Они применяются для введения информации от термопар или
терморезисторов в ЭВМ или в систему автоматического регулирова-
ния и предназначены для преобразования значения термоЭДС или
сопротивления терморезистора в унифицированный сигнал посто-
янного тока 0... 5 мА.
В основу работы нормирующего преобразователя термоЭДС
(рис. 9.3, а) положен компенсационный метод измерения термоЭДС
с использованием схемы потенциометра с переменной силой рабо-
чего тока. Схема состоит из двух контуров: измерительного контура I
и компенсационного контура II. Контур I содержит корректирующий
мост КМ, усилитель У, с токовым выходом Iвых и резистор Rкн.
К контуру I подсоединена термопара АВ. Корректирующий мост
предназначен для введения автоматической поправки на изменение
температуры свободного конца термопары, а также компенсации
начальной термоЭДС в преобразователях, нижний предел измерения
которых не равен 0 °С. К диагонали ab питания моста подведено
стабилизированное напряжение постоянного тока. Резисторы Rx, R2
и R} — манганиновые, резистор RM — медный. Усилитель У, выпол-
няет функции нуль-индикатора. Контур компенсации II включает в
себя резистор RKH и усилитель обратной связи У2. Этот усилитель
аналогичен усилителю У„ но включен с глубокой отрицательной
связью по выходному току усилителя. Выходной ток Iос усилителя У2
является рабочим током контура II; при прохождении этого тока по
сопротивлению RKH на нем со стороны контура II создается компен-
сирующее напряжение UKH = I0CRrH.
ТермоЭДС, развиваемая термопарой, равна Елвф( Ɵ, Ɵ1) где Ɵ и Ɵ1 — тем-
пературы горячего и холодного концов термопары. Напряжение, снимаемое
с измерительной диагонали КМ, равно термоЭДС, развиваемой термопарой
при температуре окружающей среды 0,: Ucd = Елв( Ɵ, Ɵ0), где 0О — темпера-
тура холодного конца, равная О °С. Таким образом, на один вход усили-
теля У, поступает суммарный сигнал Д U = Едв (Ɵ, Ɵ0), состоящий из
значения термоЭДС, приведенному к О °С
Елв (Ɵ, Ɵ0) = ЕАВ (Ɵ, Ɵ0) + Ucd = EAfl(Ɵ, Ɵ0) + Ucd = Eab( Ɵ1, Ɵ0),
и падения напряжения на нормирующем компенсационном резисто-
ре RKH:
Uкн = Ioc Rкн
За счет усиленного сигнала небаланса, равного ∆ U= EAe (Ɵ, Ɵ0) - UKH,
на выходе усилителя У, создается ток /вых, который поступает во
внешнюю цепь Rm и далее в усилитель обратной связи У2. Выходной
ток Iос этого усилителя, создающий падение напряжения UKH на ре-
зисторе RKH, будет изменяться до тех пор, пока небаланс AU не до-
стигнет некоторой малой величины δ U, называемой статической
ошибкой компенсации. Наличие этой ошибки приводит к тому, что
в измерительном контуре I проходит нескомпенсированный ток (чем
больше измеряемая термоЭДС, тем больше этот ток).
Исключить эту ошибку в устройствах, выполненных по статиче-
ской автокомпенсационной схеме, принципиально невозможно, так
как выходной ток преобразователя Iвых и ток контура компенсации
Iос определяются наличием этой ошибки и пропорциональны ей.
В то же время статическая ошибка автокомпенсационной схемы мо-
жет быть значительно уменьшена, если использовать усилитель с
большим коэффициентом усиления.
Измеряемая термоЭДС EAB (Ɵ, Ɵ0)связана с выходным током пре-
образователя Iвых следующим образом. Как уже отмечалось, напря-
жение небаланса на входе У1:
где k1и k2 — коэффициенты усиления усилителей У, и У2; Iвк = ∆U/Rm —
ток, создаваемый во входной цепи усилителя У, сигналом ∆U;Rm —
сопротивление входной цепи усилителя У,.
