книги из ГПНТБ / Фотиев М.М. Рудничная автоматика и телемеханика учеб. пособие

§ 16. Электронные и ионные усилители

Электронные усилители широко применяют в системах руднич­ ной автоматики для усиления напряжения, мощности, тока. Разли­ чают усилители переменного и постоянного тока. Последние слу­ жат для усиления сигналов, изменяющихся во времени сколь угод­ но медленно. •

Если коэффициент усиления одного каскада недостаточен, то ис­ пользуют многокаскадные усилители. По способу связи ікаскадов различают следующие основные типы электроннных усилителей: с гальванической, реостатно-емкостной, трансформаторной связью.

является возможность использования одного источника питания для всех анодных и сеточных цепей каскадов, малые размеры и вес элементов связи.

В усилителях с трансформаторной связью (рис. 28, в) передача напряжения из анодной цепи первого каскада в сеточную цепь вто­ рого каскада осуществляется электромагнитным путем с помощью трансформатора Тр2. Коэффициент усиления каскадов может быть

значительно больше, чем статический коэффициент усиления ламп, поскольку трансформатор можно рассматривать как дополнитель­ ный усилитель напряжения.

Электронные усилители широко применяют в автоматических потенциометрах, мостах и др. Достоинством их является высокая чувствительность, благодаря чему можно измерять весьма малые напряжения — доли микровольт. Постоянная времени электронного усилителя очень мала (1 0 ~4—ІО- ®-сек), что позволяет считать его

практически безынерционным. Коэффициент усиления его велик к достигает 10®. Недостатки электронных усилителей — сложность схемы, ограниченный срок службы ламп, а также малая механиче­ ская прочность.

Ионные усилители выполняются на тиратронах с холодным или нагреваемым катодом. Применяются они значительно реже, чем электронные.

§ 17. Полупроводниковые усилители

Полупроводниковые усилители широко применяются в системах рудничной автоматики и телемеханики благодаря высокой надеж­ ности, долговечности, механической прочности, малым габаритам,

Рис. 29. Схемы транзисторных усилителей:

а — с общей базой, б — с общим эмиттером, в — с общим кол­ лектором, г — с реостатно-емкостной связью, д — с трансформа­ торной связью; R — нагрузка

высокому к. п. д., постоянной готовности к работе. В усилителях сравнительно небольшой мощности используют транзисторы, а при большой мощности — тиристоры.

Транзисторы в усилителях включаются по одной из трех схем. Схема с общей базой (рис. 29, а) обладает малым входным (де­ сятки ом) и большим выходным (сотни килоом) сопротивлениями. Так как ток коллектора /к равен 0,9—0,99 тока эмиттера / 0, то уси­

ления по току эта схема не обеспечивает. Коэффициент усиления по мощности

достигает нескольких сотен.

Схема с общим эмиттером (рис. 29, б) имеет более высокое вход­ ное и более низкое выходное сопротивления по сравнению с преды­

дущей схемой. Коэффициент усиления по току&/ = — 15 (Д/б— при-

Д /б

ращение тока базы) достигает 100. Коэффициент усиления по на­ пряжению ku для схемы с общим эмиттером достигает нескольких сотен. Таким образом, усиление по мощности в этой схеме достигает нескольких тысяч. Эта схема нашла наибольшее применение в уст­ ройствах автоматики.

Схема с общим коллектором (рис. 29, Ö) имеет большое входное (сотни килоом) и малое выходное (десятки ом) сопротивления; kj приблизительно равен коэффициенту усиления по току для схемы с общим эмиттером. Усиление по напряжению в этой схеме отсут­ ствует. Фактически в схеме отсутствует и усиление по мощности, поэтому такая схема, называемая эмиттерным повторителем, применябтся только в особых случаях.

Выбор той или иной схемы усилителя производится в каждом случае, исходя из требуемых значений коэффициентов усиления ki, kv, kP и сопротивлений RBx и Rn-

При необходимости получения большого коэффициента усиле­ ния используют многокаскадные усилители.

В усилителях на транзисторах применяют те же виды межкас­ кадных связей, что и в усилителях с электронными лампами, при­ чем наиболее распространенными являются реостатная и трансфор­ маторная связи.

На рис. 29, г показана схема усилителя с реостатно-емкостной связью, являющаяся наиболее целесообразной для усилителей на­ пряжения низкой частоты. Эта схема позволяет применять мало­ габаритные детали в качестве элементов связи, вследствие чего преимущества транзисторов проявляются наиболее полно. Низкое входное сопротивление транзистора следующей ступени затрудняет пропускание низких частот и требует применения разделительного конденсатора большой емкости. Хорошее согласование относитель­ но большого выходного сопротивления предыдущего каскада с ма­ лым входным сопротивлением данного каскада осуществляется междукаскадным трансформатором (рис. 29, д)', позволяющим по­ лучать максимальное усиление по мощности. Однако трансформа­ торы увеличивают размеры, вес и стоимость усилителя.

