Г Л А В А I V

УПРАВЛЯЮЩИЕ ПРИБОРЫ И УСИЛИТЕЛИ

В двух предыдущих главах рассмотрены датчики и измерительные схе­ мы, т. е. составные части функциональной схемы (рис. 1), обозначенные «И». Содержание элемента «И» функциональной схемы рис. 1 не ограничивается измерителями. Там может быть и усилитель, который включен между из­ мерителем и управляющим аппаратом, в случае, если мощность измерителя недостаточна.

Управляющий аппарат должен включать и выключать исполнительный механизм, который приводит в движение регулирующий орган.

Управление технологическим процессом часто сводится к управлению электродвигателем, приводящим в движение технологическую установку.

Поэтому	аппаратура	управления	электроприводами выделена	отдельно,
§ 2. В отдельный параграф выделены усилители и реле (§ 3 и 1).				выполняют
Реле	разнообразны	по своей	конструкции, назначению и

различные функции. Они могут служить датчиком, усилителем, управляю­ щим аппаратом и просто промежуточным звеном.

§ 1.

РЕЛЕ

Реле — это прибор,

в котором выходная величина изменяется скачко­

образно

при

достижении

входной

величиной

определенного

значения.

По своей конструкции и принципу

действия реле чрезвычайно разнообраз­

ны,

но

для всех

конструкций характерна зависимость выходной вели­

чины от входной,

приведенная

на

рис. 4.1. Как

видно

из рис. 4.1,

при

изменении входной

величины х от 0 до значения х2

выходная

величина у

не изменяется и равна

. Как

только входная величина достигнет значе­

ния

х2,

выходная

величина

принимает

(скачкообразно)

значение

у2 и

при

дальнейшем

возрастании

входной

величины

остается

неизмен­

ной. Если

теперь

входная величина будет умень­

У

шаться, то

выходная величина примет (скачкооб­

разно) значение yi при достижении входной ве­

Уг

личиной значения Xi<C.x2. Зависимость,

приведен­

ная

на

рис. 4.1, показывает, что реле может давать

сигнал при достижении входной величиной как мак­

Уг

симального, так и минимального заданных значений

и, следовательно, реле могут быть

как максималь­

X,

х2

л

ными,

так

и

минимальными.

Рис.

4.1.

Зависимость

Отношение у -

называется

коэффициентом

воз­

между входной

величи­

врата.

В зависимости от

конструкции реле и

его

ной

реле

х

и выход­

назначения коэффициент возврата изменяется в

ной у

пределах от

0,2 до 0,95.

Реле классифицируются в зависимости от входной величины. Разли­ чают: 1) электрические реле, в которых входная величина электрическая; например, максимальное токовое, т. е. реле, срабатывающие при достиже­ нии током определенного заданного значения, минимальное реле напряже­ ния и т. п.; 2) неэлектрические, в которых входная величина неэлектри­ ческая:

температурные реле, в, которых подается сигнал при достижении определенной температуры;

реле давления; реле скорости; реле уровня; фотореле и т. п.

Помимо перечисленных реле изготовляются различные специальные. 1) реле времени, которое предназначено для задержки сигнала, проходя­ щего через систему. В этом реле устанавливается время между поступле­ нием входного сигнала и выдачей выходного; реле счета импульсов, в котором после поступления входного сигнала следует серия выходных сиг­ налов и другие.

Устройство всех реле содержит три вида элементов: 1) воспринимающие элементы — электромагнит с подвижным якорем в электрическом реле, манометрическая пружина в реле давления, биметаллическая пластинка в температурном реле и т. п.; 2) сравнивающие (регулируемые) элементы, например, пружина в электрическом реле, противодействующая втягиваю­ щему усилию электромагнита, винт, устанавливающий длину пути, кото­ рый должен пройти конец биметаллической пластинки до момента контак­ тирования и т. п.; 3) исполнительные элементы, непосредственно подающие выходной сигнал — контакты, клапаны и т. п.

Воспринимающие элементы реле можно так устроить, что они будут реагировать на две или более входные величины так, что действие реле будет зависеть от суммы или разности входных величин. Для этого доста­ точно снабдить магнитопровод несколькими обмотками.

Электрические реле разнообразны и, в свою очередь, классифицируются по своему назначению или свойствам.

Часто регулятор, усилитель	или какой-либо другой прибор работает
в соответствии с зависимостью,	приведенной на рис. 4.1. В этом случае

говорят, что это прибор релейного действия.

