработано несколько типоразмеров функциональных устройств, основные габариты которых приведены в табл. 13. Исполнение устройств брызгозащищенное. Они могут быть установлены в в пультах, распределительных щитах или местных постах управления. В связи с развитием элементов автоматики совершенствуются и функциональные устройства. Рассмотрим принцип работы ряда устройств.
Таблица 13
Основные размеры функциональных устройств
Тип устройства Размеры, мм
длина высота ширина
УКИ-1 240 195 147
пки 230 175 122
УЗС-1 240 195 147
УС-1 240 195 147
УПП-1 330 265 187
УСГ-1 330 265 187
УСГ-1П 370 295 207
вен 175 120 94
УВР 330 265 187
УРГ-1Д 240 195 147
УРГ-1Р 270 215 167
УРЧН-1Д 270 215 167
УРЧН-1У 370 295 207
ЗОФН-1 272 220 167
ЗОФН-1Б 272 220 167
§ 49
Устройство световой (УС) и звуковой (УЗС) сигнализации
При эксплуатации судовой электроустановки необходимо осуществлять предупредительную сигнализацию о возникающих неисправностях.
В системе контроля и сигнализации судовых автоматизированных электроустановок в качестве устройств, извещающих обслуживающий персонал о состоянии контролируемого параметра, могут
155
применяться световые и звуковые сигналы. В ряде случаев эти сигналы используются как дополняющие друг друга. При этом звуковой сигнал играет роль извещающего, обращая внимание обслуживающего персонала на возникновение аварийной ситуации. При устранении аварийной ситуации работа устройства звуковой сигнализации (УЗС) прекращается.
В качестве извещающего сигнала для помещения, где постоянно находится вахтенный персонал, может быть применена лампа с ми-
Рис- ПО. Принципиальная схема устройства УС (а) и диаграммы его работы (б),
гающим светом. Для получения мигающего света применяются специальные устройства, например устройство световой сигнализации типа УС.
Устройство УС. Оно состоит из блока питания, мультивибратора и магнитного усилителя (рис. ПО).
Блок питания, включающий трансформатор Тр, выпрямитель и емкостный фильтр С3, обеспечивает постоянное напряжение для питания мультивибратора. Мультивибратор (транзисторы Т и Т2) предназначен для генерирования импульсов управления магнитным усилителем, который, в свою очередь, усиливает выходной сигнал мультивибратора.
Принцип работы устройства заключается в следующем. При включении напряжения питания мультивибратора он переходит в режим автоколебаний. Предположим, что в исходный момент в симметричной схеме токи в обоих транзисторах Тг и 7\ одинаковы. Появление 156
несимметрии нарушает это состояние, которое является неустойчивым. Допустим, несколько уменьшился ток транзистора Ту. Это приведет к уменьшению падения напряжения на резисторе Ry и увеличению отрицательного потенциала на коллекторе транзистора 7\. Приращение напряжения на коллекторе передается через конденсатор Сх на базу транзистора Т2, который еще больше открывается. Мультивибратор находится в таком состоянии в течение всего времени разряда конденсатора С2 через открытый транзистор Т2, резистор R3 и источник питания. Падение напряжения на резисторе R3 от тока разряда конденсатора С2 поддерживает закрытым транзистор Ту. По .мере разряда конденсатора С2 потенциал точки а2 уменьшается до нуля, при этом начинает отпираться транзистор Ту. При потенциале точки а2, равном нулю, конденсатор Су разряжается через Ту, резистор R2 и источник питания, понижая потенциал точки а± и поддерживая в открытом состоянии транзистор Ту и в закрытом транзистор Т2. После разряда конденсатора Су цикл повторяется. В результате подобной работы мультивибратора па резисторе нагрузки Т?4 появляются прямоугольные импульсы, подаваемые на магнитный усилитель, выполненный с внутренней обратной связью и без обмоток управления. Длительность импульса выходного напряжения определяется временем разряда конденсаторов Сх и С2. При отсутствии управляющего напряжения на /?4 ток через выпрямители В2 и В3 внутренней обратной связи магнитного усилителя разветвляется в обе половины рабочей обмотки, не намагничивая сердечники до насыщения. При этом по нагрузке усилителя протекает ток холостого хода. Управляющее напряжение на Д4 препятствует разветвлению тока в обе ветви рабочей обмотки. В каждый полупериод питающего напряжения один из сердечников подмагничивается и в нагрузке усилителя протекает ток, достаточный для зажигания ламп (при замыкания нормально открытого контакта контролируемой цепи). Частота мигания ламп (шина МС) соответствует работе мультивибратора. Она регулируется с помощью резисторов R2, R3 и не зависит от величины нагрузки магнитного усилителя.
Устройство типа УС обеспечивает надежную работу при колебаниях напряжения ±5% и частоты ±2,5%. Мощность, потребляемая устройством от судовой сети, не превышает 40 ва. Устройство типа УС предназначено для работы с сигнальными лампами накаливания напряжением 127 в, общей мощностью не более 50 ва и газосветными лампами напряжением 127 в в количестве 100 шт. Вес устройства 4,5 кг, исполнение брызгозащищенное.
Устройство УЗС-1. В ряде случаев применяется устройство звуковой и световой сигнализации (УЗС), работающее совместно с коммутационной и защитной аппаратурой и подающее сигнал о состоянии электроустановки при замыкании блок-контактов. Схема устройства приведена на рис.111.
Устройство УЗС-1 содержит симметричный триггер на транзи сторах Ту, Т2, дифференцирующие цепи с конденсаторами Су — С10, резисторами Ry—R10 и диодами Ду—Д10, а также блок питания, состоящий из трансформатора Тр, выпрямителя на диодах Д12, Д13 и
157
емкостного фильтра на конденсаторах С14, С15. При подаче питания на устройство, через диод Д14 заряжается конденсатор С16. Ток заряда создает на резисторе Д17 падение напряжения, открывающее транзистор 7\, в результате чего транзистор Тг оказывается запертым. При замыкании какой-либо цепи сигнализации напряжение будет подключаться к сигнальной лампе и резистору дифференцирующей цепи, включенному параллельно этой лампе (например, кон-

а)
Запускающий, импульс
7 Г*
Рис. 111. Принципиальная схема устройства УЗС (а) и диаграммы его работы (б).
такт К2 подает напряжение на лампу Л2 и резистор Д2). Ток заряда конденсатора (по цепи R2, Д16, Д2, С2) создает падение напряжения на резисторе jRig, и триггер переключается, подавая питание на звонок. Размыкание контакта К2 не приведет к снятию звукового сигнала, так как разряд конденсатора С2 будет происходить через большое обратное сопротивление диода Д2 малым током, не влияющим на состояние триггера. Возврат триггера в исходное состояние (снятие звукового сигнала) производится нажатием кнопки снятия сигнала (КСС). Ток, протекающий при этом через резистор Д17, создает на нем падение напряжения, переключающее триггер. Диод Д1Г шунтирует нагрузку (звонок) и защищает транзистор 7\ при запирании от э. д. с. самоиндукции нагрузки.
Кнопка ДПС служит для проверки сигнализации. Ее нажатие, аналогично замыканию контакта К1г при исправном устройстве приводит к появлению сигнала.
158
§ 50
Устройство контроля сопротивления изоляции в судовых сетях переменного тока (ПКИ)
Одним из наиболее важных параметров судовых электроустановок, который необходимо контролировать, является сопротивление изоляции.
Значительное число случаев выхода из строя судовых электроустановок происходит вследствие электрического пробоя изоляции на корпус. Предшествующим этому фактором является снижение сопротивления изоляции отдельных участков сети в результате недостаточно качественной пропитки обмоток электрических машин и аппаратов, дефектов монтажа, естественного старения изоляции в ходе эксплуатации, повреждений изоляции и т. д.
Наиболее эффективным методом контроля сопротивления изоляции является автоматический непрерывно действующий контроль.
Устройство автоматического контроля сопротивления изоляции должно реагировать как на нарушение изоляции одного из полюсов сети, так и на понижение сопротивления изоляции всех полюсов или фаз, подавая световой или звуковой сигнал при падении сопротивления изоляции ниже заданной величины. При устранении неисправности и восстановлении нормального значения сопротивления изоляции устройство должно отключать сигнал о неисправности.
Устройство УКИ-1. В судовых электроустановках применяется устройство типа УКИ-1, рассчитанное для непрерывного контроля сопротивления изоляции переменного тока с незаземленной нейтралью относительно корпуса напряжением от нуля до 400 в. Устройство УКИ-1 срабатывает на одной из трех уставок по сопротивлению изоляции контролируемой сети: 500 ± 100 ком; 200 ± 60 ком; 50 ± 25 ком.
Переключение устройства с одной уставки па другую осуществляется перестановкой перемычек на клеммной плате.
При использовании приведенных уставок мощность выходного сигнала устройства УКИ-1—10 вт, напряжение 24 в. В качестве нагрузки на выход устройства могут быть включены либо сигнальная лампа, либо звонок.
Устройство «Электрон-1». На некоторых судах используется устройство контроля сопротивления изоляции «Электрон-1». Мегомметр, встроенный в это устройство, обеспечивает измерение сопротивления изоляции в пределах от нуля до 1 Мом. В диапазоне изменения сопротивления изоляции от 25 до 500 ком имеется пять уставок срабатывания, на одну из которых переключается устройство. Устройство «Электрон-1» выполнено на бесконтактных элементах и работает как при наличии напряжения в контролируемой сети, так и при его отсутствии.
Прибор типа ПКИ. В последнее время разработан новый прибор контроля сопротивления изоляции судовых электрических сетей однофазного и трехфазного переменного тока напряжением до 400 в.
159
частотой 50 и 400 гц и незаземленной нейтралью как при наличии напряжения в контролируемой сети, так и при его отсутствии [44]. Питание прибора осуществляется от сети однофазного переменного тока напряжением 127 в, частотой 50 или 400 гц, потребляемая мощность —60 ва. Прибор обеспечивает выходной сигнал до 1 а в соответствии с внешней характеристикой (рис. 112). Прибор ПКИ срабатывает на одной из пяти уставок по сопротивлению изоляции контролируемой судовой сети со следующей точностью: 500 ± 100 ком, 200 ± ± 60 ком, 100 ± 30 ком, 50 ± 15 ком и 25 ± 10 ком.
Прибор ПКИ (рис. 113) состоит из измерительной цепи с переклю-
повторителя (транзистор 7\), несимметричного триггера (транзисторы Т2, Т3), выходного тиристора Т и питающего трансформатора с выпрямителем. Измерительная цепь состоит из источника стабилизированного напряжения (150 в), снимаемого со стабилитронов Ст3, Crit добавочных резисторов /?6, Re, R12 и резисторов уставок — которые вместе с сопротивлением изоляции контролируемой цепи включены последовательно
Рис. 112. Внешняя характеристика При изменении сопротивления цепи выхода прибора ПКИ. изоляции в измерительной цепи, в которую включены конденсаторы С3, С4 для шунтирования переменной составляющей тока утечки,
изменяется ток утечки, а следовательно, и падение напряжения на резисторе уставки. Это падение напряжения приложено ко входу эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе 7\. Благодаря большому входному сопротивлению эмиттерный повторитель не шунтирует сопротивления уставки, что особенно важно при уставке 500 ком, так как в этом случае по измерительной цепи протекает малый ток утечки.
При снижении сопротивления изоляции ниже величины сопротивления уставки через стабилитрон Стъ на вход несимметричного триггера поступает сигнал. При этом транзистор Т2 переходит из закрытого состояния в открытое, а транзистор Т3 запирается. Как только транзистор Т3 закроется, по входной цепи тиристора Т через резистор /?19 и стабилитрон Ст6 потечет ток, тиристор Т откроется, и через него будет проходить ток по нагрузке. Конденсатор Съ предназначен для четкого закрытия тиристора Т. а диод Д7 — для защиты тиристора Т шунтированием его по обратному току. При разработке прибора ПКИ предусмотрена возможность подключения к прибору дополнительной приставки, позволяющей произвести размножение точек контроля изоляции, а также измерить сопротивление изоляции одновременно в 10 точках разобщенных электросетей с помощью одного прибора типа ПКИ. Схема включения прибора и приставки показана на рис. 114.
160

11 В . Г. Самойлов
161
Приставка содержит цепи, состоящие из резисторов уставок (7?! и R2) и диодов. На вход транзистора 7\ (см. рис 113) через разделительный диод Д (рис. 114) подается падение напряжения на резисторе от тока, протекающего через сопротивление изоляции и резисторы уставки. Поскольку эти резисторы подключены к транзистору 7\ через разделительные диоды, устройство будет срабатывать от той цепи, в которой падение напряжения на Дх больше, чем у других цепей. Таким образом, устройство будет сигнализировать об
Рис. 114 Схема включения прибора ПКИ и приставки.
уменьшении изоляции любого подключенного участка электроустановки ниже уставки, на которую настроена соответствующая цепь приставки.
Прибор ПКИ выполнен в брызгозащищенном исполнении, вес его —5 кг. Он состоит из корпуса и выдвигающегося блока, на котором смонтирована вся аппаратура, на боковых стенках корпуса имеются жалюзи. Изменение уставок производится с передней стороны прибора без прекращения его работы. При этом необходимо лишь отвернуть защитную крышку и отверткой повернуть переключатель в положение требуемой уставки.
§ 51
Устройство сигнализации о понижении сопротивления изоляции в судовых электроустановках постоянного тока (СПИ)
Для автоматического контроля сопротивления изоляции в судовых электроустановках постоянного тока при понижении ее ниже установленной величины могут быть применены специальные сигнализаторы типа СПИ-2.
162
На рис. 115 приведена принципиальная схема сигнализатора, который состоит из измерительного устройства (магнитный усилитель) ПУ, вспомогательного источника стабилизированного напряжения Е, дополнительного резистора Rd, сервоусилителя СУ, защитного резистора R, исполнительного микродвигателя Д, кругового двуплечего потенциометра П и программного устройства ПУ.
Принцип действия сигнализатора основан на использовании мостовой схемы. Если в одну из диагоналей уравновешенного моста, состоящего из четырех плеч с сопротивлениями Rlt R2, R3 и Rit включить источник постоянного напряжения Е с сопротивлением Rg,
Рис. 115. Принципиальная схема устройства СПИ-2.
то ток в этой диагонали определяется величиной параллельно соединенных плеч моста и не зависит от напряжения U, приложенного к другой диагонали моста. Величина тока при этом будет равна
R1R2 I R3R
Ri + ^2 R3 4- Rt
(23)
При относительно малых величинах сопротивлений R2, по сравнению с сопротивлениями изоляции сети R3, Rit ток в диагонали практически будет зависеть от величины параллельно соединенных сопротивлений R3, Rt (при постоянстве сопротивления резистора Rg и напряжения Е).
В данном случае сопротивлениями Rlt R2 являются плечи кругового низкоомного потенциометра П, включенного в контролируемую линию судовой сети постоянного тока, a Rs, R^ представляют собой сопротивления изоляции контролируемой сети. Резистор RH обозначает сопротивление внешней нагрузки. Устройство СПИ-2 работает циклически (периодами). В первый период программное устройство ПУ, состоящее из трех полупроводниковых реле с выходом на реле типа РМУГ, замыкает контакты 1—2 и 5—6 (вход измерительного устройства) и размыкает контакты 1—3 и 4—6 (вход серводвигателя).
11
163
При этом сервоусилитель включен в измерительную диагональ. На выходе сервоусилителя СУ включен двигатель Д, жестко связанный с движком потенциометра П. Двигатель Д вращает движок потенциометра до тех пор, пока не будет соблюдено равенство i/?4=7? 2/?3, т. е. до тех пор, пока измерительный мост не сбалансируется и в диагонали моста не будет отсутствовать напряжение питания контролируемой линии. После балансировки моста начинается второй период работы устройства СПИД. Программное устройство ПУ переключает контакты, при этом контакты 4—6, 1—3 и 5—6 будут замкнуты, а контакты 1—2 разомкнуты. В измерительную диагональ моста через замкнутые контакты 1—3 включается источник стабилизированного напряжения Е и происходит перезарядка емкостей С1г С2 контролируемой сети. Обмотка управления магнитного усилителя при этом шунтируется для исключения ложного срабатывания (контакты 5—6 замкнуты). Для исключения разбалансировки моста вход сервоусилителя замыкается контактами 4—6. По истечении времени, необходимого для перезарядки емкостей, наступает третий период. Реле программного устройства ПУ переключается, при этом контакты 4—6 замыкаются, а контакты 5—6 размыкаются. Ток от источника стабилизированного напряжения Е протекает по обмотке управления измерительного магнитного усилителя ИУ. Измерительное устройство настроено на определенный ток срабатывания.
у-, R3R4
Если сопротивление изоляции сети контролируемой - , В 9 ниже установленной величины, измерительный магнитный усилитель срабатывает и включает сигнализацию (световую и звуковую). По истечении 20 сек, достаточных для снятия показаний, реле программного устройства переключают схему на балансировку, после чего последовательность работы элементов сигнализатора повторяется в том же порядке. Сигнализатор имеет четыре уставки срабатывания (50, 100, 200 и 400 ком). При снижении сопротивления изоляции ниже заданной уставки на блоке знаковых индикаторов загорается цифра, соответствующая данной уставке, и звенит звонок. Емкость контролируемой сети не должна превышать 40 мкф. Питание сигнализаторов осуществляется от сети переменного тока 115 или 220 в, 400 гц. Мощность питания порядка 60 ва.
Временные характеристики программного устройства: балансировка 3 мин, перезарядка емкостей 20 сек, измерение 20 сек. Для визуального контроля за величиной сопротивления изоляции к сигнализатору может быть подключен стрелочный прибор, проградуированный в единицах сопротивления.
§ 52
Устройство регулирования частоты и нагрузки (УРЧН)
В судовых электроустановках после синхрони-
зации и включения генераторов на параллельную работу необходимо обеспечить равномерное распределение активных нагрузок.
164
рами переменного тока.
Достаточно точное распределение активных нагрузок достигается при условии совпадения скоростных характеристик первичных двигателей. Добиться совпадения характеристик в точке, соответствующей данной нагрузке, можно либо изменением утла наклона характеристики, либо изменением уставки регулятора скорости вращения первичного двигателя генератора. В последнем случае характеристика перемещается параллельно самой себе. Полного совпадения характеристик практически добиться невозможно, поэтому при изменении нагрузки для совпадения характеристик в точке, соответствующей новой мощности, уставки регуляторов, как правило, приходится изменять.
Рассмотрим распределение активных нагрузок между параллельно работающими синхронными генераторами с различным наклоном скоростных характеристик. Следует сказать, что неравномерность распределения активной нагрузки между генераторами тем больше, чем меньше наклон их скоростных характеристик (рис. 116). Однако значительно увеличить наклон характеристик нельзя, так как при этом
возрастает зависимость скорости агрегатов от нагрузки, т. е. частота в электроустановке становится нестабильной. Обычно скорость вращения первичных двигателей с ростом нагрузки от нуля до номинального значения снижается не более чем на 3—5% от номинального значения.
Рассмотрим распределение активных нагрузок между параллельно работающими синхронными генераторами с различным наклоном скоростных характеристик.
Как видно из рис. 116, скоростная характеристика 1 первого генераторного агрегата имеет больший наклон, а характеристика 2 регулятора генератора большой мощности — меньший.
При номинальной скорости вращения обоих генераторов загрузка одного равна Ри другого — Р2- При отклонении скорости вращения генераторов на величину ±Дп нагрузка первого генератора составит /’, ± APj, а второго Р2 ± ДР2. Таким образом, активные нагрузки распределяются неравномерно. При значительном расхождении характеристик с малым наклоном агрегаты могут перейти из генераторного в двигательный режим, что приведет к срабатыванию защиты генераторов и нарушению нормальной работы установки. Распределение активной нагрузки может быть осуществлено путем и< «действия на уставки регуляторов скорости первичных двигателей с помощью специально встроенных в них серводвигателей (прямая Г). Данное воздействие осуществляется устройством регулирования
165
частоты и нагрузки УРЧН (рис. 117), состоящим из датчика частоты типа УРЧН-14; датчика активного тока типа УРЧН-1Д; усилителей типов УРЧН-1У1, УРЧН-1У2, УРЧН-1УЗ и УРЧН-1У4. Датчики частоты типа УРЧН-1Ч в настоящее время заменяются более совершенными датчиками частоты типа ПРЧ.
Датчики и усилители устройства УРЧН подключаются к генератору через типовые измерительные трансформаторы тока со вторич-
Рис. 117. Распределение активных нагрузок с помощью УРЧН:
Г — генератор; ПД — первичный двигатель; А — автоматический выключатель; СД — серводвигатель; ТТ —трансформатор тока; ДАТ —датчик активного тока; ДЧ —датчик частоты; МУ — магнитный усилитель; TH —трансформатор напряжения.
ным номинальным током 5 а и типовые измерительные трансформаторы напряжения со вторичным номинальным напряжением 127 в, 50 гц.
Устройство обеспечивает в установившихся режимах точность поддержания заданной частоты в пределах +0,5% от номинального значения и точность распределения активной нагрузки с погрешностью не более 7—10% при изменении суммарной нагрузки от 20 до 110% от номинального значения при cos <р = 0,6 1,0.
Принцип работы устройства УРЧН. Датчики активного тока замеряют активную составляющую тока нагрузки каждого из генераторов. Напряжение на выходе каждого датчика пропорционально нагрузке соответствующего генератора, активная мощность которого исчисляется в долях от его номинальной мощности. Отрицательные зажимы выходов датчиков соединены друг с другом через замыкающие блок-контакты автоматических выключателей, соединяющих
166
Генераторы при параллельной работе. Положительный зажим выхода каждого датчика, кроме датчика базового генератора, подключен ко входу магнитного усилителя. Вторые зажимы входов магнитных усилителей соединены и подключены к положительному зажиму выхода датчика базового генератора (на рис. 117 — 1\).
Если нагрузки параллельно работающих генераторов распределены пропорционально их мощности, напряжения на выходе всех датчиков равны и ток во входных цепях магнитных усилителей отсутствует. При этом серводвигатели, изменяющие уставки регуляторов скорости и питающиеся от магнитных усилителей, неподвижны.
При неравномерном распределении нагрузки на выходе датчиков перегруженных генераторов напряжение будет выше, чем у датчиков недогруженных генераторов. Во входных цепях магнитных усилителей возникают уравнительные токи, полярность которых определяется тем, перегружен или недогружен данный генератор по сравнению с остальными, а величина уравнительного тока — разностью относительных значений нагрузки генераторов. В результате серводвигатели начинают вращаться и так изменяют уставки регуляторов скорости, что скоростные характеристики недогруженных генераторов перемещаются параллельно себе вверх, а перегруженных генераторов — вниз. Это приводит к восстановлению пропорционального распределения активной мощности между генераторами.
Базовый генератор должен поддерживать частоту в электроустановке. Выбор его произволен. Магнитный усилитель базового генератора либо отключается, либо, если регулятор скорости при изменении нагрузки не обеспечивает поддержания частоты с необходимой точностью, подключается к датчику частоты, как показано на рис. 117.
Датчик частоты типа УРЧН-14. Этот датчик применяется для регулирования и поддержания частоты только базового генератора. Он состоит из блока питания БП, измерительного элемента ИЭ и магнитного усилителя МУ.
В блок питания, как это видно из рис. 118, входит трансформатор питания Тр, выпрямитель В3, резистор Rg и потенциометр Пг. Блок питания обеспечивает питание магнитного усилителя МУ и измерительного элемента ИЭ.
Измерительный элемент состоит из двух частотных контуров. В первый частотный контур с емкостью входит конденсатор С3, выпрямитель Blt фильтрующий конденсатор С\ и балластный резистор R61. Во второй частотный контур с индуктивностью входит индуктивность L, выпрямитель В2, фильтрующий конденсатор С2, .1 также балластный резистор Т?б2. Величины индуктивности L и емкости С3 подобраны таким образом, чтобы при частоте питания, равной заданному значению частоты уставки (50 гц), сопротивления их были равны. Тогда соответственно будут равны и падения напряжения на равных сопротивлениях R6l, R6i. При отклонении частоты ни гания уставки сопротивления частотных контуров изменятся, т. е. и одном из контуров ток увеличится, а в другом уменьшится. Напряжения на выходе выпрямительных мостов Вг и будут отличаться по
167
величине и на выходе измерительного элемента появится напряжение, определяемое величиной разности однополярных потенциалов мостор Blt В2. Полярность напряжения изменяется в зависимости от откло-. нения частоты питания в ту или другую сторону от величины уставки.
Напряжение выхода измерительного элемента подается на обмотки управления и шу магнитного усилителя датчика частоты. Магнитный усилитель выполнен по двухтактной (реверсивной) мостовой схеме с выходом на постоянном токе и основан на использо-
вании двух однотактных усилителей Уп У2, рабочие полуобмотки которых включены в противоположные плечи моста. Одна диагональ моста замкнута через балластный резистор 7?б> другая — между средними точками обмоток трансформатора Тр — к зажимам выходной цепи датчика частоты. Однотактные усилители выполнены с внутренней обратной связью и имеют смещение, обеспечиваемое обмотками wcM1 и шсМ2. Обмотки управления включены последовательно и встречно, так что при подмагничивании усилителя Ух усилитель У2 размагничивается. При подмагничивании У] на правом выходном зажиме будет положительный потенциал по отношению к левому зажиму, при подмагничивании У2 полярность будет противоположной. Балластный резистор R6 замыкает цепь выпрямленного тока и не допускает замыкания обмоток питающего трансформатора Тр через последовательно соединенные полуобмотки усилителей У lt У 2.
Выход датчика частоты поступает на обмотку управления усилителей устройства УРЧИ.
168
Датчик активного тока УРЧН-1Д. Датчик активного тока (рис. 119, а) состоит из трансформатора питания Тр, согласующего токового трансформатора Тс, разделительных трансформаторов TpL, Тр2, выпрямительных мостов Вг, В2, согласующего резистора Дс, добавочных резисторов — Rdl и балластных резисторов Rfl, Rs .
Трансформатор питания датчика активного тока Тр включен через типовой трансформатор на напряжение генератора; согласую-
Рис. 119. Схема датчика активного тока и векторные диаграммы его работы; а — принципиальная схема; б — векторная диаграмма напряжений и тока измерительной части датчика; в — векторная диаграмма при индуктивной нагрузке; г— характеристика датчика при различных cos <р нагрузки.
щий токовый трансформатор Тс питается от типового трансформатора тока, установленного на шинах генератора. Фазы включения трансформаторов выбираются в соответствии с принципиальной схемой датчика активного тока.
Включением добавочных резисторов RdL — Rdl обеспечивается получение искусственного «нуля», благодаря чему при чисто активной нагрузке генератора (cos <р = 1) фазы напряжения питающего трансформатора Тр и фазы тока вторичной обмотки трансформатора тока, от которого питается согласующий трансформатор Тс, совпадают (рис. 119, б).
1G9
В режиме холостого хода генератора на обеих вторичных обмотках трансформатора Тр напряжения одинаковы, а напряжение на резисторе Rc равно нулю, вследствие чего на вторичных обмотка^ трансформаторов Трг, Тр2 напряжения одинаковы. Разность однополярных потенциалов на выходах выпрямительных мостов Blt В2 одинакова, и напряжение выхода датчика активного тока равно нулю.
При появлении активной составляющей тока нагрузки генератора на резисторе возникает падение напряжения, пропорциональное току нагрузки, которое находится в фазе с напряжением трансформатора Тр. При этом ток, созданный напряжением на резисторе, разветвляется на две части. Одна из составляющих совпадает с напряжением половины вторичной обмотки трансформатора Тр, другая находится в противофазе с напряжением другой половины обмотки Тр.
Следовательно, на одном из трансформаторов (Тру или Тр2) возникает большее напряжение, чем на другом. Поэтому напряжения на выходах выпрямительных мостов Blt В2 будут различными, а на выходе датчика активного тока появится напряжение, определяемое величиной разности однополярных потенциалов мостов Ви В2.
При чисто индуктивной нагрузке генератора падение напряжения на резисторе 7?с, созданное реактивным током, отстает по фазе на 90° от напряжения на обеих половинах вторичной обмотки трансформатора Тр (рис. 119, в).
Следовательно, напряжение на трансформаторах Tpt, Тр2 по амплитуде одинаково, и разность потенциалов на выходе датчика активного тока равна нулю.
При промежуточных значениях коэффициента мощности нагрузки генератора (cos <р = 0,7ч-1,0) активная составляющая тока, создаваемая падением напряжения на сопротивлении Rc, создает неравенство напряжений на трансформаторах Tplt Тр2 и, следовательно, разность потенциалов на выходе датчика. Реактивная составляющая одинаково воздействует на величины напряжений трансформаторов и поэтому не влияет на величину разности потенциалов на выходе датчика.
Характеристика зависимости между током нагрузки и выходным током датчика активного тока 1ВЫХ = f (7Н) при различных cos <р приведена на рис. 119, г.
Усилительные устройства УРЧН. Устройство типа УРЧН имеет четыре модификации магнитных усилителей, предназначенных для усиления мощности сигналов до значений, необходимых для управления двигателями, изменяющими уставку регуляторов скорости агрегатов:
1) усилитель типа УРЧН-1У1 предназначается для управления двигателем постоянного тока независимого возбуждения типа СЛ261 с номинальным напряжением ИО в и током 0,5 а\
2) усилитель типа УРЧН-1У2 предназначен для управления двухобмоточным двигателем постоянного тока последовательного возбуждения типа СЛ563 с номинальным напряжением ПО в и током 1,5 а;
170
3) усилитель типа УРЧН-1УЗ предназначен для управления двигателем постоянного тока независимого возбуждения типа СЛ281 с номинальным напряжением 24 в и током 2,4 сг,
4) усилитель типа УРЧН-1У4 предназначен для управления двухфазным асинхронным двигателем типа ЗАСМ-400 частотой 50 гц, с номинальным напряжением ПО в и током 0,4 а.
Мощность каждого двигателя не превышает 400 ва.
Все усилители, состоящие из двух каскадов усиления, двухтактные, выполненные по дифференциальной схеме с внутренними положительными обратными связями.
Усилитель УРЧН-1У1. Обмотки управления усилителя ш1у и ш,у, а также Ш|у и wiy соединены между собой последовательно и встречно (рис. 120). При отсутствии тока в управляющих обмотках магнитный поток, создаваемый обмотками смещения иусм1 и шсм2, включенными параллельно, запирает оба плеча магнитного усилителя. При появлении тока управления определенной полярности в одном плече усилителя первого каскада (1У1, 1У2) происходит вычитание ампер-витков обмоток управления и смещения, а в другом — сложение, что приводит к открытию первого из них и к окончательному закрытию второго.
Напряжение с первых каскадов (1У1, 1У2) усилителя подается на резисторы связи (7?с1, /?с2). Это напряжение включено встречно напряжению рабочих обмоток выходного каскада. Каждый из выходных каскадов выполнен по схеме быстродействующего усилителя без обмоток управления и представляет собой два дросселя (2У2, 2 У Г) с обмотками, разделенными на две части.
При отсутствии входного сигнала в каждый полупериод питающего напряжения выпрямленный ток разветвляется в обе обмотки усилителя 2У1 (2У2), не создавая постоянного потока внутренней обратной связи. При появлении сигнала усилитель одного из первых каскадов открывается (например, 1УГ) и на резисторе RC1 появляется напряжение, препятствующее разветвлению тока в обе обмотки усилителя 2У1 выходного каскада.
