Раздел 1 Элементы релейно-контакторного управления и защиты

Игумнов Н.П.

ТИПОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И

УСТРОЙСТВА СИСТЕМ

АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФГОУ СПО

 

Каннский политехнический колледж

 

ИГУМНОВ Н.П.

 

ТИПОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

 

Рассмотрено и утверждено на заседании ЦМК электротехнических

дисциплин в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся

по специальности 220301 «Автоматизация технологических

 процессов и производств»

 

 

2009

Рецензенты: А.И. Мухатаев, преподаватель Каннского педагогического колледжа

 

Игумнов Н.П.

Типовые элементы и устройства систем автоматического управления: Учебное пособие для студентов специальности 220301. – 3 – е изд., исправ. и доп. Канск: КПК, 2009. 180 с. ил.

 

Рассмотрены основные элементы, устройства и схемы, применяемые в системах автоматического управления. Изложены принципы действия, характеристики коммутационных электромеханических элементов (реле, контакторов и магнитных пускателей, электромагнитов и электромагнитных муфт), магнитных усилителей, аппаратов защиты и других элементов автоматики. В данное издание по сравнению со вторым внесены изменения и добавления: рассмотрены вопросы надежности элементов САУ, переработан материал по задающим элементам и внесены дополнения в раздел «Элементы защиты»

Для студентов СПО, обучающихся по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств», а также для студентов родственных специальностей.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ.. 9

Введение. 11

Раздел 1 Элементы релейно-контакторного управления и защиты.. 13

Глава 1. Релейно-контакторные элементы систем автоматического управления. 13

1.2 Электромагнитные реле постоянного тока. 15

1.3 Тяговые и механические характеристики электромагнитного реле. 17

1.4 Электромагнитные реле переменного тока. 19

1.5 Быстродействие электромагнитных реле. 21

1.2 Контактные элементы электромеханических релейных устройств. 25

1.2.1 Режимы работы контактов. 25

1.2.2 Конструктивные типы контактов. 26

1.2.3 Материалы контактов. 29

1.4 Поляризованные электромагнитные реле. 31

1.5 Реле времени. 34

1.6Специальные виды реле. 38

1.7 Контакторы и магнитные пускатели. 46

Глава 2 Коммутационные элементы ручного управления. 53

2.1 Общие сведения. Назначение. 53

2.2 Кнопки управления и кнопочные посты.. 53

2.3 Универсальные и пакетные переключатели. Тумблеры.. 55

2.4 Путевые и конечные выключатели. Микропереключатели. 58

2.5 Рубильники. 62

2.6 Контроллеры.. 64

Глава 3. Устройства защиты.. 68

3.1 Тепловые реле. 68

3.2 Плавкие предохранители. 70

3.3 Автоматические выключатели. 74

3.4 Специальные устройства защиты.. 79

Раздел 2 Источники электрического питания устройств систем автоматического управления. 86

Глава 4. Требования, предъявляемые к источникам питания. 86

4.1 Источники постоянного тока. 87

4.2 Устройства для стабилизации напряжения и силы тока. 89

4.3 Электрические источники питания измерительных преобразователей, вторичных приборов и автоматических регулирующих устройств. 92

4.4 Блок питания измерительных преобразователей и датчиков. 94

Раздел 3 Электрические исполнительные устройства систем автоматического управления. 97

Глава 5. Электромагниты и электромагнитные муфты.. 97

5.1 Назначение электромагнитных исполнительных устройств. 97

5.2 Классификация электромагнитов. 97

5.3 Исполнительные электромагниты.. 99

5.4 Электромагнитные муфты.. 103

Глава 6. Электрические исполнительные механизмы постоянной скорости. 109

6.1 Позиционные исполнительные механизмы.. 109

6.2 Пропорциональные исполнительные механизмы.. 110

6.3 Исполнительные механизмы переменной скорости. 117

Глава 7 Бесконтактные коммутирующие устройства. 121

7.1 Магнитные усилители. 121

Тиристорные коммутирующие устройства. 123

7.2.1 Тиристрорные контакторы.. 123

7.2.2 Тиристорные пускатели. 125

7.3 Задающие элементы.. 128

Раздел 4 Цифровые системы автоматического управления. 130

Глава 8 ЭВМ и микропроцессоры В САУ.. 131

8.1 Включение ЭВМ в САУ.. 131

8.2 Логические устройства автоматики. 133

8.3 Микропроцессорные комплекты и системы.. 135

8.4 Микропроцессорная система. 137

Глава 9. Устройства представления информации. 142

9.1 Индикаторные элементы отображения информации. 142

Глава10 Надежность систем автоматического управления. 149

10.1 Основные понятия и показатели надежности. 149

10.2 Методы расчета на надежность. 151

10.3 Обеспечение надежности введением внутриэлементной и структурной избыточности. 156

Библиографический список. 157

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

 

Широкое развитие систем автоматического управления, систем и средств автоматизации во всех областях техники и отраслях современного производства связано с разработкой, модернизацией и выпуском в больших количествах разнообразных технических средств автоматики, к которым относятся функциональные элементы и различные автоматические устройства.

