Классификация и основные параметры измерительных органов задающих и программных устройств

Аналоговые и цифровые

Контрольно-цифровые инструменты могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Первые считаются более удобными. В них показатели силы, напряжения или тока переводятся в числа, затем выводятся на экран.

Но при этом внутри каждого такого прибора находится аналоговый преобразователь. Зачастую он представляет собой датчик, снимающий и отправляющий показания с целью преобразования их в цифровой код.

Хотя аналоговые инструменты менее точны, они обладают простотой и лучшей надежностью. А также существуют разновидности аналоговых инструментов и приборов, имеющих в своем составе усилители и преобразователи величин. По ряду причин они предпочтительнее механических устройств.

Специальные устройства

Существует такое известное устройство для измерения под названием угломер.

Его предназначение заключается в измерении углов деталей, а конструкция состоит из следующих элементов:

• непосредственно устройство имеет полудиск с нанесенной измерительной шкалой;
• линейка обладает собственным передвижным сектором, где нанесена шкала нониуса;
• закрепление передвижного сектора линейки осуществляется стопорным винтом.

Процесс измерения таким прибором простой. Деталь прикладывается одной из граней к линейке. Сдвинуть ее надо таким образом, чтобы образовался равномерный и достаточный просвет между гранями и линейками. Затем сектор закрепляется винтом. Снимаются показатели сначала с линейки, а затем с нониуса.

Контрольно-измерительные устройства нашли довольно широкое применение в различных сферах производства, домашнего быта, слесарного дела и строительных работ. Они различаются как по сфере применения, так и по возможности измерения.

Но главная цель у них состоит в измерении показаний, их записи и контроле технологических процессов производства. Рекомендуются использовать точные измерительные устройства, однако, устройство становится гораздо сложнее. Это потребует учета большого количества факторов и измерений параметров, чтобы вывести на экран точные показания.

СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ, СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Статор синхронных двигателей выполняется аналогично статору асинхронного двигателя с трехфазной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока. Ротор синхронных двигателей может иметь обмотку возбуждения, быть выполненным в виде постоянных магнитов или представлять собой зубчатый стальной цилиндр. Первая из названных конструкций ротора характерна для синхронных двигателей в основном средней и большой мощности. Двигатели с ротором в виде постоянного магнита или зубчатого колеса выполняются небольшой и средней мощности и находят главное применение в регулируемых электроприводах.

На рис. 6.1, а

приведена схема включения трехфазного синхронного двигателя с обмоткой возбуждения. При этом ротор двигателя может быть выполнен неявнополюсным или иметь явно выраженные полюсы.

В качестве источника для питания обмотки возбуждения в схеме используется генератор 2

постоянного тока небольшой мощности, называемый возбудителем и устанавливаемый на валу синхронного

Рис. 6.1. Схема включения (а) и рабочая механическая характеристика (б) синхронного двигателя:

7 — двигатель; 2 — возбудитель; 3

— регулировочный резистор; 4 — обмотка возбуждения возбудителя

двигателя (см. рис. 6.1, а).

Регулирование тока возбуждения двигателя / осуществляется изменением с помощью резистора3 в цепи тока / ц возбуждения возбудителя4. В современных схемах возбуждения синхронных двигателей широко применяются тиристорные управляемые выпрямители (тиристорные возбудители).

Вращающий момент синхронного двигателя обусловлен взаимодействием вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, и магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения или постоянными магнитами на роторе. Взаимодействие этих полей может создать постоянный по направлению вращающий момент двигателя только в том случае, когда ротор будет вращаться со скоростью магнитного поля со = 2nfJp,

т.е. синхронно с вращающимся полем. Таким образом,механическая характеристика синхронного двигателя со(А/) (см. рис. 6.1, б) представляет собой горизонтальную линию с ординатой со. Эта характеристика имеет место до некоторого максимального момента нагрузкиМтах, превышение которого приведет к выпадению двигателя из синхронизма, т.е. к нарушению синхронного вращения ротора и магнитного поля.

Для определения максимального момента Мтах

двигателя, до которого сохраняется синхронная работа двигателя с сетью, служитугловая характеристика двигателя. Она представляет собой зависимость моментаМ от угла 0 сдвига между векторами ЭДС статораЕ и фазного напряжения сети (7ф. Для неявнополюсного синхронного двигателя при пренебрежении активным сопротивлением цепи статора она выражается формулой

Рис. 6.2. Угловая характеристика синхронного двигателя

где t/ф — фазное значение напряжения сети; Е

— ЭДС в обмотке статора двигателя;х — индуктивное сопротивление фазы обмотки двигателя; со — скорость вращения магнитного поля. Угловая характеристика двигателя показана на рис. 6.2. В соответствии с формулой (6.1) момент двигателя достигает своего максимального значения при 0 =к/ 2. Эта величина характеризует собой перегрузочную способность двигателя. При больших значениях угла двигатель выпадает из синхронизма, при меньших углах 0 его работа устойчива.

