Множительно-делительные устройства.

Простейшим элементом, посредством которого удается получить умножение и деление, является уравновешенный мост постоянного тока. Однако эти устройства имеют много недостатков и точность их невелика.

В качестве М-Д устройств используют операционные усилители и микросхемы, реализующие следующие зависимости

U_z = k_мU_xU_y. U_z = kд(Ux / U_y)

Существуют устройства прямого и косвенного действия. П о способу построения схем устройства прямого действия могут быть разомкнутого (а) и замкнутого типа (б).

 

Коэффициент передачи в первых пропорционален управляющему параметру и их точность определяется качеством работы элементов с регулируемым коэффициентом передачи. Поэтому к таким элементам предъявляются жесткие требования по линейности, стабильности и динамическому диапазону характеристики

Вторая схема является более совершенной, в ней изменение коэффициента передачи осуществляется автоматически в цепи с отрицательной обратной связью. Это повышает точность, расширяет динамический диапазон и снижает требования к элементам с регулируемым коэффициентом передачи.

Для такой схемы можно записать U_р = k[U_д k_П1 (U_р) - U_х].

 

Откуда .

 

При большом коэффициенте усиления k для этого выражения справедливо

.

Тогда выходное напряжение устройства .

 

 

Усилительные устройства

Усилительные устройства – это такие преобразовательные устройства, которые позволяют малым на входе сигналом управлять значительным сигналом по мощности на их выходе.

Электрические усилители предназначены как для управления электродвигателями, так и для увеличения коэффициента усиления (преобразования) в замкнутых системах управления в целях улучшения их качественных показателей.

Данные устройства подразделяются на три группы: электромашинные, магнитные и электронные.

Основные требования к усилительным устройствам:

– высокий коэффициент усиления;

– плавность изменения выходной величины;

– отсутствие гистерезисных явлений;

– малая инерционность;

– бесконтактность;

– высокая надежность и долговечность;

– стабильность характеристик (статических, динамических) при изменении напряжения, частоты, температуры;

– малая металлоемкость;

– простота конструкции.

 

Электромашинные усилители

 

Данные устройства относятся к вращающимся усилителям, представляющим собой электрические генераторы постоянного тока. Они подразделяются - на обычные электромашинные (генераторы постоянного тока) и специальные электромашинные с поперечным полем (ЭМУ). Первые не используются из-за низкого коэффициента усиления. Нашли применение устройства поперечного поля.

У них на коллекторе имеются две пары щеток, которые замкнуты накоротко. В индукторе ЭМУ имеются 2 или 4 обмотки управления. Если через обмотку управления ОУ1 пропустить ток, то намагничивающая сила от магнитного потока Ф1 при вращении машины с постоянной скоростью будет наводить ЭДС на щетках 1-1. Т.к. они замкнуты накоротко, то в якоре потечет ток силой I₂, который в свою очередь создает намагничивающую силу и поток Ф2. Поскольку сопротивление обмотки 1-1 мало то уже малый Ф1 вызовет возникновение большого магнитного потока Ф2. Этот поток является неподвижным в пространстве, в нем вращается якорь ЭМУ, создавая ЭДС на щетках 2-2. При подключении к щеткам нагрузки по внешней цепи потечет ток силой I₃, создающий поток Ф3, направление которого противоположно потоку Ф1. Для того чтобы, при увеличении магнитного потока Ф3, приводящего к увеличению потока Ф2, машина не стала неуправляемой, действие первого компенсируется. Это достигается введением компенсационной обмотки (КО), обтекаемой током силой I₃.

ЭМУ имеет две ступени усиления. Коэффициент усиления по мощности первого 40-200, второго 50-200

 

Достоинства:

- большой коэффициент усиления по мощности (до 10⁴);

- значительная выходная мощность (до 10 кВт);

Недостатки:

- наличие щёточных контактов;

- нелинейность статических характеристик;

- наличие гистерезиса выходной величины;

- ограниченный срок службы (из вращающихся частей);

- инерционность;

- низкий КПД.