Недостатками транзисторов являются: изменение характеристик при колебаниях температуры, большой разброс параметров тран­ зисторов одного и того же типа.

При изменении температуры изменяются параметры и режим работы транзистора: ток покоя коллектора меняется до 40% при

изменении температуры на 1°, смещается рабочая точка усилителя

и т. д. Для стабилизации работы транзисторов применяются раз­ личные схемы температурной компенсации.

Малая мощность выпускаемых промышленностью транзисторов не позволяет пока широко использовать их в силовых цепях систем автоматики.

Усилители на тиристорах находят все более широкое примене­ ние в рудничной автоматике, поскольку тиристоры, обладая всеми достоинствами транзисторов, сочетают их с достаточно большой мощностью.

В настоящее время промышленностью выпускаются тиристоры на ток до 750 а и напряжение более 2000 в, что не является преде­ лом. Таким образом, один вентиль моЖет управлять электрической мощностью до 1000 кет и более. Мощность, затрачиваемая в цепи управления, весьма мала — от долей ватта до нескольких ватт. Бла­ годаря этому коэффициент усиления тиристора по мощности превы­ шает 150 000, что позволяет иметь один каскад даже в случае уси­ ления ничтожно малых сигналов. Время переключения вентиля в проводящее состояние очень мало— .около 1 мксек.

Управление величиной мощности, поступающей от источника к нагрузке, осуществляется так же, как и в схемах с тиратронами или ртутными вентилями. В схемах переменного тока тиристором управляют, изменяя угол регулирования, т. е. фазу отпирающего импульса относительно анодного напряжения. Для уменьшения мощности цепи управления и нагрева прибора тиристор отпирается обычно узкими импульсами с крутым передним фронтом. Оптималь­ ная длительность импульса примерно 1 0 0 мксек. Схема управления

тиристором выполняет одновременно функции формирователя им­ пульсов и фазосдвигающего устройства.

На рис. 30, а показана схема управления тиристором с однополупериодным магнитным усилителем. Управляющий сигнал снимается с рабочей обмотки wp магнитного усилителя МУ. Когда сердеч­ ник МУ не насыщен, обмотка шр имеет большое индуктивное сопро­ тивление и падение напряжения на резисторе R1 мало. При насы­ щении сердечника сопротивление обмотки wv резко снижается и напряжение на резисторе R1 резко возрастает. Поскольку это на­ пряжение подается'на управляющий электрод тиристора, то послед­ ний отпирается. Резистор R2 ограничивает ток управляющего элек­ трода.'Диод В1 служит для предотвращения появления отрицатель­ ного напряжения на управляющем электроде, а диод В2 отсекает обратный ток через рабочую обмотку, устраняя нежелательное раз­ магничивание сердечника. Сигнал іу на входе магнитного усилител? определяет величину магнитного потока в сердечнике и, следова­ тельно, угол регулирования. Изменяя момент подачи импульса іу, можно регулировать мощность нагрузки.

В цепи переменного тока тиристор запирается в момент пере­ хода анодного тока через нуль. Как известно, управляющий электрод теряет контроль над анодным током после отпирания тиристора. Таким образом, запереть тиристор с помощью управляющего элек­

трода невозможно. Поэтому в цепях постоянного тока запирание тиристора и прекращение тока через него возможны либо при раз­ рыве анодной цепи, либо при использовании специальных методов

Благодаря большим достоинствам усилители на тиристорах вы­ тесняют не только электромашинные усилители, но и статические системы с силовыми магнитными усилителями, тиратронами, ртут­ ными вентилями и др.

§ 18. Гидравлические и пневматические усилители

Гидравлические усилители, применяемые в гидравлических регу­ ляторах, преобразуют энергию потока жидкости в механическую энергию перемещения поршня, поворота лопасти или вращения вы­ ходного вала. К достоинствам гидравлических усилителей относятся взрывобезопасность, простота конструкции, надежность в. работе, небольшие размеры, большие перестановочные усилия, малая инер­ ционность, простота бесступенчатого изменения скорости и др. В ка­ честве рабочих жидкостей в гидросистемах применяют минераль­ ные масла, спиртоглицериновые смеси, эмульсии и др.

Требования, предъявляемые к рабочим жидкостям, заключают­ ся в том, чтобы они были антикоррозионными, обладали смазочной способностью, не выделяли паров, были безопасны в пожарном от­ ношении, обладали стабильными свойствами при колебаниях тем­ пературы и с течением времени, не содержали механических приме­ сей и др.

