книги из ГПНТБ / Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие

2 .7 . Д А Т Ч И К И СКОРО СТИ

Для измерения угловой скорости обычно применяются тахометрические преобразователи или тахогенераторы. Тахогенераторы бывают постоянного тока с независимым возбуждением или с постоянными магнитами и переменного тока.

Тахогенератор постоянного тока (рис. 20, а) состоит из якоря 1, который вращается в поле постоянного магнита 2.

Рис. 20. Тахогенераторы:

а — постоянного тока; б — переменного тока.

Выходная величина — напряжение U, снимаемое с коллектора ма­ шины, будет пропорционально входной величине — угловой скорости вращения со:

где т — коэффициент пропорциональности. Чувствительность датчика будет определяться

<2 - 3 1 >

У тахогенераторов постоянного тока с обмоткой возбуждения магнитный поток возбуждения остается неизменным, и поэтому выход­ ное напряжение также будет прямо пропорционально скорости враще­ ния вала, при этом переходными процессами в цепи якоря пренебре­ гают.

Тахогенераторы постоянного тока обладают определенными недо­ статками: наличие щеток и коллектора приводит к снижению надеж­ ности в работе, температура влияет на величину сопротивления обмо­ ток, а следовательно, и на выходную величину и др.

В практике часто применяют асинхронные тахогенераторы пере­ менного тока. Асинхронные тахогенераторы (рис. 20, б) не имеют по­ движных контактов. Статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90°. Обмотка 1 является обмоткой возбуждения и получает пита­ ние ІІХот источника переменного тока, с обмотки 2 снимается выход­ ное напряжение U2- При неподвижном роторе, который представляет

50

собой алюминиевый стакан 3, вращающийся в зазоре между статором и неподвижным цилиндрическим сердечником, выходное напряжение U2 равно нулю, так как оси обмоток взаимно перпендикулярны. При вращении ротора в магнитном поле обмотки возбуждения в нем будет индуктироваться ток. Этот ток создает магнитный поток, который пере­ секает при вращении витки выходной обмотки и наводит в ней перемен­ ную э. д. с., пропорциональную скорости вращения ротора.

Напряжение на клеммах выходной обмотки будет равно

где тг — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструк­ тивных параметров тахогенератора.

Таким образом, при постоянном значении напряжения, подводи­ мого к обмотке возбуждения, выходное напряжение будет пропорцио­ нально скороети вращения тахогенератора.

Существуют и некоторые другие датчики измерения угловой ско­ рости: механические (центробежные), гидравлические, преобразующие скорость вращения в пропорциональное давление жидкости или в изме­ нение ее расхода, и другие, однако из-за существенных недостатков они широкого распространения в САР не нашли.

2 Л . ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

В предыдущих разделах были рассмотрены датчики различных ти­ пов и назначений, причем каждый из них рассматривался как нечто совершенно самостоятельное, вне связи с теми объектами, где они мо­ гут быть использованы для измерения регулируемых величин.

Необходимо отметить, что описанные выше датчики и всевозмож­ ные электрические преобразователи не исчерпывают всего разнообра­ зия нх видов, не были рассмотрены электролитические, магнитострикционные, электрокинетические, полярографические и другие (см. спе­ циальную литературу).

В настоящее время промышленностью выпускаются разные типы регуляторов, которые могут быть использованы в различных объек­ тах. В таких регуляторах встраиваются задающие устройства, которые позволяют создавать всевозможные программы и, следовательно, заставлять работать регулятор по определенной программе, изменяя в требуемом направлении или поддерживая в заданных пределах пока­ затели технического процесса.

Задающие устройства по характеру выдаваемого сигнала можно разделить на два основных класса: а н а л о г о в ы е и ц и ф р о- в ы е. Аналоговые в свою очередь делятся на н е п р е р ы в н ы е и д и с к р е т н ы е . Дискретность может быть как по времени, так и по величине вырабатываемого сигнала. Цифровые задающие устрой­ ства вырабатывают сигналы дискретных уровней.