В один из полупериодов питающего напряжения ток проходит по следующей цепи: клемма 3 трансформатора Тр, выпрямитель Вг, якорь серводвигателя, выпрямитель В3, обмотка 7—8 одного из дросселей, клеммы 8—7 трансформатора Тр, выпрямитель В8, резистор R6, выпрямитель Blt обмотка 5—6 того же дросселя, клемма 4 трансформатора Тр.
Магнитное поле, созданное током, намагничивает сердечник дросселя, индуктивное сопротивление его обмоток при этом резко уменьшается и все питающее напряжение оказывается приложенным к обмотке якоря серводвигателя, который подсоединен к клеммам 7—8 усилителя. В другой полупериод питающего напряжения ток проходит по обмоткам 1—2, 3—4 второго дросселя. При изменении полярности сигнала управления открывается усилитель первого каскада 1У2 (и еще больше закрывается усилитель 1У1) и ток в якоре серводвигателя изменяет направление. Обмотка независимого воз-
171
От трансформатора напряжения
буждения двигателя включается помимо устройства на напряжение неизменной полярности.
Зависимость величины выходного тока усилителя типа УРЧН-1У1 от тока представлена на рис. 121.
Усилитель УРЧН-1У2. Рассматриваемый усилитель УРЧН-1У2 в части первых каскадов (1У1, 1У2) и связи со вторыми каскадами идентичен с усилителем УРЧН-1У1 и отличается от него только
схемой соединения обмоток второго каскада (рис. 122).
Усилители выходного каскада 2У1 и 2У2 не соединены по мостовой схеме, как в усилителе УРЧН-1У1, а работают раздельно, отрицательные полюсы выпрямителей В4 и Вв объединены. В случае открытия усилителя 1У2 открывается второй каскад 2У2, одновременно усилители первого каскада 1У1 и второго каскада 2У1 продолжают закрываться. Выходные клеммы усилителя 7, 8, 9 включены на двигатель (клемма 7 — к одной обмотке возбуждения, клемма 8 — к другой и клемма 9 — к якорю). По одной из обмоток возбужде
Рис. 121. Зависимость выходного тока усилителя УРЧН-1У1 от тока управления.
ния к якорю двигателя протекает ток, якорь начинает
вращаться в направлении, определяемом последовательной обмоткой возбуждения, питаемой от усилителя 2У2 через клемму 8.
При изменении полярности входного сигнала процесс протекает в обратном порядке, т. е. усилители 1У2 и 2У2 закрыты, а усилители 1У1 и 2У1 открыты, ток протекает по другой обмотке возбуждения к якорю двигателя. В результате серводвигатель вращается в противоположную сторону.
Зависимость величины выходного тока усилителя типа УРЧИ-1У2 от тока управления представлена на рис. 123.
Усилитель типа УРЧН-1УЗ. Усилитель типа УРЧН-1УЗ так же,
как и усилитель типа УРЧН-1У1, предназначен для работы с двигателем постоянного тока независимого возбуждения. Принципиальные схемы и работа усилителей УРЧН-1УЗ и УРЧН-1У1 совершенно аналогичны. Усилитель используется для управления серводвигателем напряжением 24 в в отличие от УРЧН-1У1, управляющего двигателем на ПО в.
Усилитель типа УРЧН-1У4. Первые каскады усиления (1У1, 1У2) этого усилителя выполнены аналогично каскадам усилителей,
173
описанным выше. Выходные каскады усилителя выполнены по схеме быстродействующих магнитных усилителей с электрической связью между каскадами и выходом на переменном токе по дифференциальной схеме (со средней точкой вторичной обмотки трансформатора). На-
грузкой выходных каскадов усилителя является обмотка управления двигателя. Обмотка возбуждения двигателя включена помимо усилителя таким образом, что угол между напряжениями в обмотках
Рис. 123. Зависимость выходного тока усилителя УРЧН-1У2 от тока управления.
двигателя составляет четверть периода. Как у всякого дифференциального усилителя, фаза напряжения на нагрузке (обмотке двигателя), а следовательно, и направление вращения двигателя определяется полярностью напряжения на входе. При отсутствии входного сигнала напряжение на обмотке управления двигателя равно нулю и он неподвижен.
Конструкция устройства УРЧН. Конструктивно все элементы устройства (датчик активного тока типа УРЧН-1Д, усилители типов
174
УРЧН-1У1, УРЧН-1У2, УРЧН-1 УЗ, УРЧН-1У4) выполнены в типовых корпусах брызгозащищенного исполнения.
Все схемные элементы каждого прибора смонтированы в выдвигающемся блоке.
Расположение элементов прибора в выдвижном блоке обеспечивает при вынутом блоке открытый доступ, возможность съема плат с монтажом, что облегчает операции по обслуживанию и ремонту устройства. На нижней стенке корпуса установлена клеммная плата. Соединение этой платы с блоком осуществляется с помощью штепсельного разъема, замыкающегося при вдвигании блока в корпус. Надежное сочленение разъема обеспечивается применением направляющих штырей («ловителей»).
§ 53
Устройство распределения активной мощности (УРМ)
Устройство распределения активной мощности УРМ, как и устройство УРЧН, предназначено для работы в системах автоматического пропорционального распределения активной мощности между генераторами судовых электроэнергетических установок. В отличие от УРЧН, оно построено на полупроводниковых элементах и обеспечивает импульсное, а не непрерывное управление серводвигателями. Устройство УРМ обеспечивает распределение активной мощности с погрешностью не более 5%. Регулирование частоты устройством не производится, так как при применении современных регуляторов скорости первичных двигателей с коррекцией по нагрузке частота с достаточной точностью поддерживается системой регулирования базового генератора. В других случаях на базовый генератор включают корректор регулятора частоты типа ПРЧ.
Устройство УРМ состоит из следующих функциональных блоков: датчика активного тока, усилителя мощности с формирователем и выходных усилителей.
Устройство размещается в двух корпусах. В одном находится датчик активного тока, в другом — формирователь и усилители. Датчик активного тока имеет на выходе нелинейную характеристику £/вЫХ = f (/DX) при изменении нагрузки от нуля до 5 я и cos <р от 0,7 до 1,0 (рис. 124).
Формирователь обеспечивает выдачу импульсов на усилитель по сигналу от датчика активного тока при неравномерности распределения активных нагрузок между параллельно работающими генераторами в пределах 5%.
Длительность начального импульса регулируется от 0,2 до 2 сек, а период следования импульсов — в пределах от 2 до 5 сек. Суммарная нагрузка установки может составлять от 20 до 100%. Усилители устройства предназначены для работы с серводвигателями всех типов, устанавливаемыми на регуляторах скорости первичных двигателей генераторов, так же как и в устройстве УРЧН.
175
На рис. 125 представлена принципиальная схема датчика активного тока, который включает в себя мостовой фазочувствительный выпрямитель на резисторах —/?6 с выпрямителями Bt, В2 и промежуточный трансформатор тока Тр с подстроечным резистором R7. Резисторы Rlt R2 образуют искусственную нулевую точку трехфазной системы. При ненагруженном генераторе измерительный мост сбалансирован и напряжение на выходе датчика равно нулю. С появлением нагрузки через трансформатор Тр в схему моста поступает ток, пропорциональный току генераторов, и баланс моста нарушается.
Рис. 125. Схема датчика активного тока.
Рис. 124. Характеристика датчика УРМ-1Д.
Усилитель мощности (рис. 126) получает питание от трансформаторов Трх, Тр2 с выпрямителями Вг—B2i и фильтрами С\—С4. На транзисторах Т7, Т3 собран мультивибратор с резисторами Ri6—R30 и конденсаторами С7, С8. Он служит для генерирования импульсов, близких по форме к прямоугольной. Для получения стабильных импульсов с крутым фронтом на выходе мультивибратора включены стабилитроны Ст3, CTt. Выпрямители В.,7, В.18 выделяют положительную составляющую напряжения выходного сигнала.
Формирователь импульсов состоит из двух симметричных частей: транзисторов 7\, Т3, Тъ и Т2, Tit Те. На вход транзисторов Тlt Т2 подается сигнал от датчика активной мощности и импульсы с выхода коллекторных цепей мультивибратора. Исходное состояние транзисторов определяется напряжением отрицательного смещения цепи базы, поданным через делители на резисторах R3, R6 или Rit R6. Если нет сигнала от датчика активного тока, то напряжение выхода транзисторов Т3, Т4 всегда меньше напряжения пробоя стабилитронов Сг1, Ст 2 и транзисторы Т&, Т6 заперты. Выходной сигнал вместе с импульсом от мультивибратора уменьшает ток транзисторов Т\, Т3
176
Рис. 126. Принципиальная схема устройства УРМ.
12 В. Г. Самойлов
177
и транзистор Тъ открывается. С уменьшением напряжения на входе усилителя, а также по окончании импульса мультивибратора тран; зистор Тъ закрывается. Частота следования импульсов определяется мультивибратором. Промежуточный усилитель состоит из несимметричных триггеров на транзисторах Т9, Т и Т10, Т19 с выходом на резисторах /?41, Т?42. При отсутствии входного сигнала транзисторы Т9, Т10 открыты отрицательным напряжением смещения с резисторов /?21, Т?2з. Транзисторы Тп, Т12 закрыты и напряжение выхода равно нулю. Входной сигнал закрывает транзистор Т9 (Т10) и открывает транзистор (Т]2), падение напряжения на резисторе /?41 (/?4>) через вентиль В21 (В22) поступает на управляющий электрод тиристора Т1Я (Т14).
Выходной усилитель устройства УРМ собирается на тиристорах и предназначен для управления скоростью вращения серводвигателя. При поступлении импульсов на тот или иной тиристор последний открывается и серводвигатель получает питание. Питание схемы выходного усилителя производится от отдельного трансформатора Тр2, встроенного в блок с усилителем.
§ 54
Устройство автоматического включения резерва (УВР)
Загрузка генераторных агрегатов определяется величиной мощности подключенных потребителей. При изменении эксплуатационного режима работы судна возникает необходимость включения или отключения ряда потребителей. Повышение мощности потребителей, перегружающей работающие агрегаты, может быть компенсировано за счет ввода в действие резервного генераторного агрегата.
До настоящего времени при перегрузке генератора и невозможности отключения ряда всторостепенных потребителей ввод резервного генераторного агрегата производился вахтенным дистанционно. Однако более целесообразным является применение специального автоматического устройства включения резервного агрегата, так как при этом можно сократить время перегрузки генераторных агрегатов. Для этой цели разработано устройство включения резервного агрегата типа УВР.
Устройство автоматического включения резерва типа УВР предназначено для подачи импульса на запуск резервного генераторного агрегата при повышении нагрузки сверх заданной, на остановку резервного генераторного агрегата (или сигнал) при снижении нагрузки до заданной, на отключение генераторного автомата работающего агрегата и запуск резервного агрегата при длительном снижении или исчезновении напряжения.
Подключение устройства к генератору трехфазного переменного тока осуществляется через типовые измерительные трансформаторы напряжения с вторичным напряжением 127 в, частотой 50 гц и трансформатор тока с вторичным током 5 а. Питание устройства осуще-178
ствляется от постороннего источника переменного тока напряжением 127 в и частотой 50 гц или постоянного тока напряжением 24 в.
Мощность, потребляемая трансформатором напряжения устройства, не более 10 ва, трансформатором тока — не более 15 ва и трансформатором питания — не более 25 ва. Устройство выполняется для работы как по полному, так и по активному току нагрузки генератора. Уставка реле включения резервного генератора настраивается на полный ток срабатывания в пределах от 2,3 до 5 а и активный ток в пределах от 1,84 до 4 а. Уставка реле отключения резервного генераторного агрегата настраивается на полный ток срабатывания в пределах от 1 до 1,8 а. Точность срабатывания устройства находится в пределах +5% от тока уставки (для устройств, работающих по активному току, при изменении cos ср от 0,7 до 1,0). Срабатывание устройства происходит также при снижении напряжения генератора до 80 ± 5% от номинального и ниже. Коэффициент возврата устройства при этом составляет от 0,35 до 1,0. Срабатывание устройства происходит с выдержкой времени 5—8 сек. В качестве выходных реле устройства использованы реле типа РМ4 и РМУ.
Устройство УВР выполняется в следующих модификациях:
— устройство типа УВР-1А1 для работы по активному току с напряжением питания от постороннего источника переменного тока 127 в, частотой 50 гц\
— устройство типа УВР-1А2 для работы по активному току с напряжением питания от постороннего источника постоянного тока 24 в;
— устройство типа УВР-1П1 для работы по полному току с напряжением питания от постороннего источника переменного тока 127 в, частотой 50 гц\
— устройство типа УВР-1П2 для работы по полному току с напряжением питания от постороннего источника постоянного тока 24 в.
Схемы устройств УВР-1А2 и УВР-1П2 отличаются от схем устройств УВР-1А1 и УВР-1П1 только тем, что питание от постороннего источника осуществляется не через трансформатор напряжения, а непосредственно от цепи постоянного тока напряжением 24 в, поэтому данные схемы не приводятся.
Каждое из вышеперечисленных устройств состоит из элементов контроля повышения нагрузки, контроля понижения нагрузки и контроля напряжения (рис. 127).
Элемент контроля повышения нагрузки состоит из согласующего трансформатора Тр1У измерителя активного или полного тока, несимметричного триггера на транзисторах Т1У Т2 и реле времени па транзисторах Ts, Тъ с выходным реле Рг.
Элемент контроля понижения на грузки состоит из согласующего трансформатора Тр2, измерителя полного тока, бесконтактного реле па транзисторах Тв, Т1 и реле времени на транзисторах Т6, Т10 с выходным реле Р2.
Элемент контроля напряжения состоит из измерителя напряжения, бесконтактного реле на транзисторах Т12, 7\3 и реле времени на транзисторе Тг1 с выходным реле Ра.
12*
179
Рис. 127. Схема устройства УВР.
180
Трансформаторы Tplt Тр2 служат для согласования цепей измерителя активного или полного тока и типового измерительного трансформатора тока. Измеритель активного или полного тока преобразует полный ток нагрузки или его активную составляющую в постоянное напряжение. Транзисторные реле обеспечивают усиление сигнала измерителя и четкое срабатывание устройства при заданной величине уставки. Реле времени служат для создания выдержки времени срабатывания.
Измеритель активного тока устройств типов УВР-1А1 и УВР-1А2 представляет собой мостовой фазочувствительный выпрямитель на резисторах /?5, с диодами Д4, Дв. Два резистора T?J7, Ris, включенных в фазы В и С, образуют искусственную нулевую точку трехфазной системы напряжения. Сопротивления резисторов Д47, R4a равны, и на диагональ моста подается напряжение, совпадающее по фазе с напряжением фазы А генератора.
Резисторы RBl, R5 моста одновременно обтекаются также током от трансформатора тока, включенного в фазу А генератора через согласующий трансформатор. С другой диагонали моста снимается выпрямленное выходное напряжение измерителя. Это напряжение равно разности падений напряжений на резисторах RiS, RB0.
Примененная схема фазочувствительного выпрямителя является однополупериодной, так как ток по резисторам Rie, RBn проходит только в полупериод, когда фаза А имеет отрицательный потенциал по отношению к искусственному нулю. В другом полупериоде оба резистора заперты диодами Д4 и Д5.
При холостом ходе генератора мост сбалансирован, так как RiS = R&3 и RB1 = R5 , токи в резисторах RiS, RBB и величины падения напряжения на них равны.
У нагруженного генератора в резисторах RB1, R52 появляется ток, активная составляющая которого совпадает по фазе с током от напряжения фазы А в резисторе RB1, а в резисторе /?52 эти токи находятся в противофазе. В результате падение напряжения на резисторе RB1 становится больше, чем на резисторе R^2, ток и падение напряжения в Rm уменьшаются, а в 7?6О увеличиваются и точка Д оказывается под положительным потенциалом по отношению к точке Е. Как было показано выше (см. § 19), напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя пропорционально напряжению управления (в данном случае — напряжение на Rlt пропорциональное току генератора) и косинусу угла между напряжением управления и опорным напряжением (в данном случае между током и напряжением фазы А). Таким образом, напряжение на выходе измерителя приблизительно пропорционально активной составляющей тока генератора.
Если напряжение генератора считать неизменным, то UDE пропорционально активной мощности генератора.
Конденсатор С4 служит для сглаживания пульсаций напряжения между точками D и Е. С помощью потенциометра производится настройка устройства на заданную величину уставки.
181
Ё случае применения Измерителя полного тока его схема подобна' схеме измерителя контроля снижения нагрузки (трансформатор Тр2, потенциометр /?2, выпрямительный мостВх и конденсатор фильтра С5).
Выходное напряжение измерителя активного тока элемента контроля повышения нагрузки подается через стабилитрон CTi на несимметричный триггер, выполненный на транзисторах Тг и Т2. При отсутствии перегрузки генератора транзистор Тг заперт, так как ток через его переход эмиттер—база возникает только под действием выходного напряжения измерителя, когда последнее становится больше величины напряжения пробоя стабилитрона, т. е. больше 7,5—8,5 в.
По мере увеличения напряжения на выходе измерителя выше величины пробоя стабилитрона запирающий ток в цепи базы 7\ уменьшается, а коллекторный ток увеличивается и триггер переключается: транзистор 7\ открывается, а транзистор Т2 запирается.
При уменьшении напряжения сигнала стабилитрон Стх запирается и триггер лавинообразно переходит в состояние с открытым транзистором Т2.
При малых нагрузках генератора конденсатор С\ реле времени зашунтирован полностью открытым транзистором Т2 и небольшим сопротивлением резистора обратной связи Т?8. Поэтому напряжение на его зажимах мало. Стабилитрон Ст2 не пропускает ток через переход эмиттер—база транзистора Т3, и последний закрыт. Следовательно, на переходе эмиттер—база транзистора Г4 напряжение достаточно для его открытия. Поскольку транзистор Тл открыт, транзистор Тъ закрыт, согласно свойствам триггера. При этом ток, протека-щий через выходное реле Р1г равен практически нулю.
При достижении током нагрузки генератора величины, соответствующей напряжению пробоя стабилитрона Стг на выходе моста, полупроводниковое реле срабатывает, транзистор Т2 закрывается. Конденсатор Сг начинает заряжаться через резисторы А?я, 7?1П, обеспечивая выдержку времени. При достижении напряжением на конденсаторе Cj величины, равной величине пробивного напряжения стабилитрона Ст2, т. е. 8,5—9,5 в, транзистор Та открывается, шунтируя переход эмиттер—база транзистора 7\, который в результате запирается. Транзистор Тъ открывается и реле Р7 срабатывает. При уменьшении нагрузки генератора все транзисторы переходят в исходное состояние в том же порядке, что и при включении.
Выходное напряжение измерителя полного тока элемента контроля снижения нагрузки подается через стабилитрон Ст3 на несимметричный триггер, выполненный на транзисторах Т6, Т7. Несимметричный триггер аналогичен триггеру, выполненному на транзисторах 7\, Т2, т. е. при нагрузках генератора ниже величины, соответствующей уставке устройства при отключении резервного генератора, транзистор Тв закрыт, а транзистор Т7 полностью открыт. Цепь конденсатора С2 реле времени зашунтирована транзистором Т7 и небольшим сопротивлением резистора обратной связи R26 триггера, поэтому напряжение на его зажимах отсутствует. Следовательно, транзистор Та закрыт, коллекторный ток его практически равен нулю,
182
и на базу транзистора Т9 подается отрицательный потенциал по отношению к его эмиттеру, так что транзистор То будет открыт, а транзистор Т10 закрыт. Стабилитрон Ст4 служит для четкого запирания транзистора Тя при открытии транзистора Т7. Стабилитрон Стъ не допускает разряда конденсатора С2 через открытый транзистор Т7.
По мере увеличения напряжения на выходе измерителя выше величины пробоя стабилитрона Ст3, т. е. выше 8,5—9,5 в, триггер срабатывает, транзистор Т7 закрывается, конденсатор С2 заряжается. С незначительной выдержкой времени открывается транзистор Т6, срабатывает триггер на транзисторах Т9, Т10, транзистор Т10 открывается и реле Р2 срабатывает. В таком положении находятся элементы контроля снижения нагрузки при нагрузках генератора, превышающих заданную уставку срабатывания.
При снижении нагрузки ниже величины уставки стабилитрон Ст3 закрывается, триггер перебрасывается в исходное состояние, транзистор Т7 открывается, напряжение эмиттер—коллектор его уменьшается почти до нуля, конденсатор С2 начинает разряжаться, поддерживая еще некоторое время ток через переход эмиттер—база транзистора Та. Через 5—8 сек, когда конденсатор разрядится, транзистор Т3 закрывается, триггер на транзисторах Ts, Т10 перебрасывается в противоположное состояние и реле Р2 обесточивается. Его размыкающие контакты выдают импульс на* остановку резервного генератора.
Измеритель элемента контроля напряжения представляет собой трансформатор напряжения в устройствах УВР-1А1 и УВР-1А2 или делитель напряжения на резисторах в устройствах УВР-1П1 и УВР-1П2 и выпрямитель В2 с фильтрующим конденсатором Сп. Напряжение на выходе измерителя пропорционально напряжению генератора и подается на реле времени (транзистор Т11, конденсатор С3). С реле времени сигнал поступает на несимметричный триггер на транзисторах Т12, Т13.
При поминальном напряжении на генераторе стабилитрон Ств проводит ток, конденсатор С3 заряжен, транзисторы ТГ1 и Т13 открыты и реле Р3 находится под напряжением. При снижении напряжения ниже 80 ± 5% номинального запирается стабилитрон Сте, конденсатор С3 разряжается, обеспечивая заданную выдержку времени, после чего транзистор Тг1 закрывается, триггер на транзисторах Т12, Т 1з переключается, реле Р3 лишается питания, устройство выдает импульс на отключение генератора и запуск резервного агрегата.
Конструктивно устройство выполнено так же, как и другие устройства, описанные выше.
§ 55
Устройство автоматической разгрузки генераторов (УРГ)
Одним из способов снятия перегрузки с генераторов, возникающей при одновременном включении мощных судовых потребителей, таких, как пожарные насосы, компрессоры, санитар
183
ные насосы, вентиляторы, является автоматическая разгрузка гене-. раторов путем отключения в первую очередь неответственных потребителей. Устройство автоматической разгрузки (УРГ) предназначено для отключения части потребителей при перегрузке генераторных агрегатов. Устройство подключается к генератору трехфазного переменного тока через типовые измерительные трансформаторы напряжения с вторичным напряжением 127 в частотой 50 гц и трансформатор тока с вторичным током 5 а.
Устройство должно срабатывать как при полном, так и при активном токе нагрузки. Величина уставки на полный ток срабатывания находится в пределах 3—5 а, а на активный ток — в пределах 2,4— 4 а. Точность срабатывания ±5% от тока уставки при изменении cos <р
Рис. 128. Датчик активного тока устройства УРГ.
от 0,6 до 1. Коэффициент возврата устройства находится в пределах 0,9—1,0. Устройство осуществляет три последовательные ступени отключения второстепенных потребителей с выдержкой времени 5—8сек.
Допускаются следующие перегрузки устройства по току генераторов: в течение двух часов 10% 7Н; в течение 30 мин 25% в течение 5 мин 50% /н. В устройстве в качестве выходных использованы реле типа РМ-4. Общий вид устройства приведен на рис. 128.
Устройство УРГ состоит из датчика активного тока УРГ-1 ДА или датчика полного тока УРГ-1ДП и релейного блока УРГ-1Р (рис. 129).
Датчик тока состоит из следующих основных частей:
— измерителя активного или полного тока, с помощью которого полный ток нагрузки или его активная составляющая преобразуется в постоянное напряжение (датчики активного и полного тока отличаются только схемой измерительного элемента);
— несимметричного триггера, выполненного на транзисторах Ть Т2, обеспечивающего усиление сигнала измерителя и четкое срабатывание устройства при заданной величине уставки;
— • полупроводникового реле времени, выполненного на транзисторах Т3, Тъ, для создания выдержки времени срабатывания;
— согласующего трансформатора ТС для согласования цепей датчика активного или полного тока и типового измерительного трансформатора тока;
184
— питающего блока, состоящего из трансформатора Тр и выпрямителя Bj с фильтрующим конденсатором С3.
Измеритель активного тока преобразует активную составляющую тока генератора 1Г в постоянное напряжение на выходе (7ПЫХ. Измеритель активного тока не отличается от измерителя, примененного в устройстве автоматического включения резерва (УВР).
С помощью потенциометра производится настройка устройства на заданную величину уставки.
Л' трансформатору тока 1275
Откп.Рочсреди Откл Посереди Откл ШочереНц
Рис. 129. Схема устройства разгрузки генератора УРГ
Выходное напряжение измерителя активного или полного тока подается через стабилитрон СтА на несимметричный триггер, выполненный на транзисторах ТТ2. При отсутствии перегрузки генератора транзистор 7\ закрыт, так как ток через его переход эмиттер-база возникает только под действием выходного напряжения измерителя, когда последнее становится больше величины напряжения пробоя стабилитрона, т. е. больше 7,5—8,5 в. По мере увеличения напряжения на выходе измерителя выше величины пробоя стабилитрона запирающий ток в цепи базы Тj уменьшается и триггер переключается (7\ открывается, а Т2 запирается).
При уменьшении напряжения сигнала стабилитрон Стг запирается и триггер лавинообразно переходит в состояние с открытым транзистором Т2.
185
При малых нагрузках генератора конденсатор С2 реле времени зашунтирован транзистором Т2 и небольшим сопротивлением резистора обратной связи R7, напряжение на его зажимах мало. Стабилитрон Ст2 не пропускает ток через переход эмиттер—база транзистора Т3. Следовательно, на переходе эмиттер—база транзистора Тл напряжение достаточно для его открытия. А поскольку транзистор Т4 открыт, согласно свойствам триггера, транзистор Тъ закрыт. При этом ток через выходное реле Р практически равен нулю.
При достижении током нагрузки генератора величины, соответствующей напряжению пробоя стабилитрона CTi на выходе измерителя, полупроводниковое реле срабатывает, транзистор Т2 закрывается. Конденсатор С2 начинает заряжаться через резисторы Rs, RB, обеспечивая выдержку времени. При достижении напряжением на конденсаторе С2 величины, большей величины напряжения пробоя стабилитрона Ст2, т. е. больше 7,5—8,5 в, транзистор Т3 открывается, шунтируя переход эмиттер—база транзистора Т4. Транзистор Тъ открывается и реле Р срабатывает. При уменьшении нагрузки генератора все транзисторы переходят в исходное состояние в том же порядке, что и при включении.
После срабатывания реле Р его контакт 6—7 включает питание на реле релейного блока.
Релейный блок состоит из реле Р± (реле отключения потребителей очереди I) и двух полупроводниковых реле времени. Полупроводниковые реле имеют одинаковые схемы, но разные параметры для получения различного времени срабатывания. При подаче питания реле Рг срабатывает мгновенно, отключая очередь I потребителей. Затем начинают заряжаться конденсаторы С2, С3 и С4, обеспечивая выдержки времени очереди // и III отключения потребителей.
Напряжение на конденсаторе С2 реле очереди // растет быстрее, чем на конденсаторах С3, очереди III.
При достижении напряжением величины пробоя стабилитрона Стг транзистор открывается, полупроводниковое реле на транзисторах Т2, Т3 срабатывает и включает реле Р2. Аналогично работает реле Р3 очереди III.
При уменьшении нагрузки контакт реле Р датчика тока отпадает и реле следующих очередей не срабатывают.
§ 56
Устройства автоматической синхронизации типа УСГ с постоянным временем опережения
Включение на параллельную работу судовых синхронных генераторов осуществляется при выполнении ряда условий, значительно ограничивающих величину уравнительного тока. Процесс включения генераторов на параллельную работу с выполнением заданных условий называется синхронизацией.
186
ЕГ [ Синхронизация генераторов может выполняться вручную, полуавтоматически и автоматически. При ручной синхронизации все действия по включению генераторов в сеть производятся персоналом вручную, при полуавтоматической — одни операции (подгонка частоты генераторов) выполняются вручную, а другие (включение генератора) автоматически. При автоматической синхронизации все операции автоматизируются.
Способы синхронизации. В судовых электроустановках применяются три способа синхронизации: точная синхронизация, самосинхронизация и грубая синхронизация.
Точная синхронизация осуществляется путем включения возбужденного генератора в сеть по достижении следующих условий синхронизма: равенства амплитудных значений напряжений, равенства частот подключаемого генератора и сети, совпадения напряжений по фазе.
Самосинхронизация разрешает включение невозбужденного генератора при скорости вращения агрегата, близкой к синхронной (скольжение составляет 2—3%), с последующей подачей возбуждения. После подачи возбуждения генератор втягивается в синхронизм.
Грубая синхронизация осуществляется в том случае, если возбужденный генератор с напряжением и частотой, незначительно отличающимися от напряжения и частоты сети (скольжение не более 3—4%), без соблюдения условий синхронизма включается на параллельную работу через реактивное сопротивление (реактор), которое шунтируется после вхождения генераторов в синхронизм. Сдвиг по фазе напряжения генератора и сети в момент включения генераторов на параллельную работу может быть различным.
Включение генераторов на параллельную работу при точной синхронизации производится таким образом, чтобы толчок уравнительного тока между генераторами был минимальным. Существует три способа точной синхронизации: ручная, полуавтоматическая и автоматическая. При ручной точной синхронизации равенство напряжений обеспечивалось раньше ручным регулированием возбуждения синхронизируемого генератора, при этом наблюдение производилось по двум вольтметрам: один контролировал напряжение подключаемого генератора, другой — напряжение работающего генератора.
Современные системы автоматического регулирования напряжения, применяемые в судовых синхронных генераторах, достаточно точно поддерживают напряжение, в связи с этим возбуждение генераторов перед синхронизацией можно не регулировать.
Равенство частот обеспечивается воздействием на серводвигатель и контролируется частотомерами работающего и подключаемого генераторов. Совпадение фаз напряжений генераторов определяют с помощью вольтметра, включенного на разность напряжений генераторов, лампового или стрелочного синхроноскопа.
Следует отметить, что практически не добиваются точного совпадения амплитуды и частоты напряжения синхронизируемых генераторов, а также полного отсутствия сдвига фаз между ними. Необхо
187
димо только, чтобы разность напряжений, частот и величина сдвига фаз не превышали определенных величин. Обычно в судовых установках синхронизация считается допустимой, если разность напряжений не превышает 6—10%, разность частот 0,5—1,5%, а угол сдвига фаз не более 10°. В момент включения стремятся, насколько это возможно, уменьшить разность фаз синхронизируемых генераторов, так как эта разность определяет изменения тока и момента па валу генераторов при синхронизации. При указанной допустимой
Рис. 130. Блок-схема устройства синхронизации УСГ-1П.
I — блок питания; II — блок контроля разности напряжений; III — блок контроля разности частот; IV — блок запрета; V — блок времени опережения; V/-/, VI-2 — блоки подгонки частоты; VII-lt VI1-2, VI1-3 — выходные блоки.
разности частот разность фаз меняется со скоростью 90—270град!сек. Очевидно, поскольку срабатывание автоматического выключателя происходит за 0,03— 0,08 сек, а у некоторых выключателей даже около 0,3сек, необходимо команду на включение выключателя подавать с опережением момента совпадения фаз, чтобы замыкание контактов выключателя происходило при минимальной разности фаз.
