книги из ГПНТБ / Овчаренко, В. М. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы учебник

Переменному току конденсатор оказывает емкостное сопротивле­ ние хс = 1/2л/С, которое с повышением частоты уменьшается. Поэтому постоянный ток не ответвляется через конденсаторы в па­ раллельные ветви фильтра, а переменные составляющие импульс­ ного тока сравнительно легко проходят через конденсаторы, благо­ даря чему не попадают на нагрузку. Для лучшей фильтрации обычно применяют электролитические конденсаторы большой емкости (10— 40 мкФ), оказывающие гармоникам импульсного тока сравнительно

малое сопротивление.

LC-фильтрьт в значительной степени снижают пульсацию выпрям­ ленного тока, но обладают двумя недостатками — большим весом дросселя и наличием вокруг дросселя переменных магнитных полей, создающих помехи высокочувствительным элементам электронной аппаратуры. Эти недостатки устранены в /?С-фильтрах (рис. 24, в),

Рис. 24. Схемы сглаживающих фильтров:

а — Г-образный LC-фильтр; б — П-образный LC- фильтр; в — Г-образный ЙС-фильтр

в последовательные ветви которых вместо дросселей включают резисторы. Резистор оказывает практически одинаковое сопротивление как постоянной, так и переменной составляющим импульсного тока, что приводит, во-первых, к уменьшению коэффициента сглаживания, а во-вторых, к потерям постоянного напряжения. Поэтому, несмотря на малые габариты и вес и отсутствие мешающего влияния RC- фильтры целесообразно применять только при малых значениях вы­ прямленного тока (до 10—15 мА) и коэффициента сглаживания.

Стабилизаторы напряжения

Стабилизаторы предназначены для обеспечения постоянства пи­ тающих напряжений. Стабилизация напряжения переменного тока осуществляется обычно с помощью феррорезонансных стабилиза­ торов, а постоянного тока с помощью электронных стабилизаторов. Основным показателем качества стабилизатора является коэффи­ циент стабилизации, определяющий, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора меньше относитель­ ного изменения напряжения на его входе.

Феррорезонансные стабилизаторы напряжения могут быть осно­ ваны на явлении феррорезонанса токов или феррорезонанса напря­ жений, Первые из них применяются чаще, так как обладают более высоким к. п. д. и меньшей зависимостью от характера нагрузки.

50

В схеме стабилизатора, приведенной на рис. 25, а, общая точка обмоток силового автотрансформатора 1 соединена с параллельным феррорезонансным контуром 2, образованным дросселем L и конденсатором С. Под действием на­ пряжения сети Uс через первичную обмотку трансформатора и контур протекает ток / х, индуктирующий во вторичной обмотке трансформатора напряжение U2, пропорциональное 1г. Зависимость напряжения на контуре U\ от тока J1 имеет нелинейный характер, но начиная с некоторого значения тока 11 насту­ пает магнитное насыщение сердечника дросселя, его индуктивность L, индук­ тивное сопротивление xL = 2лfL и полное сопротивление контура Ък остаются

неизменными и в этих условиях напряжение Щ = I\ZK становится пропорцио­ нальным току 1у.

Рис. 25. Феррорезонансный стабилизатор напряжения:

а — схема; б — кривые зависимости напряжения от тока. 1 — сило­ вой автотрансформатор; 2 — параллельный ферро-резонансный контур

Элементы стабилизатора подбирают так, чтобы зависимость напряжений U'

и напряжения Щ и {7J. Но так как изменение этих напряжений одинаково, то результирующее напряжение на выходе стабилизатора U2 = U2 — U'%остается неизменным (кривая U2, рис. 25, б).

В электронных стабилизаторах используются электронные, газо­ разрядные или полупроводниковые приборы.

На рис. 26 приведена схема простейшего параметрического элек­ тронного стабилизатора. В состав схемы входят кремниевый ста­ билитрон Д, балластный резистор R 6 и сопротивление нагрузки Rn. Кремниевые стабилитроны отличаются от обычных полупроводни­ ковых диодов малой шириной п—р перехода. Нормальным режимом для этих приборов является работа при обратном напряжении, соот­ ветствующем начальной стадии пробоя. На этом участке вольтамперной характеристики диода при значительном изменении тока, про­ ходящего через прибор, падение напряжения на последнем почти не изменяется.

