3. Усилительно-преобразовательные элементы

3.1. Общие положения

Усилительно-преобразовательные элементы (УПЭ) предназначены для усиления по уровню/мощности выходных сигналов датчиков, управляющих и исполнительных элементов, а также для различных преобразований сигналов, в частности, ограничения их по уровню, нормирования, суммирования, фильтрации, аналого-дискретного преобразования и др.

Важнейшими элементами в группе УПЭ являются усилители. В системах автоматики применяются разнообразные усилители сигналов, классифицируемые следующим образом:

1. По виду выходного сигнала:

• Аналоговые с линейной статической характеристикой;

• Дискретные с релейной характеристикой.

2. По роду используемой энергии:

• Электрические (электронные, магнитные, электромагнитные);

• Пневматические;

• Гидравлические.

3. По уровню выходной мощности:

• Малые (единицы Вт);

• Средние (десятки Вт);

• Мощные (десятки кВт).

Статические свойства усилителей характеризует коэффициент усиления:

а) по уровню , где и – приращения входного и выходного сигналов усилителя;

б) по мощности , где и – приращения мощностей входного и выходного сигналов.

Динамические свойства усилителей описываются переходными/передаточными функциями. Мерой их инерционности является постоянная времени.

Как правило, к усилителям предъявляются требования малой инерционности и больших значений коэффициента усиления.

3.2. Магнитные усилители

Магнитные усилители (МУ) нашли широкое применение в системах автоматики электроприводов благодаря таким достоинствам, как высокий коэффициент усиления по мощности (10³ – 10⁵), потенциальное разделение входных и выходных сигналов, большой срок службы, простота устройства и высокая надежность работы. МУ используются в качестве усилителей сигналов датчиков, усилителей мощности в выходных каскадах систем управления, сумматоров сигналов с потенциальным их разделением, бесконтактных реле, логических элементов. Ниже рассматриваются различные схемные варианты исполнения магнитных усилителей.

3.2.1. Однотактные магнитные усилители

Простейший МУ представляет собой два дросселя с подмагничиванием и замкнутыми ферромагнитными сердечниками, рабочие обмотки которых соединены последовательно и встречно, а обмотки подмагничивания расположены так, что охватывают оба сердечника этих дросселей (рис. 3.1, а).

Нагрузка включается последовательно с рабочими обмотками в цепь источника переменного тока. Входным сигналом МУ является сигнал от источника постоянного тока, подаваемый на обмотку управления, а выходным сигналом – ток нагрузки. Потоки и , создаваемые током в обмотках и действуют встречно на обмотку , благодаря чему компенсируется влияние переменного магнитного поля на обмотку управления.

Рис. 3.1. Схема (а) и статическая характеристика (б) простейшего однотактного магнитного усилителя: и – рабочие обмотки дросселя; – сопротивление нагрузки, – обмотка подмагничивания (управления); – ток и напряжение входного сигнала (сигнала управления); – ток нагрузки

Принцип действия МУ основан на использовании зависимости индуктивности рабочих обмоток от подмагничивания ферромагнитных сердечников постоянным током: при подмагничивании магнитная проницаемость сердечников и индуктивность рабочих обмоток уменьшается, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления обмоток и, следовательно, к увеличению тока в нагрузке согласно выражению:

.

Зависимости тока нагрузки от тока управления для однотактного (нереверсивного) МУ представлена на рис. 3.1, б. Нелинейность статической характеристики объясняется нелинейным характером намагничивания сердечников, вследствие чего индуктивные сопротивления дросселей представляются нелинейными зависимостями от тока подмагничивания (от уровня насыщения сердечников). При токе в нагрузке протекает ток холостого хода , величина которого определяется максимальным значением индуктивности рабочих обмоток и напряжением питания, так как . При некотором значении тока , происходит насыщение обоих сердечников МУ и, благодаря этому, ограничение тока нагрузки на уровне . Изменение знака тока не влияет на ток . Уравнение МДС для линейных участков характеристики МУ имеет вид:

,

отсюда , а коэффициент усиления по току .

