§15. Операційні підсилювачі системи "Каскад".

Операційні підсилювачі використовуються в приладах системи "Каскад", оскільки вони (прилади системи "Каскад") побудовані по принципу граничної системи.

Розглянемо операційні підсилювачі системи "Каскад" реалізовані на ферит транзисторних елементах. Феритові елементи використовуються в тероідальних трансформаторах.

У операційних підсилювачів є інверсний вхід 1, прямий вхід 2, і загальна точка ОТ.

Схема ОП виконана т.ч., щоб отримати однополярні вхідні сигнали, що відповідають уніфікованим струмовим сигналам від 0 до +5 мА, тобто негативні вхідні сигнали не сприймає.

Вхідна схема ОП виконана у вигляді мостової схеми, у двох плечах якої знаходяться варикапи V1 і V2, що являються діодами, міжелектродна ємність яких залежить від прикладеної напруги, тобто вони є змінними конденсаторами, що проводять струм в одному напрямку.

Два інших плеча містять постійні конденсатори, що підключені до двох вторинних обмоток трансформатора. Цей міст має дві діагоналі, вимірююча діагональ підключається до входу підсилювача змінної напруги, який має позначення U, діагональ живлення підключається до входів 1 і 2 т.ч., що коли на вхід 1 подається вхідний сигнал полярність якого вибрана т.ч., щоб варикапи працювали як конденсатори, то в контурі "вхідний міст - ОП - трансформатор - вхідний міст" утворюються автоколивання з частотою біля 1000000 Гц=1 МГц і амплітудою пропорційною вхідному сигналу.

Т.ч. на обмотці ІІІ утворюється зміна напруга, зв’язана , далі ця напруга на транзисторі Т і конденсаторі С перетворюється у постійну напругу (виконаний випрямляч).

Якщо на вхід 2 подати протилежну напругу, то вона теж підсилюється.

При цьому прямий вхід 1 не змінює знак вихідної напруги, інверсний – змінює.

Випадок 2:

Якщо полярність вхідного сигналу відкриває варикапи, то підсилювач охоплюється негативним ЗЗ і автоколивання не буде.

В системі "Каскад" використовується 3 типи операційних підсилювачів за цією схемою:

1) УВ-22 – однополярний підсилювач, вхідний сигнал 0÷5 мА, вихідний сигнал 0÷5 мА, коефіцієнт передачі Кп=1,5 мА/мВ.

2) УВ-21 – має додатковий вихід за напругою від 0÷10 В.

3) УВ-41 – двополярний підсилювач від -5 до +5 мА.

Операційні підсилювачі у вигляді модулів габаритами трохи більше ніж сірникова коробка.

Модулі гальванічного розділення МП-04.

Призначені для захисту вхідних ланцюгів приладів системи "Каскад" від коротких замикань в ланцюгах датчиків і перенапружень до 3000 В, виконані за МДМ принципом побудови ( модулятор - демодулятор).

Під модулятором розуміють перетворення постійного струму у сигнал змінної напруги.

Демодуляція – це зворотне перетворення сигналу змінної напруги в сигнал постійного струму.

Гальванічне розділення виконується на транзисторі, обмотки якої ізольовані, передача енергії виконується за допомогою магнітного потоку через магнітопровід.

Розглянемо принцип дії МП-04:

Схема працює наступним чином: вхідна напруга Хе обмежується за амплітудою на стабілітронах VD₁ і VD₂ – це означає, що якщо вхідна напруга Ux_e менша напруги стабілізації U_СТАБ, то стабілітрони замкнені і не яким чином не впливають на напругу за собою.

Якщо вхідна напруга перевищує напругу стабілізації, то відповідний стабілітрон відкривається і пропускає через себе надлишок напруги.

Електронний ключ К₁ з частотою 10-20 кГц перетворює постійний сигнал Хе в змінний сигнал під назвою "пряма хвиля".

Магнітний потік, що утворюється внаслідок струму, що проходить через обмотку 1, проходить через феромагнітний сердечник (магнітопровід) і генерує таку ж саму за формою та амплітудою напругу, для цього число витків первинної та вторинної обмоток розраховують відповідно до втрат енергії у магнітопроводі, тобто Ux_a=Ux_e, що означає, що Kp_МП-04=1±0.001.

