6. Практические конструкции
6.3.2. Принципиальная схема
Принципиальная схема разработанного автором индукционного металлоискателя изображена на рис.26 – входная часть, рис.27 – синхронные детекторы и фильтры, рис.28 – дискриминатор и формирователь звукового сигнала, рис.29 – схема внешних соединений.
Кварцевый генератор (рис.26)
Собран на инверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пьезокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 2^15(Гц) » 32(кГц) (“часовой кварц”). Цепочка R1C2 препятствует возбуждению генератора на высших гармониках.
Через резистор R2 замыкается цепь ООС, через резонатор Q – цепь ПОС. Генератор отличается простотой, малым потребляемым током, надежно работает при напряжении питания 3-15(В), не содержит подстроечных элементов и чересчур высокоомных резисторов.
Выходная частота генератора – около 32(кГц).
Рис.26. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Входная часть.
Кольцевой счетчик (рис.26)
Кольцевой счетчик выполняет две функции. Во- первых, он делит частоту генератора на 4, до частоты 8(кГц) (рекомендации по выбору частоты – см. гл. 1.1). Во-вторых, он формирует два опорных сигнала для синхронных детекторов, сдвинутых друг относительно друга на 90° по фазе.
Кольцевой счетчик представляет собой два D-триггера D2.1 и D2.2, замкнутые в кольцо с инверсией сигнала по кольцу. Тактовый сигнал – общий для обоих триггеров. Любой выходной сигнал первого триггера D2.1 имеет сдвиг по фазе на плюс-минус четверть периода (т.е. на 90°) относительно любого выходного сигнала второго триггера D2.2.
Интеграторы (рис.26)
Собраны на ОУ D3.1 и D3.2. Их постоянные времени определяются цепочками R3C6 и R5C9. Режим по постоянному току поддерживается резисторами R4, R6. Разделительные конденсаторы С 5, С 8 препятствуют накоплению статической погрешности, которая может вывести интеграторы из режима ввиду их большого усиления по постоянному току.
Номиналы элементов, входящих в схемы интеграторов выбраны так, чтобы суммарный сдвиг фазы обоих интеграторов на рабочей частоте 8(кГц) составлял ровно 180° с учетом как основных RC-цепочек, так и с учетом влияния разделительных цепей и конечного быстродействия ОУ при выбранной коррекции.
Цепи коррекции ОУ интеграторов – стандартные и состоят из конденсаторов емкостью 33(пФ).
Усилитель мощности (рис.26)
Собран на ОУ D4.2 с параллельной ООС по напряжению. Термокомпенсированный токозадающий элемент, состоящий из резисторов R71, R72 и терморезистора R73 (см. рис.29), включен между выходом второго интегратора и инвертирующим входом ОУ D4.2. Нагрузка усилителя, являющаяся одновременно элементом ООС, представляет собой колебательный контур, состоящий из катушки датчика L1 и конденсатора С61.
В нумерации резисторов и конденсаторов по схема рис.26 – рис.29 пропущены некоторые позиции, что связано с многочисленными модификациями схем индукционного металлоискателя и не является ошибкой.
Колебательный контур настроен в резонанс на четверть частоты кварцевого резонатора задающего генератора, то есть на частоту подаваемого на него сигнала. Модуль полного сопротивления колебательного контура на резонансной частоте составляет около 4(к0м).
Параметры катушки датчика L1 таковы: число витков – 100, марка провода – ПЭЛ, ПЭВ, ПЭЛШО 0,3-0,5, средний диаметр и диаметр оправки для намотки – 165(мм). Катушка имеет экран из алюминиевой фольги, подключенный к общей шине прибора.
Для предотвращения образования короткозамкнутого витка, от экрана свободна небольшая часть, около 1(см), длины окружности обмотки катушки.
Элементы датчика R71 – R73 и L1, С61 подобраны так, чтобы: во-первых, были равны по величине напряжения на входе и на выходе усилителя мощности.
Для этого необходимо, чтобы сопротивление цепочки R71 – R73 было равно модулю полного сопротивления колебательного контура L1, С61 на резонансной частоте 8(кГц), а точнее, 8192(Гц).
Этот модуль сопротивления составляет, как уже говорилось, около 4(к0м) и его значение должно уточняться для конкретного датчика.
Во-вторых, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) цепочки R71 – R73 должен совпадать по величине и по знаку с ТКС модуля полного сопротивления колебательного контура L1, С61 на резонансной частоте, что достигается: грубо – путем выбора номинала терморезистора R73, а точно – выбором соотношения R71 – R72 и достигается экспериментально при настройке.
Температурная нестабильность колебательного контура связана с нестабильностью, в первую очередь, омического сопротивления медного провода катушки. При росте температуры это сопротивление возрастает, что увеличивает потери в контуре и уменьшает его добротность. Поэтому модуль его полного сопротивления на резонансной частоте уменьшается.
Резистор R18 не играет в схеме принципиальной роли и служит для поддержания ОУ D4.2 в режиме при отключенной ответной части разъема XI. Цепь коррекции ОУ D4.2 – стандартная и состоит из конденсатора емкостью 33 (пФ).
Схема компенсации (рис.26)
Ее основные элементы, которые реализуют вычитание выходного напряжения второго интегратора из напряжения катушки датчика – это резисторы R15, R17 с одинаковой величиной сопротивления. С их общей точки соединения полезный сигнал поступает на приемный усилитель.
Дополнительные элементы, благодаря которым достигается ручная настройка и подстройка прибора – это потенциометры R74, R75 (рис. 29). С этих потенциометров можно снять сигнал, лежащий в диапазоне [-1, +1] от сигнала напряжения датчика (или практически равного ему по амплитуде выходного сигнала второго интегратора).
Регулировкой указанных потенциометров достигается минимальный сигнал на входе приемного усилителя и нулевые сигналы на выходах синхронных детекторов.
Через резистор R16 часть выходного сигнала одного потенциометра подмешивается в схему компенсации непосредственно, а с помощью элементов R1 1-R14, С14-С16 – со сдвигом в 90° с выхода другого потенциометра.