Падение напряжения на резисторе RKн с учетом (9.10) составит
Таким образом, выходной токовый сигнал нормирующего преоб-
разователя пропорционален скорректированному по температуре
холодного конца сигналу термопары.
В зависимости от диапазона входного сигнала нормирующие пре-
образователи, работающие в комплекте с термопарой, имеют классы
точности 0,6... 1,5.
Нормирующий преобразователь сопротивления в унифицирован-
ный токовый сигнал, работающий в комплекте с термопреобразова-
телем сопротивления, по схеме и принципу действия аналогичен
нормирующему преобразователю ЭДС, рассмотренному выше. От-
личие указанных схем заключается в том, что в преобразователе со-
противления (рис. 9.3, б) вместо корректирующего моста использу-
ется измерительный неравновесный мост ИМ, в одно из плеч кото-
рого по трехпроводной схеме включен термопреобразователь
сопротивления R,. Остальные сопротивления выполнены из манга-
нина. Сопротивления R„ служат для подгонки сопротивления соеди-
нительных проводов до номинального значения. К диагонали питания
моста ab подведено стабилизированное напряжение постоянного
тока. Выходной ток преобразователя /вых пропорционален Напряже-
нию Ucd в измерительной диагонали моста, и соотношений между
ними может быть представлено в виде
Таким образом, токовый сигнал нормирующего преобразователя
пропорционален текущему значению сопротивления терморезистора.
Классы точности рассматриваемого преобразователя 0,6... 1,5.
9.4. Интеллектуальные датчики
В последние годы появился новый класс датчиков — так называе-
мые интеллектуальные датчики. Их наиболее характерная особен-
ность — возможность не только передавать информацию об объекте
на вышестоящий уровень, но и воспринимать сигналы, поступающие
с этого уровня; можно сказать, что в отличие от обычных датчиков
интеллектуальные датчики являются устройствами с обратной связью.
Они способны самостоятельно подстраиваться под условия эксплуа-
тации и постоянно регулировать свою чувствительность. Обработка
измерений непосредственно в самом датчике увеличивает объемы
обрабатываемой информации и скорость ее обработки. Самая ценная
возможность, предоставляемая интеллектуальным датчиком, — воз-
можность получения линейного сигнала от нелинейного чувствитель-
ного элемента при помощи таблицы соответствия, хранящейся в
памяти. Этот фактор позволяет создавать интеллектуальные датчики
с очень низкой нелинейностью.
К интеллектуальным датчикам относят датчики, имеющие в сво-
ем составе АЦП, специализированный микропроцессор, сетевой
контроллер для организации односторонней или двусторонней связи
с ПЭВМ по интерфейсам RS- 232, /W-485, а также посредством про-
токолов более высокого уровня: Profibus, Fieldbus Foundation. Такие
устройства осуществляют внутреннюю коррекцию получаемого ана-
логового сигнала; в них могут использоваться протоколы связи типа
HART, Modbus и др. Настройка параметров и режимов работы, диа-
гностика и калибровка интеллектуальных датчиков осуществляется
либо локально (вручную с помощью коммуникаторов различных
типов), либо непосредственно с пульта управления. Это дает возмож-
ность исключить промежуточные звенья в цепи распределенных
систем — программно-логические контроллеры, упростить техниче-
ское обслуживание за счет дистанционной диагностики и конфигу-
рирования. Именно датчики этой группы в полной мере являются
интеллектуальными.
Интеллект датчиков обеспечивает выполнение некоторого набора
из следующих функций: 1) первичная обработка информации в самом
датчике; 2) тарировка характеристик для повышения точности из-
мерения; 3) перепрограммирование характеристики преобразования
(изменение привязки нуля характеристики и перестройка диапазона
измерения); 4) накопление данных за определенное время с их при-
вязкой к сетке времени для пакетной передачи информации в циф-
ровой форме; 5) самотестирование; 6) формирование выходных
данных в унифицированной аналоговой и/или цифровой форме;
7) реализация режима периодической подачи и отключения питания
и других способов минимизации энергопотребления; 8) использова-
ние сторожевого таймера для предотвращения потери программного
управления; 9) передача данных в цифровой форме по унифициро-
ванному радиоканалу.