Номинальное значение угла 0 составляет обычно 25—30°, ему соответствует номинальный момент А/ном. При таком значении 0 кратность максимального момента составляет Хм

= A/mix /Мном = = 2+2,5.

На рис. 6.1, б

показаны участки механической характеристики двигателя двигательного и генераторного режимов. При моменте двигателяМ = 0 имеет место режим идеального холостого хода.

2.3. Контрольные измерения

Как уже отмечалось, контрольные измерения можно подразделить на плановые (регламентные) и внеплановые. Первые из них предназначены для определения и контроля параметров, которые подвержены изменениям во времени, с целью своевременной подстройки оборудования систем передачи. Удерживание параметров оборудования в пределах эксплуатационных норм, чему способствуют плановые измерения, обеспечивает удовлетворительное качество передачи информации. Плановые измерения проводятся с установленной периодичностью, причем период для тех или иных измерений устанавливается на основании наблюдений за скоростью изменения соответствующих параметров оборудования.

Внеплановые измерения проводятся с целью локализации мест возникновения отказов оборудования, а также при подстройке или ремонте оборудования для восстановления значений его параметров, вышедших за пределы эксплуатационных норм. Если к ремонту оборудования привлекаются сторонние организации (ремонт не выполняется силами эксплуатационной организации), то внеплановые измерения подразделяют на настроечные, проводимые сторонними организациями, и приемосдаточные, которые проводят эти организации совместно с эксплуатирующей.

Для давления и тока

Каждому еще со школы или университета знакомы такие названия измерительных приборов, как барометры и амперметры. Первые предназначены для того, чтобы измерять атмосферное давление. Встречаются жидкостные и механические барометры.

Жидкостные разновидности считаются профессиональными из-за сложности конструкции и особенностей работы с ними. Метеостанции применяют барометры, заполненные внутри ртутью. Они наиболее точные и надежные, позволяют работать при перепадах температур и иных обстоятельствах. Механические конструкции проще, но постепенно их вытесняют цифровые аналоги.

Амперметры используются для измерения электрического тока в амперах. Шкала амперметра может градуироваться как в стандартных амперах, так и микро-, милли- и килоамперах. Лучше всего такие приборы подключать последовательно. В таком случае снижается сопротивление, а точность снимаемых показателей возрастает.

Общие сведения

Измерительным прибором называют такое устройство, которое позволяет получить значение некоторой физической величины в заданном диапазоне. Последний задается с помощью приборной шкалы. А также технические приборы позволяют переводить величины в более понятную форму, которая доступна определенному оператору.

В настоящее время список измерительных приборов довольно широк, но большинство из них предназначается для контроля за проведением технологического процесса. Таким может быть датчик температуры или охлаждения в кондиционерах, нагревательных печах и других устройствах со сложной конструкцией.

Чтобы узнать больше сведений о конкретном инструменте, необходимо рассмотреть определенную классификацию контрольно-измерительных устройств и приборов.

Преимущества и недостатки

Конструктивно синхронные двигатели сложнее асинхронных, но они имеют ряд преимуществ:

• Работа синхронных электродвигателей в меньшей степени зависит от колебания напряжения питающей сети.
• По сравнению с асинхронными, они имеют больший КПД и лучшие механические характеристики при меньших габаритах.
• Скорость вращения не зависит от нагрузки. То есть колебания нагрузки в рабочем диапазоне не влияют на обороты.
• Могут работать со значительными перегрузками на валу. Если возникают кратковременные пиковые перегрузки, повышением тока в обмотке возбуждения компенсируют эти перегрузки.
• При оптимально подобранном режиме тока возбуждения, электродвигатели не потребляют и не отдают в сеть реактивную энергию, т.е. cosϕ равен единице. Двигатели, работая с перевозбуждением, способны вырабатывать реактивную энергию. Что позволяет их использовать не только в качестве двигателей, но и компенсаторов. Если необходима выработка реактивной энергии, на обмотку возбуждения подается повышенное напряжение.

При всех положительных качествах синхронных электродвигателей у них имеется существенный недостаток – сложность пуска в работу. Они не имеют пускового момента. Для запуска требуется специальное оборудование. Это долгое время ограничивало использование таких двигателей.

