Министерство образования и науки Мурманской области

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

Мурманской области

"Оленегорский горнопромышленный колледж"

РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ

Учебной дисциплины

ОП.07 Автоматизация производственных

процессов

по специальности/профессии

1 3 . 0 1 . 1 0 Электромонтер

по

ремонту

и

обслуживанию

электрооборудования

(по

отраслям)

0

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Тема 1. Системы автоматического управления

технологическим оборудованием

Тема 2. Датчики систем автоматического управления и контроля

Тема 3. Реле и усилители

Тема 4. Электрические исполнительные звенья

Задания для самостоятельного выполнения

Литература

2

3

7

17

23

27

37

1

ВВЕДЕНИЕ

Цели и задачи дисциплины – требования к результатам освоения

дисциплины:

В

результате

изучения

ОП.07

Автоматизация

производственных

процессов обучающийся должен:

знать:



элементы систем автоматики, их классификацию;



основные

характеристики

и

принципы

построения

систем

автоматического

управления

электрическим

и

электромеханическим

оборудованием.

уметь:



читать электрические схемы автоматического управления;



собирать схемы включения;



эксплуатировать

средства

автоматизации,

соблюдая

приемы

безопасной работы.

2

Тема 1. Системы автоматического управления технологическим

оборудованием

Автоматикой называется отрасль науки и техники, охватывающая теорию и

принципы построения автоматических систем и устройств, выполняющих

свои основные функции без непосредственного участия человека.

Классификация систем автоматики:

бывают:

1. Автоматические системы контроля, которые могут иметь разновидности

в виде автоматических систем измерения (АСИ) и автоматически систем

сигнализации (АСС).

2. Автоматические системы управления (АСУ). Частным случаем АСУ

является автоматическая система регулирования (АСР).

Структурные схемы систем автоматики.

1. Автоматическая система контроля.

АСК

служит

для

осуществления

автоматического

контроля

одного

или

нескольких

параметров

производственного

процесса

и

включает

в

себя

контролируемый

объект,

датчик,

сравнительное

устройство,

задающее

устройство, воспроизводящее устройство.

КО

имеет

один

или

несколько

контролируемых

параметров,

которые

снимаются

датчиком

и

подаются

на

сравнивающее

устройство,

куда

поступает

эталонное

значение

параметра,

вырабатываемое

задающим

устройством. В сравнивающем устройстве происходит сравнение текущего

контролируемого

параметра

с

эталонным

в

виде

вычитания

этих

двух

величин. Если разница этих двух сигналов равна 0, то текущее значение

параметра

равно

эталонному

и

воспроизводящее

устройство

покажет

значение ошибки “=0”.

Если контролируемый параметр отличается

от эталонного, то разностный

сигнал будет отображен на воспроизводящем устройстве, который покажет

величину ошибки.

2. Системы управления.

а

) разомкнутая

система

автоматического

управления

служит

для

автоматического

управления

состоянием,

работой

и

др.

функциями

управляемого

объекта

без

отображения

результатов

или

при

отсутствии

результатов управляющего воздействия.

3

В

блок-схему

входит

задающее

устройство,

вырабатывающее

командный

сигнал; преобразующее устройство служит для преобразования и усиления

командного сигнала; исполнительное устройство является исполнительным

органом,

которым

может

быть

эл.

Двигатель,

пускатель,

реле,

реостат,

потенциометр, взрыватель и т.д.; управляемый объект, который управляется

командой с ЗУ.

б) замкнутая система автоматического управления (система автоматического

регулирования). Отличается от разомкнутой цепи наличием обратной связи,

которая

подводит

через

датчик

текущие

значения

параметра

объекта

регулирования к сравнивающему устройству, где происходит его сравнение с

эталонным значением параметра, вырабатываемым ЗУ.

Система автоматического регулирования служит для автоматического

поддержания

постоянства

выходного

параметра

объекта

регулирования

с

заданной

точностью,

характеризующую

производственный

процесс,

и

включает в себя ЗУ для выработки эталонного значения параметров; СУ для

определения разности между эталонным и текущим значением параметра

(сигнала

рассогласования);

исполнительного

устройства;

объекта

регулирования и датчика, предназначенного для снятия текущего значения

параметра,

его

преобразования

в

необходимый

вид

сигнала

и

подачи

на

сравнивающее устройство.

3. Системы телемеханики

Телемеханикой называется отрасль науки и техники, охватывающую

теорию

и

принципы

построения

автоматических

систем

управления

производственным

процессом

на

объектах,

находящихся

на

больших

расстояниях

от

пункта

управления

(например,

управления:

космическими

аппаратами и приборами, ядерных установок, работой автоматических цехов

и заводов, переводом стрелок на железных дорогах).

Классификация систем телемеханики:

По своему характеру системы телемеханики бывают:

1.

системы измерения ТИ.

2.

системы сигнализации ТС.

3.

разомкнутые системы телеуправления РСТУ.

4.

разомкнутые системы телеуправления (телерегулирования) ЗСТУ.

4

Системы телемеханики по устройству и принципу действия аналогич-

ны системам автоматики, но для передачи и приема эталонных сигналов и

команд они включают в себя передатчики, линии связи и приемники.

Передатчик

и

приемник

служат

для

передачи

и

приема

электрических

сигналов, соответствующих контролируемому параметру.

Аналогично

разомкнутой

системе

управления

устроена

и

работает

разомкнутая система телеуправления.

Системы замкнутого телеуправления.

Системы

замкнутого

телеуправления

называют ся

с и с т е м а м и

телерегулирования. Они служат для поддержания постоянства одного или

нескольких параметров, объекта регулирования, находящегося на большом

удалении от диспетчерского пункта (десятки тысяч км).

Замкнутая система телеуправления характеризуется наличием обратной связи

между объектом регулирования и диспетчерским пунктом и включает в себя

задающее

устройство,

вырабатывающего

значение

эталонного

значения

параметра;

сравнивающее

устройство,

которое

входит

в

состав

ППУ

(приемно-передающего устройства); в нем происходит сравнение эталонного

5

значения параметра и текущего значения, полученного от цепи обратной

связи. Сравнение производиться, как правило, амплитудным или фазовым

дискриминатором,

который

выполняется

по

диодной

или

транзисторной

схеме и производит вычитание сигнала. Если разность сигналов не равна

нулю, то результируемый сигнал (сигнал рассогласования) усиливается по

напряжению,

преобразуется

по

частоте

и

мощности

в

передатчике

и

передается в линию связи. В месте объекта управления сигнал принимается

приемником,

усиливается

и

поступает

на

исполнительное

устройство,

которое,

воздействуя

на

орган

регулирования,

приводит

к

изменению

контролируемого

параметра

объекта

регулирования,

текущее

значение

которого

снимается

датчиком,

преобразуется

по

частоте

и

мощности

в

передатчике

поступает

в

линию

связи,

после

чего

принимается

ППУ

диспетчерского

пункта,

где

опять

происходит

сравнение.

Если

разница

сигналов

равна

нулю,

то

автоматическое

регулирование

на

этом

прекращается, т.к. в этом случае эталонное значение сигнала будет равным

текущему

значению.

Если

разница

не

равна

нулю,

то

процесс

телерегулирования продолжается до тех пор, пока не сравняется эталонное и

текущее

значение

параметров.

В

цепь

обратной

связи

входит:

датчик,

передатчик, линия связи, приемник.

4. Общие сведения об элементах автоматики.

Элементом автоматики называется обособленная часть схемы автоматики,

функционально

выполняющая

свою

функцию

(например,

усилитель,

стабилизатор).

Элементы автоматики делятся на:

1. Датчики – это элемент автоматики, функционально преобразующий

входную

физическую

величину

в

сигнал,

удобный

для

измерения

и

дальнейшей обработки.

2 . Усилитель

–

это

устройство,

предназначенное

для

усиления

входных

сигналов в виде определенной физической величины (усилитель напряжения,

или тока, усилия, давления).

3 . Стабилизатор – элемент автоматики, предназначенный для поддержания

постоянства

физической

величины

на

своем

выходе

(например,

стабилизаторы напряжения, тока, давления).

4. Переключающее устройство – это элемент автоматики, предназначенный

для коммутации электрических цепей.

5 . Исполнительные устройства – это элементы автоматики приводящие в

действие регулирующие органы объектов регулирования (электродвигатели,

электромагнитные муфты, электромагниты).

6

Тема 2. Датчики систем автоматического управления и контроля

Общие

сведения. Датчиком

в

системе

автоматического

контроля

и

регулирования

называют

специальное

устройство,

служащее

для

преобразования

контролируемой

или

регулируемой

величины

в

выходной

сигнал.

Рис.2.1Структурная схема датчика

Д ат ч и к

с о с т о и т

и з

од н о го

и л и

н е с ко л ь к и х

э л е м е н т о в

(преобразователей).

Главным

элементом

датчика

является

первичный

преобразователь, воспринимающий контролируемую величину и называемый

чувствительным

элементом.

Чувствительные

элементы

по

физическому

принципу

могут

быть

электрические,

механические,

акустические,

оптические, тепловые, гидравлические, радиоактивные, электромагнитные и

т. п.

