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

3.3. Э Л Е КТРО Н НЫ Е И ПО ЛУПРО В О ДН ИКО В Ы Е У С И Л И Т Е Л И

Э л е к т р о н н ы е у с и л и т е л и ЭУ в системах автоматики широко применяются для предварительного усиления сигналов, полу­ чаемых с маломощных датчиков, которые имеют очень малую выход­ ную мощность, измеряемую микроваттами. Предельная выходная мощ­ ность электронных усилителей ЭУ не превышает сотни ватт. Эти уси­ лители могут работать на постоянном и переменном токе.

У с и л и т е л ь п о с т о я н н о г о т о к а , простейшая схема которого показана на рис. 26, а, состоит из электронной лампы, в анод­ ную цепь которой включено анодное сопротивление (нагрузка) R a — = RH. С изменением входного напряжения связано изменение анод­ ного тока / а, а следовательно и выходного напряжения t/BbIX, равного падению напряжения на нагрузочном сопротивлении Rn от протекция анодного тока. Резистор R2 служит для ограничения сеточных токов. Резистор Rl является стабилизирующим по отношению к сопротивле­ нию между сеткой и катодом лампы и всегда берется на порядок меньше. Следовательно, входная мощность будет определяться величиной сопро­ тивления резистора P j.Такая схема усилителя является нереверсивной.

Наибольшее распространение из существующих усилителей посто­ янного тока получили м о с т о в ы е у с и л и т е л и (схема парал­ лельного баланса). На рис. 26, б (без той части схемы, которая изо­ бражена пунктиром) приведена схема мостового усилителя. Лампы Лъ Лг и резисторы Rgобразуют мост, в одну диагональ которого вклю­ чается источник питания Еа, а в другую — нагрузочное сопротивле­ ние RH. При равенстве параметров обеих ламп сопротивления их по­ стоянному току будут одинаковыми. Мост будет сбалансирован и на­ пряжение выхода и вЫХ = 0 (при этом имеется в виду, что UBX == 0). При появлении входного сигнала равновесие моста нарушается, по­ тому что потенциал сетки одной лампы будет повышаться, а потен­ циал сетки другой — понижаться и, наоборот.

Применение схем параллельного баланса позволяет сделать усили­ тели более стабильными и значительно уменьшить дрейф нуля, кото­

рый представляет собой уход нуля выходного тока при неизменном сигнале на входе.

Причинами ухода нуля являются изменения напряжения пита­ ния, расстояний между электродами в результате воздействия больших ускорений, параметров накала лампы и изменения, вызванные тем, что абсолютно одинаковых ламп нет и их параметры отличаются друг от друга на 15—20%. Уход нуля уменьшают, в частности, путем вве­

дения отрицательной обратной связи, для этого к цепи катода добавля­ ют сопротивление R3 (рис. 26, а).

Усилители постоянного тока находят применение в качестве бес­ контактных реле, причем малоинерционных и очень чувствительных. Схему бесконтактного реле можно получить, если мостовую схему (рис. 26, б) дополнить частью схемы, показанной пунктиром.

В этом случае получим схему триггера с положительной обратной связью по напряжению. При UBX = 0 схема симметрична (/Зі = / а,)>

60

h

0 -

----------- 3

Рис. 26. Усилители постоянного тока:

а — простейший; б — мостовой-

что соответствует неустойчивому состоянию. Устойчивыми будут два таких состояния схемы, когда анодный ток одной лампы максимален, а другой — минимален. Если / а, = / а2, то потенциалы точек 1 и 2 одинаковы, при незначительном возрастании тока / а, потенциал точки 1 относительно катодов, равный Ѵ1 = ЕЯ— / а,/?а, понизится. Это снизит потенциал на сетке лампы Л.г и, следовательно, уменьшит ее анодный ток / а,. Но уменьшение тока / а2 приведет к повышению потенциала точки 2, равного U2= Еа— ІаД &, т. е. к повышению потенциала сетки лампы Лг и дальнейшему увеличению тока / аі, пока последний не достигнет своего максимального значения. Нарушение неустойчивого равновесия в сторону возрастания тока / а2 будет сопровождаться увели­

чением его до максимального значения и уменьшением / а, до мини­ мального.