Специалисты в области автоматики, автоматизации производства и управления должны иметь глубокие знания в области теории автоматического управления и уметь проводить анализ и синтез систем автоматизации, т.е должны быть хорошо знакомы с элементами и устройствами, на базе которых строятся системы автоматики, автоматизации и управления.

Постоянное развитие науки и техники и интенсивное внедрение научно-технических достижений в производство обеспечивают непрерывное пополнение арсенала технических средств автоматики, вытесняя устаревшие элементы новыми, более современными конструкциями. Поэтому в предлагаемом учебном пособии основное внимание уделяется рассмотрению принципов действия, общих свойств, характеристик и способов реализации различных функциональных элементов автоматики, имеющих в настоящее время наибольшее применение.

Учебное пособие предназначено для студентов техникумов и колледжей, обучающихся по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств», а также для студентов родственных специальностей.

При написании учебного пособия автор использовал многолетний опыт преподавания дисциплины «Автоматизация технологических процессов», «Электрические машины и электропривод автоматических устройств» и «Типовые элементы и устройства систем автоматического управления» в средних профессиональных учебных заведениях.

Введение

 

Современный научно-технический прогресс тесно связан с широким развитием автоматики. Автоматика – это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления техническими объектами и процессами, действующих без непосредственного участия человека.

Технический объект (станок, поточная линия, автоматизированный участок, цех т т.д.), называется объектом управления (ОУ).

Совокупность ОУ и автоматического управляющего устройства называется системой автоматического управления (САУ).

На крупных предприятиях, как правило, технологическое оборудование обладает большой единичной мощностью, процессы в значительной мере непрерывны. Многие установки и процессы достаточно хорошо подготовлены к автоматизации.

Анализ внедрения САУ показывает, что свыше 65%, действующих на предприятиях, является электрическими. Это обуславливается, во-первых, тем, что для питания электрических систем на каждом предприятии имеются источники электрической энергии, подключение к которым не вызывает трудностей; во вторых, большинство преобразовательных элементов и устройств имеет на выходе электрические сигналы (Э.Д.С., сопротивление, емкость т.д.), что не требует использования дополнительных преобразователей; в третьих, значительное число аналоговых регулирующих устройств (АРУ), выпускаемых отечественной промышленностью, является унифицированными; в четвертых, неограниченный радиус действия передачи сигналов положительно сказывается на работе систем автоматического управления, в пятых, сравнительно низкая стоимость САУ.

Использование электрических средств в системах управления позволяет значительно повысить качество управления, увеличить скорость и точность протекания процессов и повысить технико-экономические показатели использования аппаратуры.

Элементами автоматики называются конструктивно законченные устройства, выполняющие определенные самостоятельные функции преобразования сигнала (информации) в системах автоматического управления.

Элементы и системы управления, например датчики первичной информации и системы автоматического контроля технологических параметров, осуществляют качественное преобразование сигналов. Электронные, полупроводниковые, магнитные и другие усилители и автоматические регулирующие устройства, осуществляющие количественное преобразование сигналов, имеют на входе и выходе различные значения одной и той же величины.

Системы и элементы управления выполняют такие задачи, как контроль, сигнализация, блокировка, защита и автоматическое управление.

Устройства автоматического контроля определяют годность продукции и правильность протекания технологического процесса, обеспечение надежной и безаварийной работы оборудования и др.

Устройства сигнализации преобразуют сигналы, применяемые в системах автоматики, в сигналы воспринимаемые человеком. Такими сигналами - раздражителями обычно являются показания сигнальных ламп, звуковые сигналы (гудок, звонок, сирена т.д.).

Устройства блокировки и защиты предотвращают неправильный порядок работы средств автоматического управления или технологического процесса и обеспечивают отключение соответствующего оборудования при ненормальных режимах.

Системы управления функционируют по команде обслуживающего персонала по заданной программе или автоматически в зависимости от значения каких-либо параметров, определяющих желаемый ход процесса в объекте управления.

Современная теория элементов автоматики стремится к наиболее полному раскрытию физической и математической сущности элементов. Одновременно с разработкой физики элементов автоматики рассматриваются и развиваются их классификация, методы расчета и конструирования.

 

 

 

Раздел 1 Элементы релейно-контакторного управления и защиты

 

Глава 1. Релейно-контакторные элементы систем автоматического управления

 

К релейным элементам автоматики (реле) 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, размножителей сигналов при автоматическом управлении и регулировании различных технологических процессов.