Наибольшее распространение в системах автоматики, применяемых в

транспортном

строительстве,

получили

датчики,

преобразующие

неэлектрические величины в электрические, так как выходной сигнал (ток,

напряжение) может записываться, передаваться на расстояние и тем самым

дистанционно управлять производственным процессом.

Основными

характеристиками

датчика

являются

статическая

характеристика и чувствительность.

Статическая

характеристика

датчика

отображает

функциональную

зависимость выходной величины y от входной величины х, т. е.

)

(x

f

y



,

г д е y

–

величина,

полученная

после

преобразования

(выходная); х

–

контролируемая (входная) величина, действующая на датчик.

При

плавном

изменении

выходной

величины

ст ати че ская

характеристика

датчика

представляет

собой

плавную

кривую.

При

скачкообразном изменении выходной величины статическая характеристика

имеет разрывной характер. Такие датчики называют датчиками с релейной

характеристикой.

По

статической

характеристике

датчика

определяют

его

чувствительность.

Чувствительность

датчика

показывает

степень

изменения

выходной

величины в зависимости от изменения входной:

7

x

y

S







.

Так,

например,

чувствительность

термопары

показывает

степень

изменения

развиваемой

ею

термоэлектродвижущей

силы

при

изменении

температуры.

Наименьшее

изменение

входной

величины,

вызывающее

з а м е т н о е

и з м е н е н и е

в ы хо д н о г о

с и г н а л а ,

н а з ы в а ю т порогом

чувствительности датчика.

По

выходной

величине

все

электрические

датчики

разделяются

на

параметрические и генераторные.

Параметрическим

датчиком

называют

датчик,

которых

для

совей

работы

требует

дополнительного

источника

питания.

Примером

такого

датчика может служить термометр сопротивления, у которого контролируемая

величина

–

температура

–

преобразуется

в

изменение

электрического

активного

сопротивления,

а

значит,

и

тока

за

счет

источника

питания,

включенного в диагональ моста, т. е. к зажимам термометра.

Генераторным датчиком называют датчик, который для своей работы не

требует

дополнительного

источника

питания.

Примером

генераторных

датчиков являются: термопара, в которой за счет энергии входной величины

(температуры)

возникает

электродвижущая

сила

(выходная

величина);

тахогенератор; пьезодатчики и др.

Датчики выполняют контактными и бесконтактными. Чувствительный

элемент

в

контактных

датчиках

непосредственно

соприкасается

с

контролируемым

объектом,

а

в

бесконтактных

не

соприкасается.

К

бесконтактным относятся радиоактивные, ультразвуковые фотоэлектрические

и электромагнитные датчики.

При

автоматизации

существующих

и

разрабатываемых

вновь

производственных и строительных процессов в транспортном строительстве,

а также при автоматизации строительных и дорожных машин приходится

измерять,

контролировать

и

регулировать

разнообразные

параметры

технологических

операций,

как

например,

скорости,

углы

наклона,

перемещения,

крутящие

моменты,

уровни,

механические

напряжения,

температуры и т. д., для чего применяют различные датчики.

Датчики

перемещения. Потенциометрические

(реостатные)

датчики применяются для преобразования угловых и линейных перемещений

в электрический сигнал. Датчики такого типа (рис. 2.2) представляют собой

переменное

электрическое

сопротивление R

П

,

к

концам

ко т о р о го

прикладывается напряжение питания U

0

.

8

Рис. 2.2. Схема включения потенциометрического датчика

Выходное

напряжение U

1

снимается

при

помощи

подвижного

контакта

(движка) с переменного сопротивления (потенциометра) R

П

. При линейном

или

угловом

перемещении

детали,

положение

которой

контролируется

датчиком, контакт (движок) скользит по намотке. Потенциометры работают в

схемах

с

источниками

постоянного

и

переменного

тока

и

широко

используются в следящих системах в качестве измерительных элементов.

Реостатные датчики выпускаются с проволокой, намотанной на корпус, или

реохордного типа. В устройствах автоматики чаще применяется включение их

по схеме делителя напряжения.

Тензометрические

(проволочные)

датчики

п р и м е н я ю т

д л я

преобразования

механических

напряжений,

усилий

и

деформаций

в

различных механизмах и конструкциях в электрический сигнал. Наиболее

распространены

тензодатчики,

у

которых

при

внешнем

воздействии

изменяется

активное

сопротивление

чувствительного

элемента.

Такие

датчики

называют

тензорезисторами.

Наиболее

распространенный

проволочный датчик (рис. 2.3) состоит из проволоки диаметром от 15 до 60

мк, уложенной зигзагообразно и обклеенной с двух сторон тонкой бумагой. К

концам

проволоки

присоединены

выводные

проводники

для

включения

датчика в измерительную сеть.

Рис.2.3. Проволочный тензодатчик:

9

а – вид при снятом покрытии; б – поперечное сечение; в – конструкция; 1 –

выводные провода; 2 – проволока; 3 – подкладка из бумаги или лаковой

пленки; 4 – покрытие из бумаги, фетра или лака; 5 – бумажный каркас

Датчики

приклеивают

к

испытуемой

детали

так,

чтобы

проволоки

воспринимали

ее

деформации

(сжатие

или

растяжение).

В

результате

изменяется сопротивление проволоки. Тензометрический датчик преобразует

весьма малые перемещения (деформации) в электрическое сопротивление.

Сопротивление проволоки R зависит от ее длины l, м, и сечения S, м

2

, т. е.

S

l

R





,

где ρ – удельное сопротивление проводника, Ом·м.

Изменение длины проволоки Δl , вызванное усилием деформации F ,

можно определить по формуле:

F

S

E

l

l







1

,

где Е – модуль упругости металла проволоки.

Тензорезисторы используются и как датчики усилия и веса (в дозаторах

и весовых устройствах).

Индуктивные

датчики

применяются

для

преобразования

в

электрический

сигнал

небольших

линейных

и

угловых

перемещений.

Принцип

действия

их

основан

на

изменении

индуктивности

катушки

с

магнитопроводом

при

перемещении

якоря.

Индуктивные

датчики

имеют

различную

конструкцию.

На

рис.

2.4, а

показан

индуктивный

датчик

с

воздушным

зазором δ,

который

изменяется

при

воздействии

на

якорь

измеряемой

механической

величины P

(силы).

С

изменением

зазора

изменяется

магнитное

сопротивление

сердечника,

а

следовательно,

и

индуктивность катушек. Катушки расположены на сердечнике и включены в

цепь

переменного

тока.

Изменение

индуктивности

катушки

вызывает

соответствующее изменение тока.

Рис. 2.4. Схема индуктивных датчиков

У

индуктивного

датчика

дифференциального

типа

(рис.

2.4, б)

сердечник

расположен

между

двумя

симметричными

индукционными

катушками.

При

одинаковых

воздушных

зазорах δ

1

и δ

2

индуктивные

сопротивления

обмоток L1

и L2 равны, и в измерительном приборе ток не

возникает.

При

перемещении

сердечника

индуктивные

сопротивления

катушек становятся различными, что вызывает отклонение стрелки прибора.

10

Подвижной сердечник индуктивного датчика плунжерного типа (рис.

2.4, в) воспринимает перемещение от контролируемого объекта, для чего он

помещен

внутрь

симметрично

расположенных

катушек,

включенных

в

мостовую схему. При перемещении сердечника равновесие измерительного

моста нарушается, а в его диагонали появляется ток, зависящий от величины

перемещения сердечника относительно нейтрального положения.

Индуктивный поворотный трансформаторный датчик (рис. 2.4, г) имеет

две обмотки. Первичная обмотка W

1

питается от источника переменного тока.

Вторичная

обмотка W

2

поворачивается

на

некоторый

угол α при угловом

перемещении контролируемой детали. При повороте обмотки W

2

изменяется

взаимоиндукция обмоток и, следовательно, величина вторичной э. д. с. (U

вых

).

Преимуществом

индуктивных

датчиков

являются

простота

и

надежность

устройства,

отсутствие

подвижных

контактов,

возможность

использования

переменного

тока

промышленной

частоты

и

возможность

непосредственного

включения

измерительного

прибора.

Данные

обстоятельства

способствуют

широкому

их

распространению

в

промышленности.

Емкостные

датчики

преобразуют

механические

перемещения

в

измерения электрической емкости, т. е. изменяют емкостное сопротивление:

fC

x

c



2

1



,

где f – частота источника питания; С – емкость.

Емкостные датчики, как и индуктивные, работают на переменном токе,

только в отличие от индуктивных в большинстве случаев они работают на

частоте выше 1 кГц.

Значение емкости



4

еS

С



можно регулировать изменением зазора δ ,

площади S и выбором материала диэлектрика (диэлектрической постоянной

е).

Емкостные

датчики

могут

иметь

различную

конструкцию.

В

одних

датчиках пластины конденсатора сдвигаются и раздвигаются (рис. 2.5, а), в

других они выполнены в виде пластин и взаимно поворачиваются (рис. 2.5,

б); у других цилиндры смещаются один параллельно другому (рис. 2.5, в) или

между двумя неподвижными пластинами конденсатора перемещается третья

(рис. 2.5, г).