сила тока, проходящего через балластный резистор R 6 и стабили­ трон Д. При этом падение напряжения на стабилитроне остается постоянным, а падение напряжения на балластном сопротивлении U6 = IR 6 изменяется пропорционально току.

Если входное напряжение увеличится, например, на 2В, то напряжение на балластном сопротивлении также увеличится на 2В, а так как напряжение на стабилитроне остается все время постоян­ ным, то выходное напряжение не изменится.

Поскольку электрический пробой наступает при сравнительно низком напряжении (порядка нескольких вольт), мощность, выде­ ляющаяся на п—р переходе, даже при значительных обратных

к выходу прибора из строя.

Недостатками схемы, показанной на рис. 26, является сравни­ тельно низкий коэффициент стабилизации и большое выходное сопротивление стабилизатора (за счет резистора R6). Поэтому в тех случаях, когда к стабилизированному напряжению предъявляются высокие требования, применяют более сложные схемы, основанные на компенсационном методе.

Компенсационный стабилизатор напряжения состоит из трех элементов: чувствительного, усилительного и исполнительного. Чув­ ствительный элемент воспринимает возможные изменения входного напряжения и подает на усилительный элемент управляющее на­ пряжение, которое после усиления воздействует на исполнительный элемент. Этот последний компенсирует происшедшее изменение входного напряжения.

Схема компенсационного стабилизатора напряжения на полупроводнико­ вых приборах представлена на рис. 27. В этой схеме транзистор Т2 является одновременно чувствительным и усилительным элементом, а транзистор 1\ — исполнительным элементом. Кремниевый стабилитрон Д используется в качестве источника опорного напряжения.

52

Пусть по какой-либо причине возрастет напряжение на входе стабилиза­ тора Йвх- В первый момент это приведет к увеличению и выходного напряже­ ния Е/вых, а следовательно, и к увеличению тока, проходящего через резистор R3 и стабилитрон Д . Однако напряжение на стабилитроне Uon останется при этом неизменным. Увеличение выходного напряжения приведет также к увеличению падения напряжения на нижней части потенциометра П2, которое через опор­ ный диод приложено к участку эмиттер—база транзистора Т2. Так как напря­ жение на диоде t/oD остается постоянным, то увеличение Ur 2 вызовет возраста­ ние напряжения, приложенного к участку база—эмиттер, а следовательно, эмиттерного и коллекторного токов транзистора 1\. Коллекторный ток этого транзистора, протекая через резистор R x, создает на нем падение напряжения, приложенное к базе транзистора Тх плюсом. При этом уменьшится эмиттерный ток, протекающий от плюса через потенциометр R2 и транзистор Тх к минусу, что приведет к уменьшению падения напряжения на Д 2- В результате на выход­ ных зажимах стабилизатора восстановится номинальное напряжение.

Полупроводниковые стабилизаторы обладают высоким коэффи­ циентом стабилизации (до 1000) и низким выходным сопротивлением (десятые доли ома); они применяются для стабилизации сравни­ тельно низких напряжений, порядка 10—30 В. Для стабилизации более высоких напряжений используются работающие по такому же принципу стабилизаторы на газоразрядных приборах.

Преобразователи напряжения

Преобразователи напряжения применяются при питании аппара­ туры от источника постоянного тока в тех случаях, когда для отдель­ ных элементов аппаратуры требуются питающие напряжения более высокие, чем напряжение источника питания. В измерительной аппаратуре применяют преобразователи напряжения на транзи­ сторах.

Основными элементами транзисторного преобразователя напряже­ ния являются электронный генератор и трансформатор. Электронный генератор, питающийся от источника постоянного тока, вырабаты­ вает переменный ток частотой 1—2 кГц. Выработанное генератором напряжение переменного тока подается на первичную обмотку сило­ вого трансформатора. Трансформатор может иметь одну или не­ сколько понижающих или повышающих вторичных обмоток, с кото­ рых снимаются требуемые питающие напряжения переменного тока. Если необходимо получить питающие напряжения постоянного тока, то соответствующие вторичные обмотки трансформатора под­ ключаются к выпрямителям. Преобразователи мощностью более 20—30 Вт имеют в своем составе также электронные усилители, усиливающие мощность колебаний, вырабатываемых генератором.