Нейтральное электромагнитное реле. Это реле служит для размножения сигнала, для разделения электрических цепей, работающих в общей схеме, а также используются в качестве усилителей релейного действия.

Воспринимающим элементом этого реле является электромагнит, срав­ нивающим — пружина или вес якоря электромагнита и исполнительным— контакты.

На рис. 4.2, а показана конструкция нейтрального электромагнитного реле с втяжным якорем, а на рис. 4.2, б — с поворотным якорем.

Реле с втяжным якорем имеет замкнутый магнитопровод, состоящий из сердечника 2 и якоря/. Когда катушка 3 обтекается током, якорь втягивает­ ся. К якорю прикреплен подвижной контакт^, который, поднимаясь вместе с якорем, замыкает между собой неподвижные контакты 5. При обесточен­ ной катушке контакты разомкнуты. Такие контакты называются замыка­ ющими.

Магнитопровод реле с поворотным якорем (рис. 4.2, б) состоит из сердеч­ ника /, корпуса 2 и якоря 3. Если катушка находится под током, якорь 3 притягивается и посредством штифта 4 отводит верхний контакт. Когда ка­ тушка обесточена, контакты замкнуты. Такие контакты называются раз­ мыкающимися. Некоторые типы реле делаются с большим количеством контактов, из которых часть может быть замыкающими, а часть — раз­ мыкающими.

Реле характеризуется током срабатывания / ср, т. е. тем минимальным током, при котором притягивается якорь, и током отпускания / отп, т. е. тем максимальным током, при котором якорь возвращается в исходное

положение: ^отп — есть коэффициент возврата.

^ср

В системах автоматики часто играет роль время срабатывания реле. Время от момента включения реле до момента полного замыкания или раз­ мыкания контактов называется временем срабатывания реле.

Время от момента отключения реле до момента полного замыкания (или

размыкания) контактов называется	временем	отпускания реле.
У современных реле время срабатыва­
ния	и отпускания		составляет:	у	мощных
реле,	обладающих		массивными		якорями,
20	50 мсек	(миллисекунд),		у реле теле­

фонных и кодовых от 5 до 50 мсек.

Рис. 4.2. Нейтральное электромагнитное реле постоянного тока:

а — с втяжным якорем; б — с поворотным якорем

По времени (в сек) срабатывания реле разделяются на:

1. Безынерционные при /ср =0,001.

2. Быстродействующие при /ср = 0,005.

3.Нормальные при /ср=0,05 -г 0,15.

4.Замедленные при tfcp = 0,15-rl.

Коэффициент усиления по мощности (если реле рассматривать как уси­ литель) равен

где Рв— мощность	воспринимающих органов (управляющая мощность);
Ри— мощность	исполнительных органов;

Ку — коэффициент управления.

В случае если реле предназначено для работы на переменном токе, его магнитопровод должен быть набран из отдельных пластин (для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничивание). При питании катушек реле переменным током тяговое усилие, которое пропорционально квадрату маг­ нитного потока, изменяется от нуля до максимума с двойной частотой. Мало­ инерционный якорь, отпадающий от сердечника под действием пружины, будет при этом вибрировать, а контакты искрить. Для устранения этих явлений в реле переменного тока помещают на конце сердечника короткозамкнутый виток (рис. 4.3). Магнитный поток Ф распределяется так: часть потока Фг пройдет мимо витка, часть Ф2 пройдет через виток, индуцируя э. д. с. в витке. Магнитный поток, проходящий через виток, будет склады­ ваться из потока Ф2 и потока, наведенного током короткозамкнутого витка. Магнитный поток, проходящий через короткозамкнутый виток, будет сдви­ нут во времени относительно потока Ф приблизительно на 60°. Поэтому

тяговое усилие, хотя и будет меняться во времени, не будет проходить через нуль.

Поляризованное реле. Вибропреобразователь. Поляризованное реле отличается от нейтрального электромагнитного реле тем, что оно чувстви­ тельно к направлению тока. Достигается это тем, что магнитопровод со­ держит в себе постоянный магнит.