Виды измерительных приборов

В зависимости от того, какие бывают измерительные инструменты, их названия могут отличаться в разных классификациях.

Обычно приборы могут быть следующего вида:

• Аналоговые измерительные инструменты и устройства, в которых сигнал на выходе является некоторой функцией измеряемой величины.
• Цифровые устройства, где сигнал на выходе представлен в соответствующем виде.
• Приборы, которые непосредственно регистрируют результаты измерений снимаемых показаний.
• Суммирующие и интегрирующие. Первые выдают показания в виде суммы нескольких величин, а вторые позволяют проинтегрировать значение измеряемой величины при помощи другого параметра.

2.1. Классификация измерений в системах передачи

В связи с большим числом и разнообразием параметров и характеристик систем передачи, подлежащих настройке и контролю, их изменения следует классифицировать по тем или иным признакам. Наиболее широкое распространение получили способы классификации по измеряемым величинам и по применяемым методам.

Параметры и характеристики системы передачи после монтажа станционного оборудования определяются с целью настройки системы, выявлением и заменой неисправных блоков и осуществлением установочных регулировок. Измерения на этом этапе назовем настроечными. Очевидно, что отклонения измеряемых параметров и характеристик оборудования от номинальных значений в процессе настройки и регулировки минимальны и определяются в основном видами и предусмотренных в аппаратуре регуляторов. Допуски на указанные отклонения определяются установочными нормами, которые, как правило, регламентируются организацией, осуществляющей настройку, и указываются в технологических инструкциях по настройке данной системы передачи, составляемых этой организацией. Установленные при настройке значения электрических величин должны заноситься в технические паспорта, предназначенные для фиксации результатов измерений.

Электрические паспорта оборудования, составляемые по окончании настройки, служат основанием для приемки настроенной системы передачи в эксплуатацию. Процесс приемки заключается в проведении контрольных приемосдаточных измерений, осуществляемых обычно в полном объеме.

В процессе эксплуатации производятся контрольные (профилактические) измерения, результаты которых сопоставляются с еще менее жесткими, чем настроечные, эксплуатационными нормами. Эксплуатационные нормы соответствуют только удовлетворительному (допустимому) качеству связи. Выход этих параметров за пределы установленные этими нормами, свидетельствует о необходимости проведения настройки, по окончании которой параметры вновь будут удовлетворять настроенным нормам. Контрольные измерения производятся по определенному плану и поэтому обычно называются плановыми или регламентными. Однако в процессе эксплуатации систем передачи возможны отказы оборудования, при которых необходимо производить измерения с целью локализации места отказа и определения его характера. Эти измерения носят названия внеплановых и являются составной частью ремонтно-восстановительных работ, в которые также (на заключительном этапе) могут входить как настроечные, так и приемосдаточные измерения.

Проведение измерений на системах передачи, находящихся в эксплуатации, должно осуществляться по возможности без закрытия связей. Измерения, для проведения которых закрытие связей необходимо, должны осуществляться так, чтобы их продолжительность была бы минимальной, а время проведения совпадало бы со временем наименьшей нагрузки на систему передачи. В некоторых случаях измерения с закрытием связей допускаются только при условии создания обходных путей на соответствующих участках сети.

Устройство и принцип действия синхронных электродвигателей

Синхронный электродвигатель – электрическая установка, действующая от сети переменного и постоянного тока. Синхронная машина улучшает коэффициент мощности. Данные моторы используются довольно часто в электрической системе, потому что они подходят для любой сети напряжения и обладают высокими экономическими данными.

Преимущества и недостатки

Синхронный электродвигатель имеет сложнее структуру, чем асинхронный, но обладает некоторыми достоинствами.

Главным положительным качеством данных агрегатов является способность поддерживать оптимальный режим реактивной энергии. Из-за автоматического регулирования силы тока двигателя, он работает, не употребляя, не давая реактивную энергию, значение коэффициента мощности равняется 1. Если нужна реактивная энергия, она будет производиться синхронным мотором.

Данным двигателям не страшны перебои в сети, которой равен их максимальный момент. А значение критического момента равно квадрату напряжения.

Агрегат выдерживает большую перегрузку, которую можно еще увеличить автоматически повышением тока при необходимости непродолжительной нагрузки на вал. Он имеет постоянную скорость вращения независимо от нагрузки.

Трехфазный синхронный двигатель дороже обычного асинхронного из-за сложного механизма и особого устройства.

Еще недостатком оказывается надобность в постоянном источнике энергии, функции которого выполняет выпрямитель или специализированный возбудитель.