ОУ D4.1 является основой компенсатора высших гармоник схемы компенсации. На нем реализован двойной интегратор с инверсией, постоянные времени которого задаются обычной для интегратора цепочкой параллельной ООС по напряжению R7C12, а также конденсатором С 16 со всеми окружающими его резисторами.
На вход двойного интегратора поступает меандр с частотой 8(кГц) с выхода элемента D1.5. Через резисторы R8, R10 из меандра вычитается основная гармоника. Суммарное сопротивление этих резисторов составляет около 10(кОм) и подбирается экспериментально при настройке по минимуму сигнала на выходе ОУ D4.1.
Оставшиеся на выходе двойного интегратора высшие гармоники поступают на схему компенсации в той же амплитуде, что и высшие гармоники, проникающие через основные интеграторы. Соотношение фаз таково, что на входе приемного усилителя высшие гармоники из указанных двух источников практически компенсируются.
Внимание !!!
Выход усилителя мощности не является дополнительным источником высших гармоник, так как высокая добротность колебательного контура (около 30) обеспечивает высокую степень подавления высших гармоник.
Высшие гармоники, в первом приближении, не влияют на нормальную работу прибора, даже если они многократно превосходят полезный отраженный сигнал.
Тем не менее, их необходимо уменьшать, чтобы приемный усилитель не попал в режим ограничения, когда верхушки “коктейля” из высших гармоник на его выходе начинают обрезаться ввиду конечного значения напряжений питания ОУ.
Такой переход усилителя в нелинейный режим резко снижает коэффициент усиления по полезному сигналу.
Элементы D1.4 и D1.5 предотвращают образование кольца паразитной ПОС через резистор R7 ввиду ненулевого значения выходного сопротивления выхода триггера D2.1. Попытка подключить резистор R7 напрямую к триггеру приводит к самовозбуждению схемы компенсации на низкой частоте.
Цепь коррекции ОУ D4.2 – стандартная и состоит из конденсатора емкостью 33 (пФ).
Приемный усилитель (рис.26)
Приемный усилитель – двухкаскадный. Его первый каскад выполнен на ОУ D5.1 с параллельной ООС по напряжению. Коэффициент усиления по полезному сигналу составляет: Кu = – R19/R17» -5. Второй каскад выполнен на ОУ D5.2 с последовательной ООС по напряжению.
Коэффициент усиления Ku = R21/R22 +1=6. Постоянные времени разделительных цепочек выбраны такими, чтобы на рабочей частоте создаваемый ими набег по фазе компенсировал запаздывание сигнала, обусловленное конечным быстродействием ОУ. Цепи коррекции ОУ D5.1 и D5.
2 – стандартные и состоят из конденсаторов емкостью 33 (пФ).
Синхронные детекторы (рис.27)
Синхронные детекторы однотипны и имеют идентичные схемы, поэтому будет рассмотрен только один из них, верхний по схеме. Синхронный детектор состоит из балансного модулятора, интегрирующей цепочки и усилителя постоянных сигналов (УПС). Балансный модулятор реализован на основе интегральной сборки аналоговых ключей D6.
1 на полевых транзисторах. С частотой 8(кГц) аналоговые ключи поочередно замыкают на общую шину выходы “треугольника” интегрирующей цепочки, состоящей из резисторов R23 и R24 и конденсатора С23. Сигнал опорной частоты поступает на балансный модулятор с одного из выходов кольцевого счетчика.
Этот сигнал является управляющим для аналоговых ключей.
Сигнал на вход “треугольника” интегрирующей цепочки поступает через разделительный конденсатор С21 с выхода приемного усилителя.
Рис.27. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Синхронные детекторы и фильтры.
Постоянная времени интегрирующей цепочки t»R23·C23 = R24·C23. Более подробно о схеме синхронного детектора можно прочитать в главе 4.1.
ОУ УПС D7 имеет стандартную цепь коррекции, состоящую из конденсатора емкостью 33 (пФ) для ОУ типа К140УД1408. В случае использования ОУ типа К140УД12 (с внутренней коррекцией) конденсатор коррекции не нужен, однако необходим добавочный токозадающий резистор R68 (показан пунктиром).
Фильтры (рис.27)
Фильтры однотипны и имеют идентичные схемы, поэтому будет рассмотрен только один из них, верхний по схеме.
Как уже указывалось выше, по типу фильтр относится к ФВЧ. Кроме того, на него в схеме возложена роль дальнейшего усиления выпрямленного синхронным детектором сигнала. При реализации подобного рода фильтров в металлоискателях возникает специфическая проблема. Суть ее заключается в следующем.
Полезные сигналы, поступающие с выходов синхронных детекторов являются сравнительно медленными, поэтому нижняя граничная частота ФВЧ обычно лежит в диапазоне 2-10(Гц). Динамический диапазон сигналов по амплитуде очень велик, он может достигать 60(дБ) на входе фильтра.
Это означает, что фильтр очень часто будет работать в нелинейном режиме перегрузки по амплитуде.
Выход из нелинейного режима после воздействия таких больших перегрузок по амплитуде для линейного ФВЧ может затянуться на десятки секунд (как и время готовности прибора после включения питания), что делает обычные схемы фильтров непригодными для практики.
Для разрешения указанной проблемы идут на всевозможные ухищрения. Наиболее часто фильтр разбивают на три-четыре каскада со сравнительно небольшим усилением и более-менее равномерным распределением времязадающих цепочек по каскадам. Такое решение ускоряет выход устройства в нормальный режим после перегрузок. Однако, для его реализации требуется большое количество ОУ.
В предлагаемой схеме ФВЧ – однокаскадный. Для уменьшения последствий перегрузок он выполнен нелинейным. Его постоянная времени для больших сигналов приблизительно в 60 раз меньше, чем для сигналов малой амплитуды.
Схемотехнически, ФВЧ представляет собой усилитель напряжения на ОУ D9.1, охваченный цепью ООС через интегратор на ОУ D10.
Для малого сигнала, частотные и временные свойства ФВЧ определяются делителем из резистоов R45, R47, постоянной времени интегратора R43ЧC35 и коэффициентом усиления усилителя напряжения на ОУ D9.1.