При полуавтоматической или автоматической точной синхронизации при
стояниим углом опереже
меняют специальное устройство — синхронизатор, который может быть построен либо по принципу работы с пони я, либо с постоян
ным временем опережения. При полуавтоматической
синхронизации операция по подгонке скорости вращения первичного двигателя сохраняется ручной, при автоматической — все операции синхронизации автоматизируются 161.
Синхронизаторы типа УСГ-1. Эти устройства относятся к син-
хронизаторам с постоянным временем опережения и выполняются в двух вариантах: устройство типа УСГ-Ш с автоматической подгонкой частоты и устройство типа УСГ-1 без автоматической подгонки частоты.
Рассмотрим принцип работы синхронизатора типа УСГ-1П.
На рис. 130 приведена блок-схема синхронизатора типа УСГ-1П.
Схема включения синхронизатора в сеть приведена на рис. 131, а. Кривые биений напряжения изображены на рис. 131, б. Приведем описание работы синхронизатора и отдельных его узлов в соответствии с принципиальной схемой, изображенной на рис. 132.
188
Блок питания. Этот блок I выдает на входы блоков напряжения, пропорциональные линейным напряжениям генераторов, напряжения биений и их производные. Блок состоит из трансформаторов линейных напряжений Tplt Тр3, Tpit трансформатора напряжения биений Тр2, полупроводниковых выпрямителей, сглаживающих фильтров, дифференцирующих контуров, стабилитронов и резисторов. Стабилизация напряжения питания осуществляется стабилитронами CTi, СТ\.
Рис. 131.Схемавключения синхронизатора в сеть (а) и кривые биений (б).
Выходной блок питается от отдельного трансформатора Трг с выпрямителями и фильтрами. Напряжение биений снимается с трансформатора биений Тр2, а также со вторичных обмоток трансформаторов Tpt и Тря. Напряжение биений после выпрямителей и фильтров преобразуется в напряжение огибающей биений (рис. 131, б), дифференцирование которой происходит с помощью контура RaC7 И RizCa (см. рис. 132). В блоке питания предусматривается также суммирование напряжения огибающей биений с его производной на резисторах Re и Ro. Производная напряжения огибающей биений, подаваемая в блок V, снимается с резистора R12.
Блок контроля разности напряжений. Этот блок II измеряет разность напряжений работающего и подключаемого генераторов. Если эта разность не превышает установленной величины (уставки), блок разрешает работу блока контроля разности частот. Блок состоит из измерительного моста на резисторах Ria, Rie, транзистора 7\, включенного по схеме с общим эмиттером, и триггера на транзисторах Т2В, Т2в.
189
190
На диагонали измерительного моста с блока питания подаются напряжения, пропорциональные линейным напряжениям генераторов. Токи в плечах моста от этих напряжений направлены согласно в резисторах R13 и Rlf> и встречно в резисторах Ru и Rie. Таким образом, напряжение на резисторах Rti и R16 пропорционально разности напряжений генераторов. При равных напряжениях генераторов выходное напряжение на резисторе Rie равно нулю. При появлении разности напряжений генераторов полярность напряжения на резисторе R13 зависит от того, какое напряжение больше. Для дальнейшей работы необходимо иметь напряжение одной полярности, поэтому к R1B подключен выпрямитель В20. Напряжение с выхода выпрямителя подается в цепь базы транзистора Т1г открытого положительным смещением за счет резистора R17. С увеличением разности напряжения генераторов положительное напряжение на базе транзистора 7\ уменьшается и транзистор запирается.
Стабилитрон Ст2 и резистор Д81 служат для защиты входной цепи транзистора 7\ от перенапряжений при большой разности напряжений генераторов. Триггер на двух транзисторах Т25, Т2в выдает в схему сигнал, исключающий срабатывание устройства при кратковременных изменениях напряжений генераторов.
Если в цепь базы транзистора Т25 будет подано положительное напряжение, то транзистор Т2Ъ будет полностью открыт, а транзистор Т20 — заперт. В этом случае триггер будет находиться в устойчивом состоянии с определенным выходным сигналом.
Отрицательное напряжение в цепи базы транзистора Т2Ъ приводит к тому, что транзистор Т26 оказывается запертым, а транзистор Т2в — открытым. Триггер переходит во второе устойчивое состояние с нулевым напряжением на выходе.
Блок контроля разности частот. Блок III задает уставку по разности частот синхронизируемых генераторов. На вход подается огибающая напряжения биений. Воздействием на элементы блока запрета достигается включение генератора в точке кривой напряжения биений с соблюдением всех условий синхронизации. В схему блока входит несимметричный триггер на транзисторах Т2, Т3, состояние которого определяется сигналом огибающей биений, поданным в цепь базы транзистора Т2 через выпрямитель В28 и стабилитрон Ст3. При отсутствии управляющего сигнала в цепи базы транзистора Т2, транзистор Т3 отперт положительным напряжением цепи его базы, снимаемым с делителя #22, Rm-
С увеличением положительного сигнала в цепи базы транзистора Т2 триггер переключается, транзистор Т2 открывается, а транзистор Та запирается. В открытом состоянии транзистора Т3 выходной сигнал определяется падением напряжения на резисторе нагрузки R26.
Транзистор Т2 открыт в следующих случаях:
а) когда напряжение огибающей биений больше напряжения пробоя стабилитрона Ств, что указывает на значительную разность фаз между синхронизируемыми генераторами;
191
б) когда разность напряжений генераторов велика и в результате транзистор Тг заперт (сигнал поступает на базу транзистора через резистор /?88 и выпрямитель В33);
в) если разность напряжений генераторов была велика в начале данного периода биений (сигнал поступает на базу транзистора 7\ от триггера Т2Ъ—Т№ через выпрямитель В32);
г) при включении напряжения на синхронизатор на время заряда конденсатора С13 через резистор У?19, чем запрещается работа синхронизатора до установления в нем режима после включения.
Таким образом, во всех перечисленных случаях транзистор Та заперт и падение напряжения на /?2Б равно нулю.
Блок запрета. Блок IV предназначен для запрещения синхронизации при разности частот генераторов, превышающей уставку блока контроля частоты. В схему блока входит триггер на двух транзисторах Ti и Ть и транзистор Тв. Питание блока осуществляется напряжением на резисторе /?2Б блока ///. При получении питания в триггере устанавливается одно и то же состояние, при котором транзистор 7\ заперт, а Тъ открыт. Транзистор Тв при этом заперт. Отрицательный импульс, поданный с блока времени опережения в цепь базы транзистора Т&, изменяет состояние триггера, транзистор Тв отпирается, и выходной сигнал поступает на усилитель выхода синхронизатора.
Блок времени опережения. Блок V служит для получения постоянного времени опережения и содержит два транзистора Т7, Тв и формирователь импульсов (несимметричный триггер) на транзисторах Тв, Т10.
Получение постоянного времени опережения основано на том, что время между моментом равенства нулю суммы напряжения огибающей биений и производной этого напряжения и моментом равенства нулю уменьшающегося напряжения огибающей биений примерно постоянно, несмотря па изменение частоты биений в значительных пределах (рис. 131, б).
На вход транзистора Т7 (см. рис. 132) подается сумма напряжения огибающей биений и производной этого напряжения, на вход транзистора Те — производная напряжения огибающей биений. Состояние транзисторов Т7, Тв определяется полярностью этих сигналов (см. рис. 131, б). В первой половине периода биений транзистор Т, заперт отрицательным напряжением суммарного сигнала. Транзистор Тв триггера открыт, транзистор Т10 заперт. Конденсатор С16 заряжен через резисторы /?41. /?42. Когда значение суммарного сигнала близко к нулю, транзистор Т- отпирается положительным смещением через резистор Rai- В результате транзистор Т9 запирается, транзистор 7\0 отпирается и конденсатор C1G, разряжаясь, выдает в блок запрета импульс времени опережения. Транзистор 7е, имеющий общие с транзистором Т7 резисторы нагрузки, управляется только производной от огибающей биений. Он работает подобно транзистору Т- и способствует расширению зоны стабильного времени опережения при увеличении разности частот.
192
Таким образом, ограничение разности частот в синхронизаторах УСГ-1П обеспечивается без непосредственного измерения этой разности, за счет того, что при постоянном времени опережения и увеличении частоты биений до недопустимой величины импульс времени опережения будет поступать на блок запрета с углами опережения, при которых напряжение огибающей биений отпирает транзистор Т2 блока контроля разности частот. Поскольку при этом блок запрета лишен питания, сигнал на включение выключателя синхронизатором не выдается.
Конденсатор С.8 заряжается через резистор /?зп. В конце периода биений транзисторы Т7, Т8 запираются и триггер возвращается в первоначальное состояние. Конденсатор С28 разряжается через открывшийся транзистор Тв и своим отрицательным импульсом запирает транзистор Т.5 блока //. При этом открывается транзистор Т2в и снимается сигнал, запрещающий включение при быстром изменении разности напряжений синхронизируемых генераторов.
Блок подгонки частоты. Блок VI предназначен для уравнивания частот подключаемых генераторов и состоит из двух одинаковых частей (VI-1 и VI-2). Каждая часть схемы состоит из формирователя импульсов, блокирующего транзистора и мультивибратора. Блок формирует импульс на уменьшение или увеличение частоты синхронизируемого генератора. На первый вход (конденсатор С17 (см. рис. 132) подается выпрямленное напряжение биений иб1 = UMC1 + а на второй вход (конденсатор С20)—нб2 Uaiul— —иЛ2В.2. Как видно из рис. 133, угол между пб1 и нб., составляет
13 В. Г. Самойлов
193
120 . Если век юры напряжений U/lim и UА1С1 принять неподвижными, то вектор напряжения Uд2в2 будет вращаться с угловой скоростью скольжения cos, определяемой разностью круговых частот <в2—со1. При этом угол между векторами zz61 и цб2 сохранится равным 120 и оба вектора будут вращаться в ту же сторону, что и вектор 0л2вг- Поэтому при со2 > векторы напряжений «61 и цб2 вращаются против часовой стрелки и Нб2 опережает zzgi, что видно и по верхнему графику огибающих биений (рис. 133, б). При со2 < со t напряжение uei отстает от zz6i > как показано на нижнем графике огибающих биений.
Если напряжение биений пб1 опережает напряжение биений zzC2, первым запирается транзистор 7\3 (см. рис. 132). Конденсатор С18 заряжается через резисторы /?61 и /?83. На /?63 происходит падение напряжения, являющееся кратковременным импульсом, и далее напряжение через вентили Ви и В.25 поступает на базу транзистора Т15. Одновременно напряжение, нарастающее на коллекторе запертого транзистора Т13, проходит через стабилитрон Ств на базу блокирующего транзистора 7\4 и открывает его, после чего 7\4 остается открытым до открытия транзистора Т13 при уменьшении z/ci (к концу периода биения). Напряжение и&1, отстающее от цб1, в свою очередь запирает транзистор Т17 и вместе с резисторами и /?74 и конденсатором С21 формирует импульс. Однако этот импульс не поступает на транзистор Т19, так как резистор /?74 уже зашунтирован открытым блокирующим транзистором Т\7. Таким образом, импульсы па свой мультивибратор подает только формирователь, на входе которого имеется опережающее напряжение биений. Мультивибратор блока подгонки частоты является мультивибратором с одним устойчивым состоянием. В отличие от обычного мультивибратора, он не является генератором непрерывно следующих импульсов, а выдает на выходе один импульс определенной длительности при появлении кратковременного импульса на входе. Мультивибратор состоит из транзисторов Т1Ъ, Т10, резисторов /?54—/?89 и конденсатора С19. До появления импульса на входе транзистор Т1е полностью открыт. При этом падение напряжения на резисторе больше падения напряжения на резисторе R55 и транзистор 7\5 заперт. Конденсатор С1в заряжен, так как резистор /?56 подключен параллельно резистору /?68, по которому протекает ток базы Т1в, поддерживающий открытое состояние транзистора. Импульс формирователя открывает транзистор Т\5, потенциал левой обкладки конденсатора С19 приближается к потенциалу эмиттеров транзисторов Т1й, Ти и напряжение на конденсаторе, будучи приложенным минусом к базе 7\6, а плюсом к эмиттеру, запирает 7\в. Одновременно происходит разряд конденсатора через 7\в и резисторы /?57, /\58, длительность которого определяется главным обра зом емкостью конденсатора С19 и сопротивлением резистора /?58. К концу разряда конденсатора потенциал базы Т16 становится выше потенциала эмиттера и Т1е открывается. Увеличение падения напря-
194
жения на /?57 запирает Т15, и конденсатор С19 заряжается по цепи /?5В, Т\В. ^?57- _ _
Если соа (см. рис. 133, б), Tonga опережает «61 и аналогично описанному работает блок VI-2. Таким образом, блок подгонки частоты в начале каждого периода биений выдает по одному из двух каналов один импульс постоянной длительности, причем выбор канала определяется тем, что больше — частота подключаемого генератора или сети.
Выходной блок. Блок VII (см. рис. 132) состоит из трех одинаковых несимметричных триггеров (VII-1, V1I-2 и VII-3), включенных на электромагнитные реле. Выходной сигнал элементов запрета уменьшает отрицательное напряжение в цепи базы транзистора 7\t, запирая его. Транзистор Т12 отпирается, и реле PHj срабатывает, замыкая включающую цепь автоматического выключателя. По сигналам блоков подгонки частоты срабатывают триггер Т21—Т22 (от блока VI 1) и триггер Т 23—Т24 (от блока VI-2). При этом контакты реле РП2 и РП3 коммутируют цепи серводвигателя подключаемого генератора, который в результате вращается в таком направлении, что частота подключаемого генератора подгоняется.
Работа синхронизатора. При включении устройства в работу положительным напряжением, поданным в цепь базы через конденсатор С13, открывается транзистор Т2. Транзистор Т3 при этом закрывается и блок запрета не получит питания. В момент периода биений, близкого к зоне опережения, транзистор Т2 запирается, транзистор Т3 отпирается и блок запрета получает питание. В этом случае блок времени опережения V по цепи Т10, Т?з9, Cl6, Rit, В23 выдает на вход блока запрета IV импульс. Транзистор Т5 запирается, транзистор Тв отпирается, и блок запрета срабатывает. Состояние триггера — Т12 изменяется, выходное реле РГ/4 срабатывает, замыкая включающую цепь автоматического выключателя. При разности напряжений, превышающей уставку, транзистор 7\ запирается и по цепи /?88, В33 изменяет состояние триггера Т2—Т3. Одновременно заряжается конденсатор С24. Ток заряда конденсатора С24 по цепи С24, Взъ изменяет состояние триггера Т2Ь — Т26. Транзистор Т 26 отпирается, транзистор Т.,е запирается и своим сигналом по цепи В32, R20 удерживает триггер Т2— Т3 в этом же состоянии.
При восстановлении напряжения генераторов запрещающий сигнал с транзистора 7\ снимается. Однако запрет на синхронизацию остается, пока триггер Т23— Т2№ не изменит своего положения. При открытом состоянии транзистора Т7 или 7'8 транзистор Т9 заперт. Конденсатор С28 заряжен через резистор /?36. В конце периода биений элементы блока времени опережения возвращаются в состояние покоя. Ток разряда конденсатора С28 по цепи R39, Ts, С28, В34, Rsi изменяет состояние триггера Т2Ъ — Т26 и транзистор Т.г закрывается. Этим исключаются ошибочные срабатывания синхронизатора при кратковременных изменениях напряжения от момента подачи питания на блок запрета до зоны опережения.
13* 195
Если разность частот генераторов превышает уставку, импульс опережения поступает на блок запрета, когда на него еще не подано питание. В этом случае импульс времени опережения не изменяет состояния элементов запрета и устройство не срабатывает. С включением синхронизатора при разности частот генераторов выше уставки начинает действовать блок подгопки частоты. Так, если генератор с фазами Alr Blt Ct работает с частотой меньше частоты подключаемого генератора с фазами А.г, В2, то сигнал на первом входе С17, Ri8, RM будет опережать сигнал на втором входе С20, R69, Р70- В этом случае первая часть схемы блока подгонки вырабатывает импульс на уменьшение частоты подключаемого генератора. Реле РП3 срабатывает и замыкает цепь серводвигателя. При обратном соотношении частот генераторов работает другая часть схемы и вырабатывает импульс на увеличение частоты подключаемого генератора.
Синхронизаторы УСГ-35 и УСГ-Р. Модификацией УСГ-Ш является устройство автоматической синхронизации типа УСГ-35. В целях повышения надежности оно имеет два канала синхронизации: основной (ОКС) и резервный (РКС). Выход из строя элементов одного канала не приводит к ложному включению автомата синхронизируемого генератора. Устройство построено по принципу постоянного времени опережения и настраивается на следующие уставки времени опережения и разности частот (при номинальной частоте 50 гц).
Уставки времени Уставки разности
опережения, сек частот, гц
0,4—0,3+0,04 . 0,4—0,2+0,15
0,3—0,1+0,03 0,6—0,4+0,15
0,1—0,05+0,02 0,8—0,6+0,15
Устройство работает при разности напряжений At/ — 8 ± 2% от UK и управляет подгонкой частоты в диапазоне разности частот 10 + 2% от f„.
Принцип построения блоков подгонки частоты аналогичен схеме устройства УСГ-Ш, но за счет более рационального построения схемы значительно сокращено количество элементов. В устройстве УСГ-35 элементы совпадения выполнены совместно с формирователями, а обмотка реле является нагрузкой мультивибратора с одним устойчивым состоянием, выполненного на мощных транзисторах.
В последнее время разработаны еще более совершенные устройства синхронизации типа УСГ-Р, которые наряду с включением генераторов на параллельную работу методом точной синхронизации могут использоваться также для осуществления грубой синхронизации генераторов с ограничением угла включения. В целях увеличения вероятности отсутствия ложного сигнала в данном устройстве произведено дублирование основных блоков.
196
§ 57
Устройство переключения питания (УПП)
Устройство автоматического переключения питания (УПП) производит переключение питания судовых потребителей электроэнергии при одновременном или раздельном снижении напряжения и частоты в системе до значения уставки срабатывания пускового органа устройства. Схема устройства, как это видно из
Рис. 134. Схема устройства УПП-1.
рис. 134, состоит из датчика напряжения и частоты. В качестве выходных реле применены реле типа РМ-4.
Датчик напряжения состоит из выпрямителей В3, резисторов R3, Rit фильтрующего конденсатора С3 и триггера на транзисторах Т3, 7\, включенного на реле РП2. Стабилитрон Ст дает возможность резко изменять управляющий сигнал в цепи транзистора Т3 при небольших изменениях напряжения. Реле РП3 через замыкающие контакты реле РП1 и РП2 подключено к трансформатору Тр через накопительные конденсаторы С6—С10 и выпрямитель В6.
При значении напряжения сети выше уставки срабатывания отрицательное напряжение в цепи базы транзистора Т3 держит его открытым. При этом транзистор 7\ заперт и реле РП2, питаемое через резистор R20, втянуто, его контакт в цепи РП3 разомкнут. При снижении напряжения ниже уставки Т3 запирается и Tit открываясь, 197
шунтирует катушку реле РП2, которая отпускает якорь и замыкает контактом цепь катушки РПЯ.
Датчик частоты включает в себя индуктивность L, конденсатор С12, триггер на транзисторах Т\, Т2 и промежуточное реле РП С понижением частоты индуктивное сопротивление дросселя уменьшается, а емкостное сопротивление конденсатора увеличивается, что приводит соответственно к увеличению и уменьшению токов в их цепях и изменению падения напряжения и Vr2. Уменьшение частоты до уставки срабатывания вызывает увеличение напряжения и уменьшение падения напряжения U%2, включенного встречно напряжению URl. В результате напряжение на входе транзистора Т\ уменьшается и запирается.
Несимметричный триггер на транзисторах Тг, Т2 переключается, транзистор Т2 открывается и шунтирует катушку реле РП±, контакт реле замыкает цепь катушки реле РП3. При номинальной частоте (больше уставки) падение напряжения на 0^2 больше, чем на а к базе транзистора 7\ приложено отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру. В результате 7", открыт, а Т2 заперт и реле РПХ, катушка которого питается через резистор /?13, втянуто, его контакт в цепи катушки РПЪ разомкнут.
Надежное срабатывание реле Р/73 при коротких замыканиях в контролируемой сети, когда напряжение на зажимах устройства УПП-1 снижается до нуля, обеспечивается накопительными конденсаторами С5 - С1П, разряд которых на катушку реле РП3 обеспечивает его срабатывание на время, необходимое для выполнения команды.
Устройство УПП срабатывает при одной определенной усгавке частоты /СР1. Более эффективной может быть разгрузка по частоте, выполняемая автоматическим устройством на полупроводниках с отключением потребителей в две или три очереди при изменении частоты в системе.
§ 58
Устройство защиты от обрыва фаз и сигнализации о снижении напряжения (ЗОФН)
Устройство ЗОФН предназначено для защиты судовых электроэнергетических систем трехфазного переменного тока от работы потребителей на двух фазах и сигнализации о понижении напряжения при питании с берега. Устройство предусмотрено для работы в сетях переменного тока с частотой 50 гц при напряжении до 380 в и токе нагрузки до 800 а, при этом трансформаторы тока включаются на полный ток каждой фазы фидера питания с берега.
Устройство не дает ложных срабатываний при симметричных и несимметричных коротких замыканиях, несимметрии напряжений и токов нагрузки электростанции, доходящих до 70%, пусках электродвигателей, соизмеримых по мощности с мощностью электростанции, а‘также набросах любой нагрузки и сбросах нагрузки до нуля.
198
Устройство ЗОФН состоит из блока реле, состоящего в свою очередь из блока защиты при обрыве фазы, и блока сигнализации о понижении напряжения, смонтированных в одном корпусе, а также блока трансформаторов тока. Схема ЗОФН приведена на рис. 135.
Л —
Рис. 135. Принципиальная схема ЗОФН.
Блок защиты при обрыве фазы состоит из двух частей — измерительной и исполнительной. Измерительную часть схелы ссставляют выпрямительный мост Вг, измерительной реле Ри конденсатор и резистор —элементы форсировки и ограничения тока реле Pt. Исполнительную часть схемы составляют: трехфазный выпрямительный мост В 2, исполнительное реле Р2, /?2 и С2 — элементы выдержки времени при срабатывании реле Р2, Rlu — шунтирующее сопротивление.
199
Подача импульса на отключение в случае обрыва любой фазы обеспечивается при токах нагрузки с 15 а и более. Зависимость времени срабатывания реле Р2 от тока нагрузки приведена на рис. 136. Подача импульса о понижении напряжения производится блоком сигнализации при снижении напряжения до 80 —85% от номинального.
Блок трансформаторов тока состоит из трех специальных быстро-насыщающихся трансформаторов тока ТТ{—ТТ3 с двумя вторичными обмотками w2 и w3 (см. рис. 135). Вторичные обмотки w2,
соединенные последовательно, включаются на измерительную часть схемы блока реле. Вторичные обмотки ш3, соединенные в звезду, включаются на исполнительную часть схемы блока реле. Для защиты вторичных обмоток трансформаторов тока от перенапряжении и обеспечения безопасности обслуживания выход вторичных обмоток w2 и w3 шунтирован резисторами R3—R5.
Принцип действия защиты от обрыва фазы основан на выделении и суммировании гармонических составляющих э. д. с., кратных трем, путем последовательного соединения вторичных обмоток w2 быстронасыщающихся трансфор-
Рис. 136. Зависимость времени срабатывания исполнительного реле оттока нагрузки
маторов тока, а также на использовании в схеме защиты э. д. с., возникающей в обмотках w3, соединенных в звезду.
Гармонические составляющие э. д. с., кратные трем, воздействуют на измерительную часть схемы, контролирующую исправность фаз; э. д. с. сложной формы воздействует на исполнительную часть схемы, дающую сигнал об обрыве фазы.
Устройство защиты работает следующим образом. При отсутствии токов в фазах контролируемой цепи оно находится в нерабочем состоянии. После появления токов в фазах, в случае ненасыщенной магнитной системы трансформаторов (при токах нагрузки до 3 о) во вторичных обмотках наводится э. д. с. синусоидальной формы основной частоты, геометрическая сумма которых при последовательном соединении обмоток w2 будет равна нулю. Когда ток нагрузки достигнет 3—4 а, магнитная система насытится.При этом форма кривой э. д. с. во вторичных обмотках резко исказится, э. д. с. станет несинусоидальной. Как известно из основ электротехники, э. д. с. любой формы может быть представлена в виде суммы синусоидальных э. д. с. различной амплитуды и частоты. Эти э. д. с. называют гармоническими составляющими, или гармониками. Гармоническую составляющую основной частоты называют основной, или п е р в о й, с о с т а в л я ю щ е й; ос
200
тальные гармоники характеризуются числом, указывающим, во сколько раз их частота выше частоты основной гармоники. Так, в сети частотой 50 гц третья гармоника имеет частоту 150 гц, пятая — 250 гц и т. д.
Третья гармоническая составляющая характерна тем, что, изменяясь в три раза быстрее основной частоты, она оказывается в фазе с третьими гармониками других фаз трехфазной сети. Поэтому в последовательно соединенных обмотках w2 третья гармоника э. д. с. суммируется, в результате чего реле Рг срабатывает, отключая катушку реле Р2 от выпрямителя В2 и замыкая конденсатор С2 на резистор /?» Срабатывание реле происходит ускоренно, поскольку через конденсатор на его катушку подается повышенное напряжение, после заряда конденсатора избыток напряжения падает на резисторе Rx.
Схема блока защиты построена таким образом, что при набросе любой нагрузки первым всегда срабатывает реле Р} (в нормальном режиме). Это достигается ускоренным включением реле Рх и выдержкой времени при срабатывании реле Р2, получаемой при помощи цепочки /?а—С2, где С2, заряжаясь, шунтирует катушку Р2.
При обрыве любой из фаз питающей сети трехфазная нагрузка превращается в однофазную. Токи в исправных фазах становятся равными по величине и сдвинутыми друг относительно друга на 180°. В этом случае во вторичных обмотках трансформаторов тока, соединенных последовательно (в идеальном случае), наводятся равные и противоположно направленные э. д. с., геометрическая сумма которых будет равна нулю. Реле Рх, потеряв питание, включит своим нормально закрытым контактом обмотку исполнительного реле Р2 на вторичные обмотки w3, соединенные в звезду. Реле Р2, сработав, подаст импульс на отключение автомата станции питания с берега или включит сигнализацию об обрыве фазы.
Блок сигнализации о понижении напряжения состоит из понижающего трансформатора напряжения Тр, вторичная обмотка которого включена на выпрямительный мост В3, стабилитронов, выполняющих функции нелинейных сопротивлений, на которых падает большая часть напряжения, и реле Р3.
Принцип действия блока сигнализации о понижении напряжения заключается в следующем. При нормальном напряжении в сети реле Р3 возбуждено и нормально закрытые контакты его, включенные в цепь сигнализации, находятся в разомкнутом состоянии. В случае понижения напряжения сети на 15—20% напряжение на катушке реле резко уменьшится, ток реле станет меньше тока отпускания и последнее, отпуская якорь, подаст импульс на включение сигнализации.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите типы различных функциональных устройств и объясните их назначение.
2. Объясните работу мультивибратора в устройствах типа УС.
3. * Рассмотрите работу стабилитронов, включенных в различные цепи реле повышения и понижения напряжения.
201
4. Для каких потребителей электрической энергии необходимо устанавливать устройства типа УВР?
5. Назовите основные узлы устройства УСГ и выполняемые ими функции.
6. Перечислите основные узлы устройства типа УРЧН.
7. Каковы конструктивные особенности типовых функциональных устройств автоматики?
8. Как используется принцип суммирования третьих гармонических составляющих э. д. с. трансформаторов тока в устройствах типа ЗОФН?
9. Как производятся замер и контроль сопротивления изоляции судовой сети?
ГЛАВА
СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
И КОНТРОЛЯ
§ 59
Общие сведения
Процесс генерирования и распределения электроэнергии на судне весьма сложен и характеризуется большим числом взаимозависимых величин. Управление этим процессом частично автоматизировано, разработан целый ряд функциональных устройств автоматики; применены системы дистанционного и автоматического управления пуском и остановкой генераторных агрегатов, системы регулирования напряжения и распределения нагрузок между генераторами, а также различные системы защиты, контроля и сигнализации. На отдельные автоматические устройства возлагаются сравнительно простые функции управления, обусловливаемые задачами автоматического контроля и регулирования. Оператор получает лишь необходимую информацию о режиме работы установки и сам принимает решение о переходе на новый режим работы.
Примером может служить система дистанционного управления судовой электроэнергетической установкой, где оператор сам принимает решение о включении или отключении того или иного генераторного агрегата, необходимости проведения операции по синхронизации генераторов между собой и включении или отключении того или иного автоматического выключателя.
Следующим этапом развития систем управления является выполнение этой системой более сложных функций управления, связанных с согласованием работы отдельных автоматических устройств, выработкой команд для этих устройств и управлением всей электроустановкой в целом.
Приведем некоторые определения, которыми мы будем в дальнейшем пользоваться.
Управление — процесс выработки и осуществления воздействий, обеспечивающих требуемое функционирование механизма, системы, устройства или их комплексов.
Дистанционное управление — процесс управления удаленным объектом через канал связи, по которому передаются 202
команды управления и поступает информация об их выполнении и состоянии объекта.
Автоматизированное управление — процесс осуществления заданной программы воздействия на объект, при котором вся программа действий или ее определенная часть выполняется без непосредственного участия человека, но начинается только после подачи человеком команды запуска.
Автоматическое управление — управление, на всех стадиях полностью осуществляемое без непосредственного уча
стия человека.
Автоматическое управляющее устройство — это устройство, самостоятельно осуществляющее подачу на объект воздействий, обеспечивающих необходимое функционирование управляемого объекта.
Система автоматического управления состоит из автоматического управляющего устройства и управляемого объекта, взаимодействующих между собой.
В общем виде автоматическое управление электроустановкой представлено на рис. 137. В нем имеется автоматическое управляющее устройство и ряд устройств, получающих информацию о состоянии судовой электроустановки. В случае отклонения параметров электроустановки (напряжения, частоты, тока генераторов п т. п.) ог установленных величин
Рис. 137. Блок-схема системы автоматического управления электроустановкой.
ПУ—пульт управления; У “установка; СУ — сравнивающее устройство; У У — управляющее устройство; И — информация; СЭ — судовая электроустановка.
автоматическое управляющее
устройство вырабатывает управляющие сигналы и воздействует на
электроустановку, стремясь привести параметры к установленным значениям, выполняя операции включения резервных генераторов, распределения нагрузки между генераторами, отключения недогруженных и неисправных агрегатов, отключения второстепенных потребителей, изменения схемы распределения электроэнергии и т. п. Безусловно, схема эта сильно упрощена, практически процесс проте
кает гораздо сложнее.
Для правильной и безопасной эксплуатации современных автоматизированных судовых электроустановок необходимо постоянное наблюдение за большим количеством параметров, характеризующих процесс производства и распределения электроэнергии на судне. Средства контроля прошли сложный путь развития от индивидуальных (отдельных) приборов, устанавливаемых для каждого параметра (ток, напряжение, частота, мощность, сопротивление, коэффициент мощности, температура, давление и т. п.), до систем централизованного контроля.
203
Индивидуальные приборы устанавливаются, как правило, рядом с источником электроэнергии (генераторным агрегатом или другой электрической установкой) на специальном распределительном щите (местном щите обслуживания).
