книги из ГПНТБ / Рогов Е.Ф. Основы теории автоматического регулирования учебное пособие

Используя уравнение идеального магнитного усилителя

где es — э.д. с., наводимая в рабочей обмотке. Запишем уравнение (8.10) для средних значений

Амплитуда среднего значения э.д. с., наводимой в рабочей обмотке, равна

£s<p = 4 / W~ Ф0,

откуда

200

В операционной форме записи уравнение (8.14) примет вид

В окончательном виде уравнение магнитного усилителя будет

теля.

Передаточная функция магнитного усилителя, когда за его входную величину принято напряжение входного сигнала (£/у), а за выходную величину — среднее значение переменного тока нагрузки (/~ср), будет равна

ный усилитель относится к апериодическому звену. А как известно, в апериодическом звене переходный процесс считается закончен­

Отсюда видно, что постоянная времени магнитного усилителя прямо пропорциональна коэффициенту усиления по мощности и обратно пропорциональна частоте источника питания. Поэтому для уменьшения постоянной времени применяют источники пита­ ния с частотами от 400 до 1000 гц (на частотах больших, чем 1000 гц, значительно возрастают потери от вихревых токов).

201

Для уменьшения постоянной времени магнитного усилителя можно применять положительную обратную связь, так как

Это объясняется тем, что при наличии обратной связи заданное усиление мощности можно получить при меньшем числе витков обмоток управления и, следовательно, при меньшей индуктивности ?тих обмоток.

§ 8.6. Электромагнитные реле

Основным элементом релейных усилителей являются электро­ магнитные реле, представляющие собой устройства для выполне­ ния переключений в управляемой ими электрической цепи в соот­ ветствии с сигналом, подводимым к обмотке реле. По принципу действия они делятся на электромагнитные нейтральные реле и электромагнитные поляризованные реле.

А. Электромагнитные нейтральные реле

К нейтральным электромагнитным реле относятся такие реле, которые реагируют только на величину тока, но не реагируют на направление тока, протекающего по обмотке электромагнита.

Принцип действия этих реле (рис. 8.16) основан на притяже­ нии якоря 1 к сердечнику 2 электромагнита, по обмотке 3 кото­ рого протекает управляющий электрический ток. При отсутствии тока якорь оттягивается от сердечника возвратной пружиной 4. При наличии в обмотке 3 тока, создаваемый им магнитный поток

электромагнитное (тяговое) усилие, притягивающее якорь к сер­ дечнику. Электромагнитное реле отличается от обычных электро­ магнитов лишь наличием контактной системы 6, предназначенной для замыкания и размыкания управляемой электрической цени (одной или нескольких). На рис. 8.16 также обозначены: 7 — штифт «отлипания», 8 — полюсный наконечник, 9 — часть управ­ ляемой цепи и 10 — часть управляющей цепи, т. е. цепи питания

обмотки.

По роду используемого тока нейтральные электромагнитные реле подразделяются на реле постоянного и переменного тока. По характеру движения якоря основные типы реле можно разделить на две группы — поворотные (рис. 8.16) и втяжные с. перемеще­ нием якоря внутри катушки вдоль ее оси. Рассмотрим только электромагнитные нейтральные реле постоянного тока.

Различают три статических характеристики реле: релейная, тяговая, механическая.

202

Основной статической характеристикой реле, так называемой релейной характеристикой, является функциональная зависимость между выходной и входной величинами реле в установившемся режиме.

Если входной величиной считать ток в обмотке электромаг­ нита 4< а выходной — ток в нагрузке реле /н, то, исходя из принципа работы электромагнитного реле, можем получить релей­ ную характеристику.

Пусть ток в обмотке электромагнита 4 —0, тогда тяговое усилие электромагнитом те создается, а следовательно, контакты

увеличивается и создается условие для более надежного замыка­ ния контактов реле, однако ток в нагрузке А, при этом сохраняет прежнюю величину.