В нейтральном реле магнитное поле, обеспечивающее срабатывание, создается током обмотки. В поляризованном реле ток обмотки лишь увели­ чивает магнитное поле, образованное постоянным магнитом. Поэтому поля­ ризованное реле может быть очень чувствительным и потреблять при сра­ батывании мощность менее 10"4 вт. Благодаря малому времени срабаты­ вания некоторые конструкции такого реле могут применяться в качестве

Рис. 4.3. Магнитопровод нейтраль­	Рис. 4.4. Двухпозицион­
ного реле переменного тока	ное поляризованное реле

вибраторов. На рис. 4.4 дана схема одной из конструкций поляризованного реле. В этом реле помимо электромагнита 2 с обмоткой 1 имеется постоян­ ный магнит 3. В зависимости от направления тока в обмотке 1 перемагничивается подвижной якорь 4 и прижимает средний — подвижной контакт к правому или левому неподвижному контакту. После выключения тока обмотки якорь не меняет своего положения. Следовательно, это реле яв­ ляется двухпозиционным (средний контакт замкнут с правым или левым неподвижными контактами). Если сместить неподвижные контакты так, что один из контактов выйдет за нейтральную линию, то реле может быть настроено при отсутствии тока в обмотке, подвижной контакт всегда будет замкнут на какой-то определенный неподвижный контакт, левый или пра­ вый в зависимости от настройки.

На рис. 4.5 показан общий вид а и конструктивная схема б 3-пози- ционного поляризованного реле, которое может быть использовано в каче­ стве вибропреобразователя. Вибропреобразователь имеет обмотку возбуж­ дения 2f намагничивающую вибрирующую пластину 7, конец которой на­ ходится между полюсами постоянного магнита 3. Пластина притягивается к одному из полюсов магнита в зависимости от направления тока в обмотке возбуждения 2. Вибрирующая пластина имеет плоские контакты 5. По обе стороны от пластины 1 имеются стойки со стержневыми контактами. Воз­ душный зазор между контактами регулируется винтами 4. Вибропреобра­ зователь смонтирован на шестиштырковом цоколе, при помощи которого он соединяется с электронным усилителем.

Если обмотка 2 обесточена, то упругая пластина 7 устанавливается в среднее положение. При этом оба контакта разомкнуты. Следовательно,, данное реле является 3-позиционным.

2 Л. Л. Горинштейн

33

Тепловые реле — реле, у которых входной величиной является темпе­ ратура, они имеют в зависимости от назначения различные конструкции и различные названия.

Реле/защищающие электродвигатели от перегрева, называются тепло­ выми реле.

Реле, регулирующие температуру или сигнализирующие, называются температурными реле.

Рис. 4.5. Трехпозиционное поляризованное реле (вибропреобразователь):

а — общ ий вид; б — конструктивная схем а

Основной частью теплового реле является биметаллический элемент, состоящий из двух прочно сваренных по всей поверхности соприкосновения металлических пластин. Одна пластина сделана из инвара (сплав 64% стали и 36% никеля), а другая из латуни или из немагнитной стали (75% стали и 25 % никеля). Коэффициент линейного расширения инвара ничтожно мал (в пределах 0—200°), а латуни или немагнитной стали примерно в 18 раз больше. Поэтому при нагревании биметаллическая пластинка будет изгибаться в сторону инвара.

На рис. 4.6 дана принципиальная схема устройства однополюсного теплового реле. Биметаллическая пластинка 2 укреплена на стойке 3 и упирается своим концом в рычаг 4, несущий на себе подвижную часть кон­ такта 6. Нагревательный элемент 1 представляет собой нихромовую спираль, окружающую биметаллическую пластинку или плоское сопротив­ ление, расположенное рядом с биметаллической пластинкой. Нагреватель­ ный элемент находится под рабочим током приемника, защищаемого теп­ ловым реле, или подтоком, величина которого пропорциональна рабочему току приемника. Если ток превысит установленное значение и температура биметаллической пластинки повысится, она изогнется вверх. При этом пружина 5 отведет рычаг 4 и вместе с ним подвижную часть контакта.

Температурное реле. На рис. 4.7 дана конструктивная схема темпера­ турного реле типа ТР-200. Основными элементами этого реле являются: латунная трубка /, в дно которой вварена ось <?, имеющая на конце буртик,

инваровая пружина 2, несущая электрические контакты 5 и регулировоч­ ный винт 4.

При повышении температуры дно латунной трубки вместе с осью пере­ мещается относительно инваровой пружины, уменьшая зазор о. После того как буртик оси коснется торца втулки 6, закрепленной на пружине, дальнейшее повышение температуры вызовет растяжение пружины и раз-

1

Рис. 4.6. Тепловое реле	Рис. 4.7. Конструктивная схема
	температурного реле ТР-200

мыкание контактов. Контакты изолируются от пружины слюдяными плас­ тинками.