Общая структурная схема интеллектуального датчика показана на
рис. 9.4. Измеряемый физический параметр воспринимается чувстви-
тельным элементом, на выходе которого возникает электрический
сигнал, соответствующий значению параметра. В памяти датчика
содержится эталонная (паспортная) характеристика преобразования.
При помощи одной из подпрограмм она сравнивается с текущей
характеристикой датчика, и по результатам этого сравнения в резуль-
тат измерения вносится коррекция (поправка). В зависимости от того,
в состав какой системы автоматизации входит датчик, используется
либо аналоговый выходной сигнал, либо цифровой. Передача циф-
ровых данных осуществляется либо по той же паре проводников, при
помощи которой подается напряжение питания и которая использу-
ется для передачи выходного аналогового сигнала, либо через общую
для ряда датчиков цифровую проводную сеть. В случае значительно-
го удаления датчиков от основных средств системы автоматизации
датчик с помощью отдельных специальных средств телемеханики
может общаться с контроллером по радиоканалу.
Таким образом, по сравнению с обычными, традиционными дат-
чиками современные интеллектуальные датчики обеспечивают:
1) резкое уменьшение искажений измерительной информации на
пути от датчика к контроллеру, так как вместо низковольтного ана-
лотового сигнала по кабелю, соединяющему датчики с контроллером,
идут цифровые сигналы, на которые электрические и магнитные
промышленные помехи оказывают несравнимо меньшее влияние;
2) увеличение надежности измерения благодаря самодиагностике
датчиков, так как каждый датчик сам оперативно сообщает операто-
ру факт и тип возникающего нарушения, тем самым исключая ис-
пользование для управления некачественных и/или недостоверных
измерений;
3) возможность использования принципов измерения, требующих
достаточно сложной вычислительной обработки выходных сигналов
сенсора, но имеющих ряд преимуществ перед традиционно исполь-
зуемыми принципами измерения по точности, стабильности показа-
ний, простоте установки и обслуживания датчика в процессе его
эксплуатации;
4) возможность построения мультисенсорных датчиков, в которых
преобразователь получает и перерабатывает сигналы ряда однотипных
или разнотипных чувствительных элементов;
5) возможность проведения всей необходимой первичной пере-
работки измерительной информации в датчике и выдачи им искомо-
го текущего значения измеряемой величины в заданных единицах
измерения;
6) возможность передачи в систему автоматизации не только те-
кущего значения измеряемой величины, но и добавочных сигналов
о выходе его за пределы заданных норм, а также возможность пере-
дачи по сети не каждого текущего измеряемого значения, а только
изменившегося по сравнению с предыдущим значения или вышед-
шего за пределы заданных норм значения, или значения, требующе-
го управляющего воздействия;
7) наличие в датчике базы данных для хранения значений изме-
ряемой величины за заданный длительный интервал времени;
8) возможность дистанционно с пульта оператора в оперативном
режиме выбирать диапазон измерения датчика, устанавливать ноль
прибора;
9) возможность путем программирования работы датчика на до-
статочно простом технологическом языке реализовывать в нем про-
стые алгоритмы регулирования, программного управления, блоки-
ровок механизмов;
10) возможность строить достаточно простые цепи регулирования,
программного управления, блокировок на самом нижнем уровне
управления из трех компонентов: интеллектуальных датчиков, по-
левой сети и интеллектуальных исполнительных механизмов, не за-
гружая этими вычислительными операциями контроллеры, что по-
зволяет использовать мощность контроллеров для реализации в них
достаточно сложных и совершенных алгоритмов управления.
