| Лекции по электротехнике | |
| Автор: drug | Категория: Технические науки / Электроэнергетика | Просмотров: | Комментирии: 0 | 10-01-2013 10:36 |
Классификация элементов. Некоторые характеристики элементов
Приборы, выполняющие только функцию преобразования измеряемой физической величины в иной вид, называются преобразователями или датчиками.
Датчик – устройство, преобразующее измеряемый параметр технологического процесса в вид, удобный для дальнейшей передачи и использования.
Характеристики элементов
Статические характеристики отображают связь входных и выходных параметров звеньев в установившемся режиме. Они могут быть заданы аналитически (в виде функциональной зависимости), таблично или графически.
Динамические характеристики отображают связь входных и выходных параметров звеньев во времени. Основными динамическими характеристиками являются переходная и импульсная (весовая) характеристики.
Модели динамики звеньев могут быть заданы в виде дифференциальных уравнений. Для линейных звеньев часто в качестве моделей используются передаточные функции
где Хвх(s) и Хвых(s) – изображения по Лапласу для входных и выходных параметров.
Чувствительность. Для нелинейных элементов различают:
- статическую чувствительность
где Хвх и Хвых – значения входных и выходных параметров; то есть чувствительность элемента эквивалентна его коэффициенту усиления;
- дифференциальную чувствительность часто под чувствительностью S понимают максимальную чувствительность элемента.
Порог чувствительности DХвх – максимальное изменение значения входной величины, вызывающее изменение выходной величины.
По чувствительности знака (фазы) выходной величины элемента к знаку (фазе) входной величины различают:
- однотактные (нереверсивные, нейтральные) элементы, у которых знак (фаза) выходной величины не зависит от знака (фазы) входной;
- двухтактные (реверсивные, поляризованные), у которых знак выходной величины зависит от знака входной.
По виду измеряемой величины различают датчики: механического перемещения, скорости, частоты, усилия, давления, уровня, расхода, температуры, светового потока, сдвига фаз и т.д.
Параметрический датчик, питаемый от источника с напряжением Е, можно представить в виде пассивного четырехполюсника (рисунок 2), с одной стороны которого включен источник ЭДС Е, а с другой – нагрузка сопротивлением Zн.
Хвх – входной (измеряемый) параметр, от которого зависит выходное напряжение Uвых. Если Е = const, то Uвых = f(Хвх).
Отсутствие нагрузки называется холостым ходом и соответствует случаю, когда Zн = ¥.
Если рассмотреть датчик с точки зрения нагрузки, то его можно представить как элемент, имеющий собственный (внутренний) источник ЭДС Евн и внутренне сопротивление Zвн (рисунок 3).
2. Условия, при которых мощность, отдаваемая в нагрузку,максимальна
Полезная мощность, отдаваемая в нагрузку равна
Рн = I2*Rн,
где Rн активное сопротивление нагрузки,
I – ток, протекающий через нагрузку, который в комплексной форме равен
С учетом того, что Евн = Uвых.о, а внутреннее сопротивление и сопротивление нагрузки состоят из активной и реактивной составляющих:
Zвн = Rвн + j*Xвн,
Zн = Rн + j*Xн,
тогда амплитуда тока I равна
Тогда полезная мощность равна
Условие максимума мощности с учетом того, что нагрузка может иметь как активную Rн, так и реактивную Хн составляющие:
Из первого условия получено оптимальное значение активной составляющей сопротивления нагрузки
Rн=RВн
Из второго условия получено оптимальное значение для реактивной составляющей Хн = - ХВн
3 Методы измерения линейных и угловых перемещений. Потенциометрические датчики
Потенциометрические датчики (ПД) представляют собой проволочный реостат с поступательным или круговым движением ползунка.
Их также применяют в качестве задатчиков напряжения.
В режиме холостого хода можно считать статическую характеристику датчика линейной:
Uвых.о = E Хвх/L = E
где - относительное перемещение ползунка:
Статическая характеристика ПД в режиме холостого хода и нагрузочном режиме
4 Схемы двухтактных ПД
Каркас ПД обычно изготавливается из пластмассы, керамики или алюминия с оксидированной поверхностью. В качестве материалов обмотки используются сплавы, имеющие высокое удельное сопротивление и малый температурный коэффициент сопротивления: нихром, константан, манганин, иридиевая платина. Диаметр провода обычно 0,03 … 0,1 мм.
Контакты изготавливаются из серебра, сплава платины с бериллием.
5 Индуктивные датчики
Индуктивные датчики (ИД) используются для измерения небольших перемещений.
Представляют собой электромагнитный дроссель, индуктивность которого изменяется в зависимости от перемещения одной из подвижных частей (обычно якоря).
Питание ИД осуществляется от источника переменного тока.
Нагрузка включается последовательно с обмоткой, и через нее течет ток I. Напряжение на нагрузке равно Uвых = I*Zн.
Дроссель состоит ярма с обмоткой и якоря, который обычно является подвижным элементом дросселя. Перемещение якоря обозначено как Хвх.
При протекании тока I через обмотку в металле дросселя создается магнитное поле.
Магнитный поток Ф проходит через металл ярма и якоря, а также через два воздушных зазора между ярмом и якорем. При перемещении якоря изменяется индуктивность дросселя
где w – число витков обмотки, RM – магнитное сопротивление дросселя, создаваемое магнитному потоку Ф. Оно складывается из магнитных сопротивлений ярма Rярм, якоря Rяк и двух воздушных зазоров с сопротивлением Rx: RM = Rярм + 2*Rвx + Rяк.
Магнитные сопротивления каждого участка рассматриваемого магнитопровода определяются по формуле
где L – средняя длина пути магнитного потока на данном участке магнитопровода;
S – сечение данного участка магнитопровода;
mа – абсолютная магнитная проницаемость вещества; mо = 4*p*10-7 Гн/м – магнитная постоянная;
mr – относительная магнитная проницаемость вещества. Для воздуха принимается mr = 1, а, например, для электротехнической стали Э42 mr = 200000.
Тяговое усилие
где S – площадь сечения выходящего из якоря магнитного потока Ф.
Однотактные ИД используются довольно редко из-за возникновения больших тяговых усилий (порядка нескольких килограммов) между ярмом и якорем.
6 Двухтактные ИД
Двухтактные ИД обычно представляют собой два дифференциально включенных однотактных ИД
Статическая характеристика получается графическим сложением статических характеристик однотактных ИД
7 Емкостные датчики
Предназначены для измерения линейных, угловых перемещений, уровней жидкости и других физических величин, которые могут быть преобразованы в электрическую емкость.
Емкостные датчики (ЕД) – датчики, у которых чувствительным элементом является конденсатор (плоский или цилиндрический), емкость которого меняется в зависимости от расстояния между пластинами, площади перекрытия пластин или диэлектрической постоянной диэлектрика.
Для плоского конденсатора емкость вычисляется по формуле
где - диэлектрическая проницаемость вакуума;
er - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
S – площадь перекрытия пластин;
d - расстояние между пластинами.
Емкость цилиндрического конденсатора на единицу длины определяется по формуле
где D – диаметр внешней обкладки, d – диаметр внутренней.
8 Схема двухтактного ЕД
В данном случае ЕД используется как датчик перемещения Хвх, причем конденсатор состоит из трех обкладок и фактически представляет собой два конденсатора (С1 и С2) с одной общей подвижной обкладкой. Здесь Rб – балластные сопротивления.
С целью максимизации мощности, отдаваемой в нагрузку, схему настраивают в резонанс.
9 Порядок расчета ЕД
1. Определяется статическая характеристика Uвых.о. = f(Хвх) холостого хода. Для получения этой характеристики ЕД изображается в виде моста (рисунок 2)
Выходное напряжение
После преобразовани
Для случая, когда в качестве чувствительного элемента используется цилиндрический конденсатор, входной величиной является, как правило, уровень жидкости
10. Измерение угловой скорости. Тахогенераторы
Тахогенераторы (ТГ) – это миниатюрные генераторы постоянного или переменного тока с независимым возбуждением (для независимого возбуждения используются постоянные магниты или обмотка возбуждения, питаемая источником постоянного напряжения).
Ток обмотки возбуждения ОВ, создаваемый напряжением Uв, остается постоянным, поэтому напряжение Uвых в статике будет определяться только угловой частотой
Uвых = К*wвх,
где К – константа.
ТГ постоянного тока имеют щеточные контакты и обладают сравнительно большой температурной нестабильностью, что является их недостатком.
По этой причине часто применяются асинхронные ТГ переменного тока
Чем быстрее вращается ротор тем больше выходное напряжение если ротор не вращается напряжения нет.
На статоре такого ТГ расположены две взаимно перпендикулярные обмотки: обмотка возбуждения и выходная обмотка. Ротор представляет собой алюминиевый стакан, вращающийся в зазоре между статором и неподвижным цилиндрическим сердечником.
При неподвижном роторе Uвых = 0, так как обмотки расположены под углом 90о.
При вращении ротора в нем наводятся ЭДС, вызывающие протекание токов в стакане. Последние образуют магнитные поля, которые наводят ЭДС в выходной обмотке, причем фаза ЭДС зависит от направления вращения ротора.
11. Измерение механических усилий. Магнитоупругие датчики
Магнитоупругие датчики (МУД) используются для измерения механических усилий, веса, деформаций, давления и других физических величин, преобразуемых в механические усилия.
Устройство МУД основано на свойстве некоторых материалов изменять магнитную проницаемость mа в зависимости от возникающих в них механических напряжений s, обусловленных воздействием механических сил Р. Изменение mа вызывает изменение магнитного сопротивления RM материала.
МУД в виде переменных индуктивных сопротивлений
Если на сердечник из материала, обладающего магнитоупругими свойствами намотать катушку, то изменение магнитного сопротивления RМ приведет к изменению индуктивности дросселя Lдр и, соответственно, к изменению его сопротивления Zдр, что можно зафиксировать по изменению тока I, протекающего через обмотку.
Таким образом, последовательность причинно-следственных связей будет иметь вид: Р ® s ® mа ® RM ® Lдр ® Zдр ® I.
МУД трансформаторного типа
13.Оптико-электрические преобразователи
Различают прямые и обратные оптико-электрические преобразователи (ОЭП).
Прямые ОЭП преобразуют излучение в изменение тока, напряжения или сопротивления. Прямые ОЭП делятся на три группы:
- ОЭП с внешним фотоэффектом (фотоэлементы);
- ОЭП с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы);
- вентильные ОЭП.
Обратные ОЭП преобразуют электрический ток или энергию электрического поля в световую энергию.
Известны два типа обратных ОЭП: конденсаторные ОЭП и инжекционные диоды.
14 ОЭП с внешним фотоэффектом
Фотоэлементы представляют собой представляют собой вакуумные или газонаполненные двухэлектродные лампы (см. рисунок 10), у которых фотокатод 1 под действием излучения Рвх или светового потока Ф испускает электроны. Это явление называется фотоэмиссией и наиболее сильно проявляется у металлов щелочной группы (например, у цезия).
Электроны с катода направляются под действием напряжения батареи Е к аноду 2, в результате чего через нагрузку Rн начинает протекать фототок Iф.
Количество эмитируемых электронов пропорционально (при удачно подобранных Rн и Е) величине (мощности) потока излучения Рвх или светового потока Ф:
Iф = К*Рвх
Iф = К*Ф,
где К – коэффициент, характеризующий так называемую интегральную чувствительность.
Интегральная чувствительность – это величина фототока, возникающего в результате облучения фотоэлемента излучением мощностью 1 Вт или световым потоком в 1 люмен независимо от спектра излучения.
Основные характеристики фотоэлемента: вольт-амперные характеристики (ВАХ), световые спектральные. ВАХ показывают как зависит величина фототока от анодного напряжения при постоянных Рвх или Ф.
ВАХ Вакуумные Газонаполненные
Световые характеристики показывают как зависит фототок от мощности излучения Рвх или светового потока Ф при постоянных анодных напряжениях.
Увеличивается поток и растет ток.
15 Фотоумножители
Применяются для регистрации слабых излучений. Фотоумножитель представляет собой многоэлектродную лампу, каждый электрод которого кроме первого и последнего используется и как катод, и как анод
Между соседними электродами подаются напряжения порядка тысячи вольт. При этом электроны, выбитые излучением из первого катода 1 разгоняются в сильном электрическом поле и выбивают электроны из катода 2.
При этом количество выбитых электронов увеличивается. Они выбивают электроны из третьего электрода и т.д.
В результате поток электронов на аноде будет в Ку раз больше, чем поток, уходящий с катода 1:
Ку = sn,
где s = 6…8, n – число каскадов.
16 Вентильные ОЭП
Вентильные фотоэлементы являются, в отличие от предыдущих, элементами генераторного типа. При облучении в них развивается ЭДС до 1 В. Свое название вентильные ОЭП получили потому, что пропускают ток только в одном направлении.
Конструктивно вентильные ОЭП устроены следующим образом (см. рисунок 13): на металлический электрод нанесен слой полупроводника (сернистый таллий, сернистое серебро, селен), а на него осаждена полупрозрачная пленка золота, которая является вторым электродом. Сверху фотоэлемент защищен от окружающей среды. Полярность ЭДС определяется типом полупроводника.
К вентильным ОЭП относятся также фотодиоды и фототранзисторы. В фототранзисторах облучается базовая область. Эффект действия света аналогичен действию напряжения база-эмиттер.
17 Обратные ОЭП
Обратные ОЭП преобразуют электрический ток или энергию электрического поля в световую энергию.
Известны два типа обратных ОЭП: конденсаторные ОЭП и инжекционные диоды.
Устройство конденсаторных ОЭП основано на свойстве некоторых веществ светиться под действием электрического поля.
18 Конденсаторные ОЭП
Под действием приложенного напряжения U (переменного или постоянного, в зависимости от типа ОЭП), начинает светиться люминофор. Световой поток проходит сквозь одну из обкладок конденсатора, которая изготавливается прозрачной.
В инжекционных диодах световой поток возникает за счет рекомбинации электронов и «дырок» при переходе «дырок» через p-n переход.