Для наблюдения за приборами и осуществления по их показаниям каких-либо действий требуется вахтенный, которому приходится зачастую работать в весьма тяжелых условиях, например обслужи-
I? и
olit
ОШ СО (ЕГО
I
О CD CD CD CD £
(В fl) (D (D ffl
П) Ш CD cd CD
CDffl 0 0)0
Ш □ (!) IB Ш
(D Ш Ш CD 0
Рогпределтнелвная
ткмм ’О шоооо
£(□ £1(ЗоП-© ШОoQ
(I) CD Ш (I) (D
Ш (D Ш (I) (B

- !
Секция управления
Генераторные секции
Рис. 138. Общий вид ГРЩ.
вать неавтоматизированные турбогенераторные и дизель-генератор-ные агрегаты в помещении машинного отделения, где весьма высок уровень шумности.
Следует также отметить, что вахтенный, наблюдающий за приборами, получает информацию лишь о ходе процесса на небольшом участке, не имея информации о работе других агрегатов или установок. Следовательно, первая ступень централизации контроля связана с более разумным использованием показывающих и регистрирующих приборов, которые устанавливаются в отдельном звуконепроницаемом (антишумовом) помещении на специальных распределительных щитах (главном распределительном щите — ГРЩ). Связь между источниками информации и приборами осуществляется с помощью протяженных электрических линий. При этом наблюдать за показаниями приборов в пределах одной электростанции может один вахтенный, однако при большом количестве распределительных секций, большой протяженности ГРЩ (рис. 138) и значительном койи-
204
© @
честве приборов (более 50) такая централизация контроля может быть неэффективной.
Задачу централизации контроля в настоящее время пытаются разрешить путем установки на судне в специальном помещении пультов управления ЭЭУ и использованием панелей с мнемосхемами установки и малогабаритными приборами. На рис. 139 приведен общий вид такого пульта управления.
Как видно из приведенного рисунка, наиболее важные параметры замеряются малогабаритными приборами, установленными на пульте. Наблюдение за показаниями приборов в этом случае несколько облегчается, однако размеры главного распределительного щита еще. значительны, да и пульт управления весьма велик, поэтому внимание оператора по-прежнему рассеивается на большое количество приборов.
Наиболее прогрессивное направление в централизации контроля — это разработка системы централизованного обегающего контроля, собирающей данные о параметрах и всю информацию
о производстве и распределении электроэнергии на судне. Необходимость подобной системы контроля обусловлена тем, что она является удобным централизованным источником информации для системы автоматического управления ЭЭС.
□
Рис. 139. Пульт управления.
§ 60 Автоматизация судовой электростанции
В качестве примера автоматизации судовой электростанции может быть рассмотрена система автоматизированного управления судовой электростанции типа «Аргунь». Подобная система установлена на тунцеловных судах «Нереида», «Невер» и «Нерица».
Система автоматизированного управления предназначена для управления электростанцией, состоящей из трех дизель-генераторных агрегатов типа ДГ 100 3 с дизелями 6ч18/22 (150 л. с., 750 об!мин) и генераторами ГСС 103-8 (100 кет, 50 гц, 400 в). Дизель-генераторы ДГ 100-3 оснащены системой автоматического запуска и остановки, которая будет рассматриваться в гл. XI. Работа оператора на ГРЩ очень затруднена из-за шума, возникающего при работе главного двигателя и дизель-геператоров, кроме того, окружающий воздух нагревается до высоких температур, так как основные работы промыслового судна проводятся в зоне тропического климата. В связи с этим основные процессы автоматизированы и принятый объем авто
205
матизации не требует несения на электростанции судна вахты оператора у ГРЩ.
Система автоматизированного управления позволяет производить следующие операции:
— автоматический запуск резервного дизель-генератора при достижении нагрузки на любом из работающих генераторов свыше 85% номинальной мощности генератора;
Рис. 140. Схема управления судовой электроэнергетической системой на функциональных устройствах.
ТТ — трансформатор тока; ТФК —трансформатор фазового компаундирования; TH — трансформатор напряжения; АР В — автоматический регулятор возбуждения; АС — автомат секционный.
— автоматическую точную синхронизацию и включение резерв-кого генератора на параллельную работу;
— автоматическое распределение активной нагрузки между параллельно работающими генераторами;
— автоматическую остановку резервного дизель-генератора при снижении нагрузки работающих генераторов до 35% номинальной мощности генератора;
— автоматическое отключение второстепенных потребителей электроэнергии при перегрузке электростанции по току.
На рис. 140 приведена блок-схема системы автоматического управления электростанции типа «Аргунь». Как видно из приведенного рисунка, в системе управления применены устройства типов УСГ, УРЧН, УРГ и УВР [43].
206
Общий вид секции ГРЩ с устройствами автоматики приведен на рис. 141.
Устройства и элементы автоматизированного управления расположены в ГРЩ, рукоятки переключателей выведены на лицевые панели щита. Ввод в действие систем автоматизированного управления
производится оператором, он устанавливает переключатели системы
управления в положение «включе-
но», и специальным программным переключателем назначает «резервным» любой из трех дизель-генераторов электростанции. Как это уже было отмечено в § 52, для обеспечения устойчивой параллельной работы генераторов при наличии устройства УРЧН механическая характеристика одного из основных работающих дизель-генераторов должна быть задана «базовой» путем отключения питания соответствующего магнитного усилителя УРЧН либо переключения его на датчик частоты, вследствие чего система автоматического распределения активных нагрузок не будет воздействовать на серводвигатель регулятора числа оборотов базового дизель-генератора.
После проведения этих операций дальнейшее управление работой электростанции протекает автоматически и вахты оператора у ГРЩ не требуется. Периодический контроль за работой авто
чиков активного тока УРЧН-1Д; 3—выключатель питания датчика полного тока УРГ-1Д; 4 — выключатель питания устройств включения резерва УВР; 5 — выключатель питания магнитного усилителя УРЧН-1УЗ.
матизированной электростанции ведется по штатным электроизмерительным приборам, расположенным на лицевых панелях ГРЩ.
Датчик частоты в устройстве УРЧН не применялся на данной электростанции, так как требуемая точность поддержания частоты сети обеспечивалась регуляторами скорости дизелей и статизмом их
механических характеристик.
В соответствии с рис. 142 может быть изложена следующая последовательность автоматических операций, выполняемых системой «Аргунь». Как уже было сказано, один из генераторов, например Г2, принят в качестве резервного. Первоначально генератор не работает, ток и напряжение его равны нулю. В соответствии с режимами работы электростанции работающий генератор перегружается, вызывая тем самым срабатывание устройства УВР.
207
I I
Рис. 142. Последовательность автоматизированных операций в системе «Аргунь».
208
При поступлении сигнала о запуске резервного генератора происходит его автоматический запуск в течение ~30 сек. В конце запуска на клеммах резервного генератора появляется напряжение и агрегат выходит на номинальную скорость вращения. В этот момент автоматически вступает в действие устройство УСГ-1П. После окончания процесса синхронизации автоматически включается устройство УРЧН и происходит уравнивание мощности между генераторами. Как видно из рис. 142, в данном случае характеристика системы регулирования скорости у дизеля генератора оказалась менее крутой, чем у дизеля генератора Г2, так что всякое увеличение нагрузки в большей степени ложится на генератор Гг, после чего система УРЧН выравнивает нагрузки. По той же причине при снижении нагрузки генератор 1\ разгружается сильнее, чем генератор Г2, после чего нагрузка выравнивается в результате работы УРЧН.
При увеличении тока нагрузки генераторов до значения, соответствующего уставке устройства автоматической разгрузки, с выдержкой времени срабатывает первая ступень устройства УРГ и происходит отключение потребителей первой очереди. Поскольку при этом нагрузка снижается недостаточно, срабатывает вторая ступень отключения — ступень более ответственных потребителей. В связи с уменьшением нагрузки каждого генератора до величины, меньшей, чем уставка устройства УРГ, третья ступень не сработала. В дальнейшем нагрузка электростанции уменьшилась и устройство УВР с выдержкой времени отключило резервный генератор.
Данный объем автоматизации, выполненный на судне, позволяет организовать работу электростанции в оптимальных режимах без участия вахтенного и таким образом исключает аварийность в результате его возможных ошибочных действий.
§ 61
Пульты управления
Пульт управления электроустановкой служит как для дистанционного и автоматического управления режимами работы электроустановки, так и для информации оператору о ее работе.
Информация о режимах работы электроустановки в целом и отдельных ее элементов, а также о состоянии параметров выводится н.1 мнемосхему, световое табло, показывающие приборы (стрелочные и цифровые) и устройства вызова параметров на измерение, распола-ннощиеся на панели пульта управления.
Наряду с вышеперечисленными устройствами информации на пульте управления сосредотачиваются ключи дистанционного управ-И11ИЯ.
Пульт управления может быть выполнен, как это видно на рис. 139, из двух панелей — вертикальной и наклонной. На наклонную панель наносится мнемоническая схема электроустановки со «роенными в нее ключами дистанционного управления автоматами. II । этой же панели расположены ключи синхронизации и управле-
I 1 В. Г. Самойлов 209
ния серводвигателями первичных двигателей, кнопки аварийной остановки генераторных агрегатов и т. д., на вертикальной панели размещаются электроизмерительные и другие приборы и их переключатели.
Л4немосхема должна удовлетворять следующим требованиям:
— отражать технологические связи между отдельными частями электроустановки;
— иметь общий принцип условного изображения — комплекс символов, которые обеспечивают удобное и быстрое восприятие и читаемость символов мнемосхемы;
— располагаться на пульте управления в удобном для обозрения месте;
— иметь яркость, достаточную для уверенного обнаружения засвечен ного элемента мнемосхемы при заданном уровне освещенности;
— конфигурация и расположение символов мнемосхемы должны иметь максимальное приближение к рекомендациям инженерной психологии;
— цветовое решение засвечиваемых элементов мнемосхемы должно выбираться с учетом психофизиологических закономерностей действия их ва оператора, например, красный цвет — аварийный сигнал, желтый — предупредительный и т. д.;
— обеспечивать высокую надеж-
автоматизированного управления ность предоставления информации.
электростанцией «Иртыш». Для обеспечения этих требовании
на мнемосхеме (рис. 143) сохраняются электрические связи между узлами электроустановки, а начертание соответствует упрощенному изображению контуров генераторов, шин, нагрузки и других элементов, входящих в состав электроустановки.
Сигнализация отклонения величин параметров от установленных значений осуществляется с помощью светящихся символов в виде треугольников, квадратов и кругов различного цвета. Символы от клонения параметров от установленных значений расположены в пре делах очертаний отдельных узлов или в непосредственной близости от них.
Световая сигнализация на пульте управления может быть выполнена самым различным способом.
В ряде случаев применяется сигнализация по способу интенсив ности свечения. В этом случае сигналы выражаются нормальной и по ниженной яркостью или погасанием.
Возможно прерывистое освещение путем питания ламп пульсирующим током (мигающий свет). В ряде случаев сигнализация при нимается оператором по цвету сигнала. Количество различных цвето-
210
пых сигналов должно быть ограничено; рекомендуемые цвета: красный, желтый, зеленый и белый.
Для надежной сигнализации двухпозиционных объектов управления (включено—выключено) рекомендуется устанавливать на каждый объект по два светильника.
Мнемосхемы могут быть выполнены в виде:
а) стеклянных матовых панелей, закрашенных с внутренней стороны темной краской. Рисунок при этом не закрашивается. Панели могут быть освещены разноцветными лампами с рефлекторами;
Рис. 144. Элементы подсветки мнемосхемы.
/ — корпус оптико электронного управляющего устройства; 2—лампа накаливания НСМ-9Х60; 3 — светодиод; 4 —фоторсзистор С-092;
5 — лампа накаливания СГ-24; 6 — онгроннос устройство, встроенное в рукоятку ключа; 7 — фоторсзистор.
б) мнемосхем из специального стекловолокна, собранного в жгуты и отполированного с торцов. Один из торцов подсвечивается цветными лампами, а другой формируется в символ и выводится на лицевую панель пульта управления. Световодами могут быть также стеклянные трубки, заполненные разноцветными жидкостями;
в) люминесцентных схем из токопроводящего стекла с рисунками условных обозначений. Стекло покрывается электролюмино-форным составом и токопроводящей краской. При подведении напряжения рисунки светятся. На рис. 144 приведен ряд элементов подсветки мнемосхемы. Наиболее перспективными являются оптрон-пые устройства, представляющие собой сочетание светодиода и фото-гранзистора в одном корпусе, позволяющие развязать цепи сигнализации и управления.
В качестве примера может быть рассмотрена простейшая световая мнемоническая схема электростанции, состоящей из двух генера-юрных агрегатов (рис. 145). На мнемосхеме шины ГРЩ изображены
14*
211
горизонтальными линиями, а подводящие и отходящие фидеры — вертикальными. Генераторы и автоматические выключатели изображены кружочками. На схеме все элементы в зависимости от напряжения окрашиваются различными цветами. Состояние и положение генераторов, первичных двигателей и автоматических выключателей сигнализируются лампами. Например, включенному.состоянию генераторов отвечает белый цвет, выключенному — зеленый. Мигающий свет является сигналом несоответствия положения выключателя новому состоянию объекта.
Рис. 145. Простейшая световая мнемосхема судовой электроустановки.
В ряде случаев для индикации состояния автоматического выключателя применяется встраиваемый в мнемосхему индикаторный переключатель. Схема сигнализации с помощью такого переключателя показана на рис. 146. Переключатель имеет четыре положения: «отключить», «отключено», «включено» и «включить». Крайние положе ния отстоят от соседних на угол 45° и являются положениями с само-возвратом. В этих положениях выдается сигнал на отключение или включение автоматического выключателя (на рис. 146 на реле включения PBIA и реле отключения POIA). Когда оператор отпускает рукоятку, она иод действием пружины сама переходит в соседнее положение (из положения «отключить» — в положение «отключено», а из положения «включить» — в положение «включено»). Средние положения фиксированные и отстоят друг от друга на угол 90°. Переключатель устанавливают так, чтобы в положении «включено» его рукоятка стояла вдоль линии мнемосхемы, замыкая эту линию. Таким образом, положение рукоятки по отношению к линии мнемосхемы наглядно изображает состояние автоматического выключателя. Индикация состояния выключателя может производиться двумя лампами различного цвета, или, если подсвечивается рукоятка переключателя, одной лампой.
212
Рис. 146. Схема сигнализации о положении автоматического выключателя.
Л—Л — переключатель управления; РВ/А и РО/А — реле включения и отключения автомата; А —блок-контакты автомата; Л В и ЛЗ — сигнальные лампы белого и зеленого цвета.
213
Как видно из рис. 146, в случаях несоответствия положения руко ятки переключателя состоянию выключателя лампа горит мигающим светом, привлекая внимание оператора. Питание ламп на пульте управления постоянным и пульсирующим напряжением осуществ ляется устройствами УС. Звуковая сигнализация осуществляется с помощью устройства УЗС. Расположение пульта управления и отдельных элементов электроустановки на судне приведено на рис. 147.
Рис. 147. Расположение пульта управления и элементов электроустановки на судне.
§ 62
Небалансная система контроля
Небалансные системы автоматического контроля характеризуются исключительной простотой устройства и полной автоматизацией измерения. Однако всем небалансным системам свойственна погрешность измерения. Основным источником погрешности является колебание напряжения. Ввиду этого в данных системах необходимо применять стабилизированное напряжение. На точность измерений влияет колебание внешней температуры, что вызывает изменение входной величины и тем самым вносит погрешность в показания.
Структурная схема небалансной системы контроля приведена на рис. 148, а.
Контролируемый параметр А воспринимается датчиком Д, на выходе которого получают электрическую величину А', пропорциональную контролируемому параметру Эта величина воздействует на усилитель У, а затем, усиленная,подводится к измерительному прибору Л. В ряде случаев контролируемая величина передается непосредственно на прибор, минуя усилитель.
214
С целью уменьшения погрешности в небалансных схемах в качестве регистрирующего устройства применяется логометр, измеряющий отношение токов в двух электрических ветвях. В связи с этим показания логометра не зависят от колебания напряжения источника питания. Пример такой схемы приведен на рис. 148, б, где датчиком является термометр сопротивления, включенный в качестве плеча в мостовую схему. Одна из рамок логометра включена через добавочное сопротивление в источник питания U, а другая — о)
Рис. 148. Структурная (а) и небалансная (б) схемы контроля температуры.
Д — датчик; У — усилитель; П — прибор; Нт — сопротивление термометра; Ri. Hz, Нэ — резисторы моста; Л — логометр.
в диагональ моста. При изменении температуры изменится сопротивление термометра, появится напряжение в диагонали моста, и, следовательно, величина тока t\ изменится. Изменится и отношение токов 1J12, стрелка логометра отклонится и покажет новое значение гемпературы объекта. Трехпроводное соединение датчика с мостом компенсирует возможные изменения сопротивления проводов от температуры. В этом случае два соединительных провода оказываются подключенными в смежные плечи моста, и поэтому колебания их сопротивления почти не изменяют токи небаланса.
§ 63
Балансные системы контроля
Большое количество автоматических систем контроля построено на принципе непрерывного и периодического балансирования.
Известно, что системам с прямым измерением свойствен общий недостаток: стрелочные приборы в них потребляют значительные
215
мощности электроэнергии, составляющие несколько ватт, а регистрирующие — десятки ватт. Следовательно, в маломощных цепях такие приборы могут влиять на режим изменения и приводить к значительным погрешностям. В таких случаях измерения производят более сложными системами, в которых отсутствуют указанные погрешности.
На рис. 149 приведена структурная схема системы с непрерывным балансированием. Датчик Д контролирует параметр А и на вы-
Рис. 149. Блок-схема системы контроля с непрерывным балансированием.
Д — датчик; PC — регулирующая система; НО — нуль-орган; У — усилитель; П — прибор.
ходе дает электрическую энергию QR, пропорциональную измеряемому параметру, которая поступает в нуль-орган НО. Одновременно в нуль-орган поступает выходная величина системы QB, соответственно имеющая ту же физическую природу (для нашего случая электроэнергию), что и входная величина <2д, но направленная встречно. Таким образом, на выходе нуль-орган выдает сигнал, рав-
Рис. 150. Блок-схема системы контроля с периодическим балансированием.
Д — датчик; PC — регулирующая система; НО — нуль-орган; У — усилитель; П — прибор.
ный AQ = Од — Qb. который воздействует на всю измерительную систему, и если эта разность равна нулю, система находится в покое.
Системам с непрерывным балансированием свойственны недостатки, связанные с наличием органа сравнения и возможными в нем зонами нечувствительности.
Обычно системы с непрерывным балансированием по устройству являются электромеханическими, не способными реагировать на быстроизменяющиеся параметры. Время установления показаний составляет не менее 0,5—1 сек. Уменьшение запаздывания в показаниях приборов связано с опасностью возникновения автоколебаний.
216
В системах с периодическим балансированием также производится сравнение выходной величины с равной ей величиной такого же рода. Эта система не обладает замкнутой цепью воздействия. Она работает циклически, что позволяет использовать ее для поочередного измерения показаний многих датчиков. На рис. 150 приведена структурная схема такой системы. Величина циклически изменяется от нуля до максимально возможного значения и снова возвращается к нулю. Балансирующий орган в виде регулирующей системы PC как бы обследует весь диапазон изменения фд. Когда QB = Q}X, нуль-орган НО срабатывает и через усилитель поступает импульс в прибор /7.
В этот же прибор от PC поступает периодически изменяющееся воздействие которое равно изменяющейся величине (?д. Прибор показывает значения QB, соответствующие моменту получения импульса.
В этой системе нет переходного процесса и связанного с ним запаздывания показаний при изменении измеряемой величины.
§ 64
Системы централизованного контроля
Как уже сказано выше, в судовых электроустановках требуется осуществлять контроль большого количества параметров.
В тех случаях, когда индивидуальный контроль оператором каждого параметра затруднен, а в ряде случаев и невозможен из-за их многочисленности, прибегают к системам централизованного контроля.
В современных системах централизованного контроля предусматривается вычислительное устройство, предназначенное для сравнения измеренных величин с уставками. Результаты этих вычислений регистрируются и выдаются на цифровой прибор по требованию оператора.
На рис. 151 приведена блок-схема централизованного контроля. Датчики Дг, . . ., Дп, примененные в данной системе централизованного контроля, имеют на выходе одинаковый диапазон выходного напряжения порядка 10 в. Подключение датчиков осуществляется специальным переключателем Пи который работает под действием тактовых импульсов, посылаемых генератором импульсов ГН Выходные напряжения датчиков поочередно подключаются к детектору отклонений ДО, который фиксирует величины датчиков. Переключатель П2 работает синхронно с переключателем Пг и включает лампы сигнализации, которые сообщают о состоянии контролируемого параметра, например: лампа Л В — «выше», лампа ЛИ — «ниже».
К переключателю Пг подключается цифровой преобразователь ЦП. Цифровые регистрирующие устройства фиксируют отклонения параметра контролируемых объектов.
Все эти данные, а также числовое значение параметров вводится в центральное распределительное устройство ЦРУ устройством ввода УВ.
217
Система централизованного контроля приводится в действие элементом времени ЭВ для периодической регистрации всех параметров через 2 ч, однако в случае необходимости оператор может вызвать любой интересующий его параметр.
По данным иностранной печати, общее число контролируемых параметров, например на танкерах, превышает 200 точек, на рефри-
Рис. 151. Блок-схема системы централизованного контроля.
Д1. Дг» Дз. Дп — датчики; Пу, П2 — переключатели; ГИ — генератор импульсов; 3 — задатчик; ДО — детектор отклонений; ЛВ, ЛН — сигнальные лампы; ЦРУ — цифровое регистрирующее устройство; ЦП — цифровой преобразователь; П — измерительный прибор; УВ — устройство ввода; ЭВ — элемент времени.
жераторных судах — 400, вследствие чего на неавтоматизированных судах на контроль и регистрацию (запись) показаний приборов затрачивается до 70% времени вахт.
При централизации и автоматизации управления число контролируемых параметров возрастает и непосредственное представление всей информации на пульте оператора становится невозможным как из-за габаритных ограничений, так и вследствие того, что оператор не может справиться с обилием поступающих данных.
Вследствие этого при разработке систем централизованного контроля необходимо предусматривать логическую обработку данных о параметрах и о работе судовых электроустановок.
На системы централизованного контроля при работе их в составе комплексных систем управления возлагаются также задачи по контролю систем управления.
218
Контроль систем управления предназначен для определения степени их работоспособности, обнаружения неисправных узлов и элементов. Автоматизированный контроль значительно сокращает время поиска неисправности, а следовательно, период ремонта системы, и тем повышает эксплуатационную надежность комплексной системы управления.
Существуют два основных метода контроля систем управления: автоматический централизованный контроль параметров обслуживаемой системы и автоматизированный схемный контроль системы управления [11].
Первый из них основан на анализе результатов измерения, второй непосредственно связан с определением факта неисправности элементов управляющей системы. Схемный контроль рассматривается как совокупность измерительных и логических операций, направленных на определение факта и адреса неисправности (рис. 152).
Контроль параметров объекта управления производится, как правило, одновременно с процессом управления. При этом часто используются общие источники (датчики) информации. В качестве примера может быть рассмотрена система управления электроэнергетической установкой судна. Работоспособность системы управления может быть проверена по отклонениям напряжения, частоты и тока от номинальных значений, причем в системе контроля могут быть использованы те же датчики параметров, что и в системе управления.
Автоматический схемный контроль включает в себя оперативный, регламентный и базовый контроль.
Оперативный контроль предусматривает проверку объекта управления перед его пуском в условиях недостатка времени и невозможности выполнения ремонта аппаратуры автоматики на судне. Задачи оперативного контроля ограничиваются определением факта работоспособности системы. К системам оперативного контроля предъявляются требования максимальной скорости, минимума контрольных операций и контрольной аппаратуры.
Регламентный контроль обусловливает возможность проведения периодического профилактического осмотра и производства ограниченного ремонта в судовых условиях. В регламентный контроль может быть включено обнаружение легко устраняемых неисправностей, а также подача сигналов на устройства замены неисправных блоков или элементов.
Базовый контроль включает в себя как оперативный, так и регламентный контроль, его возможности безусловно шире. Он содержит операции по обнаружению неисправных элементов, так как в этом случае время и возможности осуществления ремонта возрастают. На рис. 152 пунктиром указана схема оперативного контроля. Она предназначена для проверки наиболее ответственных и уязвимых участков системы: цепей управления ЦУ, исполнительных элементов ИЭ (реле и катушек автоматических выключателей и т. п.). При этом контролируется отсутствие обрывов, коротких замыканий и снижение сопротивления изоляции. С помощью обходчика-коммутатора ОК, управляемого программным устрой
219
ством ПУ, поочередно подключаются индикатор обрыва Иобр, короткого замыкания Як з и индикатор снижения изоляции Ис, и.
При появлении отказа указывается его вид (лампы /, 2, 3) и номер исполнительного элемента.
Регламентный контроль кроме вышеперечисленных операций включает в себя проверку исправности кассет блока логического управления ЛУ путем подачи тестовых сигналов от устройства формирования тестов УФТ. Тесты имитируют различные наборы входных сигналов от штатных источников информации. Работоспособность системы при этом контролируется по сигналам системы обработки и представления информации ИП. В ИП поступает информация как от датчиков параметров, так и от датчиков состояния испол-
220
нптельных элементов Д через измерительные преобразователи И и сигнализаторы С.
Базовый контроль, как уже отмечалось выше, включает оперативный и регламентный контроль и, кроме того, предназначен для проверки и замены неисправных элементов кассет. Проверка производится с помощью тестового прибора — устройства для проверки кассет УПД, определяющего отказавшие элементы.
§ 65
Узкопрофильные приборы типа АСК
Рис. 153. Узкопрофильный прибор типа АСК-
1 —осветительная лампа; 2—крышка; 3—штепсельный разъем; 4 — граничные светофильтры; 5—световой указатель с фоторезистором; 6—корректор; 7 — шкала; 8 — литой корпус.
При эксплуатации судовых электроустановок необходимо осуществлять контроль большого числа параметров. В настоящее время для этих целей в основном применяются щитовые электроизмерительные приборы, с помощью которых измеряются электрические величины. Из-за большого числа приборов наблюдение за их показаниями крайне затруднено и в ряде случаев оператор не может вовремя отреагировать на изменение того или иного параметра. Кроме того, относительно большие размеры существующих приборов делают контрольные щиты и пульты весьма громоздкими и труднообозреваемыми с рабочего места оператора.
Одним из путей решения этой проблемы является применение системы централизованного контроля. Другой путь — использование специальных измерительных узкопрофильных приборов типа АСК со световым ука
зателем (аналоговых, сигнализирующих, контактных), разработанных нашей промышленностью (рис. 153). В данных приборах, благодаря применению светового отсчета, специальной конструкции измерительного механизма и корпуса, удалось в несколько раз уменьшить габаритные размеры (по сравнению с существующими приборами) без ухудшения точности отсчета. При приблизительно равной длине шкалы приборы типа АСК размерами 160 X 30 мм занимают на щите в пять раз меньше места, чем щитовые приборы размерами 160 X 160 мм. Это позволяет размещать на единице поверхности щита или пульта управления значительно большее количество приборов, а в ряде случаев отказаться от размещения приборов на щите, сосредоточивая всю информацию на пульте в поле обзора оператора.
Однако подобное «уплотнение информации» является лишь частью задачи, решаемой приборами АСК- С помощью расположенных за шкалой специальных цветных светофильтров при выходе контроли
221
руемого параметра за установленные пределы цвет светового указателя автоматически изменяется (например, становится красным или зеленым). Использование цвета указателя в качестве дополнительного источника информации существенно облегчает наблюдение за показаниями приборов, так как оператору достаточно взглянуть на группу приборов, чтобы заметить, какие параметры отклонились от нормы. Светофильтры могут перемещаться вдоль шкалы, чем достигается изменение зоны сигнализации.
Дискретный сигнал обеспечивается фоторезистором, перемещаю щимся вместе со светофильтрами, и позволяет с помощью внешних релейных устройств включить дополнительную сигнализацию (например, звуковую) или осуществлять автоматическое регулирование контролируемого процесса. Класс точности приборов 1,5.
Приборы могут быть выполнены трех- или двухпозиционными со специальными устройствами сигнализации и регулирования (типов П1730 и П1731). Подключение к приборам измерительной цепи, цепи питания сигнальной лампы, блока сигнализации и регулирования производится с помощью штепсельного разъема.
Лампа мощностью 2 вт напряжением 5; 5,5 или 6 в в зависимости от требуемой освещенности может питаться от любого источника постоянного или переменного тока или от специальных трансформаторов. Первичное напряжение на трансформаторе питания 220 в ± ± 10%. Выходной ток фоторезисторов изменяется от 30 ма (не более) в затемненном состоянии до 250 ма (не менее) в освещенном состоянии при питании их от источника питания напряжением 10 в.
Длительность работы лампы 20 000 —25 000 ч. Габариты прибора 160 X 35 X 270 мм, вес 1,3 кг.
Ударопрочные узкопрофильные приборы в морском исполнении предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от —30 до +50° С и относительной влажности до 100%. Они имеют брызгозащищенное исполнение, нечувствительны к качке и могут длительно работать в условиях вибрации с частотой до 60 гц и ускорением 15 м!сек?.
В тропическом исполнении такие приборы могут работать при температуре окружающего воздуха от 0 до +60’ С при относитель ной влажности до 98%.
Разработаны амперметры и вольтметры постоянного (М1737, Ml738) и переменного тока (Ц1730), мегометры (М1733), ваттметры (Ц1734), частотомеры (Ц1736) и различные милливольтметры.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение системы автоматического управления.
2. Какие устройства входят в состав системы автоматического управления типа «Аргунь»?
3. Какова последовательность включения устройств автоматики в системе типа «Аргунь»?
4. Объясните структуру построения системы управления судовой электростанцией на функциональных устройствах.
5. В каких случаях применяется централизованный контроль параметров су довой электроустановки?
6. Перечислите преимущества узкопрофильных приборов типа АСК-
222
ГЛАВА
XI
АВТОМАТИЗАЦИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ
§ 66
Общие сведения
Осуществление комплексной автоматизации электроустановок современных судов, обеспечивающей централизованное автоматизированное управление и контроль установки, возможно при полностью автоматизированных судовых генераторных агрегатах. Дизель-генераторы являются одним из самых распространенных видов генераторных агрегатов, применяемых на судах. Они обладают высоким коэффициентом полезного действия, автономностью в работе, быстрым запуском (около 30 сек), высокой надежностью и простотой эксплуатации. Недостатками дизель-генераторных агрегатов является несколько ограниченный срок службы (1500—3000 ч до первой переборки) и малая перегрузочная способность (около 10% номинальной мощности агрегата в течение 1 ч).
Высокие технико-экономические показатели дизель-генераторов позволили широко использовать их в качестве вспомогательных, стояночных и аварийных генераторных агрегатов. На судах с дизельными энергетическими установками в качестве вспомогательных двигателей используются дизели. На судах с паровыми машинами и паротурбинными энергетическими установками первичными двигателями генераторов являются соответственно паровые машины и турбины. Однако и на них,как правило,устанавливаются дизель-генера-торы для обеспечения судна электроэнергией на стоянке, когда котлы не работают. Дизель-генераторы устанавливаются на общую фундаментную раму, дизель и генератор соединяются между собой эластичной муфтой. Для обеспечения уравновешенности число цилиндров дизеля выбирают всегда четным и не менее двух. Иногда для улучшения уравновешенности на вал дизеля устанавливается дополнительный маховик.
