Презентация "Усилительные элементы автоматических систем"

• 1 слайд

  Усилительные элементы автоматических систем
  презентация по дисциплине «Автоматизация производства» Завгородней А.С.
  
  

• 2 слайд

  Усилительный элемент усиливает сигнал рассогласования Х(T) до величины, достаточной для приведения в действие исполнительного элемента, В усилительном элементе происходит увеличение сигнала за счет получения энергии извне.
  В системах автоматического управления чаще всего используются усилители:
  электрические (электронные, релейные, электромагнитные, магнитные, полупроводниковые и др.)
  гидравлические
  пневматические.
  Последние имеют высокие коэффициенты усиления по мощности и выполняют одновременно роль исполнительных элементов (серводвигателей, сервомеханизмов).
  
  Электрические усилители
  Эта весьма многочисленная группа усилителей характеризуется:
  широким диапазоном выбора коэффициентов усиления;
  высокой чувствительностью;
  отсутствием подвижных частей в конструкции;
  универсальностью применения;
  независимостью от многих внешних условий (температуры, давления и.т.д.).
  
  Простейшими являются магнитные (дроссельные) усилители (рис.1). Это электромагнитное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов. Принцип работы магнитного усилителя основан на использовании нелинейных характеристик ферромагнитных материалов. Оно содержит ферромагнитный сердечник, на который помещена обмотка постоянного тока Wу. (обмотка управления) и обмотка переменного тока Wр (рабочая обмотка), включенная последовательно с нагрузкой Zн к источнику переменного напряжения U~. На обмотку управления Wу подается усиливаемый сигнал постоянного тока Uу.
  
  
  

• 3 слайд

  Усиленный сигнал Uн снимается с сопротивления нагрузки Zн.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.1. Простейший магнитный усилитель
  Для устранения недостатков простейшего магнитного усилителя применяют конструкцию, состоящую из двух дросселей. При этом рабочие обмотки Wр соединяют либо параллельно, либо последовательно, но так, чтобы в обоих случаях магнитные потоки, создаваемые током в сердечниках, охваченных обмоткой управления Wу, были направлены встречно и благодаря этому не индуктировали в ней Э.Д.С. основной частоты. Такие усилители получили название однотактных (рис.2).
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  а) б)
  Рис.2. Магнитный усилитель с параллельным (а) и последовательным (б) включением обмоток
  
  

• 4 слайд

  Основной характеристикой магнитного усилителя является статическая. Это зависимость действующего или среднего значения тока в нагрузке от тока управления (рис.3).
  
  
  
  
  
  
  Рис.3. Статическая характеристика магнитного усилителя
  На характеристике можно отметить две характерные точки I (точа пересечения характеристики с осью ординат), определяющая ток холостого хода – I0, и точку, лежащую непосредственно за перегибом кривой и соответствующей максимальному току Iк. Отношение этих величин:
  K=Ik/I0
  называют коэффициентом кратности тока в нагрузке.
  Магнитный усилитель с обратной связью
  Дроссельные магнитные усилители имеют сравнительно небольшие коэффициенты усиления и достаточно инерционны. На практике часто требуются магнитные усилители с большим коэффициентом усиления. Весьма эффективным средством для увеличения коэффициента усиления магнитных усилителей является введение положительной обратной связи. При наличии обратной связи выходной сигнал усилителя используют для создания дополнительной постоянной составляющей магнитного поля, накладывающейся на магнитное поле входного сигнала. Различают внешнюю и внутреннюю обратные связи.
  В магнитном усилителе с внешней обратной связью (рис.4) в цепь переменного тока введен полупроводниковый выпрямитель по мостовой схеме. Выпрямленный ток пропускается через обмотку подмагничивания обратной связи WО.С. В результате для управления током нагрузки оказываются достаточными гораздо меньшие изменения управляющего тока, чем в магнитном усилителе без обратной связи.
  
  
  
  

• 5 слайд

  Исходная статическая характеристика магнитного усилителя без обратной связи – зависимость тока нагрузки от тока управления (кривая 1) – имеет вид, показанный на рис.5.
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.4. Магнитный усилитель с обратной связью Рис. 5. Характеристики магнитного усилителя: 1 – без связи; 3 – с обратной связью
  Характеристика обратной связи представляет собой пропорциональную зависимость тока обратной связи от тока нагрузки:
  IО.С = β ∙ IН (1.11)
  Здесь β – коэффициент обратной связи, зависящий от числа витков WР и WО.С, коэффициента выпрямления выпрямителя и величины шунтирующего сопротивления RШ, которое служит для подбора желаемого коэффициента обратной связи. На графике эта зависимость представлена прямой линией 2.
  
  Если необходимо сместить статическую характеристику вдоль оси абсцисс, используют специальную обмотку смещения. При положительном смещении характеристика смещается влево, при отрицательном – вправо. Смещение позволяет выбрать начальную точку (IУ = 0) на любом месте характеристики IН = f(IУ).
  