Применяются два типа гидравлических усилителей: со струйным и дроссельным управлением. По методу управления различают гид­ равлические усилители без обратной связи, с обратной связью и с комбинированной системой управления. Наиболее распространены гидравлические усилители без обратной связи и с жесткой обрат­ ной связью по положению управляющего элемента гидравлического исполнительного механизма.

Гидравлический усилитель состоит из двух основных элемен­ тов: управляющего и исполнительного. Управляющим элементом могут служить регулируемые и нерегулируемые дроссели, золотни­ ковые пары с начальнымосевым зазором, сопло-золотники, дрос­ селирующие шайбы и др. Пополнительным элементом обычно является поршень исполнительного устройства или управляющий золотник (в двухкаскадных системах).

Устройство струйного гидроусилителя показано на рис. 31. Струйная трубка 2 закреплена на полой оси 1 так, что ее конец может перемещаться на 1,25 мм в каждую сторону. Перед соплом струйной трубки размещены приемные сопла 3, соединенные с по­ лостями гидроцилиндра 5 исполнительного механизма. Через по­ лую ось к струйной трубке подводится рабочая жидкость-под дав­ лением.

Принцип работы струйного усилителя заключается в том, что кинетическая энергия струи масла, направляемая в сопло под дав­ лением ру, преобразуется в потенциальную энергию давления. Величина и направление результирующего давления на поршень 4 зависят от положения струйной трубки (от соблюдения соосности трубки и сопла). Если струйная трубка расположена в среднем положении на одинаковом расстоянии от осей приемных сопел, то давление масла в обеих полостях цилиндра рі и р2 будет одинако­ вым; разность давлений р\—р2, действующих на поршень 4, будет равна нулю, и поршень останется неподвижным. Если под дей­ ствием .какого-либо усилия струйная трубка отклонится от среднего положения, то давление в одном из приемных сопел возрастет, а в другом-уменьшится; в результате в полостях силового цилиндра возникнет разность давлений рі—р2 и поршень начнет перемещать­ ся. Направление перемещения поршня'будет зависеть от направле­ ния отклонения сопла струйной трубки. При этом масло через вто­ рое сопло поступает обратно в корпус усилителя.

Коэффициент усиления струйного усилителя достигает несколь­ ких десятков тысяч, так как для перемещения сопла струйной труб­ ки из одного крайнего положения в другое необходима разность усилий fi—f2 в несколько десятков грамм, а усилие на поршне 4 ис­ полнительного механизма составляет сотни килограмм. Промыш­

ленностью серийно выпускаются однокаскадные и двухкаскадные струйные усилители.

Гидроусилитель дроссельного типа (рис. 32) работает следую­ щим образом. Управляющим элементом усилителя является золот­ ник, который состоит из цилиндра 1 и двух жестко соединенных между собой поршней 2, перемещающихся в цилиндре от небольшо­ го усилия f. В зависимости от положения поршней поток рабочей среды будет иметь различное направление и соответствующим обра-

лнндр исполнительного ме-. ханизма

зом воздействовать на исполнительный двигатель. В состоянии рав­ новесия поршни золотника закрывают выходные отверстия трубо­ проводов 3. Цилиндр 1 золотника и цилиндр 4 исполнительного двигателя, а также трубопроводы 3 заполнены рабочей жидкостью. Если по сигналу датчика поршни золотника переместятся вверх, то откроются отверстия трубопроводов 3 и давление рабочей среды передастся в верхнюю полость цилиндра 4\ нижняя полость цилинд­ ра исполнительного двигателя соединится со сливом. Так как дав­ ление в верхней полости окажется значительно больше, чем в нижней, поршень 5 переместится вниз. Если поршни золотника пе­ реместятся вниз ниже нейтрального положения, то поршень 5 ис­ полнительного двигателя будет соответственно подниматься вверх.

Поскольку усилие F, развиваемое на штоке исполнительного дви­ гателя, значительно больше усилия f, необходимого для перемеще­ ния золотника, коэффициент усиления будет весьма большим (ІО4— И)5).

Усилие перемещения управляющего элемента (струйной трубки, золотника и др.) создает датчик (например, мембрана манометра).

В двухкаскадном гидроусилителе обычно струйный усилитель пер­ вого каскада управляет золотником усилителя второго каскада.

Пневматические усилители применяют в пневматических регуля­ торах. Основными элементами пневматического усилителя являют­ ся дроссель, сопло и золотник. По принципу действия пневматиче­ ские усилители аналогичны гидроусилителям.

§ 19. Электрические исполнительные устройства

Исполнительные устройства в системах автоматического управ­ ления приводят в действие регулирующий орган (дроссельную за­ слонку, задвижку, реостат и др.), который осуществляет непосред­ ственное воздействие на приток энергии, расход вещества и др.

ного механизма показана на рис. 33.