В динамике МУ может быть представлен апериодическим звеном с передаточной функцией:

,

где – коэффициент преобразования усилителя по каналу «напряжение сигнала управления – ток нагрузки»; – постоянная времени усилителя (инерционность усилителя обусловлена наличием индуктивности в обмотке управления); –частота напряжения питания усилителя.

Для снижения величины применяют источники питания МУ с повышенной частотой – 400, 1000 Гц.

К недостаткам рассмотренной схемы простейшего однотактного МУ следует отнести небольшой коэффициент усиления в зоне малых значений сигнала управления, сравнительно высокую инерционность и отсутствие реакции на изменение полярности выходного сигнала. Для исключения указанных недостатков усложняют схему МУ введением смещения и обратных связей с помощью дополнительных обмоток подмагничивания. Схема однотактного МУ с внешней положительной обратной связью и смещением представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Принципиальная электрическая схема однотактного магнитного усилителя с положительной обратной связью и смещением: – обмотки обратной связи и смещения; – потенциометры для управления сигналами обратной связи и смещения; – выпрямитель в цепи обратной связи

Положительная обратная связь (ПОС) по току нагрузки, состоящая из выпрямителя, потенциометра и обмотки подмагничивания , позволяет увеличить коэффициент усиления. Ток обратной связи

,

где – коэффициент обратной связи. Уравнение МДС при наличии ПОС имеет вид:

.

Отсюда с учетом значения тока обратной связи, ток нагрузки будет равен

.

При выборе последнее выражение может быть представлено в виде:

,

где – коэффициент усиления МУ с ПОС.

Анализ показывает, что введение ПОС в магнитный усилитель позволяет увеличить его коэффициент усиления изменением коэффициента обратной связи: в идеальном случае при выборе получим .

Для смещения статической характеристики МУ вдоль оси абсцисс используют специальную обмотку подмагничивания, получившую название обмотки смещения . Эта обмотка получает питание от источника постоянного тока . Потенциометр позволяет изменять знак и величину тока в обмотке смещения и тем самым создаваемую ею МДС . При положительной МДС этой обмотки (относительно МДС обмотки ) характеристика усилителя смещается влево, при отрицательной – вправо, вдоль оси абсцисс (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Статические характеристики однотактного магнитного усилителя с ПОС и смещением

На крутых участках статических характеристик, показанных на рис. 3.3, действует положительная обратная связь, а на пологих – отрицательная обратная связь по току нагрузки, вследствие изменения знака .

Магнитные усилители с самоподмагничиванием (с внутренней обратной связью по току нагрузки) не требуют специальной обмотки : эффект, аналогичный введению внешней ПОС, достигается включением диодов VD1,VD2 последовательно с рабочими обмотками (рис. 3.4). Теперь по ним протекает однополупериодный выпрямленный ток, постоянная составляющая которого создает МДС, пропорционально току нагрузки.

Рис. 3.4. Принципиальная электрическая схема однотактного МУ с самоподмагничиванием и с выходом на постоянном токе в нагрузке

Использование в МУ с самоподмагничиванием внешней ПОС и смещения позволяет осуществить релейный режим работы усилителя и использовать его в качестве бесконтактного реле, либо преобразователя непрерывного сигнала в дискретный. Возможные релейные характеристики МУ представлены на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Релейные характеристики однотактного магнитного усилителя: 1 – аналог контактного реле с замыкающим контактом; 2 – аналог контактного реле с памятью; 3 – аналог реле с размыкающим контактом

В схемах промышленной автоматики применяют однотактные МУ серий УМ и ТУМ. Последние имеют тороидальные ленточные сердечники, два комплекта рабочих обмоток и семь обмоток подмагничивания. Их основные параметры: выходная мощность 2–45 Вт, коэффициент усиления по мощности от 740 до 2400, постоянная времени = 0,2–0,4 с.

Усилители серии УМ выполняют в однофазном УМ1П и трехфазном УМ3П исполнении с мощностью до 21 кВт.