Датчики времени, скорости, тока и положения

Датчики времени, скорости, тока и положения

Для работы схем управления электропривода, в том числе и разомкнутого, необходима информация о текущих значениях его скорости, тока, момента, ЭДС и других координат, а также времени. Устройства, которые выдают подобную информацию в виде электрических сигналов, получили название измерительных преобразователей или датчиков.

Датчики времени. При построении схем управления по принципу времени в качестве датчиков используются различные реле времени — электромагнитные, моторные, электронные, анкерные и пневматические. Рассмотрим кратко их принцип действия и основные технические характеристики.

Электромагнитное реле времени состоит из неподвижной части магнитопровода 2, на котором установлена катушка 1 (рис. 1), и подвижной части магнитной системы (якорь 6) с установленными на ней контактами 8 и 9. При отсутствии напряжения на катушке якорь 6 под действием пружины 4 находится в поднятом положении.

Рис. 1. Электромагнитное реле времени: а — устройство; б — контакты

Особенностью конструкции реле времени является наличие на магнитопроводе 2, массивной медной трубки 3 (гильзы), которая и обеспечивает выдержку времени реле при отключении его катушки. Рассмотрим этот процесс подробнее. Включение реле происходит, как у обычного электромагнитного реле, подачей напряжения U на катушку 1 после замыкания контакта 10. Якорь 6, притягиваясь к сердечнику, осуществляет без выдержки времени переключение контактов 8 и 9.

Выдержка времени обеспечивается за счет замедления возврата якоря в исходное положение. При снятии с катушки напряжения спадающий магнитный поток создает в гильзе вихревые токи, которые, по правилу Ленца, своим магнитным потоком поддерживают основной поток. Другими словами, наличие гильзы замедляет (демпфирует) спадание магнитного потока, а тем самым и перемещение якоря и контактной системы в исходное (отключенное) положение. В соответствии с таким принципом действия электромагнитное реле времени обеспечивает выдержку при замыкании замыкающего контакта и замыкании размыкающего контакта (рис. 1, б).

Выдержка времени реле регулируется ступенчато путем установки латунной немагнитной прокладки 7 определенной толщины, закрепляемой на якоре 6 (уменьшение толщины прокладки вызывает увеличение выдержки реле и наоборот), или плавно за счет изменения натяжения пружины 4 с помощью гайки 5. Чем меньше будет затянута пружина, тем больше будет выдержка времени и наоборот.

Выдержка времени может быть получена у электромагнитного реле без установки гильзы путем закорачивания катушки после отключения ее от сети. В этом случае замкнутый контур, образованный катушкой и замыкающим ее контактом 11, играет роль электромагнитного демпфера. Однако выдержка времени в этом случае получается меньше, чем у реле с гильзой.

Промышленность выпускает несколько типов электромагнитных реле времени. Реле РЭВ 811 — РЭВ 818 обеспечивают выдержку времени от 0,25 до 5,5 с и изготовляются с катушками на напряжение постоянного тока 10,24,48, 100 и 220 В. Реле времени типа РЭВ 81 обеспечивают выдержку времени от 0,15 до 4 с.

Моторное (электромеханическое) реле времени в своей основе имеет специальный низкоскоростной двигатель и редуктор с большим передаточным числом, на выходном валу которого устанавливается по шкале уставок времени реле. Рычаг управляет работой вспомогательных контактов, которыми, в свою очередь, включается выходное электромагнитное реле. Работает такое реле времени следующим образом.

Начало отсчета времени соответствует подаче напряжения на двигатель, который, включившись, начинает вращаться и медленно поворачивать рычаг на валу редуктора. Через заданное время, определяемое начальным положением рычага, он доходит до вспомогательных контактов и замыкает их. Это приведет к включению выходного реле, которое одним из своих контактов отключает двигатель. На этом завершается отсчет выдержки времени.

Выпускаемое моторные реле времени типов Е 510 и РБ 4 обеспечивают выдержку времени до нескольких минут.

Электронные реле времени обычно в своих схемах используют различные полупроводниковые элементы (чаще всего транзисторные) и конденсаторы, время разряда или заряда которых и определяет выдержку времени (рис. 2).

Рис. 2. Электронное реле времени В исходном положении внешний управляющий контакт К замкнут и на базу транзистора VT1 подан отрицательный потенциал источника питания GB. Транзистор открыт, при этом потенциал базы транзистора VT2 будет положительным по отношению к его эмиттеру и он будет закрыт. В результате выходное реле KV будет отключено. В исходном положении конденсатор С будет заряжен с показанной на рисунке полярностью своих обкладок.

Команда на начало отсчета времени подается при замыкании внешнего управляющего контакта К. после чего начинается разряд конденсатора С через резистор R2 и переход эмиттер — база транзистора VT1. В конце разряда транзистор VT1 закроется, что приведет к появлению на базе транзистора VT2 отрицательного потенциала. Он откроется, по обмотке реле KV начнет протекать ток, оно сработает и переключит свои контакты. Отсчет времени закончится.