Поддержание и регулирование скорости вращения дизелей, используемых в генераторных агрегатах, осуществляется одноимпульс-пыми регуляторами прямого действия с центробежными измерителями скорости. За последние годы разработаны двухимпульсные регуляторы (второй импульс — по нагрузке), построенные на различных принципах.
Пуск дизелей осуществляется либо электростартером, насаженным на конец вала дизеля, либо сжатым воздухом. Электростартеры получают питание от аккумуляторных батарей.
Отечественной промышленностью изготовляется большое число различных по мощности и скорости вращения дизелей. На судах морского флота широкое применение нашли как дизель-генераторы с тихоходными дизелями (со скоростью вращения 500 и 750 об!мин), обладающими повышенным моторесурсом, так и с быстроходными ди-1елями (со скоростью вращения 1500 об!мин).
223
Основные параметры и характеристики некоторых типов судовых дизель-генераторов приведены в приложении 14.
По Правилам Морского Регистра СССР для судовых электроустановок допускается применение как постоянного, так и переменного тока. В настоящее время наиболее широко применяется переменный ток. На речном флоте электроустановки постоянного тока используются лишь на судах малого водоизмещения, где источником электроэнергии являются генераторы постоянного тока, навешенные на главные дизели, и аккумуляторные батареи. Эти агрегаты блокируются таким образом, что при работе двигателя генератор принимает на себя нагрузку судовой сети и подзаряжает батарею. При остановке двигателя генератор отключается и сеть питается током от аккумуляторной батареи. В электроустановках современных морских и рыбопромысловых судов применяются в основном дизель-генера-торы переменного тока.
Опыт эксплуатации судовых дизель-генераторов показал, что загрузка их на различных режимах работы (в %) составляет:
на грузовых и буксирных теплоходах речного флота 25—30 » судах рыбопромыслового флота............ . 40—55
» морских танкерах типа «Певек».....................30—55
» пассажирских теплоходах типа «Киргизстан» ... 30—55 » углерудовозах типа «Джанкой» . . . . 25—30
» лесовозах типа «Котласлес» ... . 23—40
Средняя загрузка................................ ... 25—55
Как известно, с уменьшением нагрузки эффективный к. и. д. дизелей резко снижается. Это приводит к значительному "возрастанию затрат на производство единицы электроэнергии при недогрузках дизель-генераторов. В связи с этим весьма актуальным является вопрос о повышении автоматизации дизель-генераторов. Внедрение автоматизированных дизель-генераторов повышает уровень технической эксплуатации судов и производительность труда команды, снижает трудозатраты по обслуживанию и наблюдению за агрегатами и увеличивает срок их службы. Современные технические средства дают возможность осуществить любую степень автоматизации дизель-генераторов, вплоть до программного управления работой любого механизма. На дизель-генераторах устанавливается специальная система дистанционного автоматизированного управления (ДАУ), которая является важнейшим элементом автоматизации электро установок. В настоящее время разработан и внедрен на судах целый ряд различных систем ДАУ.
По виду энергии, используемой для перемещения органов управления дизеля, системы ДАУ могут быть разделены на механические, электрические, гидравлические и пневматические. Используются и комбинированные системы: электрогидравлические, электропнев-матические, электропневмогидравлические и ряд других. Степень автоматизации того или иного дизель-генератора определяется его конструктивными особенностями, режимом работы, условиями эксплуатации.
В связи с этим различны и функции, выполняемые системой ДАУ. Так, например, некоторые дизели имеют один орган управления и
224
штатную систему автоматического управления. Для этого типа дизелей характерно то, что все операции, связанные с пуском, реверсом, изменением скорости вращения, осуществляются автоматически в соответствии с заданным положением органа управления. В этом случае достаточно обеспечить связь между пультом управления и органом управления дизелем с помощью следящих систем, рассмотренных в гл. VIII.
Более сложная задача возникает тогда, когда у дизеля отсутствует штатная система автоматического управления и для управления дизелем необходимо воздействовать на несколько органов управления в определенной последовательности. В этом случае применяется логическое или программное устройство.
Однако следует иметь в виду, что неоправданный объем автоматизации может привести к большим экономическим затратам. Анализ эксплуатации дизель-генераторов средней мощности показал, что оптимальный объем автоматизации таких агрегатов может включать следующие функции: а) дистанционный пуск и остановку; б) автоматический пуск и остановку; в) автоматическое поддержание напряжения на клеммах генератора; автоматическое распределение нагрузок между параллельно работающими дизель-генераторами; поддержание наиболее эффективного режима в системах охлаждения и смазки с помощью терморегуляторов; дистанционный контроль; аварийная сигнализация и защита; обеспечение быстрого приема нагрузки.
Ко всем системам ДАУ предъявляются требования по обеспечению максимальной надежности, простоте, удобству в эксплуатации и обслуживании.
В качестве примера рассмотрим электропневматическую и электромеханическую системы ДАУ.
§ 67
Описание электропневматической системы ДАУ дизель-генераторов типа ДГ50-9
Электроиневматическая система ДАУ дизель-генераторов типа ДГ50-9 в зависимости от положения универсального переключателя, установленного на пульте управления, осуществляет следующие режимы работы 1161: автоматический запуск дизеля при исчезновении напряжения в судовой сети; дистанционный запуск дизеля независимо от наличия напряжения в судовой сети; дистанционную остановку дизеля.
Применение системы ДАУ не исключает ручного управления дизелем со штатного поста управления. Ниже приведено описание пневматической и электрической частей системы ДАУ.
Пневматическая часть ДАУ. В соответствии с рис. 154, работа пневматической части системы заключается в следующем. При дистанционном пуске и автоматическом запуске дизеля клапан 2 на трубопроводе 1 закрыт, а клапаны 23 и 6 на трубопроводах 22 и 14
15 В. Г . СамоЛлов
2’5
Двигатель
Рис. 154. Схема электропневматической системы ДАУ.
226
открыты. При этом воздух давлением 30 кг/см2, от пусковых баллонов по трубопроводам 1 и 22 через запорный клапан 23 и воздушный фильтр 26 поступает к электромагнитным кранам 24, 25 и к клапану пуска 29.
При пуске дизеля с пульта управления или рулевой рубки электромагнитный кран пуска (ЭМП) 25 срабатывает, пропуская воздух по трубопроводам 18 и 19 в нижнюю полость клапана пуска 29 и в нижнюю полость разгрузочного клапана дополнительной емкости 28. Воздух, поступивший в нижнюю полость емкости 28, поднимает поршень, который открывает разгрузочный клапан, сообщая воздушную полость емкости 28 и трубопроводы 3 и 20 с атмосферой. Одновременно стравливается воздух из цилиндра механизма остановки 27, тем самым двигатель подготавливается к пуску.
Воздух, поступивший в нижнюю полость клапана пуска 29, поднимает поршень, который в свою очередь открывает клапан, расположенный в верхней части клапана пуска,сообщая трубопроводы 22 и 16. По трубопроводу 16 воздух поступает в нижнюю полость воздушного цилиндра механизма прокачки масла 30, перемещая поршень последнего вверх. При перемещении поршня масло из верхней части масляного цилиндра по трубопроводу 10 через невозвратный клапан 9 и напорный трубопровод 7 масляного насоса 17 поступает на дизель.
Невозвратный клапан 8, установленный на трубопроводе 7, обеспечивает одностороннюю подачу масла в систему. Одновременно с прокачкой масла по трубопроводам 11 и 13 происходит заполнение маслом пространства под поршнем масляного цилиндра. По окончании прокачки поршень воздушного цилиндра открывает доступ воздуха по трубопроводу 14 через невозвратный клапан 15 и запорный клапан 6 к воздухораспределителю дизеля, осуществляя его запуск, и двигатель разгоняется.
При достижении двигателем скорости 500 об!мин электромагнитный кран пуска 25 автоматически отключается. При этом происходит разгрузка трубопроводов (снижение давления в трубопроводах) 18 и 19 и нижней полости пускового клапана 29. Последний отсекает подачу пускового воздуха, разгружая нижнюю полость воздушного цилиндра механизма прокачки масла и трубопровод 16. Двигатель продолжает работать на топливе.
Поршень масляного цилиндра механизма прокачки масла под действием пружины и веса деталей опускается в нижнее положение. Масло через отверстия в поршне перетекает в пространство над поршнем, подготавливая механизм к следующей прокачке масла.
При остановке двигателя срабатывает электромагнитный кран остановки 24, открывая доступ сжатого воздуха из трубопровода 22 к механизму остановки 27 и дополнительной емкости 28 по трубопроводам 20 и 3 через невозвратный клапан 21.
Механизм остановки, воздействуя на рейку блока топливных насосов, останавливает двигатель. При снижении скорости вращения коленчатого вала до величины 200—250 об/мин электромагнитный кран остановки автоматически отключается.
15*
227
При ручном пуске двигателя из машинного отделения клапаны 23 и 6 на трубопроводах 22 и 14 закрыты, клапан 2 на трубопроводе 1 открыт. Клапан 5 на трубопроводе 4 служит для разгрузки трубопроводов 3 и 20 при ручном пуске. Трубопровод 11 с невозвратнозапорным клапаном 12 служит для более быстрого заполнения маслом механизма прокачки при движении поршня вниз.
Электрическая часть ДАУ. Электрическая часть системы ДАУ работает следующим образом. Во время пуска дизеля осуществляется включение свечей накала, обеспечивающих зажигание топлива в цилиндрах при пуске. Подача сжатого воздуха на устройства пуска и остановки дизель-генератора производится с помощью электромагнитных клапанов ЭМП и ЭМО. После окончания процесса пуска или остановки клапаны отключаются, прекращая подачу воздуха. Сигнал на отключение клапанов подает реле скорости вращения PC.
Как видно из рис. 155, система ДАУ получает питание от аккумуляторных батарей напряжением 24 л. Пуск дизеля осуществляется установкой переключателя управления ПУ в положение «Автопуск».
При понижении напряжения или частоты в судовой сети реле напряжения или частоты, установленные на главном распределительном щите (ГРЩ) судовой электростанции, включают промежуточное реле РП, контакт которого замыкает цепь катушек реле РМП и РНС в схеме автопуска.
Реле РНС включает свечи накала дизеля, а реле РМП включает электромагнит пуска ЭМП воздушного клапана, подающего, как уже было сказано ранее, сжатый воздух в промежуточный клапан пуска, подготавливая двигатель к пуску. Происходит прокачка маслом двигателя, после чего открывается пусковой клапан. Дизель прокручивается пусковым воздухом и затем переходит на работу на топливе. Переход дизеля на работу на топливе контролируется с помощью реле PC, получающего питание через несимметричный триггер на транзисторах Т у и Т2. При неподвижном дизеле транзистор 7, открыт напряжением, падающим на двух диодах ДК при протекании тока через резистор Rti. Трехфазный тахогенератор переменного тока при разгоне дизеля генерирует напряжение, которое через выпрямитель В поступает на резисторы R3, /Д, Ra, /Д. Падение напряжения на R3 вычитается из напряжения на диодах ДК и при скорости вращения 500 об!мин транзистор Т\ запирается, а транзистор Т2 открывается, включая реле скорости PC. Катушка PC шунтирована диодом ДГ для защиты транзистора Т2 от тока самоиндукции при запирании транзистора, резистор R3 шунтирован тремя последовательными триодами ДК во избежание падения напряжения на R3, опасного по величине для входной цепи транзистора 7\.
Срабатывая, реле скорости PC разомкнет свой контакт в цепи катушек реле РМП и РНС. При этом отключаются свечи накала, прекращается подача пускового воздуха.
228
+246 -246

000
От тахогенератора
РМС
о скорости ьраце- ла автоматического
ноя dujejiti-генера- (ыкхючатеря
тора.
Рис. 155 Схема электрической части электропневматической системы ДАУ.
229

Напряжение дизель-генератора при номинальном числе оборотов достигает номинального значения, и генератор автоматически или дистанционно подключается на шины распределительного щита аппаратурой, не входящей в состав ДАУ. При дистанционном пуске переключатель управления должен быть поставлен в положение «Пуск». При этом на катушки реле РМП и РПС питание подается через замкнутые контакты переключателя 3—4 помимо контакта реле РП. Дальнейший процесс пуска протекает аналогично процессу автоматического пуска.
Переключатель управления не имеет фиксации в положении «Пуск» и самопроизвольно возвращается в положение «Автопуск», но контакт 3—4 при этом остается замкнутым. Размыкание его происходит при установке переключателя в положение «Стоп».
Дистанционная остановка дизеля осуществляется при установке переключателя управления в положение «Стоп», при этом через замкнутый контакт реле скорости PC получает питание катушка реле РМС. Реле РМС срабатывает, отключает генератор от шин распределительного щита и включает электромагнит ЭМО воздушного клапана, подающего сжатый воздух к механизму остановки дизеля. Дизель-генератор останавливается. Реле скорости теряет питание и размыкает замыкающий контакт в цепи реле РМС и клапана ЭМО. Электромагнитный клапан ЭМО разобщает магистраль сжатого воздуха с механизмом остановки. Переключатель управления остается в положении «Стоп».
§ 68
Описание электрической системы ДАУ аварийного дизель-генератора
Рассматриваемая система ДАУ применяется для дизель-генераторного агрегата [28], состоящего из дизеля и синхронного генератора мощностью 25 кет, напряжением 400 или 230 в, 1500 об!мин (рис. 156). Обмотка возбуждения генератора получает питание от возбудителя, находящегося на одном валу с генератором.
На дизель-генераторном агрегате установлено следующее электрооборудование: электропривод маслоперекачивающего насоса ЭМН\ датчик температуры, встроенный в водяную систему и обеспечивающий включение и выключение вентилятора, обдувающего радиатор (настроен на 65° С); реле центробежное (РЦ) трехимпульс -ное с единым центробежным чувствительным элементом ИП. Это реле приводится во вращение коленчатым валом дизеля и при нарастании скорости во время пуска дает следующие импульсы: при 500 об!мин -импульс на отключение свечей накаливания и стартера, при 1350 об!мин — импульс, разрешающий подключение 100%-ной нагрузки; третья группа импульсов подается при скорости выше номинальной и используется для защиты дизеля от превышения скорости; электростартер СТ (мощность 8 л. с., напряжение 24 в, питание or аккумуляторной батареи); свечи накаливания СП, питаемые от
230
аккумуляторной батареи; генератор зарядный ГЗ; реле-регуля-гор РР; две аккумуляторные батареи АБ типа 60ТК-180М.
На аварийном распределительном щите (АРЩ) расположена система ДАУ, а также кулачковый механизм, состоящий из электродвигателя ЭКМ с передаточным механизмом, переключающим контакты при помощи кулачков, воздействующих на микровыключатели. Временная диаграмма работы контактов кулачкового программного механизма приведена на рис. 156.
Данный агрегат используется в качестве аварийного источника электроэнергии, обеспечивающего питанием ряд наиболее ответственных потребителей при исчезновении напряжения в основной судовой сети.
На аварийном распределительном щите (АРЩ) имеются генераторные и распределительные шины. К распределительным шинам посредством автоматических выключателей 1А—8А подключены потребители, работающие в аварийном режиме. При напряжении на ГРЩ эти потребители получают питание через перемычку от ГРЩ. При исчезновении напряжения на ГРЩ автоматически запускается и подключается к шинам АРЩ аварийный дизель-генератор. Переключение питания потребителей с одного источника на другой осуществляется автоматически контакторами АД и К2. При питании шин потребителей АРЩ от ГРЩ включен контактор Д2, разомкнуты цепи питания автоматического пуска дизель-генератора и подготовлены цепи управления для последующего автоматического пуска. При исчезновении напряжения на ГРЩ посредством соответствующих реле подается питание па стартер, свечи накала, электродвигатели маслоперекачивающего насоса и программного механизма дизель-генератора. Затем осуществляется первая попытка запуска дизель-генератора, которая длится 7 сек..
При достижении агрегатом номинальной скорости вращения с помощью реле и контактов программного механизма включается цепь питания катушки контактора и одновременно отключается электродвигатель маслоперекачивающего насоса. Контактор 1Щ подключает шины потребителей АРЩ к аварийному дизель-генератору.
Ниже изложены подготовка и последовательность включения аппаратуры в схеме автоматизированной аварийной электростанции мощностью 25 кет (см. рнс. 156). Для питания шин потребителей АРЩ ог ГРЩ и подготовки схемы автоматического пуска агрегата на ГРЩ судовой электростанции необходимо включить автомат «Питание АРЩ» (на схеме не указан), после чего на АРЩ установить выключатель ВК и переключатели ПН, и ПП2 в положение «Авт.» и включить генераторный автомат АВ.
При этом появляется напряжение в цепи катушки контактора Кг и первичной обмотки трансформатора TH. Втягивающая катушка кон г.штора /<2 получает питание через размыкающий блок-контакт кон-i.iKTopa Ki, главные контакты контактора К2 подключают шины \РЩ к фидеру от ГРЩ. Вторичная обмотка трансформатора TH Y питает катушку реле РЩ и через выпрямитель ВУ—катушку реле РВ. Размыкающие контакты 16—17 реле PHг разрывают цепь
231
Рис. 156. Схема автоматизированной аварийной электростанции (а) и временная диаграмма работы контактов кулачкового программного механизма (б).
Рст реле стартера; 1А 8А фидерные автоматы питания потребителей; ВУ — выпрямитель; В К — выключатель вторичной обмотки трансформатора Т Н ,; /7/7, - переключатель в цепи управления; ДТВ —датчик температуры вентиляции; КВ выключатель; ПП2 — переключатель свечей накаливания; КН — кнопка подогрева свечей; КЛ — кнопка включения стартера; Р — ревун; ЛС - сигнальная лампа; РВ — выключатель ревуна; НВ — переключатель вольтметра; КЗ — защитные конденсаторы; К — контактор; ПА -переключатель амперметра; ПМ — пускатель магнитный; ЭВ — электровентилятор; РП реле промежуточное; РЦ — реле центробежное; РВВ -реле включения вентилятора; PC — реле промежуточное’стартера; РСН — реле свечей накаливания; PH реле напряжения; Г — генератор; В — возбудитель; ТН,, ТНЯ трансформаторы напряжения; ЭМИ электродвигатель маслопсрскачивающсго насоса; ЭКМ электродвигатель кулачкового ме ханизма; СИ — свечи накаливания; ГЗ — генератор зарядный; ОВСТ обмотка возбуждения стартера; СТ стартер; А Б — аккумуляторная батарея; ТТ трансформатор тока; УТП трансформатор управляемого фазового компаундирования.
232
катушки контактора Ki, а контакты 31—34 — цепи питания схемы автоматического пуска. Размыкающий блок-контакт 17—18 контактора разрывает цепь втягивающей катушки /(,, осуществляя блокировку. Таким образом дизель-генератор подготовлен к автоматическому пуску.
При исчезновении напряжения на шинах потребителей АР1Ц катушки контактора реле PH г и реле времени РВ теряют питание.
Реле PH 1 замыкает свой контакт 16 17, подготавливая цепь катушки контактора Ki, и контакт 31—34, через который подается питание на реле РСН (через контакт реле РВ) и на двигатель ЭМН.
Контактор замыкает свой контакт 17—18, подготавливая цепь катушки контактора /<,. Реле РСН, срабатывая и замыкая контакт 25—26, подает питание па свечи накала СН. Электронасос ЭМН прокачивает масляную систему дизеля, обеспечивая нормальную смазку при пуске. По истечении 3—4 сек после исчезновения напряжения срабатывает реле времени РВ, размыкая свой замыкающий контакт 41—42 в цепи катушки реле РСН и замыкая размыкающий контакт 35—36 в цепи электродвигателя ЭКМ.
Последний, начиная вращаться, замыкает контакты /, II (41— 42), IV (24—37) и размыкает контакт IV (15—16) кулачкового программного механизма Контакт II вновь подает питание на реле РСН. Свечи накала СН через контакт 25—26 реле РСН вновь получают питание. Контакт I подает питание на катушки реле PC При срабатывании реле PC замыкается контакт 22 25 цепи реле стартера Рст, последнее замыкает контакт 23—25, подавая питание на стартер. Начинается первая попытка запуска, которая длится 7 сек. Если дизель запустился, то срабатывает центробежное реле РЦ, подавая через контакты 34—39 питание на реле РП,. Срабатывая, реле PIlt размыкает свой контакт 34—35, отключает цепь питания электродвигателя ЭКМ, а контактом 34—41 отключает реле РСН и PC, которые в свою очередь отключают стартер и свечи накала. Реле РПп замыкая контакт 34— 24, вновь подает питание на электродвигатель ЭКМ. При достижении дизелем номинальной скорости замыкается контакт 34—40 центробежного реле, подавая питание на промежуточное реле РП2. Реле РП2 размыкает свой контакт 19—30, разрывая тем самым цепь питания сигнальных устройств, и замыкает контакт 14—15, подготавливая цепь питания втягивающей катушки контактора Kv Одновременно с увеличением скорости дизеля поднимается напряжение генератора. При достижении номинальной скорости вращения генератор автоматически поднимает напряжение на шинах до 400 в.
Через трансформатор TH., получает питание катушка реле PH.,, которое, срабатывая, контактами 34 —38 отключает электродви-|атель ЭМН и замыкает контакты 34—39 и 34—40, осуществляя дополнительную блокировку контактов реле РЦ, замкнувшихся при скоростях 500 и 1350 об/мин.
Электродвигатель ЭКМ, продолжая вращаться, по истечении 00 сек размыкает контакты 24—37, обесточивая цепь своего питания, и замыкает контакты 15—16, подавая питание на цепь втягивающей
233
катушки контактора Л\. Контактор Kt своими главными контактами подключает генератор к шинам потребителей АРЩ. *
Если дизель не запустился с первой попытки, вся система отключается и через 7 сек повторяется попытка запуска (см. рис. 156).
Операции второй и третьей попыток запуска аналогичны операциям первой попытки с момента начала работы электродвигателя ЭКМ. В случае если дизель не запустился после трех попыток, по истечении 37 сек с момента исчезновения напряжения замыкается контакт III (28—30) программного механизма и подается питание на ревуны Р и сигнальные лампы ЛС^ и ЛС2- Одновременно программный механизм останавливается контактом III (36—37). Перевод этого механизма в исходное положение осуществляется кратковременным включением выключателя КВ.
Контакты 36—37 кулачка III и 24—37 кулачка IV осуществляют йепрерывную подачу питания на электродвигатель ЭКМ в течение всего цикла его работы. Аварийный сигнал можно снять при помощи выключателей ВР, установленных на АРЩ.
Во время работы дизель-генераторного агрегата зарядный генератор ГЗ через реле-регулятор РР осуществляет подзарядку аккумуляторных батарей АБ. Контроль за напряжением генератора и силой тока подзарядки батарей производится при помощи вольтамперметра.
Помимо автоматического пуска аварийный дизель-генератор имеет ручной пуск.
Для запуска дизель-генератора вручную необходимо на АРЩ пли на пульте управления дизель-генератора нажать кнопки подогрева свечей КНх или КН2 и через 3—4 сек кнопки включения стартера КЛi или КЛ2. При приеме нагрузки на АРЩ необходимо отключить автомат на ГРЩ, питающий АРЩ. При этом теряют питание контактор К2 и реле РЩ, которые замыкают свои размыкающие контакты 17—18 и 16—17. Для остановки дизель-генератора необходимо регулятором топлива на дизеле прекратить подачу топлива.
§ 69
Система дистанционного автоматизированного управления дизель-генератором типа 6Д50А
Для дизель-генераторов переменного тока-типа 6Д50А мощностью 700 кет, 750 об/мин разработана электрическая система дистанционного автоматизированного управления^: обеспечением программы пуска на реле [241.
Процесс управления дизельным приводом генератора заключается в своевременном вводе в действие и отключении вспомогательных электрифицированных механизмов двигателя и его систем в соответствии с заданной программой, а также контроле за их состоянием. Система ДАУ обеспечивает: пуск и нормальную остановку дизеля, экстренную остановку дизеля, аварийную защиту, аварийную и предупредительную сигнализацию о нормальной работе дизеля.
234
235
Защити итк
Рис. 158. Основной пульт управления 1ПДУ.
Рис. 159. Выносной пульт управления 2НДУ.
236
Структурная схема дизель-генераторпой установки 6Д50А со вспомогательными механизмами показана на рис. 157.
В состав системы ДАУ входят пульты управления: основной с контрольным щитом — 1ПДУ (рис. 158) и выносной — 2ПДУ (рис. 159). Питание системы осуществляется от судовой сети напряжением 127 в, частотой 50 гц. Длительно потребляемая мощность не более 150 вт, кратковременно — не более 900 вт. Основной пульт управления устанавливается около агрегата. Выносной пульт управления может быть вынесен па расстояние до 60 м от основного пульта управления.
Электрифицированные механизмы 18, 33, 35, 37 и 42 (см. рис. 157), установленные на дизеле, включаются контактами реле и получают питание постоянным током от выпрямительного устройства напряжением 27 в системы ДАУ. Все другие механизмы включаются через контакты реле и питаются от судового источника тока. На пульте управления 1ПДУ размещены все реле, обеспечивающие выполнение логических операций по управлению дизель-генератором и осуществляющие коммутацию исполнительных механизмов. Сигнализация разделена на аварийную (красный цвет), предупредительную (белый) и информационную (зеленый). В выключенном состоянии все табло матового цвета, без видимых надписей.
Для подготовки системы ДАУ к действию необходимо подать питание (380 в, 50 гц) на электродвигатели насосов и клапаны (см. рис. 157) НПВ, НМ, НП, НЗВ, 13, 25, 27, а также на //7ДУ (127 в, 50 гц).
На 1ПДМ (см. рис. 158) устанавливают переключатель 1 в положение «Авт.», затем, в зависимости от того, с какого пульта будет осуществляться управление, устанавливают переключатель 2 в соответствующее положение 1ПДУ или 2ПДУ, а тумблер «Откл. подогрева» в положение «Вк.л.». Переключатель 1 (см. рис. 159) на выносном пульте управления устанавливают на отметку «Диет, управление». В результате выполнения вышеперечисленных операций система ДАУ готова к действию. При этом, если температура пресной воды охлаждения двигателя равна или ниже 40е С, срабатывает датчик 31 (см. рис. 157), и система включает клапан пароподогревателя пресной воды 27, клапан циркуляции пресной воды при подогреве 25 и насос НП. При повышении температуры пресной воды в системе охлаждения до 4~60с С срабатывает датчик 31, и система отключает клапаны 25 и 27, а также насос НП. При температуре масла, равной или ниже 40 С, срабатывает датчик 11, и система включает клапан подогревателя масла 13, а также насос НМ прокачки масла. При повышении температуры до +60° С срабатывает датчик 11 и система отключает клапан 13 и насос НМ. Действие системы прекращается при достижении дизелем минимально устойчивой скорости вращения или же включением тумблера в положение «Откл. подогрева» (см. рис. 158) на основном пульте управления.
Пуск дизеля. Пуск осуществляется либо нажатием кнопки «.Пуск» па 1ПДУ или 2ПДУ, либо при подаче сигнала с устройства включения резерва (УВР). При этом выполняются следующие операции.
237
1. Включается насос 15 прокачки дизеля маслом (см. рис. 157);
2. При достижении в масляной магистрали давления 1,6 кгс/см2 датчик 38 выдает в систему импульс и включаются воздушные пусковые клапаны 18 у баллона с воздухом и клапаны 33 перед двигателем.
Электромагнит снимает стоп-устройство 35 с защелки и подготавливает регулятор скорости к пуску двигателя.
3. При возрастании скорости вращения до минимально устойчивой срабатывает первая ступень центробежного датчика скорости РЦ-3. Это вызывает отключение электромагнитных разрешающих клапанов 18, 33 и насоса НМ прокачки двигателя маслом и включению серводвигателя СЛ-240с (вмонтированного в регулятор скорости 37) в направлении увеличения затяжки пружины регулятора скорости дизеля. При затяжке пружины, соответствующей скорости 615 об/мин, от кулачкового механизма срабатывает концевой выключатель 36 и отключает серводвигатель. На этой скорости дизель-генератор работает до прогрева пресной воды и масла. При повышении температуры пресной воды в системе охлаждения и температуры масла в масляной магистрали до 40° С срабатывают датчики 32, выдающие в систему управления импульсы на включение серводвигателя, и происходит дальнейшее увеличение скорости дизеля. При достижении дизель-генератором максимальной скорости холостого хода (780 об/мин) серводвигатель отключается концевым выключателем. Операция пуска на этом заканчивается. Табло «Пуск», па пульте гаснет и загорается табло «Готов к включению нагрузки» (см. рнс. 158). Время прокачки масла и подачи пускового воздуха контролируется электромеханическими реле времени, имеющими регулируемые уставки от 10 до 50 сек. Практически эти уставки составляют 40 сек по контролю прокачки масла и 15 сек по подаче пускового воздуха. Если за это время не окончена прокачка масла и дизель не развил минимально устойчивой скорости, срабатывает реле времени и процесс пуска прекращается; система приводится (как перед пуском) в исходное состояние. При этом включается световое табло «Авария» и звуковой сигнал. Для повторного запуска необходимо переключатель 1 переключить из положения «Авт.» в положение «О», а затем снова включить в положение «Авт.» и взвести вручную воздушную захлопку. Время нарастания скорости прогретого дизеля от минимально устойчивой до максимальной скорости холостого хода составляет 40 сек.
Работа дизель-генератора. Система ДАУ дизеля 6Д50А подает в электростанцию следующие сигналы: включение отключающей катушки генераторного автомата; авария дизель-генератора (ДГ); минимально устойчивое число оборотов ДГ; ДГ готов к приему нагрузки. В то же время система ДАУ принимает от электростанции следующие сигналы: пуск или остановка ДГ, автоматический запуск ДГ, состояние генераторного автомата. Для обеспечения параллельной работы ДГ в составе электростанции, а также для обеспечения работы ДГ на пониженной скорости управление серводвигателем регулятора скорости при выходе на максимальные числа оборотов холостого хода, а также при отключении системы ДАУ передается в систему
238
электроэнергетики (например, с пульта управления электростанцией). Таким образом, после выхода ДГ на максимальный режим холостого хода воздействием с электростанции на серводвигатель (вручную переключателем или автоматически устройством УСГ) выполняется синхронизация ДГ и включается генераторный автомат, а если в составе электростанции имеется устройство УРЧН или УРМ то происходит автоматическое распределение активных нагрузок. Питание серводвигателя СЛ-240с постоянным током 24 в осуществляется от основного пульта управления системы ДАУ 6Д50А.
Остановка дизеля. Остановка осуществляется нажатием кнопки «Стоп» па 1ПДУ или 211 ДУ, а также от внешнего сигнала из системы электроэнергетики. При этом подается сигнал на отключение генераторного автомата, серводвигатель включается в направлении уменьшения затяга пружины регулятора скорости и при уставке, соответствующей 615 об/мин, посредством концевого выключателя серводвигатель отключается. На этой скорости происходит охлаждение двигателя. При снижении температуры пресной воды в системе охлаждения до Д60 С срабатывает датчик 29 (см. рис. 157). Отключается насос забортной воды, и включается электромагнит рабочего стоп-устройства, который, отсекая подачу топлива, останавливает двигатель. Серводвигатель включается и раскручивает пружину регулятора. Прн уставке, соответствующей минимально устойчивой скорости (—300 об/мин), серводвигатель отключается посредством концевого выключателя 36. На этом процесс остановки ДГ заканчивается.
