8.3 Виконувальні елементи систем автоматичного керування.

Релейний підсилювач

Будова та робота у релейному і вібраційному режимах

Реле – це пристрій, у якого вихідна величина змінюється стрибкоподібно при плавній зміні вхідної величини. Практично за допомогою реле здійснюється розмикання або замикання електричного кола.

В залежності від фізичної природи керуючого сигналу реле поділяються на:

• електричні;

• механічні;

• теплові;

• пневматичні тощо.

Електричні реле реагують на зміну певної електричної величини (напруга, струм, потужність), механічні – на зміну сили, швидкості, переміщення, теплові – на зміну температури тощо.

В САК найбільш застосовуються електричні реле, які в свою чергу поділяються:

• по принципу дії – на електромагнітні (нейтральні і поляризовані), магнітоелектричні, електронні, напівпровідникові тощо;

• по потужності керуючого сигналу – на малопотужні (Рвх ≤ 1Вт), середньої потужності (Рвх=1÷10Вт) та потужні реле (Рвх>10Вт);

• по часу спрацювання – на безінерційні (tспр<0,001сек); швидкодійсні (tcnp=0,005÷0,5сек), нормальні (tcnp=0,05÷0,15сек), та реле часу (tcnp ≥ 1 сек).

В САК артилерійських комплексів найбільш застосовуються електромагнітні і поляризовані реле.

Електромагнітне реле – це електричний прилад, в якому зміна вхідної електричної величини викликає переміщення якоря, внаслідок чого відбувається замикання або розмикання контактів в електричному колі.

Нейтральне електромагнітне реле (постійного або змінного струму) реагує тільки на величину сигналу керування, а поляризоване (тільки постійного струму) – і на величину, і на знак (полярність) вхідного сигналу.

В системах автоматики широко використовуються електромагнітні реле. Ці реле призначені для комутації малопотужних силових кіл і кіл керування.

Поляризоване реле

Одним з різновидів електромагнітного реле є поляризоване реле. Реле цього типу реагують не тільки на величину, але й на знак сигналу керування.

Конструктивно відрізняється від нейтрального реле наявністю крім електромагніту – постійного магніту, який поляризує магнітну систему реле і робить його чутливим до полярності сигнал керування.

Якір реле розміщується між двома полюсами С-подібного магнітопроводу. Біля основи якоря знаходиться постійний магніт М. Мри відсутності керуючого сигналу (Uкep.=0) магнітний потік постійного магніту Фо через якір розгалужується і замикається у магнітопроводі, поділяючись на дві складові Фо1 і Фо2, спрямовані у протилежні боки. Під впливом цих складових постійного магнітного потоку Фо якір знаходиться у нейтральній позиції. Якщо подати керуючу напругу на обмотку електромагніта, то в сердечнику створюється магнітний потік Фкер, напрямок якого залежить від полярності Uкep.

Релейний підсилювач

Реле може розглядатись як підсилювач, оскільки дозволяє керувати роботою електричного кола, потужність якого значно перевищує потужність керування реле.

В якості релейного підсилювача можуть застосовуватися як нейтральні реле, так і поляризаційні.

Релейний підсилювач має великий коефіцієнт підсилення по потужності, величина якого для поляризованого реле досягає 10000.

Підсилювач, виконаний на нейтральному реле, є однотактним. У випадку необхідності зміни полярності напруги на навантаженні застосовуються двотактні релейні підсилювачі.

Демодулятори

Модулятор являє собою електронний, напівпровідниковий або електромагнітний пристрій, який перетворює повільно мінливі сигнали постійного струму в сигнали змінного струму. Амплітуда вихідного сигналу пропорційна величині вхідного, а фаза міняється на 180° при зміні полярності вхідного сигналу.

Демодулятори, що застосовуються в САК, виконують функції, протилежні функціям модуляторів – перетворюють сигнали змінного струму в постійний. Величина вихідного сигналу пропорційна амплітуді і фазі вхідного сигналу, а полярність залежить від фази вхідного сигналу.

До демодуляторів відносяться фазочутливі випрямлячі (ФЧВ) і фазочутливі підсилювачі (ФЧП). ФЧП, крім модуляції, підсилюють вхідний сигнал. ФЧП застосовується в електронному блоці прицілу ПГ-4.

Застосування демодуляторів в САК зумовлене наступними причинами:

1. Сигнал відхилення на виході елемента порівняння може бути змінного струму, а підсилювачі потужності і виконувальні двигуни працюють на постійному струмі.