Электронные усилители

Электронные – электронно-ионные и полупроводниковые. Первые практически перестали использовать из-за крупных габаритов и хрупкости элементов. В настоящий момент применяются в основном усилители, выполненные на полупроводниковых элементах (вентильные): управляемые и неуправляемые.

Устройства управляемые (транзисторы, тиристоры) служат для управления напряжением или мощностью на выходе, или функционируют в режиме ключей. Т.е. они могут работать в непрерывном, либо в дискретном режимах.

Чаще всего используются для изменения частоты вращения двигателей, а также в качестве промежуточных усилителей, средств осуществления обратной связи, пускорегулирующих элементов. Широко применяются в электрических регуляторах.

Достоинства:

- высокий коэффициент усиления (до 10⁶);

- быстродействие;

- малые габариты и вес;

- большой срок службы;

- возможность управления напряжением и мощностью в широких пределах;

- высокий КПД;

- суммирование большого числа сигналов.

Недостатки:

- разброс выходных характеристик;

- трудность настройки.

 

Магнитные усилители

 

Принцип действия основан на использовании нелинейных магнитных характеристик ферромагнитных материалов (изменения индуктивности рабочей обмотки в зависимости от насыщения ферромагнитного сердечника).

Достоинства МУ: высокая надежность, практически неограниченный срок службы, большая выходная мощность, возможность усиления малых сигналов. Их используют как усилители входных сигналов, поступающих от датчиков и других элементов автоматики, применяют в измерительных устройствах, вычислительных машинах.

Данные устройства подразделяются на нереверсивные (однотактные) и реверсивные (двухтактные).

МУ состоит их замкнутых ферромагнитных сердечников (их бывает обычно 2 или 3) на каждом из которых располагается обмотка. Одна из них является управляющей, а другие рабочими. МУ также называются дроссельными. Данные устройства подразделяются на реверсивные (однотактные) и реверсивные (двухтактные). Катушки могут работать от одно-и трехфазных токов, а выходной величиной может быть переменный, либо постоянный ток. Как правило, рабочая катушка питается, переменным током, а управляющая – постоянным.

Рассмотрим МУ, состоящий из трех сердечников. Его рабочая часть состоит из двух обмоток W₁ и W₂, которые расположены на крайних сердечниках и подключаются между собой последовательно и встречно, либо встречно-параллельно. Чаще подключение последовательное. Сопротивление нагрузки R_н подключается в цепь либо последовательно рабочим обмоткам, либо (реже) параллельно им. Обмотка управления W_У, расположенная на среднем сердечнике, обеспечивает его подмагничивание. Следовательно, от изменения тока в ней будет зависеть ток в рабочих обмотках и цепи нагрузки, а также выходное напряжение, т.е.

U_вых = f(U_др) или I_н = f(I_у).

При анализе работы МУ для получения статических характеристик обычно рассматривают идеальное устройство, имеющее следующую характеристику намагничивания

В = j(Н), ограниченную тремя прямыми,

где Н – напряжение магнитного поля;

В - магнитная индукция;

В_s - ндукция насыщения.

Т.е. при Н = 0, m ® µ и, следовательно, индуктивность рабочих обмоток L ® ∞. Скорость изменения магнитной индукции ½ dB/dH ½ ® ∞, а ½ B ½ < ½ B_s ½. В этом случае I_н = 0. Когда Н > 0, m = 0 и L = 0 и тогда ½ dB/dH ½ = 0, а

½ B ½ = ½ B_s ½. При этом I_н ® ∞.

