Материал: Основы автоматизации производства

4. Бесконтактные устройства управления

В предыдущих параграфах рассматривались аппараты управления дискретного действия (реле, кнопки управления, контакторы и др.). Эти аппараты обладают целым рядом недостатков: подвижные части при частом включении сравнительно недолговечны, что вызывает большое число отказов и сбоев в работе. Их время срабатывания заметно влияет на быстродействие всей схемы автоматики, они требуют профилактических осмотров, регулировок или частой замены. В настоящее время наряду с контактными аппаратами используются бесконтактные устройства, обладающие высокими надежностью и быстродействием.

Как правило, бесконтактные устройства не имеют подвижных частей. В процессе работы их электрические цепи не разрываются (отсюда и название «бесконтактные»), а сигналы управления возникают вследствие дискретного изменения параметров составляющих элементов, с нелинейными статическими характеристиками (транзисторы, диоды и т. п.). Эти аппараты управления – транзисторные и магнитные логические элементы и схемы с тиристорами. Бесконтактные устройства более надежны, чем контактные электромеханические аппараты, имеют высокое быстродействие, но более чувствительны к внешним электрическим помехам и воздействию температуры. Влияние указанных недостатков можно значительно снизить правильным построением схем бесконтактных устройств.

Бесконтактные устройства, как и контактные аппараты, обладают дискретным действием, т. е. характеризуются двумя состояниями, соответствующими понятиям «включено» и «выключено». Под состоянием «включено» у бесконтактных устройств понимается состояние, когда на их выходе имеются сигналы с требуемыми параметрами (напряжением или током). Отсутствие напряжения и тока на выходе соответствует состоянию «выключено».

Наиболее распространены в схемах управления логические элементы, на основе которых строится логическая часть системы управления, где в зависимости от входных сигналов появляются соответствующие выходные. Выходные сигналы через усилители поступают на исполнительные устройства.

Бесконтактные схемы могут быть собраны с помощью логических элементов, выполняющих элементарные логические функции И, ИЛИ, НЕ, ПАМЯТЬ, ПОВТОРИТЕЛЬ, ВРЕМЯ или ЗАДЕРЖКА. Бесконтактные логические элементы системы управления выполняют определенный объем смысловых логических операций, но соединять или разрывать какие-либо схемы они не могут. Поэтому применение бесконтактных устройств путем прямой замены контактных аппаратов невозможно.

По сравнению с релейно-контактными схемами число бесконтактных элементов в бесконтактных схемах в несколько раз больше, чем реле.

Бесконтактные элементы классифицируют по виду выполняемой функции. Сложные функции раскладываются в ряд простых, реализуемых с помощью простых элементов, которые осуществляют элементарные функции. Название некоторых элементарных логических функций и элементов, их функции, обозначения, формулы и релейные эквиваленты приведены в табл. 1.

В устройствах автоматики, телемеханики, в системах контроля, сигнализации, измерений и защиты находят широкое применение логические элементы: матричные серии «Логика-М», интегральные серии «Логика-И» и транзисторные серии «Логика-Т». Каждая серия унифицированной системы «Логика» состоит из нескольких типов элементов, выполняющих различные логические и вспомогательные функции. Например, серия «Логика-И» содержит семь логических элементов, при помощи которых можно реализовать различные логические функции.

Логические элементы серии «Логика-Т» изготовляют в виде модулей: транзисторы, диоды, резисторы и другие детали монтируют на гетинаксовых печатных платах, которые размещают затем в пластмассовом корпусе размером 90×19,5×55 мм и заливают компаундом на основе эпоксидной смолы.

Серия «Логика-И» состоит из четырех групп элементов: логических, функциональных, времени и выходных (усилителей). Всего имеется 30 различных элементов. Напряжение питания всех элементов 15 В. Габаритные размеры 70×70×24 мм.

Изображение схем управления с бесконтактными элементами отличается от изображения схем с контактными аппаратами. Электромеханические реле и контакторы обычно имеют одну входную цепь и несколько выходных цепей в виде замыкающих и размыкающих контактов. Бесконтактные элементы имеют несколько входных цепей и только одну или две выходных цепи. Поэтому в релейно-контактных схемах нельзя механически заменить контакты бесконтактными элементами.

Таблица 1

Наименование н обозначение логических функций н элементов

В качестве примера рассмотрим две схемы управления нереверсивным электродвигателем: релейно-контактную (рис. 34, а) и схему, выполненную на бесконтактных элементах (рис. 34, б). При работе по схеме, показанной на рис. 34, а, включение контактора осуществляется кнопкой SВ1 «Пуск», при нажатии на которую замыкаются ее разомкнутый контакт и цепь питания катушки пускателя КМ. Пускатель КМ главными (силовыми) контактами КМ2 (рис. 34, в) подключает двигатель М к сети. При этом ротор двигателя начнет вращаться. С помощью блокировочного контакта КМ1 напряжение на катушке удерживается и после того, как кнопка SВ1 отпущена (ее контакт разомкнется). Для остановки двигателя напряжение с катушки контактора должно быть снято. Это может быть достигнуто нажатием на кнопку SВ2 «Стоп» (размыканием ее контактов) либо размыканием контактов теплового реле КК (последнее срабатывает при длительной перегрузке двигателя).