Рис. 2.5. Схемы емкостных датчиков

11

Последняя

конструкция

представляет

собой

дифференциальный

емкостный

датчик.

При

перемещении

средней

пластины

емкость

конденсатора

изменяется.

Емкостные

датчики

обладают

высокой

чувствительностью, а отсутствие электрических контактов обеспечивает их

надежную работу. Однако эти датчики в автоматике получили небольшое

распространение, так как имеют серьезные недостатки. В частности, они

непригодны

для

работы

на

низких

частотах

и

требуют

специального

высокочастотного

генератора.

Схемы

с

емкостными

датчиками

сложны

в

регулировке

и

неудобны

в

эксплуатации,

так

как

они

чувствительны

к

посторонним электрическим полям и паразитным емкостям.

Электроконтактные

(электромеханические)

датчики

предназначены

для

управления

электроприводами

механизмов

и

машин,

а

также

для

ограничения

перемещения

(в

частности,

аварийного)

различных

частей

механизмов.

К

датчикам

такого

рода

относятся

путевые

(конечные)

выключатели,

которые

приводятся

в

действие

движущимися

элементами

машин и механизмов.

Путевые

выключатели

оснащены

различными

наборами

групп

подвижных

контактов.

По

характеру

действия

механизма

на

подвижные

контакты различают выключатели простого и мгновенного действия, а по

виду

возвратной

характеристики

–

выключатели

с

самовозвратом

и

без

самовозврата.

Наибольшее

распространение

в

системах

автоматики

строительных машин и механизмов получили путевые выключатели серии ВК

и микропереключатели.

К

электроконтактным

датчикам

можно

отнести

различные

модификации ртутных переключателей поворотного типа. Они представляют

собой

частично

заполненный

ртутью

стеклянный

сосуд

с

впаянными

электрическими

контактами.

В

определенных

положениях

контакты

соединяются через ртуть и замыкают электрическую цепь. При повороте

стеклянного

сосуда

в

другое

положение

ртуть

переливается

и

контакты

размыкаются.

Получаемые

при

этом

электрические

сигналы

могут

быть

использованы для управления исполнительными механизмами.

Следует отметить, что в настоящее время ртутные выключатели находят

все

меньшее

применение,

так

как

в

условиях

вибрации

дают

ложные

срабатывания.

Бесконтактные датчики и концевые выключатели получили большое

распространение

в

системах

автоматизации

строительных

машин

и

механизмов. Эти приборы состоят из следующих функциональных элементов:

металлической

пластины

(или

детали

механизма)

–

воздействующего

(контролирующего)

элемента,

преобразователя

(генератора)

перемещений

контролируемого элемента в электрический сигнал и электрической схемы

релейного действия для получения выходного сигнала дискретной формы.

Рассмотрим работу указанных элементов на примере схемы датчика

типа

БК-А-5-0

(рис.

2.6).

Преобразователь

представляет

собой

схему

генератора, выполненного на транзисторе VT1. Катушки обратной связи его

12

L1

и L2

образуют

чувствительный

элемент,

взаимодействующий

с

перемещаемой металлической деталью контролируемого механизма или с

закрепленной

на

ней

металлической

пластиной

–

экраном.

Если

экран

отсутствует,

то

генератор

возбуждается,

его

колебания

с

обмотки L3

выпрямляются

диодом VD1

и

сглаживают ся

ко н д е н с ато р ом С4.

Образованный

сигнал

постоянного

тока

усиливается

двухкаскадным

усилителем с релейной характеристикой на транзисторах VT2 и VT3, причем

транзистор VT2

открыт,

а

транзистор VT3 закрыт. Нагрузкой, включаемой

между шиной на 12 или 24 В и коллектором транзистора VT3, может быть

обмотка

реле,

логический

элемент

и

т.

д.

В

случае

нахождения

между

катушками

металлического

экрана

колебания

генератора

прекращаются,

транзистор VT2

закрывается,

а VT3

открывается,

обеспечивая

появление

напряжения на нагрузке.

Рис. 2.6. Принципиальная схема бесконтактных датчиков и выключателей

Все

разновидности

выпускаемых

бесконтактных

датчиков

и

выключателей

могут

быть

сведены

к

двум

типам.

Датчик

со

щелевым

чувствительным

элементом

(рис.

2.7)

отличается

большой

точностью

и

быстродействием,

однако

сравнительно

сложен.

Датчик

с

плокостным

чувствительным элементом (рис. 2.8) более прост по конструкции и удобен в

эксплуатации,

но

имеет

несколько

худшие

показатели

по

точности

и

быстродействию.

13

Рис. 2.7. Габаритные размеры и схема внешних соединений датчиков типов

БК и БК-А

Рис. 2.8. Путевой выключатель КВП-8 с плоским чувствительным элементом

В

датчиках

первого

типа

металлический

экран

проходит

в

щели

между

катушками

чувствительного

элемента,

в

датчиках

второго

типа

экран

установлен около катушек с определенным зазором.

По

назначению

датчики

и

выключатели

по

классификации

НПО

«ВНИИстройдормаш» можно разделить на три основные группы:

датчики, встраиваемые в измерительные приборы, например весовые

головки (датчики БК, БК-А, БК-5-0), указатели уровня сыпучих материалов,

сигнализаторы наличия материалов на ленте транспортера, щуповые датчики

систем,

автоматика

автогрейдеров

и

асфальтоукладчиков

(типа

БК-А),

бесконтактные манометры (датчики типа БК-0) и др.;

выключатели, устанавливаемые на исполнительных механизмах машин

и

оборудования,

например

затворах

дозаторов

бетоносмесителей

(выключатели типов КВД-3 и КВД-6), для контроля положения камерных

насосов пневмотранспорта цемента и положения передней заслонки и задней

стенки ковша скрепера (выключатели типов КВП-8 и КВП-16) и др.;

выключатели

для

контроля

положения

транспортных

средств,

например,

на

передвижных

складах

цемента,

на

мачтовых

подъемниках

(выключатели типа КВД-100) и др.

Бесконтактные

датчики

и

конечные

выключатели

обеспечивают

высокую

надежность

и

долговечность

автоматизированных

систем

управления

строительно-дорожными

машинами

и

оборудованием

на

предприятиях строительной индустрии.

Датчики скорости. Одним из наиболее распространенных датчиков

с ко р о с т и

я в л я е т с я тахогенератор,

который

представляет

собой

электромеханическое устройство, преобразующее механическое вращение в

электрический

сигнал.

Тахогенераторы

используются

как

электрические

датчики

угловой

скорости

и

работают

как

обычные

маломощные

электрические

машины

в

режиме

генератора

для

выработки

напряжения,

пропорционального

частоте

вращения.

В

зависимости

от

конструкции

и

соответственно

выходного

напряжения

тахогенераторы

подразделяются

тахогенераторы

постоянного

и

переменного

тока

с

независимым

14

возбуждением. Вал тахогенератора соединяется с валом, частоту вращения

которого необходимо замерить или контролировать. Выходное напряжение,

снимаемое

с

его

щелок,

пропорционально

частоте

вращения

вала.

При

изменении направления вращения меняется полярность напряжения.

Тахогенераторы

широко

применяют

в

схемах

автоматического

управления электроприводами конвейеров, дозаторов непрерывного действия

и при выполнении различных измерений.

Датчики усилий. Преобразование измеряемых усилий в электрическое

напряжение

производится

датчиками

усилий,

которые

подразделяются

на

магнитоупругие,

пьезоэлектрические,

емкостные,

индуктивные,

тензометрические и др.

Температурные

датчики.

Способность

тел

изменять

физические

свойства

при

воздействии

на

них

температуры

положена

в

основу

конструкции

температурных

преобразователей.

При

изготовлении

температурных датчиков используют такие физические явления, как тепловое

расширение

тел

(биметаллы),

появление

термоэлектродвижущей

силы

(термопары), изменение электропроводимости проводников и давление газов

при нагреве.

В электрических термометрах сопротивления использовано свойство

чистых

металлов

и

полупроводниковых

материалов

изменять

омическое

сопротивление в зависимости от температуры.

Термопара представляет собой спай двух разнородных проводников.

Принцип действия термопары основан на свойстве некоторых металлов и

сплавов

создавать

э.д.с.

при

нагревании

места

их

соединения

(спая);

по

величине э.д.с. можно судить о температуре нагрева спая.

В манометрических термометрах использовано свойство заключенных в

закрытый

сосуд

газов,

которые

при

изменении

температуры

изменяют

давление на его стенки.

Фотоэлектрические

датчики.

Датчики

этого

вида

преобразуют

световую

энергию

в

электрическую.

Они

выпускаются

трех

типов:

с

внутренним, внешним и вентильным фотоэффектом. Если под действием

света

освободившиеся

электроны

остаются

в

веществе

(металле,

полупроводнике), повышая его электропроводность, то фотоэффект называют

внутренним.

К

датчикам

с

внутренним

фотоэффектом

относятся

фотосопротивления.

Датчики

с

внешним

фотоэффектом,

называемые

фотоэлементами,

используют способность металлов испускать поток электронов (фототок) под

действием света.