Конденсатор в момент появи напруги заряджається.

Ключ К₁₍₂₎ працює синхронно на вході і виході, що надає можливість в момент розмикання ключа використовувати енергію конденсатора.

Враховуючи велику частоту перетворення сигнали Хе і Ха однакові по амплітуді, але не мають електричного з’єднання, тобто не впливають один на одного.

Захист приладів від обриву ланцюгів.

В багатьох схемах автоматизації сигнал від одного датчика використовується кількома приладами, наприклад:

1 прилад – вторинний показуючий прилад (КПУ-1)

2 прилад – вимірювальний блок І₀₄

3 прилад – блок уніфікованого комплексу технологічних захистів. Такі схеми часто використовуються на невеликих об’єктах (котельні, харчова промисловість).

В разі обриву струмового ланцюга всі послідовно - з’єднані прилади втратять інформацію. Виходом з цієї ситуації є підключення захисних пристроїв типу В-01, що представляють собою стабілітрон типу КС-156 А. Параметри стабілізації якого - U_СТ=5.6В при включенні його в режимі стабілізатора і U_СТ=1.5В при включенні в режимі діода.

Так само як і для МП-04, якщо падіння напруги на вхідному резисторі при max струмі 5мА < U_СТ, то стабілітрон закритий і не пропускає струм.

Якщо максимальне падіння напруги приблизно рівне напрузі стабілізації, то встановлюють 2 захисних пристрої В₀₁.

Цю схему рекомендують завжди використовують для захисту струмових сигналів.

Допоміжні пристрої.

Задатчики:

В системах автоматизації використовують ручні і програмовані задатчики.

Ручні – ЗУ₁₁ і ЗУ₀₅

Програмовані – ЗУ₅₅.

ЗУ₁₁ – це найпростіший прилад системи "Каскад" – потенціометричний задатчик.

Використовується лише разом із вимірювальним блоком І₀₄, або як дільник вхідного сигналу, тобто виконує функцію одного каналу К_П без гальванічного розділення.

ЗУ₀₅ – струмовий задатчик.

Призначений для перетворення кута поворота потенціометра у струмовий сигнал від 0 до 5 мА.

Складається:

1. джерело стабілізованої напруги (для живлення потенціометра з лінійною характеристикою 2).

2. перетворювач напруги у струм на транзасторі 3, що включається за схемою із загальною базою, при цьому його внутрішній опір змінюється в залежності від положення потенціометра 2.

3. джерело живлення.

Т.ч. від положення потенціометра залежить динамічний опір транзистора, через нього від джерела живлення протікає струм. При цьому схема виконана т.ч., що вона стабілізує струм при зміні величини навантаження. Для різних діапазонів опорів навантаження потрібно приєднувати до різних клем ЗУ₀₅.

Використання ЗУ₀₅:

1. Коли потрібно передати струмовий сигнал на великі відстані.

ЗУ₀₅ є стабілізатором струму, тому опір кабелю не впливає на величину струму.

2. Для подачі сигналу завдання безпосередньо на регулюючий прилад, коли не використовується вимірювальний блок І₀₄. Це означає, що сигнал розлагодження ε формується в ньому самому.

3. Разом із блоком І₀₄, коли сигнал розлагодження використовується кількома приймачами або передається на великі відстані.

4. Коли потрібно зкомпенсувати сигнал зміщення у 2.5 мА у блоках наступних за А₀₄.

Задатчик ЗУ₅₅:

Це струмовий програмний задатчик призначений для формування сигналу завдання, що змінюється у часі за довільним законом. Виконаний на базі приладу КСП-2.

На спеціальній паперовій або пластмасовій стрічці зображується лінія шириною ≈ 5 мм, що являється графіком зміни завдання у часі (графік залежності тиску у пусковому відсіку енергоблоку).

До стрілки прикріплені світло- і фотодіоди. Слідкуюча система весь час змінює положення стрілки таким чином, щоб один фотодіод був над світлою частиною, а інший над чорною лінією.