§5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИКРОМАШИНЫ

Вустройствах автоматического управления и в измерительной аппаратуре применяются электрические машины мощностью от до­ лей ватта до десятков ватт, называемые микромашинами. По назна­ чению они делятся на исполнительные двигатели, тахогенераторы, поворотные трансформаторы и машины синхронной связи.

53

Исполнительные двигатели постоянного тока

В исполнительных двигателях постоянного тока с независимым возбуждением к обмотке возбуждения подается неизменяющееся напряжение UB, а к обмотке якоря — напряжение управления Uy. Обычно напряжение управления подается с выхода усилителя (рис. 28, а) или через контакты реле (рис. 28, б). Изменение по­ лярности и величины этого напряжения управляют вращением

Рис. 28. Схемы включения исполнительных двигателей постоянного тока:

о —двигатель с независимым возбуждением, подключенный к выходу электронного уси­ лителя; б — двигатель с независимым возбуждением, управляемый с помощью реле; в — двигатель с последовательным возбуждением, управляемый с помощью реле

где К — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструк­ ции машины; Ф — магнитный поток, создаваемый током возбужде­

где К — коэффициент пропорциональности; Uy — напряжение, при­

Зависимость скорости вращения якоря от приложенного к якорю напряжения при постоянных значениях напряжения возбуждения и момента на валу якоря, называемая регулировочной характери­ стикой, выражается для этого двигателя прямой линией. Это значит, что скорость вращения пропорциональна напряжению сигнала.

54

При изменении полярности напряжения сигнала изменяется напра­ вление тока в якоре, что при неизменном направлении магнитного' потока приводит к реверсированию, т. е. к изменению направления вращения якоря. При плавном изменении величины и полярности напряжения управления реверсирование двигателя осуществляется также плавно. Двигатель постоянного тока с независимым возбужде­ нием является лучшим типом исполнительного двигателя.

н и е м. В этом двигателе магнитный поток создается током, прохо­ дящим по обмотке якоря и по обмотке возбуждения. При малых то­ ках поток пропорционален току, и поэтому

т. е. вращающий момент пропорционален квадрату тока. Реверсирование этого двигателя, осуществляемое изменением

направления тока в обмотке возбуждения при неизменном направле­ нии тока в обмотке якоря, не может быть плавным. Исполнительные двигатели с последовательным возбуждением применяются тогда,, когда необходимо обеспечить большой пусковой момент.

Двухфазный исполнительный двигатель переменного тока

Двухфазным током называют два переменных тока одинаковой амплитуды и одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 1/4 периода. Двухфазный исполнительный двигатель переменного тока (рис. 29) состоит из статора 1 и ротора 2. На ста­ торе размещены две обмотки, сдвинутые относительно друг друга на 90°: обмотка возбуждения 3 и обмотка управления 4. Ротор вы­ полнен в виде медных стержней, замкнутых на торцах накороткомедными кольцами.

Как показано на рис. 29, б, обе обмотки питаются от одной и той же сети переменного тока; благодаря конденсатору, включенному в обмотку управления, токи в обмотках сдвинуты по фазе на одну четверть периода. Эти токи создают в р а щ а ю щ и й с я м а г н и т ­ н ы й п о т о к , пересекающий стержни короткозамкнутого ротора.

Пусть в какой-то момент времени tx ток в обмотке возбуждения 1В, протекая в направлении, показанном на рис. 29, в, достиг своего максимального значения, ток в обмотке управления / у в этот же момент времени равен нулю. Пользуясь правилом буравчика, опре­ деляем направление магнитного потока Ф, созданного током / в. Как видно из рис. 29, в, в момент t 1 магнитный поток Ф внутри ста­

в обмотке возбуждения / в равен нулю. Пользуясь тем же методом,, определяем, что магнитный поток Ф направлен внутри статора снизу вверх. Через четверть периода, в момент t3, магнитный поток

55

направлен слева направо, еще через четверть периода, в момент ti: — сверху вниз и т. д.