  

• 6 слайд

  В магнитных усилителях с внутренней обратной связью или с самоподмагничиванием (рис.6) не требуется дополнительных обмоток.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 6. Схема магнитного усилителя с внутренней обратной связью
  Для создания обратной связи рабочие обмотки соединены параллельно и в цепь каждой из них введен однополупроводниковый выпрямитель, причем по отношению к питающему напряжению оба выпрямителя имеют противоположную полярность, что обеспечивает равномерное пропускание обеих полупериодов питающего напряжения.
  Дифференциальный магнитный усилитель
  Во многих автоматических системах к усилителям предъявляются требования в отношении тока холостого хода и чувствительности к полярности входного сигнала. Ток холостого хода у них должен быть равен нулю, т.е. при отсутствии входного сигнала нет сигнала на выходе, и при изменении знака входного сигнала менялась бы полярность или фаза напряжения и тока на выходе. Таким требованиям удовлетворяют дифференциальные схемы магнитных усилителей.
  На рис.7 приведена дифференциальная схема магнитного усилителя без обратной связи. У него обмотки переменного тока двух одинаковых однотактных магнитных усилителей подключены через нагрузочное сопротивление RН к двум равным секциям вторичной обмотки питающего трансформатора ТР. Каждый из них имеет по две обмотки постоянного тока.
  
  
  

• 7 слайд

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 7. Схема дифференциального магнитного усилителя
  В обмотки смещения WСМ подается постоянный ток IСМ от дополнительного источника постоянного напряжения UСМ. В обмотки управления WУ поступает ток управления IУ. Обмотки постоянного тока соединены таким образом, что в одном магнитном усилителе (например МУ1) поле, создаваемое током управления, складывается с полем, создаваемым током смещения IСМ, а в другом МУ2 вычитается.
  ПриICM1 = ICM2 и нулевом значении входного сигнала (IУ = 0) правая и левая части схемы уравновешивают друг друга и ток в цепи нагрузки равен нулю. При подаче напряжения управления Uу статические характеристики МУ1 и МУ2 смещаются в разные стороны (см. рис.7), так как МУ1 подмагничивается (IУ1WУ1 и IСМ1WСМ1 направлены согласно), а МУ2 размагничивается (IУWУ2 и IСМ2WСМ2 направлены встречно). Ток в нагрузке IН равен разности токов МУ1 и МУ2:
  IН = I1 – I2 = I1 + (-I2)
  По этой причине на графике удобно откладывать ординаты статической характеристики МУ1 вверх от оси абсцисс, а МУ2 вниз.
  
  

• 8 слайд

  В результате зависимость тока IН в нагрузке от тока управления IУ представляется симметричной кривой, проходящей через начало координат. (рис.8). При изменении полярности тока управления IУ фаза тока нагрузки IНизменяется на 180о.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 8. Статическая характеристика дифференциального усилителя
  Трансформаторные магнитные усилители
  Магнитные усилители могут быть созданы на базе трансформаторов с ферромагнитными сердечниками, подмагничиваемых постоянным током. Такой трансформаторный магнитный усилитель (рис.9) состоит из двух трансформаторов насыщения такой же конструкции, как и дроссели насыщения.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.9. Схема трансформаторного магнитного усилителя
  
  

• 9 слайд

  Кроме первичных обмоток W1, подключенных последовательно к источнику переменного напряжения, трансформаторы насыщения имеют вторичные обмотки W2, включенные таким образом, что индуктированные в них напряжения направлены встречно. Каждый из трансформаторов насыщения имеет обмотку смещения WСМ и обмотку управления WУ, поля которых в одном трансформаторе направлены встречно, а в другом согласно. Если сигнал управления равен нулю, то в силу симметрии трансформаторов напряжения на их вторичных обмотках   и   равны и выходное напряжение, снимаемое с нагрузки RН, будет равно нулю (UН = 0).
  При появлении тока управления взаимоиндуктивность обмоток W1 и W2 одного трансформатора увеличивается, а другого уменьшается, в результате чего   ¹   и на выходе появляется напряжение UН, фаза которого в зависимости от полярности управляющего сигнала меняется на 180о.
  Тиристорные усилители
  Тиристор – это управляемый трехвыводный вентиль, имеющий катод, анод и управляющий электрод. Как и все полупроводниковые приборы, тиристор имеет малые габариты и массу, высокую механическую прочность, малое остаточное напряжение в открытом состоянии, большой коэффициент усиления, высокое быстродействие и возможность работы в широком диапазоне температуры.
  По электрическим параметрам тиристоры изготавливаются на токи от единиц миллиампер до сотен ампер и напряжения от десятков до тысяч вольт. Тиристоры широко применяются во многих областях автоматики в качестве элементов функциональных устройств, в частности, усилителей мощности.
  Тиристор может находиться только в двух устойчивых состояниях: включенном и выключенном. Он имеет высокое быстродействие, время включения его не превышает 1 – 5 мкс. Отключение (закрытие) тиристора может быть осуществлено снятием анодного напряжения или подачей напряжения обратной полярности. Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется подачей сигнала на управляющий электрод.
  Существует несколько методов управления тиристорами:
  амплитудный
  фазовый
  широтно-импульсный.
  
  
  
  

• 10 слайд

  Амплитудный метод управления основан на зависимости напряжения переключения тиристора Un от величины тока управления. При этом увеличение тока управления IУ приводит к уменьшению напряжения переключения (рис. 10, а), то есть каждому уровню тока управления соответствует определенный уровень анодного напряжения Un, при котором включается тиристор. Этот способ управления тиристором используется только при питании усилителя переменным током (рис. 10, б), и находит весьма ограниченное применение из-за отмеченных недостатков.
  Фазовый метод управления основан на изменении фазы управляющего сигнала относительно фазы питающего анодную цепь тиристора переменного напряжения. Этот метод можно подразделить на амплитудно-фазовый, при котором на управляющий электрод тиристора подается синусоидальное напряжение, фаза которого изменяется относительно фазы питающего (анодного) напряжения, и фазоимпульсный (рис. 10, в), когда тиристор открывается импульсом тока с регулируемой фазой.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.10. Характеристики управления тиристоров
  