При помощи винта можно регулировать зазор о и устанавливать темпе­ ратуру (з пределах 5—200°), при которой срабатывает реле, т. е. размы­ каются контакты.

Реле уровня. Для регулирования уровня в узком диапазоне (порядка 100—150 мм) применяются поплавковые реле. Общий вид одного из таких реле приведен на рис. 4.8. Восприни­ мающим элементом является поплавок.

Поплавок /, следуя за уровнем жид­ кости, приводит в движение ртутные контакты, помещенные в корпусе 2.

Для регулирования с большим диа­ пазоном применяются реле с поплавком, висящем на тросе.

Фотореле. На рис. 4.9 дана схема фотореле, применяемого при автомати­ зации весовых головок. Как видно из рис. 4.9, фотореле состоит из фотосопро­

тивления ФС, двух транзисторов ПТ, нейтрального реле Р и сопротивлений. Рис. 4.8. Поплавковое реле уровня

Когда фотосопротивление освещено, его сопротивление мало и базовый ток левого транзистора обеспечивает максимальный ток коллектора.

Поэтому возрастает базовый ток правого транзистора й срабатывает реле Р, включенное в цепь его коллектора.

Время между затемнением фотосопротивления и замыканием или раз­ мыканием контактов такого реле составляет 0,1 -f- 0,3 сек.

2*

35

Контакторы. В	большинстве	случаев	рабочий	орган,	осуществля­
ющий технологический процесс,		приводится в действие электродвигате­
лем. В этом случае	управление технологическим процессом				сводится к
управлению электроприводом.			включает	в себя:	1) электро­
Напомним, что термин «электропривод»

двигатель или электромагнит, приводящий систему в движение, 2) различ­ ного рода передачи, включенные между электродвигателем или электро­

магнитом и рабочим		органом	и 3)	аппаратуру,		которая		управляет ра­
				ботой электродвигателя.
				Управление			электроприводами
				преимущественно				осуществл яется
				релейно-контакторной					аппарату­
				рой.	Применяются также					магнит­
				ные, электромашинные и ионно-
				электронные управляющие элемен­
				ты и усилители.
				Наиболее перспективным явля­
				ется	бесконтактное управление,
				осуществл яемое			полупроводнико-
				выми	и	магнитными усилителями.
				Однако пока это управление на
				заводах		железобетонных				изделий
				применяется ограничено.						вклю­
				Основным			аппаратом,
				чающим		и отключающим от элек­
				тросети		электродвигатель,				являет­
Рис. 4.10.	Схема	контактора		ся контактор и магнитный						пуска­
				тель.
Контакторы	изготовляются		разнообразных			конструкций и			представ­

ляют собой электрический выключатель, который замыкается и размыка­ ется с помощью электромагнита. На рис. 4.10 представлена конструктив­ ная схема контактора. На валу 1 укреплены подвижные контакты 2 и якорь 3 электромагнита. Когда катушка 4 находится под током, якорь 3 втягивается и подвижной контакт 2 прижимается к неподвижному 10. К неподвижному контакту обычно подводится напряжение сети, а подвиж­ ной соединяется с зажимом двигателя. Когда подвижной контакт прижи­ мается к неподвижному, цепь замыкается и двигатель или другой приемник оказывается под напряжением. Если катушка 4 будет обесточена, якорь 3 под действием собственного веса и пружины 12 отпадет и подвижной кон­ такт 2 отойдет от неподвижного контакта 10. Цепь разомкнется. Дуга, возникающая при размыкании цепи, гасится в камере 7, изготовленной из огнестойкого материала. На каждом полюсе контактора имеется такая дугогасящая камера. Камеры имеют решетки, состоящие из изолированных друг от друга стальных пластинок 8. Дуга под действием динамических усилий попадает на пластинки, разбивается на ряд последовательных дуг и гаснет. На сердечнике электромагнита помещаются короткозамкнутые витки 5. Благодаря этим виткам часть магнитного потока, проходящего через сердечник, сдвигается во времени. Поэтому переменное тяговое усилие, возникающее]между сердечником и якорем электромагнита, имеет меньшие колебания, что значительно уменьшает вибрацию якоря.