Выдержка времени такого реле определяется временем разряда конденсатора С, которое зависит от величины его емкости и сопротивления резистора R2. Регулируя эти величины, можно устанавливать требуемые выдержки времени реле. Выпускаемые электронные реле времени серии ВЛ обеспечивают выдержку времени от 0,1 с до 10 мин.

Пневматические реле времени обеспечивают выдержку времени за счет работы воздушного (пневматического) замедлителя (демпфера), управляемого с помощью электромагнита. При подаче на электромагнит напряжения питания (начало отсчета времени) начинается процесс перекачки воздуха из одной камеры реле в другую через калиброванное дроссельное отверстие. Величина этого отверстия, а тем самым скорость перекачки и выдержка времени реле, регулируется с помощью иглы, положение которой устанавливается посредством регулировочной гайки «больше-меньше». В конце процесса перекачки воздуха через отверстие происходит переключение установленного в реле микропереключателя, что определяет конец отсчета выдержки времени.

Серийные пневматические реле времени типа РВП 72 обеспечивают диапазон выдержек времени от 0,4 до 180 с.

Механическое реле времени имеет замедлитель в виде анкерного механизма, управляемого электромагнитом. При подаче напряжения на электромагнит (начало отсчета времени) его якорь заводит пружину анкерного механизма аналогично часовому. Последний, начав работать, перемещает подвижный контакт реле. После заданного времени, определяемого положением (уставкой) неподвижного контакта реле, произойдет замыкание контактной системы, что определит конец отсчета времени. такие реле обеспечивают выдержку времени до нескольких десятков секунд.

Некоторые механические реле времени управляются не электромагнитом, а подвижной частью контактора. В этом случае запуск в работу анкерного механизма происходит сразу же после включения контактора. Такие реле времени получили название маятниковых.

Датчики скорости. Информация о скорости ЭП может быть получена от различных датчиков скорости, а также и от самого двигателя. Скорость двигателей постоянного и переменного тока определяет величину их ЭДС. Таким образом, если использовать величину ЭДС в качестве измеряемой (контролируемой) переменной, то будет получена информация о величине скорости.

Рис. 3. Электромеханическое (а) и электромашинное (б) реле скорости Электромеханическое реле контроля скорости (РКС) работает по принципу АД. Ротор реле (рис. 3, а) представляет собой постоянный магнит 1, соединенный с помощью валика с валом двигателя. Постоянный магнит помещен внутри алюминиевого цилиндра 5, имеющего обмотку в виде беличьей клетки. Цилиндр может поворачиваться вокруг оси валика 0 на небольшой угол и переключать при этом с помощью упора 3 контакты 4 (6). При неподвижном двигателе упор занимает среднее положение и контакты реле находятся в «нормальном» положении. При вращении двигателя и тем самым магнита 1 уже при небольших скоростях на цилиндр 5 начинает воздействовать вращающий момент, под действием которого он поворачивается и обеспечивает с помощью упора 3 переключение контактов 4. при скорости двигателя, близкой к нулю, цилиндр возвращается в среднее положение и контакты 4 переходят в свое «нормальное» состояние. Величина скорости, при которой переключается контакты реле, определяется положением настроечных винтов 2.

Реле контроля скорости удобно использовать при автоматизации процесса торможения, когда требуется обеспечивать отключение двигателя от сети после снижения его скорости до нуля.

Тахогенератор (ТГ) как датчик скорости двигателей в разомкнутых схемах управления используется редко (рис. 3, б). К якорю 2 тахогенератора подключена обмотка 4 реле напряжения, последовательно с которой включен регулировочной резистор 3. реле срабатывает при определенной скорости двигателя 1 в зависимости от положения движка реостата 3 и своими контактами осуществляет коммутацию соответствующих цепей управления. Наибольшее распространение в автоматизированном ЭП нашли тахогенераторы постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов типов ЭТ 4 и ЭТ 7; ТМГ-30П; ТД 103-ПМ и ТД 201-ПМ; МЭТ 8155 и с обмоткой возбуждения серий ТГ, СЛ, ТД, а также асинхронные и синхронные тахогенераторы. Применение тахогенераторов в замкнутых схемах рассмотрено в гл. 11.

В качестве датчика скорости используется схема с двигателем постоянного тока, называемая иногда тахометрическим мостом (рис. 4). Схема представляет собой мост, образованный резисторами 3 и 2, имеющими сопротивления R1 и R2, и обмотками якоря 1 сопротивлением Rя и дополнительных полюсов 4 сопротивлением Rдп двигателя. Если выбрать сопротивления R1 и R2 так, чтобы соблюдалось условие R1 Rя = R2 Rдп то мост будет сбалансирован и напряжение на его диагонали (между точками, А и Б) не зависит от тока якоря и будет равно

Uc = R1/(R1+R2) k Фном? = kc ?, (1).