При увеличении выходного напряжения ФВЧ, после определенного порога начинает сказываться влияние цепочки диодов VD1-VD4, которые и являются основным источником нелинейности. Указанная цепочка на больших сигналах шунтирует резистор R45, увеличивая тем самым глубину ООС в ФВЧ и уменьшая постоянную времени ФВЧ.
Коэффициент усиления по полезному сигналу составляет около 200. Для подавления высокочастотных помех в схеме фильтра имеется конденсатор С31. ОУ усилителя напряжения D9.1 имеет стандартную цепь коррекции, состоящую из конденсатора емкостью 33 (пФ).
ОУ интегратора D10 имеет цепь коррекции, состоящую из конденсатора емкостью 33 (пФ) для ОУ типа К140УД1408.
В случае использования ОУ типа К140УД12 (с внутренней коррекцией) конденсатор коррекции не нужен, однако необходим добавочный токозадающий резистор R70 (показан пунктиром).
Рис.28. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Дискриминатор и формирователь звукового сигнала
Дискриминатор (рис.28)
Дискриминатор состоит из компараторов на ОУ D12.1, D12.2 и одновибраторов на триггерах D13.1, D13.2.
При прохождении датчика металлоискателя над металлическим предметом на выходах фильтров возникает полезный сигнал в виде двух полуволн напряжения противоположной полярности, следующих одна за другой одновременно на каждом выходе.
Для небольших предметов из железа сигналы на выходах обоих фильтров будут синфазны: выходное напряжение “качнется” сначала в минус, а затем в плюс и вернется к нулю.
Для неферромагнитных металлов и крупных железных предметов отклик будет другой: выходное напряжение только первого (верхнего по схеме фильтра) “качнется” сначала в минус, а затем в плюс. Реакция же на выходе второго фильтра будет противоположной: выходное напряжение “качнется” сначала в плюс, а затем в минус.
Таким образом, определив, полуволна какой полярности на выходе первого фильтра была первой по времени, можно определить, к какому типу относится обнаруженный предмет. Процесс принятия решения дискриминатором протекает следующим образом. Компараторы D12.
1, D12.2 формируют на своих выходах прямоугольные импульсы положительной полярности при превышении (по модулю) амплитудой отрицательной полуволны выходного напряжения фильтра некоторого порога. Этот порог задается делителем R51, R52 и составляет около -1 (В).
Выходные импульсы компараторов запускают один из одновибраторов на триггерах D13.1, D13.2. Одновременно одновибраторы запуститься не могут – перекрестная ОС через диоды VD9, VD11 блокирует запуск одновибратора, если другой уже запущен.
Длительность импульсов на выходах одновибраторов составляет около 0,5(с) и это в несколько раз больше, чем длительность обоих всплесков полезного сигнала при быстром движении датчика.
Поэтому вторые полуволны выходных сигналов фильтров уже не влияют на решение дискриминатора – по первым всплескам полезного сигнала он запускает один из одновибраторов, другой при этом блокируется и такое состояние фиксируется на время 0,5(с).
Чтобы исключить срабатывание компараторов от помех, а также, чтобы задержать по времени выходной сигнал первого фильтра относительно второго, на входах компараторов установлены интегрирующие цепочки R49, С41 и R50, С42.
Постоянная времени цепочки R49, С41 в несколько раз больше, поэтому при одновременном приходе двух отрицательных полуволн с выходов фильтров первым сработает компаратор D12.2 и запустится одновибратор на триггере D13.
2, выдав управляющий сигнал (“ферро” – железо).
Формирователь звукового сигнала (рис.28)
Формирователь звукового сигнала состоит из двух идентичных управляемых генераторов звуковой частоты на триггерах Шмидта с логикой “И” на входе D14.1, D14.2. Запускается каждый генератор непосредственно выходным сигналом соответствующего одновибратора дискриминатора.
Верхний генератор срабатывает по команде “металл” с выхода верхнего одновибратора – неферромагнитная мишень или крупный железный предмет – и выдает тональную посылку с частотой около 2(кГц). Нижний генератор срабатывает по команде “ферро” с выхода нижнего одновибратора – небольшие железные предметы – и выдает тональную посылку с частотой около 500(Гц).
Длительности посылок равны длительности импульсов на выходах одновибраторов. Элементом D14.3 осуществляется смешивание сигналов двух тональных генераторов. Элемент D14.4, включенный по схеме инвертора, предназначен для реализации мостовой схемы включения пьезоизлучателя.
Резистор R63 ограничивает всплески потребляемого микросхемой D14 тока, вызванные емкостным характером импеданса пьезоизлучателя. Это является профилактической мерой по уменьшению влияния наводок по питанию и предотвращению возможного самовозбуждения усилительного тракта.
Схема внешних соединений (рис.29)
На схеме внешних соединений показаны элементы, не установленные на печатной плате прибора и подключаемые к ней с помощью электрических разъемов. К таким элементам относятся:
– потенциометры настройки и балансировки R74, R75,
– датчик с кабелем и разъемом подключения,
– защитные диоды по питанию VD13, VD14,
– переключатель режимов работы S 1.1 -S 1.6,
– измерительные приборы W1, W2,
– батареи питания,
– пьезоизлучатель Y1.
Назначение перечисленных элементов, в основном, очевидно и не требует дополнительных пояснений.
Источник: http://lib.qrz.ru/book/export/html/6541
Типовая структурная схема системы ЧПУ
На рисунке показана общая укрупненная структурная схема системы ЧПУ. Она включает следующие основные элементы: устройство ЧПУ; приводы подач рабочих органов станка и датчики обратной связи (ДОС), установленные по каждой управляемой координате.
Устройство ЧПУ предназначено для выдачи управляющих воздействий рабочим органом станка в соответствии с программой управления, вводимой на перфоленте. Программа управления считывается последовательно в пределах одного кадра с запоминанием в блоке памяти, откуда она подается в блоки технологических команд, интерполяции и скоростей подач.
Блок интерполяции – специализированное вычислительное устройство (интерполятор) – формулирует частичную траекторию движения инструмента между двумя или более заданными в программе управления точками.