19 Законы алгебры логики
Сочетательный закон (а+в)+с=(а+с)+в
Переместительный закон а+в+с=а+с+в
Распределительный закон а*в+а*с=а*(в+с)
Закон поглощения а+а*в=а
Закон склеивания а*в+а*в=а*(в+в)=а
Закон инверсии а+в+с=а*в*с; а*в*с=а+в+с
20 Преобразование логических функций
Для последующих преобразований удобны следующие формы представления функций: совершенная дизъюнктивная нормальная форма (СДНФ) и совершенная конъюнктивная нормальная форма (СКНФ).
Дизъюнктивной нормальной формой (ДНФ) называется такая форма представления функции, при которой логическое выражение строится в виде дизъюнкции ряда членов, каждый из которых является простой конъюнкцией аргументов или их инверсий.
Если в каждом члене ДНФ представлены все аргументы или инверсия, то такая форма носит название СДНФ. Выражение (1) не является СДНФ, т.к. в нём лишь третий элемент содержит все аргументы.
Для перехода от ДНФ к СДНФ необходимо в каждый из членов, в которых представлены не все аргументы, ввести (путём умножения) выражение вида , т.к , такая операция не изменяет значение функции.
Если исходная функция дана в табличной форме, то СДНФ получается непосредственно
Примечание: Любая функция имеет единственную СДНФ
Конъюнктивной нормальной формой (КНФ) называется форма представления функции в виде конъюнкции ряда членов, каждый из которых является простой дизъюнкцией аргументов (или их инверсий).
В СКНФ в каждом члене должны быть представлены все аргументы. Для перехода от КНФ к СКНФ необходимо добавить (путём сложения) к каждому члену, не содержащему всех аргументов, члены вида , т.к. , то такая операция не изменит значение функции.
Добавление к члену a образует выражение , которое можно привести к виду
СКНФ легко строится по таблицам: для тех строк где y=0 , если аргумент=1, то берём его инверсию
21 Синтез дискретных систем управления по таблицам состояния
На основании таблиц составляют структурную формулу, описывающую логические связи. При составлении структурных формул применяют правило истинности (правило единиц) или же правило ложности (правило нулей).
Согласно правилу единиц для строк таблиц состояний, где выходная величина 1, определяют произведения входных величин и складывают их, т.е. определяют дизъюнкции конъюнкций входных переменных для строк, где выходная величина равна 1. Если значение входной величины 0, то берут её инверсию.
Согласно правилу нулей, структурную формулу составляют путём определения конъюнкции дизъюнкций входных сигналов строк таблиц состояний, в которых выходная величина равна 0. Если входная величина равна 1, берут её инверсию.
22. Минимизация логических функций
Метод содержит два этапа преобразования выражения:
1) переход от СДНФ (СКНФ) к сокращённой форме;
2) переход от сокращённой формы к минимальной форме.
Переход к сокращённой форме основан на последовательном применении двух операций: склеивания и поглощения.
Для выполнения операции склеивания выявляются в выражении пары членов вида а-х и а∙х, различающихся лишь тем, что один из аргументов в одном из членов представлен без инверсии, в другом – с инверсией.
Затем производится склеивание таких пар:
Результат склеивания “a”, вводится в выражение в качестве дополнительных членов. Далее проводится операция поглощения. Она основана на равенстве
(член “а” поглощает член а∙х). При проведении этой операции из логического выражения вычёркиваются все результаты склеивания; операции склеиваний и поглощений проводятся до тех пор, пока их выполнение оказывается возможным.
23 Понятие о карте Карно
Рассмотрим логическую функцию двух переменных f(a, b). Две входные логические переменные a и b могут образовать всего четыре возможных набора. Каждому набору можно поставить в соответствие клетку карты Карно. В эту клетку записывается значение функции (0 или 1) для данного набора.
b
a
Входные переменные располагаются по внешним сторонам карты напротив её строк и столбцов. При этом значение каждой из входных переменных относится ко всей строке (или столбцу) и равно 1, если напротив столбца стоит под скобкой обозначение этой переменной; для остальных строк (столбцов) значение этой переменной равно 0. Эти значения входных переменных не пишутся на карте, а подразумеваются.
24 Составление карт Карно по таблицам истинности
Карта Карно может составляться непосредственно по таблице истинности. Для этого строится карта с числом клеток равным числу строк таблицы. По внешним сторонам карты определённым образом располагаются входные переменные. Для каждой строки отыскивается соответствующий набор (клетка) карты. В эту клетку проставляется значение функции для данного набора.
Число строк(клеток) карты Карно определяется величиной 2n, где n равно числу входных переменных. Отсюда следует, что прибавление каждой новой переменной удваивает число клеток, т.е. увеличивает карту вдвое. При этом новые переменные должны располагаться так, чтобы иметь общую площадь со всеми прежними переменными.
25 Составление карт Карно по алгебраическим выражениям
1) По числу переменных строится карта Карно и располагаются переменные.
2) Заданное алгебраическое выражение приводится в СДНФ.
3) В карте Карно для каждого члена СДНФ находится соответствующая клетка (с таким же набором переменных) в которую записывается 1, а в остальные клетки карты записывается 0.
26 Свойства карты Карно
1. Наборы значений переменных для соседних клеток карты Карно отличаются значением лишь одной переменной. При переходе из одной клетки в соседнюю всегда изменяется значение лишь одной переменной от своего прямого значения к его инверсии и обратно.
2. Соседними между собой являются тоже крайние левые клетки карты с крайними правыми и крайние верхние клетки карты с крайними нижними (как если бы карты были свёрнуты в цилиндры по вертикали или по горизонтали). В этом легко убедиться, сравнивая выражения для столбца или любой строки.
27 Определение СДНФ и СКНФ по картам Карно
СДНФ 1) Для каждой клетки, в которой функция имеет значение 1, записывается конъюнкция всех входных переменных (прямых или инверсных), соответствующих этой клетке.
2) Составляются дизъюнкции этих конъюнкций (это и есть СДНФ).
СКНФ 1) Для каждой клетки, в которой функция имеет 0, записывается дизъюнкция инверсий входных переменных.
2) Составляется конъюнкция этих этих дизъюнкций (это и есть СКНФ)
28 Метод минимизации с помощью карт Карно
Для получения на карте Карно минимального выражения логической функции следует руководствоваться единственным правилом (кроме общих правил): единицы и нули должны объединяться минимальным числом наибольших контуров.
Этот метод просто и наглядно минимизирует функции из 4-6 переменных.
29 Определение по карте Карно алгебраических выражений логических функций
ПРАВИЛА:
1) Все единицы (при записи функции дизьюнктивной форме) и все нули (при записи функции в коньюнктивной форме) д/б заключены в прямоугольные контуры. Единичные контуры могут объединять несколько единиц, но не должны содержать внутри себя нулей. Нулевые контуры могут объединять несколько нулей, но не должны содержать внутри себя единиц. Одноимённые контуры могут накладываться друг на друга, т.е. одна и та же единица (или нуль) может входить в несколько единичных (нулевых) контуров.
2) Площадь любого контура д/б симметричной относительно границ переменных, пересекаемых данным контуром, т.е. число клеток д/б равно 2 в степени n, где n=0, 1, 2, 3... Или число клеток = 1, 2, 4, 8, 16...
3) Во избежание получения лишних контуров, все клетки которых вошли уже в другие контуры, построение следует начинать с тех единиц или нулей, которые могут войти в одни единственный контур.
4) В контуры можно объединять только соседние клетки, содержащие единицы ли нули. Соблюдение этого правила особенно необходимо проверять при числе переменных, большем четырёх, когда соседние клетки могут быть расположены не рядом и поэтому контуры могут претерпевать видимый разрыв.
5) Каждой единичной клетке соответствует конъюнкция входных переменных, определяющих данную клетку. Каждой нулевой клетке соответствует дизъюнкция инверсий переменных.
6) В контуре, объединяющем две клетки, одна из переменных меняет своё значение, поэтому выражение для контура из двух клеток не зависит от этой переменной, а представляется всеми остальными переменными. Это правило относится и к контурам, охватывающим число клеток более двух, и имеет следующую формулировку: выражения, соответст-вующие контурам, не содержат тех переменных, чьи границы пересекаются площадью, ограниченной данным контуром.
7) Для контуров, охватывающих различное количество клеток, получаются выражения различной сложности. Поэтому для данной логической функции можно записать по её карте Карно несколько отличающихся по сложности алгебраических выражений. Наиболее сложное выражение соответствует случаю, когда каждый клетке соответствует свой контур. Это СДНФ или СКНФ. С увеличением размеров контуров алгебра-ическое выражение упрощается
30 Гальваническая развязка
Одним из основных методов обеспечения устойчивой работы при высоком уровне электромагнитных помех является организация связи с силовыми исполнительными органами и объектами управления путём гальванической развязки датчиков и приёмников информации. Гальваническая развязка при этом решает:
А) Вопросы подключения датчиков и приёмников к разнопотенциальным точкам (возможные разности потенциалов до 1000 В);
Б) Вопросы снижения ёмкостной связи цифровой части с источниками помех (силовые органы).
Схема наложения помехового сигнала в виде синфазной составляющей (действующей на оба полюса полезного сигнала относительно «земли»)
Uд – напряжение датчика;
Uп – напряжение помехи;
ППУ – приемно-передающее устройство;
РУ – развязывающее устройство;
УОП – устройство обратного преобразования.
Схема воздействия помех на компьютерную систему
Генератор помех Un через эквивалентный резистор связи Rc соединён с обкладкой эквивалентного конденсатора гальванической развязки Cгр. Этот конденсатор и является фактическим связующим (паразитным) элементом между измерительной частью и КС. Степень ослабления токов помехи зависит от снижения емкостной связи КС с датчиками Сгр.
31 Развязка посредством магнитного поля
М- Модулятор, У- усилитель, ДМ- демодулятор
Обеспечивает высокую точность и линейность
Однако при снижении значений сигнала до единиц милливольт (например, при подключении в качестве датчиков термоэлектрических преобразователей) возникает проблема, связанная со значительным влиянием параметров ключевого элемента в модуляторе на моделирующий сигнал.
Это связано: 1) с падением напряжения на открытом ключе – у биполярных тиристоров падение напряжения на ключевых компенсированных парах – порядка сотен микровольт;
2) с проникновением коммутирующего напряжения из цепи управления Uг в коммутирующую цепь (у ключей на полевых транзисторах, имеющих повышенное значение ёмкости затвор-канал в сочетании с высоким уровнем управляющего напряжения (Uг≥3…5В). Данные недостатки ограничивают область применения гальванического узла с трансформаторной развязкой.
32 Развязка посредством оптоэлектронных устройств
Переход в устройствах гальванической развязки на оптронные устройства позволяет существенно снизить ёмкостную связь датчиков с КС. Проходная ёмкость проходных оптронных элементов не превышает единицу пикофарад. Устройства гальванической развязки на оптронных элементах можно разделить на две группы: с предварительным кодированием и передачей в дискретной (цифровой) форме; с аналоговой передачей путём изменения интенсивности свечения светодиода.
Передача сигнала в аналоговой форме через оптопары до последнего времени не использовались в связи с низкой стабильностью светодиодов во времени и от температуры. Существенное повышение стабильности в передаче достигнуто в настоящее время благодаря использованию сдвоенных приёмников в оптроне, выполненных с идентичными свойствами с использованием интегральной технологии и находящихся в одном температурном режиме. Включение второго приёмника в цепь ОС в передающем устройстве позволяет линеаризовать весь канал развязки.
33 Потенциальная развязка
Трансформатор имеет две экранирующие обмотки. Такое включение экранов гарантирует, что ток, обусловленный паразитной ёмкостью между обмотками, при скачках напряжения в силовой цепи не приведёт к ошибочному включению тиристора.
34 Двухпозиционный регулятор
Регулирующее воздействие определяется величиной отклонения Х и величиной настройки регулятора.
Графически
Идеально: Характер любой, Реально: Зона возврата (зона неоднозначности)
но 2 значения
Аналитически
35 Трехпозиционный регулятор
В этом законе регулирования в зависимости от перемещения меняется скорость регулирующего органа, т.е (dµ)/dt
Идеально Реально
Пропорциональный регулятор
Кр – число(коэф. усиления)
Только понижает
И понижает и усиливает
Подаем Хо, реакция Хо•Кр
36 Дифференциальный регулятор
Если регулируемая величина в какой-либо момент времени начинает быстро отклоняться от заданного значения, то в этом случае желательно иметь Регулятор, который бы вырабатывал регулирующее воздействие пропорциональное скорости изменения регулируемой величины- диф. регулятор
Такой регулятор при большой скорости отклонения регулируемой величины. Когда в начальный момент П-регулятор оказывает слабое регулирование, а интегрирующий регулятор только начинает оказывать воздействие, Д-регулятор оказывает существенное регулирующее воздействие. В качестве Д-регуляторов используются реальные дифференциальные звенья.
Подаем скачек
Реакция идеального диф звена
Реакция реального диф звена
37 Интегральный регулятор
Интегральный регулятор может обеспечивать нулевую ошибку регулирования и включение такого регулятора в систему делает ее астатической. Однако в системе без самовыравнивания такой регулятор применять нельзя, так как в системе будут включены два интегральных звена и система будет структурно неустойчивой. Регулирует без статической ошибки.
Ти- время интегрирования
Воздействие
Реакция интегрального звена
38 ПИ-регулятор
ОУ1 пропорциональная часть регулятора ОУ2 интегральная часть регулятора ОУ3 сумматор
39Пропорционально-дифференциальный регулятор
Где Тпв – постоянная предварения
40Пропорционально интегрально дифференциальный регулятор
1
2
Тпв- постоянная предварения, Тиз - постоянная изодрома
41 Определение оптимальной пропускная характеристика РО
Так как при расчете схем регулирования коэффициента передачи регулятора выбирается из условий получения оптимального процесса регулирования, то в тех случаях, когда желательно сохранение постоянства выбранного коэффициента передачи регулятора во всем диапазоне изменения нагрузок, следует стремиться к постоянству коэффициента передачи РО.
