§ 8. Вторичные цепи
Общие сведения. Взаимодействие элементов, входящих в состав устройств вторичной коммутации, а значит, и работоспособность этих устройств определяются в значительной степени электрическими соединениями между ними.
В результате электрических соединений образуются электрические цепи, которые называются цепями вторичной коммутации или просто вторичными цепями. Вторичная цепь, как и всякая электрическая цепь, содержит источник электроэнергии, приемник электроэнергии и проводники электрического тока, соединяющие источник с приемником. Это позволяет обеспечить питание элементов вторичных устройств энергией, необходимой для их работы.
Главное же назначение любой вторичной цепи — осуществление определенной части информационных преобразований, необходимых для управления соответствующим первичным оборудованием. Поэтому вторичная цепь должна включать элементы, с помощью которых в нее вводится информация в виде сигналов управления или контроля и выводится из данной вторичной цепи. Первые называют модулирующими элементами, а вторые демодулирующими. Для большинства вторичных цепей (рис. 47) приемником электроэнергии является демодулирующий элемент 3.
Отдельные вторичные цепи, например измерительные с первичными преобразователями в виде измерительных трансформаторов тока или термопар, имеют еще более простую структуру, поскольку трансформатор тока в этой цепи является одновременно и источником электроэнергии, и источником информации.
Рис. 47. Структурная схема вторичной цепи: I — источник питания. 2 — модулирующий элемент, 3 — демодулирующий элемент, 4 — проводники
Источниками энергии во вторичных цепях служат отдельные виды первичных преобразователей, например, измерительные трансформаторы и специальные источники питания: генераторы, аккумуляторы, силовые трансформаторы, называемые источниками оперативного тока. Проводниками электрического тока (по ним же передается и информация) являются медные изолированные провода и контрольные кабели с медными и алюминиевыми жилами. Воспринимающие органы вторичных аппаратов и приборов, а также органы непосредственного управления первичным оборудованием (например, обмотки возбуждения электрических машин, приводы коммутационных аппаратов, управляющие электроды ионных, электронных и полупроводниковых приборов) являются приемниками электроэнергии и демодулирующими элементами. Функции модулирующих элементов выполняют исполнительные органы вторичных аппаратов и приборов, характеризующиеся э. д. е., током или сопротивлением, которые изменяются соответственно с изменениями контролируемой величины. Следует иметь в виду, что первичные преобразователи по своему назначению являются информационными элементами. Они маломощны и имеют низкий к. п. д., а поэтому малопригодны для выполнения энергетических функций в качестве источников питания.
Кроме того, большинство первичных преобразователей должно работать в режиме, близком к холостому ходу, поскольку с увеличением нагрузки значительно ухудшаются их характеристики и особенно точность информации, вводимой ими в соответствующие цепи. Поэтому первичные преобразователи редко применяют в качестве источников питания. Если же это необходимо, то стремятся одни первичные преобразователи использовать только для выполнения энергетических функций в данной вторичной цепи, а другие для осуществления свойственных им информационных функций. Если в распоряжении имеется только один первичный преобразователь, схему вторичной цепи строят так, чтобы разделить во времени энергетическую и информационную функцию этого преобразователя.
Рассмотрим несколько конкретных примеров различного использования первичных преобразователей.
Рис. 49. Схема токовой защиты, показывающая разделение информационных и
энергетических функций между трансформаторами тока:
1, 2 и 3 — трансформаторы тока, 4 и 8 — проводники, 5 — отключающий электромагнит, 6 — замыкающий контакт, 7 — обмотка реле
На рис. 48 показана простая схема включения реле максимального тока, обмотка 2 которого подключена к трансформатору тока 1, а контакты 3 управляют цепью отключающего электромагнита 4 выключателя, питаемой от независимого источника оперативного тока в виде аккумуляторной батареи 5. Очевидно, здесь информационные функции возложены преимущественно на трансформатор тока, являющийся первичным преобразователем, а энергетические функции — на аккумуляторную батарею.