Датчики

с

вентильным

фотоэффектом,

у

которых

фотоэлементы

выполняют

вакуумными

и

газонаполненными,

не

требуют

источника

электрического

тока:

при

освещении

светочувствительный

слой

создает

электродвижущую

силу,

величина

которой

пропорциональна

степени

освещения, т.е. электроны из слоя освещенного вещества переходят в слой

другого неосвещенного вещества.

15

Радиоактивные

датчики.

В

устройстве

радиоактивных

датчиков

использована

способность

радиоактивных

лучей

в

определенной

степени

проникать

в

исследуемый

материал

или

контролируемый

объект.

Радиоактивный

датчик

состоит

из

источника

излучения

и

приемника

–

индуктора.

Акустические

датчики.

В

устройстве

акустических

датчиков

использован принцип измерения величины затухания упругих колебаний или

времени прохождения ими определенного участка пути в измеряемой среде.

Вращающиеся

трансформаторы.

Вращающимся

трансформатором

называют индукционную электрическую машину, служащую для получения

выходного

напряжения

в

виде

вполне

определенной

функции

от

угла

поворота ротора.

16

Тема 3. Реле и усилители

В

автоматике

широко

применяются

специальные

устройства

–

усилители, способные в десятки и сотни раз увеличивать мощность сигнала,

поступающего

с

выхода

датчика.

Необходимость

применения

усилителя

объясняется

тем,

что

выходной

сигнал

датчика

обычно

очень

слаб

и

недостаточен для управления исполнительными механизмами.

Основными

характеристиками

усилителя

являются

его

рабочая

характеристика и коэффициент усиления.

Рабочая

характеристика

усилителя

представляет

собой

зависимость

между выходной и входной величинами при установившемся режиме:

)

(

вх

вых

U

f

U



.

Коэффициентом

усиления

усилителя

называют

отношение

значений

величин на выходе и на входе усилителя:

вх

вых

U

U

К

ус



.

В зависимости от средств передачи энергии усилители подразделяются

на

механические,

гидравлические,

пневматические,

электрические,

магнитные, электромагнитные и комбинированные. В автоматике наибольшее

распространение получили рассмотренные ниже усилители, использующие в

качестве внешнего источника электрическую энергию усиливающие сигнал

по

напряжению

или

мощности

либо

по

напряжению

и

мощности

одновременно.

При

этом

иногда

одновременно

с

усилением

сигнала

происходит преобразование переменного тока в постоянный или наоборот.

Электронные

полупроводниковые

усилители.

К

н а и б о л е е

распространенным усилителям относятся усилители на электронных лампах,

полупроводниковых

приборах

(транзисторах)

и

на

интегральных

микросхемах. В усилителях на электронных лампах основными элементами

являются трехэлектронные или более сложные электронные лампы. Бурное

развитие

полупроводниковой

техники

вызвало

широкое

применение

усилителей

на

полупроводниковых

приборах,

которые

более

надежны

и

компактны

по

сравнению

с

электронными

лампами.

Для

построения

полупроводниковых

усилителей

используют

полупроводниковые

триоды

(транзисторы).

Транзисторы – это трехэлектродные полупроводниковые приборы. Они

могут

быть

плоскостными

и

точечными.

Широкое

применение

получили

плоскостные

транзисторы.

В

простейшем

виде

транзистор

представляет

собой пластину полупроводника с тремя чередующимися областями разной

электропроводности,

образующими

два

перехода.

Две

крайние

области

обладают проводимостью одного типа, средняя – проводимостью другого

типа. Если в крайних областях преобладает дырочная проводимость, а в

средней – элекронная, то такой прибор называют транзистором p – n – p типа

(рис. 3.1, а).

17

Рис. 3.1. Схема транзистора (а) и усилителя на транзисторе (б):

К – коллектор; Б – база; Э – эмиттер

У транзистора n – p – n типа, наоборот, по краям расположены области с

электронной

проводимостью,

а

между

ними

–

область

с

дырочной

проводимостью.

Магнитные

усилители.

Усилители

этого

вида

относятся

к

ферромагнитным устройствам и предназначены для увеличения мощности

подводимых электрических сигналов за счет энергии местного источника. С

помощью

магнитных

усилителей

можно

осуществлять

суммирование,

дифференцирование, интегрирование и сравнение сигналов, стабилизацию

напряжения и тока и т. д. В усилителях следящего привода их применяют в

основном в оконечных и предоконечных каскадах мощного усиления.

Магнитные усилители обладают высоким коэффициентом полезного

действия и значительными коэффициентами усиления по мощности и току.

Они надежно работают как при нормальных условиях, так и при повышенной

влажности,

при

высокой

и

низкой

температурах,

при

тряске,

вибрации,

ударных ускорениях и др.

Неотъемлемой

частью

любого

магнитного

усилителя

является

ферромагнитный

сердечник,

кривая

намагничивания

которого

имеет

нелинейный

характер.

Магнитная

проницаемость

ферромагнитных

материалов резко изменяется при подмагничивании их постоянным током. На

этом и основан принцип действия магнитных усилителей.

Магнитные

усилители

обладают

следующими

положительными

качествами:

отсутствием

электрической

связи

между

цепью

нагрузки

и

цепями

управления,

а

также

возможностью

суммирования

на

обмотках

управления

нескольких

входных

сигналов,

не

связанных

электрически;

простотой и надежностью конструкции; легкостью эксплуатации; постоянной

готовностью к действию; отсутствием вращающихся частей и подвижных

контактов; возможностью значительных перегрузок; высоким коэффициентом

полезного

действия.

Эти

достоинства

обеспечили

магнитным

усилителям

широкое

распространение.

Они

обеспечивают

плавное

регулирование

частоты

вращения

двигателей

постоянного

ток

и

строгое

соблюдение

необходимого

режима

работы

для

основных

регулируемых

механизмов

технологических процессов.

18

Электромагнитные усилители. Электромагнитные усилители – это

специальные электрические генераторы постоянного

тока, мощность на

выходе

которых

регулируется

путем

изменения

мощности

управления.

Однако наряду с достоинствами (большой коэффициент усиления мощности,

сравнительно

малые

габаритные

размеры)

они

обладают

существенными

недостатками

(склонность

к

самовозбуждению,

невысокая

надежность

и

долговеч но сть),

ч то

создает

возможно сть

применения

их

в

малоответственных

системах

автоматического

регулирования.

ЭМУ

в

настоящее

время

не

находят

применения

в

системах

автоматики

в

транспортном строительстве.

Реле.

Одним

из

наиболее

распространенных

элементов

автоматики

является

реле

–

устройство,

реагирующее

на

изменение

тех

или

иных

факторов замыканием или размыканием своих контактов под воздействием

электрического тока, световой энергии, давления жидкости или газов, уровня

жидкости, температуры и т.п.

Параметр

срабатывания

реле

–

минимальное

значение

физической

величины

(тока,

напряжения,

давления

и

др.),

при

которой

происходит

срабатывание реле, т.е. изменение его состояния. На характеристике (рис3.2)

параметр срабатывания реле соответствует

ср

x

и скачкообразному изменению

выходной величины

у

от

1

у

до

2

у

.

Рис. 3.2. Статическая характеристика реле

Параметр

отпускания

реле

–

максимальное

значение

физической

величины (тока, напряжения, давления, температуры и др.) при котором реле

возвращается

в

первоначальное

состояние

(на

характеристике

он

соответствует

опт

х

и скачкообразному изменению выходной величины от

2

у

до

1

у

; обычно

опт

ср

х

х



).

По

принципу

действия

реле

подразделяют

на

электромеханические

(электромагнитные,

магнитоэлектрические,

электродинамические

и

индукционные), электронные, тепловые, механические и др.

Электромагнитные

реле

получили

наибольшее

распространение

в

системах

электроавтоматики

и

служат

в

основном

для

коммутации

электрических цепей. Действие реле (рис. 3.3) заключается в притяжении

стального якоря 2 к сердечнику 3 электромагнита, по обмотке 4 которого

пропускается управляющий ток. При отсутствии тока якорь оттягивается от

сердечника возвратной пружиной 1. Якорь замыкает или размыкает контакты

19

5. Электромагнитные реле по роду используемого тока подразделяются на

реле постоянного и переменного тока.

Рис. 3.3. Схема электромагнитного реле

Реле переменного тока (рис. 3.4) состоит из тех же деталей, что и реле

постоянного тока. Отличие заключается в том, что сердечник 1, ярмо 2 и

якорь 3 этого реле изготавливаются из листовой электротехнической стали с

целью уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи. Сила притяжения

якоря

реле

переменного

тока

принимает

нулевые

значения

в

момент

прохождения магнитного потока, изменяющегося по синусоидальному закону,

через

нуль.

В

эти

моменты

возвратная

пружина

может

оттянуть

назад

малоинерционный якорь и вызвать его вибрацию и даже искрение контактов

реле. Для устранения этого нежелательного явления реле переменного тока

изготавливают с короткозамкнутым витом 4, охватывающим часть сердечника

(рис.

3.4).

Реле

имеют

большое

количество

различных

контактов

и

контактных пар на замыкание и размыкание.