Рассмотрим работу РО с точки зрения принятого выше критерия – линейности РО. Проанализируем линейную расходную характеристику. Если параметры регулируемой среды, определяющие расход вещества, постоянны, то величина расхода зависит лишь от положения затвора. В этом случае регулируемая среда является носителем лишь регулирующих воздействий. Поэтому во всем диапазоне нагрузок РО будет иметь место постоянный коэффициент передачи 〖 d〗_μ/d_s Следовательно, если регулируемая среда является носителем лишь регулирующих воздействий, то линейная характеристика обеспечивает его линейность, т.е. постоянный коэффициент передачи.
Допустим, что какой-либо параметр среды изменяется. Например, давление газа в общей магистрали часто зависит от количества потребителей. В этом случае при изменении параметра среды каждому положению затвора будет соответствовать новое значение расхода, а расходная характеристика займет новое положение. Исходному положению затвора S0 будет соответствовать новое значение расхода μ_1, соответствующее новой расходной характеристике 2. Изменения расхода вещества вызовет отклонение регулируемого параметра от заданного значения, вследствие чего регулятор, воздействуя на исполнительное устройство, восстановит исходное значение расхода μ_0 при новом значении положения затвора 5, и новом значении коэффициента передачи 〖 d〗_μ/d_s. Следовательно, если в процессе функционирования АСР имеет место изменения параметров среды, то изменение нагрузки РО сопровождается изменением его коэффициента передачи 〖 d〗_μ/d_s, т.е. в этом случае линейная расходная характеристика не обеспечивает линейность РО.
Выполним подобный анализ для равнопроцентной расходной характеристики. Графически такой анализ интерпретируется следующим образом: касательные к кривым 1 и 2, проведенные через точки с ординатой μ_0, имеют одинаковый угол наклона к оси абсцисс. Таким образом, в последнем случае, изменение нагрузки РО происходит без изменения коэффициента передачи.
42Примеры выбора расходной характеристики
Алгоритм выбора формы расходной характеристики:
- Если основным возмущением в АСР является изменение расхода через РО, происходящее за счет изменения параметров среды, то для такой системы предпочтительно, равнопроцентная расходная характеристика.
- Если же изменение расхода вещества через РО происходит лишь при перемещении затвора РО, то в этом случае предпочтительным является линейная расходная характеристика.
После того, как выбрана предпочтительная форма расходной характеристики, следует определить форму пропускной характеристики, лучшим образом реализующей выбранную расходную.
Если желательной формой расходной характеристики является равнопроцентная, то следует выбрать регулирующий орган с равнопроцентной пропускной характеристикой. Если же наиболее целесообразной формой расходной характристики является линейная, то форма пропускной характеристики выбирается в зависимости от значения n.
- пропускная способность трубопровода,, определяется по формуле подстановкой в них вместо потери давления в участке (без РО)
где y- удельный вес, кгс/м3;
Q мах - объемный расход.
При n ≤ 1,2 следует выбирать РО с линейной пропускной характеристикой; при n ≥ 1,7 – с равнопроцентной.
Для промежуточных значений 1,2 ≤ n ≤ 1,7 может быть выбрана любая из этих форм пропускной характеристики.
В большинстве случаев предпочтительней является равнопроцентная пропускная характеристика, поэтому при отсутствии достаточных данных для расчета следует предусмотреть РО с равнопроцентной пропускной характеристикой.
Основными параметрами, по которым производится подбор и которые определяют основное функциональное назначение изделия, является условный проход Ду (мм) и условная пропускная способность (м3/ч). Номенклатура ИУ охватывает условные проходы от 10 до 1000 мм c условной пропускной способности от 0,1 до 25000 м3/ч.
43 Двухседельные клапаны
Двух седельные регулирующие органы получили большее по сравнению с односедельными распространение в следствии высокой пропускной способности (1,6 раза выше при тех же условиях прохода), не смотря на сложность конструкции, большую металлоёмкость и габариты. Двух седельные РО к тому же имеют разгруженную конструкцию затвора, требующих меньших перестановочных усилий от исполнительного механизма.
В корпусе ввинчены верхнее и нижнее сёдла. Затвор с двумя уплотнительными поверхностями скользит в направляющих втулках. Пробочный затвор двух сёдельного РО – наиболее трудоёмкая и быстро изнашивающая деталь. Каждые 3-4 месяца необходимо производить притирку поверхностей сёдел и затворов.
44 Односедельный РО
Сальниковое уплотнение для нормальных6-р состоит из фторопластовых колец 2, поджатых пружиной 3; для высоких температур – из асбестовых колец. Односедельные РО технологенны, характеризуются невысокой металлоемкостью и ремонтнопригодностью. Отсутствие застойных зон позволяет их для регулирования вязких сред.
45 Шланговые РО
Незаменимы в пищевой промышленности и при регулировании потоков шламообразующих сред. В корпусе РО с помощью фланцев с удлинённой конической частью зажимается эластичный патрубок- шланг, пережимаемый посередине двумя валиками-траверсами. Для сжатия шланга требуется значительное усилие, зато поток надёжно перекрывается в закрытом положении. Проход открывается под действием самого потока, поэтому привод может иметь пружину меньшей жёсткости. Затвор сконструирован так, что пропорциональное регулирование может осуществляться только на первой половине хода штока, считая от положения «открыто». При отсутствии движения жидкости давления на входе выравнивается и патрубок раскрывается. Самопроизвольные колебания патрубка наступают тем быстрее, чем больше период давления и меньше щель и жёсткость патрубка. Применяется отрезок резинового шланга с тканевой прослойкой.
46Диафрагмовые РО
Для регулирования потоков агрессивных сред при не высоких температурах и давлениях применяют диафрагмовые РО. Внутренняя поверхность проходного корпуса футеруется химически стойким материалом: полиэтиленом, резиной, фторопластом или эмалью. Затвор представляет собой диафрагму, закреплённую между корпусом и крышкой и привинченной к крестовине 4. Телескопическая опора 5 предохраняет диафрагму от выгибания под действием среды. Во избежание утечки среды в атмосферу к крышке РО прикрепляется сигнализатор прорыва диафрагмы. До 1МПа, до 60°С (полиэтилен), до 150 °С (фторопласт).
47 Гидравлические характеристики регулирующих органов
Основным гидравлическим параметром регулирующего органа является его пропускная способность(Кυ). Это расход несжимаемой жидкости в м3/ч с плотностью равной 1000 кг/м3, пропускаемой регулирующим органом при переходе на нём в 0,1 МПа. Условная пропускная способность (Кυу), представляющая собой номинальное значение максимальной для данного РО пропускной способности, есть единая для всех РО каталожная величина, по которой в результате соответствующих расчётов производится выбор диаметра прохода ИУ, независимо от агрегатного состояния и условий протекания среды. Регулирующие свойства ИУ определяются его пропускной характеристикой, представляющей собой зависимость величины пропускной способности от хода затвора. Пропускная характеристика обычно задаётся зависимостью относительных величин. Текущую пропускную способность относят к условной пропускной способности, а ход - к условному ходу затвора (номинальному значению максимальной величины хода).
Отношение условной пропускной способности к минимальной определяет диапазон изменения пропускной способности. Минимальная пропускная способность – наименьшее значение пропускной способности, при котором заданная пропускная характеристика находится в допустимых пределах.
48 Шаровые РО
Основу его составляет поворотный сферический затвор с цилиндрический отверстием. Такой затвор в совокупности с прямоточным корпусом обеспечивает малое гидравлическое сопротивление в открытом положении и, следовательно, большой диапазон изменения пропускной способности. В закрытом положении затвор упирается в пару сёдел, изготовленных из упругих материалов (фторопласт), это обеспечивает герметичное перекрытие прохода. Температуры -60 до 230°С, переход до 8 МПа условные проходы 15 до 400 мм, пропускная условная способность 7….3500 м3/ч.
В разъёмном корпусе смонтирован шаровой затвор «плавающего» типа осуществляющий поворот затвора, имеет прямоугольный выступ, входящий в паз затвора.
49 Клапаны типа НО и НЗ
Односедельные ИУ, работающие в условиях высоких перепадов давления, сохраняют своё значение. Наибольшее распространение получила конструкция регулирующего органа, в которой цилиндрический затвор перемещается в так называемой клетке, направляющей, имеющей прорези и круглые отверстия. Затвор полностью уравновешен благодаря прорезям, длинная направляющая препятствует вибрациям. Обладает возможностью устранения кавитации, меньше шумит при регулировании сжимаемых сред.
Клапаны типа НО применяют в технических случаях, когда при аварийном прекращении подачи воздуха в головку касания по технологическим условиям более безопасно иметь открытую линию. В противном случае – НЗ. В реакторе – где может произойти затвердевание вещества, (НО) на линии подачи пара.
Ректификация НЗ: линия сырья; теплоноситель для его подогрева; дистиллят;остаток.
Ректификация НО: пар в куб колонны; орошение.
50 Общие сведения об исполнительных устройствах
В общем случае исполнительное устройство состоит из исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО).
Исполнительное устройство в зависимости от используемой энергии подразделяется на следующие виды:
1. Пневматические (с пневматическим ИМ).
2. Гидравлические (с гидравлическим ИМ).
3. Электрические (с электрическим ИМ).
4. Электропневматические (с пневматическим ИМ и электропневматическим преобразователем).
5. Электрогидравлические (с гидравлическим ИМ и электрогидравлическим преобразователем).
6. Пневмогидравлические (с гидравлическим ИМ и пневмогидравлическим преобразователем).
ИМ является приводной частью РО.
Применяют ИМ следующих видов:
1. Электрические.
1.1. электромагнитные;
1.2. электродвигательные.
2. Пневматические.
2.1. мембранные;
2.2. поршневые;
2.3. лопастные.
3. Гидравлические.
3.1. прямоходные;
3.2. кривошипные.
РО – предназначен для регулирования расхода веществ или энергии в объект регулирования. При этом различают:
1. дроссельные РО.
2. дозирующие РО.
К (2) относятся такие устройства, которые изменяют расход вещества за счет производительности силового агрегата. К ним относятся:
дозаторы;
питатели;
насосы;
Компрессоры.
(1) представляют собой переменные гидравлические сопротивления изменяющие расход вещества за счет изменения свое го проходного отверстия. К ним относятся:
регулирующие клапаны;
поворотные заслонки;
шиберы;
клапаны.
РО характеризуется следующими основными параметрами:
1. Пропускная и условная пропускная способность.
2. Условное и рабочее давление.
3. Перепад давления на РО и условный проход.
51Дроссельные регулирующие органы
1. Шиберы (заслонки).
2. Поворотная заслонка.
Могут применяться для регулировки пара и воздуха.
Преимущества: Так как у них затвор в значительной степени требует меньших усилий для своего поворота. Среда действует на обе его половины, следовательно он частично разгружен, поэтому для поворота следует использовать механизм меньшей мощности.
3. Регулирующий клапан – наиболее распространенный вид регулирующих органов. Их применяют для регулирования расхода жидкости, газа или пара при любы параметрах среды. Различают по виду плунжеров и корпусов.
4. Краны
52 Исполнительные механизмы
Электромагнитные. Представляют собой прямоходный электромагнит с вытягивающимся якорем и в настоящее время наиболее широко распространена серия ЭВ.
По принципу действия:
ЭВ1 и ЭВ – привода рассчитаны на длительное воздействие током и при подаче на его катушку тока электромагнит втягивает, открывая вентиль (клапан).
ЭВ3 рассчитан на кратковременный режим работы, состоит из двух электромагнитов – главное служащего для открывания регулирующего органа и электромагнита защелки являющегося приводом механической защелки удерживающей РО в открытом состоянии, то есть для закрытия необходимо подать на электромагнит защелки питание.
2. Многооборотные ИМ.
Для управления многооборотными запорными и регулирующими органами используют ИМ состоящи из электродвигателя, понижающего редуктора и ряда дополнительных устройств. Например, ручной привод, тормоз, блок датчиков (включающие концевые или путевые выключатели), а также для передачи положения запорного органа сельсин датчик или же потенциометрический датчик.
3. Однооборотные МЭО-4/25.
55Импульсные П-регуляторы с ИМ постоянной скорости
ИМ с постоянной частотой вращения вала осуществляет перемещение РО с постоянной скоростью вращения, при этом ИМ может находиться в трех положениях.
1. Перемещение РО с постоянной скоростью.
2. Неподвижность.
3. Вращение в обратную сторону с постоянной скоростью.
Характеристика ИМ с РО постоянной скоростью.
При этом статическая характеристика ИМ не линейна, ее нельзя линеаризовать для практических расчетов, однако такой ИМ может иметь достаточно близкие к линейной характеристике параметры при релейно импульсном воздействии входного сигнала.
56 Основные соотношения для усилителей
В системах электроавтоматики используются следующие типы усилителей: диэлектрические, ионные, электронные (на вакуумных лампах или полупроводниках), релейные, магнитные, электромагнитные, электромашинные.
Эквивалентные схемы усилителей можно представить в виде схемы с генератором ЭДС Евых (см. рисунок 3.1) или генератором тока Iвых (см. рисунок 3.2). На схемах обозначены: Rвни – внутреннее сопротивление источника питания, Rвх – входное сопротивление усилителя, Rвых – выходное сопротивление усилителя,
Rн – сопротивление нагрузки.
Идеальный источник напряжения имеет нулевое внутреннее сопротивление, а идеальный источник тока – бесконечно большое. Переход от одной схемы к другой осуществляется по соотношениям:
где Rвых и R’вых – внутреннее выходное сопротивление усилителя с генератором ЭДС и генератором тока соответственно, Евых – ЭДС выходной цепи, Iвых – ток источника тока выходной цепи.
Входное сопротивление усилителя Rвх является нагрузкой для источника входного сигнала Евх с внутренним сопротивлением Rвни. Нагрузкой усилителя является сопротивление Rн.
57 Магнитные усилители
Магнитные усилители (МУ) – это устройства, основным элементом которых является электромагнитный дроссель (дроссели) с подмагничиванием постоянным (или медленноменяющимся) током, преобразующие изменения постоянного (или медленно меняющегося) тока в сигналы переменного тока.
