книги из ГПНТБ / Толшин В.И. Основы автоматики и автоматизации энергетических установок учебник

Подставив (3.20) в (3.19) и произведя преобразования, полу­ чим выражения для коэффициента усиления тока МУ с положи­ тельной обратной связью:

Выражение для коэффициента усиления мощности МУ с поло­ жительной обратной связью примет вид

W )

k N. = (1 -^ о .с)2

Статические характеристики и уравнение динамики МУ. Ста­ тические характеристики магнитных усилителей не являются линейными (см. рис. 3.54). Однако в области небольших прира­ щений входных и выходных величин, особенно для двухтактных усилителей, они могут быть линеаризованы.

Переходные характеристики МУ можно получить на основании анализа уравнения динамики МУ. Если пренебречь явлениями гистерезиса, инерционностью цепей переменного тока и рассеива­ нием потока, то для цепи управления

где Ry — активное сопротивление обмотки управления;

Фср — среднее значение магнитного потока в сердечнике.

где f — частота тока.)*

*) Здесь kj и kN — коэффициенты усиления МУ без обратной связи.

100

Подставим (3.24) в (3.23); после преобразований получим

сываются дифференциальным уравнением Ьго порядка. Постоян­ ная Тш времени достигает нескольких секунд, в зависимости от конструкции МУ.

Магнитные усилители отличаются надежностью, вибро- и ударо­ стойкостью, высоким коэффициентом полезного действия и постоян­ ной готовностью к действию.

Коэффициенты усиления мощности МУ достигают 103—106.

Полупроводниковые усилители*)

Основным элементом полупроводниковых усилителей является транзистор (рис. 3.56), устройство и принцип действия которого излагаются обычно в курсе электротехники.

Статические параметры и характеристики полупроводниковых триодов зависят от схемы включения прибора, т. е. от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей. Сущест­

коллектором (ОК).

базой и эмиттером.

В современных полупроводниковых усилителях наибольшее распространение получили транзисторы, включенные по схеме с общим эмиттером, так как такая схема обеспечивает наибольшее усиление по мощности. Ее в дальнейшем и будем рассматривать.

Статическим коэффициентом усиления транзистора по току называется отношение приращения выходного тока к приращению

входного тока, т. е. 3= - ^ - = 20-к-80.

_________ д/6*)

*) Р е д а к ц и я Т. А . В а л у т и с а .

101

К статическим характеристикам . полупроводникового триода относятся входные, выходные и переходные характеристики

(рис. 3.57).

Входной характеристикой называется зависимость входного тока от входного напряжения при постоянстве выходного напря­ жения, т. е. / б = f ( U 6э) при UKS = const.

Н

ного тока от входного тока при постоянстве выходного напряже­ ния, т. е. / к= / ( / 6) при £/Ki3= const.

Кроме рассмотренных параметров и характеристик, транзисто­ ры оцениваются еще предельными параметрами: напряже­ ниями Umax, Umin, токами / тах, / т1п, мощностью Ртах, температу­

рой ГИ1Ж, Тт1п, частотой / тах и т. д.

Динамические параметры и характеристики транзистора полу­ чаются при наличии сопротивления нагрузки в выходной цепи. Это приводит к тому, что напряжение выходного электрода не остается постоянным, а изменяется с изменением выходного тока.

Принципиальная схема усилителя на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, представлена на рис. 3.158. Входное сопротивление для этой схемы сравнительно высокое (/?„х=400-^ н-2000 ом), а выходное — невелико (/?„ых = 25-4-1100 ом). Другой важной особенностью этой схемы является то, что меняется поляр­ ность усиливаемого сигнала.

102

Динамический коэффициент усиления по току примерно равен

•статическому коэффициенту усиления по току, т. е. Динами­ ческий коэффициент усиления по напряжению определяется следую­

щим выражением: Динамический коэффициент усиле-

**их

ния по мощности представляет собой произведение первых двух,

переменная составляющая на выходе отсутствует (Овых = 0). Для е.е выделения в выходной цепи находится конденсатор С2. При 0 транзистор либо приоткрывается, либо призакры-

вается за счет дополнительной мощности, подводимой к переходу эмиттер—база от источников усиливаемого сигнала. Величина 1к изменяется пропорционально степени дополнительного открытия или закрытия транзистора, а следовательно, изменяется и вели­ чина UU= IKR„. Последнее приводит к колебанию потенциала коллектора по отношению к эмиттеру. Таким образом появляется

в выходной цепи сигнал, т. е. UZих Ф 0, величина которого опре­ деляется динамическим коэффициентом усиления.