9.5. Элементы промышленной пневмоавтоматики
Пневмоавтоматика используется на взрыво- и пожароопасных
объектах, например при подготовке природного газа к дальнему
транспорту. Эти элементы относятся к пневматической ветви ГСП,
использующей в качестве основного источника энергии сжатый воз-
дух. Рабочий диапазон изменения входных и выходных пневматиче-
ских сигналов приборов и средств автоматизации обычно находится
в пределах 20... 100 кПа. Номинальное нормальное питающее давле-
ние сжатого воздуха составляет 140 кПа. Допустимое отклонение
давления питания установлено в пределах ± 10 % от номинального
значения. В вычислительных пневматических приборах используется
также низкий диапазон рабочих давлений 0... 1000 Па.
Все пневматические регуляторы, как правило, состоят из отдель-
ных пневматических элементов: пневмосопротивлений, пневмоем-
костей, пневмоповторителей, элементов сравнения, пневмореле
и т. п. Их принцип действия аналогичен соответствующим элементам
электрических цепей, что позволяет применить при исследовании
пневматических цепей известные законы электрических цепей.
При течении воздуха по каналу имеют место потери давления
вследствие вязкостного трения о стенки канала и трения между воз-
душными слоями. В местах сужения канала силы вязкостного трения
и потери давления будут значительно больше, чем на других его
участках. Таким образом, дроссели, капилляры и другие сужения
являются элементами, воспроизводящими пневмосопротивления.
Пневматической емкостью тела или устройства по аналогии с элек-
трической емкостью можно назвать его способность вмещать (на-
капливать) некоторое количество воздуха вследствие его сжимаемо-
сти. В качестве пневматических емкостей в пневмонике применяют-
ся пневматические камеры определенного объема. Как правило, они
используются совместно с дросселями и делятся на два типа: про-
точные и непроточные. В проточных камерах имеются один или не-
сколько входных дросселей, через которые воздух поступает в камеру,
и один или несколько выходных дросселей, через которые воздух вы-
текает из камеры. Непроточная камера имеет лишь один дроссель,
через который она сообщается с окружающей средой или с другой
пневматической камерой.
Универсальная система элементов промышленной пневмоавтома-
тики (УСЭППА) позволяет строить приборы пневмоавтоматики по
принципу электронных приборов. Система состоит из набора унифи-
цированных элементов дискретного и непрерывного действия, каждый
из которых выполняет одну простейшую операцию. Монтаж элементов
в схемы ведется на коммутационных платах, внутри которых проходят
каналы, необходимые для соединения элементов друг с другом.
УСЭППА включает пневмосопротивления, пневмоемкости, уси-
лители, повторители, пневмореле, сдвоенный обратный клапан,
органы управлении (задатчики, кнопки, тумблеры), дискретные пре-
образователи, коммутирующие органы (пневмоклапаны). При изо-
бражении элементов УСЭППА на схемах используются условные
изображения, приведенные в приложении 4.
На элементах УСЭППА могут быть созданы узлы непрерывного,
дискретного и непрерывно-дискретного действия, которые часто
встречаются в различных пневматических схемах. Так, на этих эле-
ментах строятся устройства системы СТАРТ, включающие регулято-
ры, функциональные и контрольные приборы.
9.6. Исполнительные устройства
Технические средства использования командной информации и
воздействия на объект управления образуют выходную функциональ-
ную группу изделий ГСП. Эти технические средства обычно называ-
ют исполнительными устройствами. Исполнительное устройство
(ИУ) — это силовое устройство, предназначенное для изменения
регулирующего воздействия на объект управления в соответствии с
сигналом управления, поступающим на его вход от командного
устройства (блока ручного управления, регулятора, контроллера,
управляющей ЭВМ). Исполнительное устройство в общем случае
состоит из двух основных частей: исполнительного механизма (ИМ)
и регулирующего органа (РО). Исполнительный механизм преоб-
разует входную командную информацию в определенное силовое
воздействие на регулирующий орган объекта управления или на сам
объект управления. Он не только изменяет состояние управляемого
объекта, но и перемещает регулирующий орган в соответствии с за-
данным законом регулирования при минимально возможных откло-
нениях. Регулирующий орган производит непосредственное регули-
рующее воздействие на объект управления. В большинстве случаев
исполнительный механизм действует от посторонних источников
энергии, так как непосредственное управление исполнительным
механизмом от первичных элементов регулирования (микропроцес-
соров, реле, датчиков) невозможно вследствие их малой мощности,
недостаточной для воздействия на регулирующий орган.