Рассмотрим работу МУ при I_y = 0, когда нагрузка носит активный характер, сопротивление цепи управления мало, т.е. R_у << R_р + R_н и R ® 0. Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, создаваемые намагничивающими силами переменного тока направлены (в среднем сердечнике) навстречу друг другу и компенсируют друг друга, что исключает наведение здесь ЭДС переменного тока. Т.е. при подаче к рабочей цепи напряжения, которое меняется по синусоидальному закону U = U_m sinwt, оба сердечника будут перемагничиваться. Индукции в них равны и будут изменяться по синусоидальному закону В₁ = В₂ = В_msin(wt - p/2). При этом параметры усилителя выбирают так, чтобы B_m < B_s. Следовательно, магнитная проницаемость m и индуктивность рабочих катушек L велика, оба сердечника ненасыщенны и напряжение будет полностью приложено к рабочим обмоткам, а, следовательно, I_н = 0. В реальных МУ при U_у = 0 в рабочих обмотках протекает ток холостого хода.

При наличии входного сигнала магнитодвижущая сила I_yw_y создает в сердечниках постоянную составляющую индукции B₀, которая в каждый полупериод подмагничивает один и размагничивает другой сердечник. Тогда индукции в сердечниках

В₁ = - В_mcoswt + B₀ ; (1,2)

В₂ = - В_mcoswt - B₀ ,

а, результирующая индукция В₁ - В₂ = 2В.

В начальный момент при wt = 0

В₁ = - В_m + B₀ - первый сердечник размагничивается,

В₂ = - В_m - B₀ = В_s - а второй вступает в насыщение.

Это ведет к резкому уменьшению m и L, ЭДС в рабочих обмотках наводиться не будет, и все напряжение источника питания будет приложено к нагрузке. Это приводит к скачкообразному возникновению тока в выходной цепи, уменьшающемуся к концу полупериода. В дальнейшем индукция будет изменяться по (1,2) и в следующем полупериоде все повторится, но при этом в насыщение будет входить другой сердечник. При насыщении сердечника индукция в нем не будет изменяться до конца полупериода.

Увеличение I_y вызывает увеличение постоянной составляющей индукции B₀ в сердечниках и поэтому насыщение в ФМС наступает раньше, а длительность периода насыщения в течении которого протекает ток нагрузки увеличивается. Это обуславливает изменение среднего значения тока I_н, т.е. выходного сигнала.

Характеристики МУ:

I. Установившийся режим:

А. Статическая характеристика

 

1 – идеальная

2 – реальная

 

 

Кривая 1:

- точка О – режим холостого хода (I_у = 0 и I_н = 0);

- участок ОВ – рабочий режим (0 < I_н £ I_нmax при 0 < I_у £ I_унас):

1) участок ОА – управляемый (0 < I_н < I_нmax при 0 < I_у < I_унас)

; ;

2) участок АВ – насыщения (I_н = I_нmax = const при I_у > I_унас)

 

Б. коэффициенты усиления:

– по току ;

– по напряжению ;

– по мощности ;

В. КПД ;

II. Переходный режим.

А. Дифференциальное уравнение ,

где , w - частота питающего напряжения.

Б. Передаточная функция ,

где - время запаздывания (время от начала подачи сигнала

до момента насыщения сердечника),

S_c – поперечная площадь сердечника.

 

МУ характеризуются также по величине «добротности», связывающей статические и динамические характеристики .

Т.к. h = const, следовательно, D = f(w).

 

Магнитные усилители с внешней обратной связью.

Дроссельные МУ, рассмотренные выше, имеют сравнительно небольшие коэффициенты усиления и достаточно инерционны. При образовании обратной связи в МУ используют выходной сигнал устройства для создания дополнительной постоянной составляющей магнитного поля, накладывающейся на магнитное поле входного сигнала.

В МУ различают внешнюю, внутреннюю и смешанные обратные связи.

Рассмотрим схему устройства с внешней ОС по току. Сигнал ОС, пропорциональный выходному току подается на отдельную обмотку w_ос. Создаваемая им МДС накладывается на МДС входного сигнала.

Т.е. I_нw_р ± I_yw_y = I_осw_ос (± - в зависимости от того положительная или отрицательная ОС)

При I_н = I_ос I_нw_р = I_уw_у ± I_нw_ос или I_н (w_р ± w_ос) = I_уw_у ;

 

Откуда , где .