Стрілка зв’язана механічною передачею з встроєним потенціометром ЗУ₀₅, який називається реохордом.

Вимірювальний блок І₀₄.

Призначений для формування сигналів роз лагодження між заданим значенням і алгебраїчною сумою до 4 промасштабованих вхідних сигналів.

Опис і розрахунок коефіцієнтів пропорціональності розглянуто в лабораторній роботі.

Блок А₀₄.

Призначений для додавання до 4 вхідних сигналів з незалежним масштабуванням, гальванічним розділенням і використовується у випадках коли його сигнал подається в інші блоки системи "Каскад" на великі відстані у вигляді уніфікованого струмового вихідного сигналу.

Особливістю є однополярний вихідний струмовий сигнал, тому подається сигнал зміщення у разі негативного результату алгебраїчного підсумовування.

Сигнал зміщення в 2.5 мА повинен компенсуватися в наступних приладах.

Така схема використовується коли вхідних сигналів більше 4.

Регулюючи блоки системи "Каскад".

Р₂₁

Призначений для роботи в комплекті з ВМ постійної швидкості і формування ПІ-закону регулювання за виразом:

К_П – коефіцієнт передачі блоку,

Т_ДФ – постійна часу демпфера,

Т_И – постійна інтегрування.

Крива розгону цього релейно-імпульсного регулятора разом із ВМ має вигляд:

Величина К_П визначається в кінці першого імпульсу включення.

ΔМ_I – переміщення РО за перше включення.

- швидкість ВМ,

- постійна часу ВМ,

- швидкість зв’язку.

Р₂₁ – працює в комплекті із будь-якими ВМ, що мають час переміщення від 0 до 100% ( від 6 до 400 секунд).

Тому ручки К_П на блоці не має, а є ручка V_СВ, що обернено пропорціональна К_Р.

Т_И розраховується як час переміщення РО.

Графічно Т_И визначається по кривій розгону, як час подвоєння першого переміщення.

Блок Р₂₁ складається з вимірювального ланцюга, що містить вхідні резистори для перетворення струму в напругу та їх додавання без гальванічного розділення.

Вхід 1, вхід 3 – від 0 до 5 мА,

Вхід 2 – від 0 до 20 мА,

Вхід 4 – від 0 до 2.5 В (від І₀₄)

Сигнал роз лагодження знімається з клем 12, 13.

Вхід 5 – це сигнал ±24 В постійної напруги від інших резисторів.

Перемичка 13-20 підключає вхідну ланку до входу операційного підсилювача.

Сигнал розлагодження виводиться на В₁₂ для контролю вхідного сигналу.

За допомогою мобільного тестора можна контролювати цей сигнал роз лагодження на клемах А.Б панелі контролю і управління.

Вхідний сигнал згладжується від завад за допомогою інтегруючого RC-ланки, постійна часу якої змінюється потенціометром Т_ДФ= R_ДФC_ДФ.

Інерційна ланка (демпфер) не пропускає через себе сигнали, що мають частоту більшу частоти зрізу.

Сигнали теплотехнічних параметрів мають дуже низьку частоту і тому їх амплітуда не міняється.

А

W

W_ГР

Сигнал завад мають частоту більшу частоти зрізу і не проходять через демпфер, тому на виході демпфера буде сигнал без завад – мат. очікування.

В прямому ланцюзі регулятора встановлюється операційні підсилювачі типу УВ₄₁, це означає, що прилад Р₂₁, побудований за принципом граничної системи, тобто закон регулювання формується в ланках негативного ЗЗ.

В прямій ланці також знаходиться нелінійний елемент, що має трипозиційну лінійну характеристику із зоною нечутливості і зоною повернення типу УР₂ і призначений для управління пусковим пристроєм ВМ.

Спрацювання релейного елементу візуально оцінюється світловими індикаторами "більше - менше".

З виводів рівняння баластної ланки для ПІ-регулятора без охоплення ВМ зворотнім зв’язком виходить, що для формування ПІ-закону разом з ВМ постійної швидкості в ланці ЗЗ повинна бути інерційна ланка першого порядку, яка реалізується RC-ланкою.