Помимо главных контактов 2 и 10, имеются блокконтакты 6, рассчи­ танные на ток 5 а. Эти контакты осуществляют переключения в цепях 'управления. Все детали контактора крепятся на изоляционной плите 11. Подвижные контакты 2 соединяются с зажимами, укрепленными на па­ нели 11 гибкими соединениями 9 из ленточной латуни.

б)

Рис. 4.11. Конструктивная схема кнопочных станций

Контакторы могут иметь различное число главных (рабочих) контак­ тов и различное число блок-контактов. Как рабочие контакты, так и блокконтакты могут быть как замыкающими, так и размыкающими. Замы­ кающими контактами называются контакты, которые размокнуты при обес­ точенной катушке и замкнуты при притянутом якоре. Размыкающими называются контакты, которые при обесточенной катушке замкнуты.

Трехполюсный контактор (с тремя замыкающими главными контак­ тами) и с одним замыкающим блок-контактом называется магнитным пу­ скателем.

Магнитные пускатели бывают открытыми в защищенном, закрытом и во взрывобезопасном исполнениях и широко применяются при автомати­ зации управления электроприводами.

В магнитные пускатели часто встраиваются тепловые реле, защищающие электродвигатели от перегрева. В некоторых конструкциях в корпус пус­ кателя встраивается кнопоч­ ная станция.

Контакторы или магнит­ ные пускатели подключают и отключают статор электро­ двигателя от сети. Вообще все переключения в цепях рабочего тока, т. е. в цепях статора и ротора электродви­ гателя, при релейно-кон­

такторном управлении осуществляется контакторами. Для управления работой контакторов, т. е. включения и отключения от сети их катушек, создаются специальные электрические цепи, которые называются цепями управления.

Для различных переключений в цепях управления предназначены командоаппараты. К ним относятся: 1) кнопки управления, 2) командоконтроллеры, 3) универсальные переключатели, 4) путевые или конечные выключатели.

Кнопки управления. Рабочий элемент кнопки управления, конструк­ тивная схема которого представлена на рис. 4.11, состоит из двух непод­ вижных контактов 1 и 2 с зажимами. Эти контакты перемыкаются подвиж­ ным контактом 3 мостикового типа. Если контакт кнопки управления замыкающий (рис. 4. 11, а), то подвижной контакт находится над непо­ движными и удерживается в этом положении пружиной 4. При нажа­ тии штифта 5 пружина сжимается, мостиковый контакт опускается вниз и перемыкает неподвижные контакты. При этом цепь замыкается. Если контакт кнопки управления размыкающий (рис. 4.11, б), то подвижной кон­ такт прижимается пружиной к неподвижным контактам снизу и при нажа­ тии штифта опускается вниз разрывная цепь, сжимая пружину.

Наиболее удобными являются кнопки управления типа КУ. Рабочие элементы этих кнопок имеют четыре неподвижных контакта и один под­ вижной контакт мостикового типа (рис. 4.11, в). Если к штифту такой кнопки не приложено усилие, то подвижной контакт перемыкает верхние неподвижные контакты, прижимаясь к ним снизу и образуя размыкающий контакт. При нажатии штифта подвижной контакт опускается, сначала размыкая верхние неподвижные контакты, а потом замыкая нижние.

Командоконтроллеры применяются, когда нужно делать частые пере­ ключения в цепях управления. Они управляют работой мощных электро­ двигателей при частых изменениях скорости и реверсировании и изготов­ ляются на напряжение до 500 в с приводом посредством рукоятки, махо­ вичка или рычага или с фиксацией рукоятки, маховичка в каждом положении, а также с пружинным возвратом рукоятки в нулевое поло­ жение.

Число цепей может быть от 2 до 14.

На рис. 4.12 дана схема устройства командоконтроллера. В каждой цепи имеются два неподвижных контакта, которые замыкаются подви­ жным контактом 4 мостикового типа. При повороте рукоятки поворачивает­ ся вал 1 с насаженными на нем пластмассовыми кулачками 2. Ролик.? рычага 5 катится по кулачку и в зависимости от конфигурации последнего рычаг включает или выключает контакты. Пружина 6 прижимает рычаги к ку­ лачкам или к контактам.