Выходная информация с этого блока поступает в блок управления приводами подач, обычно представлена в виде последовательности импульсов по каждой координате, частота которых определяет скорость подачи, а число – величину перемещения.
Блок ввода и считывания информации предназначен для ввода и считывания программы управления. Считывание производится последовательно строка за строкой в пределах одного кадра.
Блок памяти. Так как информация считывается последовательно, а используется вся сразу в пределах одного кадра, при считывании она запоминается в блоке памяти. Здесь же производится ее контроль и формирование сигнала при обнаружении ошибки в перфоленте.
Так как обработка информации идет последовательно по кадрам, а время считывания информации одного кадра равно примерно 0,1 – 0,2 с, получается разрыв в передачи информации, что недопустимо. Поэтому применяют два блока памяти.
Пока обрабатывается информация одного кадра из первого блока памяти, производится считывание второго кадра и ее запоминание во втором блоке. Время же введения информации из блока памяти в блок интерполяции ничтожно мало.
Во многих системах ЧПУ блок памяти может принимать информацию, минуя блок ввода и считывание непосредственно от ЭВМ.
Блок интерполяции. Это специализированное вычислительное устройство, которое формирует частичную траекторию движения инструмента между двумя или более заданными в программе управления точками. Это важнейший блок в контурных системах ЧПУ.
Основой блока является интерполятор, который по заданным программой управления числовым параметрам участка контура восстанавливает функцию f(x,y).
В интервалах значений координат Х и У интерполятор вычисляет значения координат промежуточных точек этой функции.
На выходах интерполятора формируется строго синхронизированные во времени управляющие импульсы для перемещения рабочего органа станка по соответствующим осям координат.
Применяют линейные и линейно – круговые интерполяторы. В соответствии с этим первые производят линейную интерполяцию, а вторые линейную и круговую.
Линейный интерполятор обеспечивает, например, перемещение рабочего органа с фрезой диаметроммежду двумя опорными точками по прямой линии с отклонением от заданного контура на величину.
В этом случае исходной информацией для интерполятора являются величины приращений по координатамии время обработки перемещения по прямой, т.е., где S – установленная скорость подачи инструмента.
Работа линейно – кругового интерполятора может осуществляться по методу оценочной функции F. Метод заключается в том, что при выработке очередного управляющего импульса логическая схема производит оценку, по какой координате следует выдавать этот импульс, чтобы суммарное перемещение рабочего органа станка максимально приближало его к заданному контуру.
Интерполируемая прямая (см. рис. а) делит плоскость, в которой она расположена, на две области: над прямой, где оценочная функция F>0, и под прямой, где F0, то следующий шаг делается по оси Х. Если же промежуточная точка находится в области F
Источник: https://megaobuchalka.ru/10/27622.html
Формирование модулированных сигналов
Характеристики модуляторов
Основными характеристиками модуляторов являются модуляционная и частотная.
Модуляционная характеристика представляет собой зависимость отклонения информационного параметра несущей от воздействующего постоянного модулирующего напряжения Uм. При гармонической несущей это отклонение амплитуды ?Um при АМ, отклонение частоты ?? при ЧМ и отклонение фазы ?? при ФМ.
В идеальном случае модуляционная характеристика должна быть линейной (рисунок 15) однако реальная характеристика имеет отклонения. Эти отклонения приводят к нелинейным искажениям модулированного сигнала. По данной характеристике определяют качественные показатели модулятора (амплитуду модулирующего сигнала).
Рисунок 15 – модуляционная характеристика модулятора
Частотная характеристика представляет собой зависимость основного параметра модулированного сигнала от частоты модулирующего гармонического сигнала uМ(t). Для гармонической несущей такими параметрами являются ? коэффициент mАМ при АМ, девиация частоты ??m при ЧМ, индексу ??m при ФМ.
Идеальная частотная характеристика имеет постоянное значение на всех частотах (рисунок 16). Реальная характеристика имеет отклонения, что приводит к частотным искажениям. По частотной характеристике определяют частотные свойства модулятора (полосу пропускания модулятора).
Рисунок 16 – Частотная характеристика модулятора
Модуляционная и частотная характеристики снимаются экспериментально.
Формирование амплитудно-модулированных сигналов
Однотактный амплитудный модулятор на диоде
В состав данного модулятора входит диод (нелинейный элемент) и полосовой фильтр (рисунок 17). Нелинейный элемент в схеме необходим так как модуляция связана с изменением спектра сигнала.
Рисунок 17- Принципиальная электрическая схема однотактного амплитудного модулятора на диоде
На диод VD, вольтамперная характеристика которого аппроксимирована полиномом второй степени, подаются три напряжения: напряжение смещения U0, напряжения модулирующего сигнала (u(t)) и несущего (S(t)) колебания. Спектр отклика диода при таком воздействии будет иметь вид (рисунок).
В данном спектре модулированному сигналу соответствуют составляющие на частотах w0, ?0±?. Эти составляющие выделяются полосовым фильтром, в качестве которого используется колебательный LC контур, настроенный на частоту ?0. Временные диаграммы сигналов представлены на рисунке 18.
Рисунок 18 – Спектральная диаграмма отклика диода
Недостатком данного модулятора является присутствие в спектре АИ сигнала составляющей несущего сигнала.
Балансный модулятор
Данный модулятор представляет собой два однотактных амплитудных модулятора работающих на общую нагрузку (рисунок 19). Модулятор содержит два диода с одинаковыми ВАХ аппроксимированными полиномами третьей степени.
Два резистора с малым, но одинаковым сопротивлением являются нагрузкой диодов.
Модулирующий сигнал подается через первичную обмотку трансформатора, а несущее колебание подается через среднюю точку вторичной обмотки трансформатора и точкой соединения двух резисторов.
Рисунок 19 – Принципиальная электрическая схема балансного модулятора
Если в некоторый момент времени напряжения u(t) и S(t) будут иметь полярность показанную на рисунке, то пренебрегая падением напряжения на резисторах, напряжение на диодах будет равно:
uд1(t)=S(t)+uII(t);
uд2(t)=S(t)-uII(t) (21)
где uII(t) — напряжение модулирующего сигнала во вторичной обмотке трансформатора.