Если теперь уменьшать ток 4- то тяговое усилие электромаг­ нита уменьшается и при величине тока 4» равного величине тока отпускания 4тп> становится меньше противодействующих усилий механической системы реле, и контакты размыкаются. Следова­ тельно, ток в нагрузке А. = 0- Ток отпускания 4™ получается меньше тока срабатывания 4 Р за счет гистерезисных явлений (остаточного магнетизма) в магнитопроводе реле.

203

Релейная характеристика нейтрального электромагнитного реле представлена на рис. 8.17.

Под тяговой характеристикой понимается зависимость элек­ тромагнитного усилия Рэ от величины воздушного зазора 8 при постоянном значении тока в обмотке электромагнита, т. е. Рэ= / (8) при /э = const (кривая 1 на рис. 8.18).

Зависимость противодействующих усилий, возникающих в ме­ ханической системе реле, от положения якоря называется механи­ ческой характеристикой реле, т. е. Ям= /0 ) - Эта характеристика изображена на рис. 8.18 (кривая 2).

Р ис. 8.18.

Для надежного срабатывания реле необходимо, чтобы тяго­ вая характеристика лежала во всех точках выше механической характеристики (рис. 8.18).

204

Из курса электротехники известно, что в случае приложения напряжения к катушке индуктивности ток, протекающий по обмот­ ке катушки, нарастает до установившегося значения не скачком, а по экспоненте. При снятии напряжения с катушки индуктивнос­ ти ток в обмотке катушки уменьшается не скачком, а также по экспоненте. Эти же процессы наблюдаются и при включении и выключении реле. Поэтому реле срабатывает не сразу после вклю­ чения напряжения на его обмотку, а через некоторое время, назы­

Временные характеристики реле зависят от конструктивных параметров реле и от схем включения реле.

Так, для увеличения времени срабатывания ^ср используют короткозамкнутые обмотки, расположенные на сердечнике реле вместе с ее основной обмоткой. На рис. 8.20, а представлена исход­ ная схема реле (обычно так изображаются электромагнитные реле на принципиальных электрических схемах), -на рис. 8.20,6 — схе­ ма включения реле с короткозамкнутой обмоткой. Наведение тока в короткозамкнутой обмотке в процессе срабатывания реле будет но закону Ленца сопровождаться торможением нарастания маг­ нитного потока в основной обмотке, что приводит к увеличению времени срабатывания.

205

Tj— L ~ R , становится равной П— ~пТ~гГ> т- е уменьшается. Сле-

Т " Г\ д

довательно, скорость нарастания тока в обмотке увеличивается и время срабатывания уменьшается. Если в схеме включения реле (рис. 8.20,в) оставить прежнее напряжение питания обмотки, рав­ ное U, то установившийся ток в обмотке уменьшится и не произой­ дет надежной? замыкания контактов, а время срабатывания уве­ личится.

Разумеется, можно увеличить быстродействие реле и путем увеличения питающего напряжения, но в этом случае есть опас­ ность недопустимого перегрева обмотки.

Существуют и другие схемы включения реле, которые подроб­ но освещены в литературе [18].

Поляризованное реле в отличие от нейтрального электромаг­ нитного реле реагирует на полярность подводимого к обмотке на­ пряжения. Это выражается в том, что подвижный якорь реле мо­ жет находиться в одном или в другом крайнем положении при разной полярности входного сигнала. Рассмотрим принцип работы поляризованного реле, изображенного на рис. 8.21.

Поляризованное реле состоит из магнитопровода /, на кото­ ром крепятся катушки с обмотками реле 2. При прохождении тока по обмоткам реле создается магнитный поток одного направления во всем магнитопроводе. К магнитомроводу крепится постоянный

магнит 4, создающий магнитный поток Ф0. Поток Ф0 проходит через подвижный якорь 3 и разветвляется по двум частям магии-

206

топровода на два потока Ф1 и Ф2, один из которых совпадает, а другой противоположен но направлению магнитному потоку Фу обмоток реле. Перемещение якоря происходит е воздушном зазо­ ре магнитопровода и ограничивается неподвижными контактами 5 реле. На конце якоря имеется контакт, который в зависимости от полярности управляющего сигнала, подводимого к обмотке реле, замыкается с левым или правым неподвижным контактом.