Экстренная остановка дизеля. Такая остановка осуществляется переключателем «.Экстр, остановка» с 1ПДУ или 2ПДУ путем поворота рукоятки в одно из крайних положений. При этом включаются отключающая катушка генераторного автомата и рабочее сто 11 - у стр о йство.
Аварийная защита дизеля. Автоматическое выполнение операций по экстренной остановке двигателя производится при возникновении следующих аварийных состояний: перегрев пресной воды в системе охлаждения; падение давления пресной воды в системе охлаждения; падение давления масла; перегрев масла; повышение скорости вращения выше допустимой (разнос). Остановка по сигналам о перегреве воды и масла и о падении давления воды осуществляется путем включения рабочего стоп-устройства. Остановка по сигналам о падении давления масла и о разносе производится включением рабочего стоп-устройства и воздушной захлопки. Датчик защиты, температуры воды и масла и датчик падения давления воды отключаются тумблером «Защита откл.» на 1ПДУ (см. рис. 158). При этом сохраняется световая сигнализация по аварийным параметрам. При ручном управлении обеспечивается защита ДГ при перегреве пресной воды и масла и падении давления масла.
Автоматический программный запуск ДГ возможен при управлении с выносного пульта (2ПДУ). На основном пульте управления переключатели устанавливаются в положение «Авт.» и «2ПДУ» (см. рис. 158). На выносном пульте переключателем «Очередность
239
автопуска» (см. рис. 159) задается очередность запуска ДГ. При аварийной остановке работающего ДГ или несостоявшемся его пуске запускается очередной ДГ. При перегрузке электростанции в схему системы поступает сигнал, по которому очередной ДГ, находящийся в резерве, включается не сразу, а с выдержкой времени, обеспечиваемой электромеханическим реле времени (10—50 сек). Система ДАУ 6Д50А удовлетворяет Правилам Регистра СССР и позволяет осуществлять управление и контроль за ДГ из центрального поста управления или электростанции. Кроме того, данная система ДАУ позволяет использовать ДГ типа 6Д50А в составе автоматизированных судовых электростанций. Система ДАУ может быть применена для автоматизированного управления ДГ других типов, работающих по аналогичной программе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Почему неавтоматизированное дистанционное управление дизель-генератор-ными установками является в большинстве случаев неоправданным’
2. Что произойдет в результате засорения невозвратного клапана 12 (но рис. 154)?
3. К каким последствиям приведет обрыв электрода транзистора Т, в схеме, изображенной па рис. 155?
4. Укажите последовательность работы и назначение контактов программного механизма.
5. Что произойдет, если во время работы аварийного генератора появится напряжение на шинах ГРЩ?
ГЛАВА
XII
АВТОМАТИЧЕСКИЕ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
§ 70
Общие сведения
В судовых электроустановках в последнее время находят все большее применение различные автоматические вычислительные системы. Они используются как для целей исследования, так и в качестве управляющих систем. Современные быстродействующие вычислительные системы по способу работы разделяются на два основных типа: вычислительные машины непрерывного действия (ВМН), часто называемые аналоговыми, представляют собой математические модели, воспроизводящие различные физи ческие процессы, описываемые решаемым уравнением, и цифровые вычислительные машины (ЦВМ) прерывистого действия, именуемые дискретными. Последние получили наибольшее распространение, особенно для целей управления.
По характеру выполняемой работы ЦВМ подразделяются на машины, предназначенные для решения математических задач, на-240
чальные условия которых задаются человеком, и машины автоматического управления, предназначенные для обработки информации, поступающей от внешних объектов и выработки управляющих команд.
Работа ЦВМ сводится к выполнению четырех действий арифметики и логических операций, что дает возможность решать самые разнообразные типы задач. Решение задач сводится к выполнению отдельных арифметических действий с исходными числами. Как ВМН, так и ЦВМ присущи свои достоинства и недостатки, основные из которых приводятся ниже.
Для ВМН характерны следующие достоинства:
а) наиболее простой путь формирования закона регулирования с выбором рациональной структуры схемы системы регулирования;
б) наглядность получаемых результатов (в процессе решений той или иной задачи можно в любой момент увидеть и зафиксировать изменение переменной величины);
в) простота внесения в процессе решения необходимых изменений параметров исследуемой системы, начальных условий и корректирующих нелинейных связей (эффект от внесенных изменений можно наблюдать сразу на экране осциллографа);
г) возможность повторения решения набранной задачи;
д) переход от исходных уравнений к машинным довольно прост и не требует специальных знаний;
е) легкое сопряжение с реальной аппаратурой, так как может работать в реальном масштабе времени.
Однако у ВМН имеются и недостатки:
а) ограниченность диапазона изменения постоянных коэффициентов уравнения;
б) возобновление решения новой задачи требует времени для набора п настройки решающих блоков;
в) невозможность перехода к решению повой задачи (требующей использования всех возможностей машины) без разбора схемы предыдущей задачи;
г) малая точность решения задачи (5—10%).
ВМН применяются наиболее широко для моделирования процессов, протекающих в системах регулирования и управления.
ЦВМ обладают следующими достоинствами:
а) универсальностью, т. е. возможностью решения почти любой сложной задачи с учетом максимального количества факторов;
б) большой точностью решения;
в) могут решать логические задачи;
г) способны быстро повторять решения задачи;
д) обладают широким диапазоном изменения постоянных коэффициентов уравнений;
е) могут параллельно решать несколько задач;
ж) при решении задачи могут многократно использовать решающие блоки.
Однако ЦВМ имеют и ряд недостатков: отсутствие наглядности получаемых результатов, необходимость построения графиков по
16 В. Г. Самойло
241
табличным данным, сложность изменения структуры уравнений, отсутствие возможности корректировки и уточнения задачи в процессе ее решения и относительная трудность сопряжения с реальной аппаратурой.
Практическое использование ВМН для исследования судовых электроустановок показало, что большинство ВМН имеет ограниченный состав нелинейных блоков (типа произведения z = ху, квадратного корня из суммы квадратов г = Цх2 + у2 и синусно-косинусных блоков с периодизацией), наиболее употребительных при решении задач, связанных с исследованием судовых электроустановок. Достаточно полно такие задачи могут решать машины типа МН-14 и «Электрон». Однако и они не могут быть использованы для решения сложных задач, описываемых уравнениями выше 20-го порядка. При решении таких уравнений, особенно с нелинейными блоками, значительно увеличивается погрешность. Необходимо учесть, что система дифференциальных уравнений, описывающая переходные процессы в современной электроустановке, достигает 50-го и более порядка с большим числом блоков произведения, модуля (г = | х2 + у2) и т. п. Целесообразно решать такие уравнения на цифровых вычислительных машинах. Наибольший интерес в этом случае представляет малогабаритная универсальная машина, например с автоматическим программированием.
§ 71
Вычислительные машины непрерывного действия
Вычислительная машина непрерывного действия состоит из следующих основных узлов: наборного поля, с которого осуществляется ввод исходных данных, усилителей, блока питаГшя и регистрирующего прибора (вольтметра или осциллографа). В соответствии с решаемой задачей усилители на наборном поле специальными штекерами соединяются между собой. Работа решающих усилителей основана на использовании отрицательной обратной связи. Приняв за основу один и тот же тип решающего усилителя, можно получить за счет изменения характера обратной связи раз--личные решающие узлы [18J.
Основой всякого решающего усилителя является усилитель постоянного тока (УПТ) с отрицательной обратной связью по напряжению (рис. 160).
Усилители должны быть безынерционными инвертирующими (сигнал на выходе усилителя должен быть в противофазе с сигналом на входе, что достигается нечетным числом каскадов) и иметь достаточно большой коэффициент усиления (от тысячи до сотен тысяч). Входное сопротивление усилителей очень большое, выходное — весьма мало. Если на входе усилителя напряжение равно нулю, то на его выходе напряжение также должно быть равно нулю.
242
Основное уравнение усилителя
(24)
Изменяя характер и величину сопротивлений гх (р) и г2(р), можно получить самые различные коэффициенты передачи сигнала, т. е. осуществлять, применяя усилитель, различные математические операции.
С помощью решающих усилителей можно производить алгебраическое суммирование величин, умножение и деление на постоянный множитель, дифференцирование, интегрирование, возведение в квад-
Рис. 160. Структурная схема решающего усилителя.
Рис. 161. Схема регулирования коэффициента передачи решающего усилителя.
рат и извлечение корня. Отрицательный знак коэффициента передачи в формуле (24) указывает на то, что при осуществлении любых математических операций одновременно происходит инвертирование выходного напряжения. В тех случаях, когда имеет значение только характер математической операции, а знак Uvhlx значения не имеет, его обычно опускают. При наборе схемы должны быть согласованы масштабы, для этого требуется регулировать коэффициенты передачи /г0 (р): на выходе усилителя устанавливается потенциометр, к движку которого подключают цепь обратной связи (рис. 161). Перемещая движок потенциометра и изменяя тем самым напряжение, питающее цепь обратной связи, можно регулировать коэффициент передачи усилителя. С целью повышения плавности регулировки коэффициента передачи последовательно с потенциометром г включают постоянный резистор г0.
Масштабные усилители. Эти усилители предназначены для умножения величин, выраженных напряжением постоянного тока, па постоянный коэффициент. В этом случае в качестве zx (р) и z2 (р) лучше всего использовать резисторы. Тогда
(Р) = — ^7 = k0
НЛП
16*
^Лзых — ^<Х^вх,
(25)
243
т. е. выходное напряжение представляет собой увеличенное в /г0 раз входное напряжение. При R2 = Ri постоянный коэффициент kn = —1, это используется в инвертирующих усилителях, служащих для изменения знака сигнала. Усилители с |А0] = 1 используются также в тех случаях, когда необходимо согласовать высокоомный источник с низкоомной нагрузкой. Это обеспечивается высоким входным и низким выходным сопротивлением масштабного усилителя.
Суммирующие усилители. Они применяются для алгебраического суммирования величин, выраженных напряжением постоянного тока. Структурная схема суммирующего усилителя приведена на рис. 162.
Рис. 162. Структурная схема суммирующего усилителя.
УПТ бесконечно велико, то в< этом ток i0 будет равен i0 =
Один из входных и один из выходных зажимов у всех источников напряжений заземляют. Это удобно для построения сложных схем. Если считать усиление УПТ бесконечно большим, то любому конечному значению 6/ВЬ1х будет соответствовать исчезающе малое напряжение Uvx, при этом токи в резисторах R,, R2, . . ., Rn будут соответственно равны г,
“ Rt ’ 2 Rs ’ ’ ’ ’ ’ " Rn '
Поскольку входное сопротивление эти токи будут протекать по Rtt, при г + i2 + • • in, но
: ^вых
1"- Ro
тогда
t/вых = - + • • + )
\ Г<2 )
Усилитель производит пропорциональное суммирование, так как каждое из входных напряжений входит в состав суммы с некоторым масштабным множителем, величина которого определяется соотношением сопротивлений Ro и Rlt R2, Rn-
Если сопротивления резисторов на входе усилителя равны между собой (R, = R-2 = • • • = R„ = R), то
t/вых = - (Их + U2 + • + Un).
При этом наряду с простым суммированием входных напряжений осуществляется усиление суммы. Для получения простого суммирования напряжений сопротивления Ro и R должны быть одинаковы и тогда
(26)
= + + + ип).
Одновременно с суммированием происходит инвертирование иапря жен пя.
244
Интегрирующие усилители. В основу работы интегрирующих усилителей положено использование процесса заряда конденсатора через резистор. В простейшем случае для приближенного интегрирования, как это видно из рис. 163, применяется обычное инерционное звено типа RC. При этом в качестве гх (р) используется величина сопротивления R, а в качестве г2 (р) — емкость С.
Учитывая, что z1(p) = R, z2(p) = —
i, (D) _ _ г°- (p) - __L_ = __JL
Ku(p) Mp) pcr pT ’ где T = RC.
Рис. 163. Структурная схема интегрирующего усилителя.
Рис. 164. Структурная схема дифференцирующего усилителя.
Усилитель осуществляет операцию интегрирования с коэффициентом передачи /г0 = -у- и инвертирование. Следует отметить, что чем большим коэффициентом усиления обладает усилитель, тем точнее он будет работать.
Дифференцирующий усилитель. Продифференцировать сигнал, выраженный электрическим напряжением Т'пх (/), это значит получить новое напряжение (/), величина которого пропорциональна скорости изменения входного напряжения.
В простейшем случае приближенное дифференцирование напряжения может быть осуществлено при помощи переходной цепочки типа RC, представляющей собой реальное дифференцирующее звено, так как ток конденсатора пропорционален скорости изменения напряжения на его обкладках:
Однако на практике желательно иметь не ток, а напряжение, пропорциональное этой скорости. Для этого ток пропускают через резистор, с которого и снимают выходное напряжение (рис. 164). Чем меньше величины R и С, т. е. чем меньше постоянная времени цепи, гем быстрее будут протекать процессы. Напряжение на резисторе будет малым, напряжение на конденсаторе по величине будет ближе к входному. Точность дифференцирования будет выше. Желательно, чтобы входное напряжение менялось медленно, в этом случае точность дифференцирования будет также выше.
245
В соответствии со схемой, приведенной на рис. 164, zi (Р) = > Z2 (Р) = Я.
Коэффициент усиления передачи
k0 (Р) = - = -PCR = -рТ,
где Т = RC.
Следует отметить, что дифференцирующие усилители обычно ие применяют из-за их малой помехоустойчивости и склонности контуров, содержащих такие усилители, к самовозбуждению.
Рис. 165. Пример набора дифференциального уравнения второго порядка на ВМН.
Зная дифференциальное уравнение, описывающее тот или иной переходный процесс, и имея набор различных усилителей, можно построить структурную схему решения уравнений на ВМН, в которой отдельные члены дифференциального уравнения представлены усилителями с вводом необходимых машинных переменных (рис. 165).
Пример набора схемы для решения уравнения. Рассмотрим, как набирается схема из типовых усилителей для решения линейного дифференциального уравнения второго порядка типа [4 ]
+ (27)
при следующих начальных условиях
!'«=<>• (-аг)« = °-
Для составления схемы набора на ВМН преобразуем уравнение (27) к виду d24/ „
Предположим, что величина — нам известна. Проинтегрировав ее дважды с помощью интегрирующих усилителей / и 2 (см рис. 165), получим первоначально 246
dy Ф/
-^7-, а затем — у. Образуя величину — с помощью инверсного усилителя 3 и используя суммирующий усилитель 4, получим (с учетом перемены знака усили-толем 4) величину--Система замкнута. Возмущающее воздействие х (/)
может быть подано в систему в виде напряжения, изменяющегося по заданному закону во времени. Поведение системы будет соответствовать исходному уравнению (27).
Если величины х и у выражаются непосредственно в вольтах, a t — в секундах, то параметры схемы будут иметь следующую размерность: RC = 1 сек; R2/Ra = а; R2/Rb — b, при этом, например, R = 1 Мом, С — 1 мкф. Если подключить осциллограф к выходам усилителей 2, 3 и 4, можно наблюдать и записать во времени изменение искомой функции у (t), а также процесс изменения ее первой и второй производных. Можно также наблюдать влияние на переходный процесс параметров уравнения, например, коэффициентов а и 6 (для этого необходимо изменить сопротивление резисторов Ra и Rb).
§ 72
Цифровые вычислительные машины
Электронная цифровая машина состоит из сле-
дующих основных узлов: арифметического блока, предназначенного для выполнения операций над числами; запоминающего блока, пред-
назначенного для приема, хранения тичсского управления работой машины (рис. 166).
Арифметический блок предназначен для выполнения арифметических и логических операций над числами и командами, которые вводятся в виде группы импульсов, образующих код.
Запоминающий блок в машине состоит из двух запоминающих устройств: внутреннего и внешнего. Такое разделение блока объясняется невозможностью совмещения в одном устройстве высокой скорости выдачи чисел и требования большой емкости запоминания.
Внутреннее запоминающее устройство именуется памятью
и выдачи чисел; блока автома-
Рис. 166. Упрощенная блок-схема ЦВМ.
СО—сигналы оператору; ВО—воздействие оператора; БУ — блок управления; РО — результаты операций; БА — блок арифметический; КО—код операции; ЧК— числа и команды; БЗ—блок запоминающий; К — команды; БВД — блок ввода данных; БВР — блок вывода результата.
машины, а внешнее запоминающее устройство — накопите-л е м. Емкость машинной памяти составляет 1024—2048 чисел и
имеет непосредственную связь с арифметическим устройством, которому выдает необходимые числа, участвующие в операции. Она хранит только те данные, которые необходимы для ближайшего ряда вычислений. Другая часть запоминающего устройства — внешний накопитель — обладает практически неограниченной емкостью. С арифметическим устройством внешний накопитель не связан и имеет значительно меньшую скорость работы.
247
Последовательность операций обеспечивается блоком управления согласно составленной программе.
Блоки ввода данных в машину и вывода результатов связаны непосредственно с запоминающим блоком БЗ машины. Вводимые данные представляются в виде перфорированных карт, перфорированных или магнитных лент и вводятся в машину специальным вводным устройством БВД, связанным с запоминающими блоками машины.
Вывод результатов осуществляется с помощью блока вывода результатов БВР на перфокартах, перфолентах, магнитных лентах и другими способами.
В машинах все операции, связанные с решением задачи, выполняются автоматически, но, несмотря па это, в ней предусматривается и ручное управление, которое предназначено для пуска и остановки машины, а также ее проверки.
Кроме рассмотренных основных блоков электронная цифровая машина имеет выносное устройство. Оно служит для подготовки исходных данных к вводу в машину.
Во внешних устройствах исходные данные и программа, записанные на бумаге, сначала переносятся на перфокарты, магнитные ленты, перфоленты и в дальнейшем переписываются в запоминающее устройство машины.
Электронная цифровая машина все математические операции с числами производит под воздействием команд, последовательность которых образует программу работы машины. Программа составляется заранее для каждой задачи и вводится в машину вместе с исходными данными перед решением, после чего процесс решения проводится машиной автомагически. Каждая команда разделяется на подгруппы. Одна подгруппа образует код вида операции (сложение, умножение и т. п.), остальные подгруппы именуются адресами (например, номера ячеек запоминающего устройства, откуда следует взять числа для выполнения операции).
В зависимости от типа машины в состав команды может входить различное количество адресов. Соответственно команды называют одноадресными, двухадресными, трехадресными и т. д. Весьма распространены трехадресные команды, в которых два адреса указывают два исходных числа и третий адрес является адресом результата операции.
Команды программы для ввода в машину кодируются и хранятся в ячейках памяти таким же образом, как и обычные числа.
По каждой команде в заданном порядке выбираются из памяти машины числа и отправляются в арифметическое устройство, в котором с пими производятся операции, определяемые кодом. После выполнения нужной операции результаты отправляются обратно в машинную память в соответствующие ячейки, указанные в адресах команд, и записываются. На этом заканчивается операция по выполнению данной команды. Устройство управления снова извлекает из памяти очередную команду.
Двоичная система записи чисел (двоичный код). В электронных вычислительных машинах информация преобразуется и хранится
248
с помощью двоичного кода. Он наиболее простой н отвечает условиям работы элементов аппаратуры электронной машины: электронных ламп, кристаллических диодов и триодов, магнитных элементов. Все эти элементы могут устойчиво находиться в двух состояниях: проводить или не проводить ток, приобретать высший или низший потенциал.
Соответственно этим двум положениям числа кодируются в двоичной системе счисления, которая отличается от прочих систем гем, что в ней используются два символа: 0 и 1.
Недостаток двоичной системы заключается в том, что запись какого-либо числа сопровождается большим числом разрядов, чего нет в десятичной системе счисления. Сама форма записи нулем и единицей является очень непривычной. Но все недостатки двоичной системы полностью окупаются ее преимуществом.
Кратко рассмотрим запись чисел в двоичной системе. Как уже говорилось, в этой системе используются только два знака, т. е. первые две цифры десятичной системы — 0 и 1.
Если требуется записать другие цифры десятичной системы счисления, то рекомендуется пользоваться следующим правилом:
N = 2" + 2> + 21 + 2з +---н 2",
где W — количество знаков, записываемых в числе разрядов, равном /г 1. Например, количество чисел, записываемых в одном разряде, определяется: 2° = 1.
В двух разрядах можно записать гри числа: 2° + 21 = 3 (01, 10, 11).
В трех разрядах можно записать семь чисел: 2° + 21 + 22 = 7 (001, 010, 011, 100, 101, ПО, 111) и т. д.
Перевод десятичных чисел в двоичные можно представить следующим образом:
Десятич- 0123 4 567 8 9 10 11
н ый код
Двоич- 0 1 10 11 100 101 НО 111 1000 1001 1010 1011
ный код
Из сказанного вытекает следующее правило преобразования десятичного числа в двоичное. Заданное десятичное число нужно последовательно делить на два до получения частного меньше двух. При первом делении получается остаток от деления (1 или 0). Этот остаток дает код первого низшего разряда двоичного числа, а частное показывает, сколько двоек содержит данное число. При втором делении остаток (1 или 0) соответствует коду второго разряда двоичного числа, при третьем делении остаток соответствует коду третьего разряда и т. д. После записи остатка при последнем делении в код следующего (высшего) разряда записывают 1.
249
Например, код числа 193 получим следующим образом:
193 : 2 = 96 + остаток 1, т. е. 1 -2°;
96 : 2 = 48 + остаток 0, т. е. 0-21;
48 : 2 = 24 + остаток 0, т. е. 0-22;
24 : 2 = 12 + остаток 0, т. е. 0-23;
12 : 2 = 6 + остаток 0, т. е. 0-24;
6:2 = 3 + остаток 0, т. е. 0-2Б;
3:2=1 + остаток 1, т. е. 1-2®.
Высший разряд ставим 1-27.
Таким образом, код числа 193 есть 11 000 001, или 1 -27 + 1 -2® + + 0-26 + 0-24 + 0 - 23 + 0-22 + 0-21 + 1-2° = 193.
Арифметические действия над двоичными числами производятся так же, как и над, десятичными.
При сложении двоичных чисел нужно иметь в виду, что единица, получающаяся при сложении двух единиц, переносится в высший разряд. Поэтому для сложения двух одноразрядных чисел существуют следующие правила:
0 + 0 = 0 1 + 0=1
0+1 = 1 1 + 1 = 10 (единица пере-
носится в высший разряд).
Рассмотрим примеры сложения:
1) . 110 2) . 100101 3) , 101000111,011
Н 011 + 100010 + 101011,111
1001 1000111 101110011,010'
Вычитание двоичных чисел выполняется по следующим правилам:
0—0 = 0 0—1 = 1 (1)
1—0 = 1 1—1= 0.
Единица в скобках обозначает перенос (добавление) в высший разряд вычитаемого числа.
Рассмотрим пример вычитания:
110011001
011100010
010110111'
Умноженне~двоичных чисел производится по следующим правилам:
0-0 = 0
0-1 = 0
1-0 = 0
1-1=1.
Как следует из этих правил, умножение одноразрядных чисел выполняется при помощи логического элемента И.
250
Умножение многоразрядных чисел производится так же, как и в элементарной алгебре, и сводится к операции сложения и сдвига.
Рассмотрим пример умножения:
v 1011 v 1100111,1101
х 101 х 11,011
1011 11001111101
1011 11001111101
110ЙТ • 11001111101
11001111101
101011110,0101111
Деление двоичных чисел производится по тем же правилам, что и в десятичной системе счисления:
0:1=0
1:1 = 1.
Деление многоразрядных чисел сводится к операциям вычитания.
Рассмотрим пример деления (55—110111:5—101 и 1773 — 11011101101 : 9 — 1001):
110111 |101 11011101101 |1001
101 00111 101 0101 101 1011(одиннадцать) 1001 ЙООТ 1001 1011 1001 11000101 (сто девяносто семь)
000 1001 1001 0000
В состав арифметического устройства машины входит несколько отдельных устройств различного функционального назначения. Например, устройства для сложения, вычитания и умножения. Они строятся на триггерах, вентилях, магнитных элементах. Для того чтобы зафиксировать на этих элементах двоичное число, его вводят в виде электрического кода. Токовым импульсам соответствует 1, отсутствию тока 0.
Для образования из натурального ряда чисел двоичного кода служит двоичный счетчик. Его задача сводится к фиксированию наличия или отсутствия содержащихся в числе единиц, двоек, четверок и т. д.
Рассмотрим работу двоичного счетчика, собранного на триггерах. На принципиальной схеме триггерная ячейка изображается прямоугольником, заштрихованная половина проводит ток, незаштрихо-ванная не проводит ток.
Схема двоичного счетчика (рис. 167) показана на три разряда. Условно считается, что если левая половина триггера проводит, а пра-
251
вая не проводит, то такое состояние изображается нулем вверху, обратное состояние изображается единицей.
Допустим, что на триггер Тt подается серия из семи импульсов, поступающих поочередно. Под действием первого импульса триггер 7\ перебросится из состояния 0 в состояние 1 (переброс обозначается стрелкой внутри триггера). В этом случае будет записано число 1 <— >001. Поступающий второй импульс возвратит триг-
гер Т! в первоначальное состояние 0 и передаст импульс триггеру Т2,
Рис. 167. Схема двоичного счетчика на три разряда.
который перебросится в состояние 1. Будет записано число 2 «— —» OlCL Под действием третьего импульса триггер Тх вернется в состояние 1 и запишется число 3 <— —>011 и т. д. Каждый последующий триггер работает в два раза медленнее предыдущего, что видно из схемы. Трехразрядпый двоичный счетчик может записать от 0 до 7 десятичных чисел, а если подать 8-й импульс, то все триггеры 7\, 7\, Тя и т. д. перейдут в состояние 0.
В вычислительных машинах числа как в десятичной, так и в двоичной системе счисления могут представляться в естественной, или нормальной, форме. Например, число 28, 36 представлено в естественной форме. То же число может быть представлено в виде 0,02836-103 или 0,2836-102. Такая форма записи называется нормальной или полулогарифмической. Число при этом делится на м а н т и с с у 02836 и порядок числа 3 и записывается в машине в виде +028360 + 03 или +283600 + 02. Очевидно, нормальных форм записи каждого числа может быть много. Если в первом (высшем) разряде мантиссы стоит 0, то нормальное число называют ненормализованным, если стоит цифра,
252
отличная от нуля (например +283600 + 02), то нормализованным. Порядок числа показывает, в каком месте мантиссы нужно поставить запятую, чтобы получить естественную форму числа, поэтому машины, работающие с нормализованными числами, называют машинами сплавающей запятой, а машины, оперирующие числами в естественной форме, —машинами с фиксированной запятой.
Нормальная форма представления чисел позволяет получить широкий диапазон представления чисел в машине без применения масштабных коэффициентов и примерно одинаковую относительную точность представления чисел независимо от их абсолютной величины.
Недостатками нормальной формы являются усложнение операций сложения и вычитания, а также увеличение количества элементов, представляющих числа, так как вместо одного числа нужно представить два: мантиссу и порядок.
Запоминающие устройства. В цифровых вычислительных машинах существует большое количество различных типов запоминающих устройств. Они отличаются друг от друга принципом действия, скоростью, емкостью запоминания, длительностью хранения и т д. Кратко ознакомимся с некоторыми основными устройствами, получившими широкое применение в вычислительной технике.
Перфоленты и перфокарты. Перфоленты и перфокарты служат для ввода исходной информации в машину и вывода из машины результатов решения задачи. Перфорация информации осуществляется на перфокартах или перфолентах с помощью перфоратора — дополнительного устройства к машине. Считывание данных с перфокарт или лент может производиться механическим или фотоэлектрическим способом.
Перфокарты по сравнению с перфолентами имеют большое преимущество. Они дают возможность легко изменять порядок вводимого материала, изменять вариант расчета.
Недостаток перфокарт — низкая скорость ввода и вывода данных.
Магнитные ленты и барабаны. Магнитная запись позволяет создать запоминающее устройство большой емкости. Информация записывается на магнитной ленте, движущейся с определенной скоростью, с помощью головки, подающей магнитные импульсы. Чтение материала осуществляет аналогичная считывающая головка. Магнитные барабаны отличаются от магнитных лент тем, что магнитный материал наносится на жесткую поверхность барабана, а не на гибкую ленту, наматываемую на катушку.
Достоинством магнитной записи является не только большая емкость, но и надежность работы, продолжительность хранения, простота устройства.
К недостаткам магнитной записи можно отнести невозможность произвольной выборки и записи информации, необходимость затрачивать время на ожидание поворота барабана или перемещения ленты.
Запоминающее устройство на магнитных сердечниках. Ферриты прямоугольной петлей гистерезиса являются наиболее перспективными в запоминающих системах. Мы уже рассматривали общие свой
253
ства ферритовых сердечников и применение их в переключающих схемах.
Принцип действия запоминающего устройства основан на том, что для перемагничивания сердечника из материала с прямоугольной петлей гистерезиса необходимо создать поле определенной напряженности. Если импульсы тока будут создавать поле меньше нужной величины, то перемагничивания не произойдет даже при многократном воздействии импульсов.
Рис. 168. Запоминающее устройство на ферритовых сердечниках.
С помощью ферритовых сердечников можно создавать плоскую или пространственную прямоугольную систему. Каждый сердечник служит для запоминания одной двоичной цифры: 0 или 1. На рис. 168 показана плоская схема соединения сердечников. Горизонтальные ряды образуют отдельные регистры с количеством двоичных разрядов, равным числу сердечников в ряду.
Последовательно соединенные первичные обмотки каждого ряда в горизонтальном направлении образуют цепи, открывающие соот ветственно регистры ylt у2, ys. Первичные обмотки, соединяемые ио вертикальной линии, образуют линии подачи соответствующих разрядов записываемых чисел хг, х2, х3. Вторичные обмотки сердечников w2 служат для выдачи двоичных цифр.
Если мы пропустим ток 1/2 по цепи у3 и х2, то только в сердеч нике Б будут в обмотках действовать оба тока и он сможет пол ностью намагнититься; а если до этого он был намагничен в против»»
254
положном направлении, то во вторичной обмотке его возникнет импульс большой амплитуды. В остальных сердечниках по горизонтали и вертикали перемагничивания не произойдет, так как ток в каждой обмотке будет 7/2; он недостаточен для перемагничивания тора.
Если остаточный магнетизм в торе Б совпал с направлением двух токов 7/2, то на выходе обмотки о>2 сигнала не будет.
Матрицы с большими емкостями на магнитных торах обычно не имеют специальных обмоток, их сердечники пронизаны тремя проводниками в горизонтальном и вертикальном направлениях, служащими для выбора и записи, а в диагональном — для считывания.
Быстрое внедрение магнитных элементов в цифровых системах объясняется простотой устройства, неограниченным сроком хранения записи, быстродействием. В запоминающих устройствах используются также триггеры и некоторые другие элементы.
§ 73
Применение вычислительной техники для целей управления и контроля систем автоматики
Усложнение функций автоматических систем и повышение требований к ним приводит к необходимости все более широкого применения вычислительной техники в системах автоматики.
Включение вычислительных систем в контуры контроля и управления обеспечивает переход к более высокой степени автоматизации, что позволит обеспечить более эффективный уровень эксплуатации судовых электроустановок.
Автоматические системы, включающие вычислительные устройства или системы, можно подразделить на системы автоматического контроля или информационные системы, программные или командные системы управления и управляющие системы.
Информационные системы обеспечивают не только сбор и обработку поступающей информации, но и выдают рекомендации оператору по управлению тем или иным процессом. В этом случае они выполняют роль машины- советчик а, безусловно необходимой оператору при загрузке его обширной и разносторонней информацией.
