8.2 Підсилювально – перетворювальні елементи систем автоматичного керування.

Неелектронні підсилювально-перетворювальні елементи САК

Підсилювально-перетворювальні елементи (ППЕ) призначені для підсилення сигналів керування, які виробляються вимірювальними елементами (елементами порівняння), тому що звичайно величина цих сигналів недостатня для приведення в дію виконувального елемента САК і перетворення однієї фізичної величини в іншу для подальшого застосування.

Необхідно враховувати, що більш правильно було б називати підсилювачі керівниками потужності, тому що в них вхідний сигнал не підсилюється, а здійснюється тільки керуванням потужності, що потрапляє від зовнішнього джерела живлення.

В залежності від фізичної природи підсилюємих сигналів підсилювачі поділяються на:

• електричні;

• механічні;

• гідравлічні;

• пневматичні тощо.

В автоматичних пристроях найбільш поширено застосовуються електричні підсилювачі, які в залежності від принципу дії поділяються на:

• електронні;

• напівпровідникові;

• магнітні;

• електромашинні;

• релейні.

Підсилювальна властивість підсилювача, тобто його здатність керувати значно більшою потужністю, ніж потужність сигналу керування, оцінюється коефіцієнтом підсилення по потужності, який дорівнює відношенню вихідної потужності до вхідної:

Електричні підсилювачі, крім того, характеризуються коефіцієнтами підсилення по напрузі і струму.

Коефіцієнтом підсилення по напрузі називається відношення напруги на виході підсилювача до вхідної напруги: а коефіцієнтом підсилення по струму – відношення вихідного струму до вхідного.

Швидкодійність підсилювача оцінюється постійною часу Т, яка характеризує, наскільки зміни вихідної величини відстають по часу від змін вхідної величини. Постійні часу підсилювачів обчислюються розрахунковим шляхом чи визначаються експериментально і виражаються в секундах.

Чим швидше перетворюються підсилювачем сигнали керування, тим досконаліше підсилювач.

ППЕ мають відповідати наступним вимогам:

достатній коефіцієнт підсилення за потужністю kр для забезпечення необхідної точності і швидкодії САК;

лінійність статичної характеристики при одночасній її двотактності (реверсивності). Втім, ця властивість не має бути притаманною релейним підсилювачам

високі динамічні властивості (безінерційність, що виражена малою порівняно з виконувальними елементами САК сталою часу).

Електромашинний підсилювач потужності (ЕМП)

Будова, принцип дії та динамічні характеристики

Електромашинний підсилювач потужності (ЕМП) – це генератор постійного струму спеціальної конструкції з поздовжньо-поперечною реакцією якоря.

Конструктивна відмінність ЕМП від звичайних генераторів постійного струму полягає в наявності додаткового комплекту щіток Я3-Я4, що установлені на колекторі вздовж поперечної осі машини q-q. Ці щітки Я3-Я4 замкнені між собою накоротко.

Поле збудження ЕМП створюється обмоткою управління Wy, на яку подається напруга вхідного сигналу Uy (постійна або повільно-змінна). Ця обмотка Wy розміщена на статорі вздовж поздовжньої осі машини d-d. На цій же осі статор має компенсаційну обмотку Wк, що включена послідовно з якірною (роторною) обмоткою (через щітки Я1-Я2 поздовжнього кола машини). Паралельно до обмотки Wк вмикається регулювальний резистор Rк для зміни ступеня компенсації підсилювача. Навантаження ЕМП (якірна обмотка двигуна постійного струму) вмикається у поздовжнє коло.

ЕМП виконаний в одному корпусі і на одному валу з ПД.

Принцип дії ЕМП полягає у наступному

До обмотки управління Wy прикладається напруга Uy постійного струму. Ця напруга викликає протікання у обмотці невеликого струму Іу (кілька міліампер), який створює невеликий постійний потік управління Фу. Цей потік спрямований вздовж поздовжньої осі ЕМП (d-d). Якір (ротор) ЕМП обертається від привідного двигуна постійного струму, який створює обертовий момент Мприв. При обертанні з номінальною швидкістю, потік Фу наводить у обмотці якоря, що обертається, невелику ЕРС Еq, під дією якої між короткозамкненими щітками Я3-Я4 на поперечній осі q-q і в самій обмотці потече значний (кілька ампер) струм Іq. Цей струм створює магнітний потік Фq, орієнтований вздовж поперечної осі ЕМП. Потік Фq - потік поперечної реакції якоря – нерухомий у просторі. Тому він створює у якорі ЕМП, що обертається, ЕРС Ed, яка в багато разів більша, ніж ЕРС Eq, оскільки Фq>>Фу. Ця ЕРС діє на поздовжніх щітках Я1-Я2 і викликає протікання у колі навантаження великого струму Id = Iн (десятки ампер). Струм навантаження створює великий магнітний потік поздовжньої реакції якоря, також нерухомий у просторі і спрямований назустріч потоку Фу. Тим самим Фd негативно впливає на підсилювальні властивості ЕМП, оскільки частково або повністю розмагнічує машину, тобто компенсує потік управління Фу. Для усунення цього явища у поздовжнє коло ЕМП вмикається компенсаційна обмотка Фк, струм через яку можна регулювати резистором Rк. Потік Фк, створений цією обмоткою, спрямований назустріч потоку Фd і компенсує його.

Таким чином, ефект підсилення ЕМП полягає у тому, що за рахунок механічної енергії привідного двигуна, змінюючи невеликий струм Іу у обмотці управління, можна керувати великим струмом Іd =Ін у колі навантаження. Коефіцієнт підсилення ЕМП за потужністю досягає десятків тисяч одиниць.

Причиною інерційності першого ступеня є індуктивність Ly обмотки управління Wy.

З розглянутих динамічних властивостей окремих ступенів ЕМП випливає, що аперіодичний характер перехідних процесів окремих ступенів зумовлює аперіодичний перехідний процес машини в цілому.

До переваг ЕМП можна віднести:

• велике значення коефіцієнта підсилення за потужністю;

• малу інерційність, тобто швидкодію (швидкодія визначається великою швидкістю збудження і розбудження ЕМП).

Поважним недоліком ЕМП є важкі умови комутації внаслідок великої швидкості обертання якоря. Це викликає необхідність поліпшувати спеціальними заходами комутацію вже при невеликій потужності машини.