На практике k_oc = 0,9 ¸ 0,97.

; ;

Когда отрицательной ОС, то в знаменателе данных выражений «+» и видно, что происходит уменьшение коэффициентов усиления. Когда же ПОС в знаменателе «–» и следовательно коэффициенты усиления увеличиваются. Увеличение может быть в 100¸900 раз.

Статическая характеристика данного МУ строится по статической МУ без обратной связи и прямой I_ос = f(I_н), которая проводится из начала координат под углом a = arctg k_oc.

Вначале, на статической характеристике МУ без обратной связи произвольно выбирается ряд точек А, В, С, Д, из которых проводятся прямые параллельные оси абсцисс и прямые параллельные прямой I_ос = f(I_н). Из точек пересечения последних с осью абсцисс восстанавливаются перпендикуляры до пересечения с прямыми параллельными данной оси. Точки их пересечения А^¢, В^¢, С^¢, Д^¢ и будут являться статической характеристикой МУ с ОС.

Как видно из графика достоинством данных усилителей является малое значение I_y, а недостатком большое значение тока холостого хода.

 

Магнитные усилители с внутренней обратной связью.

W_см – обмотка смещения.

По рабочим обмоткам МУ протекает однополупериодный выпрямленный ток. Благодаря наличию диодов проводящий полупериод, который называется рабочим, чередуется с непроводящим управляющим полупериодом, причем каждый изних для одного сердечника будет рабочий, а для другого управляющим. Токи в рабочих обмотках возникают только в рабочий полупериод. Постоянная составляющая тока, пропорциональная току нагрузки, образует магнитодвижущую силу, под действием которой сердечник будет намагничиваться, вступая в насыщение, тем самым создавая эффект положительной обратной связи. Статическая характеристика данного МУ будет выглядеть следующим образом:

1 – кривая МУ без обмотки смещения;

2 – кривая МУ с обмоткой смещения;

I_н - ток холостого хода; сd – рабочий участок.

Т.к. току управления I_y должен соответствовать минимальный выходной сигнал (I_н ), статическая характеристика может быть смещена (кривая 1). Для того, чтобы этого не происходило, и используется одна из обмоток управления, которая называется обмоткой смещения.

Корректирующие элементы

 

Корректирующие устройства предназначены для обеспечения устойчивости в системах электроавтоматики и получения высоких качественных показателей процессов управления. Если система не обладает необходимыми динамическими свойствами, то изменяют ее структуру, вводя корректирующие элементы и выбирая их параметры.

В зависимости от схемы включения КУ их делят на последовательные и параллельные. В первом случае КУ включают последовательно в цепь основного воздействия, а во втором – в цепь обратной связи, охватывающей одно или несколько звеньев системы. Возможно комбинированное включение последовательных и параллельных КУ.

Сигналы на выходе корректирующих устройств представляют собой производные или интегралы во времени от вх. Сигналов управления (напряжения, частоты вращения, угла поворота вала двигателя и др.) Поэтому основным видом корректирующих устройств являются дифференцирующие, интегрирующие и интегродифференцирующие устройства. Возможны также и различные сочетания видов коррекции.

Основная классификация КУ - по использованию вспомогательной энергии: пассивные и активные.

 

Пассивные КУ.

Не требуют вспомогательного источника тока и выполняются на R,C – элементах (резисторах, конденсаторах).

А). (1);

 

(2).

 

Продифференцировав последнее выражение, получим (3).

 

Подставив выражения (2) и (3) в (1) имеем .

Или , где T = RC – постоянная времени интегрирования.

Воспользовавшись преобразованием Лапласса, приводим это выражение к оператор-

ному виду ,

 

Откуда передаточная функция .

Следовательно данное устройство реализует инерционное звено первого порядка.

Б). (1);

 

(2). Откуда (3).