Рис. 3.4. Схема электромагнитного реле переменного тока

Реле постоянного тока являются наиболее распространенным видом

реле.

Они

подразделяются

на

нейтральные

и

поляризованные.

Поляризованное реле в отличие от нейтрального работает в зависимости от

20

полярности приложенного напряжения. Поляризованное реле отличается от

обычного электромагнитного реле дополнительной установкой постоянного

магнита и зависимостью направления перемещения якоря от напряжения

намагничивающего

тока.

Высокая

чувствительность,

малое

время

срабатывания

и

возможность

реагирования

на

полярность

управляемого

сигнала делают реле незаменимым в автоматике. Поляризованные реле могут

быть

двухпозиционными

и

трехпозиционными

с

тремя

устойчивыми

положениями: средним и двумя крайними.

Тепловое

реле

срабатывает

в

результате

изменения

температуры.

Основной

частью

большинства

тепловых

реле

является

биметаллическая

пластина, состоящая из двух спаянных пластинок из различных металлов,

имеющих

разные

коэффициенты

температурного

расширения.

При

пропускании

тока

по

обмотке

биметаллическая

пластина,

нагреваясь,

изгибается и замыкает рабочие контакты. Тепловые реле находят широкое

применение

в

различных

схемах

защиты,

например

в

схеме

защиты

электродвигателей от перегрузки. В схемах автоматики применяют тепловые

реле типов ТРВ-113, ВПУ, РВТ-150, РТ и др.

Реле

времени

–

это

специальное

устройство,

предназначенное

для

получения заданной выдержки времени при включении электрических цепей.

Увеличение

времени

срабатывания

или

отпускания

реле

достигается

магнитным, электрическим или механическим способом. Магнитный способ

замедления действия реле предусматривает увеличение времени изменения

магнитного потока. В этом случае на магнитопровод реле надевают медный

короткозамкнутый виток, в котором при подаче напряжения на обмотку реле

возникает

электрический

ток,

создающий

размагничивающий

магнитный

поток.

Контактором называют

аппарат

для

дистанционного

включения

и

отключения

силовых

электрических

цепей.

По

принципу

действия

электромагнитный контактор аналогичен электромагнитному реле.

Как

правило,

контактор

состоит

из

контактов,

осуществляющих

замыкание

и

размыкание

силовой

цепи

тока,

электромагнита

и

дугогасительного

устройства.

Кроме

главных

контакторов,

зачастую

устанавливают

один

или

несколько

блок-контактов,

предназначенных

для

коммутации цепей управления, а также для связи с другими аппаратами

сигнализации и электронной блокировки.

Магнитный

пускатель

представляет

собой

электромагнитный

контактор переменного тока, смонтированный в стальном корпусе вместе с

тепловым

или

другого

типа

реле

защиты

от

перегрузки

или

коротких

замыканий.

В

системах

автоматического

управления

и

регулирования

магнитные

пускатели

могут

быть

применены

для

включения

привода

различных

исполнительных

механизмов,

а

также

для

дистанционного

управления асинхронными двигателями малой и средней мощности.

Все

большее

применение

в

системах

автоматического

управления

находят

герметизированные магнитоуправляемые

контакторы

(МУК)

–

21

герконы, которые размещаются внутри обмотки и по существу представляют

собой безъякорное реле. Контакты в виде двух пластин из ферромагнитного

материала помещаются внутри стеклянной ампулы, наполненной аргоном

(иногда водородом, азотом). При подаче входного сигнала в обмотку, внутри

которой расположен магнитоуправляемый контакт (число их иногда достигает

десятка), происходит намагничивание ферромагнитных пластин, возникают

усилия

притяжения

и

концы

пластин

образуют

контакт,

коммутирующий

выходную цепь нагрузки. При отключении обмотки от источника сигнала

пластины под действием упругих сил возвращаются в исходное положение.

Малое расстояние между контактами и инерционность подвижных частей

обеспечивают

высокое

быстродействие

реле

–

время

срабатывания

их

достигает

10

мкс.

Магнитоуправляемые

контакты

часто

используются

во

всякого рода конечных выключателях, счетчиках импульсов и т.д.

Э л е кт р о н н о е

р ел е состоит

из

электронного

усилителя

и

электромагнитного

реле,

катушка

которого

включена

в

выходную

цепь

усилителя. Благодаря усилителю мощность срабатывания электронного реле

достигает 10

-8

– 10

-10

Вт. Основным достоинством электронных реле является

то, что они реагируют на управляющие сигналы ничтожной мощности.

Фотореле называется

устройство,

скачкообразно

переключающее

электрическую цепь при изменении освещенности. В качестве элементов,

реагирующих

на

освещенность,

в

фотореле

используются

фотоэлементы

(фотодиод, фототранзистор или фоторезистор).

22

Тема 4. Электрические исполнительные звенья

Исполнительные

элементы

устанавливаются

на

выходе

(в

конце

основной цепи воздействия) автоматических устройств для воздействия на

управляющие (регулирующие) органы управляемого процесса или объекта.

При

этом

в

ряде

случаев

в

исполнительных

элементах

осуществляется

преобразование

энергии,

получаемой

от

предыдущих

элементов

автоматического

устройства,

в

вид,

удобный

для

воздействия

на

органы

управления объекта, а также усиление поступающего сигнала.

Для работы регулирующих органов требуются механические импульсы

(например, для замыкания и размыкания контактов, для перемещения клапана

и

т.д.).

Поэтому

в

составе

исполнительных

элементов

часто

имеются

серводвигатели (усилители с перемещающимся выходным звеном).

Исполнительные

устройства

автоматики

по

принципу

действия

подразделяются

на

электрические,

гидравлические

и

пневматические

и

служат для воздействия на регулирующие органы в соответствии с сигналом

управления.

Электрические

исполнительные

устройства.

Так

называются

устройства, преобразующие электрический ток в механические перемещения.

К таким устройствам относятся электродвигатели переменного и постоянного

тока

и

шаговые

(импульсные),

а

также

электромагнитные

устройства

–

электромагнитные

муфты,

электромагнитные

вентили,

электромагниты

с

поворотным якорем и т.п.

Электродвигатели. Наибольшее распространение получили двигатели

постоянного тока с независимым возбуждением и асинхронные двигатели

(переменного

тока)

с

короткозамкнутым

ротором,

которые

по

своим

эксплуатационным качествам превосходят двигатели постоянного тока. Тем

н е

м е н е е

д в и г ат е л и

п о с т о я н н о го

т о к а ,

о бл а д а я

в ы с о к и м и

пускорегулирующими

свойствами,

находят

широкое

применение

в

специальных системах автоматики.

Рассмотрим

две

характерные

схемы

управления

исполнительными

двигателями постоянного тока с независимым возбуждением. В первой схеме

(рис.

4.1,

а)

обмотка

возбуждения

подключена

к

источнику

питания

с

постоянным напряжением

в

U

, а якорь к усилителю У. управление двигателем

достигается изменением напряжения

у

U

цепи якоря. Во второй схеме (рис.

4.1, б), наоборот, обмотка возбуждения подключена к усилителю У, а якорь –

к источнику постоянного напряжения U.

23

Рис. 4.1. Схемы управления двигателем постоянного тока

с независимым возбуждением

Из маломощных асинхронных двигателей переменного тока используют

двухфазные, а из более мощных – трехфазные.

Двухфазные асинхронные исполнительные двигатели выполняются с

короткозамкнутым

ротором

и

с

ротором

в

виде

тонкостенного

полого

цилиндра. Последние отличаются малым моментом инерции и применяются в

быстродействующих исполнительных устройствах.

Реже

в

качестве

исполнительных

устройств

применяют

трехфазные

асинхронные

двигатели.

Управление

ими

осуществляется

изменением

напряжения питания или частоты.

Шаговые

электродвигатели

используются

в

тех

автоматических

устройствах, где управляющий сигнал задается в цифровой форме или в виде

последовательных

импульсов.

Автоматизированный

привод

дискретного

действия с шаговыми двигателями достаточно прост, надежен и имеет малые

габариты.

Шаговые

двигатели

применяют

в

различного

рода

счетчиках,

затворах, лентопротяжных механизмах и т.д.

Электромагниты. Электромагниты предназначены

для выполнения

быстрых

перемещений

рабочего

органа

на

небольшие

расстояния

и

в

основном для управления гидравлическими или пневматическими вентилями,

кранами, задвижками, золотниками.

В зависимости от величины хода якоря электромагниты могут быть

длинноходовыми

и

короткоходовыми.

Один

из

видов

исполнительного

устройства

–

простой

электромагнитный

вентиль

(соленоидное

исполнительное устройство) – приводит в действие клапан, открывающий и

закрывающий

доступ

рабочей

жидкости

или

сжатого

воздуха

в

привод

машины (рис. 4.2, а). При прохождении о катушке 1 электрического тока

стальной якорь 2 втягивает внутрь соленоида и открывает клапан 3.

На принципе электромагнитного притяжения основаны устройства и

действие

электромагнитных

муфт

(рис.

4.2,

б),

получивших

широкое

применение в автоматизированных станках и других машинах, где при их

помощи производятся различные переключения в кинематических цепях без

прерывания

движения.