Классификация исполнительных механизмов производится прежде
всего по виду энергии, создающей усилие (момент) перемещения
регулирующего органа. Соответственно, ИМ бывают пневматические,
гидравлические и электрические. В п н е в м а т и ч е с к и х ИМ усилие
перемещения создается за счет давления сжатого воздуха на мембра-
ну, поршень или сильфон; давление обычно не превышает 103 кПа.
В г и д р а в л и ч е с к и х ИМ усилие перемещения создается за счет
давления жидкости на мембрану, поршень или лопасть; давление
жидкости в них обычно находится в пределах (2,5...20) 103 кПа.
Э л е к т р и ч е с к и е ИМ по принципу действия подразделяются на
электродвигательные (электромашинные) и электромагнитные. Су-
ществуют ИМ, в которых используются одновременно два вида
энергии: электропневматические, электрогидравлические и пневмо-
гидравлические. Вид энергии управляющего сигнала может отличать-
ся от вида энергии, создающей усилие перемещения.
По характеру движения выходного элемента большинство ИМ
подразделяются на п р я м о х о д н ы е с поступательным движением
выходного элемента, п о в о р о т н ы е с вращательным движением до
360° (однооборотные) и с вращательным движением на угол более
360° (многооборотные).
В электрических системах автоматизации и управления наиболее
широко применяются электромашинные и электромагнитные исполни-
тельные механизмы. Основным элементом э л е к т р о м а ш и н н о го
ИМ является электрический двигатель постоянного или переменного
тока. Такие исполнительные механизмы обычно называют электро-
приводами. Электромагнитные ИМ дискретного действия выполняют-
ся в основном на базе электромагнитов постоянного и переменного тока
и постоянных магнитов. Жесткое и упругое соединение узлов систем
осуществляют различного рода электромагнитные муфты.
Регулирующие органы имеют самые разнообразные конструкции,
зависящие от объекта управления. По виду воздействия на объект их
можно подразделить на два основных типа: дросселирующие и до-
зирующие. Д р о с с е л и р у ю щ и е РО изменяют сопротивление
(гидравлическое, аэродинамическое) в системе путем изменения
своего проходного сечения, воздействуя на расход вещества (напри-
мер, заслонки,диафрагмы,задвижки,краны,клапаны).Дозирующие ^
РО выполняют заданное дозирование поступающего вещества или
энергии за счет изменения производительности определенных агре-
гатов: дозаторов, насосов, компрессоров, питателей, электрических
усилителей мощности.
В настоящее время создается новое поколение ИМ — интеллек-
туальные ИМ. Это связано с появлением интеллектуальных систем
управления, под которыми понимаются системы, ориентированные
на обработку и использование знаний. В интеллектуальной системе
можно выделить следующие слои обработки неопределенной инфор-
мации (слои интеллектуальности): прогноз событий; самообучение
и адаптация; работа с базами событий, знаний и формирование ре-
шений; исполнительный слой. В самом нижнем исполнительном слое
могут использоваться классические модели систем автоматического
управления. Слои более высокого ранга можно рассматривать как
надстройку над классическими моделями, соответствующую совре-
менным информационным технологиям работы со знаниями и су-
щественно расширяющую возможности этих моделей. В зависимости
от того, сколько слоев интеллектуальности имеет та или иная систе-
ма, их можно подразделить на системы со степенью интеллектуаль-
ности в малом, в большом и в целом. Под интеллектуальным испол-
нительным механизмом (приводом) обычно понимается привод с
системой управления, имеющей степень интеллектуальности в малом.
Это означает, что функционирование системы управления привода
ограничено двумя нижними слоями интеллектуальности. Интеллек-
туальный ИМ способен совершать сложные траекторные движения,
контролировать свое состояние и адаптироваться к изменениям
внешней среды.