• 11 слайд

  Широтно-импульсное управление тиристором основано на изменении соотношения между длительностью открытого и закрытого состояния тиристоров (на изменении скважности) рис.10, г. Оно применяется в тиристорных усилителях с выходом как на переменном, так и на постоянном токе. В обоих случаях изменяется соотношение между числом полупериодов питающего напряжения, приложенных к нагрузке через открытый тиристор, и числом полупериодов, приложенных к закрытому тиристору. Управляющие сигналы Uу могут вырабатываться в виде прямоугольных импульсов с переменной скважностью или в виде серии (пачек) кратковременных Uу.имп c переменной скважностью, подаваемых в начале полупериодов питающего напряжения. Этот метод управления может использоваться при построении тиристорных усилителей любой мощности. При этом наиболее эффективно использовать его при питании усилителей от сети постоянного тока.
  Тиристоры могут быть включены по однополупериодной схеме (рис.11).
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.11. Однополупериодный тиристорный усилитель: а – схема; б, в – формы напряжения в нагрузке
  Для повышения эффективности работы схемы при активно-индуктивном характере нагрузки параллельно ей включают диод VD. При этом форма напряжения на нагрузке соответствует случаю на рис.11,в. В связи с тем, что включение тиристора по однополупериодной схеме приводит к подмагничиванию сердечника трансформатора и дополнительным потерям мощности и высокому уровню переменной составляющей выходного напряжения, то более оправданным является включение тиристоров по двухполупериодной схеме (рис.12).
  
  
  
  
  

• 12 слайд

  Двухполупериодная дифференциальная схема рис.12,а содержит два тиристора VS1 и VS2 и дифференциальный трансформатор ТР. Импульсы сигнала управления открывают тиристоры поочередно со сдвигом фазы на 180о. При чисто активной нагрузке напряжение на ней составит 0 < a < 180о, и будет иметь форму на рис.12,в. В случае активно-индуктивной нагрузки форма напряжения представлена на рис.12,б.
  
  
  
  
  
  
  Рис.12. Двухполупериодный тиристорный усилитель: а – схема; б, в – формы напряжения на нагрузке
  Тиристорный усилитель этого типа обладает рядом существенных недостатков: нелинейность характеристики вход-выход, дискретность управления тиристорами, задержка закрытия проводящих ток тиристоров до соответствующего изменения полярности анодного напряжения. Для устранения этих недостатков они могут быть включены двухполупериодной мостовой схеме, (рис.13).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.13. Двухполупериодные мостовые тиристорные усилители
  
  
  

• 13 слайд

  Для мощных потребителей питание тиристорных усилителей и нагрузки осуществляется, как правило, от трехфазной сети переменного тока (рис.14). Импульсы сигнала управления открывают тиристоры VS1, VS2, VS3 поочередно со сдвигом по фазе на 120о. Трехфазное питание позволяет исключить возможность неравномерной загрузки фаз, что имеет место при использовании одной фазы трехфазного источника, а также уменьшить пульсации выходного напряжения. На рис.14 приведены схемы усилителей с 3 и 6 тиристорами на эскизах (а) и (б), соответственно.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.14. Схемы тиристорных усилителей с питанием от трехфазной сети переменного тока
  Часто требуются тиристорные усилители, обеспечивающие изменение знака выходного напряжения при смене полярности входного сигнала.
  Схемы таких (реверсивных) усилителей представлены на рис.15. Наиболее просто реализуется однополупериодная реверсивная схема рис.15,а с двумя встречно включенными тиристорами VS1, VS2. Одной полярности выходного тока соответствует открытое состояние VS1, обратной – открытое состояние VS2. Для увеличения среднего значения напряжения в нагрузке, а так же для уменьшения времени переходного процесса реверсирования тока нагрузки, последнюю целесообразно шунтировать конденсатором С.
  
  
  

• 14 слайд

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.15. Схемы реверсивных тиристорных усилителей
  Гидравлические и пневматические усилители
  Гидравлические и пневматические усилители занимают особое место среди усилителей систем автоматического управления. Объясняется это тем, что в качестве энергоносителя в этих усилителях используется не электрический ток, а жидкость или воздух, находящиеся под давлением. Эта особенность усилителей определяет их область применения, преимущества и недостатки, статические и динамические свойства, большой коэффициент усиления по мощности и др.
  Гидравлические усилители широко используются там, где нужно быстро, точно и надежно управлять различного рода процессами при малых габаритных размерах управляющих устройств. Они широко используются при автоматизации производственных процессов.
  Пневматические усилители отличаются от гидравлических, как правило, наличием лишь одного каскада усиления по мощности, а также менее жесткими допусками на изготовление их элементов и узлов.
  
  
  
  

• 15 слайд

  Существенным недостатком рассматриваемых усилителей является необходимость использования специализированных источников питания (гидравлических насосов, компрессоров).
  В конструктивном отношении эти усилители состоят из двух основных элементов: управляющего и исполнительного. По виду управляющего элемента принято делить усилители на следующие:
  струйная трубка
  золотниковое устройство
  сопло с дроссельной заслонкой
  комбинированные
  В качестве исполнительного элемента применяют поршень, перемещающийся в цилиндре, мембрану.
  Усилители типа «струйная трубка»
  Струйная трубка – основное управляющее и усилительное устройство гидравлических регуляторов. Конструкция усилителя (рис.16) состоит из струйной трубки 1, приемного устройства 2 с двумя каналами 3,связанными с гидроцилиндром 4, в котором перемещается поршень 5 со штоком 6.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 16. Схема усилителя струйная трубка
  
  