Напряжение на выходе балансного модулятора будет равно
uвых(t)=2R(a1 uII(t)+2 a2 S(t)uII(t)+a3 uII(t)3+3 a3 S(t)2 uII(t)) (22)
где а1, а2, а3 — коэффициенты аппроксимирующего полинома.
Спектр сигнала на выходе модулятора показан на рисунке 20.
Рисунок 20 – Спектральная диаграмма сигнала на выходе балансного модулятора
Как следует из спектра выходного сигнала, в нем отсутствуют составляющие несущего сигнала, четные составляющие модулирующего сигнала и их высшие гармоники, которые вносят искажения формы модулированного сигнала.
Отсутствие составляющей несущего сигнала и ее гармоник объясняется тем, что падение напряжения, вызванные токами этих колебаний на резисторах, имеют одинаковые значения, но противоположную полярность.
К недостаткам модулятора можно отнести наличие составляющих модулирующего сигнала и высших гармоник модулированного сигнала.
Кольцевой модулятор
Данный модулятор представляет собой два балансных модулятора работающих на общую нагрузку (рисунок 21).
Рисунок 21 – Принципиальная электрическая схема кольцевого модулятора
Четыре диода VD1 — VD4 имеют одинаковые ВАХ аппроксимированные полиномами третьей степени. Если полярность напряжений u(t) и S(t) в некоторый момент времени соответствует показанной на рисунке, то, пренебрегая падением напряжения на резисторах, напряжение на диодах будет равно
uд1(t) = S(t) + uII(t);
uд2(t) = S(t) — uII(t);
uд3(t) = — S(t) + uII(t);
uд4(t) = — S(t) — uII(t). (23)
Напряжение на выходе модулятора будет равно
uвых(t) = 8R a2 S(t) uII(t). (24)
Спектр сигнала на выходе кольцевого модулятора показан на рисунке 22.
Рисунок 22 – Спектральная диаграмма сигнала на выходе кольцевого модулятора
Как видно из диаграммы в спектре сигнала отсутствуют составляющие несущего и модулирующего сигналов, а также отсутствуют высшие составляющие модулированного сигнала.
Таким образом, кольцевой модулятор является идеальным модулятором, но лишь для сигналов небольшой амплитуды.
При больших амплитудах S(t) и u(t) в спектре выходного сигнала появляются различные комбинации нечетных гармоник входных сигналов.
Амплитудный модулятор на транзисторе
Данный модулятор (рисунок 23) используется для формирования больших амплитуд.
Рисунок 23- Принципиальная электрическая схема амплитудного модулятора на транзисторе
В модуляторе в качестве нелинейного элемента используется транзистор (VT), включенный по схеме с общим эмиттером. Нагрузкой транзистора является колебательный контур С2 L1, который используется в качестве полосового фильтра и настраивается на частоту первой гармоники несущего колебания w0.
Также модулятор содержит делитель напряжения R1 R2 подающий напряжение смещения для выбора положения рабочей точки транзистора, резистор R3 обеспечивающий температурную стабилизацию рабочей точки, разделительные конденсаторы С1, С3, С4 разделяющие ток питания от тока сигнала. Модулирующий сигнал подается на эмиттер транзистора.
Несущее колебание вместе с напряжением смещения поступают на базу VT. Модулированный сигнал снимается с коллектора.
Достоинством данного модулятора является высокий КПД, т. к. транзистор работает в режиме отсечки коллекторного тока. Временные диаграммы сигналов схемы, поясняющие процесс формирования АМ сигнала в режиме отсечки коллекторного тока показаны на рисунке 24.
Рисунок 24 – Формирование АМ сигнала в режиме отсечки коллекторного тока
Преобразование частоты
Преобразование частоты — процесс переноса спектра сигнала в область более высоких или более низких частот без изменения формы спектра и формы сигнала.
Под формой спектра понимается соотношение между составляющими спектра сигнала. По сути, модуляция и детектирование также являются преобразованием частоты, т. к.
при модуляции спектр модулирующего сигнала переносится в область более высоких частот, а при детектировании происходит обратный процесс.
Но в основном при преобразовании частоты осуществляется изменение частоты модулированных сигналов.
Принцип преобразования частоты заключается в перемножении информационного модулированного сигнала, в основном АМ сигнала (рисунок 24, а), с опорным гармоническим колебанием uг(t) высокой частоты ?г(рисунок 24, б).
Данное колебание вырабатывается специальным высокостабильным генератором — гетеродином (наличие в схеме радиопередающего устройства гетеродина означает, что в данном устройстве происходит преобразование частоты).
При перемножении этих сигналов в спектре появляются боковые полосы на частотах ?0+?г и ?0-?г при ?0>?г или ?г+?0 и ?г-?0 при ?0
Источник: http://conture.by/post/443
❶ Как составлять функциональные схемы
Инструкция
Рассмотрите порядок построения функциональной схемы автоматического регулирования уровня топлива в карбюраторе. Определите функциональные элементы системы управления, найдите аналогии в решаемой вами задаче.
Определите принцип работы устройства. В нашем примере увеличение расхода топлива его уровень в поплавковой камере понижается, что приводит к опусканию поплавка. Вместе с поплавком опускается игла, запорный клапан открывается, увеличивая приток топливной смеси. Результат: уровень топлива в поплавковой камере восстанавливается до нормы.
Установите, что является объектом регулирования (ОР), регулируемой величиной, возмущающим и управляющим воздействиями в рассматриваемой системе.
В данном случае объектом является поплавковая камера, в пространстве которой происходит процесс регулирования. Величина, подлежащая изменению – уровень топлива. Возмущающим воздействием служит изменение расхода топлива.
Управляющим воздействием – подача топлива в камеру, чтобы восстановить заданный уровень.
Найдите функциональный блок, служащий исполнительным устройством (ИУ). В рассматриваемом примере это запорный клапан. Чем ниже находится игла, тем большее количество смеси будет подано в поплавковую камеру.