Устройство электродвигателя

Синхронный мотор имеет две основные части — статор и ротор. Неподвижная часть называется статором, а подвижный элемент ротором.

Однофазный двигатель с короткозамкнутым ротором, расположенным в статоре или снаружи в двигателях обращенного вида. В основе ротора — постоянные магниты. Материал магнитов имеет высокую коэрцитивную силу. Полюсы ротора могут быть явно и неявно выраженными. Синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором бывает с магнитами на поверхности или с уже встроенными.

Статор представлен корпусом и сердечником, состоящим из двухфазных и трехфазных обмоток. Обмотка бывает распределенная и сосредоточенная. У распределенной насчитываются пазы полюса и фазы Q= 2,3.

У сосредоточенной обмотки пазы полюса и фазы Q=1. Пазы размещены на одинаковом расстоянии на окружности неподвижной части двигателя. Катушки статора соединяются последовательно или параллельно. Такие обмотки не могут влиять на форму кривой ЭДС. Электродвижущая сила имеет трапецеидальную и синусоидальную форму.

Система трехфазного тока

Техническое значение имеет применение системы трехфазного переменного тока в качестве системы трехфазного тока, основ­ной особенностью которой является то, что сумма всех напряжений и токов всегда равна нулю.

Электрические цепи называются фазами т. Совокупность электрических цепей, в кото­рых напряжения одной частоты оказывают воздействие и имеют фазовый, сдвиг назы­ваются многофазными системами. Много­фазная система состоит из ветвей обмотки. В многофазной системе может быть п = 3 симметричных систем (рис. «Симметричные системы» ). Во всех сим­метричных системах — за исключением ну­левой системы — сумма всех векторов равна нулю. При количестве фаз т получаем п симметричных систем в зависимости от угла сдвига фаз а:

а = 2π n/m

Задача обмоток — создание вращающегося поля. Асинхронные двигатели имеют такую же конструкцию статора. В воздушном за­зоре должно создаваться магнитное поле с постоянной амплитудой, вращающееся с по­стоянной угловой скоростью. Чтобы создать это поле, временные положения фаз токов должны совпадать с пространственными по­ложениями соответствующих ветвей. У про­стой симметричной системы (п = 1) с т = 3 три ветви (обозначаемые как U, V и W) и, следовательно, обмотки должны быть равно­мерно распределены по окружности. На рис. «Обмотка двухполюсного двигателя с одной парой полюсов на каждую ветвь» показано расположение обмотки с тремя ветвями, с одной катушкой на каждую пару полюсов и ветвь. Схемы соединений фаз регламентируются стандартом DIN EN 60034, часть 8.

Создание вращающегося поля

Чтобы создать вращающееся поле в случае с простой симметричной системой (п = 1) с ко­личеством ветвей т = 3, ветви должны быть геометрически смещены на электрически эф­фективный угол: аеI = 360°·1/3 = 120°.

При одной катушке на каждую пару полюсов и ветвь создаваемое магнитное поле враща­ется против часовой стрелки, при этом «ин­дикаторная полоска», смещающаяся вправо на рисунке а, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь» (при а = 90°), показывает ток фазы в каждой из ветвей на рис. Ь, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь» в на­правлении магнитного потока. Расположение образует пару полюсов. Соответствующие магнитные потоки проходят вертикально к плоскости ветвей обмотки (рис. Ь, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь»).

Поток ФRes (рис. с, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь»), получаемый из трех ветвей, а также его направление достигаются геометрическим сложением трех отдельных потоков ФU, ФV И ФW.

Продвижение индикаторной полоски на угол а = 180° приводит к реверсированию на­правления тока в ветви W и, следовательно, к дальнейшему повороту созданного поля ФRes вправо (рис. «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь 2»).

При использовании двух катушек на одну ветвь расположение проводников «удваива­ется». Если обмотка должна образовывать две пары полюсов (р = 2), то обмотки необ­ходимо делить на группы (рис. «Обмотка с двумя парами полюсов на каждую ветвь» ). При этом устанавливается механически эффективный угол:

am = 360° · (1/mp) = 60°.

Электрически эффективный угол остается без изменения. В случае как двухполюсного, так и четырехполюсного расположения поле вращается против часовой стрелки (рис. «Создание вращающегося поля с двумя катушками на ветвь» ). Чаcтоту вращения поля:

nd = fn/p

можно вычислить на основании частоты в линии fn и количества пар полюсов р. При р = 1 частота вращения поля равна частоте в линии (табл. «Частота вращающихся полей» ).