Таким образом, внутри статора создается магнитный поток, вращающийся в направлении по часовой стрелке. При вращении этот поток, пересекая стержни короткозамкнутого ротора, индуктирует

вних э. д. с., в роторе возникает ток, создается вращающий момент

иротор начинает вращаться в том же направлении, что и магнитный

Рис. 29. Двухфазный исполни­ тельный двигатель перемен­ ного тока:

а — принцип устройства; б — схе­ ма включения; в — графическое пояснение принципа создания вра­ щающегося магнитного потока

поток. Реверсирование двигателя, т. е. изменение направления вра­ щения его ротора, осуществляется переключением концов одной из обмоток, например обмотки управления, или изменением фазы тока в этой обмотке на 180° другим путем. При этом изменяется напра­ вление вращения магнитного потока, а следовательно, и направление вращения рРтора.

Для остановки ротора достаточно выключить ток в обмотке управления. Хотя по обмотке возбуждения в этом случае ток про­ должает протекать, но создаваемый им магнитный поток не является вращающимся, и ротор останавливается. Чтобы исключить самоход, ротор двигателя изготовляется из немагнитного материала.

Тахогенераторы

Тахогенератором называется электрическая микромашина, пред­ назначенная для измерения скорости вращения исполнительных дви­ гателей. В качестве тахогенераторов обычно используются генера­

56

торы постоянного тока с независимым возбуждением, а в устройствах, работающих на переменном токе, — асинхронные генераторы с по­ лым немагнитным ротором.

Т а х о г е н е р а т о р п о с т о я н н о г о т о к а по прин­ ципу устройства и работы аналогичен индукционному датчику.

в цепи протекает ток и вследствие реакции якоря и падения напря­ жения на его сопротивлении пря­ мая пропорциональность между выходным напряжением и ско­ ростью вращения якоря нару­ шится. Для приближения к пря­ мой пропорциональности ток, про­ текающий по якорной обмотке, должен быть как можно меньшим.

Поэтому тахогенератор нагру­ жают постоянным сопротивлением, во много раз превышающим со­ противление обмотки якоря.

А с и н х р о н н ы й т а х о ­

ток Фпр, пронизывающий ротор и внутренний статор, но не индукти­ рующий э. д. с. в измерительной обмотке, так как охватываемая этой обмоткой площадь потоком не пронизывается. Следовательно, пока ротор неподвижен, э. д. с. в измерительной обмотке равна нулю.

Когда ротор вращается валом, скорость которого измеряется, в роторе индуктируется ток. При вращении по часовой стрелке направление индуктированного тока будет (для одного из полупериодов напряжения возбуждения) таким, как показано крестиками и точками на роторе. В другие полупериоды направление потока Фпр, а следовательно, и тока ротора будет противоположным. Током ро­ тора создается переменный поперечный магнитный поток Фпп, про­ низывающий площадь, охватываемую витками измерительной об­ мотки 5, и поэтому индуктирующий в этой обмотке напряжение £/„. Ток ротора, создаваемый им магнитный поток, а следовательно, и напряжение £/„ — пропорциональны измеряемой скорости вращения.

57

Сельсины

Сельсинами называют малогабаритные электрические машины,

.обладающие свойством самосинхронизации, т. е. автоматического поворота ротора одной машины на такой же угол, на какой повора­ чивается ротор другой машины, связанной с первой электрической -линией. В измерительной аппаратуре сельсины используются для

.дистанционной передачи угловых перемещений деталей, механически не связанных друг с другом, а также для измерения угла рассогла­ сования.

На рис. 31, а показана пара сельсинов: сельсин-датчик и сель­ син-приемник. По устройству они не отличаются друг от друга.