Кроме того, задающие устройства различают по виду энергии выраба­ тываемых сигналов. Применяются задающие устройства с электрнче-

51

сними, пневматическими, гидравлическими и механическими (в виде перемещений или усилий) сигналами.

Программа, или заданная функциональная зависимость, которую должен реализовать регулятор, может быть получена по-разному: так, в задающих устройствах непрерывного действия наиболее часто используются кулачковые механизмы (жесткие и регулируемые), функ­ циональные потенциометры, бумажная диаграмма и рычажные меха­

низмы. В качестве носителя про­ граммы в задающих устройствах дискретного действия находят при­ менение мпогоцепные переключа­ тели, перфокартЕщ магнитные и кинопленки ее т. п .

52

Если учесть, что в большинстве случаев толщина каркаса и диа­ метр провода малы по сравнению с высотой каркаса, то приближенно можно принять

Основными недостатками профильных реостатов являются слож­ ность намотки и невозможность изменения функциональной зависи­ мости без замены потенциометра. Поэтому часто применяют ступенча­ тые профильные реостаты или потенциометры с отводами (рис. 21, е), между которыми припаиваются дополнительные резисторы. Подобные

Рис. 22. Примеры перфорирования ленты:

а — с различной длиной перфорационного отверстия; б — с различным расстоянием между отверстиями.

потенциометры могут быть использованы только в схемах, где сопро­ тивление нагрузки в 100 и более раз больше сопротивления потенцио­ метра.

Носителем программы, как уже отмечалось, может быть перфориро­ ванная лента (рис. 22). В первом случае (рис. 22, о) длина отверстия основной перфорации отвечает длительности рабочего времени, которое определяется временем освещения фотоэлемента, а расстояния между смежными отверстиями в продольном ряду — длительности нерабо­ чего времени. Во втором случае (рис. 22, б) все отверстия ленты основ­ ной перфорации имеют одинаковые размеры. Команды включения и вы­ ключения в этом случае определяются расстоянием между отверстиями и надлежащей их группировкой.

На ленте можно записать (зашифровать) любые команды, а следо­ вательно, и получить управляющие сигналы, которые передаются затем в систему программного регулирования.

Кроме перфорированной ленты, может быть использована лента с участками различной электропроводности, прозрачности или отра­ жательной способности.

Контрольные вопросы

1.По каким основным параметрам выбираются датчики?

2.Каковы недостатки угольных датчиков?

3.Что такое чувствительность датчика и как она определяется?

4.Назовите достоинства и недостатки потенциометрических датчиков.

5. Почему характеристика «выход — вход» индуктивного датчика нелинейная?

6.Укажите назначение тензометрических датчиков и область их применения.

7.Назовите типы фотоэлементов.

53

3. УСИЛИТЕЛИ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

3.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Датчики систем автоматики выдают сигнал, который, как правило, недостаточен по мощности для управления регулирующим органом. Выходная мощность датчиков в большинстве случаев составляет сотые, тысячные доли ватта и менее, тогда как мощность, необходимая для регулирующего органа, может составлять десятки и сотни киловатт. Чтобы иметь достаточную мощность для управления регулирующим органом и не применять мощных датчиков, в системах автоматики ис­ пользуют усилители.

Усилители различаются: по величине выходной мощности; по виду вспомогательной энергии, подводимой к усилителю; по коэффициенту усиления; по принципу действия; по форме характеристики, выражаю­ щей зависимость между выходной и входной величинами. Выходная мощность современных усилителей, используемых в системах авто­

мой к усилителю, они бывают электрические, электромеханические, магнитные, электронные, гидравлические, пневматические и комби­ нированные. В автоматике сельскохозяйственных объектов наиболь­ шее применение находят электрические, электромеханические, маг­ нитные, электронные и гидравлические усилители.

ских усилителях различают усиление по мощности, по напряжению и по току.

П ° л ф о р м е х а р а к т е р и с т и к и различают усилители с линейной и нелинейной характеристикой. У линейных усилителей выходная величина прямо пропорциональна входной во всем интервале регулирования. В нелинейных усилителях нет пропорциональности между входом и выходом. Формы нелинейных характеристик различны.

К усилителям систем автоматики предъявляются следующие тре­ бования.