На

ведущем

валу

4

жестко

закреплен

корпус

5

24

электромагнита. Якорь 2 расположен на ведомом валу 9. Между корпусом 5 и

якорем 2 помещен фрикционный диск 6. В корпусе 5 находится катушка 7,

которая питается постоянным током через контактные кольца и щетки. При

прохождении

через

обмотку

катушки

электрического

тока

в

корпусе

возникает

магнитный

поток,

пронизывающий

фрикционный

диск

и

замыкающийся

через

якорь.

Якорь

притягивается

к

корпусу,

и

движение

ведущего вала 4 передается ведомому валу 9. При прекращении подачи тока в

катушке пружина 8 отталкивает якорь 2 от корпуса 5 и движение ведомого

вала прекращается.

Рис. 4.2. Электромагнитные исполнительные устройства:

а – вентиль; б – муфта

Электромагнитные исполнительные элементы служат для выполнения

простых

операций

управления

(включать

–

выключать,

открывать

–

закрывать).

Более

сложные

функции

исполнительного

блока

выполняют

электрическими, гидравлическими и пневматическими двигателями.

Гидравлические

исполнительные

устройства.

Устройствами

с

гидравлическим принципом действия являются прежде всего гидравлические

двигатели с поступательным или вращательным движением. К первому виду

относятся двигатели поршневые и мембранные, а ко второму – ротационные

(лопастные

и

поршневые).

Чаще

других

в

качестве

исполнительных

механизмов

используются

поршневые

гидродвигатели

поступательного

движения.

Основной

частью

такого

двигателя

служит

гидроцилиндр

с

поршнем,

закрепленным

на

штоке,

который

в

свою

очередь

жестко

соединяется с рабочим органом машины.

Пневматические исполнительные механизмы. Эти устройства (рис.

4.3),

в

основном

поршневые

и

мембранные,

по

своей

конструкции

аналогичны

гидравлическим

и

применяются

для

приведения

в

действие

дроссельных клапанов, зажимных приспособлений, тормозных колодок и т.п.

Пневматические устройства дешевле гидравлических, более просты в

изготовлении и эксплуатации. Они не требуют высокого качества уплотнений,

не реагируют на изменение температуры и имеют более простые пусковые

приспособления.

Однако

при

больших

рабочих

усилиях

пневматические

устройства должны иметь значительные габаритные размеры. Кроме того,

25

такие устройства не могут обеспечить высокой точности перемещений и

плавности подачи.

Рис. 4.3. Пневматические исполнительные механизмы:

а – поршневой двустороннего действия; б – мембранный; I и II – полости

цилиндра; 1 – штуцер; 2 – канал для подачи воздуха; 3 – цилиндр; 4 – шток;

5 – поршень; 6 – отверстие для подачи воздуха; 7 – резиновая мембрана;

8 – крышки; 9 – диск; 10 – пружина; 11 – втулка; 12 – гайка;

13 – шток привода; 14 – шкала положения регулирующего органа

26

Задания для самостоятельного выполнения

Тема «Изучение типовых узлов и разомкнутых схем управления электроприводов»

Ответить на теоретические вопросы согласно своего варианта, например вариант №1 –

вопросы 1,11.Вариант соответствует последней цифре порядкового номера.

1.

Дать понятие о схеме системы автоматического регулирования.

2.

Дать понятие о схеме системы автоматического управления.

3.

Дать понятие о схеме системы телемеханики.

4.

Дать общую характеристику работы разомкнутых и замкнутых систем

автоматического управления.

5.

Дать общую характеристику обратных связей, применяемых в замкнутых

электроприводах.

6.

Дать общую характеристику разомкнутых схем управления электропривода.

7.

Описать

принцип

действия

схемы

пуска

двигателя

постоянного

тока

с

независимым возбуждением по принципу времени. Начертить схему.

8.

Описать

принцип

действия

схемы

пуска

двигателя

постоянного

тока

с

независимым возбуждением по принципу ЭДС и динамического торможения по

принципу времени. Начертить схему.

9.

Описать

принцип

действия

схемы

пуска

двигателя

постоянного

тока

с

независимым возбуждением по принципу времени и динамического торможения

по принципу ЭДС. Начертить схему.

10. Описать

принцип

действия

схемы

пуска

двигателя

постоянного

тока

с

независимым возбуждением по принципу времени, реверсом и торможением

противовключением по принципу ЭДС. Начертить схему.

11. Описать

принцип

действия

схемы

пуска

двигателя

постоянного

тока

с

последовательным возбуждением по принципу тока. Начертить схему.

12. Описать принцип действия схемы пуска асинхронного двигателя с магнитным

пускателем. Начертить схему.

13. Описать принцип действия схемы реверсивного пуска асинхронного двигателя с

блокировкой на магнитных пускателях. Начертить схему.

14. Описать принцип действия схемы реверсивного пуска асинхронного двигателя с

блокировкой на кнопках. Начертить схему.

15. Описать принцип действия схемы реверсивного пуска асинхронного двигателя с

двойной блокировкой. Начертить схему.

16. Описать

принцип

действия

схемы

реверсивного

пуска

асинхронного

многоскоростного двигателя. Начертить схему.

17. Описать

принцип

действия

схемы

прямого

пуска

асинхронного

двигателя

с

динамическим торможением в функции времени. Начертить схему.

18. Описать

принцип

действия

схемы

одноступенчатого

пуска

асинхронного

двигателя в функции времени и торможения противовключением

в функции

ЭДС. Начертить схему.

19. Описать

принцип

действия

схемы

одноступенчатого

пуска

асинхронного

двигателя в функции тока и динамического торможения в функции скорости.

Начертить схему.

20. Описать

принцип

действия

схемы

управления

асинхронного

двигателя

с

тиристорным пусковым устройством. Начертить схему.

27

Тема «Технические средства автоматизации»

ЗАДАЧА №1

Производственный

механизм

приводится

в

движение

двигателем

постоянного

тока

параллельного

возбуждения.

Пуск

электропривода

предполагается

осуществить

с

помощью реостата в четыре ступени.

Определить

значение

сопротивления

пускового

реостата

и

время

разгона

электропривода до номинальной угловой скорости.

ЗАДАЧА №2

В

электроприводе

переменного

тока

при

статическом

моменте

на

валу

двигателя,

равном 0,75 М

ном

, необходимо с помощью реостата в цепи ротора получить скорость,

равную

0,5

от

синхронной.

Определить

внешнее

сопротивление

в

цепи

ротора,

обеспечивающее заданную скорость.

ЗАДАЧА №3

Двигатель

постоянного

тока

с

независимым

возбуждением

имеет

следующие

паспортные данные: Р

ном

; п

ном

; U

ном

; I

ном

; R

я

; I

в.ном

.

Определить сопротивление резистора, включение которого обеспечит прохождение

искусственной характеристики через точку с координатами ω

и

, М

и

.

ЗАДАЧА №4

Для асинхронного двигателя с паспортными данными P

н

; n

н

; I

1н

;

λ

м

= М

к

/ M

н

; λ

1

= I

1п

/I

1н

; p; f

1н

; U

1н

, рассчитать сопротивление добавочного резистора R

lД

,

включение которого в три фазы двигателя уменьшит пусковой ток в два раза (α = 0,5).

ЗАДАЧА №5

Двигатель постоянного тока имеет следующие паспортные данные: Р

н

; п

н

; I

н

; U

н

; η

н

.

Оценить тепловой режим двигателя при его работе по следующему циклу: Время

первого участка t

1

, момент нагрузки M

cl

; время второго участка t

2

, момент нагрузки М

c2

;

время

третьего

участка t

3

,

момент

нагрузки М

с3

. Ток возбуждения и сопротивление

якорной цепи не изменяются. Заданный цикл относится к про должительному режиму

работы с переменной нагрузкой.

ЗАДАЧА №6

Асинхронный

двигатель

имеет

номинальные

мощность Р

н

при ПВ

н

и

скорость n

н

.

Оценить

нагрев

двигателя,

если

он

будет

периодически

включаться

на t

мин

и

преодолевать при этом момент нагрузки M

c

, после чего будет отключаться на t

1

мин.

Данный цикл работы относится к повторно-кратковременному режиму.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

ЗАДАЧА № 1. Задачу решать, используя алгоритм решения:

1.

Определить момент инерции электропривода.

J = J

дв

+ J

м

, кг∙м

2

2.

Определить номинальный момент двигателя.

M

н

= P

Н

/ ω

Н

, Н∙

М

где ω

н

=

,

рад/с

3.

Определить момент статической нагрузки.

М

ст

= k∙ М

н

, Н∙

М

4.

Определить номинальное сопротивление двигателя.

R

н

= U

н

/I

н

, Ом

28

5.

Определить относительное сопротивление двигателя.

R

*дв

= R

дв.

/ R

н

6.

Принимается максимальный пусковой ток I

1

= 2,2∙I

ном

или I

*1

= 2,2.

7.

Определить отношение пускового тока I

1

, к току переключения I

2]

λ =

=

где m = 4– количество секций пускового реостата.

8.

Определить сопротивления секций пускового реостата.

