Классификация усилительных элементов

Для нормального функционирования усилительных элементов к ним нужно подводить внешнюю энергию, в качестве которой целесообразно использовать энергию, применяемую в самом регулируемом объекте.

Так как вид используемой энергии часто определяет основные отличительные особенности усилительных элементов, то их можно классифицировать по признаку используемой энергии.

В соответствии с этим усилительные элементы подразделяются на:

- гидравлические;

- пневматические;

- электрические;

- комбинированные или смешанные (электропневматические, электрогидравлические и др.).

В сварочных САУ наибольшее распространение получили электрические усилительные элементы:

- электронные;

- магнитные;

- электромашинные и др.

Успехи микроэлектроники и широкое применение тиристоров позволили практически отказаться в современных условиях от множества электрических усилителей, а использовать только электронные.

Однако применение роботов с пневматическими и гидравлическими приводами в условиях эксплуатации вызывает необходимость применять пневматические и гидравлические усилительные элементы.

Основные типы усилителей

Золотниковый усилитель используется в механогидравлических и механопневматических управляющих устройствах приводов.

Устройство золотникового усилителя показано на рис. 2.2.8,а.

Рис.2.2.8. Схемы механогидравлических (механопневматических)
усилительных элементов:
а - золотниковый; б - сопло-заслонка

В корпусе 1 перемещается золотник 3. Если входной сигнал отсутствует (Z=0), то поршеньки полностью перекрывают каналы 2, соединенные с исполнительным элементом привода, и рабочая жидкость от насоса к исполнительному механизму не поступает (Q=0).

При смещении золотника влево магистраль I соединяется с напорной магистралью, а магистраль II - со сливом. Давление в магистрали I увеличивается, а в магистрали II - уменьшается.

Разность давлений используется в исполнительном механизме.

По конструктивному исполнению золотники различают трех типов: отсечный золотник (ширина буртиков поршня превышает ширину окон); идеальный золотник (ширина буртиков равна ширине окон); проточный золотник (ширина буртиков меньше ширины окон и имеется зазор между буртиком и окном).

Наличие в отсечном золотнике перекрытия D понижает чувствительность привода. Усилители с проточными золотниками имеют большую чувствительность, но требуют дополнительного непроизводительного расхода жидкости. Изготовление буртика золотника шириной, точно равной ширине окна, технологически затруднено.

Зависимость расхода Q жидкости (выходной параметр) от положения золотника Z (входной параметр) представляет собой статическую характеристику золотникового усилителя (рис.2.2.9,а).

Рис.2.2.9. Статические характеристики усилительных элементов:
а - золотниковый; б - сопло-заслонка;
в - струйный; г - электрогидравлический

Сопло-заслонка широко применяется в системах автоматического управления. Состоит из неуправляемого дросселя I и управляемого дросселя 2 с заслонкой 3. Рабочая жидкость (газ) через нерегулируемый дроссель подается в междроссельную камеру, которая соединена с магистралью, идущей к исполнительному механизму. Если сопло полностью перекрыто заслонкой (Z=0), то в междроссельной камере устанавливается максимальное давление (выходной параметр Р) и весь расход идет через исполнительный механизм. По мере удаления заслонки от сопла расход через сопло возрастает, а через исполнительный механизм - падает. Однако мощность потока рабочей жидкости (газа) в таком устройстве используется не полностью, так как часть жидкости сливается через сопло. Выходная мощность такого элемента меньше, чем золотникового.

Струйный усилитель применяется в системах автоматического регулирования высокофорсированных энергетических установок с большой мощностью (рис.2.2.10). От источника питания струя газа подается в камеру усилителя и при отсутствии или равенстве управляющих пневматических сигналов Р_упр1 = P_упр2 распределяется равномерно в выходные каналы I и II при Р_вых1 = Р_вых2.

Рис.2.2.10. Схемы усилителей струйного (а)
и электрогидравлического (б)

Если увеличить давление в одном из управляющих каналов, например, Р_упр1, то это приведет к отклонению струи в канал I, давление Р_вых1 возрастает, а Р_вых2 в канале II упадет. Коэффициент усиления таких усилителей невысок Р_вых/Р_вх = 2...4 (рис.2.2.9,в).

Электрогидравлический усилитель позволяет преобразовать и усилить электрический сигнал в гидравлический или пневматический (рис.2.2.10,б).

Усилитель состоит из двух симметрично расположенных сопл 1, перекрываемых находящейся между ними заслонкой 2. Заслонка выполнена заодно с якорем электромагнитного реле 3.

В зависимости от знака и величины управляющего напряжения U_упр включается одна из катушек реле и перекрывается одно из сопл. Создается перепад давления DP, пропорциональный U_упр (рис.2.2.9,г).

Электронный усилитель применяется для усиления сигналов постоянного или переменного тока (рис.2.2.11).

Усилители на транзисторах имеют высокую надежность, высокий КПД, могут дать высокую мощность. Однако они имеют маленький коэффициент усиления.

Успехи микроэлектроники позволили в интегральной схеме разместить большое количество транзисторов. Поэтому усилители на основе операционных усилителей в виде микросхем обладают высоким коэффициентом усиления 10⁶,

Рис.2.2.11. Электронные усилители:
а - однокаскадный переменного тока;
б - операционный постоянного тока

могут дать высокую мощность до 100 Вт, имеют очень маленькие габариты и вес.

Магнитный усилитель применяется для управления очень мощных (до нескольких десятков кВт) исполнительных элементов (сварочных трансформаторов, приводов и др.) (рис.2.2.12,а).

Рис.2.2.12. Схемы электрических усилителей:
а - магнитный; б - электромашинный

На среднем стержне трехстержневого сердечника намотана катушка управления W_у, а на крайних сердечниках - катушка нагрузки W_н1 и W_н2. К катушке W_у подводится входной сигнал постоянного тока i_у. При отсутствии i_у = 0 индуктивность катушек W_н1 и W_н2 большая и на них падает напряжение. При подаче i_у¹0 происходит насыщение крайних сердечников и уменьшается их индуктивность, следовательно, уменьшается на них падение напряжения. Магнитные усилители очень просты по конструкции, обладают большой надежностью и имеют коэффициент усиления по мощности до 1000. Но КПД у них низкий, большие габариты и масса.

Электромашинный усилитель применяется для получения мощного выходного сигнала.

Простейшим из них является генератор постоянного тока с независимым возбуждением, вращаемый электродвигателем (рис.2.2.12,б).

Входной сигнал U_у подается на обмотку возбуждения, а пропорциональный ему усиленный выходной сигнал U_н снимается с клемм якоря. Преимуществом электромашинных усилителей является малая чувствительность к возмущающим воздействиям со стороны цепи нагрузки ввиду постоянства частоты вращения якоря. К недостаткам следует отнести большие габаритные размеры и массу, а также малое быстродействие. Применяется электромашинный усилитель для регулирования сварочного тока в автоматизированный системах.