Допустим, что при обесточенной обмотке якорь находится сле­ ва. Поскольку левый зазор меньше правого, магнитный поток сле­ ва будет больше правого, т. е. Ф1> Ф 2, и результирующая сила, действующая на якорь, будет направлена влево.

Если через обмотку реле протекает ток указанной полярности

(рис, 8.21), то

где Фл — магнитный поток слева от якоря; Фпр — магнитный поток справа от якоря.

Это значит, что Фл > Фпр и результирующее тяговое усилие бу­ дет направлено по-прежнему влево, поэтому подвижный якорь ос­ танется в левом положении.

Если сменить полярность подводимого к обмотке напряжения на противоположную, то станет Ф „р>Фл, тогда результирую­ щее тяговое усилие будет направлено уже вправо и якорь пере­ бросится в правое положение. После обесточения обмотки якорь останется в правом положении и для переброски якоря влево по­ требуется изменить полярность входного напряжения.

207

У рассмотренного реле якорь занимает одно из двух положе­ ний (позиций): справа или слева. Такие р?ле называют двухпозиционными. В ^некоторых тинах поляризованных реле якорь в сред­ нем положении удерживается пружинами. Поэтому при отсутствии входного сигнала на обмотке реле якорь будет занимать среднее положение, не соприкасаясь с неподвижными контактами. Подоб­ ные реле называют трехпозиционными.

Статические (релейные) характеристики двух- и. трехпознционных реле различны. Так, на рис. 8.22,а изображена релейная характеристика двухпозиционного поляризованного реле, а на рис. 8.22,6 — трехнозиционпого поляризованного реле.

*U/>

О&х

г——-----

0

*8х ~Ucp

-

Р ис 8.22,а.

По сравнению с нейтральными электромагнитными реле по­ ляризованные реле характеризуются большей чувствительностью и меньшим временем срабатывания,

208

§ 8.7. Принцип работы релейных усилителей

Электромагнитное реле с подключенным к его контактам ис­ точником питания нагрузки представляет собой релейный усили­ тель. В системах автоматического регулирования такие релейные усилители нашли широкое применение, несмотря на некоторые их эксплуатационные недостатки («залипание» контактов, наличие помех от искрения и т. п.).

Так как в отдельных системах автоматики релейная характе­ ристика усилителя нежелательна, осуществляют вибрационную линеаризацию релейных усилителей и получают линейную стати­ ческую характеристику.

Сущность вибрационной линеаризации заключается в подве­ дении ко входу реле переменного напряжения с частотой, позво­ ляющей производить нормальное переключение контактов. Однооременно с этим переменным напряжением ко входу реле подво­ дится входной сигнал постоянного или медленно меняющегося на­ пряжения. В результате время нахождения вибрирующего якоря (с частотой переменного напряжения) у одного контакта реле бу­ дет больше времени нахождения этого якоря у другого контакта. Это приводит к тому, что среднее значение (постоянная состав­ ляющая) выходной величины оказывается как бы промодулированным входным сигналом, т. е. величина среднего значения из­ меняется пропорционально изменению величины входного сигнала.

Вибрационная линеаризация релейного усилителя может быть осуществлена как за счет внешних вынужденных колебаний, так и за счет колебаний, вызываемых отрицательными обратными связями.

Поясним принцип вибрационный линеаризации релейного усилителя за счет внешних вынужденных колебаний.

Релейный усилитель, собранный на основе двухиознцноиного реле и изображенный на рис. 8.23, имеет две входные обмотки, на

Если входной сигнал равен нулю и магнитный поток в поля­ ризованном реле создается только за счет линеаризирующего на­ пряжения, то реле переключает свои контакты в каждый полупериод этого переменного напряжения, причем длительность замы­ кания верхнего и нижнего контактов одинакова. Пусть в один полупериод линеаризирующего напряжения и„ замкнутся контакты 1 и 2. Тогда на выходе релейного усилителя будем иметь напря­

209