 

Подставив (2) и (3) в выражение (1), получим

 

(3).

 

Проинтегрировав его имеем .

Или , где T = RC – постоянная времени интегрирования.

 

Воспользовавшись преобразованием Лапласса, получим

 

.

 

Тогда передаточная функция примет следующий вид .

Следовательно данное устройство реализует дифференцирующее реальное звено.

 

Активные КУ.

В качестве этих устройств используются элементы, реализующиеся на операционных усилителях (например, на транзисторных) и требуют вспомогательного источника питания.

Активное корректирующее устройство содержит операционный усилитель постоянного тока (с коэффициентом усиления k) и операционные сопротивления во входной цепи z₁(s) и в цепи обратной связи z₂(s).

Передаточная функция данного устройства определится следующим выражением

Т.к. коэффициент усиления достаточно велик (10⁴ ¸10⁶), то данную формулу

можно представить в таком виде .

Операторные сопротивления z₁(s) и z₂(s) можно подобрать с высокой точностью и т.о. реализовать передаточную функцию.

Здесь z₁(s) ® R и z₂(s) ® C.

Тогда

 

или ,

где Т_и = RC – постоянная времени интегрирования, а вся функция представляет собой интегрирующее звено.

Если z₁(s) ® C и z₂(s) ® R.

Тогда

или ,

где Т_д = RC – постоянная времени дифференцирования, а вся функция представляет собой дифференцирующее звено.

Т.о., используя различные сочетания подключения конденсаторов и резисторов в цепь операционного усилителя, можно получить и другие динамические звенья.

 

 

Реле и релейные устройства

 

Реле – это устройства, у которых при достижении входной величиной определенного значения, сигнал на выходе изменяется скачкообразно.

Реле классифицируются:

1) по роду физической величины, на изменение которой реагируют (по виду входного сигнала):

а) электрические: токовые, напряжения, частоты, мощности и т.д.;

б) неэлектрические: давления, температуры, уровня и др.;

2) по назначению: управления, времени, защиты, сигнализации и др.;

3) по реакции на изменение входного сигнала:

- нейтральные (на реагируют на изменение знака сигнала),

- поляризованные (реагируют на изменение знака сигнала);

4) по характеру воздействия на выходные цепи:

- контактные (замыкают или размыкают выходные цепи) - электромеханические,

- бесконтактные (изменяют какой-либо параметр) - магнитоэлектрические, полупроводниковые;

5) по исполнению: открытые, с защитным чехлом, пылебрызгозащитные, герметичные.

Статическая характеристика данных устройств – релейная гистерезисная петля, которая объясняется неоднозначностью процессов при подаче и снятии входного сигнала.

 

Двухпозиционное (нейтральное) Трехпозиционное (поляризованное)

с зоной нечувствительности

Рис. 1: A) при подаче х_вх (включение):

1) при х_вх < х_ср х_вых = х_{вых min};

2) при х_вх = х_ср х_вых = х_{вых max};

3) при х_вх > х_ср х_вых = х_{вых max};

Б) при снятии х_вх (выключение):

1) при х_вх > х_воз х_вых = х_{вых max};

2) при х_вх = х_воз х_вых = х_{вых min};

3) при х_вх < х_воз х_вых = х_{вых min}.

 

Характеристики электрических реле:

1. Мощность срабатывания – это мощность потребляемая реле для его срабатывания.

2. Параметр срабатывания (как правило, время срабатывания – время от подачи х_вх до момента воздействия реле на выходную цепь).

3. Параметр возврата (как правило, время возврата – время от снятия х_вх до момента реле воздействия на выходную цепь).

4. Коэффициент возврата – это отношение параметра возврата к параметру срабатывания k = x_ср / х_воз < 1 (характеризует относительную ширину релейной петли статической характеристики).

5. Коэффициент усиления k = x_{вых max} / х_ср.

6. Выходная мощность – это произведение максимально отключающего тока на напряжение питания N = UI_{max откл.}