Др – дроссель во входной цепи; Uвх, Uвых, Uпит - напряжения входное, выходное и источника питания; wу, wр – числа витков обмотки управления и рабочей обмотки; Iвх, Iвых – входной и выходной токи; Rн сопротивление нагрузки в выходной цепи. Известно, что индуктивность дросселя определяется соотношением :
где w – число витков обмотки; S – площадь сечения сердечника; L- длина средней магнитной силовой линии;
m0 – абсолютная магнитная проницаемость вакуума; mr – относительная магнитная проницаемость вещества сердечника.
Основной характеристикой вещества сердечника является кривая намагничивания, то есть зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н, качественный вид которой при определенных допущениях для ферромагнетиков (железо, никель, кобальт и др.) имеет вид (см. рисунок а). рис а
рис б
рис в
Учитывая, что получаем зависимость mr(H), качественный вид которой
приведен на рисунке б. С другой стороны,
где w – число витков обмотки,
I - ток в обмотке,
l - длина средней магнитной силовой линии.
Таким образом, если подавать в обмотку управления с числом витков wу ток Iвх, магнитная проницаемость mr сердечника магнитного усилителя будет изменяться, что в свою очередь приведет к изменению индуктивности Lр дросселя рабочей обмотки с числом витков wр.
Изменение Lр повлечет изменение тока Iвых в выходной цепи (в том числе через нагрузку Rн), питаемую переменным напряжением. С учетом вышеперечисленных зависимостей можно получить статическую характеристику МУ (в). Эта характеристика соответствует однотактному МУ.
По оси ординат отложено среднее значение выходного тока Iвых.ср., так как выходной ток не является синусоидальным в силу принципиально нелинейного характера работы МУ.
Дроссель Др во входной цепи схемы на рисунке выполняет функции фильтра высоких частот. Необходимость его установки связана с тем, что входная обмотка с точки зрения выходной является вторичной обмоткой трансформатора и в ней будут наводится ЭДС с частотой напряжения питания Uпит. Для постоянного же или медленно меняющегося тока Iвх дроссель Др сопротивления не создает.
Рассмотренная конструкция МУ на практике применяется крайне редко, так как вес и габариты дросселя Др могут быть гораздо больше, чем самого МУ. Чаще используется конструкция с Ш-образным сердечником (рисунок 10). В этом случае рабочие обмотки располагаются на крайних стержнях сердечника, а обмотка управления – на среднем.
Переменные составляющие ЭДС, наводимые от рабочих обмоток в обмотке управления, взаимно компенсируются, так как переменные магнитные поля в среднем стержне направлены навстречу друг другу. Однако, полной компенсации не достигается. Это связано с тем, что МУ – устройство в принципе нелинейное, поэтому в сердечнике, наряду с основной гармоникой будут циркулировать вторая, третья и др. гармоники. В среднем стержне будут уничтожаться только нечетные гармоники, в том числе и первая.
58 Усилитель с подмагничиванием
В некоторых случаях, чтобы Iвых МУ зависело не только от величины, но и от знака изменения Iвх, Применяют начальное подмагничивание. Для этого на средний стержень наматывают вспомогательную обмотку с числом витков wпм.
Тогда при токе подмагничивания Iпм статическая характеристика МУ в координатах Iвых.ср и Iвх примет вид, представленный на рисунке
Направление сдвига начала координат относительно исходных (пунктирная линия на рисунке 17) зависит от знака подмагничивающего тока Iпм. Величина сдвига определяется путем расчета приведенного подмагничивающего тока
Усилитель начинает реагировать на знак входной величины тока, т.е. выходной ток уже другой.
59 Однотактный усилитель с обратной связью
Для увеличения коэффициента усиления МУ по мощности обычно применяют магнитную положительную обратную связь (ПОС), которая может быть внутреннего и внешнего типов. Внутренняя магнитная ПОС получается в том случае, когда рабочие обмотки соединяются параллельно и в каждую включается вентиль. Образующаяся постоянная составляющая Вср оказывает подмагничивающий эффект. Чаще применяется внешняя магнитная ПОС.
В этом случае на средний стержень сердечника помещается Дополнительная обмотка с числом витков wос (рисунок ), в которую подается выпрямленный мостовой схемой выходной ток. Следует подчеркнуть, что однозначное направление тока обратной связи Iос приводит к тому, что положительная обратная связь будет только для одного направления тока управления. Для другого направления тока Iвх связь будет отрицательной.
Кроме магнитной обратной связи (ОС) можно осуществить электрическую ОС, когда полученное на выходе напряжение (или часть его) включается последовательно со входным.
60 Двухтактные магнитные усилители
В тех случаях, когда к МУ предъявляются требования отсутствия тока холостого хода или реверсивности, применяют двухтактные МУ. Существуют три основные схемы двухтактных МУ:
- дифференциальная схема включения
- мостовая схема;
- трансформаторная схема.
Дифференциальная схема двухтактного МУ состоит из двуходнотактных МУ, у которых обмотки подмагничивания включены так, что в одном МУ их магнитодвижущая сила (МДС) складывается, а в другом – вычитается из МДС обмотки управления. Выходное напряжение образуется как разность падений напряжений на нагрузке Rн от токов I1 и I2. Учитывая, что сдвиг фаз токов I1 и I2 между собой составляет 180о и считая условно одну из фаз за плюс, другую – за минус, можно получить статическую характеристику МУ геометрическим сложением статических характеристик однотактных МУ
61 Классификация взрывоопасных зон
Для классификация взрывоопасных зон и определения их размеров используются следующие критерии:
вероятность и продолжительность присутствия огнеопасных смесей;
концентрация и тип огнеопасных веществ (газ, пар, жидкость, пыль);
физические параметры огнеопасных смесей:
- температура вспышки;
- температура самовоспламенения;
- минимальная электрическая энергия поджигания.
62Определение взрывоопасной зоны
Взрывоопасная зона – зона, в которой имеется или может образоваться взрывоопасная газовая смесь в объеме, требующем специальных мер защиты при конструировании, изготовлении и эксплуатации электроустановок.
В таких зонах для обеспечения безопасной эксплуатации электрооборудования должны применяться соответствующие виды взрывозащиты.
Зона класса 0 – зона, в которой взрывоопасная смесь присутствует постоянно или в течение длительных периодов времени (зоны класса В-I по ПУЭ).
Зона класса 1 – зона, в которой существует вероятность присутствия взрывоопасной смеси в нормальных условиях эксплуатации (зоны класса В-Iа по ПУЭ).
Зона класса 2 – зона, в которой маловероятно присутствие взрывоопасной смеси в нормальных условиях эксплуатации, а если она возникает, то редко , и существует очень непродолжительное время (зоны класса В-Iб и В-Iг по ПУЭ).
63 Основные определения
Вид взрывозащиты – специальные меры, предусмотренные в электрооборудовании с целью предотвращения воспламенения окружающей взрывоопасной газовой среды; совокупность средств взрывозащиты электрооборудования.
Средство взрывозащиты электрооборудования – конструктивное и/или схемное решение для обеспечения взрывозащиты электрооборудования.
Уровень взрывозащиты электрооборудования – степень взрывозащиты электрооборудования при установленных нормативными документами условиях.
Электрооборудование повышенной надежности против взрыва – взрывозащищенное электрооборудование, в котором взрывозащита обеспечивается только в признанном нормальном режиме его работы.
Взрывобезопасное электрооборудование – взрывозащищенное электрооборудование, в котором взрывозащита обеспечивается как при нормальном режиме работы, так и при признанных вероятных повреждениях, определяемых условиями эксплуатации, кроме повреждений средств взрывозащиты.
Особовзрывобезопасное электрооборудование – Взрывозащищенное электрооборудование, в котором по отношению к взрывобезопасному электрооборудованию приняты дополнительные средства взрывозащиты.
64 Группа I, Группа II
Группа I – рудничное взрывозащищенное электрооборудование, предназначенное для применения в подземных выработках шахт, рудников и в их наземных строениях, опасных по рудничному газу и/или горючей пыли.
Группа II - взрывозащищенное электрооборудование для внутренней и наружной установки, предназначенное для потенциально взрывоопасных сред, кроме подземных выработок шахт и рудников и их наземных строений, опасных по рудничному газу и/или пыли.
Электрооборудование группы II может подразделяться на подгруппы IIА, IIB и IIС в соответствии с категорией взрывоопасности смеси, для которой оно предназначено.
Это подразделение базируется на безопасном экспериментальном максимальном зазоре (БЭМЗ) для оболочек или минимальном токе воспламенения (МТВ) для электрооборудования с искробезопасными цепями.
Группы электрооборудования Уровень
взрывозащиты Горючие
вещества
II 0 – особовзрывобезопасное электрооборудование Газ, пар,
туман
1 – взрывобезопасное электрооборудование Газ, пар,
туман
2 – электрооборудование повышенной надежности против взрыва Газ, пар,
туман
65 Температурные классы
Электрооборудование группы II классифицируют в соответствии с температурными классами.
Максимальная температура поверхности не должна быть выше значения наименьшей температуры самовоспламенения взрывоопасной среды.
Температурный класс Максимальная температура поверхности, оС
Т1 450
Т2 300
Т3 200
Т4 135
Т5 100
Т6 85
66 Виды взрывозащиты
1 Искробезопасная электрическая цепь «i» Основан на методе предотвращения взрыва или воспламенения за счет ограничения электрической и тепловой энергии. Сам факт взрыва исключается. Не всегда применим, т.к. в ряде случаев ограничение энергии приводит к потери работоспособности прибора.
2 Взрывонепро-ницаемая оболочка «d» Основан на методе сдерживания взрыва. Главный принцип - не дать взрыву распространиться за пределы оболочки прибора. Предъявляются жесткие требования к конструкции и механической прочности корпуса прибора.
3 Герметизация компаундом «m» Основан на принципе физического разделения (изоляции) взрывоопасных частей и элементов прибора от взрывоопасной среды. Применение: коммутирующие приборы малой мощности, индикаторы, датчики.
4 Масляное заполнение оболочки«o» Оболочка заполняется маслом или жидким негорючим диэлектриком. Применение: трансформаторы, пусковые сопротивления.
5 Кварцевое заполнение оболочки«q» Оболочка заполняется кварцевым песком. Применение: трансформаторы, конденсаторы.
6 Заполнение или продувка оболочки под избыточным давлением «p» Продувка осуществляется чистым воздухом или инертным газом. Применение: сильноточные распределительные шкафы, анализаторные приборы, двигатели.
7 Взрывозащита типа«e»(повышенная надежность) Метод заключается в том, что в электрооборудовании, не имеющем нормально искрящих частей, принят ряд мер в дополнительно к используемым в электрооборудовании общего назначения, затрудняющих появление опасных нагревов, искр и электрических дуг. Применение: клеммные и соединительные коробки, светильники, посты управления, распределительные устройства.
67 Искробезопасная электрическая цепь
Защита вида "искробезопасная электрическая цепь" является самой распространенной в промышленных контроллерах. Искробезопасной называют электрическую цепь, в которой любое искрение не вызывает воспламенение; более точно, вероятность того, что воспламенение возникнет, составляет менее 0,001. Тепловое воздействие такой цепи также не способно воспламенить взрывоопасную смесь.
Для того, чтобы электрическая цепь была искробезопасной, необходимо удовлетворить множеству требований стандарта ГОСТ Р 51330.10, однако смысл этих требований сводится к ограничению энергии и мощности искры до безопасных значений. Возможность защиты от взрыва таким способом основана на том, что воспламенение и взрыв происходят только при условии, если энергии искры достаточна для инициализации цепной реакция горения, а мощность искры достаточна для компенсации утечки тепла из ядра пламени.
Для ограничения энергии искры нужно ограничить ток, напряжение и продолжительность искрения
68Уровень искробезопасных цепей
Искробезопасная цепь не должны вызывать воспламенение взрывоопасной смеси в условиях испытаний от теплового воздействия, и от искрений - с вероятностью большей 10-3 в каждом случае:
1) при нормальной работе и введении всех не учитываемых повреждений, создающих наиболее опасные условия. Уровень ic.
2) при нормальной работе, введении одного учитываемого и всех не учитываемых повреждений, создающих наиболее опасные условия. Уровень ib.
3) при нормальной работе, введении двух учитываемых и всех не учитываемых повреждений, создающих наиболее опасные условия. Уровень ia.
69 Маркировка взрывозащищенного оборудования
Уровень взрывозащиты - 0, 1, 2
Знак Ех, указывающий на соответствие электрооборудования стандартам на взрывозащиту конкретного вида
Вид взрывозащиты в соответствии со стандартами ГОСТ Р серии 51330 - "d", "e", "i"
Искробезопасная электрическая цепь "i" в соответствии с ГОСТ Р 51330.10-99 имеет три уровня взрывозащиты - "ia", "ib" или "ic"
Подгруппа электрооборудования - IIA, IIB, IIC
Обозначение температурного класса - Т1,…, Т6
Знак X указывает на специальные условия безопасного применения электрооборудования
1ExibIIAT3 1Exd[ib]IIAT3 X
1 – взрывобезопасное электрооборудование
ib – вид взрывозащиты – искробезопасная электрическая цепь уровня ib
d – вид взрывозащиты – взрывонепроницаемая оболочка
IIA – подгруппа электрооборудования
Т3 – температурный класс (температура поверхности меньше 200оС)
X – указание на специальные условия безопасного применения электрооборудования
70 Пример расположения модулей ввода-вывода серии NL-Ex во взрывоопасной зоне
71 Принцип работы реле
Реле – автоматические приборы управления, обладающие релейным действием, т.е. скачкообразным изменением состояния управляемой цепи.
Типы реле:
Электрические – реагируют на электрические величины
Механические – реагируют на неэлектрические величины: скорость истечения жидкости или газа, уровень жидкости
Тепловые – реагируют на количество выделенного тепла или изменение температуры
Реле - устройство, предназначенное для дискретного управления током или напряжением. Реле позволяет с помощью маломощного тока небольшого напряжения переключать токи и напряжения большей мощности, то есть производить включения/выключения мощных электроаппаратов
Реле состоит из электромагнита и подвижного якоря, подвешенного на пружине
В нормальном состоянии якорь з
Приборы, выполняющие только функцию преобразования измеряемой физической величины в иной вид, называются преобразователями или датчиками.