В зависимости от набора кулачков может быть различное включение контактов. Порядок включения характеризуется таблицей замыкания

контактов. На рис.	4.13 дана	таблица	замыкания		командоконтроллера
КА-5031-601. Если	в клеточке	горизонтальной		строки,			расположенной
							По потение
				5)			привода
				£
				*	Назад			0	Вперед
				X	3	2	1		1	2	3
				Б
				сз			Состояние
						контактов
			КК 1					X
			КК2		X	X	X		•X X X
			к к з						X X X
			кки		X X X
			КК5		X X					X X
			КК6		X						X
Рис. 4.12. Схема устройства командокок			Рис. 4.13. Таблица замыка­
троллера			ний командоконтроллера
против номера контактов, стоит знак X , то контакт в этом положении замк­
нут. Так, контакт КК1 замкнут		только в нулевом		положении,					а контакт

КК2 замкнут во всех положениях, кроме нулевого. Из таблицы замыканий видно, что командоконтроллер имеет 7 положений и предназначен для ре­ версивного двигателя с тремя ступенями в каждую сторону.

Универсальные переключатели применяются в случае, когда не требуют­ ся частые переключения, но когда нужно одновременно сделать переклю­ чения в относительно большом количестве цепей часто независимых друг от друга. Эти переключатели применяются как в цепях управления, так и в измерительных цепях, а в некоторых случаях и в силовых цепях.

Универсальные переключатели серии УП состоят из набора контакт­ ных секций, через которые проходит общий валик с насаженными на нем кулачками. Валик, проходящий через секции, соединен с рукояткой, на­ ходящейся на лицевой стороне щита. При повороте рукоятки поворачи­ вается валик с кулачками, которые производят включение и выключение контактов.

В каждой контактной секции находятся два контакта. В зависимости от схемы соединений контакты переключателя имеют однократный, дву­ кратный или четырехкратный разрыв тока. Поэтому универсальные пере­ ключатели обладают значительной разрывной мощностью.

Путевые выключатели. Командоаппарат, кинематически связанный с машиной так, что определенные положения машины или ее органов фикси­ руются замыканием или размыканием контактов, называется путевым выключателем. Если командоаппарат фиксирует конечные положения ма­ шины, он называется конечным выключателем.

При автоматизации машин с большим числом положений (карусельные формовочные и обрабатывающие машины и т. п.) применяются вращаю­ щиеся многоконтактные конечные выключатели (командоаппараты серии КА-4000).

Валик такого выключателя непосредственно или через редуктор соеди­ нен с валом механизма, от которого приводится во вращение.

Датчик 1

Рис. 4.14. Схема блока питания и бесконтактного датчика перемещений

Есть также путевые выключатели, для срабатывания которых не тре­ буется механического воздействия. Обычно такие путевые выключатели конструируются с помощью индуктивных датчиков.

На рис. 4.14 дана электрическая схема бесконтактного датчика типа ДЗ, выпускаемого Таллинским заводом измерительных приборов.

Датчик (рис. 4.14) представляет собой высокочастотный генератор, собранный на транзисторе Я Я 4. Коллекторная Li и базовая L2 обмотки генератора находятся на двух ферритовых стержнях, расположенных соосно зазором 3 мм. Частота колебаний определяется контуром Ь2С

Генерируемые импульсы снимаются с нагрузочной обмотки L 3, распо­ ложенной на одном стержне с коллекторной обмоткой Lu и преобразуются диодом Mi и конденсатором С2 в постоянное напряжение отрицательной полярности. Это напряжение подается на базу транзистора ЯЯ2 и откры­ вает его. Транзистор Я Я 3 находится при этом в закрытом состоянии.

При введении в зазор датчика любой металлической пластинки обрат­ ная связь (между обмотками L{ и L2) настолько ослабляется, что происхо­

дит срыв колебаний генератора. При этом транзистор ППг закрывается,

атранзистор ПП3 открывается.

Вцепь транзистора ПП3 включена обмотка выходного реле, которое срабатывает при прохождении металлической пластинки через зазор дат­ чика.

Транзисторы ППг и ПП3 находятся или в режиме насыщения или в закрытом состоянии.

Блок питания состоит из 3-обмоточного трансформатора, в две вторич­ ные обмотки которого включены выпрямители. В корпусе блока питания расположены выходные реле.

Блок питания вместе с выходными реле помещается в корпусе разме­ ром 210x230 мм. Датчик ДЗ представляет собой цилиндр диаметром 19 мм и длиной 68 мм с прорезью 3 мм для флажка.