R

вш4

= R

дв

/(λ - 1) , Ом;

R

вш3

= R

вш4

∙λ , Ом;

R

вш2

= R

вш3

∙λ , Ом;

R

вш1

= R

вш2

∙λ , Ом.

9.

Определить сопротивление пускового реостата.

R

п.р

=

, Ом

10. Определить ток переключения ступеней.

I

*2

= I

* 1

/λ

11. Определить среднее значение тока двигателя при разгоне электропривода.

I

*ср

=0,5∙(I

*1

+ I

*2

)

12. Определить средний момент двигателя. Среднее значение тока отвечает среднему

моменту двигателя.

M

ср

= I

*ср

∙M

н

, Н∙

М

13. Определить время разгона электропривода до номинальной угловой скорости

t

P

= J

, с

Записать ответ. При решении использовать литературу Л.1,2

ЗАДАЧА № 2

1.

Определить номинальную и синхронную угловые скорости

ω

н

=

рад/с

ω

0

=

рад/с

2.

Определить номинальное скольжение

S

н

=

3.

Считая естественную механическую характеристику асинхронного двигателя в

рабочей части прямолинейной, при статическом моменте, равном 0,75∙М

н

,

определим скольжение, отвечающее этому моменту. Из соотношения 0,75 M

н

/ M

н

=Se'/S

н

скольжение равно

s'

e

= (0,75 M

н

/ M

н

)∙S

н

= 0,75∙S

н

4.

Определить скольжение при пониженной угловой скорости

29

S

и

=

5.

Определить необходимое внешнее сопротивление

R

2вш

=

–

, Ом

Записать ответ. При решении использовать литературу Л.1,2

ЗАДАЧА № 3. Задачу решать, используя алгоритм решения:

1.

Использовать

метод

пропорций,

предварительно

определив

номинальные

скорость и момент двигателя:

ω

н

= 2πn

н

/60 рад/с;

М

н

= Р

н

/ω

н

Н∙м.

2.

Определить произведение конструкционной постоянной двигателя на величину

магнитного потока:

к∙Ф

н

=М

н

/I

н

В∙с;

3.

Определить угловую скорость холостого хода

ω

0

= U

н

/(кФ

н

) рад/с;

4.

Определить перепад скорости на естественной характеристике при моменте М

н

:

Δω

e

= М

и

∙R

я

/( кФ

н

)

2

рад/с

5.

Определить перепад скорости на искусственной характеристике при том же

моменте:

Δω

и

= ω

0

- ω

и

рад/с.

6.

Определить сопротивление добавочного резистора:

R

д

=R

я

(Δω

и

/ Δω

e

-1) Ом.

Записать ответ. При решении использовать литературу Л.1,2

ЗАДАЧА № 4. Задачу решать, используя алгоритм решения:

1.

Определить пусковой ток АД при отсутствии резисторов в цепи статора:

I

1п.е

= λ

I

∙ I

1н

А.

2.

Определить полное сопротивление короткого замыкания:

Z

к

= U

1н

/(

∙ I

1н

) Ом.

3.

При cos φ

п

, определить активное и индуктивное сопротивление короткого

замыкания:

r

к

=z

к∙

cosφ

п

, Ом;

х

к

=

Ом.

4.

Определить искомое сопротивление:

R

1д

=

– r

к

Ом.

Записать ответ. При решении использовать литературу Л.1,2

ЗАДАЧА № 5. Задачу решать, используя алгоритм решения:

1.

Так как ток возбуждения и сопротивление цепи якоря не изменяются, то для

проверки двигателя по нагреву можно воспользоваться методом эквивалентного

момента.

2.

Определить номинальные угловую скорость и момент двигателя:

ω

н

= πn

н

/30 Н∙м;

M

н

= P

н

/ω

н

Н∙м.

3.

Рассчитать эквивалентный среднеквадратичный момент нагрузки двигателя:

30

M

экв

=

, Н∙м.

где t

ц

= t

1

+ t

2

+ t

3

– время всего цикла,с.

4.

Сопоставим рассчитанный эквивалентный момент M

экв

с номинальным.

Сопоставить приведенные к одной стандартной ПВ

н

М

экв

и М

н

Если М

экв

> М

н

, то

двигатель при работе в таком цикле будет перегреваться сверх допустимого уровня

и необходимо брать двигатель большей мощности, если М

экв

≤ М

н

, то двигатель при

работе в таком цикле не будет перегреваться сверх допустимого уровня.

Записать ответ. При решении использовать литературу Л.1,2

ЗАДАЧА № 6. Задачу решать, используя алгоритм решения:

1.

Определить номинальную угловую скорость и номинальный момент при ПВ

н

двигателя:

ω

н

= πn

н

/30 рад /с;

М

н

= P

н

/ω

н

Н∙м.

2.

Определить продолжительность включения двигателя в цикле:

ПВ

1

= t

p

/(t

p

+ t

o

)∙l00%

3.

Определить момент нагрузки при стандартной ПВ

н

:

М

экв

= М

с

∙

Н∙м.

4.

Сопоставить приведенные к одной стандартной ПВ

н

М

экв

и М

н

. Если М

экв

> М

н

,

то двигатель при работе в таком цикле будет перегреваться сверх допустимого

уровня и необходимо брать двигатель большей мощности, если М

экв

≤ М

н

, то

двигатель при работе в таком цикле не будет перегреваться сверх допустимого

уровня.

Записать ответ. При решении использовать литературу Л.1,2

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Таблица 1– Исходные данные для задачи № 1

Значение

параметра

Единица

изм-я

Вар.

№1

Вар.

№2

Вар.

№3

Вар.

№4

Вар.

№5

Вар.

№6

Вар.

№7

Вар.

№8

Вар.

№9

Вар.

№10

Р

н

кВт

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

U

н

В

110

220

110

220

110

220

110

220

110

220

I

Н

А

68

70

72

74

76

78

80

82

84

86

n

н

Об/мин

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

J

дв

кг∙м

2

0,08

0,1

0,12

0,16

0,18

0,2

0,22

0,24

0,26

0,28

J

м

кг∙м

2

0,65J

дв

0,67J

дв

0,69J

дв

0,71J

дв

0,73J

дв

0,75J

дв

0,77J

дв

0,79J

дв

0,81J

дв

0,83J

дв

R

дв

Ом

0,194

0,188

0,182

0,174

0,17

0,164

0,158

0,152

0,146

0,14

М

ст

Н∙м

0,72М

н

0,73М

н

0,74М

н

0,75М

н

0,76М

н

0,77М

н

0,78М

н

0,79М

н

0,8М

н

0,81М

н

Таблица 2– Исходные данные для задачи № 2

Значение

параметра

Единица

изм-я

Вар.

№1

Вар.

№2

Вар.

№3

Вар.

№4

Вар.

№5

Вар.

№6

Вар.

№7

Вар.

№8

Вар.

№9

Вар.

№10

Р

н

кBт

37

32

28

24

22

20

18

16

14

11

U

н

B

220

380

660

220

380

660

220

380

660

220

n

н

Об/мин

957

1470

2950

725

1430

957

1470

2950

725

950

R

2вт

Ом

0,078

0,08

0,082

0,084

0,086

0,088

0,09

0,092

0,094

0,096

n

синх

Об/мин

1000

1500

3000

750

1500

1000

1500

3000

750

1000

Таблица 3 - Исходные данные для задачи № 3

31

Значение

параметра

Единица

изм-я

Вар.

№1

Вар.

№2

Вар.

№3

Вар.

№4

Вар.

№5

Вар.

№6

Вар.

№7

Вар.

№8

Вар.

№9

Вар.

№10

Р

н

кВт

4,8

5

5,2

5,4

5,6

5,8

6

6,2

6,4

6,6

U

н

В

110

220

110

220

110

220

110

220

110

220

n

н

об/мин

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

I

н.я

А

40

36

34

35

48

15

30,4

15,4

31,2

15,8

I

н.в

А

0,6

0,64

0,68

0,7

0,72

0,74

0,76

0,78

0,8

0,82

R

я

Ом

0,42

0,4

0,38

0,36

0,34

0,32

0,3

0,28

0,26

0,24

ω

и

Рад/с

24

66

28

70

38

84

36

88

48

92

М

и

Н∙м

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

32

Значение

параметра

Единица

изм-я

Вар.

№1

Вар.

№2

Вар.

№3

Вар.

№4

Вар.

№5

Вар.

№6

Вар.

№7

Вар.

№8

Вар.

№9

Вар.

№10

Р

н

кВт

11

11

11

15

15

15

22

22

22

7,5

U

1н

В

380

220

660

380

220

660

380

220

660

380

n

н

об/мин

1465

945

2970

1465

945

2970

1465

945

2970

1465

I

1н

А

24

22

26

28

26

32

34

32

36

18

λ

м

=

М

к

/M

н

-

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

λ

1

=I

1п

/I

1н

-

5,5

5,8

6,2

6,4

6,6

6,8

7

5,5

5,8

6,2

f

1н

Гц

50

50

50

50

50

50

50

50

50

50

cos

φ

п

-

0,42

0,43

0,41

0,44

0,45

0,42

0,43

0,41

0,44

0,45

α

-

0,45

0,46

0,47

0,48

0,49

0,5

0,51

0,52

0,53

0,54

Таблица 4- Исходные данные для задачи №4

Таблица 5– Исходные данные для задачи № 5

Значение

параметра

Единица

изм-я

Вар.