Советуем изучить — Инверторный генератор — как устроен и работает

Вместе с количеством пар полюсов можно вычислить межполюсное расстояние:

τp = dsi /2π

как долю окружности статора, где dsi — вну­тренний диаметр статора. Он соответствует длине синусоидальной полуволны, которая соответствует распределению индукции поля ротора. В случае с двухполюсным двигате­лем (р = 1), межполюсное расстояние всегда равно aei = 180° (электрический угол) и со­впадает с механическим углом am. Взаимо­зависимость этих двух углов показывает угол aei=p—am. Чтобы в обмотках наводилось одинаковое напряжение, ветви обмотки должны быть смещены относительно друг друга на угол aei = 120° или 2τp / 3, а структура и количество катушек должны быть одина­ковыми. На каждую ветвь приходится одна треть межполюсного расстояния.

В следующей статье я расскажу о генераторе переменного тока в автомобиле.

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Типовая функциональная схема САР

Ниже показана функциональная схема САР с одной регулируемой переменной х(t):

Такая система состоит из автоматического регулятора и объекта, подлежащего регулированию. Объектом регулирования называет устройство, для которого нужно поддерживать заданный режим работы при помощи автоматических регуляторов. Элементы и устройства такой системы можно классифицировать следующим образом:

Задающее устройство

Оно изображено на схеме 1 и предназначено для преобразования входного сигнала g(t) с нужной пропорциональностью, а также в удобную для сравнения величину со значением регулируемой координаты х(t). Задающими устройствами могут быть резисторы, калиброванные, кулачковые контроллеры и прочие механизмы. Но при современном развитии технологий, задающими механизмами выступают, как правило, микропроцессорные устройства, которые реализуют заложенные в них  алгоритмы управления.

Сравнивающее устройство

Показано 2 на схеме и служит для сравнения сигналов поступающих на вход с сигналами обратной связи. В результате таких сравнений генерирует сигнал ошибки ε(t). Зачастую представляют собой арифметическое устройство, которое суммирует или вычитает (в зависимости от типа обратных связей) сигналы поступающие на его вход из задающего элемента и элемента обратной связи.

Преобразующее устройство

На рисунке показано 3. Оно выполняет преобразования результатов полученных в ходе сравнения в форму, которая используется в процессе регулирования, при этом не выполняя ни корректирующих, измерительных или усилительных функций.

Корректирующие устройства

Показаны как 4 и 8. Их основная задача – повышение устойчивости и улучшение динамических свойств системы автоматического управления. Корректирующие элементы бывают последовательные и параллельные. Мы не будем подробно рассматривать их в этой статье. С помощью последовательного корректирующего элемента 4 сигнал ошибки преобразуется и в закон регулирования вводят воздействия по интегралам и производным регулируемой величины по времени. При параллельном 8 – сигнал с выхода подают на вход предыдущего элемента.

Вспомогательный сравнивающий элемент

Показан цифрой 5 и предназначен для сопоставления сигналов промежуточной цепи с местной обратной связью этой же цепи.

Усилительное устройство

Цифра 6 на схеме. Оно предназначается для управления посторонними источниками энергии. Например управлением коммутацией транзисторов в инверторе напряжения, или открытием задвижек в мощных насосных станциях.

Исполнительное устройство

Показано цифрой 7 и предназначено для непосредственного r(t) воздействия на исполнительный механизм. Например, электропривод приводящий в движение валок прокатного стана.

Чувствительные или измерительные элементы

Показаны 9 и они нужны для формирования сигналов обратных связей с регулируемых величин, для дальнейшего сравнения с задающими величинами и осуществления автоматического управления. Например, таким устройством может служить тахогенератор, который преобразует скорость вращения валка прокатного стана в электрический сигнал напряжения, который дальше используется для формирования задающих сигналов.

Элемент главной обратной связи

Показан цифрой 10. Он необходим для согласования величин вырабатываемых датчиком обратной связи с величиной управляющего воздействия. Как пример, можно привести делитель напряжения тахогенератора, который преобразует напряжение выхода тахогенератора к напряжению на входе, а это порядка 0 — 15 или 0 — 24 В.

Обычно часть регулятора, которая преобразует сигнал ошибки ε(t) в воздействие регулирующее r(t) – именуют сервомеханизмом.

Таким образом можно выделить три основные части САР – объект регулирования, датчики, сервомеханизм. Такая система показана ниже:

Не стоит забывать, что на рисунках выше приведены типичные схемы САР. На практике таких схем довольно много и они могут довольно сильно между собой различаться. Также могут в управлении применять элементы, которые в себе могут хранить довольно большой функционал и выполнять роль нескольких датчиков или задающих механизмов сразу.