8.2. Усилительно-преобразовательные устройства

Усилителем принято называть устройство, повы- шающее энергетический уровень (мощность, напряжение, силу тока, силу и т. п.) некоторой информационной посылки за счет, как правило, энергии постороннего источника, которая модули- руется в соответствии с сигналом, поступающим на вход устрой- ства. Поскольку такие устройства используют и для преобразова- ния информации, то их в отличие от датчиков называют вторич- ными преобразователями. Необходимость применения усилительно-преобразовательных устройств обусловлена тем, что информация о состоянии объекта имеет малый энергетический уровень, так как в противном случае первичный преобразователь заметно влиял бы на состояние контро- лируемого объекта, а для управления объектом с целью обеспече- ния необходимого режима требуется, как правило, значительная мощность. Например, мощность приводных двигателей в металло- режущих станках в среднем равна примерно 1,5 кВт, а мощность на выходе моста, составленного из тензометрических проволочных Датчиков, примерно 0,1 мВт. Очевидно, что в этом случае необхо- димо устройство с коэффициентом усиления по мощности kp = = 15-10*. Даже в схемах сравнения, которые являются необходи- мым элементом САдУ, для большей эффективности имеет смысл сравнивать на больших уровнях опорный сигнал и сигнал, пришед- ший по измерительному тракту. Необходимость в использовании Усилителей после сравнивающего устройства диктуется и тем, что

сигнал рассогласования, определяемый как разность между опор- ным сигналом и сигналом о состоянии объекта управления, мал. Не исключена и такая ситуация, при которой информация о состоянии объекта имеет такую природу, когда сравнение сигналов, да и управление исполнительным устройством лучше выполнять, используя энергию другой природы. Если измерения лучше произ- водить, скажем, на переменном токе, то сравнение сигналов лучше производить на постоянном токе. Дело в том, что при сравнении сигналов на переменном токе происходит векторное сложение вели- чин, при котором необходимо учитывать не только модули, но и фазовые сдвиги. Принципы действия усилителей различны, и наряду с электри- ческими усилителями используют усилители, работающие на неэлектрических принципах. Усилители, работающие на электри- ческих принципах, в целом ряде случаев предпочтительнее, чем неэлектрические. Достоинством электрических усилителей явля- ются возможность получения больших коэффициентов усиления, малая инерционность, возможность в ряде случаев складывать и вычитать сигналы, способность преобразовывать сигналы и др. Неэлектрические усилители работают на гидравлических и пнев- матических принципах, сюда же можно отнести условно и такие механические конструкции, как рычаг, редуктор или мультипли- катор, благодаря которым можно увеличить либо силу, либо пере- мещение. Условность заключается в том, что при этом не происхо- дит какого-либо увеличения энергии. Неэлектрические усилители позволяют плавно изменять выход- ную величину, например скорость перемещения какого-либо эле- мента, в очень широком диапазоне; так, система генератор-электро- двигатель позволяет изменять скорость примерно в 20 раз, а гидро- привод — в 200 раз. Наиболее часто в САдУ используют различ- ные электрические усилители. Электронные и полупроводниковые усилители. К ним относят различные усилительные устройства, построенные на электронных лампах и полупроводниковых приборах. В последнее время отда- ется явное предпочтение полупроводниковым усилителям, хотя не следует забывать, что электронные лампы требуют для своего управления очень малую мощность (порядка 10"10 — 10~1г Вт), которая значительно меньше, чем та, которая необходима для управления, скажем, равноценным транзистором. Технические показатели полупроводниковых усилителей в общем сходны с показателями ламповых усилителей, но в отличие от последних полупроводниковые усилители имеют очень высокий КПД, доходящий до 98%, в то время как у ламповых он не превы- шает 50%. Срок службы полупроводниковых усилителей практи- чески не ограничен (примерно 104 — 105 ч) в то время как элек- тронно-усилительные лампы имеют срок службы в среднем около J03 ч. Существенным недостатком полупроводниковых усилителей является сравнительно малый диапазон температур, при которых