RC-ланка міститься у вузлі 2.

R_ЗЗ виконує роль V_СВ.

Ланка ЗЗ має різні постійні часу заряду та розряду.

Для того, щоб відокремити резистори зарядки і розрядки встановлюється електричний ключ на неоновій лампі (це газорозрядний прилад, що має R=∞, коли розряду немає і малий опір, коли є розряд через ланку).

Лампа загоряється і стає провідником при напрузі більше 90В і є повним ізолятором при напрузі меншій 90В.

Особливістю релейного підсилювача УР₂ є незмінність його статичної характеристики, яка має вигляд :

Для того, щоб налагоджувати зони нечутливості і повернення додатково використовується позитивні і негативні ЗЗ, що дозволяє змінювати параметри релейного підсилювача в широких межах.

Потенціометр "зона " змінює зону нечутливості.

Потенціометр "t_И" (час імпульсу) – змінює ширину зони повернення і тим самим тривалість імпульсу вкл. ВМ, тобто при великому часі імпульсу буде великий час включення.

Час імпульсу встановлюють таким чином, щоб за одну хвилину ВМ не включився 6-10 разів. Зв’язано це із пусковими струмами.

Органами контролю є клеми А, Б (сигнал роз лагодження ε)

Б, Г – контроль роботи ланки ЗЗ,

Б,Д і Б,В – контроль додаткових ланок ЗЗ.

Світлові індикатори – контроль роботи блока в цілому.

Ручки налагодження "Демпфер", "Імпульс", "Зона", - плавно міняють значення, тому, що вони є потенціометрами.

"Час ізодрому" і "Швидкість зв’язку" – є перемикачами, тому міняють значення дискретно.

Тому розраховані параметри настройки можна встановити лише приблизно. Вибирається положення, яке має меншу похибку.

Регулюючий блок з аналоговим вихідним сигналом.

- призначений для роботи в каскадних АСР в якості корегую чого регулятора або для роботи в комплекті з ВМ-ами пропорційної дії для формування ПІД-закону.

Випускається у трьох модифікаціях для регулювання:

1. Повільних,

2. Середніх,

3. Для швидкоплинних процесів.

Складається:

1 – Вимірювальна вхідна ланка, на якій перетворюється в напругу 3 струмових сигнали і четвертий струмовий сигнал від блоку управління, виконується додавання всіх сигналів,

2,4 – операційні підсилювачі прямої ланки,

3 – обмежувач вихідного сигналу,

5 – джерело живлення,

6 – реле для безпоштовхового переключення з ручного в автоматичний режим.

Робота по принциповій схемі:

Вхідні сигнали подаються на клеми 14-18, сигнал від блоку І₀₄ подається на клеми 14,15. Входи 1,2,3 при відсутності сигналів від датчиків закорочуються.

Якщо не користуємося блоком І₀₄, то клеми 14,15 закорочуються, вхідні сигнали гальванічно зв’язані і при будь-якій їх несправності блок перестає працювати в цілому.

Вхідний сигнал надходить на підсилювач 2, потім через обмежувач 3 на підсилювач 4. Така схема використана тому, що ВМ пропорційної дії не мають кінцевих та шляхових обмежувачів ходу, наприклад, тент – не має явних обмежувачів потужності.

Оскільки обмежувач виконаний на пасивних елементах (діодно-функціональний перетворювач) то він підключений до операційного підсилювача 4, що працює в режимі з коефіцієнтом передачі=1.

Т. ч. Р₂₁ працює з одним операційним підсилювача, а Р₁₂ – з двома.

З теорії відомо, що для формування ПІД-закону, в ЗЗ повинна розташовуватись інерційна ланка другого порядку.

Конструкція ланки ЗЗ не дозволила розділити параметри настроювання Т_И з К_Д, Т_ДФ, тому органи настройки блока наступні:

1. КП із своїм множником (1 і 10),

2. ТИ,

3. ТД до ТИ,

4. ТДФ до ТИ,

5. Обмеження по max і min.