Применение бесконтактных элементов

Общие сведения. Как уже отмечалось, контактные аппараты имеют существенные недостатки, поэтому в современном электроприводе находят широкое применение бесконтактные элементы управления дискретного действия — цифровые элементы. По степени сложности выполняемых операций цифровые элементы классифицируют следующим образом:

логический элемент, реализующий простейшие логические функции и относящийся к низшему уровню функциональной интеграции;

цифровой узел (совокупность логических элементов), имеющий функциональную завершенность и определяющий средний уровень функциональной интеграции;

цифровое устройство (комплекс узлов), выполняющее на основе логических, вычислительных и других операций сложные функции управления и составляющее высокий уровень функциональной интеграции;

цифровая вычислительная машина (комплекс цифровых устройств), относящаяся к высшему уровню функциональной интеграции.

В рамках данного учебного курса ограничимся рассмотрением комплексных элементов низкого и среднего уровней функциональной интеграции, то есть логических элементов и цифровых узлов. Цифровые устройства, характеризующиеся высоким уровнем функциональной интеграции, — предмет изучения дисциплины «Системы управления электроприводов».

Логический элемент. Это элемент дискретного действия, преобразующий управляющий сигнал в соответствии с законами алгебры логики. Бесконтактные логические элементы обладают высокими надежностью и быстродействием (время переключения — менее 1 мкс), основное исполнение —интегральное или микромодульное. Входная х и выходная у переменные логического элемента могут принимать только одно из двух значений: логический нуль (низкий уровень сигнала) или логическую единицу (высокий уровень сигнала). Взаимосвязь логических переменных образует логическую функцию у =f (x). Так как аргумент и функция принимают только два значения (1 или 0), то число возможных логических функций всегда конечно и равно.

где т — число наборов независимых переменных, т = 2″ (я — число независимых переменных). Так, для функции одной переменной (л= 1) т- 2 и W = 4.

Основные операции с логическими переменными — дизъюнкция (логическое сложение, функция ИЛИ); конъюнкция (логическое умножение, функция И); инверсия (логическое отрицание, функция НЕ).

На основе этих трех операций может быть построена любая логическая функция, например ИЛИ — НЕ (операция Пирса), И — НЕ (операция Шеффера). Условное изображение названных типовых логических элементов приведено на рисунке 3.11.

Логические элементы ИЛИ — НЕ и И — НЕ называют базовыми. Каждый из них выполняет функцию «кирпичика» при построении сложной логической функции. Промышленные серии логических элементов интегрального исполнения имеют логические элементы ИЛИ — НЕ и И — НЕ в качестве основного элемента.

Важный логический элемент, реализующий функцию «Память», —? триггер. В отличие от рассмотренных выше типовых логических элементов, для которых выходная координата однозначно определяется набором входных переменных, триггер относят к последовательному типу элементов, когда выходная координата определяется не только комбинацией входных переменных, но и предшествующим состоянием элемента.

Указанный элемент может быть реализован на базовых логических элементах ИЛИ — НЕ (рис. 3.12, а) или И — НЕ (рис. 3.12, в). Данный триггер называют статическим триггером, условное обозначение которого приведено для прямых входных сигналов на рисунке 3.12, б и для инверсных сигналов на рисунке 3.12, г. На вход S (установка) подается входной открывающий сигнал х_х =х$, единичное значение которого дает на прямом выходе триггера единичный сигнал у = Q =/. На вход R (сброс) подается закрывающий сигнал x₂ = x_R, единичное значение которого переводит выходной сигнал на нулевое значение y = Q=0. Набор x_s = x_R= 1.

Рис. 3.11. Условные обозначения типовых логических элементов

Рис. 3.12. Схема и условное обозначение RS-триггера с прямыми (а—б) и инверсными (в—г) входными сигналами запрещен, так как на обоих выходах устанавливается неустойчивый 0 и предугадать новое состояние триггера невозможно из-за разброса его временных характеристик.

Переключения данного триггера происходят в произвольные моменты времени, определяемые изменением набора входных переменных. Триггер с таким режимом работы называют асинхронным.

Если переключения триггера должны происходить в строго определенные моменты времени, триггер дополняют входом синхронизации С, на который подаются сигналы хс с тактовой частотой. При хс = 0 триггер хранит предыдущее состояние, а при хс — 1 дается разрешение на переключение триггера. Схема, условное изображение и временная диаграмма синхронного RS-триггера приведены на рисунке 3.13. На основе данного типового триггера составляют различные варианты триггерных схем.

Тактовые синхронизирующие импульсы х_с (рис. 3.13, в), разрешающие переключение триггера в фиксированные моменты времени, выполняют вместе с тем задержку передачи входного сигнала. Вариант синхронного триггера с одной входной логической переменной x_D называют D-триггером. Его получают из синхронного RS-триггера, если на вход S подан сигнал хд, а на вход.

Рис. 3.13. Схема (в), условное обозначение (б) и диаграмма работы (в) синхронного RS-триггера.

Рис. 3.14. Исходная (а), преобразованная (б) схемы и условное изображение RSтриггера (в)

R — синхронизирующий сигнал х& Схемы D-триггера (исходная и преобразованная) и условное изображение приведены на рисунке 3.14. При xq— 0 изменение входного сигнала х/>не сказывается на состоянии триггера, и только при xq = 1 триггер принимает состояние, определяемое входным сигналом хд.