они сохраняют свою работоспособность. Так, германиевые при- боры сохраняют работоспособность при температуре от —40 до 65 °С, кремниевые приборы позволяют вести их эксплуатацию при изменении температуры от —50 примерно до 120 °С. Температур- ные влияния оказываются настолько сильными, что при изменении температуры от +20 до +40 °С их основные параметры изме- няются почти в 2 раза. Электронные усилители сохраняют свою работоспособность без заметного изменения параметров при изме- нении температуры от —40 до +250 °С. Как ламповые, так и полупроводниковые усилители являются практически безынерционными устройствами и способны усиливать сигналы на частотах, превышающих 10 МГц. Задачи, решаемые ламповыми и полупроводниковыми усили- телями, не ограничиваются лишь функциями усиления напряже- ния, силы тока или мощности. Класс усилителей, называемых операционными, позволяет успешно моделировать и математиче- ские операции (сложение, вычитание, дифференцирование, инте- грирование и др.). Тиристорные преобразователи. В системах, где необходимо управление различными электрическими приводами, работающими как на постоянном, так и на переменном токе, широко используют тиристорные преобразователи (рис. 6.9, а). Сам тиристор пред-^

/М

S)

Рис. 6.9. Тирисгврный преобразователь: а — схема включения для управления током двигателя постоянного тока с независимым возбуждением: б — вольт-амперная характеристика тиристора и временные диаграммы напряжения и силы тока в схеме с тиристором

ставляет собой полупроводниковый прибор, являющийся по сути управляемым диодом. Это значит, что с помощью некоторых управ- ляющих сигналов оказывается возможным изменять его вольт- амперную характеристику (рис. 6.9, б) При отсутствии тока iy в цепи управления вольт-амперная характеристика имеет некоторый порог и при подаче на тиристор переменного напряжения, амплитудное значение которого меньше порогового значения, тиристор практически не обладает вентиль- ными свойствами и одинаково плохо проводит ток как в прямом, так и в обратном направлениях Но если амплитудное значение напряжения превышает пороговое, то при достижении порогового значения тиристор открывается и наблюдается резкий скачок силы тока. Если затем приложенное к тиристору напряжение умень- шается, то изменяется сила тока, проходящего через тиристор (см. стрелки на рис. 6.9, б). Иными словами, его характеристика в это время практически не отличается от характеристики обычного диода. Пороговым напряжением можно управлять путем подачи тока на управляющий электрод и при некотором значении силы этого тока порог исчезает, а характеристика становится аналогич- ной характеристике обычного диода. Способы управления могут быть различными Можно, например, для управления использо- вать переменное напряжение, фаза которого сдвигается относи- тельно фазы основного переменного напряжения, приложенного к тиристору, последовательно соединенному с потребителем, токо- вый режим которого необходимо менять. В качестве управляющих сигналов можно использовать гамму импульсов, сдвигаемую во времени. В этом случае тиристор открывается лишь в моменты прихода импульса управления, который, так сказать, «убирает» порог характеристики. На рис. 6 9, б представлен случай управления током якоря двигателя постоянного тока с независимым возбуждением и приве- дены временные диаграммы для некоторого конкретного расписа- ния управляющих импульсов. Суть процесса заключается в том, что в момент прихода управляющего импульса тиристор становится проводящим ток в одном направлении и если эти управляющие импульсы приходят в моменты различных фазовых состояний синусоидального напряжения, то меняется среднее значение силы тока через двигатель; диаграмма тока представлена как заштрихо- ванная часть синусоиды. Для управления частотой вращения асинхронных двигателей необходимо изменять частоту переменного тока, обтекающего его обмотки. И в этом случае используют тиристоры, с помощью кото- рых формируются прямоугольные биполярные импульсы различ- ной длительности Достоинства тиристоров практически безынер- ционность, малое внутреннее сопротивление в открытом состоянии Последнее означает, что действующее на них падение напряжения мало и оно на порядок меньше, чем для таких газовых приборов, как тиратроны.

1Л/.