Определите, что в системе играет роль датчика (Д) и задающего устройства (ЗУ). У нас датчиком служит поплавок, служащий для измерения уровня топлива и преобразующий этот уровень в перемещение иглы клапана. Задающим устройством будет длина стержня иглы.
Сведите все блоки в единую функциональную схему. Подпишите каждый блок и укажите связи между ними. В результате вы должны получить изображение, наглядно отражающее функциональные цепочки в системе автоматического регулирования. По аналогии с рассмотренным примером составьте подобную схему для рассматриваемой вами системы.
Схема – это чертеж или изображение, описывающее основную идею какого-либо устройства или сооружения. Может выполняться без соблюдения масштаба и условных обозначений. В конструкторской документации описывает составные части изделия, соединения между ними.
Структурная схема дает общее представление о принципе действия устройства. На ней изображена совокупность звеньев объекта, связь между ними. Каждое звено является частью объекта и отвечает за какую-то элементарную функцию. Звенья на схеме изображают в виде прямоугольников или условных графических обозначений, которые соединяются линиями взаимосвязи. Эти линии стоит обозначать стрелками для указания направления хода процессов между звеньями. Каждое звено изделия на схеме должно иметь наименование или обозначение. Наименование может быть в форме условного обозначения и описывать тип элемента. В структурной схеме допускается использование дополнительных графиков, диаграмм и таблиц, а также можно указывать параметры и характеристики. Структурная схема должна давать представление о взаимодействии звеньев изделия.Функциональная схема дает понять, что происходит в отдельных узлах устройства, объясняет принцип его работы. Функциональные части устройства и связи между ними обозначают с виде специальных графических условных обозначений. Отдельные функциональные части допускается изображать в виде прямоугольников. Если устройство или звено изображено в виде прямоугольника, то должен быть указан его тип и документ, на основании которого это устройство используется.
Каждому элементу функциональной схемы должно быть присвоено условное обозначение. Рекомендуется указывать технические характеристики каждой функциональной части устройства. Для каждой группы функциональных элементов должно быть указано обозначение, присвоенное ей на схеме, или ее наименование.
На функциональной схеме допускается изображение дополнительных графиков, диаграмм, таблиц, определяющих последовательность проходящих в устройстве процессов по времени, а также указание характеристик отдельных элементов и точек (напряжение, сила тока, импульсы и т.д.).
Таким образом, различие структурной и функциональной схем состоит в том, что структурная схема обрисовывает общую картину устройства и указывает на местоположение функциональных элементов и звеньев, а функциональная более точно описывает положение элементов в узлах, взаимодействие между элементами схемы.
Перед тем как приступить к электромонтажным работам, нужно обязательно рассчитать необходимое количество кабеля, автоматов, осветительных точек и прочих элементов системы электроснабжения. Все эти нюансы включает в себя профессионально составленная однолинейная схема.
Вам понадобится
- – персональный компьютер;
- – DVD-диск с ПО Visio.
Инструкция
Установите на персональном компьютере программу Visio. Затем запустите это приложение. В меню данной программы выберите опцию «Создать документ».
Чтобы удобнее было работать с программой, выполните дополнительные настройки: на панели инструментов во вкладке «Привязать и приклеить» среди предлагаемого многообразия функциональных возможностей оставьте включенными лишь опции «Привязка» и «Привязка к сетке».
Выполните настройку «Параметров страницы». Для этого в меню программы выберите «Файл», затем перейдите на вкладку «Параметры страницы» и в появившемся на экране монитора окне выберите закладку «Размер страницы», а после установите необходимый размер, к примеру, формат А3. Здесь же в параметрах настройки установите «Ориентацию страницы» – альбомный лист.
В настройках масштаба документа установите соотношение 1 к 1 (так вам легче будет рисовать однолинейную схему). Установите единицу измерения – миллиметры. Затем после внесения всех этих корректировок нажмите ОК.С помощью вкладки «Открыть» найдите установленную в программе библиотеку стандартных трафаретов GOST Elektro.
После этого откройте набор элементов «Основные надписи. ГОСТ 2.104-68». Перенесите на будущую схему рамку, основные надписи, а также графы.
Начните комплектацию схемы питающей сети: перенесите на схему «боковик» по форме 5, трафарет питающих шин, а также последовательно расположенные элементы отходящей линии.
При необходимости можно выделить соответствующие текстовые поля и внести свои изменения.
Обратите внимание
Убедитесь в правильности расположения элементов схемы: последовательность всех составляющих электросети должна соответствовать действующим ПУЭ.
Полезный совет
Помните: в схемах питающей сети отображение питания в большинстве случаев однотипно.
Источники:
- Чертежи и схемы для проекта освещения в Visio
Источник: https://www.kakprosto.ru/kak-92134-kak-sostavlyat-funkcionalnye-shemy
Схемы присоединения к сети понижающих подстанций | Электрические сети | Электрические сети
Понижающие ПС предназначены для распределения энергии по сети НН и создания пунктов соединения сети ВН (коммутационных пунктов). Определяющей для выбора места размещения ПС является схема сети, для питания которой она предназначена.
Оптимальная мощность и радиус действия ПС определяются плотностью нагрузок в районе ее размещения и схемой сети НН.
При большой плотности нагрузок, сложной и разветвленной сети НН следует рассматривать целесообразность разукрупнения подстанций ВН для повышения надежности питания и снижения стоимости сооружения сети НН.
Нормативными документами классификация ПС по их месту и способу присоединения к сети не установлена. Исходя из применяющихся типов конфигурации сети (см. п. 4.2) и возможных схем присоединения ПС их можно подразделить на следующие (7):
тупиковые — питаемые по одной (п. 4.7, а) или двум радиальным линиям; схема 4.7, а рассматривается как первый этап развития сети с последующим преобразованием в схему 4.7, б или 4.7, д;
ответвительные — присоединяемые к одной (7, в) или двум (7, г) проходящим ВЛ на ответвлениях; схема 4.7, в является первым этапом развития с последующим преобразованием в схему 4.7, г или д;
проходные — присоединяемые к сети путем захода одной линии с двусторонним питанием (7, д);
узловые — присоединяемые к сети не менее чем по трем питающим линиям (7, е, ж).