1. Выходная мощность должна иметь необходимую величину.

2.Характеристика должна быть по возможности ближе к линей­

ной.

3.Нечувствительность не должна превышать допустимую.

4.Запаздывающее действие в передаче сигнала должно быть минимальным и не должно превышать допустимых пределов.

Рассмотрим усилители, наиболее часто встречающиеся в системах автоматики.

3.2. МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Схема магнитного усилителя показана на рис. 23, а. Магнитопровод усилителя выполнен из двух сердечников, магнитно несвязан­ ных между собой. На эти сердечники накладываются обмотки: рабо­ чая с числом витков W, одна половина которых находится на одном

54

сердечнике, а вторая на другом; обмотка управления, или, как ее иногда .называют, обмотка подмагничивания, с числом витков которая охватывает оба сердечника, и обмотка смещения с числом вит­ ков W'cm (рис. 23, в). Через обмотку управления в усилитель подается

Рис. 23. Схемы и характери­ стики магнитного усилителя:

а — простейший магнитный уси­ литель; б — характеристика управления; в — магнитный уси­ литель с обмоткой смещения; г — характеристика управления.

задающее воздействие (входная величина) в виде постоянного напряже­ ния Uу или постоянной силы тока / у. Выходной величиной усилителя является переменный ток в рабочих обмотках и нагрузочном сопротив­ лении R n, которое включается последовательно с рабочей обмоткой.

Величина тока в рабочей обмотке определяется по формуле

(3-1)

z V r + ^ l*

55

со/, — реактивное сопротивление рабочей обмотки.

Рабочие обмотки накладываются на сердечники так, что магнит­ ные потоки, вызванные протеканием по ним переменного тока, в сред­ них сердечниках будут направлены встречно и взаимно компенсиро­ вать друг друга, поэтому эти потоки никакого влияния на обмотку управления не оказывают.

Чем больше постоянный ток в обмотке управления, тем больше магнитный поток, создаваемый обмоткой управления, а следовательно, тем больше насыщение сердечника. При этом магнитная проницаемость сердечника уменьшается, что приводит к уменьшению индуктивности рабочих обмоток L и, как следствие, к уменьшению реактивного сопро­ тивления рабочих обмоток и увеличению тока нагрузки /. Таким образом, меняя величину тока управления в подмагничивающей об­ мотке, будем менять ток в рабочей обмотке.

Зависимость тока нагрузки / от подмагничивающею постоянного тока / у показана на рис. 23, б. Как видно из рисунка, характер этой зависимости таков, что при отсутствии тока управления на выходе маг­ нитного усилителя будет небольшой ток нагрузки.

Увеличивая ток управления, получим увеличение тока нагрузки. Характеристика / =■-•-=/ (/у) является нелинейной, поэтому всегда сле­

дует стремиться к тому, чтобы работа усилителя проходила на линей­ ном участке МгМ 2 (рис. 23, г).

Для получения большого коэффициента усиления и характеристики усилителя с рабочей точкой М, соответствующей току управления, равному нулю, вводится дополнительная обмотка — обмотка смеще­ ния. Она включается на посторонний источник постоянного тока. Ток смещения обеспечивает дополнительное подмагничивание. Как пра­ вило, оомотка смещения получает питание от какого-либо выпрямителя и включается так, как показано на рис. 23, в. В обмотке управления

Коэффициент усиления зависит от конструктивных параметров магнитного усилителя, в частности от объема люди обмотки управле-

гь,«’ 0Т Маіериала сеРдечника магнитопровода (сталь, пермаллой). Для магнитных усилителей со стальным сердечником Др меньше, чем

56

для пермаллоевых, в несколько раз. На величину коэффициента усиле­ ния влияет и частота тока нагрузки. С увеличением частоты коэффи­ циент усиления увеличивается, поэтому магнитные усилители широко применяются в системах с повышенной частотой.