Рис. 34. Схемы управления нереверсивным электроприводом:

а – релейно-контактная; 6 – на бесконтактных элементах; в – силовая схема; 1 элемент И–НЕ; 2 – элемент ПАМЯТЬ; 3 – выходной элемент (усилитель)

При управлении пускателем КМ с использованием логических элементов (рис. 34, б) в исходном состоянии схемы пускатель отключен. При нажатии на кнопку SВ1 возникает сигнал на входе элемента 2. Появившийся сигнал на его выходе поступает на вход элемента 3, к выходу которого подключена катушка пускателя КМ. Под действием выходного напряжения в катушке начинает протекать ток, достаточный для срабатывания пускателя. При отпускании кнопки SВ1 схема остается в работе, гак как элемент 2 «запомнил» входную команду. Снятие выходного сигнала у элемента 2 осуществляется нажатием на кнопку SВ2 или разрывом контакта КК теплового реле. При разрыве хотя бы одной из входных цепей элемента 1 на его выходе появляется сигнал, поступающий на вход Х2, с помощью которого триггер (элемент 2) перебрасывается, и сигнал на его выходе исчезает, что приводит к обесточиванию катушки пускателя. Двигатель М отключается от сети.

Схемы с тиристорами применяют в системах автоматики для бесконтактной коммутации цепей переменного тока (бесконтактные пускатели, ключи и переключатели); для преобразования постоянного тока в переменный (инверторы и преобразователи частоты); для получения различных режимов работы электроприводов.

5. Вспомогательные устройства

К группе вспомогательных устройств относятся: предохранители и автоматические выключатели, резисторы, конденсат торы, аппаратура сигнализации.

Предохранители и автоматические выключатели предназначены главным образом для защиты электрических цепей от аварийных режимов работы оборудования (короткие замыкания, перегрузки и понижение напряжения) и защиты людей от поражения электрическим током.

Предохранители служат для защиты схем автоматики и электрического оборудования низкого напряжения от недопустимых длительных перегрузок и токов короткого замыкания.

Предохранители в основном состоят из корпуса контактного устройства и плавкой вставки. Они являются одними из простейших защитных устройств. Основной элемент предохранителя – плавкая вставка, выполненная в виде тонкой проволоки или пластины, которую изготовляют из легкоплавких металлов (медь, серебро, свинец) или сплавов на их основе. Включенная последовательно в цепь защищенного объекта плавкая вставка допускает длительное протекание номинального тока. При токе выше номинального вставка нагревается до температуры плавления и, расплавляясь, разрывает цепь.

Все предохранители характеризуются двумя показателями: селективностью защиты и защитной характеристикой.

Селективность защиты – это свойство реагировать на повреждение электрической установки ближайшего к месту повреждения устройства предохранителя, т. е. при защите электрической установки предохранителями плавкая вставка ближайшего к месту повреждения предохранителя должна перегореть раньше, чем плавкая вставка последующего по направлению питания предохранителя.

Защитной характеристикой предохранителя называется характеристика, определяющая зависимость полного времени отключения (время расплавления плавкой вставки плюс время горения дуги) от отключаемого тока.

Автоматические выключатели (автоматы) снабжены расцепителями, которые срабатывают при возникновении аварийных режимов и механически воздействуют на удерживающий элемент аппарата. При срабатывании они освобождают его подвижную систему.

По принципу действия расцепители автоматов подразделяют на тепловые, электромагнитные и полупроводниковые. Тепловые расцепители обычно выполняются на основе биметаллических элементов, а электромагнитные на основе реле тока.

Различают следующие виды наиболее распространенных автоматов: универсальные, установочные, быстродействующие (ВАБ), гашения магнитного поля (АГП), защиты от утечек на землю.

Универсальные и установочные автоматы изготовляют на значительные токи и имеют комбинированные системы защиты – максимального тока и минимального напряжения. Вторые отличаются от первых лишь наличием изоляционного кожуха, благодаря чему их можно устанавливать в общедоступных помещениях: Универсальные и установочные автоматы работают главным образом в установках низкого напряжения.

Быстродействующие автоматы (ВАБ) постоянного тока устанавливают на преобразовательных установках. Они обладают способностью ограничивать ток короткого замыкания за счет быстрого образования дуги между контактами и интенсивного роста ее сопротивления. Их применяют в силовой аппаратуре.

Аппараты гашения магнитного поля (АГП) предназначены для снятия поля возбуждения крупных синхронных машин при возникновении в них короткого замыкания.

Автоматы защиты от утечек на землю служат для защиты людей и животных от поражения электрическим током, а также для защиты от коротких замыканий и перегрузок в сетях с глухо-заземленной нейтралью.

Резисторы – это электрические элементы, предназначенные главным образом для ограничения или регулирования тока либо напряжения в электрической цепи.

Резисторы классифицируют по назначению, номинальной мощности, номинальному активному сопротивлению, конструкции.

Существует большое разнообразие конструктивного исполнения резисторов. Резисторы бывают литые, штампованные, витые проволочные и ленточные, переменные и постоянные.

Резисторы изготовляют также из неметаллических материалов. Так, например, резисторы серии ВС представляют собой керамический стержень или трубку, на поверхность которой нанесен тонкий слой углерода. Снаружи резистор защищен лаковым или эмалевым покрытием. Контактные выводы выполнены из медной проволоки или тонкой латунной ленты.