2. Застосування демодуляторів в структурах САК змінного струму, в яких підсилювальні і виконувальні елементи працюють на змінному струмі, може бути викликане необхідністю використання корегуючих пристроїв постійного струму більш простих і надійних. В цих випадках стає необхідним подальше зворотне перетворення сигналів постійного струму в сигнали змінного струму, що його виконують модулятори.

В САК постійного струму, в яких і елементи порівняння, і виконувальні елементи працюють з постійними сигналами, демодулятори в поєднанні з підсилювачами змінного струму і модуляторами дозволяють забезпечити стійке підсилення, позбавлене основного недоліку підсилення на постійному струмі – дрейфу нуля, який суттєво знижує точність САК.

Це також можна наочно побачити із блок-схеми підсилювача сигналів постійного струму з модуляцією несучих (опорних) коливань.

Підсилюєма напруга Uвх постійного струму надходить в модулятор (М). На іншій вхід модулятора надходить опорна напруга Uоп змінного струму від джерела несучих коливань. Змінна напруга U1 на виході модулятора змінюється пропорційно вхідному сигналу Uвх постійного струму.

Підсилювач змінного струму (П) підсилює напругу U1 до необхідної величини U2. За допомогою демодулятора (ДМ) ця напруга перетворюється у пропорційну напругу постійного струму Uвих. Таким чином, підсилення сигналів постійного струму заміняється підсиленням сигналів змінного струму.

Розглянуте схематичне рішення підсилення сигналів постійного струму має ряд переваг: - у підсилювачів постійного струму є суттєвий недолік, який суттєво знижує стійкість САК - „дрейф нуля", тобто неконтролюєма зміна вихідного сигналу при відсутності напруги на вході; - при підсиленні сигналів змінного струму легше отримати більші коефіцієнти підсилення.

Фазочутливий підсилювач

З точки зору динамічних властивосетй, ФЧП - це неінерційний пристрій, що описується пропорційною (підсилювальною) ланкою.

Порівняльна оцінка різних типів підсилювально-перетворювальних елементів

При виборі типа підсилювача для САК необхідно враховувати цілий ряд, часом суперечливих вимог. До головних з них відносяться:

• потрібні коефіцієнти підсилення по напрузі, струму і потужності;

• величина вихідної потужності; коефіцієнт корисної потужності:

• динамічні якості; діапазон зміни підсилюємого сигналу;

• лінійність статичної характеристики;

• можливість роботи при перевантаженнях, вібраціях;

• значних змінах температури середовища і в умовах підвищеної вологості;

• вартість і можливість організації масового виробництва;

• зручність настройки і обслуговування при експлуатації;

• надійність, загальний ресурс безвідказної роботи по часу і кількість включень.

В якості підсилювачів струму і напруги при незначній потужності (1...І0Вт) частіше застосовуються напівпроводникові підсилювачі. Вони мають такі переваги:

• дуже великий вхідний опір (до 108... 1012 Ом) і тому легко узгоджуються з виходом чутливих елементів;

• низький рівень шумів на вході;

• простота в експлуатації і настройці, відносна дешевизна;

• мала вага, великий строк служби (до 100 тис. год.);

• витримують прискорення до 1000g: приводяться в дію практично миттєво;

• ККД досягає 75%.

Релейні підсилювачі мають такі переваги:

• сама мала вага на одиницю вихідної потужності;

• малий вихідний опір;

• високий ККД;

• простота будови і відносна економічність.

Проте по решті характеристик, особливо по надійності, значно поступаються іншим типам підсилювачів. Найбільш частіше вібраційні релейні підсилювачі застосовуються для керування електроприводами відносно обмеженої потужності (до сотень Ватт).

Гідравлічні і пневматичні підсилювачі застосовуються для підсилення потужних сигналів, особливо коли необхідна значна вихідна потужність (від сотень Ватт до тисяч кіловат) і великі зусилля на виході. Часто вони застосовуються в полуавтоматичних системах для зменшення зусиль, що вимагається від людини для керування різними об’єктами.

Електромашинні підсилювачі застосовуються для підсилення потужних сигналів, коли потрібна вихідна потужність від сотень до тисяч кіловат, тобто в тих же випадках, що і гідравлічні підсилювачі

Контрольні запитання перевірки засвоєння навчального матеріалу

1. За функціональними ознаками засоби систем автоматики поділяють на групи?

2. Визначення датчика та йго структурні елементи

3. Види електричних та нелектричних датчиків

4. В чому відмінності електричних та нелектричних датчиків?

5. Назвіть види електричних і неелектричних датчиків, в чому їх переваги і недоліки?