Реле классифицируют 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 и бесконтактные; по роду величины, на которую реагирует реле, - реле тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления и т.д.; по исполнению – открытые, с защитным чехлом, пылебрызгозащищенные и герметические.

Из электрических реле в современных дискретных системах автоматики широко используют электромеханические реле, являющиеся контактными устройствами, магнитные, электронные (ламповые) 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).

Основная характеристика реле – статическая (характеристика управления), выражающая зависимость выходной величины х_вых от входной х_вх. Для статических характеристик большинства реле характерным является наличие гистерезисной релейной петли, объясняющейся неоднозначностью характеристик при увеличении и уменьшении входного сигнала.

Основные виды статических характеристик реле приведены на рисунке 1.1. Пусть входной сигнал х_вх изменяется во времени непрерывно (т.е. может принимать любые значения) от нуля до некоторого значения, а затем также непрерывно уменьшаться, как показано на рисунке 1.1, а. Сначала при малых значениях х_вх выходной сигнал х_вых равен нулю. Но когда входной сигнал увеличится до некоторого значения х_{вх. ср.}, выходной сигнал скачком примет значение х_{вых. ср}, рисунок 1.1, б. При уменьшении сигнала х_вх. Значение выходного сигнала не изменяется, но при уменьшении его до значения х_{вых. отп.} Выходной сигнал скачком уменьшается до нуля. При дальнейшем уменьшении входного сигнала нулевое значение выходного сигнала сохраняется. Зависимость выходного сигнала показана на рисунке 1.1, в.

 

 

Рисунок 1.1 – Характеристики реле

 

Значение входного сигнала х_{вх. ср.}, при котором выходной сигнал изменяется от 0 до х_{вых. ср.}, называется сигналом срабатывания. Значение входного сигнала х_{вх. отп.}, при котором выходной сигнал скачком изменяется от х_{вых. ср.} до 0, называется сигналом отпускания. Как правило, сигнал срабатывания больше сигнала отпускания (х_{вх. ср} > х_{вх. отп.}). Поэтому изменение х_вых при увеличении х_вх. Происходит по одному графику, а при уменьшении х_вх – по другому, рисунок 1.1, в. В этом случае можно сказать, что характеристика реле имеет петлю гистерезиса. В ряде случаев, когда значения сигналов срабатывания и отпускания близки, гистерезисом можно пренебречь. В этом случае зависимость х_вых = f(х_вх) показана на рисунке 1.1, г. Теперь рассмотрим изменение выходного сигнала при изменении полярности входного сигнала. Если полярность выходного сигнала не влияет на полярность выходного сигнала, то при х_вх = - х_вх.ср. выходной сигнал скачком изменяется от нуля до х_{вых. ср.}, рисунок 1.1, д. Такую характеристику имеют нейтральные реле. Если полярность выходного сигнала влияет на полярность выходного сигнала, то при х_вх = - х_вх.ср выходной сигнал скачком изменяется от нуля до - х_вх.ср, рисунок 1.1, е. Такую характеристику и подобные ей имеют поляризованные реле.

По принципу действия различают электромеханические реле, электронные, полупроводниковые и фотоэлектрические и др.

Реле применяют в схемах автоматического управления, сигнализации, защиты и блокировки.

Основные параметры электромагнитных реле. К основным параметрам электромагнитных реле относятся:

Ток срабатывания I_ср, - это такое значение тока в катушке реле, при протекании, которого по обмотке реле происходит срабатывание реле и переключение контактов.

Рабочий ток I_р, - это такое значение тока в катушке реле, при котором обеспечивается надежное удержание контактов в переключенном состоянии.

Ток отпускания I_отп, - это такое значение тока в катушке реле, при котором магнитный поток недостаточен для удержания якоря и контакты возвращаются в исходное состояние.

Время срабатывания t_ср – интервал времени с момента подачи управляющего сигнала до начала воздействия устройства на управляемую цепь (переключения контактов).

Время отпускания t_отп – интервал времени с момента снятия управляющего сигнала до начала снятия воздействия на управляющую цепь.

По мощности управления (электрической мощности, потребляемой обмоткой) реле разделяют на маломощные (Р_{к доп} < 1 Вт), средней мощности (Р_{к доп} = 1 ÷ 10 Вт) и мощные (Р_{к доп} > 1 Вт). Мощность управления определяется напряжением питания реле и током срабатывания.

По времени срабатывания электромагнитные реле подразделяются: t_{c р} < 0,001 с – безынерционные; t_{c р} < 0,05 с быстродействующие; t_{c р} < 0,05…0,25 с нормальные; t_{c р} < 0,25…1,0 с – замедленного действия; t_{c р} > 1,0 – реле времени.

При выборе типа реле принимают во внимание все указанные характеристики и параметры, отдавая предпочтение тем, которые в наибольшей степени удовлетворяют требованиям разрабатываемого устройства и условиям его эксплуатации.