№1

Вар.

№2

Вар.

№3

Вар.

№4

Вар.

№5

Вар.

№6

Вар.

№7

Вар.

№8

Вар.

№9

Вар.

№10

Р

н

кВт

32

25

19

25

19

14

25

19

14

19

U

н

В

440

440

440

440

440

440

440

440

440

440

I

Н

А

74

70

58

71

68

52

69

66

48

41

n

н

Об/мин

1500

1000

750

1500

1000

750

1500

1000

750

1500

η

%

90

88

86

84

82

90

88

86

84

82

t

1

с

12

14

16

18

20

12

14

16

18

20

t

2

с

25

23

21

19

17

25

23

21

19

17

t

3

с

18

16

14

12

10

18

16

14

12

10

M

c1

Н∙м

120

116

112

108

104

120

116

112

108

104

M

c2

Н∙м

145

140

135

130

125

145

140

135

130

125

M

c3

Н∙м

100

105

110

115

120

100

105

110

115

120

Таблица 6– Исходные данные для задачи № 6

Значение

параметра

Единица

изм-я

Вар.

№1

Вар.

№2

Вар.

№3

Вар.

№4

Вар.

№5

Вар.

№6

Вар.

№7

Вар.

№8

Вар.

№9

Вар.

№10

Р

н

кBт

37

37

45

24

27

20

27

27

14

11

ПВ

н

%

15

25

40

15

25

40

15

25

40

15

n

н

Об/мин

957

1470

2950

725

1430

957

1470

2950

725

950

t

р

с

3

4

2

4

3

7

4

2

4

3

Мс

Н∙м

350

310

280

240

220

190

170

150

140

120

t

о

Об/мин

15

24

18

12

15

9

22

23

6

21

33

Тест по теме «Датчики»

1. Применение в производстве технических средств, методов и систем управления,

освобождающих человека от непосредственного участия в производственных процессах -

это..

A.

механика

B.

модернизация

C.

автоматизация

D.

типизация

2. Указать соответствие видов сигналов:

1. Аналоговые

A.

Имеют две и более фиксированных значения

2. Дискретные

B.

Имеют бесконечное множество значений

3. Элемент автоматики, который воспринимая воздействие изменяемого или регулируемого

параметра процесса или объекта управления, преобразует его в выходной сигнал - это...

A.

двигатель

B.

датчик

C.

исполнительный элемент

D.

реле

4. Выбрать три правильных ответа. Датчик можно охарактеризовать как:

A.

электрический преобразователь

B.

исполнительный элемент

C.

измерительный элемент

D.

чувствительный элемент

5. Выбрать правильный ответ. В зависимости от функций, выполняемой системой

автоматического управления, преобразуемые датчиком параметры, могут быть:

A.

линейные и угловые перемещения

B.

температура

C.

линейные и угловые перемещения, температура, давление, освещенность

D.

освещенность

E.

давление

6. Отклонение показания датчика от расчетной характеристики - это..

A.

отклонение датчика

B.

погрешность датчика

C.

сбой датчика

7. Выбрать правильный ответ. Погрешность дачтика вызывается отклонением от расчетной

характеристики вследствие влияния:

A.

внутренних факторов

B.

внешних факторов

C.

внутренних и внешних факторов

8. Указать соответствие погрешностям датчиков и факторов их вызывающих:

1. Внутренние факторы

A.

Изменение условий эксплуатации

2. Внешние факторы

B.

Износ, старение датчика

34

9. Выбрать два правильных ответа. Электрические датчики, получившие широкое

применение в автоматики, можно разделить на два вида:

C.

параметрические

D.

импульсные

E.

генераторные

F.

шаговые

10. Указать соответствие электрических датчиков:

1. Параметрические активного

сопротивления

A.

Генераторы

B.

Тахометрические, пьезометрические

2. Параметрические реактивного

сопротивления

C.

Индуктивные, емкостные

D.

Контактные, реостатные,

потенциометрические

11. Датчик, в котором механическое перемещение узла объекта управления преобразуется

в изменение активного сопротивления датчика (замкнутое или разомкнутое состояние

контактов) - это..

A.

потенциометрический

B.

индуктивный датчик

C.

контактный датчик

D.

термоэлектрический

12. Датчик, в котором механическое перемещение узла объекта управления преобразуется

в изменение реактивного сопротивления датчика индуктивной катушки дросселя - это..

A.

потенциометрический

B.

индуктивный датчик

C.

контактный датчик

D.

термоэлектрический

13. Датчик, в котором изменение температуры преобразуется в изменение

электродвижущей силы ЭДС - это..

A.

потенциометрический

B.

индуктивный датчик

C.

контактный датчик

D.

термоэлектрический

14. Установить соответствие названий датчиков и их конструктивных особенностей:

1. Тензодатчик

A.

Имеет источник и приемник излучения

2. Датчик на основе термопары

B.

Чувствителен к механической деформации

3. Фотодатчик

C.

Состоит из двух разнородных проводников

35

15. Установить соответствие типов автоматических систем:

1. Системы автоматического

контроля

A.

Осуществляют автоматическое управляющее

воздействие на оборудование для

поддержания заданного технологического

процесса

2. Системы автоматического

управления

B.

Осуществляют автоматическое поддержание

значений параметров процесса

3. Системы автоматического

регулирования

C.

Осуществляют автоматический сбор,

обработку, контроль параметров

технологического процесса

16. Выбрать три правильных ответа. Применение контактных датчиков:

A.

в качестве конечных выключателей

B.

для контроля геометрических размеров

C.

для контроля освещенности

D.

для контроля числа изделий

17. Установить соответствие между конструктивными особенностями датчиков:

1. Термистор

A.

Представляет собой обмотку из проволоки,

размещенной на каркасе

2. Терморезистор

B.

Представляет собой шарик, диск или

трубочку из полупроводникового материала

3. Оптический датчик

C.

Представляет собой источник и приемник

излучения и оптический канал

18. Выбрать правильный ответ. Какой эффект используется в термоэлектрическом датчике:

A.

световой эффект

B.

термоэффект

C.

пьезоэффект

D.

механический (силовой) эффект

19. Выбрать правильный ответ. электрическая цепь, состоящая из двух разнородных

проводников - это..

A.

терморезистор

B.

термопара

C.

термистор

D.

термоЭДС

20. Выбрать правильный ответ. К основным характеристикам датчиков, определяющих их

пригодность, относят:

A.

чувствительность

B.

погрешность

C.

нелинейность

D.

чувствительность, погрешность, нелинейность

36

21. Установите соответствие погрешностей датчиков:

1. Абсолютная погрешность

A.

Отклонение функции преобразования

датчика от линейной

2. Нелинейность

B.

Способность датчика осуществлять

преобразование быстроизменяющихся

входных параметров

3. Инерционность

C.

Разность между реальными и идеальными

значениями

22. Установить соответствие названий исполнительных двигателей и типов их

функционирования:

1. Электрические

A.

Энергия сжатого газа преобразуется в

механическую энергию

2. Гидравлические

B.

Преобразуют электрическую энергию в

механическую

3. Пневматические

C.

Давление жидкости преобразуется в

механическую энергию

23. Установить соответствие двигателя и его назначения:

1. Гидро- и пневмодвигатели

A.

Приведение во вращение валов в

кинематических цепях

2. Электромагнитные

исполнительные механизмы

B.

Подъемные механизмы, манипуляторы

3. Электродвигатели постоянного

тока

C.

Для включения и отключения механических

цепей

24. Выбрать три правильных ответа. К преимуществам использования асинхронных

двигателей относятся:

A.

прочность конструкции

B.

простое обслуживание

C.

не возможность работы на токах различной частоты

D.

простота изоляции цепей

25. Двигателей и их принципа работы:

1. Электродвигатели постоянного

тока

A.

Преобразование электрических импульсов в

дискретные перемещения ротора

2. Шаговые двигатели

B.

Взаимодействие проводника, по которому

протекает ток с внешним постоянным

магнитным полем

3. Гидро- и пневмодвигатели

C.

Преобразование энергий рабочей среды,

находящейся под давлением, в механическую

энергию

37

ЛИТЕРАТУРА

Основная:

1.

В.В. Москаленко Электрический привод.- М. Академия, 2005.- 366с.

2.

В.В.

Москаленко

Системы

автоматизированного

управления

электроприводом.- М. Инфра- м, 2004.- 207с.

3.

Н.Ф. Ильинский, В.Ф. Козаченко Общий курс электропривода.- М.

Энергоатомиздат, 1992.- 544с.

Дополнительная:

1.

ГОСТ

Р

50369-92.

Электроприводы.

Термины

и

определения.

Госстандарт России.

2.

В.В.

Москаленко

Автоматизированный

электропривод.-

М.

Энергоатомиздат, 1986.- 416с.

3.

М . М .

С о кол о в

А втомат и з и р о ва н н ы й

э л е к т р о п р и в о д

общепромышленных механизмов. М.: Энергия, 1976.

38