Датчик – устройство, преобразующее измеряемый параметр технологического процесса в вид, удобный для дальнейшей передачи и использования.
Характеристики элементов
Статические характеристики отображают связь входных и выходных параметров звеньев в установившемся режиме. Они могут быть заданы аналитически (в виде функциональной зависимости), таблично или графически.
Динамические характеристики отображают связь входных и выходных параметров звеньев во времени. Основными динамическими характеристиками являются переходная и импульсная (весовая) характеристики.
Модели динамики звеньев могут быть заданы в виде дифференциальных уравнений. Для линейных звеньев часто в качестве моделей используются передаточные функции
где Хвх(s) и Хвых(s) – изображения по Лапласу для входных и выходных параметров.
Чувствительность. Для нелинейных элементов различают:
- статическую чувствительность
где Хвх и Хвых – значения входных и выходных параметров; то есть чувствительность элемента эквивалентна его коэффициенту усиления;
- дифференциальную чувствительность часто под чувствительностью S понимают максимальную чувствительность элемента.
Порог чувствительности DХвх – максимальное изменение значения входной величины, вызывающее изменение выходной величины.
По чувствительности знака (фазы) выходной величины элемента к знаку (фазе) входной величины различают:
- однотактные (нереверсивные, нейтральные) элементы, у которых знак (фаза) выходной величины не зависит от знака (фазы) входной;
- двухтактные (реверсивные, поляризованные), у которых знак выходной величины зависит от знака входной.
По виду измеряемой величины различают датчики: механического перемещения, скорости, частоты, усилия, давления, уровня, расхода, температуры, светового потока, сдвига фаз и т.д.
Параметрический датчик, питаемый от источника с напряжением Е, можно представить в виде пассивного четырехполюсника (рисунок 2), с одной стороны которого включен источник ЭДС Е, а с другой – нагрузка сопротивлением Zн.
Хвх – входной (измеряемый) параметр, от которого зависит выходное напряжение Uвых. Если Е = const, то Uвых = f(Хвх).
Отсутствие нагрузки называется холостым ходом и соответствует случаю, когда Zн = ¥.
Если рассмотреть датчик с точки зрения нагрузки, то его можно представить как элемент, имеющий собственный (внутренний) источник ЭДС Евн и внутренне сопротивление Zвн (рисунок 3).
2. Условия, при которых мощность, отдаваемая в нагрузку,максимальна
Полезная мощность, отдаваемая в нагрузку равна
Рн = I2*Rн,
где Rн активное сопротивление нагрузки,
I – ток, протекающий через нагрузку, который в комплексной форме равен
С учетом того, что Евн = Uвых.о, а внутреннее сопротивление и сопротивление нагрузки состоят из активной и реактивной составляющих:
Zвн = Rвн + j*Xвн,
Zн = Rн + j*Xн,
тогда амплитуда тока I равна
Тогда полезная мощность равна
Условие максимума мощности с учетом того, что нагрузка может иметь как активную Rн, так и реактивную Хн составляющие:
Из первого условия получено оптимальное значение активной составляющей сопротивления нагрузки
Rн=RВн
Из второго условия получено оптимальное значение для реактивной составляющей Хн = - ХВн
3 Методы измерения линейных и угловых перемещений. Потенциометрические датчики
Потенциометрические датчики (ПД) представляют собой проволочный реостат с поступательным или круговым движением ползунка.
Их также применяют в качестве задатчиков напряжения.
В режиме холостого хода можно считать статическую характеристику датчика линейной:
Uвых.о = E Хвх/L = E
где - относительное перемещение ползунка:
Статическая характеристика ПД в режиме холостого хода и нагрузочном режиме
4 Схемы двухтактных ПД
Каркас ПД обычно изготавливается из пластмассы, керамики или алюминия с оксидированной поверхностью. В качестве материалов обмотки используются сплавы, имеющие высокое удельное сопротивление и малый температурный коэффициент сопротивления: нихром, константан, манганин, иридиевая платина. Диаметр провода обычно 0,03 … 0,1 мм.
Контакты изготавливаются из серебра, сплава платины с бериллием.
5 Индуктивные датчики
Индуктивные датчики (ИД) используются для измерения небольших перемещений.
Представляют собой электромагнитный дроссель, индуктивность которого изменяется в зависимости от перемещения одной из подвижных частей (обычно якоря).
Питание ИД осуществляется от источника переменного тока.
Нагрузка включается последовательно с обмоткой, и через нее течет ток I. Напряжение на нагрузке равно Uвых = I*Zн.
Дроссель состоит ярма с обмоткой и якоря, который обычно является подвижным элементом дросселя. Перемещение якоря обозначено как Хвх.
При протекании тока I через обмотку в металле дросселя создается магнитное поле.
Магнитный поток Ф проходит через металл ярма и якоря, а также через два воздушных зазора между ярмом и якорем. При перемещении якоря изменяется индуктивность дросселя
где w – число витков обмотки, RM – магнитное сопротивление дросселя, создаваемое магнитному потоку Ф. Оно складывается из магнитных сопротивлений ярма Rярм, якоря Rяк и двух воздушных зазоров с сопротивлением Rx: RM = Rярм + 2*Rвx + Rяк.
Магнитные сопротивления каждого участка рассматриваемого магнитопровода определяются по формуле
где L – средняя длина пути магнитного потока на данном участке магнитопровода;
S – сечение данного участка магнитопровода;
mа – абсолютная магнитная проницаемость вещества; mо = 4*p*10-7 Гн/м – магнитная постоянная;
mr – относительная магнитная проницаемость вещества. Для воздуха принимается mr = 1, а, например, для электротехнической стали Э42 mr = 200000.
Тяговое усилие
где S – площадь сечения выходящего из якоря магнитного потока Ф.
Однотактные ИД используются довольно редко из-за возникновения больших тяговых усилий (порядка нескольких килограммов) между ярмом и якорем.
6 Двухтактные ИД
Двухтактные ИД обычно представляют собой два дифференциально включенных однотактных ИД
Статическая характеристика получается графическим сложением статических характеристик однотактных ИД
7 Емкостные датчики
Предназначены для измерения линейных, угловых перемещений, уровней жидкости и других физических величин, которые могут быть преобразованы в электрическую емкость.
Емкостные датчики (ЕД) – датчики, у которых чувствительным элементом является конденсатор (плоский или цилиндрический), емкость которого меняется в зависимости от расстояния между пластинами, площади перекрытия пластин или диэлектрической постоянной диэлектрика.
Для плоского конденсатора емкость вычисляется по формуле
где - диэлектрическая проницаемость вакуума;
er - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
S – площадь перекрытия пластин;
d - расстояние между пластинами.
Емкость цилиндрического конденсатора на единицу длины определяется по формуле
где D – диаметр внешней обкладки, d – диаметр внутренней.
8 Схема двухтактного ЕД
В данном случае ЕД используется как датчик перемещения Хвх, причем конденсатор состоит из трех обкладок и фактически представляет собой два конденсатора (С1 и С2) с одной общей подвижной обкладкой. Здесь Rб – балластные сопротивления.
С целью максимизации мощности, отдаваемой в нагрузку, схему настраивают в резонанс.
9 Порядок расчета ЕД
1. Определяется статическая характеристика Uвых.о. = f(Хвх) холостого хода. Для получения этой характеристики ЕД изображается в виде моста (рисунок 2)
Выходное напряжение
После преобразовани
Для случая, когда в качестве чувствительного элемента используется цилиндрический конденсатор, входной величиной является, как правило, уровень жидкости
10. Измерение угловой скорости. Тахогенераторы
Тахогенераторы (ТГ) – это миниатюрные генераторы постоянного или переменного тока с независимым возбуждением (для независимого возбуждения используются постоянные магниты или обмотка возбуждения, питаемая источником постоянного напряжения).
Ток обмотки возбуждения ОВ, создаваемый напряжением Uв, остается постоянным, поэтому напряжение Uвых в статике будет определяться только угловой частотой
Uвых = К*wвх,
где К – константа.
ТГ постоянного тока имеют щеточные контакты и обладают сравнительно большой температурной нестабильностью, что является их недостатком.
По этой причине часто применяются асинхронные ТГ переменного тока
Чем быстрее вращается ротор тем больше выходное напряжение если ротор не вращается напряжения нет.
На статоре такого ТГ расположены две взаимно перпендикулярные обмотки: обмотка возбуждения и выходная обмотка. Ротор представляет собой алюминиевый стакан, вращающийся в зазоре между статором и неподвижным цилиндрическим сердечником.
При неподвижном роторе Uвых = 0, так как обмотки расположены под углом 90о.
При вращении ротора в нем наводятся ЭДС, вызывающие протекание токов в стакане. Последние образуют магнитные поля, которые наводят ЭДС в выходной обмотке, причем фаза ЭДС зависит от направления вращения ротора.
11. Измерение механических усилий. Магнитоупругие датчики
Магнитоупругие датчики (МУД) используются для измерения механических усилий, веса, деформаций, давления и других физических величин, преобразуемых в механические усилия.
Устройство МУД основано на свойстве некоторых материалов изменять магнитную проницаемость mа в зависимости от возникающих в них механических напряжений s, обусловленных воздействием механических сил Р. Изменение mа вызывает изменение магнитного сопротивления RM материала.
МУД в виде переменных индуктивных сопротивлений
Если на сердечник из материала, обладающего магнитоупругими свойствами намотать катушку, то изменение магнитного сопротивления RМ приведет к изменению индуктивности дросселя Lдр и, соответственно, к изменению его сопротивления Zдр, что можно зафиксировать по изменению тока I, протекающего через обмотку.
Таким образом, последовательность причинно-следственных связей будет иметь вид: Р ® s ® mа ® RM ® Lдр ® Zдр ® I.
МУД трансформаторного типа
13.Оптико-электрические преобразователи
Различают прямые и обратные оптико-электрические преобразователи (ОЭП).
Прямые ОЭП преобразуют излучение в изменение тока, напряжения или сопротивления. Прямые ОЭП делятся на три группы:
- ОЭП с внешним фотоэффектом (фотоэлементы);
- ОЭП с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы);
- вентильные ОЭП.
Обратные ОЭП преобразуют электрический ток или энергию электрического поля в световую энергию.
Известны два типа обратных ОЭП: конденсаторные ОЭП и инжекционные диоды.
14 ОЭП с внешним фотоэффектом
Фотоэлементы представляют собой представляют собой вакуумные или газонаполненные двухэлектродные лампы (см. рисунок 10), у которых фотокатод 1 под действием излучения Рвх или светового потока Ф испускает электроны. Это явление называется фотоэмиссией и наиболее сильно проявляется у металлов щелочной группы (например, у цезия).
Электроны с катода направляются под действием напряжения батареи Е к аноду 2, в результате чего через нагрузку Rн начинает протекать фототок Iф.
Количество эмитируемых электронов пропорционально (при удачно подобранных Rн и Е) величине (мощности) потока излучения Рвх или светового потока Ф:
Iф = К*Рвх
Iф = К*Ф,
где К – коэффициент, характеризующий так называемую интегральную чувствительность.
Интегральная чувствительность – это величина фототока, возникающего в результате облучения фотоэлемента излучением мощностью 1 Вт или световым потоком в 1 люмен независимо от спектра излучения.
Основные характеристики фотоэлемента: вольт-амперные характеристики (ВАХ), световые спектральные. ВАХ показывают как зависит величина фототока от анодного напряжения при постоянных Рвх или Ф.
ВАХ Вакуумные Газонаполненные
Световые характеристики показывают как зависит фототок от мощности излучения Рвх или светового потока Ф при постоянных анодных напряжениях.
Увеличивается поток и растет ток.
15 Фотоумножители
Применяются для регистрации слабых излучений. Фотоумножитель представляет собой многоэлектродную лампу, каждый электрод которого кроме первого и последнего используется и как катод, и как анод
Между соседними электродами подаются напряжения порядка тысячи вольт. При этом электроны, выбитые излучением из первого катода 1 разгоняются в сильном электрическом поле и выбивают электроны из катода 2.
При этом количество выбитых электронов увеличивается. Они выбивают электроны из третьего электрода и т.д.
В результате поток электронов на аноде будет в Ку раз больше, чем поток, уходящий с катода 1:
Ку = sn,
где s = 6…8, n – число каскадов.
16 Вентильные ОЭП
Вентильные фотоэлементы являются, в отличие от предыдущих, элементами генераторного типа. При облучении в них развивается ЭДС до 1 В. Свое название вентильные ОЭП получили потому, что пропускают ток только в одном направлении.
Конструктивно вентильные ОЭП устроены следующим образом (см. рисунок 13): на металлический электрод нанесен слой полупроводника (сернистый таллий, сернистое серебро, селен), а на него осаждена полупрозрачная пленка золота, которая является вторым электродом. Сверху фотоэлемент защищен от окружающей среды. Полярность ЭДС определяется типом полупроводника.
К вентильным ОЭП относятся также фотодиоды и фототранзисторы. В фототранзисторах облучается базовая область. Эффект действия света аналогичен действию напряжения база-эмиттер.
17 Обратные ОЭП
Обратные ОЭП преобразуют электрический ток или энергию электрического поля в световую энергию.
Известны два типа обратных ОЭП: конденсаторные ОЭП и инжекционные диоды.
Устройство конденсаторных ОЭП основано на свойстве некоторых веществ светиться под действием электрического поля.
18 Конденсаторные ОЭП
Под действием приложенного напряжения U (переменного или постоянного, в зависимости от типа ОЭП), начинает светиться люминофор. Световой поток проходит сквозь одну из обкладок конденсатора, которая изготавливается прозрачной.
В инжекционных диодах световой поток возникает за счет рекомбинации электронов и «дырок» при переходе «дырок» через p-n переход.