• 16 слайд

  Действие гидравлического усилителя со струйной трубкой основано на преобразовании кинетической энергии быстродвижущейся струи жидкости в потенциальную энергию давления. В струйную трубку подается рабочая жидкость от источника питания (насоса) под давлением (4*105-1*106) Н/м2 и постоянным расходом (5*10-5-1,5*10-4) м3/с. Длина струйной трубки колеблется в приделах 70-170мм, внутренний диаметр ее равен 4-6мм, диаметр выходного отверстия 1,5-2,0мм. Линейное перемещение конца струйной трубки может достигать 1,0-2,0мм в каждую сторону от среднего положения, при котором ось струйной трубки совпадает с серединой имеющейся перемычки между входными каналами. Струю жидкости вытекает из трубки со скоростью 30-50м/с и попадает в приемное устройство.
  Струйная трубка поворачивается около шарнирного соединения с маслопроводом на небольшие углы под действием разности усилий от измерительного ИУ и задающего ЗУ устройства. При равенстве усилий струйная трубка устанавливается в среднее положение, при этом давление масла в каналах ограниченное и одинаковое, а поршень исполнительного механизма останется неподвижным. При нарушении равенства действующих на трубку усилий она располагается против одного из переменных каналов и давление масла в нем возрастает, а в другом уменьшается. В результате на поршне образуется перепад давлений, который создает на штоке большое усилие, достаточное для перемещения регулирующего органа.
  Входной величиной в усилителе данного типа является перемещение сопла (XВХ), а выходной - перемещение поршня исполнительного механизма (XВЫХ).
  Передаточная функция усилителя со струйной трубкой:
  
  

• 17 слайд

  Усилители золотникового типа
  Конструкция усилителя рис.17 состоит из золотникового устройства 1 и исполнительного механизма 2. Золотниковое устройство представляет цилиндр с двумя поршнями, закрепленными на одном штоке, движение которого происходит под действием сигнала от измерительного ИУ и задающего ЗУ устройства. Величина хода штока для малых золотников не превышает 2 – 4 мм, а для больших 10 мм.
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 17 Схема усилителя золотникового типа
  В цилиндр от источника П подается рабочая жидкость под давлением 2 – 8 кг/см2. В состоянии равновесия силовые линии, связывающие золотник с исполнительным механизмом, перекрыты поршнями и жидкость в исполнительный механизм попасть не может.
  При нарушении состояния равновесия (вследствие неравенства сигналов от ИУ и ЗУ) шток с поршнями перемещается влево или вправо. Один из основных каналов сообщается с источником питания П, а другой – с линией сброса рабочей жидкости С из исполнительного механизма. В результате этого исполнительный механизм срабатывает в одну или другую сторону. Коэффициент усиления усилителя может достигать значения К = 105.
  Золотниковые усилители могут выполняться с отсечными и проточными золотниками. В первом случае ширина буртика золотника больше высоты окон в гильзе. Во втором случае ширина буртика меньше высоты окон.
  
  

• 18 слайд

  Усилитель типа «сопло-заслонка»
  Сопло-заслонка (рис.18) – основной типа управляющих и усилительных устройств для пневматических регуляторов, применяющихся также иногда и в гидравлических регуляторах.
  В систему сопла 1 через постоянный дроссель 2 поступает очищенный сжатый воздух от источника П, обеспечивающего постоянное давление (2 – 10 кг/см2). Диаметр отверстия дросселя обычно составляет 0.15 – 1 мм, что в 2 – 3 раза меньше диаметра отверстия самого сопла.
  После дросселя воздух может идти по двум направлениям – прямо через сопло в атмосферу или к исполнительному механизму 3. Направление движения воздуха определяется положением заслонки 4, прикрывающей отверстие сопла. Это положение зависит от соотношения сигналов задающего ЗУ и измерительного ИУ устройств, действующих на рычаге 5, к которому крепится заслонка.
  Если заслонка не прикрывает сопло, весь воздух выходит в атмосферу, давление в системе сопла близко к атмосферному и исполнительный механизм не получает силового сигнала.
  Когда заслонка прикрывает сопло, давление воздуха в системе постепенно повышается и может стать равным давлению в источнике питания.
  В этом случае исполнительный механизм срабатывает в одну сторону. Обратный ход исполнительного механизма осуществляется за счет пружины (или давления регулируемой среды).
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.18. Схема усилителя сопло-заслонка
  
  

• 19 слайд

  Реле
  К релейным элементам автоматики (реле), как разновидности усилительных элементов, относятся устройства, преобразующие плавное изменение входной величины в скачкообразное изменение выходной.
  Реле широко применяют в системах автоматики в качестве элементов управления и защиты, дискретных датчиков и усилителей, размножителей сигналов и логических элементов, в электрических установках, при автоматическом управлении и регистрации различных технических процессов.
  Реле классифицируют по различным признакам:
  по виду физических величин, поступающих на вход реле (электрические и неэлектрические)
  по назначению (реле управления, защиты, сигнализации, связи и т.д.)
  по принципу воздействия на выходную цепь (контактные, бесконтактные)
  по роду величины, на которую реагирует реле (реле токовое, напряжения, мощности, частоты, сопротивления и т.д.)
  по исполнению (реле открытые, с защитным чехлом, пылебрызгозащищенные и герметические).
  Из электрических реле в современных дискретных схемах автоматики широко используются электромеханические реле являющиеся контактными устройствами, и полупроводниковые реле, являющиеся бесконтактными устройствами.
  В контактных реле скачкообразное изменение выходной величины достигается замыканием или размыканием выходной цепи; в бесконтактных реле – путем резкого изменения параметров выходной цепи (R, L, C).
  К основным характеристикам реле относятся:
  мощность срабатывания Рср (минимальная мощность, потребляемая катушкой реле при срабатывании)
  выходная, или коммутируемая мощность РВЫХ  (произведение максимального отключаемого тока на напряжение источника питания выходной цепи)
  