Примеры реализации логических элементов в схемах управления Пример 3.1. Предположим, что поставлена задача разработки узла управления пуском двигателя с возможностью дальнейшего применения этого узла в схеме реверса двигателя.

При использовании контактных элементов потребуется одно реле К выходной переменной q и две кнопки управления SB0 (кнопка «стоп») и SB1 (кнопка «пуск») для входных переменных (рис. 3.15, а). Нажимая кнопку SB1, создаем цепь для питания реле К, которое замыкающим контактом обеспечивает самоподпитку катушки реле К, а размыкающим контактом электрическую блокировку реверса двигателя.

Бесконтактный вариант схемы для реализации поставленной задачи может быть построен на простейших логических элементах И, ИЛИ, НЕ (рис. 3.15, б) и представлять собой простой элемент.

Рис. 3.15. Схема реализации триггера на реле (а) и на логических элементах (б)

памяти, в бесконтактном исполнении реализуемый RS-триггером с входными переменными Х = x_s, х₂ = x_R.

Пример 3.2. Рассмотрим схему включения и отключения катушки контактора (электромагнитной муфты, тормоза и т. п.), релейный вариант которой приведен на рисунке 3.16, а. Схема не вызывает никаких трудностей, поэтому описание ее работы излишне. Остановимся подробнее на работе ее бесконтактного аналога. При изображении схем управления с бесконтактными логическими элементами указывают только логические функции и связи между элементами. В бесконтактной схеме на рисунке 3.16, б на входах 1 и 2 элемента D1 (логический элемент ИЛИ — НЕ) в исходном состоянии (до нажатия кнопки S2) сигнал 0, поэтому на вход 3 аналогичного элемента D2 поступает /, а на выходе 5 элемента D2 — сигнал 0; напряжение на выходе усилителя U и на катушке контактора К близко к 0. Нажатием кнопки S2 подается на вход 1 элемента D1 сигнал /, на входе 3 элемента D2 соответственно устанавливается сигнал 0, на выходе 5—1, этот сигнал поступает на вход усилителя U и вход 2 элемента D1, контактор К включается и остается включенным после отпускания кнопки S2, так как на входе 2 элемента D1 сохраняется сигнал 1, то есть произошло запоминание команды «пуск».

При нажатии кнопки S1 (кнопка «стоп») подается / на вход 4 элемента D2, что приводит к появлению 0 на его выходе 5 и на входе 2 элемента D1. Контактор Х’отключается. Схема приходит в исходное состояние и после отпускания кнопки SI сохраняет его, так как на входы 1 и 2 элемента D1 поступают сигналы 0.

Элементы DI и D2 (ИЛИ — НЕ), соединенные по схеме на рисунке 3.16, б, образуют типовой элемент «Память», чаще всего реализуемый посредством типового элемента триггера. Схема с триггером показана на рисунке 3.17.

Пример 3.3. Далее приведена электрическая схема вспомогательных цепей (рис. 3.18), эквивалентная релейно-контакторной схеме пуска и реверса асинхронного двигателя (см. рис. 3.9).

Рис. 3.16. Релейно-контакторный вариант (а) и бесконтактный вариант на элементах ИЛИ — НЕ (6) схемы включения контактора.

Рис. 3.17. Схема включения контактора на RS-триггере

Электрическая схема (рис. 3.18) выполнена на бесконтактных элементах RS-триггерах (7)7)7 и 7)7)2), элементах И (7)7 wD2) и усилителях (U1 и U2). При нажатии на кнопку S2 (пуск вперед) на входе S (установка) элемента 7)7)7 появляется сигнал 7, который совместно с сигналом 7, поступающим через контакты теплового реле КЗ: 7, приводит к срабатыванию элемента 7)7. С выхода этого элемента сигнал 7 поступает на вход усилителя (7/7), необходимого для усиления сигнала с логического элемента (7)7), достаточного для срабатывания контактора К1. Благодаря триггеру 7)7)7 контактор К1 остается включенным при отпускании кнопки S2_y выполняется аналогичная операция по шунтированию S2 в релейноконтакторной схеме (см. рис. 3.9). Вместо К1 может быть бесконтактный пускатель, выполненный, например, на тиристорах. Блок-контакт К2:2 выполняет роль электрической блокировки. Чтобы отключить двигатель, необходимо нажать кнопку S1. В этом случае на вход R (сброс) триггера 7)7)7 подается сигнал 7, что приводит к исчезновению сигнала на выходе элемента DD1. Магнитный пускатель К1 отключается и разрывает цепь питания асинхронного двигателя. При срабатывании тепловой защиты (размыкается контакт КЗ: 1) пропадает сигнал на входе элемента 7)7 (И), вследствие чего на выходе 7)7 сигнал также исчезает и катушка пускателя К1 обесточивается.

Рис. 3.18. Бесконтактный аналог схемы управления реверсом асинхронного двигателя

Реверс двигателя после его отключения достигается нажатием кнопки S3. Работа схемы на элементах DD2, D2, U2 и пускателе К2 аналогична рассмотренной выше.