19 Законы алгебры логики
Сочетательный закон (а+в)+с=(а+с)+в
Переместительный закон а+в+с=а+с+в
Распределительный закон а*в+а*с=а*(в+с)
Закон поглощения а+а*в=а
Закон склеивания а*в+а*в=а*(в+в)=а
Закон инверсии а+в+с=а*в*с; а*в*с=а+в+с
20 Преобразование логических функций
Для последующих преобразований удобны следующие формы представления функций: совершенная дизъюнктивная нормальная форма (СДНФ) и совершенная конъюнктивная нормальная форма (СКНФ).
Дизъюнктивной нормальной формой (ДНФ) называется такая форма представления функции, при которой логическое выражение строится в виде дизъюнкции ряда членов, каждый из которых является простой конъюнкцией аргументов или их инверсий.
Если в каждом члене ДНФ представлены все аргументы или инверсия, то такая форма носит название СДНФ. Выражение (1) не является СДНФ, т.к. в нём лишь третий элемент содержит все аргументы.
Для перехода от ДНФ к СДНФ необходимо в каждый из членов, в которых представлены не все аргументы, ввести (путём умножения) выражение вида , т.к , такая операция не изменяет значение функции.
Если исходная функция дана в табличной форме, то СДНФ получается непосредственно
Примечание: Любая функция имеет единственную СДНФ
Конъюнктивной нормальной формой (КНФ) называется форма представления функции в виде конъюнкции ряда членов, каждый из которых является простой дизъюнкцией аргументов (или их инверсий).
В СКНФ в каждом члене должны быть представлены все аргументы. Для перехода от КНФ к СКНФ необходимо добавить (путём сложения) к каждому члену, не содержащему всех аргументов, члены вида , т.к. , то такая операция не изменит значение функции.
Добавление к члену a образует выражение , которое можно привести к виду
СКНФ легко строится по таблицам: для тех строк где y=0 , если аргумент=1, то берём его инверсию
21 Синтез дискретных систем управления по таблицам состояния
На основании таблиц составляют структурную формулу, описывающую логические связи. При составлении структурных формул применяют правило истинности (правило единиц) или же правило ложности (правило нулей).
Согласно правилу единиц для строк таблиц состояний, где выходная величина 1, определяют произведения входных величин и складывают их, т.е. определяют дизъюнкции конъюнкций входных переменных для строк, где выходная величина равна 1. Если значение входной величины 0, то берут её инверсию.
Согласно правилу нулей, структурную формулу составляют путём определения конъюнкции дизъюнкций входных сигналов строк таблиц состояний, в которых выходная величина равна 0. Если входная величина равна 1, берут её инверсию.
22. Минимизация логических функций
Метод содержит два этапа преобразования выражения:
1) переход от СДНФ (СКНФ) к сокращённой форме;
2) переход от сокращённой формы к минимальной форме.
Переход к сокращённой форме основан на последовательном применении двух операций: склеивания и поглощения.
Для выполнения операции склеивания выявляются в выражении пары членов вида а-х и а∙х, различающихся лишь тем, что один из аргументов в одном из членов представлен без инверсии, в другом – с инверсией.
Затем производится склеивание таких пар:
Результат склеивания “a”, вводится в выражение в качестве дополнительных членов. Далее проводится операция поглощения. Она основана на равенстве
(член “а” поглощает член а∙х). При проведении этой операции из логического выражения вычёркиваются все результаты склеивания; операции склеиваний и поглощений проводятся до тех пор, пока их выполнение оказывается возможным.
23 Понятие о карте Карно
Рассмотрим логическую функцию двух переменных f(a, b). Две входные логические переменные a и b могут образовать всего четыре возможных набора. Каждому набору можно поставить в соответствие клетку карты Карно. В эту клетку записывается значение функции (0 или 1) для данного набора.
b
a
Входные переменные располагаются по внешним сторонам карты напротив её строк и столбцов. При этом значение каждой из входных переменных относится ко всей строке (или столбцу) и равно 1, если напротив столбца стоит под скобкой обозначение этой переменной; для остальных строк (столбцов) значение этой переменной равно 0. Эти значения входных переменных не пишутся на карте, а подразумеваются.
24 Составление карт Карно по таблицам истинности
Карта Карно может составляться непосредственно по таблице истинности. Для этого строится карта с числом клеток равным числу строк таблицы. По внешним сторонам карты определённым образом располагаются входные переменные. Для каждой строки отыскивается соответствующий набор (клетка) карты. В эту клетку проставляется значение функции для данного набора.
Число строк(клеток) карты Карно определяется величиной 2n, где n равно числу входных переменных. Отсюда следует, что прибавление каждой новой переменной удваивает число клеток, т.е. увеличивает карту вдвое. При этом новые переменные должны располагаться так, чтобы иметь общую площадь со всеми прежними переменными.
25 Составление карт Карно по алгебраическим выражениям
1) По числу переменных строится карта Карно и располагаются переменные.
2) Заданное алгебраическое выражение приводится в СДНФ.
3) В карте Карно для каждого члена СДНФ находится соответствующая клетка (с таким же набором переменных) в которую записывается 1, а в остальные клетки карты записывается 0.
26 Свойства карты Карно
1. Наборы значений переменных для соседних клеток карты Карно отличаются значением лишь одной переменной. При переходе из одной клетки в соседнюю всегда изменяется значение лишь одной переменной от своего прямого значения к его инверсии и обратно.
2. Соседними между собой являются тоже крайние левые клетки карты с крайними правыми и крайние верхние клетки карты с крайними нижними (как если бы карты были свёрнуты в цилиндры по вертикали или по горизонтали). В этом легко убедиться, сравнивая выражения для столбца или любой строки.
27 Определение СДНФ и СКНФ по картам Карно
СДНФ 1) Для каждой клетки, в которой функция имеет значение 1, записывается конъюнкция всех входных переменных (прямых или инверсных), соответствующих этой клетке.
2) Составляются дизъюнкции этих конъюнкций (это и есть СДНФ).
СКНФ 1) Для каждой клетки, в которой функция имеет 0, записывается дизъюнкция инверсий входных переменных.
2) Составляется конъюнкция этих этих дизъюнкций (это и есть СКНФ)
28 Метод минимизации с помощью карт Карно
Для получения на карте Карно минимального выражения логической функции следует руководствоваться единственным правилом (кроме общих правил): единицы и нули должны объединяться минимальным числом наибольших контуров.
Этот метод просто и наглядно минимизирует функции из 4-6 переменных.
29 Определение по карте Карно алгебраических выражений логических функций
ПРАВИЛА:
1) Все единицы (при записи функции дизьюнктивной форме) и все нули (при записи функции в коньюнктивной форме) д/б заключены в прямоугольные контуры. Единичные контуры могут объединять несколько единиц, но не должны содержать внутри себя нулей. Нулевые контуры могут объединять несколько нулей, но не должны содержать внутри себя единиц. Одноимённые контуры могут накладываться друг на друга, т.е. одна и та же единица (или нуль) может входить в несколько единичных (нулевых) контуров.
2) Площадь любого контура д/б симметричной относительно границ переменных, пересекаемых данным контуром, т.е. число клеток д/б равно 2 в степени n, где n=0, 1, 2, 3... Или число клеток = 1, 2, 4, 8, 16...
3) Во избежание получения лишних контуров, все клетки которых вошли уже в другие контуры, построение следует начинать с тех единиц или нулей, которые могут войти в одни единственный контур.
4) В контуры можно объединять только соседние клетки, содержащие единицы ли нули. Соблюдение этого правила особенно необходимо проверять при числе переменных, большем четырёх, когда соседние клетки могут быть расположены не рядом и поэтому контуры могут претерпевать видимый разрыв.
5) Каждой единичной клетке соответствует конъюнкция входных переменных, определяющих данную клетку. Каждой нулевой клетке соответствует дизъюнкция инверсий переменных.
6) В контуре, объединяющем две клетки, одна из переменных меняет своё значение, поэтому выражение для контура из двух клеток не зависит от этой переменной, а представляется всеми остальными переменными. Это правило относится и к контурам, охватывающим число клеток более двух, и имеет следующую формулировку: выражения, соответст-вующие контурам, не содержат тех переменных, чьи границы пересекаются площадью, ограниченной данным контуром.
7) Для контуров, охватывающих различное количество клеток, получаются выражения различной сложности. Поэтому для данной логической функции можно записать по её карте Карно несколько отличающихся по сложности алгебраических выражений. Наиболее сложное выражение соответствует случаю, когда каждый клетке соответствует свой контур. Это СДНФ или СКНФ. С увеличением размеров контуров алгебра-ическое выражение упрощается
30 Гальваническая развязка
Одним из основных методов обеспечения устойчивой работы при высоком уровне электромагнитных помех является организация связи с силовыми исполнительными органами и объектами управления путём гальванической развязки датчиков и приёмников информации. Гальваническая развязка при этом решает:
А) Вопросы подключения датчиков и приёмников к разнопотенциальным точкам (возможные разности потенциалов до 1000 В);
Б) Вопросы снижения ёмкостной связи цифровой части с источниками помех (силовые органы).
Схема наложения помехового сигнала в виде синфазной составляющей (действующей на оба полюса полезного сигнала относительно «земли»)
Uд – напряжение датчика;
Uп – напряжение помехи;
ППУ – приемно-передающее устройство;
РУ – развязывающее устройство;
УОП – устройство обратного преобразования.
Схема воздействия помех на компьютерную систему
Генератор помех Un через эквивалентный резистор связи Rc соединён с обкладкой эквивалентного конденсатора гальванической развязки Cгр. Этот конденсатор и является фактическим связующим (паразитным) элементом между измерительной частью и КС. Степень ослабления токов помехи зависит от снижения емкостной связи КС с датчиками Сгр.
31 Развязка посредством магнитного поля
М- Модулятор, У- усилитель, ДМ- демодулятор
Обеспечивает высокую точность и линейность
Однако при снижении значений сигнала до единиц милливольт (например, при подключении в качестве датчиков термоэлектрических преобразователей) возникает проблема, связанная со значительным влиянием параметров ключевого элемента в модуляторе на моделирующий сигнал.
Это связано: 1) с падением напряжения на открытом ключе – у биполярных тиристоров падение напряжения на ключевых компенсированных парах – порядка сотен микровольт;
2) с проникновением коммутирующего напряжения из цепи управления Uг в коммутирующую цепь (у ключей на полевых транзисторах, имеющих повышенное значение ёмкости затвор-канал в сочетании с высоким уровнем управляющего напряжения (Uг≥3…5В). Данные недостатки ограничивают область применения гальванического узла с трансформаторной развязкой.
32 Развязка посредством оптоэлектронных устройств
Переход в устройствах гальванической развязки на оптронные устройства позволяет существенно снизить ёмкостную связь датчиков с КС. Проходная ёмкость проходных оптронных элементов не превышает единицу пикофарад. Устройства гальванической развязки на оптронных элементах можно разделить на две группы: с предварительным кодированием и передачей в дискретной (цифровой) форме; с аналоговой передачей путём изменения интенсивности свечения светодиода.
Передача сигнала в аналоговой форме через оптопары до последнего времени не использовались в связи с низкой стабильностью светодиодов во времени и от температуры. Существенное повышение стабильности в передаче достигнуто в настоящее время благодаря использованию сдвоенных приёмников в оптроне, выполненных с идентичными свойствами с использованием интегральной технологии и находящихся в одном температурном режиме. Включение второго приёмника в цепь ОС в передающем устройстве позволяет линеаризовать весь канал развязки.
33 Потенциальная развязка
Трансформатор имеет две экранирующие обмотки. Такое включение экранов гарантирует, что ток, обусловленный паразитной ёмкостью между обмотками, при скачках напряжения в силовой цепи не приведёт к ошибочному включению тиристора.
34 Двухпозиционный регулятор
Регулирующее воздействие определяется величиной отклонения Х и величиной настройки регулятора.
Графически
Идеально: Характер любой, Реально: Зона возврата (зона неоднозначности)
но 2 значения
Аналитически
35 Трехпозиционный регулятор
В этом законе регулирования в зависимости от перемещения меняется скорость регулирующего органа, т.е (dµ)/dt
Идеально Реально
Пропорциональный регулятор
Кр – число(коэф. усиления)
Только понижает
И понижает и усиливает
Подаем Хо, реакция Хо•Кр
36 Дифференциальный регулятор
Если регулируемая величина в какой-либо момент времени начинает быстро отклоняться от заданного значения, то в этом случае желательно иметь Регулятор, который бы вырабатывал регулирующее воздействие пропорциональное скорости изменения регулируемой величины- диф. регулятор
Такой регулятор при большой скорости отклонения регулируемой величины. Когда в начальный момент П-регулятор оказывает слабое регулирование, а интегрирующий регулятор только начинает оказывать воздействие, Д-регулятор оказывает существенное регулирующее воздействие. В качестве Д-регуляторов используются реальные дифференциальные звенья.
Подаем скачек
Реакция идеального диф звена
Реакция реального диф звена
37 Интегральный регулятор
Интегральный регулятор может обеспечивать нулевую ошибку регулирования и включение такого регулятора в систему делает ее астатической. Однако в системе без самовыравнивания такой регулятор применять нельзя, так как в системе будут включены два интегральных звена и система будет структурно неустойчивой. Регулирует без статической ошибки.
Ти- время интегрирования
Воздействие
Реакция интегрального звена
38 ПИ-регулятор
ОУ1 пропорциональная часть регулятора ОУ2 интегральная часть регулятора ОУ3 сумматор
39Пропорционально-дифференциальный регулятор
Где Тпв – постоянная предварения
40Пропорционально интегрально дифференциальный регулятор
1
2
Тпв- постоянная предварения, Тиз - постоянная изодрома
41 Определение оптимальной пропускная характеристика РО
Так как при расчете схем регулирования коэффициента передачи регулятора выбирается из условий получения оптимального процесса регулирования, то в тех случаях, когда желательно сохранение постоянства выбранного коэффициента передачи регулятора во всем диапазоне изменения нагрузок, следует стремиться к постоянству коэффициента передачи РО.
