книги из ГПНТБ / Ретман А.А. Автоматика и автоматизация портовых перегрузочных работ учебник

манометрической трубкой 7. Их перемещение вызывает поворот стрелки 4, что можно наблюдать по шкале 6. На шкале помеще­ ны и контакты 5, ограничивающие диапазон измеряемых темпе­ ратур; при достижении предельной температуры стрелка замы­ кает эти контакты.

Контрольно-измерительные приборы. В отличие от датчиков в схемах автоматики они используются как вспомогательные для целей проверки и наладки. Контрольно-измерительные приборы могут служить для измерения электрических величин (вольтмет­ ры, амперметры, ваттметры), давления, температуры, частоты вращения. Давление и разрежение измеряются манометрами, вакуумметрами, мановакуумметрами, микроманометрами. Наи­ большее распространение получили манометры и вакуумметры, которые по конструкции не отличаются друг от друга. По прин­ ципу действия манометры могут быть жидкостными, пружинными, поршневыми, диафрагменными. Температура может контролиро­ ваться термометрами расширения, манометрическими термомет-

ми систем автоматики без предварительного усиления. Конструк­ тивно усилители выполняются либо как самостоятельные уст­ ройства, либо' как элементы, встроенные в исполнительные меха­ низмы и регулирующие устройства.

Основным показателем работы усилителя является коэффици­

ходе усилителя к мощности сигнала на входе. Если же усилитель является как бы неотъемлемой частью исполнительного меха­ низма или регулирующего устройства, то коэффициентом усиле­ ния называется отношение мощности сигнала на выходе испол­ нительного механизма к мощности сигнала на выходе датчика. К усилителю предъявляются следующие требования: он должен обладать требуемым коэффициентом усиления, быть достаточно чувствительным и малоинерционным, т. е. быстро реагировать на минимальные изменения сигналов, снимаемых с датчиков, а ха­ рактеристика сигналов, вводимых в усилитель и снимаемых с него, должна быть линейной.

В зависимости от вида энергии, используемой в усилителях, они могут быть разделены на механические, электрические, электромашинные, электронные, полупроводниковые, гидравлические, пневматические, комбинированные, а по принципу действия — на усилители плавного и скачкообразного действия.

Механические усилители. К этой группе усилителей относятся

различного вида рычажные системы передач, а также зубчатые, фрикционные и др.

30

Электромашинные усилители (ЭМУ). Эта группа усилителей разнотипна. Наибольшее распространение получили ЭМУ с по­ перечным полем, которые отличаются большим ’ коэффициентом усиления, малой инерционностью, т. е. быстродействием, большой перегрузочной способностью и рядом других достоинств.

На рис. 18 изображена принципиальная схема ЭМУ с попе­ речным полем. Она состоит из приводного двигателя ПМ, гене­ ратора и исполнительного двигателя ИМ. Любой генератор явля­

на оси а—а несколько вольт. В связи с тем, что щётки а—а зам­ кнуты, даже незначительная э. д. с. Еа создает в обмотке якоря большой ток 1а, который, в свою очередь, индуктирует магнитный поток Фя сильного поперечного поля реакции якоря, неподвиж­ ного в пространстве и направленного по поперечной оси машины. Магнитный поток Фа вызывает во вращающемся якоре значитель­ ную по величине э. д. с., которая снимается со щеток b—Ь.

Для компенсации размагничивающего действия продольного поля реакции якоря, возникающего вследствие прохождения че­ рез замкнутые продольные щетки а—а по обмотке якоря тока нагрузки /н, в пазах статора генератора ЭМУ размещается ком­ пенсационная обмотка, которая включена последовательно с натрузкой. Магнитное поле, создаваемое компенсационной обмоткой и регулируемое при помощи сопротивления гк, направлено проти­ воположно продольному потоку реакции якоря.