Ответвительные и проходные ПС объединяют термином промежуточные, который определяет размещение ПС между двумя ЦП сети (или узловыми ПС).
Проходные или узловые ПС, через шины которых осуществляются перетоки между отдельными точками сети, называют транзитными.
В технической литературе и некоторых нормативных документах иногда используется термин опорная ПС, под которым, как правило, подразумевают ПС более высокой ступени напряжения (например, ПС 220/110 кВ при рассмотрении сети 110 кВ). Однако этот же термин используется для определения эксплуатационной роли ПС. Поэтому для ПС, питающих сеть рассматриваемого напряжения, целесообразно использовать термин центр питания (ЦП).
В табл. 4.3 приведены данные статистического анализа частоты применения приведенных выше схем присоединения ПС в сетях 110–330 кВ.
Из приведенных данных видно, что большинство ПС присоединяется к сети по двум линиям.
Имеется тенденция к увеличению доли таких схем за счет уменьшения доли ПС, присоединяемых на первом этапе по одной линии.
Удельный вес узловых ПС увеличивается с ростом напряжения сети, одновременно снижается доля тупиковых и ответвительных ПС. Наиболее распространенным типом ПС 110–330 кВ является проходная.
Таблица 4.3
Анализ схем построения электрических сетей 110–330 кВ показывает, что к узловым ПС целесообразно присоединять до четырех ВЛ; большее число линий является, как правило, следствием неуправляемого развития сети, неудачного выбора конфигурации или запаздывания сооружения в рассматриваемой точке сети ЦП ВН.
Схемы присоединения ПС к сети, допустимое количество промежуточных ПС между двумя ЦП выбираются в зависимости от величины нагрузки и ответственности потребителей ПС, протяженности рассматриваемого участка сети, целесообразности его секционирования и необходимости сохранения транзита мощности.
Для некоторых групп потребителей (тяговые подстанции железной дороги, насосные и компрессорные станции магистральных трубопроводов, объекты нефтяных месторождений Западной Сибири, крупнейшие города) эти вопросы регламентированы ведомственными и нормативными документами.
Рекомендации по схемам присоединения ПС для характерных групп потребителей приведены далее (см. пп. 4.5–4.9).
Для выполнения проектов понижающих ПС в схемах развития энергосистем и электрических сетей предварительно должны быть определены: район размещения ПС, электрические нагрузки на расчетные периоды, напряжения РУ, количество и мощность трансформаторов, количество, направление и нагрузка линий по напряжениям, тип и мощность КУ, расчетные значения токов КЗ, рекомендации по главной схеме электрических соединений.
Основные требования к главным схемам электрических соединений:
схема должна обеспечивать надежное питание присоединенных потребителей в нормальном, ремонтном и послеаварийном режимах в соответствии с категориями нагрузки по надежности электроснабжения с учетом наличия или отсутствия независимых резервных источников питания;
схема должна обеспечивать надежность транзита мощности через ПС в нормальном, ремонтном и послеаварийном режимах в соответствии с его значением для рассматриваемого участка сети;
схема должна быть по возможности простой, наглядной, экономичной и обеспечивать возможность восстановления питания потребителей в послеаварийной ситуации средствами автоматики без вмешательства персонала;
схема должна допускать поэтапное развитие РУ с переходом от одного этапа к другому без значительных работ по реконструкции и перерывов в питании потребителей;
число одновременно срабатывающих выключателей в пределах одного РУ должно быть не более двух при повреждении линии и не более четырех при повреждении трансформатора.
Одним из важнейших принципов построения сети, обеспечивающих требования надежности и минимума приведенных затрат, является унификация конструктивных решений по ПС.
Наибольший эффект может быть достигнут при унификации ПС массового применения, являющихся элементами распределительной сети энергосистем.
Необходимым условием для этого является типизация главных схем электрических соединений, определяющих технические решения при проектировании и сооружении ПС. Типовые схемы утверждены ОАО «ФСК ЕЭС» 20.12.2007 г. (СТО 5694700729.240.30.010-2008).
Главная схема электрических соединений ПС выбирается с использованием типовых схем РУ 35-750 кВ, нашедших широкое применение при проектировании. Отступления от типовых схем допускаются при наличии технико-экономических обоснований и согласования с утверждающими инстанциями.
В последней редакции количество типовых схем значительно увеличено (с 14 до 20); вместе с тем из этого числа выделено 11 схем, рекомендуемых в первую очередь.
Следует однако отметить, что введение ряда новых схем представляется недостаточно мотивированным, так как не учитывает принципы построения сети.
На 8 приведены типовые схемы РУ 35-750 кВ, а в табл. 4.4 — перечень схем и области их применения. Типовые схемы РУ обозначаются двумя числами, указывающими напряжение сети и номер схемы (например, 110-5Н, 330-7 и т. п.). Номера схем не изменялись с первой редакции типовых схем; в дальнейшем некоторые схемы исключались из числа типовых.
В период строительства электрических сетей высокими темпами, на этапе «электрификации вширь» (1960–1985 гг.
), на ПС 110 кВ (частично — 35 и 220 кВ) с упрощенными схемами на ВН в качестве коммутационных аппаратов получили широкое распространение отделители и короткозамыкатели.
Простота конструкции и их относительная дешевизна по сравнению с выключателями позволила обеспечить массовое строительство ПС в короткие сроки. В то же время эти аппараты обладают определенными конструктивными
дефектами и эксплуатационными недостатками.
Принципиальным недостатком схем с отделителями и короткозамыкателями является то, что искусственно создаваемое КЗ для отключения поврежденного участка сети в бестоковую паузу с помощью отделителя резко увеличивает общую продолжительность наиболее тяжелых условий работы выключателей на смежных ПС. Поэтому в настоящее время использование отделителей и короткозамыкателей на вновь сооружаемых ПС прекращено, а при реконструкции действующих ПС они должны заменяться выключателями.
К номерам типовых схем, в которых отделители и короткозамыкатели заменены на выключатели, добавлен индекс «Н» (3Н, 4Н, 5Н, 5АН).