• и*

-"у

^.7. Г llll

llll""*

<^>

1 1 \\ w,.c 1

\\\\ / "IV," \

..(

Рис. 6.10. Схема магнитного усилителя с внешней обратной связью

Магнитные усилители представляют собой главным образом выходные каскады усилителей, имеющих выход- ную мощность от единиц до сотен ватт. ААагнитные уси- лители хорошо сопрягаются с нагрузкой в виде двигате- лей переменного тока. Каска- ды предварительного усиле- ния выполняют обычно на полупроводниковых эле- ментах. Магнитный усилитель — устройство, действие которого основано на использовании нелинейности кривой намагничивания ферромагнитного материала. На сердечнике магнитного усилителя (рис. 6. 10) размещены обмотки и>, — управления, обтекаемая постоянным током; а», и ш.> — две одинаковые, включаемые после- довательно с нагрузкой /?„; w0. e — внешней обратной связи. При прохождении тока по обмотке управления wy создаются ампер-витки намагничивания, что приводит к изменению эффектив- ной магнитной проницаемости ц сердечника, а следовательно, и к изменению индуктивного сопротивления обмоток K>J и w.2. Эти обмотки включены таким образом, что наличие каких-либо гармо- нических составляющих в обмотке управления не приводит к появлению трансформаторного эффекта. Изменение индуктивного сопротивления обмоток ю, и w, за счет изменения ц. приводит к из- менению тока нагрузки. На рис. 6. 11, а показан характер изменения индукции В и коэффициента магнитной проницаемости |л при изменении ампер- витков намагничивания (/ш)у за счет сигнала управления. Поскольку коэффициент индуктивности L катушки с сердечни- ком зависит от коэффициента магнитной проницаемости ц, то при ее уменьшении уменьшается и индуктивное сопротивление Xt — jt;B< Положительная обратная связь

<s> Без обрат- ной, связи :*« ^> ^7 *; aw) у PIIC. б.II Изменение параметров В, |д и ('„ магнитного усилителя при изме- нении намагничивающих ампер-витков управления (lw)y

= 2я/1,- что приводит к возрастанию силы тока, проходящего через нагрузку /?„. Очевидно, что путем изменения силы тока управления (а он значительно меньше силы тока нагрузки) можно управлять значительной выходной мощностью, расходуемой на нагрузке. При наличии обратной связи (для этого на сердечнике распола- гают специальную обмотку, обтекаемую постоянным током, про- порцг энальным току нагрузки) характеристика магнитного усили- теля может иметь вид, отличный от того, что показан на рис. 6.11, б. Если ампер-витки управления создают магнитодвижущую силу (МДС), направленную навстречу МДС от обмотки обратной связи, то обратная связь является отрицательной и зависимость тока нагрузки от тока управления окажется более слабой, чем в том случае, когда обратная связь отсутствует. Если же при наличии обратной связи ток управления изменит свое направление, то ампер-витки управления и ампер-витки обратной связи будут однонаправленны, что приведет к появлению положительной обрат- ной связи и соответственно к большей крутизне характеристики магнитного усилителя. Наконец, при большом коэффициенте обратной связи, если она положительна, магнитный усилитель начинает работать в релейном режиме; при этом сила тока нагрузки резко изменяется, что и используют при создании бесконтактных переключателей. Преимущества магнитных усилителей: надежность, высокий коэффициент усиления по мощности, возможность складывать сигналы управления, а значит, и их сравнивать, сравнительно высокий КПД. Недостатки: большая инерционность (постоянная времени равна нескольким секундам), зависимость коэффициента от рабочей частоты. Последнее обстоятельство заставляет предъяв- лять повышенные требования к стабильности частоты питающего напряжения. Магнитные усилители обычно используют для управления мощ- ностями от нескольких (до десяти) ватт до нескольких киловатт. Рабочая частота обычно не превышает 400 Гц, особенно часто их используют при работе на промышленной частоте. Магнитные усилители используют реже, чем полупроводниковые, включая сюда и тиристорные преобразователи.

6.3. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Под исполнительными устройствами обычно пони- мают последний каскад в САдУ, воздействующий либо непосред- ственно, либо через какое-либо согласующее устройство на регу- лирующий элемент или объект системы. Это может быть, например, реостат в цепи возбуждения двигателя, серводвигатель, с помощью которого изменяется состояние регулирующего клапана гидро- системы, и др.