Рис. 51. Схема, показывающая совмещение информационных и энергетических функций у трансформатора тока:
1 и 2 — обмотки, 3 — соединительные провода
Разделение функций между трансформаторами тока видно из схемы максимальной токовой защиты (рис. 49). Здесь вторичная обмотка трансформатора тока 1, обмотка 7 реле и проводники 8 образуют цепь контроля, а вторичная обмотка промежуточного быстронасыщающего трансформатора тока 3, подключенного ко второму трансформатору тока 2, замыкающий контакт 6 реле, обмотка отключающего электромагнита 5 и проводники 4 составляют цепь питания отключающего электромагнита.
Рис. 50. Схема токовой защиты, показывающая разделение во времени информационных и энергетических функций для одного трансформатора тока:
1,3 и б— обмотки, 2 и 5—соединительные провода, 4 и 7 — контакты
На рис. 50 показана вторичная цепь максимальной токовой защиты с реле косвенного действия, где энергетические и информационные функции одного и того же трансформатора тока разделены во времени. Вначале, до срабатывания реле, образуется цепь контроля (вторичная обмотка <3 трансформатора тока, размыкающий контакт 7 реле, обмотка 1 реле, соединительные провода 2). При этом нагрузка на трансформатор тока сравнительно небольшая и определяется только мощностью, потребляемой обмоткой реле. После срабатывания реле его контакты переключаются и образуется цепь питания (вторичная обмотка 3 трансформатора тока, замыкающий контакт 4 реле, обмотка 6 отключающего электромагнита привода, обмотка 1 реле, соединительные провода 2 и 5). Теперь трансформатор тока служит уже в качестве источника переменного оперативного тока, обеспечивая необходимую мощность для питания отключающего электромагнита.
В простейшей схеме (рис. 51) трансформатор тока выполняет одновременно и энергетические функции, питая обмотку отключающего электромагнита, и информационную функцию, обеспечивая контроль тока во вторичной цепи (вторичная обмотка трансформатора тока 1, обмотка электромагнита 2 и соединительные провода 3).
Классификация вторичных цепей.
Вторичные цепи, входящие в состав вторичных устройств, различают по месту в цепи информационных преобразований, по степени сложности, по характеру выполняемой той или иной цепью функции и по ряду других признаков.
По месту в цепи информационных преобразований вторичные цепи разделяют на измерительные, оперативные, исполнительные и цепи связи (передаточные звенья). В измерительных цепях начинаются информационные преобразования. В них осуществляются отбор информации о состоянии управляемого объекта и ее первичная переработка в сигналы, удобные для дальнейших преобразований и передачи информации. В состав этих цепей входят первичные преобразователи (датчики, измерительные трансформаторы, шунты, добавочные сопротивления, емкостные делители напряжения, выпрямители и др.).
Оперативные цепи составляют наиболее обширную группу вторичных цепей. В них поступает информация от измерительных цепей и осуществляются основные преобразования, определяющие наиболее целесообразные действия (операции) вторичного устройства в соответствии с состоянием управляемого объекта и заданной программой. Электрическую энергию эти цепи, как правило, получают от самостоятельного источника питания.
Назначение исполнительных цепей — обеспечить исполнение команд, поступающих в виде соответствующих сигналов от оперативных цепей, путем непосредственного воздействия на управляемый объект через его элемент управления (включение или отключение выключателя, изменение тока в цепи возбуждения генератора, переключение ответвлений трансформатора и др.).
Для увеличения мощности сигналов, поступающих в исполнительную цепь (за счет энергии источников питания), в ее состав входят усилители мощности. Если для приведения в действие органа непосредственного управления контролируемого объекта используют неэлектрическую энергию, то в исполнительные цепи входят неэлектрические звенья (пневматические, гидравлические, механические).
