Общие сведения об усилительных устройствах

 

Усилители как элементы систем автоматиче­ского управления предназначены для усиления по мощно­сти сигналов управления (или сигнала ошибки) до уровня, необходимого для управления исполнительными механизмами. Усилитель представляет собой устройство, в котором сравнительно маломощным входным сигналом можно уп­равлять передачей большой мощности от источника энер­гии к нагрузке, то есть исполнительному механизму или другому элементу системы автоматического управления.

 

Усилительные устройства систем автоматического управления и регулирования классифицируются по виду энергии первичного источника питания и по типу усили­тельного (или распределительного) элемента.

По виду используемой энергии усилители делятся на электрические, гидравлические и пневматические. К группе электрических усилителей в зависимости от типа усили­тельного (управляющего) элемента относятся ламповые, полупроводниковые, магнитные, электромагнитные и электромеханические усилители. Гидравлические и пневмати­ческие усилители имеют общие принципы действия и в зависимости от типа усилительного (распределительного) элемента подразделяются на дроссельные и струйные.

Усилительные устройства используются в системах автоматического регулирования как самостоятельные эле­менты, так и в составе регуляторов и исполнительных механизмов.

К усилителям, используемым в системах автоматиче­ского управления и регулирования, предъявляют следую­щие основные требования:

- усилитель должен иметь требуемый коэффициент пере­дачи (усиления) по мощности и другим параметрам;

- постоянная времени усилителя, характеризующая его быстродействие, должна быть малой по сравнению с этими же характеристиками других элементов системы;

- статическая характеристика усилителя в рабочей зоне изменения выходной и входной величин должна быть линейной;

- порог чувствительности усилителя должен быть ми­нимальным и не превышать допустимого значения.

Наряду с этими требованиями существенное значение имеют технологические, эксплуатационные и экономиче­ские показатели. Основной показатель усилителя – его коэффициент усиления по мощности:

k _y = Δ P _вых/ Δ P _вх,

где Δ P _вых, Δ P _вх – приращение мощности на входе и на выходе уси­лителя.

Наряду с общей функцией усиления по мощности уси­лительное устройство может выполнять функцию усиления лишь одного из параметров, входящих в выражение мощ­ности, при значении второго параметра, равном нулю или близком к нему.

Коэффициент усиления по напряжению:

k _u = Δ U _вых / Δ U _вх,

Коэффициент усиления по току:

k _i = Δ I _вых / Δ I _вх,

где Δ U, Δ I – соответственно приращения напряжения и тока на выходе и на входе усилителя.

Входные величины усилителя в зависимости от его типа – это ток и напряжение, скорость перемещения управляющего элемента и момент сопротивления или расход и давление рабочего тела (в гидравлических и пневмати­ческих усилителях). Выходные величины – это ток и напряжение, расход и давление рабочего тела (жидкости, газа) на входе исполнительного механизма.

Магнитные усилители

 

Магнитным усилителем (МУ) называется электромагнитный аппарат, предназначенный для усиления сигнала малой мощности постоянного тока, до сигнала большой мощности переменного тока. Управляющий элемент магнитного усилителя – катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником. Принцип действия магнитного усилителя основан на зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных материалов катушки с сердечником при питании переменным током от подмагничивающего действия постоянного поля.

Рисунок – Магнитный усилитель:

а – схема; б – статическая характе­ристика; в – статическая характерис­тика в релейном режиме

 

Магнитный усилитель состоит из двух рабочих катушек ω ₁ и ω ₂, намотанных на двух сердечниках I и II из ферро­магнитного материала, и катушки управления ω_унамотанной на стержнях обоих сердечников магнитопровода.

Рабочие катушки соединены таким образом, чтобы их переменные магнитные потоки Ф во внутренних стержнях магнитопровода были направлены навстречу, вследствие чего электродвижущие силы, индуктируемые переменными магнитными потоками Ф в обмотке управления ω_у, будут взаимно компенсироваться.

Входная величина МУ – напряжение U _у или ток I _у в обмотке управления. Выходная величина МУ – перемен­ный ток в сопротивлении нагрузки R _н.Значение этого тока

где R = R _н+ R _ω– сумма активного сопротивления нагрузки и рабочих катушек МУ; ωL = ω (L₁ + L₂) – сумма реактивных сопротивлений рабочих катушек ω₁и ω₂МУ.

Индуктивность рабочих обмоток МУ

L₁ = L₂ = (ω² S /l) μ,

где ω – число витков катушки;

S – площадь сечения сердечника;

l – длина средней линии сердечника;

μ – коэффициент магнитной про­ницаемости сердечника.

Протекающий по обмотке управления постоянный ток меняет насыщение магнитопровода, изменяя при этом его динамическую магнитную проницаемость. При увеличении тока управления уменьшается реактивное сопротивление рабочих катушек МУ и увеличивается ток, протекающий через сопротивление нагрузки. Статическая характеристи­ка МУ, представляющая собой зависимость тока нагрузки от тока управления, (показана на рисунке б).

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления МУ по мощности

Для получения большего коэффициента усиления следу­ет обеспечить работу МУ на наиболее крутом участке рабо­чей характеристики. Это достигается смещением характе­ристики дополнительным подмагничиванием магнитопровода с помощью обмотки смещения. Обмотка смещения на­мотана на том же сердечнике, что и обмотка управления, и питается от источника постоянного напряжения.

Коэффициент усиления МУ зависит от материала магнитопровода и от частоты переменного тока. Для МУ с магнитопроводом из электротехнической стали, коэффициент усиления составляет 50...200 при частоте переменного тока 50 Гц и 100...800 при частоте 500 Гц. Для МУ с магнитопроводом из пермаллоя коэффициент усиления равен 100...1000 при частоте переменного тока 50 Гц и 200...2000 при частоте 500 Гц.

При увеличении тока управления рабочий ток внагруз­ке изменяется до точки 1 на характеристике и скачком увеличивается до значения в токе 2.При дальнейшем уве­личении тока управления рабочий ток увеличивается незна­чительно. При уменьшении тока управления рабочий ток плавно изменяется до точки 3,а затем скачком изменяется до значения его в точке 4.

К недостаткам обычных МУ следует отнести их малое быстродействие, которое определяется постоянной времени цепи управления

где f – частота переменного тока;

R, ω_р – активное сопротивление и число витков рабочих обмоток;

R _y, ω_y– сопротивление и число вит­ков обмотки управления.

Передаточная функция МУ имеет вид: