Общие сведения
Бесконтактной электрической аппаратурой называют устройства, предназначенные для коммутации электрических цепей без физического разрыва цепи. Основой бесконтактных аппаратов служат нелинейные элементы. Если в качестве управляемого элемента используется ферромагнитный сердечник с обмотками, то аппарат является магнитным усилителем, а если — полупроводниковые приборы, то аппарат относят к полупроводниковым.
МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ. Магнитным усилителем МУ называется статический электромагнитный аппарат, усиление в котором происходит за счет внешнего источника энергии. Магнитные усилители делятся на дроссельные магнитные усилители и магнитные усилители с самоподмагничиванием. У дроссельного МУ по рабочим обмоткам протекает переменный ток, а у МУ с самоподмагничиванием — однополярный выпрямленный или однополярный импульсный.
Дроссельный МУ (рис. 49) состоит из замкнутого магнитопровода 1, на котором размещаются рабочая обмотка 3 и обмотка управления 2. Рабочая обмотка включается последовательно в цепь нагрузки Zн, питаемой переменным током, а обмотка управления питается регулируемым с помощью реостата Ry постоянным током.
Если обмотка управления обесточена, то сердечник магнитопровода находится в ненасыщенном состоянии, вследствие чего индуктивное сопротивление рабочей обмотки будет велико и на нагрузку подаются малые напряжение и ток.
При подаче постоянного тока в обмотку управления сердечник магнитопровода насыщается, индуктивное сопротивление рабочей обмотки падает, а напряжение и ток нагрузки возрастают.
Мощность, расходуемая в управляющей обмотке, во много раз меньше мощности, выделяемой в нагрузке, поэтому магнитный усилитель дроссельного типа обладает усилительными свойствами.
Недостаток дроссельного МУ заключается в наличии трансформаторной связи между рабочей обмоткой и обмоткой управления, в результате чего в обмотке управления индуктируется переменная э. д. с., искажающая форму кривой тока нагрузки и работу цепи управления. Чтобы уменьшить величину переменной э. д. с., в цепь управления последовательно с источником постоянного тока включают дроссель Др.
Указанный недостаток полностью устраняется в дроссельном МУ с Ш-образным магнитопроводом. Рабочая обмотка у него состоит из двух частей и располагается на крайних стержнях, а обмотка управления — на среднем. Включение рабочих обмоток производится так, чтобы переменные магнитные потоки в среднем стержне были в противофазе и взаимно уничтожались.
МУ с самоподмагничиванием в отличие от дроссельных усилителей имеют подмагничивание сердечника как за счет сигнала управления, так и за счет постоянной составляющей тока рабочих обмоток. Эта составляющая получается в результате включения последовательно каждой обмотки вентиля, который обеспечивает протекание по обмоткам однополупериодного выпрямленного тока. Такое подмагничивание происходит и при отсутствии управляющего сигнала, поэтому подобные усилители и называют МУ с самоподмагничиванием. По сравнению с дроссельными они имеют более высокий коэффициент усиления и большую динамическую добротность.
Данные магнитные усилители нашли применение в схемах пуска и управления асинхронными двигателями, а также в многочисленных схемах автоматики.
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ БЕСКОНТАКТНАЯ АППАРАТУРА. Развитие полупроводниковой техники и промышленное производство ряда полупроводниковых элементов— диодов, транзисторов, тиристоров и др. — позволили создать новое направление в аппаратостроении — разработку бесконтактной полупроводниковой аппаратуры. По сравнению с обычными электромагнитными аппаратами бесконтактные обладают большим сроком службы, высоким быстродействием, малыми потерями и рядом других достоинств.
Полупроводниковые приборы могут использоваться как самостоятельные элементы в схемах управления электроприводами или служить основой для создания бесконтактной полупроводниковой аппаратуры — реле, контакторов, выключателей мощности и др.
Наибольшее применение в схемах управления и защиты электрических двигателей нашли тиристоры. Уже в настоящее время промышленностью освоен выпуск тиристоров на напряжение до 1000 в и ток в несколько сот ампер, что позволяет использовать их для управления сравнительно мощными двигателями.
Разработанные тиристорные схемы управления двигателями постоянного тока и частотного управления двигателями переменного тока позволяют получить широкую и плавную регулировку скорости с высоким к. п. д. и хорошими механическими характеристиками. Малый вес, большая надежность, сравнительно большое быстродействие и другие положительные свойства тиристоров позволили широко использовать их в различных схемах автоматики и, в частности, в схемах автоматического регулирования напряжения судовых синхронных генераторов.
Тиристоры являются основными коммутирующими элементами в бесконтактных контакторах, выключателях, реле и др.
На рис. 50 приведена схема тиристорного выключателя постоянного тока. При нажатии кнопки включения КВ на управляющий электрод тиристора Т подается положительное напряжение и он открывается. Величина управляющего тока ограничивается сопротивлением R. Через открывшийся тиристор конденсатор С заряжается до напряжения источника. После нажатия на кнопку отключения КО конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки Rн и к катоду тиристора прикладывается положительный потенциал, который закрывает тиристор.
Схема тиристорного выключателя переменного тока приведена на рис. 51. Включение и отключение этого устройства осуществляется с помощью кнопки КУ. Сопротивление R2 ограничивает величину управляющего тока, а диоды Д1 и Д2 с шунтирующими их сопротивлениями и R3 обеспечивают открытие и закрытие тиристоров T1 и Т2. Если кнопку КУ заменить автоматическим устройством, реагирующим на какой-либо параметр (напряжение, ток и др.), то подобную схему можно использовать в различных схемах управления и защиты.
На базе полупроводниковых приборов созданы и с успехом эксплуатируются бесконтактные переключающие устройства для схем автоматики и судовые бесконтактные реле.
Бесконтактные реле
Судовые бесконтактные реле применяются как для управления мощными автоматическими выключателями и контакторами, так и для работы в различных схемах управления и защиты вместо контактных реле. По своему назначению и функциональным характеристикам бесконтактные реле в основном аналогичны контактным, но имеют улучшенные характеристики и параметры.
Схемы бесконтактных реле обычно состоят из отдельных блоков, выполняющих определенные функции. В общем случае реле (рис. 52) состоит из входного блока 1, блока выдержки времени 2, промежуточного блока 3, выходного блока 4 и блока питания 5.
Входной блок реле измеряет с заданной точностью (уставкой) контролируемый параметр сети (напряжение, ток, мощность и др.), преобразует его в напряжение постоянного тока и усиливает его величину. Таким образом, входной блок состоит из трех элементов: измерительного, преобразовательного и усилительного. Входные блоки различных реле неодинаковы, их конструкция зависит от назначения и точности уставок на срабатывание.
Блок выдержки времени осуществляет временную задержку на срабатывание реле. В зависимости от назначения реле выдержка времени может зависеть или не зависеть от контролируемого параметра сети. Выдержка времени, создаваемая блоком, строго постоянна и может регулироваться в заданных пределах.
Промежуточный блок (исполнительный) предназначен для усиления мощности сигнала управления, выдаваемого блоком времени, и для запуска выходного блока. Обычно промежуточный блок представляет собой триггер или блокинг-генератор.
Выходной блок производит коммутацию цепей исполнительных аппаратов — автоматов, контакторов и др. Основными элементами выходного блока являются тиристоры или кремниевые переключающиеся вентили.
Блок питания предназначен для получения требуемого рода тока и напряжения, необходимого для работы блоков реле. Блок питания позволяет исключить автономный источник питания и включать реле непосредственно в контролируемую сеть.
В настоящее время промышленностью выпускается более десяти серий различных полупроводниковых бесконтактных реле. Ниже описывается назначение и приводятся краткие характеристики некоторых из них.
РЕЛЕ МАКСИМАЛЬНОГО ТОКА. К ним относятся бесконтактные реле типа РТ-01 и РТК-01, предназначенные для управления автоматами и контакторами постоянного тока, а также реле типов РТ-50 и РТ-400—для управления автоматами и контакторами переменного тока частотой 50 и 400 гц соответственно.
Реле обеспечивает выдержку времени в зоне короткого замыкания и имеет несколько уставок по времени срабатывания. Это дает возможность получить многоступенчатую селективную защиту. Выходной блок реле работает на катушку отключающего расцепителя автомата ОР и обеспечивает длительное протекание тока нагрузки до 1 а и кратковременный ток до 6 а. Чтобы катушка ОР не находилась под питанием после срабатывания автомата, она подключается через размыкающий блок-контакт автомата БКА.
Схема включения реле максимального переменного тока приводится на рис. 53.
РЕЛЕ ОБРАТНОГО ТОКА. Бесконтактное реле обратного тока типа РОТ-01 выпускается на напряжения 110 и 220 в постоянного тока и предназначено для защиты генераторов постоянного тока от перехода в двигательный режим.
При изменении направления тока в цепи генератора реле подает питание на катушку отключающего расцепителя ОР, обеспечивая отключение автомата с обратно зависимой от тока выдержкой времени или мгновенное срабатывание, если величина обратного тока достигла значения отсечки.
Схема включения реле приведена на рис. 54.
РЕЛЕ ПОНИЖЕНИЯ ЧАСТОТЫ (РЕЛЕ ПЕРЕГРУЗКИ). Реле понижения частоты типов РЧ-51 и РЧ-401 предназначены для автоматической разгрузки генераторов переменного тока с частотой 50 и 400 гц соответственно путем отключения потребителей или запуска резервного генератора.
Реле имеет три канала, к которым подключаются катушки отключающих расцепителей автоматов ОР через блок-контакты БКЛ. Каналы обеспечивают возможность срабатывания трех различных автоматов потребителей или других исполнительных элементов с различными выдержками времени.
Схема включения реле изображена на рис. 55.
РЕЛЕ ВРЕМЕНИ. Эти реле предназначены для работы в схемах судовой электроавтоматики, а также могут обеспечивать срабатывание расцепителей автоматов или срабатывание контакторов. Реле имеет регулируемые уставки по времени срабатывания и выходной орган, работающий в режиме переключения. Реле надежно функционирует при значительных колебаниях напряжений сети. Схема включения реле времени показана на рис. 56.
Кроме рассмотренных реле в судостроении применяются бесконтактные реле разности частоты, активной мощности, реактивной мощности и др. Бесконтактные реле имеют сравнительно сложную схему. В качестве примера на рис. 57 приведена принципиальная схема реле времени постоянного тока.
Схема этого реле состоит из блока питания, блока выдержки времени, исполнительного и выходного блоков.
Блок питания содержит выпрямительный мост на кремниевых диодах, сглаживающий фильтр и параметрический стабилизатор на кремниевых стабилитронах.
Блок выдержки времени представляет собой RC-цепочку, которая позволяет осуществлять ступенчатую калибровку реле на заданную уставку времени.
Исполнительный блок состоит из блокинг-генератора на транзисторе ПП1, работающем в ждущем режиме.
Выходной блок содержит два тиристора Т1 и Т2. Первый выполняет функции замыкающего контакта, а второй — размыкающего.
Работает схема реле следующим образом.