На рис. 4.15 показано применение датчиков ДЗ для автоматизации процесса взвешивания. Датчики ДЗ укреплены на циферблате, а флажок на стрелке весовой головки весов.

Весовая стрелка

Рис. 4.15. Установка бесконтакт­ ных датчиков на весовой головке

Электродвигатели нужно защищать от перегрузки и короткого замы­

кания.

Элементы защиты. Поскольку во всех схемах автоматического управ­ ления наряду с элементами управления участвуют элементы защиты, остановимся на рассмотрении наиболее часто применяемых приборах за­ щиты — плавких предохранительных и автоматических выключателях.

Плавкие предохранители включаются последовательно в Цепь тока и имеют элемент — плавкую вставку, ослабленную в тепловом отношении. Поэтому при токах, превышающих допустимые значения, плавкая вставка сгорает раньше, чем будет поврежден защищаемый участок цепи.

На рис. 4.16 показано устройство предохранителя для напряжения ДО' 500 в с дугогасящим устройством. Основными элементами предохранителя являются контактные стойки 1 и закрытый патрон 2 с плавкой вставкой. Патрон предохранителя типа ПР-2 разборный и состоит из фибровой труб­ ки, армированной так, что она плотно закрыта с концов. Патрон легко разбирается. Плавкая вставка — цинковая полоска с уменьшенным в не­ скольких местах сечением подсоединяется к контактным ножам внутри патрона.

При сгорании плавкой вставки фибровая трубка под действием высокой температуры выделяет большое количество газов. Давление гззов в закры­ том патроне быстро возрастает до нескольких десятков атмосфер, что спо­ собствует деионизации и быстрому гашению дуги.

Согласно действующему ГОСТу на предохранители на номинальные напряжения до 500 в, плавкие вставки от 35 до 350 а не должны плавиться в течение часа при испытательном токе 130% и должны плавиться в течение часа при испытательном токе 160% от номинального тока плавкой вставки.

Крупным недостатком предохранителей является то, что может

перегореть	один	из трех	предохранителей,	защищающих		двигатель.
В этом случае двигатель			будет работать на	двух	фазах. В	результате
двигатель	может	выйти из	строя из-за перегрева.

Этот недостаток устраняется в случае, если защита от токов короткого замыкания будет осуществляться автоматом (автоматическим выключа­ телем) с максимальной защитой или максимально токовым реле, дей­ ствующим на контактор.

Автоматические выключатели на напряжения до 500 в бывают разно­ образных конструкций на разные токи и число полюсов.

Не касаясь конструкций этих выключателей, рассмотрим их принципы устройства и действия. Цепь рабочего тока этих выключателей устроена так же, как цепь рабочего тока контактора, т. е. имеют­ ся неподвижные контакты, подвижные контакты и дуго­ гасящее устройство. Однако включение, т. е. прижатие подвижных контактов к непо­ движным, производится от руки. При этом сжимается пружина, которая стремится произвести отключение, но

не может этого	сделать,	так	Рис. 4.17. Схема устройства линейного авто­
как подвижные	контакты	во	мата с максимальнотоковой тепловой и нуле­
включенном положении удер­			вой защитой

живаются защелкой.

Если освободить защелку, то пружина быстро отключит выключатель. Защелка освобождается либо от руки, либо под действием реле.

На рис. 4.17 показаны принципы устройства такого автоматического выключателя. Выключатель показан во включенном положении, когда подвижной контакт 1 прижат к неподвижному 10. Защелка 5 под действием пружины 4, направление действия которой указано стрелкой, удерживает автомат во включенном положении. Последовательно за подвижными кон­ тактами установлены в каждой фазе максимально токовые реле и тепловые реле. Механизм действия максимально токового реле аналогичен действию нейтрального реле. Величина тока срабатывания этого реле регулируется так, что при опасных для установки токах реле срабатывает. Стрелкой 6 показано действие максимально токовых реле, которая действуя на защелку 5, освобождают траверзу 2. При этом пружина 3 оттягивает траверзу вле­ во, а последняя увлекает за собой подвижные контакты. Точно так же на защелку 5 могут действовать тепловые реле, как указано стрелкой 7, или можно от руки повернуть защелку относительно точки О и освободить тра­ верзу 2.