Создание интеллектуальных ИМ неразрывно связано с развитием
мехатроники — области науки и техники, которая занимается управ-
лением механизмов от ЭВМ. Мехатронная (механико-электронная)
система представляет собой единую систему механических, электро-
механических, электрических и электронных узлов, между которыми
осуществляется обмен энергией и информацией. Одним из основных
принципов мехатронного подхода к созданию исполнительных меха-
низмов нового поколения заключается в переносе функциональной
нагрузки от механических узлов к интеллектуальным компонентам
(электронным, компьютерным и информационным), которые гораз-
до легче перепрограммируются под новые задачи и в настоящее
время относительно недороги.
Для интеллектуальных мехатронных устройств характерен принцип
модульности. Существует пять групп стандартных модулей. Первая
группа — двигатели (электрические двигатели, преобразующие элек-
трическую энергию в механическую). К этой группе относятся асин-
хронные трехфазные двигатели, исполнительные асинхронные микро-
двигатели, исполнительные двигатели постоянного тока, синхронные
шаговые двигатели. Вторая группа — силовые преобразователи, ис-
точники электрической энергии для управляемого двигателя. Вход и
выход у этих модулей электрический; к их числу относятся управляе-
мые выпрямители, широтно-импульсные преобразователи, преобра-
зователи частоты, электронные и магнитные усилители мощности
переменного тока. В третью группу входят передаточные устрой-
ства — механические устройства для соединения вала двигателя с
регулирующим органом объекта управления. Вход и выход у таких
модулей механический; к их числу относятся муфты, кинематические
механизмы типа редукторов и тормозные устройства. Четвертую груп-
пу образуют датчики, преобразующие скорость и/или перемещение
в электрический сигнал. В качестве измерителей скорости и переме-
щения широко применяются тахогенераторы, поворотные трансфор-
маторы, сельсины. И наконец, пятая группа модулей — контроллеры,
микропроцессорные системы, предназначенные для управления си-
ловым преобразователем с целью реализации требуемого режима ра-
боты двигателя, соответствующего заданному закону перемещения
регулируемого органа объекта управления. Вход и выход таких модулей
электрический; обмен информацией контроллера с силовым преоб-
разователем, датчиком и, при необходимости, вышестоящей управ-
ляющей ЭВМ осуществляется на основе стандартных интерфейсов.
Таким образом, интеллектуальный мехатронный исполнительный
механизм — это объединение перечисленных модулей, снабженное
необходимым программным обеспечением для контроллера.
Контрольные вопросы
1. Какие принципы положены в основу построения ГСП?
2. Что такое естественный выходной сигнал?
3. Какие унифицированные сигналы предусмотрены в ГСП?
4. На какие группы делятся устройства ГСП по роду используемой энергии?
5. Что такое принцип силовой компенсации?
6. Как вводится поправка на температуру свободных концов термопары в
нормирующем преобразователе ЭДС в унифицированный токовый сиг-
нал?
7. Объясните понятие «интеллектуальный датчик».
8. Что означает аббревиатура УСЭППА?
9. Что такое исполнительное устройство и из каких частей оно состоит?
10. Как классифицируются регулирующие органы по виду воздействия на
объект?
Гл а в а 10
РЕЛЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
10.1. Понятие релейного элемента. Виды реле
Реле (англ. relay — смена, эстафета) являются одним из наиболее
распространенных элементов в системах автоматики, предназначен-
ных для автоматической коммутации электрических цепей по внеш-
нему сигналу. Любое релейное устройство состоит из релейного
элемента с двумя состояниями устойчивого равновесия и группы
электрических контактов, которые замыкаются или размыкаются при
изменении состояния релейного элемента. Это устройство является
промежуточным элементом, назначение которого — инициировать
управляемую цепь при получении некоторого сигнала от управляю-
щей цепи (рис. 10.1, а).