Недостатком транзисторов является технологический разброс параметров и их зависимость от окружающей температуры. Умень­ шение температурной зависимости параметров усилительных кас­ кадов в основном достигается тремя способами: размещением каскада в камере с регулируемой температурой, использованием температуроустойчивых транзисторов и применением специальных схем включения триодов (схемный способ).

Схемный путь термостабилизации в полупроводниковых уси­ лителях получил наиболее широкое распространение. Термоком­ пенсация достигается за счет: тщательного отбора триодов с оди­ наковыми параметрами; применения обратных связей или нели­ нейных резисторов для связи; использования специальных схем соединения каскадов (схема с общей базой обеспечивает несколько более высокую температурную стабильность, чем схема с общим эмиттером) и т. д. В многокаскадных усилителях одновременно могут использоваться несколько методов термокомпенсации. Тем­ пературная стабилизация транзистора первого каскада в много­ каскадном усилителе особенно важна, так как отклонения в его работе будут затем усилены следующими каскадами.

Принцип действия схемы температурной стабилизации можно рассмотреть на примере рис. 3.59. Элементами температурной ста­ билизации транзистора являются делитель напряжения на сопро­

103

тивлениях R\ и R2 и сопротивление R 3 в цепи эмиттера. Делитель напряжения обеспечивает жесткую фиксацию потенциала иа базе триода, а R 3 создает цепь отрицательной обратной связи по току. Конденсатор С3 обеспечивает действие этой связи только иа постоянном токе.

Если в результате изменения температуры изменится ток эмит­ тера (соответственно изменяются токи базы и коллектора), то изменится и падение напряжения на со­ противлении R a. Это приведет к обрат­

ному изменению напряжения £Убэ.

В результате ток через эмиттерный переход будет восстанавливаться, а сле­ довательно, будут восстанавливаться токи базы и коллектора. Таким образом, напряжение обратной связи, возникаю­ щее на сопротивлении /?э, автомати­ чески стабилизирует режим работы транзистора. Рассмотренный способ по­ зволяет осуществить стабилизацию ре­ жима усилителя на германиевых триодах вплоть до 70°—75° С.

Полупроводниковые усилители широ­ ко применяются в системах регулирова­ ния напряжения генераторов, регулиро­ вания и управления первичных двигате­

лей станций, котлоагрегатов и т. д. Основными их преимущест­ вами являются: малый вес и габариты, постоянная готовность к действию, достаточно высокая надежность в работе, вибро- и ударостойкость, большой срок службы, малая потребляемая мощ­ ность и т. п.

Коэффициенты усиления полупроводниковых усилителей со­ ставляют до 104 в одном каскаде усиления.

Электромашинные и электронные усилители

Э л е к т р о м а ш и н н ы й у с и л и т е л ь (ЭМУ) представляет собой генератор постоянного тока, приводимый во вращение от электродвигателя. Входной сигнал — ток или напряжение воз­ буждения — преобразовывается в выходной — напряжение или ток в цепи якоря генератора. Простейший одноступенчатый ЭМУ в виде генератора, спаренного с двигателем, обеспечивает усиле­ ние по мощности всего в несколько десятков раз. Поэтому более широко применяются двухступенчатые ЭМУ.

В двухступенчатом ЭМУ сигнал усиливается в двух ступенях усилителя, конструктивно выполненных в одном электродвигателе (условная схема представлена на рис. 3.60).

Управляющий сигнал — напряжение иу — подается на обмотку управления с числом витков w y. В результате чего по продольной

104

оси образуется поток Фу. Пересекаясь проводниками вращающе­ гося ротора, этот поток обусловливает появление тока в роторе,, который снимается щетками, расположенными по поперечной оси.

Поперечные щетки замыка­ ются накоротко. Благодаря это­ му э. д. с., обусловленная дейст­ вием Фу, приводит к появлению тока большой величины, создаю­ щего поперечный поток Фп. Этот поток приводит к появлению еще большей э. д. с. в цепи нагрузки, которая снимается рабочими щет­ ками, расположенными по про­ дольной оси.

числом витков вдк; ток в ней регу­ лируется сопротивлением R m. По­ ток компенсации Фккомпенсирует действие поля реакции статора Фр.

Коэффициент усиления по мощности двухступенчатого ЭМУ достигает 10 000.

Э л е к т р о н н ы е у с и л и т е л и постоянного и переменного тока выполнены на специальных трехэлектродных электронных лампах (триодах) и использу­ ются для усиления, сигналов постоянного и переменного то­ ка. На рис. 3.61 представлена

схема однокаскадного усилителя напряжения на постоянном токе. Входной сигнал напряжения йвх изменяет потенциал на сеткелампы. Это приводит й изменению анодного тока, который значи­ тельно больше тока управления. Таким образом, напряже­

105

На рис. 3.62 представлена схема каскада усилителя перемен­ ного тока на сопротивлениях. На вход усилителя подается управ­

создается не постоянный, а переменный ток, причем величина на­ пряжения переменного тока HnUx3>Mвх-

Существенный недостаток электронных усилителей постоянного тока — нестабильность нуля, связанная с нестабильностью питаю­ щего напряжения и эмиссией электронных ламп. Поэтому для уси­ ления сигналов постоянного тока используют усилители перемен­ ного тока со специальными модуляторными каскадами, обеспечи­ вающими преобразование постоянного тока в переменный.