  
  
  

• 20 слайд

  время срабатывания реле tср
  время отпускания реле t отп
  коэффициент возврата реле K взв (Квзв = Х отп /Х ср <1), который характеризует относительную ширину релейной петли статической характеристики
  коэффициент запаса Кзап (отношение магнитодвижущей силы (МДС) катушки реле при установившемся режиме к МДС при токе срабатывания), т.е. Кзап = I уст Wp / (Icp Wp)
  коэффициент управления (усиления) Кy есть отношение максимального значения выходного сигнала к входному при срабатывании, т.е. Кy = Уmax/Хср.
  При выборе типа реле принимают во внимание все указанные характеристики и параметры. Промышленностью выпускается большое количество различных типов и серий реле, выбор которых производится в соответствии с техническими данными реле, электрическими режимами работы и условиями их эксплуатации. Выбор типа реле осуществляется в зависимости от рода тока, напряжения питания, величины коммутируемых токов и выходного напряжения, времени срабатывания и отпускания, числа контактов, массы и габаритов. Особое внимание обращается на соответствие номинальных данных обмоток реле и контактов режимам их работы в различных устройствах электроавтоматики.
  Электромагнитные реле
  Электромагнитные реле являются одним из наиболее распространенных элементов автоматики. Электромагнитные реле, применяемые для переключений сравнительно мощных цепей тока, часто называют контакторами.
  Электромагнитные реле постоянного тока разделяются на:
  нейтральные
  поляризованные.
  Нейтральные реле одинаково реагируют на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке. Поляризованное реле работает различным образом в зависимости от направления тока.
  
  
  

• 21 слайд

  Электромагнитное реле содержит :
  неподвижный сердечник 1 и подвижный якорь 3, выполненные из магнитомягкого материала
  одну или более катушек возбуждения 2, которые создают рабочий магнитный поток
  один или более комплектов контактов 4 в каждом из которых одна группа подвижна и прикреплена к якорю, другая неподвижна
  возвратные пружины, которые удерживают якорь в положении максимального воздушного зазора
  упоры, ограничивающие чрезмерный ход якоря.
  Существует много различных конструктивных форм электромагнитных реле. Наиболее широко распространенными являются реле с поворотным якорем и реле с втяжным якорем. Ниже на рис.19 представлено реле с поворотным якорем.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.19. Электромагнитное реле : 1 – сердечник,  2 – катушка, 3 – якорь, – контакты
  
  

• 22 слайд

  Работает оно следующим образом: когда рабочая катушка возбуждена недостаточно и усилие возвратной пружины превосходит напряженность магнитного поля, якорь соприкасается с наружным упором и подвижный контакт А замкнут на неподвижный контакт В. Другими словами, контакты А и В образуют нормально замкнутую цепь.
  Когда через катушки проходит достаточно сильный ток, магнитный поток возрастает до величины, при которой м.д.с. превзойдет сумму усилий от трения и пружины, и якорь начнет перемещаться, сокращая воздушный зазор. Во время движения якоря сопротивление в магнитной цепи падает, вследствие чего происходит дальнейшее увеличение магнитного потока и возрастание магнитодвижущей силы.
  Одновременно восстанавливающаяся сила пружины увеличивается вследствие увеличения ее деформации. В нормальных конструкциях м.д.с. возрастает скорее, чем усилие возвратной пружины, и якорь движется с ускорением, сокращая воздушный зазор, пока его движение не будет остановлено внутренним упором. В этом положении подвижный контакт А замыкается с неподвижным контактом С. Таким образом, контакты А и С составляют нормально замкнутую цепь. Во избежание замыкания якоря, между ним и сердечником положена тонкая латунная пластинка.
  
  

• 23 слайд

  На рис. 20 представлено реле с втяжным якорем 1, который имеет цилиндрическую форму. При возбуждении катушки 3, вставленной в цилиндрический корпус 2 из магнитного материала якорь втягивается внутрь катушки, поднимая подвижную контактную перемычку 4 и замыкая между собой контакты 5. При отключении тока якорь под действием силы тяжести опускается на упоры 6, размыкая контакты.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.20. Реле с втяжным якорем Рис.21. Безъякорное реле
  Особый интерес представляет тип электромагнитного реле, называемый безякорным реле, язычковым реле или магнитоуправляемым контактом (рис.21). Оно имеет незамкнутую магнитную систему: внутри цилиндрической катушки помещается герметизированная стеклянная ампула, наполненная инертным газом. Контактные пружины выполнены в виде тонких упругих пластин из ферромагнитного материала. Концы пластин покрыты слоем родия или золота. При пропускании тока по катушке контактные пружины притягиваются друг к другу, замыкая электрическую цепь.
  Провода к контактам подпаиваются к выступающим из стеклянной ампулы штырькам. Реле отличается надежностью и быстродействием. Срок службы реле достигает сотен миллионов срабатываний, частота срабатываний может составлять сотни герц. Примерный размер ампулы: диаметр – 5 мм, длина – 20мм. Разрывная мощность контакта – 15-20 вт.
  