Релейный эффект в данной схеме при обратной связи позволяет использовать ее в качестве бесконтактного реле, включая нагрузку

п е р е м е н н о г о т о к а с трансформаторным выходом (рис. 27, а) отличается от усилителя постоянного тока тем, что нагрузочное сопро­ тивление Ra включается в анодную цепь через трансформатор, поэтому напряженнс выхода содержит только переменную составляющую (дрейф нуля здесь не проявляется). Такая схема является реверсивной, т. е. изменение фазы входного напряжения на 180° приводит к изме­ нению фазы выходного напряжения.

В д в у х п о л у п е р и о д н о й с х е м е н и з к о ч а с т о т ­ н о г о у с и л и т е л я (рис. 27, б) воспроизводятся обе полуволны входного напряжения, поэтому ее и называют двухполупериодной в от­ личие от однополупериодной (рис. 27, а). Эта схема также реверсивная.

Низкочастотные усилители переменного тока широко применяются в системах автоматического регулирования в отличие от высокочастот­

ных, которые используются в радиотехнических приемно-передающих устройствах телемеханических систем.

62

ис общим эмиттером.

Вусилителях с общей базой (рис. 28, а) электрод базы является общей точкой для входной и выходной цепей. Усилители, построенные по та­ кому принципу, находят применение в качестве входного каскада для усиления сигнала датчика с низким входным сопротивлением. Выход­ ное напряжение будет в фазе с входным напряжением. Коэффициент усиления по току меньше единицы, а по напряжению — много больше единицы.

Всхемах с общим коллектором (рис. 28, б) общей точкой является вывод коллектора. Такие усилиіели применяются в качестве первого

Рис. 28. Схемы полупроводниковых усилителей:

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

каскада усиления для согласованного включения с датчиками, имею­ щими высокоомный выход, а также в качестве выходного каскада при работе с низкоомной нагрузкой. Коэффициент усиления по току со­ ставляет ІО3, а по напряжению — меньше единицы.

В схемах с общим эмиттером (рис. 28, в) вывод эмиттера является общей точкой для входной и выходной цепей. Схема с общим эмитте­ ром наиболее распространена в практике, потому что она дает высокий коэффициент усиления по мощности и току (порядка ІО3) и обладает сравнительно большим входным сопротивлением. Выходное напряже­ ние находится в противофазе относительно входного.

Полупроводниковые усилители обладают высокой надежностью, незначительной потребляемой мощностью (отсутствуют накальные цепи), большим быстродействием и имеют малый вес и габариты. К их недостаткам относится недопустимость перегрузок по напряжению, температурная зависимость параметров полупроводников, нестабиль­ ность параметров во времени и большой разброс параметров различных экземпляров.

В практике применяют усилители, состоящие из нескольких каска­ дов, включенных последовательно. Соединение между каскадами вы-

63

полняется через емкостную или индуктивную связь. Наиболее выгодна трансформаторная связь, так как она позволяет легче согласовать от­ дельные каскады по выходным и входным сопротивлениям, а также получить более высокое усиление по мощности.

Полупроводниковые усилители находят широкое применение в авто­ матике и как бесконтактные полупроводниковые реле.

3.4. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Простейшим электромашинным усилителем (ЭМУ) является гене­

него слоя якоря. Вдействительности всеэ. д. с. интктируктеяТодних

Т о .* ' "ровод"т а Ѵ »* в Д»Ух слоях, как показ™ на рисТнТ Компенсационная обмотка ОК включается в схему для ѵничтоже-

64

Рассмотренная схема показывает, что усилитель с поперечным, по­ лем представляет собой двухступенчатый усилитель.

Входной величиной первой ступени усиления является напряже­ ние, прикладываемое к обмотке управления UBXt а выходной — э. д. с. в поперечной цепи Ег.

Входом второй ступени усиления является э. д. с. Ег, наводимая

вобмотке якоря, а выходом — напряжение £/вых.

Вусилителе может быть две или четыре обмотки управления, т. е. ЭМУ может иметь четыре отдельных входа.

Электромашинные усилители обычно используют в качестве послед­ него каскада усиления САР для питания обмоток возбуждения гене­ раторов и для питания якорных цепей электродвигателей постоянного тока. Их выходная мощность может составлять от десятых долей до десятков и даже сотен киловатт. Поэтому в ЭМУ всегда компенсируют магнитный поток продольной реакции якоря. Для полной или частич­ ной компенсации параллельно компенсационной обмотке включают шунтирующее сопротивление Яш, что позволяет менять величину тока в компенсационной обмотке.