При подаче на реле питания импульс зарядного тока конденсаторов С9 и С10 открывает тиристор Т2, в результате чего получает питание катушка контактора К2 или минимального расцепителя автомата. После замыкания кнопки управления КУ начинается заряд RС-цепочки, обеспечивающей отсчет времени. При достижении определенного напряжения на RС-цепочке запускается блокинг-генератор, который открывает тиристор T1, замыкающий цепь питания контактора K1 или катушки отключающего расцепителя автомата. При открывании тиристора Т1 напряжение заряженного конденсатора С10 прикладывается к тиристору Т2. Это вызывает уменьшение проходящего через тиристор анодного тока ниже значения его тока выключения. Тиристор Т2, закрывается, и контактор К2 отключается.
Бесконтактные реле выполняются в виде целого конструктивного блока или в виде блоков и элементов, скомпонованных в единую конструкцию. Блоки реле заливаются компаундом или изолируются методом обволакивания. Достоинством реле, выполненных в виде целого блока, является их компактность. Однако такие реле не допускают замены отдельных элементов или блоков, из-за чего при выходе из строя любого элемента приходится заменять реле. Поэтому для сложных реле применяют конструкцию в виде отдельных блоков и элементов, устанавливаемых на цоколе (рис. 58), или конструкцию, состоящую из отдельных функциональных блоков (модулей).
Логические элементы
Логическими элементами называют устройства, реализующие законы логических функций. Логической функцией называется функция, которая может принимать только два значения: ноль (0) и единицу (1). Все аргументы функции, независимо от их сущности, также могут иметь только эти два значения.
Если логическая функция зависит от n параметров, то ее называют n-местной. Она имеет 22n различных логических функций. В логических элементах нашли применение двуместные (бинарные) или элементарные функции, с помощью которых можно получить любые n-местные логические функции. Поскольку у бинарной функции две входные переменные а и b (n = 2), то число возможных комбинаций значений выхода равно 16.
Построение логических элементов основывается на использовании различных физических явлений и свойств. В зависимости от принципа работы различают логические элементы электромеханические, полупроводниковые, электронные, магнитные и др. Общим для любого вида логических элементов является дискретный (прерывистый) характер их работы. У электрических бесконтактных логических элементов входными и выходными величинами обычно являются токи или напряжения. Уровень этих величин меняется дискретно. Самый низкий уровень сигнала принимается за ноль (0), а верхний — за единицу (1).
Особенностью логических функций является возможность получить любые сложные схемы с помощью нескольких простейших логических элементов, например ИЛИ и НЕ, ИЛИ и И и др. Такие типы логических элементов выпускаются в виде стандартных блоков, используемых в схемах автоматики и вычислительной техники.
Поскольку судовые бесконтактные реле преобразуют непрерывные контролируемые величины в дискретные с двумя уровнями (включено— 1, отключено — 0), то преобразование входных величин в выходные выполняется по законам логических функций. Поэтому в состав бесконтактных реле, как правило, входят логические элементы. Особенно часто в реле используются логические элементы, выполняющие функции И, ИЛИ и НЕ. Ниже рассматриваются некоторые схемы логических элементов, позволяющие получить эти функции.
Логические элементы на полупроводниковых диодах. Принцип работы таких логических элементов основан на свойстве диодов резко изменять свое сопротивление с изменением направления тока. Эти схемы позволяют получать логические функции ИЛИ и И.
На рис. 59 изображены схемы логических элементов ИЛИ. Если на диоды входов схемы, приведенной на рис. 59, а, не подается положительный потенциал, то ток, протекающий через резистор R, имеет очень малое значение, равное сумме токов утечки всех закрытых диодов. Потенциал выходной клеммы у будет примерно равен потенциалу Uc.
При подаче на один из входов (х0, х1 или х2) положительного потенциала через соответствующий диод начнет проходить ток, величина которого определяется напряжением питания и сопротивлением резистора и диода. Это вызовет возрастание потенциала на клемме у почти до значения потенциала источника.
Работа схемы, данной на рис. 59, б, аналогична, но с обратными значениями потенциалов.
На рис. 60 показаны схемы логических элементов И.