  
  

• 24 слайд

  Статические характеристики реле представлены на рис.21.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 21 Характеристики реле
  Реле – нелинейный элемент автоматики, в котором при достижении определенного значения входной – х, выходная величина – у изменяется скачком.
  При изменении входной величины Х от 0 до Х2 выходная величина У остается постоянной и равной У1 или меняется незначительно. В момент Х=Х2 происходит скачок и выходная величина изменяется от значения У1 до У2. При дальнейшем увеличении Х выходная величина снова остается постоянной и равной У2 или меняется незначительно.
  При уменьшении входной величины до значения Х1 выходная величина также остается постоянной и примерно равной У2, но в момент Х = Х1 происходит скачок и выходная величина уменьшается до значения У1, и это значение приблизительно сохраняется неизменным при уменьшении Х до 0.
  Скачкообразное изменение У в момент Х=Х2 называется срабатыванием реле, а соответствующая величина Х2 – величиной срабатывания (например ток срабатывания, напряжение срабатывания для электрических реле).
  Скачкообразное изменение У в момент Х=Х1 называется отпусканием реле, а величина Х1 – величиной отпускания (ток отпускания и т.д.). Обычно в реле величина отпускания Х1 меньше, чем величина срабатывания Х2 т.е. Х1 < X2. Отношение величины отпускания Х1 к величине срабатывания Х2 называется коэффициентом возврата реле.
  
  

• 25 слайд

  ВАЖНО: При рассмотрении работы электромеханического реле необходимо различать тяговую и механическую характеристики.
  Тяговой характеристикой реле называется зависимость усилия, действующего на якорь от тока (или м.д.с.) и перемещения якоря
  Механической характеристикой реле называется зависимость от перемещения якоря противодействующего усилия, создаваемого пружинами и силой тяжести.
  Работа реле зависит от надлежащего согласования тяговых и механических характеристик. Соотношение этих характеристик определяет чувствительность реле, коэффициент возврата, давление контактных пружин и т.д.
  Поляризованное реле (рис.22) имеет подвижный якорь и неподвижную обмотку. Однако сердечник реле содержит постоянный магнит, который поляризует реле, т.е. делает его чувствительным к направлению тока. В зависимости от направления тока якорь 2 намагничивается в том или ином направлении и, перемещаясь внутри неподвижной катушки 3, притягивается к тому или иному полюсу и замыкает контакт 4 или 4'.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 22. Поляризованное реле
  
  
  

• 26 слайд

  Поляризованное реле может быть использовано как двухпозиционное или трехпозиционное.
  Двухпозиционное поляризованное реле не имеет противодействующей пружины. Поэтому якорь симметрично отрегулированного реле при выключении тока в катушке остается в том же положении, в каком он был при наличии тока. Если снова пропустить ток того же направления, то якорь не изменит своего положения. Если пропустить ток обратного направления, то якорь перебросится в другое положение.
  Трехпозиционное реле получается в том случае, если симметрично в отрегулированном реле имеется пружина, возвращающая якорь в среднее положение. В таком реле при отсутствии тока оба контакта разомкнуты, и в зависимости от направления тока замыкается тот или иной контакт.
  Поляризованные реле обладают высокой чувствительностью и быстродействием. Мощность срабатывания достигает значений 10-4 –10-5 вт. и менее. Время срабатывания составляет 1-5 мсек. Некоторые типы реле могут надежно работать (без дребезжания контактов) в качестве вибраторов на частотах до 100 гц и выше.
  Если обычное электромагнитное реле постоянного тока включить в цепь переменного тока, то якорь реле станет вибрировать, поскольку 2 раза за период ток проходит через нуль. Вибрация вызывает шум, ускоряет износ и утяжеляет работу контактов, поэтому для подобных цепей применяют электромагнитное реле переменного тока (рис.23).
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 23. Электромагнитное реле переменного тока: 1 – сердечник, 2 – короткозамкнутый виток, 3 – катушка.
  
  
  

• 27 слайд

  Во избежание вибраций реле переменного тока строится таким образом, чтобы на якорь действовали два магнитных потока, сдвинутых один относительно другого по фазе, вследствие чего тяговое усилие никогда не падает до нуля. Для этого полюс сердечника 1 реле раздвоен и на одну половину его одет медный короткозамкнутый виток 2. В витке наводится э.д.с. и возникает ток, который в свою очередь создает магнитный поток Ф2, проходящий через короткозамкнутый виток, отстающий по фазе на угол π/2 от потока Ф1, проходящего через свободную половину полюса. Тяговое усилие пропорционально квадрату потока.
  Магнитоэлектрическое реле (рис.24) по своей конструкции напоминает магнитоэлектрический измерительный прибор. При пропускании тока через рамку 3 последняя поворачивается в поле постоянного магнита 1. На рычаге 2, скрепленном с рамкой, находится подвижный контакт, который в зависимости от направления тока в рамке замыкается с неподвижным контактом 4 или 4'. При прекращении тока рамка 3 под действием пружины возвращает подвижный контакт в среднее положение.
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 24. Магнитоэлектрическое реле
  Магнитоэлектрическое реле является наиболее чувствительным по сравнению со всеми другими типами электромеханических реле. Мощность срабатывания этих реле может составить 10 –10 вт. Время срабатывания обычно имеет порядок десятых долей секунды. Оно создает на своих контактах весьма малое давление и поэтому может управлять лишь малой мощностью, не превосходящей нескольких ватт.
  