Электромашинные усилители являются реверсивными элементами, так как изменение тока в обмотке управления приводит к изменению знака выходного напряжения. Несмотря на существенный недостаток — наличие коллектора и вращающихся частей, они находят широкое при­ менение. Регулировочные свойства ЭМУ как элемента САР рассмотрены в разделе 5.

3.5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

Гидравлические усилители нашли широкое применение в системах автоматики. Наиболее распространены поршневые гидравлические усилители с золотниковым управлением.

В системах автоматики сельскохозяйственного производства гид­ равлические усилители используются чаще, чем пневматические. Они применяются в системахавтоматики мобильных машин (для управле­ ния навесными агрегатами) и в системах автоматического вождения тракторов и комбайнов.

Принципиальная схема поршневого гидроусилителя с золотнико­ вым управлением показана на рис. 30, а. Давление рабочей жидкости (масло или специальные жидкости с малым температурным коэффи­ циентом вязкости) создается и поддерживается насосом / (обычно ис­ пользуются шестеренчатые насосы), а регулируется перепускным кла­ паном 2. В нейтральном положении каналы, соединяющиеся с силовым цилиндром 4, полностью перекрыты. Поршень 5 неподвижен. Если на золотник 3 поступит входное воздействие х, действующее вверх, то зо­ лотник переместится вверх и откроет отверстия; при этом верхняя полость силового цилиндра оказывается сообщенной с находящимся под давлением маслом, а нижняя полость одновременно сообщается с обратным сливным трубопроводом. Давление в верхней полости воз­ растает, так как насос 1 работает, нагнетая масло из бака 6 в силовой цилиндр, и поршень 5 будет перемещаться вниз.

Скорость движения поршня ^ будет зависеть от количества масла,

поступающего и вытекающего из цилиндра, что в свою очередь зависит от величины открытия отверстий.

При постоянной нагрузке на шток поршня скорость движения вы­ ходного штока будет определяться величиной перемещения входного штока. В случае перемещения золотника вниз поршень цилиндра будет перемещаться вверх.

Статическая характеристика гидроусилителя показана на рис. 30, б. Характеристика имеет: зону нечувствительности, равную 2а, которая

Рис. 30. Схема гидроусилителя с золотниковым управлением (а) и его ста­ тическая характеристика (б).

обусловлена тем, что ширина пояска золотника несколько больше ши­ рины отверстия; зону насыщения, которая соответствует полному от­ крытию золотниковых отверстий, поэтому скорость движения поршня здесь уже не может возрастать. Если перемещения золотника при работе не достигают значений полного открытия (хтах) и зоной нечув­ ствительности можно пренебречь, то статическую характеристику можно считать приблизительно линейной (пунктир на рисунке).

^Гидроусилители выпускаются без обратной связи и с жесткой обрат­ ной связью по положению поршня гидроцилиндра. Для получения больших мощностей на выходе гидроусилителей применяется каскад­ ное соединение, при этом исполнительный орган первого усилителя воздействует на регулирующий орган последующего и т. д.

Выходная мощность гидроусилителей может составлять единицы, десятки, сотни и более киловатт со значительным коэффициентом уси­ ления (3 -10s-т-3 - ІО5) и с высоким быстродействием.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение усилителей в системах автоматики? ”• Какими параметрами характеризуется усилитель?

3. Каково влияние на работу магнитного усилителя частоты переменного

66

4.Каково назначение внутренней и внешней обратных связей магнитных уси­ лителей?

5.Почему обмотки постоянного тока магнитного усилителя располагают, как правило, на среднем сердечнике Ш-образного магнитопровода?

6.На какие основные типы делятся полупроводниковые усилители?

7.Чем обусловлена зона нечувствительности и зона насыщения в статической характеристике гидроусилителя?

4.ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ РЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

4.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ

Релейные системы автоматики среди многочисленных устройств автоматического регулирования занимают значительное место. Харак­ терной особенностью релейных систем автоматики является скачко­ образное изменение регулируемой (выходной) величины при изменении входной, другими словами, любой элемент системы может принимать только два состояния: «включен» или «выключен». Наиболее распро­ страненными и типичными релейными схемами являются схемы, состоя­

Элементы, входящие в релейную систему автоматики, в зависимо­ сти от тех функций, которые они выполняют, можно разделить на:

приемные элементы, которые воспринимают воздействие на систему автоматики извне;

исполнительные элементы — элементы, выполняющие те функции, для которых предназначена схема;

промежуточные элементы, предназначаемые для передачи воздей­ ствий от приёмных элементов к исполнительным и для обеспечения определенной заданной последовательности работы элементов схемы.