Релейным элементом или реле называется устройство, в котором
при достижении входной величиной X определенного значения вы-
ходная величина вменяется скачкообразно. Типичная характеристи-
ка релейного элемента показана на рис. 10.1, б. При изменении
входной величины от 0 до Х2 выходная величина остается постоянной
и равной У,. Когда X становится равным Х2 (Х= Х2), выходная вели-
чина скачком изменяется от значения У, до Y2 и при дальнейшем
увеличении достается неизменной. При уменьшении входной вели-
чины до значения X, (Х=Х,) выходная величина скачком уменьша-
ется до значения У, и сохраняет это значение при уменьшении Xдо
нуля. Значение Х2 называется величиной срабатывания реле, а X, —
величиной отпускания.
Реле используются в системах автоматики для выполнения сле-
дующих операций: 1) управление большими выходными мощностями
посредством входных электрических сигналов сравнительно малой
мощности; 2) коммутация электрических цепей; 3) фиксация откло-
нения контролируемого параметра от заданного уровня; 4) выполне-
ние функций запоминающего или логического элемента и т.д.
Реле классифицируются по различным признакам. По роду вос-
принимаемой величины все реле делятся на электрические и неэлек-
трические (механические, тепловые, оптические, акустические и др.).
По назначению реле делятся на реле защиты, контроля и управления.
Наиболее распространенной группой являются электрические
реле. По принципу действия они делятся на электромагнитные, маг-
нитоэлектрические, электродинамические и др. По способу комму-
тации управляемой цепи реле делятся на контактные и бесконтакт-
ные. Контактные реле воздействуют на управляемую цепь с помо-
щью контактов, замкнутое или разомкнутое состояние которых
изменяет сопротивление электрической цепи практически от 0 до оо,
при этом имеет место или полное замыкание, или полный физиче-
ский разрыв управляемой цепи. Электрические контактные реле
представляют собой устройства, в которых входная электрическая
величина (ток, напряжение, частота) преобразуется в механическое
перемещение подвижной части, связанной с контактной системой
(поэтому эти реле часто называют электромеханическими). При по-
даче на вход сигнала определенного значения механическое пере-
мещение подвижной части реле обеспечивает замыкание или раз-
мыкание контактов, включенных в управляемую цепь. Электрические
контактные реле могут быть электромагнитными, магнитоэлектри-
ческими, электродинамическими и др. При воздействии на управ-
ляемую цепь бесконтактных реле происходит скачкообразное из-
менение параметров выходных электрических цепей (сопротивления,
например) или изменения уровня напряжения (тока). При этом на-
рушения гальванических связей не происходит, т. е. коммутация
осуществляется без механического разрыва электрической цепи.
10.2. Электромагнитные реле постоянного
и переменного тока. Их характеристики
Электромагнитные реле (ЭМР) являются наиболее распростра-
ненным типом реле. Принцип действия ЭМР основан на взаимодей-
ствии ферромагнитного якоря с магнитным полем обмотки, по ко-
торой протекает ток, в результате чего происходит механическое
перемещение подвижной части, связанной с контактной системой.
ЭМР выполняют следующие функции: 1) гальваническая развяз-
ка между цепью управления и цепью нагрузки реле; 2) размножение
одного управляющего сигнала на несколько выходных сигналов;
3) усиление мощности управляющего сигнала; 4) независимое одно-
временное управление несколькими выходными цепями с различны-
ми уровнями тока и напряжения; 5) разделение цепей с различными
мощностями, а также цепей переменного и постоянного тока; 6) пре-
образование и нормирование уровней электрических сигналов.
По роду входного тока различают реле постоянного тока
и реле переменного тока; реле постоянного тока, в свою очередь, под-
разделяются на нейтральные реле, работа которых не зависит от по-
лярности приложенного напряжения, и поляризованные реле, работа
которых определяется полярностью входного сигнала. По числу
о б м о т о к различают одно- и многообмоточные реле, а по ч и с л>,
к о н т а к т н ы х групп — мало- и многоконтактные реле. \
Нейтральные ЭМР постоянного тока обычно выполняются с
внешним притягивающимся якорем (рис. 10.2, а). Такое реле пред-
ставляет собой электромагнитный механизм и ряд контактных групп,
установленных на одном основании 5. Магнитопровод электромаг-
нита состоит из ярма (корпуса) 11, сердечника 8 и якоря 6, выпол-
ненных из магнитомягкой стали. На сердечнике помещается каркас 9
с одной или несколькими обмотками 10. При протекании по обмот-
ке электрического тока якорь притягивается к сердечнику. Движение
якоря через непроводящий штифт 3 передается на одну из контактных
пружин 4, в результате чего происходит замыкание подвижного 1 и
неподвижного 2 контактов. Чтобы обеспечить возврат якоря в ис-
ходное положение после обесточивания обмоток (т. е. предупредить
залипание якоря), на якоре предусматривается штифт отлипания 7.