  
  

• 28 слайд

  Электродинамическое реле (рис.25) обычно по конструкции сходно с ферродинамическим электроизмерительным прибором.
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.25. Электродинамическое реле
  При пропускании тока через рамку 3 последняя поворачивается в поле, создаваемом обмотками возбуждения 5, надетыми на магнитопровод 1. Рычаг 2, скрепленный с рамкой 3, несет подвижный контакт.
  При постоянном токе электродинамическое реле не обладает преимуществами по сравнению с поляризованными или магнитоэлектрическими реле. В отличие от последних здесь требуется питание обмоток возбуждения.
  На переменном токе оно приобретает свойства, имеющие ценность для автоматики. Оно может реагировать на величину мощности или сдвига фаз. Например, если ток в рамке I1 сдвинут на 90О по отношению к току возбуждения I2, то подвижная система реле под действием пружины будет находится в среднем положении. Отклонение угла сдвига фаз от 90О в ту или иную сторону вызывает замыкание контакта 4 или 4'.
  Мощность срабатывания электродинамических реле составляет 10–3 - 1 вт. Время срабатывания колеблется от 10 до 100 мсек. Управляемая мощность достигает 50 вт. и выше.
  
  

• 29 слайд

  Индукционные реле (рис. 26) основаны на взаимодействии переменного магнитного потока и тока, который индуктируется в диске, цилиндре или короткозамкнутой рамке другим переменным потоком. Индукционные реле могут применяться только на переменном токе и так же, как и электромагнитные реле, не требуют подвода тока к подвижной части.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.26. Индукционное реле
  Наиболее часто применяются индукционные реле с диском. В зазоре двух электромагнитов 1 и 2 может поворачиваться вокруг своей оси алюминиевый или медный диск 3. В обмотках электромагнитов протекают переменные токи I1 и I2. Переменные магнитные потоки электромагнитов Ф1 и Ф2 индуцируют в диске токи J1 и J2.
  
  
  

• 30 слайд

  Электротермические реле (рис.27) основаны на расширении твердого тела, жидкости или газа при нагревании их электрическим током. Механическое перемещение, вызванное этим нагреванием, приводит к замы-канию или размыканию контактов. Одним из наиболее распространенных тепловых реле является биметаллическое реле. Такое реле содержит биметаллическую пластинку 1, состоящую из двух слоев металлов, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения (например, стали и инвара). Биметаллическая пластинка несет на себе контакт 2. На пластинку намотана обмотка 3, нагреваемая протекающим по ней токам. Вследствие различного удлинения слоев металлов пластинка при нагревании изгибается и замыкает контакт 2 с контактом 2'.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 27. Биметаллическое реле
  Мощность срабатывания биметаллических реле составляет обычно не менее нескольких ватт, а время срабатывания – от десятых долей секунды до нескольких секунд. Часто применяются как простейшие реле времени со временем срабатывания до 10 мин.
  
  
  
  

• 31 слайд

  Бесконтактные транзисторные реле (рис.28) - в качестве таких релейных устройств можно использовать двухкаскадные транзисторные усилители постоянного тока с положительной обратной связью. Возможно введение обратной связи (ОС) по току (эмиттерная ОС) и по напряжению (коллекторная ОС).
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 28 Транзисторные реле с эмиттерной ОС (слева) и коллекторной ОС (справа)
  В усилителе с эмиттерной ОС, являющемся транзисторным реле, обратная связь между VТ2 и VТ1 осуществляется через резистор Rэ, включенный в эмиттерную цепь. При этом падение напряжения на Rэ прикладывается к входу первого каскада. При отсутствии входного сигнала транзистор VТ1 заперт, а VТ2 открыт и находится в состоянии насыщения. Выходной сигнал имеет минимальное значение. При подаче входного сигнала отрицательной полярности и при достижении им величины параметра срабатывания транзисторного реле Uср. транзистор VТ1 отпирается, а VТ2 запирается. Транзисторное реле скачкообразно переходит в новое состояние, при котором напряжение на выходе равно напряжению источника - Ек. Увеличение входного сигнала не изменит состояния схемы. При уменьшении входного сигнала Uвх состояние транзисторного реле сначала не изменяется, однако при снижении Uвх происходит скачкообразное изменение состояния бесконтактного реле. В результате схема возвращается в исходное состояние.
  В схеме с коллекторной ОС при отсутствии входного сигнала транзистор VТ1 заперт, а VТ2 открыт и на выходе сигнала не будет Uвых =Uвых 0. При подаче Uвх транзистор VТ1 откроется и на базу транзистора VТ2 будет подан положительный потенциал, который обеспечит запирание Т2. В результате напряжение на выходе близко к напряжению источника питания.
  
  
  

• 32 слайд

  Реле времени (рис.29) - при создании релейных систем автоматического управления различными технологическими процессами, а также машинами и агрегатами необходимо осуществлять замедление (задержку) срабатывания или отпускания реле после подачи на его вход командного сигнала.
  Замедление срабатывания (отпускания) реле осуществляется электрическими (схемными), механическими или конструктивными методами. При использовании электрических методов в цепь катушки реле включается R, C, L цепочки.
  
  
  
  
  
  
  Рис. 29 Реле времени
  Реле времени (РВ) содержит специальный узел или устройство, обеспечивающее задержку появления (исчезновения) выходного сигнала после подачи (снятия) входного. РВ обычно имеют регулируемую выдержку времени. Широко применяются тепловые, моторные, электронные (полупроводниковые), а также электромагнитные реле времени с электромагнитными, пневматическими и различными механическими замедлениями.
  В РВ постоянного тока с электромагнитной задержкой замедление времени срабатывания или отпускания достигается за счет электромагнитного импульса, которое осуществляется с помощью специальной короткозамкнутой обмотки, медной или алюминиевой гильзы, размещаемой на магнитопроводе реле. Выдержка времени составляет 0,15 – 10 с.
  Достоинства этих реле – простота и надежность конструкции, недостатки – сравнительно большие габариты, небольшой диапазон выдержки времени.
  