Рассмотрим работу РО с точки зрения принятого выше критерия – линейности РО. Проанализируем линейную расходную характеристику. Если параметры регулируемой среды, определяющие расход вещества, постоянны, то величина расхода зависит лишь от положения затвора. В этом случае регулируемая среда является носителем лишь регулирующих воздействий. Поэтому во всем диапазоне нагрузок РО будет иметь место постоянный коэффициент передачи 〖 d〗_μ/d_s Следовательно, если регулируемая среда является носителем лишь регулирующих воздействий, то линейная характеристика обеспечивает его линейность, т.е. постоянный коэффициент передачи.
Допустим, что какой-либо параметр среды изменяется. Например, давление газа в общей магистрали часто зависит от количества потребителей. В этом случае при изменении параметра среды каждому положению затвора будет соответствовать новое значение расхода, а расходная характеристика займет новое положение. Исходному положению затвора S0 будет соответствовать новое значение расхода μ_1, соответствующее новой расходной характеристике 2. Изменения расхода вещества вызовет отклонение регулируемого параметра от заданного значения, вследствие чего регулятор, воздействуя на исполнительное устройство, восстановит исходное значение расхода μ_0 при новом значении положения затвора 5, и новом значении коэффициента передачи 〖 d〗_μ/d_s. Следовательно, если в процессе функционирования АСР имеет место изменения параметров среды, то изменение нагрузки РО сопровождается изменением его коэффициента передачи 〖 d〗_μ/d_s, т.е. в этом случае линейная расходная характеристика не обеспечивает линейность РО.
Выполним подобный анализ для равнопроцентной расходной характеристики. Графически такой анализ интерпретируется следующим образом: касательные к кривым 1 и 2, проведенные через точки с ординатой μ_0, имеют одинаковый угол наклона к оси абсцисс. Таким образом, в последнем случае, изменение нагрузки РО происходит без изменения коэффициента передачи.
42Примеры выбора расходной характеристики
Алгоритм выбора формы расходной характеристики:
- Если основным возмущением в АСР является изменение расхода через РО, происходящее за счет изменения параметров среды, то для такой системы предпочтительно, равнопроцентная расходная характеристика.
- Если же изменение расхода вещества через РО происходит лишь при перемещении затвора РО, то в этом случае предпочтительным является линейная расходная характеристика.
После того, как выбрана предпочтительная форма расходной характеристики, следует определить форму пропускной характеристики, лучшим образом реализующей выбранную расходную.
Если желательной формой расходной характеристики является равнопроцентная, то следует выбрать регулирующий орган с равнопроцентной пропускной характеристикой. Если же наиболее целесообразной формой расходной характристики является линейная, то форма пропускной характеристики выбирается в зависимости от значения n.
- пропускная способность трубопровода,, определяется по формуле подстановкой в них вместо потери давления в участке (без РО)
где y- удельный вес, кгс/м3;
Q мах - объемный расход.
При n ≤ 1,2 следует выбирать РО с линейной пропускной характеристикой; при n ≥ 1,7 – с равнопроцентной.
Для промежуточных значений 1,2 ≤ n ≤ 1,7 может быть выбрана любая из этих форм пропускной характеристики.
В большинстве случаев предпочтительней является равнопроцентная пропускная характеристика, поэтому при отсутствии достаточных данных для расчета следует предусмотреть РО с равнопроцентной пропускной характеристикой.
Основными параметрами, по которым производится подбор и которые определяют основное функциональное назначение изделия, является условный проход Ду (мм) и условная пропускная способность (м3/ч). Номенклатура ИУ охватывает условные проходы от 10 до 1000 мм c условной пропускной способности от 0,1 до 25000 м3/ч.
43 Двухседельные клапаны
Двух седельные регулирующие органы получили большее по сравнению с односедельными распространение в следствии высокой пропускной способности (1,6 раза выше при тех же условиях прохода), не смотря на сложность конструкции, большую металлоёмкость и габариты. Двух седельные РО к тому же имеют разгруженную конструкцию затвора, требующих меньших перестановочных усилий от исполнительного механизма.
В корпусе ввинчены верхнее и нижнее сёдла. Затвор с двумя уплотнительными поверхностями скользит в направляющих втулках. Пробочный затвор двух сёдельного РО – наиболее трудоёмкая и быстро изнашивающая деталь. Каждые 3-4 месяца необходимо производить притирку поверхностей сёдел и затворов.
44 Односедельный РО
Сальниковое уплотнение для нормальных6-р состоит из фторопластовых колец 2, поджатых пружиной 3; для высоких температур – из асбестовых колец. Односедельные РО технологенны, характеризуются невысокой металлоемкостью и ремонтнопригодностью. Отсутствие застойных зон позволяет их для регулирования вязких сред.
45 Шланговые РО
Незаменимы в пищевой промышленности и при регулировании потоков шламообразующих сред. В корпусе РО с помощью фланцев с удлинённой конической частью зажимается эластичный патрубок- шланг, пережимаемый посередине двумя валиками-траверсами. Для сжатия шланга требуется значительное усилие, зато поток надёжно перекрывается в закрытом положении. Проход открывается под действием самого потока, поэтому привод может иметь пружину меньшей жёсткости. Затвор сконструирован так, что пропорциональное регулирование может осуществляться только на первой половине хода штока, считая от положения «открыто». При отсутствии движения жидкости давления на входе выравнивается и патрубок раскрывается. Самопроизвольные колебания патрубка наступают тем быстрее, чем больше период давления и меньше щель и жёсткость патрубка. Применяется отрезок резинового шланга с тканевой прослойкой.
46Диафрагмовые РО
Для регулирования потоков агрессивных сред при не высоких температурах и давлениях применяют диафрагмовые РО. Внутренняя поверхность проходного корпуса футеруется химически стойким материалом: полиэтиленом, резиной, фторопластом или эмалью. Затвор представляет собой диафрагму, закреплённую между корпусом и крышкой и привинченной к крестовине 4. Телескопическая опора 5 предохраняет диафрагму от выгибания под действием среды. Во избежание утечки среды в атмосферу к крышке РО прикрепляется сигнализатор прорыва диафрагмы. До 1МПа, до 60°С (полиэтилен), до 150 °С (фторопласт).
47 Гидравлические характеристики регулирующих органов
Основным гидравлическим параметром регулирующего органа является его пропускная способность(Кυ). Это расход несжимаемой жидкости в м3/ч с плотностью равной 1000 кг/м3, пропускаемой регулирующим органом при переходе на нём в 0,1 МПа. Условная пропускная способность (Кυу), представляющая собой номинальное значение максимальной для данного РО пропускной способности, есть единая для всех РО каталожная величина, по которой в результате соответствующих расчётов производится выбор диаметра прохода ИУ, независимо от агрегатного состояния и условий протекания среды. Регулирующие свойства ИУ определяются его пропускной характеристикой, представляющей собой зависимость величины пропускной способности от хода затвора. Пропускная характеристика обычно задаётся зависимостью относительных величин. Текущую пропускную способность относят к условной пропускной способности, а ход - к условному ходу затвора (номинальному значению максимальной величины хода).
Отношение условной пропускной способности к минимальной определяет диапазон изменения пропускной способности. Минимальная пропускная способность – наименьшее значение пропускной способности, при котором заданная пропускная характеристика находится в допустимых пределах.
48 Шаровые РО
Основу его составляет поворотный сферический затвор с цилиндрический отверстием. Такой затвор в совокупности с прямоточным корпусом обеспечивает малое гидравлическое сопротивление в открытом положении и, следовательно, большой диапазон изменения пропускной способности. В закрытом положении затвор упирается в пару сёдел, изготовленных из упругих материалов (фторопласт), это обеспечивает герметичное перекрытие прохода. Температуры -60 до 230°С, переход до 8 МПа условные проходы 15 до 400 мм, пропускная условная способность 7….3500 м3/ч.
В разъёмном корпусе смонтирован шаровой затвор «плавающего» типа осуществляющий поворот затвора, имеет прямоугольный выступ, входящий в паз затвора.
49 Клапаны типа НО и НЗ
Односедельные ИУ, работающие в условиях высоких перепадов давления, сохраняют своё значение. Наибольшее распространение получила конструкция регулирующего органа, в которой цилиндрический затвор перемещается в так называемой клетке, направляющей, имеющей прорези и круглые отверстия. Затвор полностью уравновешен благодаря прорезям, длинная направляющая препятствует вибрациям. Обладает возможностью устранения кавитации, меньше шумит при регулировании сжимаемых сред.
Клапаны типа НО применяют в технических случаях, когда при аварийном прекращении подачи воздуха в головку касания по технологическим условиям более безопасно иметь открытую линию. В противном случае – НЗ. В реакторе – где может произойти затвердевание вещества, (НО) на линии подачи пара.
Ректификация НЗ: линия сырья; теплоноситель для его подогрева; дистиллят;остаток.
Ректификация НО: пар в куб колонны; орошение.
50 Общие сведения об исполнительных устройствах
В общем случае исполнительное устройство состоит из исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО).
Исполнительное устройство в зависимости от используемой энергии подразделяется на следующие виды:
1. Пневматические (с пневматическим ИМ).
2. Гидравлические (с гидравлическим ИМ).
3. Электрические (с электрическим ИМ).
4. Электропневматические (с пневматическим ИМ и электропневматическим преобразователем).
5. Электрогидравлические (с гидравлическим ИМ и электрогидравлическим преобразователем).
6. Пневмогидравлические (с гидравлическим ИМ и пневмогидравлическим преобразователем).
ИМ является приводной частью РО.
Применяют ИМ следующих видов:
1. Электрические.
1.1. электромагнитные;
1.2. электродвигательные.
2. Пневматические.
2.1. мембранные;
2.2. поршневые;
2.3. лопастные.
3. Гидравлические.
3.1. прямоходные;
3.2. кривошипные.
РО – предназначен для регулирования расхода веществ или энергии в объект регулирования. При этом различают:
1. дроссельные РО.
2. дозирующие РО.
К (2) относятся такие устройства, которые изменяют расход вещества за счет производительности силового агрегата. К ним относятся:
дозаторы;
питатели;
насосы;
Компрессоры.
(1) представляют собой переменные гидравлические сопротивления изменяющие расход вещества за счет изменения свое го проходного отверстия. К ним относятся:
регулирующие клапаны;
поворотные заслонки;
шиберы;
клапаны.
РО характеризуется следующими основными параметрами:
1. Пропускная и условная пропускная способность.
2. Условное и рабочее давление.
3. Перепад давления на РО и условный проход.
51Дроссельные регулирующие органы
1. Шиберы (заслонки).
2. Поворотная заслонка.
Могут применяться для регулировки пара и воздуха.
Преимущества: Так как у них затвор в значительной степени требует меньших усилий для своего поворота. Среда действует на обе его половины, следовательно он частично разгружен, поэтому для поворота следует использовать механизм меньшей мощности.
3. Регулирующий клапан – наиболее распространенный вид регулирующих органов. Их применяют для регулирования расхода жидкости, газа или пара при любы параметрах среды. Различают по виду плунжеров и корпусов.
4. Краны
52 Исполнительные механизмы
Электромагнитные. Представляют собой прямоходный электромагнит с вытягивающимся якорем и в настоящее время наиболее широко распространена серия ЭВ.
По принципу действия:
ЭВ1 и ЭВ – привода рассчитаны на длительное воздействие током и при подаче на его катушку тока электромагнит втягивает, открывая вентиль (клапан).
ЭВ3 рассчитан на кратковременный режим работы, состоит из двух электромагнитов – главное служащего для открывания регулирующего органа и электромагнита защелки являющегося приводом механической защелки удерживающей РО в открытом состоянии, то есть для закрытия необходимо подать на электромагнит защелки питание.
2. Многооборотные ИМ.
Для управления многооборотными запорными и регулирующими органами используют ИМ состоящи из электродвигателя, понижающего редуктора и ряда дополнительных устройств. Например, ручной привод, тормоз, блок датчиков (включающие концевые или путевые выключатели), а также для передачи положения запорного органа сельсин датчик или же потенциометрический датчик.
3. Однооборотные МЭО-4/25.
55Импульсные П-регуляторы с ИМ постоянной скорости
ИМ с постоянной частотой вращения вала осуществляет перемещение РО с постоянной скоростью вращения, при этом ИМ может находиться в трех положениях.
1. Перемещение РО с постоянной скоростью.
2. Неподвижность.
3. Вращение в обратную сторону с постоянной скоростью.
Характеристика ИМ с РО постоянной скоростью.
При этом статическая характеристика ИМ не линейна, ее нельзя линеаризовать для практических расчетов, однако такой ИМ может иметь достаточно близкие к линейной характеристике параметры при релейно импульсном воздействии входного сигнала.
56 Основные соотношения для усилителей
В системах электроавтоматики используются следующие типы усилителей: диэлектрические, ионные, электронные (на вакуумных лампах или полупроводниках), релейные, магнитные, электромагнитные, электромашинные.
Эквивалентные схемы усилителей можно представить в виде схемы с генератором ЭДС Евых (см. рисунок 3.1) или генератором тока Iвых (см. рисунок 3.2). На схемах обозначены: Rвни – внутреннее сопротивление источника питания, Rвх – входное сопротивление усилителя, Rвых – выходное сопротивление усилителя,
Rн – сопротивление нагрузки.
Идеальный источник напряжения имеет нулевое внутреннее сопротивление, а идеальный источник тока – бесконечно большое. Переход от одной схемы к другой осуществляется по соотношениям:
где Rвых и R’вых – внутреннее выходное сопротивление усилителя с генератором ЭДС и генератором тока соответственно, Евых – ЭДС выходной цепи, Iвых – ток источника тока выходной цепи.
Входное сопротивление усилителя Rвх является нагрузкой для источника входного сигнала Евх с внутренним сопротивлением Rвни. Нагрузкой усилителя является сопротивление Rн.
57 Магнитные усилители
Магнитные усилители (МУ) – это устройства, основным элементом которых является электромагнитный дроссель (дроссели) с подмагничиванием постоянным (или медленноменяющимся) током, преобразующие изменения постоянного (или медленно меняющегося) тока в сигналы переменного тока.