Если поток Фя, создаваемый током нагрузки, окажется боль­ ше потока Фк, создаваемого компенсационной обмоткой, ЭМУ

31

будет недокомпенсирован. В результате увеличивается мощность управления и, следовательно, коэффициент усиления уменьшает­ ся. В случае если поток Фк больше потока Фя, ЭМУ будет перекомпенсирован. При перекомпенсировании увеличивается коэф­ фициент усиления, но при этом возможно самовозбуждение ЭМУ, что нежелательно. Если же поток Фа равен потоку Фк, наступает полная компенсация. Регулировка компенсации ЭМУ производит­ ся при наладке.

Таким образом, ЭМУ с поперечным полем можно условно представить состоящим из двух совмещенных машин постоянного тока, у которых обмотка якоря общая для обеих машин, а обмот­ ки возбуждения расположены взаимно перпендикулярно. Благо­ даря этому двухступенчатое усиление

Обычно ЭМУ с перечным полем имеет коэффициент усиления первой ступени Kyi равный 200, а второй ступени Куп равный 50.

Общий коэффициент усиления /Суо=200 • 50 =10 000, в отдель­

возбудителем, либо генератором системы. Применение ЭМУ в си­ стеме Г—Д дает возможность:

увеличить жесткость механических характеристик и, следова­ тельно, расширить диапазон регулирования скорости;

непрерывно и бесступенчато регулировать скорость двигате­ ля, в результате чего уменьшить время переходных процессов;

получить так называемую экскаваторную крутопадающую ме­ ханическую характеристику исполнительного двигателя.

В настоящее время в некоторых автоматизированных электри­ ческих приводах ЭМУ вытесняется статическими усилителями (магнитными, полупроводниковыми). Однако в мощных ревер­ сивных электроприводах постоянного тока ЭМУ с поперечным полем является пока основным видом усилителя.

Магнитные усилители (МУ). Они применяются для плавного пуска и регулирования частоты вращения асинхронных электро­ двигателей. МУ в простейшем виде представляет два сердечника / и II из ферромагнитного материала (рис. 19). На внешних сто­ ронах сердечников располагается разделенная пополам рабочая обмотка переменного тока 1 я 3, подсоединенная последователь­ но таким образом, чтобы сумма магнитных потоков Ф1 и Фз левой и правой обмоток была равна 0. В этом случае в обмотке 2, ко­

32

торая охватывает внутренние стержни обоих сердечников, э. д. с. не индуктируется. Обмотка 2 питается постоянным током, напри­ мер от полупроводникового выпрямителя; она называется обмот­ кой подмагничивания, или обмоткой управления (ОУ).

Сущность работы магнитного усилителя заключается в том, что при незначительном изменении силы постоянного тока, про­ ходящего по обмотке управления, сила переменного тока в цепи нагрузки изменяется в больших пределах. Это объясняется тем, что, например, при увеличении силы постоянного тока в обмотке

что, в свою очередь, вызывает уменьшение1индуктивного сопро­ тивления обмоток 1 и 3 и соответственно увеличение переменного тока, проходящего в цепи нагрузки Rn.

Подобное устройство, но без нагрузочного сопротивления RH называется дросселем насыщения, или управляемым дросселем.

сердечников, частоты переменного тока, применяемой схемы. Так, если сердечники выполнены из трансформаторной стали, значе­ ние Д’у достигает 50—200, если же для изготовления сердечника используется пермаллой, К у увеличивается до 1000. При увеличе­ нии частоты тока до 500 Гц и использования сердечника из пер­ маллоя К у достигает значения 2000. При этой же частоте, но при усложнении схемы (рис. 20) положительной обратной связью по току К у может быть доведен до 20 000.

В этом случае необходимо, чтобы выходной ток нагрузки по­ ступал на выпрямитель В2, питающий дополнительную обмотку 4

мости от тока нагрузки. При соответствующем изменении обрат­ ной связи по току МУ может быть использован в качестве бес­ контактного магнитного реле, которое скачкообразно изменяет рабочий ток, когда ток управления достигает определенного значения.