Рис. 31. Сельсины:

а — принцип устройства и схема включения; б — э. д. с., индуктированные в обмот­ ках синхронизации

В сельсине-датчике угловое перемещение какой-либо детали приво­ дит к повороту механически связанного с этой деталью ротора. Поворот ротора сельсина-датчика вызывает такой же поворот ротора сельсина-приемника, соединенного с сельсином-датчиком трехпро­ водной электрической линией, а это в свою очередь приводит к угло­ вому перемещению детали, механически связанной с ротором сель­ сина-приемника.

Каждый сельсин состоит из статора 1 с двумя выступающими по­ люсами и ротора 2. На статоре размещена однофазная обмотка воз­ буждения 3, причем обмотки возбуждения сельсина-датчика и сель­ сина-приемника должны питаться от одной и той же сети переменного тока. В пазах ротора размещены три обмотки синхронизации А, В, С, сдвинутые относительно друг друга на 120°; концы этих обмоток соединены в общую точку внутри ротора, а начала выведены на мед­ ные кольца 4, контактирующие с угольными щетками 5. Щетки сель­

сина-датчика и сельсина-приемника соединены между собой трех­ проводной линией.

Переменный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает внутри статора магнитный поток, который, пронизывая обмотки

58

синхронизации, индуктирует в них э. д. с. Ел , Ев и Ес, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120° (рис. 31, б). Пусть в какой-то момент времени t x Еа имеет положительное значение, Ев — отрица­ тельное значение, а Ес = 0. Если ротор сельсина-датчика занимает такое же положение, как ротор сельсина-приемника, то индуктиро­ ванные в его обмотках э. д. с. имеют такие же значения. Поэтому, разность потенциалов между началами одноименных обмоток ротора сельсина-датчика и ротора сельсина-применика равна нулю, ток в линии и в роторных обмотках отсутствует, вращающий момент не создается и роторы остаются неподвижными.

Если ротор сельсина-датчика повернуть на какой-то угол, на­ пример на 30°, то э. д. с., индуктированные в его обмотках, изме­ няет свою фазу. Теперь в один и тот же момент времени значения э. д. с., индуктированных в обмотках ротора сельсина-датчика, будут такими, как показано на рис. 31, б в точке t2, а значения э. д. с., индуктированных в обмотках ротора сельсина-приемника, остаются (пока ротор не сдвинулся с места) такими же, как и раньше (точка В результате между началами роторных обмоток возникнет разность

потенциалов и по соединительным проводам и обмоткам потекут токи в направлении от точек с более высокими потенциалами к точ­ кам с низшими потенциалами, т. е. от Л 2 к А ъ от 5 2 к В х и от Сх к С2- Появление токов в роторных обмотках приводит к возникнове­ нию моментов. Для ротора сельсина-датчика этот момент будет тор­ мозящим, а для ротора сельсина-приемника — вращающим. В ре­ зультате ротор сельсина-приемника будет поворачиваться до тех пор, пока не исчезнет вращающий момент. А это произойдет тогда, когда ротор сельсина-приемника займет такое же положение, как ротор сельсина-датчика, что приведет к совпадению по фазе э. д. с., индуктированных в одноименных обмотках этих роторов, и к исчез­ новению токов. В конечном счете ротор сельсина-приемника повер­ нется почти на такой же угол, как ротор сельсина-датчика, хотя поворот всегда будет меньше, чем требуется на угол рассогласования, составляющий 0,25—0,75°.

Описанный выше режим работы сельсинов называется индика­ торным. Пара сельсинов может работать и в трансформаторном режиме. В этом случае однофазная обмотка сельсина-приемника отключается от сети и в этой обмотке индуктируется э. д. с ., пропор­ циональная углу поворота ротора сельсина-датчика, которая может использоваться для измерения угла рассогласования командной и исполнительной осей.

Помимо контактных сельсинов (рис. 31, а) применяются также бесконтактные, у которых обмотки возбуждения и синхронизации размещаются на статоре, а ротор обмоток не имеет и выполняется в виде двух Г-образных магнитопроводов, через которые замыкается магнитный поток, создаваемый током возбуждения. При повороте ротора изменяется ориентировка переменного магнитного поля в воз­ душном зазоре между ротором и статором, что приводит к изменению э. д. с., индуктируемой в обмотках синхронизации.

59