Др – дроссель во входной цепи; Uвх, Uвых, Uпит - напряжения входное, выходное и источника питания; wу, wр – числа витков обмотки управления и рабочей обмотки; Iвх, Iвых – входной и выходной токи; Rн сопротивление нагрузки в выходной цепи. Известно, что индуктивность дросселя определяется соотношением :
где w – число витков обмотки; S – площадь сечения сердечника; L- длина средней магнитной силовой линии;
m0 – абсолютная магнитная проницаемость вакуума; mr – относительная магнитная проницаемость вещества сердечника.
Основной характеристикой вещества сердечника является кривая намагничивания, то есть зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н, качественный вид которой при определенных допущениях для ферромагнетиков (железо, никель, кобальт и др.) имеет вид (см. рисунок а). рис а
рис б
рис в
Учитывая, что получаем зависимость mr(H), качественный вид которой
приведен на рисунке б. С другой стороны,
где w – число витков обмотки,
I - ток в обмотке,
l - длина средней магнитной силовой линии.
Таким образом, если подавать в обмотку управления с числом витков wу ток Iвх, магнитная проницаемость mr сердечника магнитного усилителя будет изменяться, что в свою очередь приведет к изменению индуктивности Lр дросселя рабочей обмотки с числом витков wр.
Изменение Lр повлечет изменение тока Iвых в выходной цепи (в том числе через нагрузку Rн), питаемую переменным напряжением. С учетом вышеперечисленных зависимостей можно получить статическую характеристику МУ (в). Эта характеристика соответствует однотактному МУ.
По оси ординат отложено среднее значение выходного тока Iвых.ср., так как выходной ток не является синусоидальным в силу принципиально нелинейного характера работы МУ.
Дроссель Др во входной цепи схемы на рисунке выполняет функции фильтра высоких частот. Необходимость его установки связана с тем, что входная обмотка с точки зрения выходной является вторичной обмоткой трансформатора и в ней будут наводится ЭДС с частотой напряжения питания Uпит. Для постоянного же или медленно меняющегося тока Iвх дроссель Др сопротивления не создает.
Рассмотренная конструкция МУ на практике применяется крайне редко, так как вес и габариты дросселя Др могут быть гораздо больше, чем самого МУ. Чаще используется конструкция с Ш-образным сердечником (рисунок 10). В этом случае рабочие обмотки располагаются на крайних стержнях сердечника, а обмотка управления – на среднем.
Переменные составляющие ЭДС, наводимые от рабочих обмоток в обмотке управления, взаимно компенсируются, так как переменные магнитные поля в среднем стержне направлены навстречу друг другу. Однако, полной компенсации не достигается. Это связано с тем, что МУ – устройство в принципе нелинейное, поэтому в сердечнике, наряду с основной гармоникой будут циркулировать вторая, третья и др. гармоники. В среднем стержне будут уничтожаться только нечетные гармоники, в том числе и первая.
58 Усилитель с подмагничиванием
В некоторых случаях, чтобы Iвых МУ зависело не только от величины, но и от знака изменения Iвх, Применяют начальное подмагничивание. Для этого на средний стержень наматывают вспомогательную обмотку с числом витков wпм.
Тогда при токе подмагничивания Iпм статическая характеристика МУ в координатах Iвых.ср и Iвх примет вид, представленный на рисунке
Направление сдвига начала координат относительно исходных (пунктирная линия на рисунке 17) зависит от знака подмагничивающего тока Iпм. Величина сдвига определяется путем расчета приведенного подмагничивающего тока
Усилитель начинает реагировать на знак входной величины тока, т.е. выходной ток уже другой.
59 Однотактный усилитель с обратной связью
Для увеличения коэффициента усиления МУ по мощности обычно применяют магнитную положительную обратную связь (ПОС), которая может быть внутреннего и внешнего типов. Внутренняя магнитная ПОС получается в том случае, когда рабочие обмотки соединяются параллельно и в каждую включается вентиль. Образующаяся постоянная составляющая Вср оказывает подмагничивающий эффект. Чаще применяется внешняя магнитная ПОС.
В этом случае на средний стержень сердечника помещается Дополнительная обмотка с числом витков wос (рисунок ), в которую подается выпрямленный мостовой схемой выходной ток. Следует подчеркнуть, что однозначное направление тока обратной связи Iос приводит к тому, что положительная обратная связь будет только для одного направления тока управления. Для другого направления тока Iвх связь будет отрицательной.
Кроме магнитной обратной связи (ОС) можно осуществить электрическую ОС, когда полученное на выходе напряжение (или часть его) включается последовательно со входным.
60 Двухтактные магнитные усилители
В тех случаях, когда к МУ предъявляются требования отсутствия тока холостого хода или реверсивности, применяют двухтактные МУ. Существуют три основные схемы двухтактных МУ:
- дифференциальная схема включения
- мостовая схема;
- трансформаторная схема.
Дифференциальная схема двухтактного МУ состоит из двуходнотактных МУ, у которых обмотки подмагничивания включены так, что в одном МУ их магнитодвижущая сила (МДС) складывается, а в другом – вычитается из МДС обмотки управления. Выходное напряжение образуется как разность падений напряжений на нагрузке Rн от токов I1 и I2. Учитывая, что сдвиг фаз токов I1 и I2 между собой составляет 180о и считая условно одну из фаз за плюс, другую – за минус, можно получить статическую характеристику МУ геометрическим сложением статических характеристик однотактных МУ
61 Классификация взрывоопасных зон
Для классификация взрывоопасных зон и определения их размеров используются следующие критерии:
вероятность и продолжительность присутствия огнеопасных смесей;
концентрация и тип огнеопасных веществ (газ, пар, жидкость, пыль);
физические параметры огнеопасных смесей:
- температура вспышки;
- температура самовоспламенения;
- минимальная электрическая энергия поджигания.
62Определение взрывоопасной зоны
Взрывоопасная зона – зона, в которой имеется или может образоваться взрывоопасная газовая смесь в объеме, требующем специальных мер защиты при конструировании, изготовлении и эксплуатации электроустановок.
В таких зонах для обеспечения безопасной эксплуатации электрооборудования должны применяться соответствующие виды взрывозащиты.
Зона класса 0 – зона, в которой взрывоопасная смесь присутствует постоянно или в течение длительных периодов времени (зоны класса В-I по ПУЭ).
Зона класса 1 – зона, в которой существует вероятность присутствия взрывоопасной смеси в нормальных условиях эксплуатации (зоны класса В-Iа по ПУЭ).
Зона класса 2 – зона, в которой маловероятно присутствие взрывоопасной смеси в нормальных условиях эксплуатации, а если она возникает, то редко , и существует очень непродолжительное время (зоны класса В-Iб и В-Iг по ПУЭ).
63 Основные определения
Вид взрывозащиты – специальные меры, предусмотренные в электрооборудовании с целью предотвращения воспламенения окружающей взрывоопасной газовой среды; совокупность средств взрывозащиты электрооборудования.
Средство взрывозащиты электрооборудования – конструктивное и/или схемное решение для обеспечения взрывозащиты электрооборудования.
Уровень взрывозащиты электрооборудования – степень взрывозащиты электрооборудования при установленных нормативными документами условиях.
Электрооборудование повышенной надежности против взрыва – взрывозащищенное электрооборудование, в котором взрывозащита обеспечивается только в признанном нормальном режиме его работы.
Взрывобезопасное электрооборудование – взрывозащищенное электрооборудование, в котором взрывозащита обеспечивается как при нормальном режиме работы, так и при признанных вероятных повреждениях, определяемых условиями эксплуатации, кроме повреждений средств взрывозащиты.
Особовзрывобезопасное электрооборудование – Взрывозащищенное электрооборудование, в котором по отношению к взрывобезопасному электрооборудованию приняты дополнительные средства взрывозащиты.
64 Группа I, Группа II
Группа I – рудничное взрывозащищенное электрооборудование, предназначенное для применения в подземных выработках шахт, рудников и в их наземных строениях, опасных по рудничному газу и/или горючей пыли.
Группа II - взрывозащищенное электрооборудование для внутренней и наружной установки, предназначенное для потенциально взрывоопасных сред, кроме подземных выработок шахт и рудников и их наземных строений, опасных по рудничному газу и/или пыли.
Электрооборудование группы II может подразделяться на подгруппы IIА, IIB и IIС в соответствии с категорией взрывоопасности смеси, для которой оно предназначено.
Это подразделение базируется на безопасном экспериментальном максимальном зазоре (БЭМЗ) для оболочек или минимальном токе воспламенения (МТВ) для электрооборудования с искробезопасными цепями.
Группы электрооборудования Уровень
взрывозащиты Горючие
вещества
II 0 – особовзрывобезопасное электрооборудование Газ, пар,
туман
1 – взрывобезопасное электрооборудование Газ, пар,
туман
2 – электрооборудование повышенной надежности против взрыва Газ, пар,
туман
65 Температурные классы
Электрооборудование группы II классифицируют в соответствии с температурными классами.
Максимальная температура поверхности не должна быть выше значения наименьшей температуры самовоспламенения взрывоопасной среды.
Температурный класс Максимальная температура поверхности, оС
Т1 450
Т2 300
Т3 200
Т4 135
Т5 100
Т6 85
66 Виды взрывозащиты
1 Искробезопасная электрическая цепь «i» Основан на методе предотвращения взрыва или воспламенения за счет ограничения электрической и тепловой энергии. Сам факт взрыва исключается. Не всегда применим, т.к. в ряде случаев ограничение энергии приводит к потери работоспособности прибора.
2 Взрывонепро-ницаемая оболочка «d» Основан на методе сдерживания взрыва. Главный принцип - не дать взрыву распространиться за пределы оболочки прибора. Предъявляются жесткие требования к конструкции и механической прочности корпуса прибора.
3 Герметизация компаундом «m» Основан на принципе физического разделения (изоляции) взрывоопасных частей и элементов прибора от взрывоопасной среды. Применение: коммутирующие приборы малой мощности, индикаторы, датчики.
4 Масляное заполнение оболочки«o» Оболочка заполняется маслом или жидким негорючим диэлектриком. Применение: трансформаторы, пусковые сопротивления.
5 Кварцевое заполнение оболочки«q» Оболочка заполняется кварцевым песком. Применение: трансформаторы, конденсаторы.
6 Заполнение или продувка оболочки под избыточным давлением «p» Продувка осуществляется чистым воздухом или инертным газом. Применение: сильноточные распределительные шкафы, анализаторные приборы, двигатели.
7 Взрывозащита типа«e»(повышенная надежность) Метод заключается в том, что в электрооборудовании, не имеющем нормально искрящих частей, принят ряд мер в дополнительно к используемым в электрооборудовании общего назначения, затрудняющих появление опасных нагревов, искр и электрических дуг. Применение: клеммные и соединительные коробки, светильники, посты управления, распределительные устройства.
67 Искробезопасная электрическая цепь
Защита вида "искробезопасная электрическая цепь" является самой распространенной в промышленных контроллерах. Искробезопасной называют электрическую цепь, в которой любое искрение не вызывает воспламенение; более точно, вероятность того, что воспламенение возникнет, составляет менее 0,001. Тепловое воздействие такой цепи также не способно воспламенить взрывоопасную смесь.
Для того, чтобы электрическая цепь была искробезопасной, необходимо удовлетворить множеству требований стандарта ГОСТ Р 51330.10, однако смысл этих требований сводится к ограничению энергии и мощности искры до безопасных значений. Возможность защиты от взрыва таким способом основана на том, что воспламенение и взрыв происходят только при условии, если энергии искры достаточна для инициализации цепной реакция горения, а мощность искры достаточна для компенсации утечки тепла из ядра пламени.
Для ограничения энергии искры нужно ограничить ток, напряжение и продолжительность искрения
68Уровень искробезопасных цепей
Искробезопасная цепь не должны вызывать воспламенение взрывоопасной смеси в условиях испытаний от теплового воздействия, и от искрений - с вероятностью большей 10-3 в каждом случае:
1) при нормальной работе и введении всех не учитываемых повреждений, создающих наиболее опасные условия. Уровень ic.
2) при нормальной работе, введении одного учитываемого и всех не учитываемых повреждений, создающих наиболее опасные условия. Уровень ib.
3) при нормальной работе, введении двух учитываемых и всех не учитываемых повреждений, создающих наиболее опасные условия. Уровень ia.
69 Маркировка взрывозащищенного оборудования
Уровень взрывозащиты - 0, 1, 2
Знак Ех, указывающий на соответствие электрооборудования стандартам на взрывозащиту конкретного вида
Вид взрывозащиты в соответствии со стандартами ГОСТ Р серии 51330 - "d", "e", "i"
Искробезопасная электрическая цепь "i" в соответствии с ГОСТ Р 51330.10-99 имеет три уровня взрывозащиты - "ia", "ib" или "ic"
Подгруппа электрооборудования - IIA, IIB, IIC
Обозначение температурного класса - Т1,…, Т6
Знак X указывает на специальные условия безопасного применения электрооборудования
1ExibIIAT3 1Exd[ib]IIAT3 X
1 – взрывобезопасное электрооборудование
ib – вид взрывозащиты – искробезопасная электрическая цепь уровня ib
d – вид взрывозащиты – взрывонепроницаемая оболочка
IIA – подгруппа электрооборудования
Т3 – температурный класс (температура поверхности меньше 200оС)
X – указание на специальные условия безопасного применения электрооборудования
70 Пример расположения модулей ввода-вывода серии NL-Ex во взрывоопасной зоне
71 Принцип работы реле
Реле – автоматические приборы управления, обладающие релейным действием, т.е. скачкообразным изменением состояния управляемой цепи.
Типы реле:
Электрические – реагируют на электрические величины
Механические – реагируют на неэлектрические величины: скорость истечения жидкости или газа, уровень жидкости
Тепловые – реагируют на количество выделенного тепла или изменение температуры
Реле - устройство, предназначенное для дискретного управления током или напряжением. Реле позволяет с помощью маломощного тока небольшого напряжения переключать токи и напряжения большей мощности, то есть производить включения/выключения мощных электроаппаратов
Реле состоит из электромагнита и подвижного якоря, подвешенного на пружине
В нормальном состоянии якорь з