Для РУ ВН, характеризующихся меньшим числом присоединений, как правило, применяются более простые схемы: без выключателей или с числом выключателей один и менее на каждое присоединение. Для РУ СН применяются схемы с системами шин и с числом выключателей более одного (до 1,5) на присоединение.
Таблица 4.4
Продолжение табл. 4.4
Продолжение табл. 4.4
Окончание табл. 4.4
Блочные схемы 1, 3Н являются, как правило, первым этапом двухтрансформаторной ПС с конечной схемой «сдвоенный блок без перемычки».
Схема 1 применяется в условиях загрязненной атмосферы, где целесообразна установка минимума коммутационной аппаратуры, или для ПС 330 кВ, питаемых по двум коротким ВЛ. Сдвоенная схема 3Н применяется вместо схемы 4Н в условиях стесненной площадки.
Мостиковые схемы 5, 5Н и 5АН находят широкое применение в сетях 110–220 кВ.
На первом этапе в зависимости от схемы сети возможна схема укрупненного блока (два трансформатора и одна ВЛ) либо установка одного трансформатора; в последнем случае количество выключателей определяется необходимостью. Вновь введенная в новой редакции типовых схем схема 6 является, по существу, одним из вариантов первого этапа.
Схемы многоугольников. Схема 7 применяется на напряжении 220 кВ при невозможности использования схем 5Н или 5АН, а на напряжении 330–750 кВ — для всех ПС, присоединенных к сети по двум ВЛ. На напряжении 110 кВ практически не используется. На первом этапе при одном АТ устанавливается три выключателя.
Схема 8 (шестиугольник) включена в последнюю редакцию взамен схемы расширенного четырехугольника.
Вследствие свойственных схеме 8 недостатков (разрыв сети при совпадении ремонта любого выключателя с автоматическим отключением одного из присоединений) практического применения не имеет.
Для узловых ПС 110–220 кВ предпочтение отдается схемам с одной системой шин, а для ПС 330 кВ — схемам «трансформатор — шины» или полуторная.
Схемы с одной и двумя системами шин применяются для РУ ВН узловых ПС 35-220 кВ и РУ СН (НН) подстанций 330–750 кВ. Схема 9 используется, как правило, на стороне СН и НН ПС 110–330 кВ.
Схема 110-12 используется на стороне ВН узловых ПС в сети 110 кВ (как правило, 4 ВЛ), схемы 110-12 и 220*12 — на стороне СН ПС 220 (330) /110/ НН кВ и 500/110/НН кВ.
Ограничением для применения схемы 12 и замены ее схемой 13 является присоединение к каждой секции шин ПС более одной радиальной ВЛ. Однако, как следует из п. 4.2, сохранение радиальных ВЛ в течение длительного времени маловероятно.
При рассмотрении области применения схем 12–14 следует руководствоваться «Общими техническими требованиями к подстанциям 330–750 кВ нового поколения» (ОАО «ФСК ЕЭС», 2004 г.
), согласно которым для РУ 220 кВ, как правило, применяются одинарные секционированные системы шин, двойные и обходные системы шин применяются только при специальном обосновании, в частности, в недостаточно надежных и нерезервированных электрических сетях.
Поскольку основой рационального построения распределительной сети 110–220 кВ является использование замкнутых либо двойных радиальных конфигураций (см. п. 4.2), основной рекомендуемой схемой для РУ СН 110–220 кВ становится одинарная секционированная система шин (схема 9).
В этих условиях включение в число рекомендуемых новых схем с одной системой шин — с присоединением трансформаторов через развилку из двух выключателей или «ответственных» ВЛ через полуторную цепочку (схемы 9Н, 9АН и 12Н) — представляется немотивированным, а условия их применения — неопределенными:
учитывая требования выбора мощности трансформаторов с обеспечением питания полной нагрузки при их отключении (см. п. 5.3.12), невозможно выявить «повышенные требования», при которых целесообразно дублировать выключатели СН в цепи трансформаторов;
в замкнутой распределительной сети с изменяющимися во времени режимами и ролью отдельных участков не представляется возможным выделить более или менее ответственные линии.
Схемы трансформаторы — шины и с полутора выключателями на присоединение 15–17 применяются для РУ ВН подстанций 330–750 кВ и РУ СН ПС 750/330, 500/220 и 1150/500 кВ.
Схемы 16–17 для напряжений 220–500 кВ применяются, как правило, на стороне СН.
При четырех АТ (схемы 15, 16) или числе линий больше шести (схемы 16, 17), а также по условиям устойчивости системы проверяется необходимость секционирования шин.
Схемы РУ 10 (6) кВ приведены на 9.
Схема с одной секционированной выключателем системой шин (9, 1) применяется при двух трансформаторах с нерасщепленными обмотками НН, схема с двумя секционированными системами шин (9, 2) — при двух трансформаторах с расщепленной обмоткой НН или сдвоенных реакторах, схема с тремя или четырьмя одиночными секционированными системами шин (9, 3) — при двух трансформаторах с расщепленной обмоткой НН и сдвоенных реакторах. При соответствующем обосновании допускается установка второго секционного выключателя.
Синхронный компенсатор присоединяется непосредственно к обмотке НН АТ по блочной схеме (9, 4) с пуском через реактор.
Батареи статических конденсаторов при их присоединении на НН подключаются обычно к секциям РУ НН.
Для РУ 20 кВ — напряжения, получившего ограниченное распространение (см. п. 4.1) — рекомендуется в основном схема с одной секционированной системой шин (схема 9), для отдельных присоединений с тупиковыми однотрансформаторными ПС — блочная схема (3Н).
Для ПС с ВН 35-220 кВ освоено заводское изготовление блочных комплектных ТП (КТП) — КТПБ (см. п. 5.8). На 10 приведены схемы выпускаемых заводом КТПБ 110 кВ, выполненных по упрощенным схемам с выключателями на ВН.
Схемы КТПБ 220 кВ с упрощенными схемами на стороне ВН приведены на 11. Целесообразное количество ВЛ 110 кВ, отходящих от подстанций с ВН 220 кВ, приведено ниже:
Источник: http://energy-ua.com/elektricheskie-s/shemi-prisoedine.html
Загрузка...