На рис. 169 приведена упрощенная блок-схема информационной системы. Для удобства запоминания, регистрации в табличной форме и визуального отсчета удобнее аналоговые (непрерывные) величины xlt х2, . . ., хп, получаемые от чувствительных элементов, преобразовать в цифровую форму. Это может осуществляться, например, поочередным подключением чувствительных элементов посредством переключателя 77 к аналого-цифровому преобразователю АЦП. Результат преобразования поступает в вычислительное устройство ВУ, которое может выполнять следующие функции: запоминание измеренных величин, операции сравнения их с заданными значениями и собственно математические операции с этими величинами. Напри-
255
Рис. 169< Блок-схема информационной системы (машины-советчика).
мер, можно вычислить к. п. д., коэффициент мощности установки и произвести ряд других операций. Можно так же выполнить и другие математические операции: суммирование, деление, функциональное преобразование, дифференцирование и интегрирование.
Результаты вычислений из вычислительного устройства с помощью коммутатора передаются в устройства, служащие для регистрации УР, сигнализации УС и визуальных указаний оператору УВУ.
Регистрация может производиться с помощью автоматического печатающего устройства в цифровой форме (в виде, например, таблиц, графиков и т. и.). Сигнализация служит для обнаружения контролируемых величин, вышедших за установленные пределы.
Визуальное указание и измерение осуществляются в цифровой и буквенной форме посредством индикаторов.
Кома н д н а я, или программная, система является такой системой, которая служит только для формирования и передачи команд управления. Программа или команды вводятся в такую систему с помощью перфоленты или магнитной ленты.
В управляющих системах производится переработка всей информации о том или ином технологическом процессе (например, о выработке электроэнергии на судне) и формируются команды в соответствии с результатами обработки информации по упргзвлению этим процессом.
На рис. 170 приведена блок-схема лишь одного из возможных вариантов электронной управляющей машины. Информация о состоянии объекта управления поступает от датчиков Д в блок преобразователей, где информация преобразуется в числовую по коду, принятому для данной управляющей машины.
После переработки первичная информация в виде кода поступает в накопитель информации. Отбор отдельных величин исходной информации, сравнение этих величин с заданными, а также последовательность ввода информации в вычислительное устройство осуществляются специальным блоком управления на бесконтактных логических элементах. Данный блок управляет также блоком сравнительных программ и блоком предельных значений. Полученные в вычислительном устройстве решения дополнительно отраба тываются в блоке сравнения и выбора оптимального режима. Окончательные решения получаются в результате сравнительного анализа большого числа вариантов или путем сравнения с каким-либо наперед заданным критерием, определяющим оптимальное состояние управляемого процесса. Полученные оптимальные значения основ-
256
Рис. 170. Блок-схема управляющей цифровой вычислительной машины.
17 В. Г. Самойло
257
них управляющих параметров преобразуются в оперативном блоке и затем подаются на исполнительные органы ИО. Последние непосредственно воздействуют на объект управления и управляют соответствующими процессами.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте классификацию автоматических вычислительных машин.
2. Что такое двоичная единица информации? Поясните эту единицу измерения на примерах.
3. Каким способом можно перевести число из десятичной системы счисления в двоичную?
4. Изобразите графически структурную блок-схему ЦВМ и поясните назначение отдельных блоков.
5. Изобразите графически схему элемента матричного запоминающего устройства на ферритах и объясните ее работу.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА
Исходными данными для конструктивного расчета трансформатора являются напряжение первичной обмотки Ut, частота сети f, напряжение U2 и ток вторичной обмотки /2.
Расчет трансформатора производят по так называемой типовой мощности Рт, равной полусумме мощностей первичной и вторичной обмоток: Рт = 0,5 (/\ + Ps). Обычно эта мощность может быть принята равной мощности вторичной обмотки (кроме случая однополупериодного выпрямления). Типовая мощность трансформаторов для
выпрямителей при различных схемах выпрямления приведена в приложении 5.
При расчете трансформатора определяют размеры его сердечника, количество витков и площадь поперечного сечения проводов обмоток. Сердечники трансформаторов выполняют из типовых пластинчатых магнитопроводов, которые изготовляются из электротехнической стали ма рок Э42, Э310 и др.
На рис. 171 показан магнитопровод Ш-образной формы.
Расчет трансформаторов мощностью до 1 кет производят в следующей последовательности.
1. Для сердечника трансформатора выбирают сталь марки Э42 толщиной 0,35 мм; коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью при этом Лст = 0,91.
По номинальной типовой мощности РТ из приложения 2 находят ‘ориентировочные значения магнитной индукции В в сердечнике трансформатора, плотности тока Р, коэффициента и к. п. д. трансформатора т].
2 Определяют величину, равную произведению площади поперечного сечения сердечника Set на площадь поперечного сечения окна магнитопровода SOk> по формуле "
Рис. 171. Магнитопровод трансформатора Ш-образной формы.
заполнения обмотки медью kM
Рт-102
•SctSok------------j—г-------
1,11 (1 + -2-)/врм<
— си4. гст
3. Пользуясь данными приложения 3, по величине SCT SOk выбирают тип магнитопровода.
В обозначениях магнитопровода первое число указывает ширину стержня сердечника (см. рис. 171, а, мм), второе —толщину набора пластин (6, мм).
4. Определяют число витков обмоток
<4
ш1=---
1 АС/1
100
4,44/BSct
10*
= —
4,44/BSCT
17*
259
где At/j, % и Л1/2, % —относительные падения напряжения в обмотках, определяемые по приложению 2.
5. Определяют площадь поперечного сечения проводов обмоток по формулам
Л /2
<7! = -^ и 92 = т,
где Р — плотность тока в обмотках, определяемая по приложению 2, в зависимости
от величины Р?.
Выбирают стандартные величины сечений и диаметров изолированных проводов
Рис. 172. Размещение обмоток трансформатора на Ш-образном сердечнике.
по приложению 4.
В заключение расчета следует проверить, разместятся ли обмотки на сердечнике. Для этого надо определить число витков в одном ряду, число рядов, толщину всех обмоток с учетом изоляции и сопоставить ее с размером окна сердечника.
Размещение обмоток показано на рис. 172. Ширина окна однофазного трансформатора с одной прямоугольной катушкой определяется по формуле
6= 1,25 (е0 4- + 6iss 6а) -J- е3,
где е0 = 1—2 мм—толщина изоляции между катушкой и стержнем;
612 — 0,1—1 мм — толщина изоляции между обмотками;
е3 = 3—5 мм — расстояние от катушки до боковых стержней;
61 и 62 — толщина соответствующих обмоток, мм.
Толщина первичной обмотки определяется по формуле
— mj (а1п 4- Yi),
где dln — диаметр изолированного провода, мм;
yL = 0,03—0,1 мм—толщина изоляционной прокладки между слоями. Прокладку применяют, если напряжение между слоями более 50 в;
т1 — число слоев первичной обмотки.
Число сЯоев обмотки определяется по формуле
wi
и округляется до ближайшего целого числа. В этой формуле — число витков первичной обмотки в одном слое, определяемое по формуле
/7—2Ё1 ^1П
где Bi = 2—5 мм — расстояние от обмотки до ярма;
Н — высота окна сердечника, мм.
Аналогично определяются размеры вторичной обмотки:
= Я —2ех d2n

бз — т2 (d2« + у2) •
При расчете выпрямителя необходимо выбрать вентили (диоды) так, чтобы ток, протекающий через вентиль, не превышал номинального тока вентиля, а обратное напряжение на вентиле было ниже допустимого значения. Расчет тока вентиля и обратного напряжений на вентиле производится в соответствии с приложением 5.
260
Г Пример. Произвести расчет трансформатора для однофазного мостового выпрямителя с кремниевыми вентилями на напряжение Ud — 24 в и ток Id = 5 а при напряжении питающей сети U1 = 220 в и частоте f = 50 гц.
1. Определим элементы выпрямителя. В однофазном мостовом выпрямителе (см. приложение 5) средний ток вентиля составляет 0,57d, т. е. в данном случае 0,5 X X 5 = 2,5 а; обратное напряжение l,57t/d = 1,57-24 = 37,7 в.
Для выпрямителя подходят кремниевые диоды Д214Б на ток 5 а с обратным напряжением 100 в (см. приложение 7). Падение напряжения на диоде Д214Б составляет 1,5 в. В мостовой схеме ток последовательно протекает через два диода, поэтому падение напряжения на вентилях составит 2-1,5= Зе. Трансформатор необходимо рассчитывать на Ud = 24 + 3 = 27 е.
2. Определим типовую мощность трансформатора и напряжение на вторичной обмотке. В соответствии с приложением 5, для, однофазной мостовой схемы
Рт = l,23t/d7d = 1,23X27X5 = 166 ва.
3. По типовой мощности Рт = 166 ва из приложения 2 возьмем значения В =- 1,35вбЛи2; йм = 0,35; т]= 0,9; ₽ = 1,8 а/мм2; Д(/1=4%; Д(/2=8%.
4. Определим произведение Sct-Sqk с учетом kCT = 0,91 (толщина пластины
0,35 мм).
•^ст^ок —
______Рт 103 ___
1,11(1 4- -’-рвр/^ст
____________166-103___________
1.11(1 4-50-1,35-1,8-0,35-0,9
= = 183 глг1
5 Из приложения 3 выбираем магнитопровод Ш32Х25: SCtSok = 205 сл<4, b = 32 мм, Н - 80 мм, SCT = 7,28 см1, 65 пластин.
6. Определим число витков обмоток
_ (—‘Т)'|о4_ К'-ж)104 „ 970.
Wl 4,44-50-1,35-7,28 У ’
_ (|+-д-Йг)-10-_зо(1 + 4г)-1о.
4,44/BSCT 4,44-50-1,35-7,28
Коэффициент трансформации Лт
970
148
= 6,55.
7. Определим токи обмоток и площади поперечного сечения проводов.
В соответствии с приложением 5, для трансформатора однофазного мостового
выпрямителя
1.11 , 1.11 с о ОИА
4— Id = 5 = 0,846 а,
kt 6,55
/2 = 1,1 lld = 1,11-5= 5,55 a,
Л 0,846 n ._ 2
<7i = -у = -q-g- = 0,47 мм2,
12 5,55 Q 9
?2 = y- = —j-g = 3,08 мм .
Из приложения 4 выбираем провода марки ПЭВ-2: для первичной обмотки площадью поперечного сечения 0,4657 лои2, din = 0,86 мм\ для вторичной обмотки площадью поперечного сечения 3,205 мм2, dsn = 2,14 мм.
261
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
8. Определим число витков в слое каждой обмотки: Н — 2bi 80-2-3
n^~d^— = - 0,86 -^86’
Н — 2е, 80-2-3
Л2 = —
9. Определим число слоев обмоток и напряжение между слоями
I48 л ок к
т* = +Г = Т = 4’35- т*°-
Напряжение между соседними слоями первичной обмотки в режиме холостого хода определяется из выражения
2zil = 2-86-??£- = 39 «. wt 970
Поскольку это напряжение меньше 50 в, то изоляция между слоями первичной обмотки не требуется и можно принять = 0. Так как п2 < nt, напряжение между слоями вторичной обмотки еще меньше и у2 = 0-
10- Определим толщину обмоток
6j = mj (dltl Ь У!) = 12 (0,86 + 0) -= 10,3 мм,
62 т2 (d2n + у2) = 5 (2,14 0) — 10,7 мм.
11. Определим ширину окна, необходимую для размещения обмотки: b = 1,25 (е0 + + 612 + ба) Ь е3=
= 1,25(1,5+ 10,3+ 0,5+ 10,7)+ 3= 31,8 мм.
Поскольку ширина окна принятого магнитопровода 32 мм, обмотки в окне размещаются.
Зависимость основных параметров от мощности трансформатора
Основные параметры РТ, ва
15-50 50-150 150-300 300-1000
Магнитная индукция В, вб/м2 Плотность тока в обмот- 1,3 1,3—1,35 1,35 1,2—1,3
3,8—5 1,9—3.8 1,3—1,9 1,1 —1,3
ках р, а!мм2
Коэффициент заполнения обмотки медью kM 0,22—0,28 0,28—0,34 0,34—0,36 0,36—0,38
К- п. д. трансформатора Т] 0,5—0,8 0,8—0,9 0,9—0,93 0,93—0,95
Падение напряжения в обмотках трансформатора:
Д£/1( % 5—15 4- -5 3 4 1—3
% 10—20 8—10 6—9 2—6
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Данные магнитопроводов
Обозначение магнитопровода Размер окна b X Н, ммя Толщина набора пластин bt мм Активная площадь сечения среднего стержня Л'ст> СМ‘ Площади сечсннй стали и окна 5СТ> SOK- см* Количество пластин п, шт.
Ш20 < 12 12 2,18 24 31
16 16 2,91 32 42
20 20 3,64 40 52
25 20X50 25 4,55 50 65
32 32 5,82 64 83
40 40 7,28 80 104
50 50 9,10 100 130
Ш25Х 16 16 3,64 62,5 42
20 20 4,55 78 52
25 25 5,68 97,5 65
32 25X62,5 32 7,28 125 83
40 40 9,10 156 104
50 4 50 11,40 195 130
64 64 14,50 250 166
11132X20 20 5,82 164 52
25 25 7,28 205 65
32 32 9,32 261 83
40 32X80 40 11,65 328 104
50 50 14,56 410 130
64 64 18,63 522 166
80 80 23,29 656 208
Ш40 < 25 25 9,10 400 65
32 32 11,65 512 83
40 40 14,56 640 104
50 40Х 100 50 18,20 800 130
64 64 23,29 1025 166
80 80 29,12 1280 208
100 100 36,40 1600 260
263
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Номинальные данные обмоточных проводов круглого сечения
Номинальный диаметр проволоки по меди, мм Площадь поперечного сечения проволоки, ММг Вес 1 м медной проволоки, г Диаметр провода с изоляцией, мм
ПЭЛ ПЭВ-1 ПЭВ-2 ПБД
0,03 0,00071 0,0063 0,050 0,045 — —.
0,04 0,00126 0,0112 0,060 0,055 — —
0,05 0,00196 0,0175 0,065 0,080 — —
0,06 0,00283 0,0251 0,075 0,085 0,09 —
0,07 0,00385 0,0342 0,0842 0,095 0,10 —.
0,08 0,00503 0,0447 0,095 0,105 0,11 —.
0,09 0,00636 0,0565 0,105 0,115 0,12 —
0,10 0,00785 0,0698 0,120 0,125 0,13 — '
0,11 0,00950 0,0845 0,130 0,135 0,14 —
0,12 0,11310 0,101 0,140 0,145 0,15 —
0,13 0,01327 0,118 0,150 0,155 0,16 —
0,14 0,01539 0,137 0,160 0,165 0,17 —
0,15 0,01767 0,157 0,170 0,18 0,19 —
0,16 0,02011 0,179 0,180 0,19 0,20 —
0,17 0,02270 0,202 0,190 0,20 0,21 —
0,18 0,02545 0,226 0,200 0,21 0,22 -—
0,19 0,02835 0,252 0,210 0,22 0,23 —
0,20 0,03142 0,279 0,225 0,23 0,24 —
0,21 0,03464 0,308 0,235 0,24 0,25 —
0,23 0,04155 0,369 0,255 0,27 0,28 —
0,25 0,04909 0,436 0,275 0,29 0,30
0,27 0,05726 0,509 0,310 0,31 0,32 —
0,29 0,06605 * 0,587 0,330 0,33 0,34 —.
0,31 0,07548 0,671 0,350 0,35 0,36 —
0,33 0,08553 0,760 0,370 0,37 0,38 —
0,35 0,09621 0,855 0,390 0,39 0,41 —
0,38 0,1134 1,010 0,420 0,42 0,44 0,61
0,41 0,1320 1,180 0,450 0,45 0,47 0,64
0,44 0,1521 1,350 0,490 0,48 0,50 0,67
0,47 0,1735 1,540 0,520 0,51 0,53 0,70
0,49 0,1886 1,680 0,540 0,53 0,55 0,72
0,51 0,2043 1,820 0,560 0,56 0,58 0,74
0,53 0,2206 1,960 0,580 0,58 0,60 0,76
0,55 0,2376 2,110 0,600 0,60 0,62 0,78
0,57 0,2552 2,270 0,620 0,62 0,64 0,80
0,59 0,2734 2,430 0,640 0,64 0,66 0,82
0,62 0,3019 2,680 0,670 0,67 0,69 0,85
0,64 0,3217 2,860 0,690 0,69 0,72 0,87
0,67 0,3526 3,130 0,720 0,72 0,75 0,90
0,69 0,3739 3,320 0,740 0,74 0,77 0,92
0,72 0,4072 3,600 0,780 0,77 0,80 0,96
264
Продолжение прилож. 4
Номинальный диаметр проволоки по меди, мм Площадь поперечного сечения проволоки, мм* Вес 1 м медной проволоки, г Диаметр провода с изоляцией, мм
ПЭЛ ПЭВ-1 ПЭВ-2 ПБД
0,74 0,4301 3,820 0,800 0,80 0,83 0,98
0,77 0,4657 4,140 0,830 0,83 0,86 1,01
0,80 0,5027 4,470 0,860 0,86 0,89 1,04
0,83 0,5411 4,810 0,890 0,89 0,92 1,07
0,86 0,5809 5,160 0,920 0,92 0,95 1,10
0,90 0,6362 5,660 0,960 0,96 0,99 1,14
0,93 0,6793 6,04 0,990 0,99 1,02 1,17
0,96 0,7238 6,44 1,020 1,02 1,05 1,20
1,00 0,7854 6,98 1,070 1,08 1.Н 1,29
1,04 0,8495 7,55 1,120 1,12 1,15 1,33
1,08 0,9161 8,14 1,160 1,16 1,19 1,37
1,12 0,9852 8,76 1,20 1,20 1,23 1,41
1,16 1,0570 9,40 1,24 1,24 1,27 1,45
1,20 1,1310 10,10 1,28 1,28 1,31 1,49
1,25 1,2270 10,90 1,33 1,33 1,36 1,54
1,30 1,3270 11,80 1,38 1,38 1,41 1,59
1,35 1,4310 12,70 1,43 1,43 1,46 1,64
1,40 1,5390 13,70 1,48 1,48 1,51 1,69
1,45 1,6510 14,70 1,53 1,53 1,56 1,74
1,50 1,7670 15,70 1,58 1,58 1,61 1,79
1,56 1,9110 17,00 1,64 1,64 1,67 1,86
1,62 2,0610 18,30 1,71 1,70 1,73 1,91
1,68 2,2170 18,70 1,77 1,76 1,79 1,98
1,74 2,3780 21,10 1,83 1,82 1,85 2,04
1,81 2,5730 22,90 1,90 1,90 1,93 2,11
1,88 2,7760 24,70 1,97 1,97 2,00 2,18
1,95 2,9870 26,50 2,04 2,04 2,07 2,25
2,02 3,2050 28,50 2,12 2,11 2,14 2,32
2,10 3,4640 30,80 2,20 2,20 2,23 2,40
2,26 4,0120 35,70 2,36 2,36 2,39 2,62
2,44 4,6760 41,60 2,54 2,54 2,57 2,80
2,63 5,4330 48,30 — -— — 2,99
2,83 6,2900 55,90 — — — 3,19
3,05 7,3060 65,0 — — -—• 3,42
3,28 8,4500 75,1 •— —• — 3,65
3,53 9,7870 37,0 — — — 3,90
3,80 11,3400 10,10 — — — 4,17
4,10 13,2000 117,0 .— — — 4,47
4,50 15,9000 142,0 — — — 4,88
4,80 18,1000 161,0 — — — 5,18
5,20 21,2400 189,0 — — — 5,53
265
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Соотношения между токами и напряжениями в основных схемах выпрямления (при идеальных выпрямительных элементах) Примечание г ~ ’-5 , 71 W d с учетом намагничивающего тока U2 — напряжение между средней точкой и крайним выводом и2 — цмз-ное напряжение
Ток первичной обмотки трансформатора 11 £ -4* г* ОО 1 ю СЮ о”
Ток вторичной обмотки трансформатора /г to 00 о 00 ю о ю 00
Ток, протекающий через вентиль (среднее значение) 'в ^3 ю о' й o' со со о" сю со_ о
Амплитуда обратного напряжения иа вентиле ^обр. max 115 гэ-. — со --II и 5 СМ СО оо сч II Н5 5^. -Ml И5 5S сч’ II 11 5S СЧ ||
Амплитудное значение выпрямленного напряжения U d max CJ гэ 5 5 м СЧ
Среднее значение выпрямленного напряжения ud с >О О с-1 о О tN О о 5 С1 сч
Типовая мощность трансформатора X <о^ ^'5 4-х со 5 00 5 СЮ см 5 ю СО LT С
Схема выпрямления Однофазная одно- i Однофазная двух-полупериодная со средней точкой трансформатора Однофазная двух-ПАТТГПСПилПио П 1 к ’ 03 н о Трехфазная одно- | полупериодная с ну- | левым выводом Трехфазная двух-полупериодная мостовая
266

ПРИЛОЖЕНИЕ 6
ПРИМЕР РАСЧЕТА ФИЛЬТРА
Рассчитать Г-образпый РС-фильтр для выпрямителя, выполненного по двух-полупериодной схеме (р = 2) при частоте тока сети 50 гц. Напряжение на выходе фильтра должно составлять 300 в при токе нагрузки 25 ма. Коэффициент пульсации на входе фильтра kn. вх = 6%, kn. Вых — 0,5%.
1. Определим сопротивление нагрузки
2. Принимаем сопротивление резистора фильтра включенного последовательно с нагрузкой, равным /?ф = 0,25/?
/?ф = 0,25/? = 3- 103 ом.
По каталогу выбираем резистор ОМЛТ сопротивлением 3,3 ± 10% ком. Мощность, рассеиваемая в резисторе, равна ДР = (25- 10~3 о)2- 3,3- 1,1 103 ом = 2,27 вт. При использовании резисторов ОМЛТ предельная мощность резистора составляет 2 вт. Поэтому выбираем окончательно два резистора по 6,8 ком, 2 вт каждый, соединение параллельное, /?ф = 6,8/2 =3,4 ком.
3. Определим требуемый коэффициент фильтрации:
&п. вх _ 6 _
^п. вых 0,5 4
4. Емкость фильтра находим по формуле для f = 50 гц:
С — 3200
Рф (/?ф /?)
р/?ф/?
для f — 400 гц
с = 400
р/?ф/?
где емкость в микрофарадах, а сопротивление в омах. Для нашего случая
с“32<ю!Игиг-8’2
5. Напряжение на входе фильтра (равное напряжению холостого хода выпрямителя) равно: ,
Ue = 300 + 25- 10'3- 3,4- 103 = 385 в.
Выбираем конденсатор типа К-50-ЗБ емкостью 10 мкф на напряжение 450 в (допустимое значение амплитуды переменной составляющей 7,7%). Это допустимо, так как пульсация на выходе 0,5%.
267
ПРИЛОЖЕНИЕ 7
Параметры германиевых и кремниевых диодов при <окр = 20-=-50°С
Тип диода Наибольшая амплитуда обратного напряжения, в Наибольший выпрямительный ток (среднее значение), а Обратный ток при наибольшем обратном напряжении, ма Падение напряжения в прямом направлении при наибольшем токе, в
Германиевые диоды
Д7Б 100 0,3 0,3 0,5
Д7В 150 0,3 0,3 0,5
Д7Г 200 0,3 0,3 0,5
Д7Д 300 0,3 0,3 0,5
Д7Е 350 0,3 0,3 0,5
Д7Ж 400 0,3 0,3 0,5
Кремниевые диоды
Д202 100 0,4 0,5 1,0
Д203 200 0,4 0,5 1.0
Д204 300 0,4 0,5 1,0
Д205 400 0,4 0,5 1,0
Д206 100 0,1 0,05 1,0
Д207 200 0,1 0,05 1,0
Д208 300 0,1 0,05 1,0
Д209 400 0,1 0,05 1,0
Д210 500 0,1 0,05 1,0
Д211 600 0,1 0,05 1,0
Д214 100 10 3,0 1,25
Д214А 100 10 3,0 1,0
Д214Б 100 5 3,0 1,5
Д215 200 10 3,0 1,25
Д215Л 200 10 3,0 1,0
Д215Б 200 5 3,0 1,5
Д217 800 0,1 0,05 0,7
Д218 100 0,1 0,05 0,7
Д226 400 0,3 0,03 1,0
Д226А 300 0,3 0,03 1,0
Д226Б 400 0,3 0,1 1,0
Д226В 300 0,3 0,1 1,0
Д226Г 200 0,3 0,1 1,0
Д226Д 100 0,3 0,1 1,0
Д226Е 200 0,3 0,03 1,0
Д229А 200 0,4 0,05 1,0
Д229Б 400 0,4 0,05 1,0
Д237А 200 0,3 0,05 1,0
Д237Б 400 0,3 0,05 1,0
Д237В 600 0,1 3,0 1,0
Д242 100 5 3,0 1,0
Д242А 100 10 3,0 1,о
Д242Б 100 2 3,0 1,0
Д243 200 5 З.о 1,0
Д243А 200 10 3,0 1,0
Д243Б 200 2 3,0 1,0
Д245А 300 10 3,0 1,25
Д245 300 10 3,0 1,0
Д246А 400 10 3,0 1,25
268
Продолжение прилож. 7
Тип диода Наибольшая амплитуда обратного напряжения, в Наибольший выпрямительный ток (среднее значение), а Обратный ток при наибольшем обратном напряжении, ма Падение напряжения в прямом направлении при наибольшем токе, в
Д246 400 10 3,0 1,0
Д246Б 400 5 3,0 1.0
Д247 500 10 3,0 1,0
Д247Б 500 5 3,0 1,0
Д248Б 600 5 3,0 1,0
2Д201А 100 5 3,0 1,0
2Д201Б 100 10 3,0 1,0
2Д201В 200 5 3,0 1,0
2Д201Г 200 10 3,0 1,0
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
Параметры кремниевых стабилитронов при #окр = 20 ±5° С
Тип стабилитрона Напряжение стабилизации, в Ток стабилизации*, ма Динамическое сопротивление, ом Температурный коэффициент напряжения, мв/град Мощность, рассеиваемая прибором, вт
Д808 (Д814А) 7—8,5 1—33 (1-40) 6 +6 280 (340)
Д809 (Д814Б) 8—9,5 1—29 (1—36) 10 + 7,6 280 (340)
Д810 (Д814В) 9—10,5 1 26 (1—32) 12 1 9,5 280 (340)
Д811 (Д814Г) 10—12 1 -23 (1—29) 15 (- 11,4 280 (340)
Д813 (Д814Д) 11,5—14 1—20 (1—24) 18 Ч 13,3 280 (340)
Д815А 5,05—6,15 —. — — —
Д815Б 6,1—7,5 — — — —
Д815В 7,38—9,03 —. — — —
Д815Г 9—11 — — — —
Д815Д 10,8—13,2 — — — —
Д815Е 13,5—16,5 — — — —
Д815Ж 16,2—19,8 — — — —
Д816А 19,8—24,2 — —. — —
Д816Б 22,6—26,4 — — — —
Д816В 29,7—36,3 — — — —
Д816Г 35,1—42,9 —- — — —.
Д816Д 42,3-51,7 — — — —
Д817А 50,4—61,6 5—81 35 — —
Д817Б 62,2—74,8 5—67 40 — —
Д817В 74—80 5—55 45 — —
Д817Г 90-110 5- 45 50 — —
Д818А 9-10,35 3—33 18 + 1,8 300
Д818Б 7,65-9 3—33 18 —1,8 300
Д818В 8,1— 9,9 3—33 18 ±0,9 300
Д818Г 8,55—9,45 3—33 18 ±0,45 300
Д818Д 8,55—9,45 3—33 18 ±0,18 300
Д818Е 8,55—9,45 3—33 18 ±0,09 300
* Динамическое сопротивление указано при токах стабилизации: 5 ма для
Д808—Д814, 10 ма для Д818, 1000 ма для Д815 А—Д815В, 500 jug для Д81. 150 ма для Д816А—Д816Д и 50 ма для Д817А—Д817Г. .Г-Д815Ж.