Работа МУ описывается на­ грузочной характеристикой, ко­

коэффициент усиления получается на самом крутом участке ха­ рактеристики (/—3), так как в этом случае

Д/ v

ине зависит от полярности тока. Для того чтобы получить в МУ максимальное усиление и вместе с тем чтобы он реагировал на полярность управляющего сигнала, целесообразно нагрузочную характеристику сместить влево таким образом, чтобы точка 2

совместилась с осью / раб (рис. 21, справа). Такое смещение до­ стигается дополнительной обмоткой (рис. 22), которая также питается постоянным током и называется обмоткой смещения ОС.

В некоторых случаях возникает необходимость в том, чтобы при изменении полярности питания обмотки управления осущест­ влялось изменение полярности выходного напряжения для посто­ янного тока или изменение фазы для переменного тока. Эта зада­ ча может быть выполнена с помощью дифференциального МУ, простейшая схема которого приведена на рис. 23.

Дифференциальный МУ состоит из двух трехстержневых уси­ лителей МУ-1 и МУ-11, каждый из которых имеет обмотки сме­

34

Реле можно рассматривать как усилитель скачкообразного действия, так как оно срабатывает при достижении определенной мощности на входе, которая во много раз меньше мощности на выходе, т. е. коэффициент усиления

Мощность на выходе реле называется мощностью управления, мощность на входе — это мощность срабатывания. Тогда приве­ денную выше формулу можно

представить в другом виде:

В поляризованном реле в отличие от обычного электромагнит­

на рис. 24, влево и замкнет неподвижный контакт 4. При измене­ нии полярности питающего катушку тока поток Oi станет боль­ ше потока Ф2 и якорек переместится вправо, замкнув контакт 5. Особенностью работы описанного типа поляризованного реле яв­ ляется то, что при прекращении подачи тока на катушку якорек останется в том же положении, что и был при подаче тока. Такое реле называется двухпозиционным, так как якорек не имеет ней­ трального положения.

Существуют конструкции трехпозиционного поляризованного реле. В таком реле якорек удерживается в нейтральном положе­

36

нии пружинкой. Поляризованные реле очень чувствительные к изменению полярности питающего тока и имеют достаточно боль­ шой коэффициент усиления.

Электронные усилители. К ним относятся усилители, работаю­ щие на электровакуумных лампах, газоразрядных лампах (ион­ ные приборы) и полупроводниковых приборах. Они служат для усиления тока, напряжения и мощности постоянного или пере­ менного тока.

Рис. 25. Схема однокасРис. 26. Схема трехкаскадного усилителя кадного усилителя

Принципиальная схема однокаскадного усилителя на электро­ вакуумной лампе показана на рис. 25. При изменении напряже­

изменяется также величина мощности, отдаваемой на сопротив­ ление R a. Наибольший коэффициент усиления по напряжению мо­ жет быть получен при условии, что R a — (3-М) R i , где R i — внут­ реннее сопротивление лампы, т. е. отношение изменения анодного напряжения к вызванному им изменению анодного тока при по­

скадные усилители. Первые каскады такого усилителя служат для усиления напряжения входного сигнала и называются усилителя­ ми напряжения. Выходной каскад должен развивать достаточную мощность для включенной нагрузки. Общий коэффициент усиле­ ния многокаскадного усилителя равен произведению коэффици­ ентов усиления каждого каскада.

На рис. 26 представлена схема трехкаскадного усилителя на­ пряжения на сопротивлениях, или реостатного усилителя, так как в анодных цепях каждого из каскадов включены сопротивления R&- Если в анодную цепь каскадов включены трансформаторы или

37

дроссели, усилитель соответственно называется трансформатор­ ным или дроссельным.

Чтобы уменьшить искажение сигнала при усилении, на управ­ ляющую сетку должно подаваться некоторое постоянное отрица­ тельное напряжение от источника постоянного тока, которое на­ зывается напряжением сеточного смещения. ~Для получения авто­ матического смещения в цепь катода включается постоянное сопротивление RK и конденсатор Ск достаточно большой емкости, который шунтирует сопротивление. При этом потенциал катода несколько увеличивается по отношению к потенциалу сетки, так как на сопротивлении RK наблюдается падение напряжения, обу­ словленного постоянной составляющей анодного тока. Парал­ лельное включение конденсатора, который является малым сопро­ тивлением для переменной составляющей анодного тока, позво­ ляет исключить его влияние на величину сеточного смещения. Поэтому по отношению к катоду на сетку лампы подается посто­ янный отрицательный потенциал.