В исходном положении якорь удерживается контактными пружинами.
Иногда для этого дополнительно используют специальные возвратные
пружины 12.
Временная диаграмма работы реле (зависимость тока в обмотке I
от времени t) приведена на рис. 10.2, б. За счет индуктивности ка-
тушки реле ток в ней нарастает (убывает) не мгновенно, а постепен-
но. Работа реле делится на четыре этапа. Этап I — срабатывание реле.
Длительность этого этапа — время полного срабатывания tcs>, т. е. про-
межуток времени от момента подачи напряжения на катушку реле до
момента замыкания контактов (точка А). Этот промежуток склады-
вается из двух составляющих — времени трогания якоря tтр и време-
ни его движения tm. При подаче напряжения на катушку реле ток в
ней начинает возрастать, что приводит к увеличению магнитного
потока и электромагнитного притягивающего усилия. В тот момент,
когда его значение достигнет значения противодействующего меха-
нического усилия (оно создается возвратными и контактными пру-
жинами), якорь трогается с места (этому соответствует значение
тока Iтр). По мере уменьшения зазора между сердечником и движу-
щимся якорем скорость движения якоря возрастает, и в момент до-
стижения током значения тока срабатывания Iср якорь притягивается
к сердечнику, его движение прекращается (реле срабатывает). Таким
образом, время полного срабатывания tср = tw+ tm.
Этап II — работа реле (tра6 — время работы реле). После того как
реле сработает, ток в обмотке продолжает увеличиваться (участок
А—В), пока не достигнет установившегося значения tуст. Участок А—В
необходим для того, чтобы обеспечить надежное притяжение якоря
к сердечнику, исключающее вибрацию якоря при сотрясениях реле.
В процессе работы значение тока в обмотке реле остается неизмен-
ной. Отношение установившегося тока Iуст. к значению тока сраба-
тывания tср называется коэффициентом запаса реле по срабатыва-
нию К3 (т.е. этот коэффициент характеризует надежность работы
реле):
Этап III — отпускание реле. Этот период длится от момента пре-
кращения подачи напряжения на обмотку реле (точка С) до момента,
когда ток в обмотке реле уменьшится до значения Iот (точка D — пре-
кращение воздействия реле на управляемую цепь). На участке CD
также различают участок трогания якоря (Сb) и участок его движения
(bD). Отношение тока отпускания к току срабатывания называется
коэффициентом возврата:
Этап IV — покой реле. Это отрезок времени от момента размыка-
ния контактов реле (точка D) до момента поступления нового сигна-
ла на обмотку реле. При быстром следовании управляющих сигналов
друг за другом работа реле характеризуется максимальной частотой
срабатывания (количество срабатываний реле в единицу времени).
Рассмотренное ЭМР постоянного тока является нейтральным,
так как оно реагирует только на величину входного сигнала и нечув-
ствительно к его направлению (полярности). Существуют также реле,
реагирующие не только на величину, но и на полярность входного
сигнала. Такие реле называются поляризованными. В них направле-
ние тягового усилия и, следовательно, перемещение якоря и пере-
ключение контактов зависят от полярности сигнала постоянного тока,
подаваемого в обмотку реле.
Электромагнитные реле переменного тока по принципу дей-
ствия в основном аналогичны реле постоянного тока. Однако пере-
менный ток обусловливает некоторые особенности работы реле. При
синусоидальной форме кривой напряжения, подаваемого на обмотку
реле, значение намагничиваю