Только в самых простых вторичных устройствах (см. рис. 51) весь процесс информационных преобразований осуществляется в одной вторичной цепи. Большая же часть вторичных устройств содержит значительное количество взаимосвязанных вторичных цепей.
Если рассматривать любую пару взаимосвязанных вторичных цепей, то каждая предыдущая вторичная цепь является управляющей, а последующая, получающая информацию от предыдущей вторичной цепи, управляемой вторичной цепью. Связь между отдельными вторичными цепями может осуществляться без применения специальных электрических цепей, с помощью преобразующего элемента вторичного аппарата (см. рис. 48), воспринимающий элемент которого находится в управляющей цепи, а исполнительный элемент — в управляемой цепи. Однако во многих случаях такая связь между вторичными цепями выполняется с помощью специальных цепей, называемых цепями связи.
Применение цепей связи позволяет согласовывать между собой соответствующие вторичные цепи и передавать информацию с достаточной точностью при необходимом уровне сигнала.
Наряду с цепями связи, по которым сигналы последовательно передаются от предыдущей вторичной цепи в последующую, широко применяют цепи обратной связи, по которым величина, пропорциональная выходным сигналам, вводится в предыдущие цепи и складывается с входным сигналом, усиливая или ослабляя его. В первом случае обратная связь называется положительной (ПОС), а во втором случае — отрицательной (ООС). Кроме этого, различают жесткую обратную связь (ЖОС), действие которой проявляется непрерывно, и гибкую обратную связь (ГОС), вступающую в работу в динамическом режиме (в момент изменения уровня сигнала).
По степени сложности вторичные цепи можно разделить на две группы: простые и сложные. Отличительным признаком сложной цепи является наличие ответвлений, образующих обходные (побочные) цепи, в которых осуществляются дополнительные функции (например, защита отдельных элементов основной цепи от перенапряжений). Вторичные цепи также классифицируют по характеру возлагаемых на них функций: цепи измерения, управления, сигнализации, защиты, блокировки и т. д.
Рис. 52. Структурная схема вторичного устройства: О — управляемый объект, ПП — первичный преобразователь, IM и 2М — модулирующие элементы, 1Д и 2Д — демодулирующие элементы, Ш и 2П — передаточные звенья. ИО — исполнительный орган, ЭИУ— элемент непосредственного управления, ИоТ — источник оперативного тока. ИП — источник питания
В отдельных случаях принято называть цепи соответственно названию вторичного элемента, относящегося к этой цепи: цепь эмиттера, коллектора, базы (для полупроводниковых приборов); цепь сетки, катода, накала, анода (для электронных ламп); цепи обмоток смещения, обратной связи, управления и рабочих обмоток (магнитного усилителя).
Рис. 53. Различные схемные решения на основе промежуточного реле:
а — нормальное включение, б — преобразование кратковременного импульса в длительный, в — преобразование длительного импульса в кратковременный, г — преобразование постоянного напряжения в пульсирующее, д — повышение термической устойчивости реле, е — размножение управляющих импульсов: / и 2 — контакты
Рассмотрим структурную схему вторичного устройства, в которой достаточно полно отражены различные виды вторичных цепей и их взаимосвязь (рис. 52). Сведения от управляемого объекта О поступают в измерительную цепь через первичный преобразователь Я/7, преобразуются и вводятся в оперативные цепи модулирующим элементом 1М. В оперативных цепях осуществляется обработка полученных сигналов демодулирующими элементами 1Д и 2Д с последовательной передачей от первой до последней (в нашем примере до третьей) цепи при помощи передаточных
звеньев 1П и 2П. Необходимую энергию для питания оперативных цепей получают от источника оперативного тока ИОТ. Сигналы управления от последней оперативной цепи поступают в исполнительный орган ИО, который через элемент непосредственного управления ЭНУ воздействует на управляемый объект. Необходимая энергия в данном случае поступает от источника питания ИП. Источник питания ИП, исполнительный орган ИО и элемент непосредственного управления ЭНУ составляют исполнительную цепь.