В отличие от предыдущих схем напряжение на выходе схемы И может появиться только тогда, когда есть входные сигналы х0, х1 и х2 на всех входах. При отсутствии сигнала на любом входе его диод шунтирует остальные входы и не дает появиться напряжению на выходе.
Достоинствами логических элементов на диодах являются их простота, надежность и малые габариты, недостатками — возможность получения только функций И и ИЛИ и необходимость использования промежуточных усилителей.
ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ. Эти схемы позволяют получить любые бинарные функции. На рис. 61 изображена схема логического элемента НЕ. Если на базу транзистора ПП1 подается отрицательный потенциал, то он открывается и напряжение на выходе становится равным 0 (сигнал 0), так как падение напряжения на открытом транзисторе мало.
При снятии сигнала с базы транзистор закрывается, его сопротивление резко возрастает и на выход поступает почти все напряжение источника питания, что соответствует сигналу 1.
Чтобы упростить схемы других логических элементов, их выполняют на диодах и транзисторах. Такие схемы наиболее эффективны и нашли широкое применение в схемах судовых бесконтактных реле и автоматики. На основе полупроводниковых логических элементов была создана единая серия логических и функциональных элементов ЭТ для систем промышленной автоматики. Серия ЭТ состоит из 18 элементов, из которых шесть логических. Основу логических элементов составляют элементы типов ЭТ-Л01 и ЭТ-Л02.
Элемент типа ЭТ-Л01 (рис. 62) содержит две независимые схемы. Каждая из них состоит соответственно из транзистора ПП1, и ПП2, резисторов входов R1—R3 и R4—R6, резистора смещения R9 и R10 и резистора нагрузки R7 и R8. Элемент типа ЭТ-Л01 имеет входные и выходные клеммы, позволяющие получить схему логического элемента НЕ или схему логического элемента ИЛИ. Последний получается соединением клемм 9, 7 и 10, а также клемм 4 и 8.
Элемент типа ЭТ-Л02 (рис. 63) представляет собой две универсальные диодные приставки из диодов Д1—Д3 и Д4—Д6 с резисторами выходов R1, R2 и R3, R3 соответственно. Приставки имеют выводы каждого элемента, что дает возможность непосредственно реализовать логические функции И (две схемы) и ИЛИ (три схемы) и их сочетания с общим количеством входов до шести.
Сравнение контактной и бесконтактной аппаратуры
Контактные аппараты обладают большой коммутационной надежностью, могут управлять гальванически не связанными цепями постоянного и переменного тока, имеют относительно простое устройство и обычно меньшую стоимость по сравнению с бесконтактными аппаратами. Вместе с тем они отличаются малым быстродействием, ограниченным сроком службы, потребляют при работе большую электрическую мощность.
Бесконтактная аппаратура имеет значительно лучшие технико-экономические показатели. Однако применение ее связано с усложнением схем и повышением их стоимости. Усложнение схем затрудняет их ремонт и в некоторых случаях приводит к снижению надежности схем управления. Кроме того, в настоящее время еще не полностью решены вопросы помехоустойчивости бесконтактных аппаратов. Поэтому замена контактной аппаратуры бесконтактной не всегда целесообразна.
Например, исследования надежности контактных и бесконтактных элементов автоматики показывают, что при правильном выборе типов электрических реле и ограниченной частоте их работы схемы на контактных элементах конкурируют по надежности и сроку работы с бесконтактными. Релейные схемы по потребляемой мощности проигрывают бесконтактным, но выигрывают по стоимости и простоте.
Таким образом, если от схемы требуется минимальная стоимость, простота и незначительная частота срабатываний аппаратов, то наиболее целесообразно выбрать для нее контактные аппараты. В тех же случаях, когда необходимо получить максимальное быстродействие, большой срок службы, широкие пределы регулировки параметров аппаратов, в схемах предпочтительнее использовать бесконтактную аппаратуру.
Литература
Судовая электрическая аппаратура - Бляхман И.А. и др. [1973]