Напряжение с первого каскада, которое определяется по фор­

через разделительный конденсатор Ссi подается для дальнейшего усиления на управляющую сетку лампы Л 2. Напряжение второго каскада через разделительный конденсатор Сс2 поступает на уп­ равляющую сетку третьей лампы Л ъ. Разделительный конденса­ тор служит для выделения переменной составляющей соответст­ венно напряжению сигнала и напряжению, снимаемому с анодной нагрузки, т. е. он ограждает сетку последующей лампы от попада­ ния на нее постоянного анодного напряжения с лампы предыду­ щего каскада. Сопротивление Rc называется сопротивлением утечки и служит для стекания сеточных зарядов и подачи отри­ цательного сеточного смещения, необходимого для обеспечения нормального режима.

Все элементы усилителя (конденсаторы, сопротивления, емко­ сти и индуктивности монтажных проводов и электродов лампы) обладают различным сопротивлением для разных частот тока, и потому величина усиления неодинакова. Искажения, вызванные изменением величины, коэффициента усиления на различных ча­ стотах, называются частотными. Усилители на сопротивлениях отличаются незначительными частотными искажениями, т. е. от­ ношением коэффициента усиления на средних частотах к коэф­ фициенту усиления на данной частоте. Однако усилители на соп­ ротивлениях требуют повышенного напряжения источника анод­ ного питания, так как его напряжение уменьшается ца величину напряжения на анодном сопротивлении.

В дроссельном усилителе вместо сопротивления в цепь анода включается дроссель низкой частоты, представляющий собой ка­ тушку индуктивности со стальным сердечником. Особенностью дросселя является то, что его сопротивление для постоянной со­

38

ставляющей анодного тока мало, а для переменной — велико. По­ этому для дроссельных усилителей требуется источник анодного питания с меньшим напряжением, чем для усилителей на сопро­ тивлениях.

Однако в дроссельных усилителях трудно получить равномер­ ную частотную характеристику, если дроссель не обладает боль­ шой индуктивностью при малой соб­ ственной емкости. Для .улучшения частотной характеристики катушки дросселя секционируют. Кроме того, стоимость усилителя на дросселях значительно больше, чем усилителя на сопротивлениях.

Анодной нагрузкой в цепи элек­ тронной лампы в трансформаторном усилителе (рис. 27) является первич­ ная обмотка 1 низкочастотного транс­ форматора Тр, что приводит к нели­ нейным искажениям на выходе. Кро­ ме того, трансформаторный усилитель обладает значительными частотными

искажениями и дороже, чем усилитель на сопротивлениях. Преи­ муществом трансформаторного усилителя по сравнению с усилите­ лем на сопротивлениях является возможность получения большего коэффициента усиления на выходе повышающей обмотки транс­ форматора при меньшем напряжении анодного тока.

Рис. 28. Схемы включения транзистора в полупроводниковых усилителях:

а —с общим эмиттером; б — с общей базой; в — с общим коллектором

В настоящее время в схемах автоматики стали применяться усилители на полупроводниковых приборах, коэффициент усиле­ ния которых зависит от схемы включения полупроводникового триода (транзистора). Различают три схемы включения транзи­ стора: с общим эмиттером (рис. 28, а), с общей базой (рис. 28,6) с общим коллектором (рис. 28, в). Основной является схема с об­ щим эмиттером, которая обеспечивает более высокий коэффици­ ент усиления по току, напряжению и мощности, а также позволя­ ет осуществить более простое согласование источника сигнала с нагрузкой. Коэффициент усиления для транзистора — это отноше­ ние величины сигнала, подаваемого на цепь эмиттера, к' величине

39