001 -а^о>- овг —\_AJkJ

Рис. &12. Схема включения ревер- Рис. 6 13. Способы включения серводви- сивного серводвигателя гателя с независимым возбуждением

Исполнительные устройства могут иметь различные по природе выходные величины (механические, электрические, световые и др.). Ниже рассмотрим только серводвигатели, т. е. двигатели неболь- шой мощности, с помощью которых осуществляется механическое воздействие на регулирующий элемент. Серводвигатели могут иметь разное исполнение, но, как пра- вило, все они обладают реверсивными свойствами. Известно, что изменение направления вращения двигателя постоянного тока осуществляется либо за счет изменения направления тока, прохо- дящего через якорь, либо за счет изменения направления потока возбуждения. В серводвигателях сериесного типа (рис. 6.12) для осуществления реверсирования предусматривают две обмотки воз- буждения ОВ1 и ОВ2 и в зависимости от того, какая из них задей- ствована, двигатель вращается в ту или другую сторону. Обычно такой двигатель управляется релейным элементом в виде, напри- мер, перекидного контакта К. Двигатели с независимым возбуждением могут быть включены по-разному. На рис. 6.13 представлены два возможных включения такого двигателя на выход усилительного устройства. К выходу усилителя может быть подключена обмотка возбуждения (рис. 6.13, а), а якорь через защитный резистор R подключен к постоянно действующему источнику постоянного тока. Необходи- мость в последовательном включении резистора R обусловлена тем, что при остановке двигателя сила тока яко"ря становится большей из-за отсутствия противоЭДС вращения. Однако наличие этого резистора приводит к тому, что при пуске двигатель медленно набирает обороты и вся система обладает плохим быстродействием. Кроме того, не исключен и самоход двигателя даже тогда, когда обмотка возбуждения не обтекается током управления, что объяс- няется наличием остаточного намагничивания полюсов. Такое включение используют в тех случаях, когда выходная мощность усилителя мала, поскольку на возбуждение серводвигателя затра- чивается примерно 0,1 общей мощности, подводимой к серводви- гателю. Схема включения, представленная на рис. 6.13, б, когда на выходе усилителя включен якорь, свободна от недостатков, прису- щих схеме включения, показанной на рис. 6.13, а, но в этом случае требуется более мощный выхрд усилителя. Поэтому второй схеме

Рис. 6 14 Схема включения серво- двигателя для получения напряже- ния, пропорционального частоте вра- щения

включения, если нет каких-либо ограничений по мощности, отдают предпочтение. При решении задач по стабилизации САдУ иногда рекомен- дуется охватить дополнительной обратной связью возможно боль- шее число инерционных звеньев. Задача, однако, может быть осложнена тем, что входной координатой для тракта обратной связи является частота вращения двигателя, а выходной должна быть электрическая величина, например напряжение. Использо- вание тахогенератора для преобразования 'частоты вращения в напряжение может быть неприемлемым, например, в том случае, если мощность двигателя невелика и соизмерима с мощностью, необходимой для функционирования тахогенератора. В таких слу- чаях может быть рекомендована схема включения серводвигателя, представленная на рис. 6 14. Напряжение, снимаемое между точ- ками / и 2, пропорционально частоте вращения п. При этом реко- мендуется сопротивление резистора R выбирать равным сопротив- лению якоря в заторможенном состоянии двигателя, а сопротивле- ния резисторов гг и гг выбирать равными друг другу и их значения равны нескольким килоомам. Суть явлений заключается в том, что при заторможенном дви- гателе напряжение между точками 1 и 2 равно нулю, поскольку мостовая схема, плечами которой являются резисторы rlt r>, R и Ra, сбалансирована, а при вращении появляется ЭДС вращения, пропорциональная частоте вращения (£ — kn). При использова- нии в качестве серводвигателя двухфазного асинхронного двига- теля задача реверсирования решается уже за счет того, что в одной из фазовых обмоток изменяется фаза тока на обратную. Что касается схемы включения, то ее здесь не приводим ввиду своей очевидности (одна из обмоток должна быть подключена все время к постороннему источнику тока, например, через фазосдвигающий конденсатор, а другая — на выход усилителя переменного тока).

264