269
ПРИЛОЖЕНИЕ У
Электрические параметры германиевых транзисторов, используемых в стабилизаторах напряжения при /окр = 20 ±5° С
Тип транзистора Наибольшее напряжение на участке коллектор— эмиттер, в Наибольший ток коллектора, L а Наибольшая мощность, рассеиваемая прибором, вт Коэффициент усиления по току Обратный ток коллектора, ма Тепловое сопротивление транзистора, град/вт
без дополнительного радиатора С дополнительным радиатором
МП10А 30 0,02 0,15 15 0,03 200
МП14А 20 0,02 0,15 — 20 0,03 200
МП 15 15 0,02 0,15 — 30 0,03 200
МП15А 15 0,02 0,15 — 50 0,03 200
П16 15 0,05 0,2 — 20 0,05 200
П20 30 0,05 0,15 — 50 0,05 330
П21 35 0,05 0,15 — 20 0,05 330
МП25 СО 0,02 0,2 — 10 0,15 200
МП25А 60 0,02 0,2 — 20 0,15 200
МП26 100 0,02 0,2 — 10 0,15 200
МП26А 100 0,02 0,2 — 20 0,15 200
П201АЭ 30 1,5 1,0 10 40 0,4 3,5
П210А 65 12,0 1,5 60 20 8,0 1
П213 30 5,0 — 11,5 20 0,15 3,5
П214 45 5,0 — 10 20 0,3 4
П215 60 5,0 — 10 20 0,3 4
П216 30 7,5 — 30 18 0,5 2
П217 45 7,5 — 30 15 0,5 2
П605 45 1,0 0,5 3,0 20 2,0 —
П608 15 0,2 — 1.5 20 0,1 —
ГТ308А 15 0,05 0,15 — 15 0,001 250
ГТ403А 30 1,25 0,60 1,0 20 0,05 15*
ГТ403В 45 1,25 0,60 1,0 20 0,05 12 *
ГТ403Д 45 1,25 0,60 1,0 50 0,05 15*
ГТ403И 60 1,25 0,60 1,0 50 0,07 15*
П4АЭ, МП4А 50 5,0 2,0 15 5,0 0,5 2
* Тепловое сопротивление между переходом и теплоотводом; без теплоотвода тепловое сопротивление равно 100 град}вт. 4
270
Продолжение прилож. 9
Тип транзистора Наибольшее напряжение иа участке коллек-тор — эмиттер, в Наибольший ток коллектора. а Наибольшая мощность, рассеиваемая прибором. вт Коэффициент усиления по току Обратный ток коллектора, ма Тепловое сопротивление транзистора, град/вт
без дополнительного радиатора с дополнительным радиатором
П4БЭ, МП4Б 60 5,0 3,0 20 15—40 0,4 2
П4БЭ, МП4В 35 5,0 3,0 20 10 0,4 2
П41ГЭ, МП4Г 50 5,0 3,0 20 15—30 0,4 2
П4ДЭ, МП4Д 50 5,0 3,0 20 30 0,4 2
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
Электрические параметры кремниевых транзисторов, используемых в стабилизаторах напряжения при /Окр = 20±5°С
Гил транзистора Наибольшее напряжение на участке коллектор— эмиттер, в Наибольший ток коллектора, а Наибольшая мощность, рассеиваемая прибором, в т Коэффициент усиления по току, не менее Обратный ток коллектора, ма Тепловое * сопротивление транзистора , град[вт
без дополнительного радиатора с дополнительным радиатором
МП101 20 0,02 0,15 — 10 0,003 500
МП102 10 0,02 0,15 — 15 0,003 500
МП 104 60 0,01 0,15 — 9 0,001 500
МП 105 30 0,01 0,15 — 9 0,001 500
МП 106 60 0,4 — 10 7 0,1 10
П306А 80 0,4 — 10 5 0,1 10
П307 80 0,03 0,25 — 16 0,003 500
П308 120 0,015 0,25 — 16 0,0035 500
П701Л 60 0,5 1,0 10 10 0,001 10
П702 60 2,0 4,0 40 25 5,0 2,5
П702Л 60 2,0 4,0 40 10 2,5 2,5
2Т301В 30 0,01 0,15 — 20 0,04 600
КТ801А 80 2,0 — 5 17 10 20
КТ802А 150 5,0 — 50 15 60 2,5
271
ПРИЛОЖЕНИЕ 11
Параметры тиристоров
Тип тиристора Максимально допускаемое прямое напряжение, в Максимально допускаемое обратное напряжение, в Наибольший (номинальный) прямой средний ток открытого тиристора, а Наибольшая рассеиваемая мощность, вт Остаточное напряжение, в Амплитуда включающего тока управляющего электрода, а Время включения не более, мксек Время выключения, не более, мксек Максимальная температура окружающей среды, град
КУЮ1А КУЮ1Б КУЮ1Г КУ101Е КУ201Л КУ201Б КУ201В КУ201Г КУ201Д КУ201Е КУ201Ж КУ201И КУ201К КУ201Л Д235А Д235Б Д235В Д235Г Д238А Д238Б Д238В КУ202Л КУ202Б КУ202В КУ202Г КУ202Д КУ 202 Е КУ202Ж КУ20211 КУ202К КУ202Д КУ202М КУ202Н ВКДУ ВКДУ25 ВКДУ50 вкдуюо ВКДУ 150 • п *• п п *•** г 50 50 80 150 25 25 50 50 100 100 200 200 300 300 40 100 40 100 50 100 150 25 25 50 50 100 100 200 200 300 300 400 400 50— 1000 50— 1000 50— 1000 500— 1000 ри темг ри темг ри темг рн темг 10 50 80 150 25 50 100 100 300 40 80 2 25 50 100 200 300 400 50 4000 50— 1000 50— 1000 50— 100 ературе ературе ературе ературе 0,075 * 0,15* 2,5 15 (пост) 2 35 85
2 ** 4 ** 2 350 150 10 5 35 100
IQ *** 20 *** 2 1 2 850 10
IQ **** 10 ** 20 **** 25 *** 50 *** 100 *** 150 *** окружаю» корпуса д корпуса д корпуса д 20 ** (ей среды л о 70е С, о 40” С. о 50° С. 2 0,8 1,25 0,9 0,75 о 40” С 300 50 150 70
2000 20 70 Д-110
272
ПРИЛОЖЕНИЕ 12
Таблица паспортных данных некоторых типов реле
Тип реле Номинальное напряжение или ток Сопротивление, ом Число витков Диаметр проволоки, мм Ток срабатывания, ма Ток отпускания, ма
РЭС8 24 в 160 2 700 0,14 86
РЭС8 24 » 180 2 900 0,14 80 —
РЭС8 ПО » 2100 8 300 0,07 28 —
РЭС8 23 ма 3500 11 000 0,06 20 —
РЭС8 17 » 8000 17 000 0,05 13 —
РЭС9 6±1 в 30 1 400 0,13 108 18
РЭС9 >10 » 72 1 800 0,10 80 13
РЭС9 23 -32 » 500 4 600 0,06 30 5
РЭС9 13,5 ма 3400 13 000 0,04 11 1,7
РЭС9 8,3 » 9600 21 000 0,03 7 1,1
РЭС10 5,5 в 45 1 100 0,10 80
РЭС10 9,0 » 120 1 800 0,08 50 —
РЭС10 24 » 630 4 000 0,05 22 —
РЭС10 12 ма 1600 6 500 0,04 9,5 —
РЭС10 9,5 » 4500 11 000 0,03 8 —.
РЭС10 7 » 4500 11 000 0,03 6 —
РЭС15 . 73 85 ма 36 890 0,10 60 14
РЭС15 39—46 » 160 1 700 0,06 30 7
РЭС15 27—33 » 330 2 400 0,05 21 5
РЭС15 19—22 » 720 3 500 0,04 14,5 3,5
РЭС15 11—13 » 2200 6 000 0,03 8,5 2
РЭС22 12 в± 10% 175 3 400 0,10 36 8
РЭС22 24 »± 10 » 650 6 200 0,07 20 4
РЭС22 30 »± 10 » 700 6 200 0,07 21 3
РЭС22 48 »±10 » 2500 11 500 0,05 10,5 2,5
РЭС22 60 »± 10 » 2800 11 500 0,05 9 2
РДЧГ 130 6 000 0,17 8
РДЧГ — 2100 22 000 0,08 2 0,6
РМУ 27 в 430 6 150 0,11 38 8,5
РМУ 27 » 680 8 000 0,10 23 5,0
РМУ 60 » 3500 17 000 0,07 12 —
РМУ 60 » 5000 20 000 0,06 8 —
РМУ 60 » 5600 22 0Э0 0,06 8 1,5
18 Б Г. Самойлов
273
1— 1 N 1— Е ТКЕ21ПД ТКЕ52ПД ТКЕ53ПД ТКЕ56ПД Тип реле
ND О W ND — Количество переключающих контактов
О СЛ СЛ СП ND и <н/ мох и й О’ я Е S: I 3 3
— к- р р р о СО О 00 СЛ в Мощь 6П
СЛ Р ND 00 О 05 О СЛ ъ S о з О’
4b.4i.QDND — О СЛ СО -Ч СО to —j
Д Ф 4^ Ф IO 00 00 ND ND СО г- СА ПЗ •о X
о СП СЛ 4» £ № СО — СЛ О + + + + “ 00 ~~1 -ч ~-1 СЛ н + h Е fe fe
4^ QP СЛ ND О р р „4* 05 О 05 £ Объем V,
О 4* ND СО СО О О О О СЛ
РП5 (Г W W ND ND ND ООО РЭН18 РЭН18 РЭН18 1-^ ДП12 РПС20 Тип реле
1 24 127 220 ND ND — Ф- 4^ ND — СО СО СО ND ND О О О О 4* 4* ND ND ND ND ND X и Ь □ Я w Н v “ 2 ф = -S'
1—1 200 СО СП о о •— О О W О СО — ООО ООО OND-- О О 4»- О СЛ ND О О О О О О оо о оо о CO CO co co о о о о о о о о ►—( О о оо о о о Сопротивление, ом
1 200 о о nd ООО ООО 4*. СО СП 40-ООО ООО 4*. ND — — — СО СО 00 ND — 4 Си Сл О О ND — о о о о о о о о о о о о 4 000 4 000 4 000 4 000 4 000 4 000 Число витков
р н— 0,35 0,14 0,11 0,25 0,17 0,13 рррррр О — *— — — ND -ч] О ND — О О 01‘0 01*0 0Г0 ОГО рр О О СИСЛ Диаметр проволоки, мм
1—4 о •— О О 00 » %? сь — СЛ О о о сл — ND ND -N j4 00 4*. О 00 СЛ СЛ СО ОО 00 00 V « V сь 00 00 5# О> Ток срабатывания, ма
1 1 1 1 1 1 II II 10 в 10 » 10 » 10 » оор о о v еь Ток отпускания, ма
Продолжение прилож. 12
ПРИЛОЖЕНИЕ 14
Судовые дизель-генераторы
Ди з ель-генератор Дизель Генератор
Полная мощность, кет । s Г абариты, ММ О
Тип Скорость вра щения, об]ми длина ширина высота Вес, кг Тнп Мощность, л. Удельный рас ход топлива. г/э. л. с.-ч Срок службы д первой разборки, ч Тип Напряжение, е
ДГ-12/1-1 12 1500 1675 612 1080 775 24 10.5—1 13 12 235 2500 МСА-72-4 230 400
ДГ-25—2 25 1500 2275 670 1150 1 300 , 10,5—2 4г 13 40 235 2500 ПН-205* 115/230
МС-82-4 400
ДГ-50—9 ДГ-75-2 50 72 1500 1500 2390 3455 865 803 1302 1305 2 000 1 500 К-150 К-559 80 80 195 195 2500 2500 МСК-83-4с ЕС-93-4с 230/400 400
У07 У08 100 1500 8520 1020 1325 3 200 7Д6-150 150 185 3000 МС-117-4 230/400
200 1500 3735 1280 1502 4 530 7Д12 300 175 2000 МС-128-4 230/400
Д ГТ-200-1 200 500 5212 1370 2345 12 650 300 175 3000 МС-250-500 230/400
ДГ-224 224 750 5100 1400 2190 9 900 64 я 330 175 5000 МС-375-750 230/400
СДГ-23Б 270 300 6380 1970 3300 26 500 4ДЯ2 400 175 3000 МС-117-4 230/400
ДГР-300/500-1 300 500 5360 1750 2600 16 350 6ЧН| 450 165 3000 МСС-375-500А 230/240
6Д50 600 750 5604 1550 2478 22 390 6Д—50 1000 182 3000 МС99-8/8 400
Все генераторы переменного тока частотой 50 гц, генератор ПН-205 — постоянного тока.
275
Основные характеристики циф
• Типы машин Система представляемых чисел Диапазон представляемых чисел Число ’разрядов Емкость запоминающего
опера тивного магнитного
БЭСМ-1 Двоичная, с пла- 10~1В—10+1в 39 1023 fl 5 120
БЭСМ-2 вающей запятой. IO18—1O+1S 39 2048 2X5 120
«Стрела» трехадресная 10 18~ 10+19 43 2048 3X150 000
«Урал-2» Двоичная, с пла- 10 1®—10+1э 40 2048 8 192
«Урал-4» вающей и фиксиро- 10-1»— Ю+19 40 2048 16 384
«Минск-1» ванной запятой, одноадресная Двоичная, с фи к- ±(1—230) 31 1024
«Ми пек-2» сированной запятой. 10±’« 37 — 40 000
«Киев» двухадресная Двоичная, с фи к- ±(1—2)30 41 1024 9 864
«Сетунь» сированпой запятой (допускается с плавающей), трехадресная Троичная, с фик- 6 десятичных 18 162 36' 54
«Днепр» сированной запятой, одноадресная Двоичная, с фик- разрядов То же 26 4X512
«Раздан-2» сированной запятой, двухадресная Двоичная, с пла- От ± 10® 38 2048
«Наири» вающей запятой Двоичная, с фик- до ± 10 18 38 1024 16 384
«Проминь-М» сированной запятой (допускается с плавающей), двухадресная Двоичная-десятичная, с плавающей запятой, одноадресная 10 ®—10+® 5 десятичных 26 двоичных 160
276
ПРИЛОЖЕНИЕ 15
ровых вычислительных машин
устройства Среднее число операций в сек, Вывод результата, строк в мин Потребляемая мощность, ква Занимаемая площадь, Л2 Количество, шт.
магнитной ленты перфолента перфокарта ламп полупроводников
4X30 000 7 000 —8 000 100 100 75 4000
4X30 000 8 000 -10 000 20 20 75 100170 4000 5 000
2Х 1 256 2 000—3 000 — 20 150 200—300 8000 60 000
100 000 5 000—6 000 20 150 25—30 100 2500 14 000
5-10-6 9 000—10 000 (с фиксированной запятой) 5 000—6 000 (с плавающей запятой) 10 40—60 350
64 000 2 000—3 000 — 20 14 40 800 51
5 000—6 000 — 20 3—4 40—50 — —
10 000 10 000 100 150 25 64 — —
5 500 сложный, 3 000 умноженный 7 — 3 3 — __
1 000 — — 1,5 50 На транзисторах
120 000 5 000 — 20 3 30 — —
1 500 —2 000 7 — 1,6 Стол 2014Х Х1100Х Х960, блок 1100Х657Х Х1026 — —
1 000 сложный, 100 умноженный 7 — 0,5 15 На феррит-транзисторах
277

В
§

Габаритные размеры, см, или зани маемая площадь, м 217Х 100Х 118 200 X 40 700 Х80Х 120 120Х41Х ПО 120X41X71 120Х41Х 100 68Х50Х 100 68X50X54 350X300X300 1 0,5 О со Более 40
, л \о к ь О W О CXS ° g Ь Ф S g о ск & Кчо S # СМ ш НО 0,85 0,9 0,76 0,35 90*0 1 0,74 25 кет У
Блок । запаздывания 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ф 1 ф со
Блок умножения-деления 1 1 1 1 1 1 — 1 ф ф (М Q Ю
х i о " Э-& И Е <U О S X i яохнаиН ю см ОО СО 1 1 1 1 1 1 ф 1 см СМ
Блок нелинейности 1 1 1 1 1 — —* 1 ф ф о О СМ
Инвертирующие усилители см 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 о см
& . S ® К S S о S 3 ь Ор> со 1 см со 1 1 1 1 1 1 1 1 ф о СО
Интегрирующие усилители о СП о о СО г- со СО 1 ф см со см со о см
Sg£« Ю К § СУ о ₽ СМ СО со о см см Ф см см 1 СО Ф СО 400 354

Тип устройства ИПТ-2 ю С S СП с см >> ео >> СП >> СП LO >> СП СО >> 3? СП оо >> ё. СП о >> S СП £ 00 £ ё. £
278
ПРИЛОЖЕНИЕ 17
Пример расчета надежности стабилизированного источника питания
Для расчета полагаем, что все элементы схемы включены последовательно и отказ хотя бы одного элемента является причиной неисправности источника питания в целом. Кроме того, будем считать, что резисторы, конденсаторы и полупроводниковые приборы работают в облегченных режимах, которым соответствует минимальная интенсивность отказов Хтш- В других режимах работы могут быть взяты другие X.
Решение ведем следующим образом.
I. На основании данных приложения 18 находим /-характеристики для каждого из элементов схемы, изображенной на рис. 173.
2. Составим таблицу, в которой сгруппируем /-характеристики элементов схемы.
3. Найдем суммарную интенсивность отказов
Х2 = ntki = 2 3 4 *>264 ’,0'6 * V«-
При нахождении суммарной интенсивности отказов для всех элементов и радиокомпонентов, входящих в устройство электроавтоматики, ее величину необходимо умножить на поправочный коэффициент а, который для береговой аппаратуры составляет 10, для судовой 30, для авиационной 200.
Коэффициент а учитывает влияние различных условий окружающей среды на работу устройств и их надежность.
Принимая, что источник питания предназначен для работы в составе судовой аппаратуры, найденную по таблице величину умножаем на соответствующий коэффициент а:
Xo6m = «/S =30-3,264 10'6 = 9,792-Ю-8 1/ч.
4. Вероятность безотказной работы источника питания за 1000 ч работы
Р (/) = е-9,792-10’2 = о эд
В данном примере приведена лишь схема расчета, при проведении практического
расчета схема расчета может быть уточнена.
279
Данные ^-характеристик
Наименование элементов (по рис. 173) 1/4 Кол ичество однотипных элементов п nl-10-б 1/«
Выключатель В 0,06 1 0,06
Предохранитель Пр 0,5 1 0,5
Диод Д214А 0,002 4 0,008
Силовой трансформатор Тр 0,5 1 0,5
Дроссель Др Транзисторы: 0,34 0,6 1 0,34
германиевые П209, П4Д 2 1,2 «
кремниевые П102 0,27 2 0,54
Стабилитрон Д808 0,08 1 0,08
Потенциометр R3 0,018 1 0,018
Резисторы типа МЛ Г Rt, R2, 0,004 3 0,012
Конденсаторы электролитические и С2 0,003 2 0,006
Итого: = 3,264
ПРИЛОЖЕНИЕ 18
^-характеристики отдельных элементов автоматики
Наименование элементов К- 10-». 1/«
\111П Кср \лах
Электронные лампы 1—2 2 5 3—7
Диоды полупроводниковые: германиевые 0,002 0,157 0,678
кремниевые 0,0021 0,2 0,452
Транзисторы общего применения: германиевые 0,6 0,9 1,9
кремниевые 0,27 0,5 1,44
Магнитные усилители 0.002 0,09 0,9
Дроссели: общего применения 0,07 0,34 2,22
с насыщением 0,12 0,14 0,32
Конденсаторы: бумажные: Краб 600 в 0,01 0,025 0,04
О раб > 600 » 0,008 0,09 0,235
керамические 0,042 0,15 1,64
слюдяные 0,005 0,075 0,132
электролитические 0,003 0,035 0,513
Резисторы постоянные: металлопленочные 0,04 0,04 0,4
проволочные 0,046 0,087 0,197
постоянные угольные пленочные 0,005 0,045 0,888
280
Продолжение прилож. 18
Наименование элементов Х10~“, 1,ч
\nin Хср \iiax
Стабилитроны: газонаполненные кремниевые Термисторы Логические элементы Зажимы, клеммы Переключатели общего применения 11отенциометры 11редохранители Разъемы штепсельные общего применения Регуляторы напряжения Реле общего применения Реостаты Панели электронных ламп Провода монтажные Трансформаторы силовые: средних напряжений высоких » 0,13 0,08 0,2 0,01 0,0003 0,009 0,018 0,3 0,001 0,37 0,1 0,07 0,002 0,008 0,03 0,4 0,35 0,15 0,6 0,075 0,0005 0,05 3,0 0,5 0,005 8,82 0,25 0,13 0,005 0,015 0,5 0,94 7,1 0,3 1,4 0,1 0,0009 1,14 15,8 0,8 0,11 13,16 0,48 0,19 0,009 0,12 1,7 1,88
Примечания. 1. Численные значения ^-характеристик взяты из опубликованных материалов симпозиумов США за 1962—1964 гг. и из книги В. И. Доменникова и JI. М. Казанского «Стабилизированные источники электропитания судовой радиоэлектронной аппаратуры». Л., «Судостроение», 1971.
2. Для коммутационных элементов и штепсельных разъемов приведенные Х-ха-рактсристнки относятся к одному рабочему контакту.
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Васильев Д. В., Михайлов В. Л., Н орневский Б. И. Автоматизация судовых установок. Л., «Судостроение», 1965.
2. В и т ю к К. Т. и др. Автоматическое управление судовыми электроприводами и установками. М., «Транспорт», 1968.
3. Г а л и ч II. И. Судовые электрические установки управления. Л., Суд-промгиз, 1962.
4. Г и н з б у р г С. А. и др. Основы автоматики и телемеханики. М., «Энергия», 1969.
5. Гликин Б. А., Я в о р с к и й А. Г. Автоматизация судовых электроэнергетических установок. М., «Транспорт», 1966.
6. Константинов В. Н. Синхронизация судовых синхронных генераторов. Л., «Судостроение», 1965.
7. К у т а с и н Б. П. Современные системы судовой автоматики. М., «Транспорт», 1964
8. Л е й к и н В. С. Судовые электрические станции и сети. М., «Транспорт», 1966.
9. Мещанинов П. А. Автоматизация судовых электроэнергетических систем. Л., «Судостроение», 1970.
10. М и х а й л о в В. А., Н о р н е в с к и й Б. И. Автоматизация судовых электрических станций. Л., «Судостроение», 1966.
И. Фрейдзон И. Р. Судовые автоматизированные электроприводы и системы. Л., «Судостроение», 1967.
12. Хомяков Н. М., Денисов В. В., М е щ а н и н о в П. А. Судовые электроэнергетические установки. Л., «Судостроение», 1966.
Дополнительная
13. Азовцев А. А. Перспективы комплексной автоматизации судовых электроэнергетических систем. — «Судостроение», 1964, № 9.
14. А р т е м е н к о В. А., Котовщик ов А. Я., Токарев Л. Н. Автоматическая подгонка частот судовых агрегатов переменного тока. — «Судовая элек тротехника и связь», вып. 32, Л., 1967.
15. Б а л а ш о в М. А. и др. Электронные и полупроводниковые устройства систем автоматического управления. М., «Машиностроение», 1966.
16. Б р а с л а в с к и й М. И. Судовые дизель-генераторы малой мощности. Л , «Судостроение», 1968.
17. Б е р е з и н Л. И., Любченко И. У. Микроэлектроника в судовом приборостроении.—«Судостроение», 1971, № 6.
282
18. Веретенников Л. П. и др. Моделирование, вычислительная техника и переходные процессы в судовых электроэнергетических системах. Л., «Судостроение», 1964.
19. Виноградова А. И. и др. Исследование переходных процессов элек-троэнергических систем с помощью вычислительных машин. — «Судостроение», 1966, № 3.
20. В и т е н б е р г М. И. Расчет электромагнитных реле для аппаратуры автоматики и связи. М.—Л., «Энергия», 1966.
21. Г и т и с Э. И. Автоматика радиоустановок. М , «Энергия», 1964.
22. Г о л ы ш ев Л. К. Электронные цифровые вычислительные машины. Киев, «Техника», 1965.
23. Д е м ч е н к о О. П., Константинов В. Н., Шеремет В. П. Системы управления СЭУ, построенные на унифицированных устройствах. — «Судостроение», 1967, № 1
24. И з а к М. Д., Антонов В. Н. Система дистанционного автоматизированного управления приводом судового генератора. — «Судостроение», 1966, № 11.
25. И з а к М. Д., С а м о й л о в В Г. Руководство по дипломному проектированию по специальности «Судовая автоматика» для средних учебных заведений. Л., «Судостроение», 1971.
26. Константинов В. Н., Максимов М. К- Система дистанционного автоматизированного управления дизелем 7Д 12. — «Судостроение», 1963, № 1.
27. Константинов В. Н., Варлинский А. И. Система автоматизированного дистанционного управления лесовоза «Вытегралес». —«Судостроение», 1964, № 1.
28. Константинов В. Н., Словцова Т. Б., Токарев Л. Н. Устройства автоматического включения резерва и разгрузки генераторов. — «Судостроение», 1964, № 3.
29. Константинов В. Н. Опыт эксплуатации устройства автоматической синхронизации типа УСГ-1П.—Сб. «Судовая электротехника и связь», вып 32, Л., 1967.
30. К о н с т а н т и н о в В. Н. Пути дальнейшей автоматизации судовых электроэнергетических установок. — «Судостроение», 1967, Ns 12.
31. Ковалев Ф. И. и др. Судовые статические (полупроводниковые) преобразователи Л , «Судостроение», 1965.
32. К у т а с и н Б. И. Судовая электроавтоматика. М., «Морской транспорт», 1962.
33. Лебеденко Г. П., Л о б ж а н и д з е М. П., Самойлов В. Г., Чистяков Е. Ф. К разработке программ автоматического пуска судовых электроэнергетических систем. Сб. статей по автоматическому управлению техническими средствами судна, вып. 4. Л., «Судостроение», 1970.
34. Л е в и н Н. Б., П о д г а й н ы й В. К- Автоматика. М., Оборонгиз, 1964.
35 Максименко Т. Т. Основы автоматики и телемеханики. Алма-Ата, «Казахстан», 1965.'|
36. М а р к о в А. Е. К вопросу включения турбогенераторов частотой 50 гц на параллельную работу способом грубой синхронизации. — Труды ЦНИИ им. А. Н. Крылова, вып. 223. Л., «Судостроение», 1965.
37. М е л е ш к и н Г. А. Судовые синхронные генераторы с саморегулированием напряжения. М., «Морской транспорт», 1962.
38. Михайлов А. Ф. и др. Электроснабжение устройств автоматики, телемеханики и связи железнодорожного транспорта. М., «Транспорт», 1967.
39. О б у х о в В. И. Теория элементов автоматики. М., «Наука», 1968.
40. Основные понятия автоматики. Терминология. АН СССР, вып. 71, М., «Наука», 1966.
41. П а в л о в В. В. Полупроводниковые управляющие устройства для судовых атомных установок. Л., Судпромгиз, 1964.
42. Регистр СССР. Правила классификации и постройки морских судов. Часть III, Электрооборудование. М., «Морской транспорт», 1960.
43. Р у д е р м а н 3. С., С м и р н о в А. Н., Токарев Л Н. Опыт наладки и эксплуатации системы автоматического управления электростанцией тун-целовного судна. —«Судостроение», 1967, № 4.
283
44. Рудсрман 3. С., К о н р а д и Л. Г., Д а т л и и Ю. Н. Новый при бор непрерывного контроля сопротивления изоляции судовой сети. —«Судостроение», 1970, № 6.
45. Самойлов В. Г. Определение некоторых параметров асинхронных электродвигателей. Научно-производственный опыт. Л., Судпромгиз, 1957.
46. Самойлов В. Г. Система автоматического управления и контроля. — Сб. статей по иностранному судостроению, № 136. Л., «Судостроение», 1965.
47. С а м о й л о в В. Г., X о с и д о в 3. К- Применение бесконтактных автоматических выключателей для цепей электропитания систем судовой автоматики. Сб. «Электрические устройства судовой автоматики», вып. 8, Л., «Судостроение», 1970.
48. Справочник электромеханика и электрика судна. Составитель В. И. Соломатин. М., «Речной транспорт», 1963.
49. Т а г а н о в С. И. Инженерные расчеты переходных процессов в судовых электростанциях. Л., «Судостроение», 1970.
50. Токарев Л. Н. Устройство автоматического распределения активной нагрузки судовых синхронных генераторов. — «Судостроение», 1963, № 5.
51. Т р а п е р Е. II. и др. Электрооборудование головного танкера. — «Судостроение», 1968, № 10.
52. Шеремет В. П. Унифицированное устройство автоматического распределения активной мощности на полупроводниковых элементах. «Судостроение», 1966, № 7.
53. Я к о в л е в Г. С. Судовые электроэнергетические системы. Л., «Судостроение», 1967.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ... . . 3
Введение.......................................... 5
§ 1. Краткий обзор развития автоматизации судовых электроустановок ................................. —
§ 2. Понятие о системах автоматизации судовых электроустановок ..................................... 8
§ 3. Основные направления и задачи автоматизации 11
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ
ГЛАВА I Функции и общие характеристики элементов автоматики 17
§ 4. Общие сведения........................ ... —
§ 5. Характеристики элементов автоматики ... 18
§ 6. Особенности эксплуатации средств автоматизации
в судовых условиях ... ... 22
§ 7. Микроминиатюризация ... 23
ГЛАВА 1। Чувствительные элементы 26
§ 8. Общие сведения . . . —
§ 9. Контактные элементы . . 28
§ 10. Потенциометрические элементы . . —
§ 11. Емкостные и индуктивные элементы 30
§ 12. Электротепловые элементы .................. 34
§ 13. Контактные и бесконтактные сельсины 37
§ 14. Вращающиеся трансформаторы . . 40
§ 15. Фотоэлементы............................... 42
ГЛАВА HI Преобразовательные элементы 46
§ 16. Общие сведения ............................. —
§ 17. Выпрямители и инверторы ................... 48
§ 18. Транзисторные и тиристорные преобразователи 51
§ 19. Фазочувствительные устройства 56
§ 20. Стабилизаторы напряжения 58
§ 21. Модуляторы................................. 63
§ 22. Триггеры................................... 64
§ 23. Бесконтактные логические элементы.......... 68
285
ГЛАВА IV Усилительные элементы 71
ГЛАВА V § 24. Общие сведения § 25. Транзисторные и тиристорные усилители § 26. Магнитные усилители § 27. Электромашинные усилители Корректирующие средства 72 78 85 92
ГЛАВА VI § 28. Общие сведения § 29. Тахогенераторы постоянного тока ... § 30. Тахогенераторы переменного тока . . § 31. Пассивное корректирующее звено . . Исполнительные элементы . . 94 96 98 100
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ. § 32. Общие сведения § 33. Электродвигатели постоянного тока § 34. Электродвигатели переменного тока § 35. Электромагнитные муфты .... § 36. Электромагниты ...... § 37. Релейно-контакторная аппаратура . . УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 101 103 104 106 107
ГЛАВА VII СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК Системы автоматического регулирования 123
ГЛАВА VIII § 38. Общие сведения § 39. Типовые звенья систем автоматического регулирования и их характеристики § 40. Анализ устойчивости систем автоматического регулирования § 41. Общие сведения о надежности систем автоматики Судовые системы синхронной связи 124 134 138 143
ГЛАВА IX § 42. Общие сведения § 43. Индикаторный и трансформаторный режимы работы сельсина в синхронной связи § 44. Потенциометрическая синхронная связь § 45. Индукционная синхронная связь § 46. Авторулевые прерывистого действия § 47. Авторулевые непрерывного действия Унифицированные функциональные устройства автома- 144 146 147 148 150
тизации судовых электростанций § 48. Общие сведения § 49. Устройство световой (УС) и звуковой (УЗС) сигнализации § 50. Устройство контроля сопротивления изоляции в судовых сетях переменного тока (ПКИ) § 51. Устройство сигнализации о понижении сопротивления изоляции в судовых электроустановках постоянного тока (СПИ) § 52. Устройство регулирования частоты и нагрузки (УРЧН) § 53. Устройство распределения активной мощности (УРМ) 154 155 159 162 164 175
286
ГЛАВА
ГЛАВА XI
ГЛАВА XII
§ 54. Устройство автоматического включения резерва (УВР) ............................................. 178
§ 55. Устройство автоматической разгрузки генераторов (УРГ) ....................................... 183
§ 56. Устройства автоматической синхронизации типа
УСГ с постоянным временем опережения............... 186
§ 57. Устройство переключения питания (УПП) . . . 197
§ 58. Устройство защиты от обрыва фаз и сигнализации о снижении напряжения (ЗОФН)................... 198
•Системы автоматического управления и контроля 202
§ 59. Общие сведения ....................
§ 60. Автоматизация судовой электростанции 205
§ 61. Пульты управления............................ 209
§ 62. Небалансная система контроля 214
§ 63. Балансные системы контроля . 215
§ 64. Системы централизованного контроля 217
§ 65. Узкопрофильные приборы типа АСК 221
Автоматизация судовых дизель-генераторов 223
§ 66. Общие сведения ................................ —
§ 67. Описание электропневматической системы ДАУ дизель-генераторов типа ДГ50-9 .................... 225
§ 68. Описание электрической системы ДАУ аварийного дизель-генератора............................. 230
§ 69. Система дистанционного автоматизированного управления дизель-генератором типа 6Д50А .... 234
Автоматические вычислительные системы . 240
§ 70. Общие сведения ................................ —
§71. Вычислительные машины непрерывного действия 242
§ 72. Цифровые вычислительные машины........ 247
§ 73. Применение вычислительной техники для целей управления и контроля систем автоматики 255
Приложения......................................... 259
Литература ........................................ 282
ВЯЧЕСЛАВ ГЕОРГИЕВИЧ САМОЙЛОВ
АВТОМАТИЗАЦИЯ
судовых электроустановок
Редактор М. А. Чфас
Художественный редактор Н. Ф. Шакуро
Технический редактор Р. К- Чистякова Корректоры Е. Г. Лукин, В. Д. Макаров Оформл. перепл. художника В. В. Белякова
Сдано в набор 6/1 1972 г. М-12111.
Подписано к печати 26/V 1972 г.
Формат издания 60X90l/ie. Печ. л. 18.
Уч.-изд. л. 19,7.
Изд. № 2606-71. Тираж 8100 экз. Цена 81 коп.
Заказ №1438. Бумага для глубокой печати № 1 Издательство «Судостроение», 191С65, Ленинград, ул. Гоголя, 8.
Ленинградская типография № 6 Главноли* графпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР
193114, Ленинград, ул. Моисеенко, 10