  

• 33 слайд

  Электромагнитные реле времени с пневматической задержкой  представляют собой устройство, состоящее из приводного механизма электромагнитного типа и пневматического механизма задержки. Реле типа РВП –72 имеет выдержку времени 0,2 – 180 с. они предназначены для использования в цепях переменного тока напряжением 127, 220 В. В зависимости от исполнения эти реле имеют разные наборы контактов: замыкающие, размыкающие с выдержкой времени при замыкании или размыкании, а также наборы мгновенно срабатывающих контактов.
  Электронные полупроводниковые реле времени (ЭРВ) представляют собой сочетание полупроводникового усилителя, на входе которого включается R – C цепочка, а на выходе – электромагнитные реле. R – C цепочка используется для задержки входного сигнала, который после усиления подается на выходное реле (рис.30). Существует много схем ЭРВ на постоянном и переменном токе, использующих как заряд, так и разряд конденсатора.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 30. Транзисторное реле
  Простейшее ЭРВ, задерживающее выходной сигнал после снятия входного, работает следующим образом: если входной сигнал отсутствует (контакт В разомкнут), транзистор VT заперт и катушка Р обесточена и выходной контакт реле Р разомкнут. После подачи входного сигнала (контакт В включен) отрицательный потенциал подается на базу транзистора VТ, который отпирается, что приводит к срабатыванию выходного реле Р и появлению сигнала на выходе.
  
  
  
  
  
  

• 34 слайд

  Одновременно с этим конденсатор С заряжается через диод VD до напряжения питания Ек. При снятии входного сигнала (выключении В) транзистор некоторое время, определенное временем разряда конденсатора С, будет открыт и на выходе будет сохраняться сигнал. Конденсатор разряжается через переход эмиттер-база и сопротивления R1 и R2.
  После разряда конденсатора транзистор Т запирается и реле возвращается в исходное состояние, размыкая выходной контакт Р. Выдержка времени регулируется изменением R2 и С и в зависимости от параметров реле может быть от долей секунд до десятков и сотен минут.
  Полупроводниковые реле времени серии ВЛ выполняют на постоянном и переменном токе с различными значениями выдержки времени и ступенчатым или плавным регулированием выдержки. На выходе эти реле имеют или два контакта, или бесконтактный выход (реле ВЛ-28, ВЛ-35).
  Контакторы и магнитные пускатели, как сказано выше, являются электромагнитными реле, которые имеют мощную контактную систему и предназначены для коммутации рабочих цепей электродвигателей. Они подразделяют на контакторы постоянного и переменного тока.
  Контакторы постоянного тока служат для коммутации цепей постоянного тока, на их обмотку подается постоянный ток напряжением 110 или 200В. Они имеют один или два главных контакта и до пяти блок-контактов, служащих для коммутации вспомогательных цепей, цепей сигнализации и т.д.
  Контакторы переменного тока служат для коммутации цепей переменного тока, на их обмотку подается переменный ток промышленной частоты. Напряжением до 500 В. Число главных контактов от 1 до 5, кроме них имеются также маломощные блок-контакты, предназначенные для самоблокировки, коммутации дополнительных цепей и т.д.
  Магнитные пускатели представляют собой контакторы, которые служат для дистанционного управления трехфазными асинхронными двигателями. Их подразделяют на два вида:
  нереверсивные 
  реверсивные.
  

• 35 слайд

  Для защиты двигателей от перегрева в магнитных пускателях установлены тепловые реле, допускающие протекание больших кратковременных пусковых токов в двигателях, но размыкающие цепи питания двигателей при длительных перегрузках. Для защиты двигателей от токов короткого замыкания установлены плавкие предохранители.
  Схема (рис.21) состоит из двух частей: силовой и управляющей. Силовая часть включает двигатель 1, два тепловых реле 1 РТ и 2РТ, две группы рабочих контактов: 1 РК 1, 1 РК 2, 1 РК 3 – контакты первого контактора, 2 РК 1, 2 РК2, 3 РК 3 – контакты второго контактора и плавкие предохранители 2.
  Управляющая часть включает обмотку 1 К первого контактора и 2 К второго контактора, кнопочные выключатели 1 П и 2 П, блок-контакты контакторов БК 1 и БК 2, кнопочный выключатель Ст, контакты 1 РТ, 2 РТ тепловых реле и блок-контакты взаимной блокировки 1 К1 и 2К1.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 31. Схема реверсивного магнитного пускателя
  
  

• 36 слайд

  Системы блокировки широко применяют в системах промышленной автоматики для исключения нарушения нормальной эксплуатации различных объектов. При блокировке в результате взаимной связи отдельных элементов обеспечивается определенная последовательность включения отдельных устройств (механизмов) или выключения технологических операций, а также нормальное функционирование автоматических устройств, при этом повышается надежность схем автоматики.
  В схемах с кнопочным управлением реле Р, магнитными пускателями и контакторами К аппараты включают с помощью кнопок управления П (пуск) с замыкающими контактами, а отключают – с помощью кнопок Ст (стоп) с размыкающими контактами. При нажатии на кнопки управления они замыкают (размыкают) свои контакты, а при отпускании под воздействием пружин возвращаются в исходное положение.
  Для нормальной работы релейной схемы рис.31 с кнопочным управлением применятся самоблокировка реле, контактора или магнитного пускателя. При самоблокировке к контактам пусковой кнопки П включается замыкающий контакт реле Р или контактора К (рис.32).
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.32. Схема кнопочного управления контактором