П о х а р а к т е р у р а б о т ы релейные системы разделяются на однотактные и многотактные. В однотактных системах состояние исполнительных элементов однозначно определяется состоянием прием­ ных элементов в любой момент времени и не предусматривается какаялибо определенная последовательность в действиях приемных и испол­ нительных элементов, поэтому в них нет промежуточных элементов. Другими словами, в однотактной системе определенной комбинации входных сигналов (аргументов) соответствует определенное значение функции. При описании таких схем не могут использоваться слова «до», «после», «пока» и т. п., определяющие последовательность ввода аргу­ ментов.

В многотактных системах в работе приемных или исполнительных элементов или тех и других предусматривается определенная После­ довательность, для осуществления которой необходимо наличие проме­ жуточных элементов, т. е. аргументам одной и той же комбинации, но поданных в различные моменты времени, могут соответствовать несколько функций.

Изображение релейной схемы, показывающее количество и состав структурных элементов, а также конфигурацию соединений между эле­

ментами, называют с т р у к т у р о й р е л е й н о й с х е м ы . Наиболее распространенным способом изображения структуры релей­ ных схем является их; графическое вычерчивание, при котором все элементы схемы изображаются в виде графических символов согласно действующим ГОСТам. Чтобы можно было описывать работу, схемы, каждому элементу схемы (контакту, катушке), кроме графических символов, придается буквенное обозначение. Буквенные обозначения могут применяться по-разному. Широко распространен способ, когда каждой катушке контактора реле и другим элементам придается буква, соответствующая первой букве названия элемента, например: кон­ тактор — К, магнитный пускатель — МП, реле времени — РВ и т. д.

Рис. 31. Контакторно-релейные схемы:

а — типа П; б — типа Н.

/

номеру элемента на схеме, например 4К — четвертый контактор. Каж­ дому контакту также придается цифровое и буквенное обозначение, например 4К4 — четвертый контакт четвертого контактора, а в рас­ сматриваемой схеме имеется еще три контакта четвертого контактора.

Другой способ буквенного обозначения катушек элементов заклю­ чается в следующем. Каждой катушке дается название из первых букв той операции, для выполнения которой используется данный элемент, например: для динамического торможения двигателя используют кон­ тактор, его катушку называют КДТ, а контактам данного контактора дают буквенные обозначения с цифровым индексом КДТ3 — третий контакт контактора динамического торможения.

П о в и д у с о е д и н е н и й различают параллельно-последова­ тельные схемы (схемы типа П) и схемы с мостовыми соединениями которые часто называют схемами типа Н.

В схемах типа П (рис. 31, а) контакты и катушки различных эле­ ментов соединяются между собой или параллельно, или последова­ тельно, в то время как в схемах типа Н (рис. 31, б) наличие мостовых элементов (элемент ЗМП) приводит к тому, что контакты и катушки различных элементов оказываются соединенными между собой одно­

68

временно в одних цепях последовательно, а в других — параллельно. Часть релейной схемы, содержащую только контакты, называют к о н ­ т а к т н о й с х е м о й .

Схемы, в которых все катушки элементов включены последова­

изучением только установившихся состояний ее отдельных элементов и не рассматривать ее поведение во времени, то можно воспользо­ ваться специальным математическим аппаратом — а л г е б р о й л о ­ г и к и .

4.2. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ СТРУКТУРЫ И УСЛОВИЙ РАБОТЫ РЕЛЕЙНЫХ СХЕМ

Выше было отмечено, что любая релейная схема может быть изобра­ жена с помощью графических символов. Если в графическое начерта­ ние схемы вместо графических символов ввести только буквенные обо­ значения, то можно совершенно отказаться от использования графиче­ ских символов.

Если обозначить катушки элементов большими буквами латинского алфавита, замыкающие контакты — малыми буквами и размыкающие контакты — малыми буквами с черточкой над буквой, то это позволит вычерчивать схемы, используя только буквенные обозначения.

Больше того, если обозначить последовательное соединение между контактами знаком умножения (точкой), а параллельное соединение — знаком сложения (плюсом), то структуру контакторно-релейных схем можно записывать в виде аналитических выражений, которые называ­ ются с т р у к т у р н ы м и ф о р м у л а м и с х е м .

На рис. 32, а приведена контакторно-релейная схема в графическом изображении, а на рис. 32, б — та же схема с использованием буквен­ ных символов, согласно вышепринятым правилам.

69