Двигатель Д через редуктор Р перемещает регулирующий орган РО. Входной сигнал UBX предварительно усиливается усилителем У. Для уменьшения выбега двигателя и улучшения качества регу­ лирования в некоторых случаях используется электрический тор­ моз ЭТ, который накладывается при снятии с двигателя напряже­ ния питания. Концевые выключатели КВ ограничивают перемеще­ ние регулирующего органа. Оператор может воздействовать на регулирующий орган через устройство дистанционного управления ДУ, а при его неисправности — штурвалом ручного управления РУ. Для ввода в систему дополнительных сигналов с целью получения требуемых характеристик служат датчики обратной связи по поло­ жению ОСП и по скорости ОСС.

Исполнительные двигатели постоянного тока, используемые для привода исполнительных механизмов, в отличие от обычных дви­ гателей с независимым возбуждением, не имеют дополнительных полюсов. Управляют двигателем, изменяя напряжение на якоре или на обмотке возбуждения.

Недостатками исполнительных электродвигателей постоянного тока являются наличие коллектора и щеток, усложняющих кон­ струкцию и эксплуатацию двигателя, а также потребность в источ­ нике постоянного тока. Однако благодаря хорошим пусковым и регулировочным характеристикам эти двигатели находят широкое применение, особенно в вычислительной технике.

В качестве исполнительных двигателей переменного тока час­ то используют двухфазные асинхронные двигатели с полым рото­ ром в виде тонкостенного цилиндра. Такой двигатель имеет ста-

Рис. 34. Двухфазный исполнительный двигатель:

тор с двумя обмотками — возбуждения и управления, оси которых сдвинуты в пространстве одна относительно другой на 90 эл. град. При подаче к обмоткам статора напряжений, сдвинутых по фазе на У4 периода (на 90°), намагничивающие силы этих обмоток со­

здают вращающееся магнитное поле, которое индуктирует в роторе токи. Взаимодействие токов ротора с вращающимся потоком ста­ тора образует момент, который вызовет вращение ротора.

Обмотки статора двигателя обычно подключают на одно и то же напряжение сети Uc. При этом для создания сдвига фаз в 90°

•между токами / в .и Іу (рис. 34, а) последовательно с одной из об­ моток включают конденсатор С. Для изменения направления вра­ щения можно поменять местами концы одной из обмоток статора. На рис. 34, б изображены механические характеристики трехфаз­

ного асинхронного двигателя (кривая 1) и двухфазного (кривые 2 и 3). Последние даны для разных напряжений обмотки управле­ ния Uуз < Uу2-

Для перемещения регулирующих органов в системах руднич­ ной автоматики обычно используют электрические исполнительные механизмы ИМ и ИМТ.

§ 20. Электромагнитные муфты, соленоиды

Электромагнитные муфты и соленоиды являются узлами раз­ личных исполнительных элементов, в том числе и применяющихся в горной промышленности, например в приводе вентилей, приводах^ масляных выключателей и стрелочных переводов.

Электромагнитные муфты делятся на два основных типа: муф­ ты трения и скольжения. Первые из них бывают сухого и вязкого трения (магнитоэмульсионные или порошковые).

Рис. 35. Электромагнитные муфты:

а — сухого трения, 6 — индукционная; 1 — ведомая ось, 2 — скользящая шпон­ ка, 3 — якорь, 4 — шайба трения, 5 — обмотка возбуждения, 6 — электромагнит,

чая машина; R —регулятор тока возбуждения

В муфтах сухого трения две поверхности трения прижимаются друг к другу силой, создаваемой электромагнитом. На ведущем валу 8 (рис. 35, а) укреплен электромагнит 6 с обмоткой возбуж­ дения 5. Ток к обмотке подводится через контактные кольца 7 и щетки 9. На ведомой оси 1 на скользящей шпонке 2 посажен та­ рельчатый якорь 3. При подаче напряжения на обмотку возбужде­ ния 5 якорь притягивается и прижимается к шайбе трения 4. Ве­ домый вал начинает вращаться. При отключении обмотки якорь под*действием пружины 10 оттягивается влево.

Муфты этого типа делятся на реверсивные и нереверсивные. Трущиеся поверхности муфт изготовляют из материала с большим коэффициентом трения и малым износом: из стали, чугуна, специ­ альных материалов.

Принцип действия магнитоэмульсионных муфт заключается в том, что частицы ферромагнитного порошка, помещенного в магнит­ ное поле, теряют относительную подвижность и образуют сцепляю­ щий слой, обладающий сопротивлением сдвигу. Величина этого сопротивления зависит от величины магнитного потока, благодаря чему можно регулировать величину передаваемого муфтой момен­ та, изменяя ток обмотки возбуждения.

У муфт скольжения вращающий момент' на выходном валу со­ здается в результате взаимодействия токов, возникающих в одной из полумуфт, с вращающимся магнитным потоком другой полу­ муфты.