т.е. пропорционально скорости двигателя. Схема тахометрического моста используется как в замкнутых, так и разомкнутых схемах управления. В последнем случае к точкам, А и Б подсоединяется катушка реле.

В некоторых схемах, когда не требуется большая точность сигнала по скорости и предпочтительным является их простота, этот сигнал может сниматься непосредственно со щеток ДПТ. В этом случае он будет кроме скорости зависеть и от тока в якоре.

ЭДС, наводимая в роторе АД, определяется соотношением Е2 = Е2 k s, где Е2 к — ЭДС при неподвижном роторе, s — скольжение АД, однозначно связанное со скоростью. Таким образом, напряжение на кольцах АД, определяемое ЭДС ротора и падением напряжение в его обмотках, содержит информацию о величине скорости АД и может быть использовано для реализации принципа скорости (ЭДС).

Центробежное реле скорости выполняется по принципу центробежного регулятора скорости. Вследствие своей громоздкостей и невысокой надежности в схемах ЭП применяется относительно редко.

Датчики тока. В качестве датчиков тока в релейно-контакторных Разомкнутых схемах используется главным образом реле тока. Их катушки, изготовленные из толстого провода с малым числом витков, непосредственно включаются в цепь контролируемого (регулируемого) тока двигателя. При достижении этим током уровней срабатывания (отпускания) реле происходит коммутация их контактов, которые производят соответствующие переключения в схеме управления двигателем.

В качестве датчиков тока этого типа применяются реле минимального и максимального токов, например типов РЭВ 830, РЭВ 312, РТ 40.

Сигнал, пропорциональный току двигателя, может быть получен также с помощью шунта или непосредственно с обмотки дополнительных полюсов ДП двигателя (см. рис. 4). Эти способы применяются при построении главным образом замкнутых схем автоматизированного ЭП. В некоторых схемах в качестве датчиков тока применяются трансформаторы тока, что позволяет осуществить потенциальное разделение силовых цепей и цепей управления.

Датчики положения. К датчикам положения, которые широко используются в разомкнутых схемах управления ЭП, относятся путевые и конечные выключатели различных типов. Они используются для получения сигналов при достижении ЭП или исполнительным органом рабочей машины определенных положений, которые затем поступают в цепи управления, защиты и сигнализации. Конечные выключатели применяются главным образом для предотвращения выхода исполнительных органов из рабочей зоны (например, моста подъемного крана за пределы подкрановых путей). Путевые выключатели используются для подачи команд управления в схему в определенных точках пути исполнительных органов (например, при подходе кабины лифта к этажу).

управление датчик время скорости Рис. 4. схема двигателя постоянного тока, используемого в качестве датчика скорости Путевые и конечные выключатели могут быть бесконтактными и контактными. Последние в зависимости от вида привода их контактной системы делятся на вращающиеся, рычажные и нажимные.

Вращающиеся путевые и конечные выключатели имеют привод от валика, соединяемого с валом двигателя непосредственно или через редуктор. На валике расположены кулачковые шайбы, воздействующие на контактную систему выключателя. При вращении вала двигателя в определенном его положении кулачковые шайбы осуществляют переключение контактов выключателя.

Рычажные конечные и путевые выключатели имеют привод своей контактной системы от поворотного рычага, на который оказывает воздействие движущаяся часть ЭП или исполнительного органа. Возврат рычага и контактов в исходное положение осуществляется под воздействием пружины.

В нажимных выключателях переключение контактов происходит при нажатии на шток выключателя, возврат которого в исходное положение осуществляется под действием пружины. В качестве нажимных выключателей применение находят также микропереключатели, у которых при воздействии на шток происходит переключение упругого контакта.

Промышленностью выпускается несколько типов контактных путевых и конечных выключателей. К ним относятся выключатели серий КУ 700, ВУ 150 и ВУ 250; ВК 200 и ВК 300; ВПК 1000, 2000, 3000. Они позволяют коммутировать одну или две цепи при уровнях переменного тока до 10 А и напряжении до 500 В и постоянного тока до 1,5 А при напряжении до 220 В.

Бесконтактный индукционный датчик положения (рис. 5) имеет разомкнутый магнитопровод 1 с катушкой 2, параллельно который включен конденсатор 6. катушка с конденсатором включены в цепь переменного тока вместе с обмоткой 4 реле.

Рис. 5. Бесконтактный датчик положения Когда якорь датчика 3, закрепленный на подвижной части ЭП или исполнительного органа рабочей машины, не замыкает магнитопровод 1 (пунктирное его положение), индуктивное сопротивление катушки 2 мало, в ее цепи проходит большой ток и реле 4 находится во включенном положении.

Когда якорь 3 переместится и займет положение над магнитопроводом 1, индуктивное сопротивление катушки 2 уменьшится и в цепи за счет подбора емкости конденсатора 6 наступает резонанс тока, который характеризуется резким снижением тока в цепи. Реле 4 из-за снижения тока отключается, что вызывает переключение его контактов 5 в цепях управления ЭП.