В зависимости от назначения серийно выпускаемые усилители

Важным параметром магнитных усилителей является их быстро­ действие, т. е. скорость нарастания выходной величины при внезап­ ном изменении входного напряжения, поэтому при внезапном измене­ нии входного напряжения входной ток достигает установившегося зна­

мгновенно. Переходные явления в магнитных усилителях носят слож­ ный характер. Из принципа действия магнитного усилителя следует, что он работает только при питании переменным током. Однако он мо­ жет быть использован для питания различных потребителей постоян­ ного тока (обмоток возбуждения машин постоянного тока, якорных цепей, аккумуляторных батарей в режиме зарядки и т. д.). Для этого на выходе усилителя включается выпрямитель.

Широкое применение в практике, кроме рассмотренных усилите­ лей, называемых однотактными, находят м а г н и т и ы е у с и л и ­ т е л и с о б р а т н о й с в я з ь ю и д и ф ф е р е н ц и а л ы н ы е, или д в у х т а к т н ы е , м а г н и т н ы е у с и л и т е л и .

Магнитные усилители с обратными связями получили наибольшее практическое применение, причем с положительной обратной связью. Применяются магнитные усилители как с внешней обратной связью (рис. 24, а), так и с внутренней (рис. 24, б). Так как положительная обратная связь (поле, создаваемое обратной связью, совпадает по на­ правлению с полем управляющего сигнала; если не совпадает, то отрицательная) увеличивает общий коэффициент усиления, а отри­ цательная — уменьшает, характеристика усилителя (рис. 24, в) ста­ новится несимметричной (участок ab соответствует положительной обратной связи, а са — отрицательной). При внешней обратной связи поле создается дополнительной обмоткой Wox, а при внутренней — обмоткой переменного тока. Для этого в цепь обмоток включаются диоды Д х и Д2, вследствие чего в обмотке переменного тока протекает пульсирующий ток, постоянная составляющая которого и создает поле обратной связи.

Важным показателем, характеризующим интенсивность обратной

В схеме с внешней обратной связью можно обеспечить любое значе­

57

При Ко.с> 1 магнитный усилитель обладает релейными свойствами и его можно использовать в качестве бесконтактного реле.

На рис. 25 изображена характеристика управления магнитного уси­ лителя / = / (/у); здесь же приведена характеристика обратной связи

Рис. 24. Схемы и характеристика магнитных усилителей с обратными связями:

а - внешней: 6 - внутренней; в - характеристика управления.

(прямая ОА). Эти характеристики пересекаются в точках 1 2 и 3 при токе управленияуу = 0. Увеличение тока управления равносильно перемещению прямой ОА на графике параллельно самой себе вправо

неишее увеличение приведет к тому, что рабочая точка скачкойшерЙдет точку 5, и ток в рабочей обмотке резко возрастет от / = / 4 до / = / 6.

58

Такой режим работы магнитного усилителя соответствует режимѵ сра­

батывания контактного реле. Ток управления, соответствующий точке 4, называют т о к о м с р а б а т ы в а н и я .

При уменьшении тока управления характеристика обратной связи ОА будет перемещаться параллельно самой себе в обратном направле­ нии, ток в рабочей обмотке будет уменьшаться, и усилитель из точки 5 перейдет в точку 6. Дальнейшее уменьшение приведет к тому, что ток усилителя скачком уменьшится от / = /„до / = /,. Этот режим усили-

Рис. 25. Характеристика магнитного усилителя в релейном режиме.

теля соответствует режиму отпускания контактного реле. Ток управле­ ния, соответствующий точке 7, называют т о к о м о т п у с к а н и я . Рассмотренная работа магнитного усилителя соответствует принципу действия поляризованного реле. Для получения характеристики маг­ нитного усилителя, аналогичной характеристике нейтрального электро­ магнитного реле, необходимо включить обмотку смещения и пропустить по ней ток такой величины, чтобы характеристика обратной связи (прямая ОА) передвинулась влево и пересекла характеристику только в одной точке.

Д в у х т а к т н ы е м а г н и т н ы е у с и л и т е л и представ­ ляют собой не что иное, как два однотактных усилителя, соединенных определенным образом.

Магнитные усилители широко применяются в системах автоматики, так как просты по устройству (нет вращающихся частей), имеют боль­ шой срок службы и высокий коэффициент усиления.

59