Коэффициенты усиления электронных усилителей по напря­ жению составляют 40 000—50 000.

Электронные усилители практически безынерционны и имеют малые габариты. Однако из-за малой ударо- и вибростойкости эти усилители не могут быть рекомендованы для применения на энерго­ установках, подверженных сейсмическим воздействиям и вибра­ циям.

§ 3.4. Исполнительные элементы

Общие понятия

В САР и САУ дизелей и котлов к исполнительным элементам, называемым также исполнительными механизмами, относятся:

гидравлические сервопоршни, изменяющие подачу топлива, воздуха н воды;

. электромагнитные устройства выключения подачи топлива и прекращения доступа воздуха во всасывающий коллектор;

электропневматические устройства для подачи воздуха на пуск, стоп-устройство и пневмопрокачку дизеля маслом;

электромагнитные выключатели автоматов, пускателей электро­ насосов и другие устройства.

Исполнительные механизмы по роду используемой энергии можно подразделить на следующие группы: а) гидравлические, б) пневматические, в) электрические.

Ниже рассматриваются конструкции исполнительных элемен­ тов, нашедших в основном применение в системах автоматики дизелей и котлов.

Гидравлические и пневматические исполнительные механизмы

Гидравлические и пневматические исполнительные механизмы можно разделить на механизмы поступательного и вращательного движения. Механизмы поступательного движения в свою очередь

.106

делятся на механизмы двойного и одностороннего действия, а ме­ ханизмы вращательного движения — на кривошипно-шатунные и лопастные.

Наибольшее применение в САР энергетических установок на­

каций: ГИМ — с моментом на валу 700 кгс-см; ГИМ-25 ■— с мо­ ментом на валу 2500 кгс ■см.

с помощью электрогидрореле. Электрогидрореле состоит из кор­ пуса 1, в котором размещены клапаны К\ и Кг, соединенные што­ ком 4 с сердечниками электромагнитов Я, и Я2Вода под давле­ нием 1,1 —1,6 кгс/см2 подается к клапанному устройству и через него и трубопроводы 2 в верхнюю и нижнюю полости сервомото­ ра 3. Когда клапаны К\ и Кг прижаты к своим седлам, вода на слив не проходит и поршень находится в определенном фиксиро^

электрогидрореле от транзисторного усилителя сердечник соответ­ ствующей катушки втягивается вверх и клапан открывает выход воде из одной полости сервомотора на слив, закрывая при этом

107

доступ воды в эту полость из напорной магистрали. Сервопоршень начинает двигаться, передавая движение на регулирующий орган.

теристика — на рис. 3.67. Нелинейность характеристики объяс­ няется наличием зоны нечувствительности, обусловленной силами сухого трения поршня о стенки и штока в сальнике.

Сервопоршни уплотняются с помощью уплотнительных колец, выполненных из металла, резины или кожи.

108

Пневматические исполнительные механизмы поступательного действия обычно выполняются поршневого или мембранного типа и являются механизмами одностороннего действия.

Динамика гидравлической системы усилитель—исполнительный механизм

действия, которая используется при регулировании дизелей, тур­ бин и других энергоустановок. На рис. 3.42 была представлена схема этой системы.

В качестве основных допущений при выводе уравнения дина­ мики примем следующие:

1) внешняя нагрузка, приложенная к штоку исполнительного механизма R, постоянна;

2) площадь, занимаемая штоком по отношению к площади сервопоршня F, мала, и поэтому площади обеих сторон сервопоршня приблизительно равны;

3)сила трения штока золотника в сальнике и поршня о стен­ ки относительно мала по сравнению с силой давления жидкости на сервопоршень, и ею можно пренебречь;

4)открытия окон втулки плунжера достаточно велики; поэтому значения Re превышают 360. Коэффициент истечения жидкости ц

через окна золотника при Re ^>360 постоянен: р,—0,63 = const;

5) площади сечений подводящего и отводящего жидкость тру­ бопроводов значительно больше, чем площадь открытия окна / 0К) и поэтому гидравлические потери напора в трубопроводах относи­ тельно малы по сравнению с гидравлическими потерями в окнах и ими можно пренебречь.

В качестве исходных принимаются следующие уравнения:

109