Электроаппарат в системе управления

Электроаппараты предназначены для управления¹ передачей энергии² (и информации³) в технической системе (см. [1] п.1). Они применяются в системах управления электроприводов для создания управляющих воздействий на электрические и кинематические цепи привода. Объектами управления для электроаппаратов в электроприводах и в различных электроустановках являются электрические и кинематические цепи, по которым передается энергия от источников энергии, например, от электрической сети к приемникам энергии, например, к электродвигателю. Управление объектом организуется по определенному закону преобразования входного управляющего воздействия на аппарат в выходное воздействие на объект. Источники, от которых электроаппарат может получать управляющие воздействия, и объекты, на которые он может воздействовать при управлении передачей энергии, показаны на рис. 1.1.

Разделение электрических цепей на цепи управления и силовые цепи, как отражено на рис. 1.1, является общепринятым и условным. Обычно считают, что цепи управления, включая цепи контроля и сигнализации, – это слаботочные цепи, по ним передается информация с помощью электрических сигналов. Силовые цепи относят к сильноточным цепям, считая, что по ним передается энергия. Однако в любом случае передача энергии сопровождается передачей информации и, наоборот, на передачу информации каким-либо воздействием затрачивается энергия. Это относится и к цепям управления, и к сильноточным цепям.

1. Управление можно представить как такую организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей.

2. Энергия – способность совершать работу.

3. Информация есть одна из форм проявления зависимости между разными явлениями. Можно представить, что информация - это как бы «след», оставляемый одним явлением на другом. Благодаря этому следу можно по результатам наблюдения одного явления определить некоторые черты другого явления (см. Основы автоматического управления. Под редакцией В.С. Пугачева.- М, Физматгиз, 1961).

Входные и выходные воздействия аппарата характеризуются физическими величинами, например, величиной электрического напряжения, силой тока, значением крутящего момента и др. Когда хотят выделить информационную сторону воздействия, слово «воздействие» заменяют словом «сигнал¹». Информация передается сигналом с помощью носителя информации (сигналоносителя)² – электрического напряжения, тока, крутящего момента и т.п.

1. Сигнал - процесс, несущий сообщение (информацию) о каком-либо событии, явлении, состоянии объекта наблюдения либо передающий команды управления, указания, оповещения и т.д. для передачи по каналу - см. Терминологический словарь по автоматике, информатике и вычислительной технике/ В. В. Зотов, Ю. Н. Маслов, А. Е. Пядочкин и др. – М.: Высш. шк., 1989.

2. См. Шульц Ю. Электроизмерительная техника: 1000 понятий для практиков: Справочник: Пер. с нем. – Энергоатомиздат, 1989.

Исходя из вышеизложенного, представим электроаппарат в качестве элемента системы управления с помощью структурной схемы (рис.1.2а).

Электроаппарат ЭА воздействует на канал связи¹ КС, по которому энергия от источника ИЭ передается приемнику ПЭ. Например, для электропривода в качестве ИЭ может рассматриваться действующая силовая электрическая сеть, в качестве ПЭ – электродвигатель, в качестве КС – электрическая цепь, по которой электрическая энергия передается из сети двигателю. Аппарат ЭА может исполнять роль модулятора ² потока энергии от ИЭ к ПЭ или усилителя, если ЭА рассматривается совместно с каналом КС, в который передается энергия от источника ИЭ.

Выходное управляющее воздействие на объект аппарат ЭА формирует по входному сигналу, поступающему от источника информации (ИИ). Этот сигнал в зависимости от типа источника ИИ может содержать информацию о задаче управления, о результате управления, о параметрах внешней среды и т.д. По отношению к ИИ аппарат ЭА можно рассматривать как приемник информации.

1. Канал связи - физическая среда и аппаратные средства, осуществляющие передачу энергии и информации от отправителя к получателю.

2. Модулятор – устройство, осуществляющее изменение параметров некоторого физического процесса (носителя информации) в соответствии с текущими значениями передаваемого сигнала (модулирующего сигнала).

3. Усилитель – устройство, воспроизводящее сигнал и усиливающее его по амплитуде и мощности за счет энергии вспомогательного источника питания (источника энергии ИЭ).

(См. Терминологический словарь по автоматике, информатике и вычислительной технике/ В. В. Зотов, Ю. Н. Маслов, А. Е. Пядочкин и др. – М.: Высш. шк., 1989)

В автоматизированных электроприводах и системах автоматики информацию о результатах управления и о параметрах внешней среды получают с помощью измерительных преобразователей ¹ (датчиков). В таких случаях совокупность элементов {ИИ, КС_у, ИЭ_у} на рис. 1.2б, когда в качестве КС_у используется электрическая цепь управления (ЭЦУ), а в качестве ИЭ_у – источник электрической энергии (ИЭЭ), представляет собой электрический датчик. В его составе ИИ исполняет роль первичного измерительного преобразователя контролируемой (электрической или неэлектрической) величины в электрическую величину в форме, удобной для дальнейшего использования в системе управления. Электрические датчики могут быть отнесены к классу информационных электроаппаратов.

На электроаппарат в системе управления возлагается решение определенной задачи управления, например:

подключение приемника энергии на питание от источника энергии и отключение приемника в эксплуатационных режимах работы системы;

отключение приемника от питания при возникновении ненормальных и аварийных режимов работы;

регулирование по определенному закону или поддержание на определенном уровне значения какого-либо параметра электрической или механической энергии в соответствующей цепи;

получение информации о результатах управления объектом в виде сигналов, удобных для использования в системе управления и др.

1. Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем - см. Семенов С. П., Горелейченко А. В., Богачев Э. Ю. Судовые электроизмерительные приборы и информационные системы. Учебник. – М.: Транспорт, 1982.

Измерительные преобразователи имеют разные наименования в разных научных дисциплинах. Термин датчик часто употребляется как синоним общего термина преобразователь. Преобразователи с неэлектрическим выходом применяются в качестве чувствительных элементов измерительных преобразователей (электрических датчиков) – см. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

Управление передачей энергии от источника (например, из силовой электрической сети) к приемнику (например, электродвигателю) может состояться только в том случае, если источник энергии (ИЭ на рис. 1.2) находится в рабочем состоянии и обладает необходимой мощностью.

Представим действие источника электрической энергии с помощью внешней характеристики, как показано на рис. 1.3.

На определенных участках внешней характеристики источник электрической энергии может рассматриваться как источник напряжения U или как источник тока I. Эти участки отмечены на рис. 1.3.

Подобное выделение источника скорости n и источника силы (или момента силы M) можно выполнить по рис. 1.3 для источника механической энергии. Например, если в электроприводе источником механической энергии служит электродвигатель, то его механическая характеристика n=f (M), т. е. зависимость скорости вращения n от момента M на валу может иметь два характерных участка, на одном из которых n не зависит от M, на другом M не зависит от n. На первом участке электродвигатель работает как источник скорости n, на втором – как источник силы, точнее, момента силы M.

Механическая характеристика идеального источника напряжения или скорости показана на рис. 1.3 горизонтальной пунктирной линией, а идеального источника тока или момента силы – вертикальной пунктирной линией.