Нулевое реле, т. е. реле, выключающее автомат при исчезновении на­ пряжения, имеет якорь, который вталкивается внутрь реле при включении автомата и удерживается в этом положении защелкой реле. Защелка удер­ живает якорь только до тех пор, пока на катущке нулевого реле есть на­ пряжение и пока защелка удерживается в определенном положении маг­ нитными силами. Если на катушке нулевого реле не будет напряжения или его величина снизится до 40% и ниже от номинала, то защелка не сможет удерживать якорь, он будет вытолкнут пружиной и, как указано стрелкой 5, воздействует на защелку 5 и произведет выключение.

На схеме показана кнопка 9 с размыкающим контактом. Этой кнопкой можно разорвать цепь, питающую нулевую катушку, и произвести ди­ станционное выключение автомата.

§ 3. УСИЛИТЕЛИ

Как видно из функциональной схемы рис. 1, сигналы датчика (эле­ мент И) должны привести в действие управляющее, а затем силовое уст­ ройство. Часто сигналы датчика не обладают для этого достаточной мощно­ стью. Поэтому между датчиком и управляющим устройством или между управляющим устройством и силовым элементом ставится усилитель.

Усилителем называется устройство, в котором малые изменения вели­ чины на входе преобразуются при помощи подводимой к усилителю энер­ гии, в значительно большие изменения той же, а иногда и другой величины на выходе.

В зависимости от вида энергии, подводимой к усилителю, последние разделяются на: 1) электрические, 2) гидравлические и 3) пневматические.

Основным показателем усилителя является его коэффициент усиления. Коэффициент усиления представляет собой отношение изменения вы­ ходной величины к соответствующему изменению входной величины уси­

лителя, т. е.

^*ВЫХ

dxDK

/ /

Рис. 4.18. Схемы усилительных каскадов:

а — с общ им катодом; б — с общ им анодом ; в — с общей сеткой

Гидравлические и пневматические усилители являются часто управ­ ляющими органами серводвигателей, перемещающих регулирующие ор­ ганы. Эти усилители следует рассматривать совместно с этими двигателя­ ми и коэффициент усиления в данном случае (по мощности) будет равен отношению выходной мощности серводвигателя к входной мощности уси­ лителя.

Электрические усилители. Электрические усилители разделяются на: 1) электронные, выполняемые на электронных лампах, ионных и полупро­ водниковых приборах, 2) магнитные и 3) электромашинные.

Электронные усилительные каскады, выполненные на электронных лам­ пах, могут иметь нагрузочное сопротивление в цепи анода (рис. 4.18, а) или в цепи катода (рис. 4.18, б) и возможен также вариант, в котором источник сигнала введен в катодную цепь и действует последовательно с анодным на­

пряжением (рис. 4.23 в). Приведенные варианты схем различают	также
по наименованию электрода, который является общим для входной	и вы­

ходной цепей лампы. Для схемы рис. 4.18, а общим электродом является катод и такая схема называется схемой с общим катодом, схема рис. 4.18, б является схемой с общим анодом, а схема рис. 4,18, в с общей сеткой.

Эффект усиления проявляется в том, что небольшие изменения входного сигнала, поступающего между катодом и сеткой (рис. 4.18,а), изменяют анод­ ный ток и при этом падение напряжения на сопротивлении R a значительно больше по величине, чем сигнал входа.

Коэффициент усиления триода

при / а = const показывает, во сколько раз положительное приращение анодного напряжения должно быть больше отрицательного приращения сеточного напряжения, чтобы анодный ток остался неизменным. У различ­ ных триодов коэффициент усиления колеблется в пределах от 2,5 до 200.

Коэффициент усиления каскада отличается от коэффициента усиления лампы. Если dIaRa = dUBUX— выходной сигнал, a dUc = dUBX1 т. е. сеточное напряжение является входным сигналом и так как

	dI	= _ydUBX
			Ri +	Ro
где Rj — сопротивление лампы,
то	^ вых =	а	д а =	- ^	^ я а,
				l\i	i Да
откуда	коэффициент усиления	каскада
	ту- _ dUвих		_
	“ dU„		~ Р Ri + R*
В усилителях на триодах R a =			(2 -f- 4) Rt.
Работа лампы определяется		анодно-сеточными характеристиками, т. е.

зависимостью анодного тока от сеточного напряжения при постоянном анодном напряжении

/ а = / (Uc) при Ua = const

ианодными характеристиками

/а = f{Ua) при Uc = const.

На основании анодных характеристик строятся рабочие (динамиче­ ские) характеристики лампы.

На рис. 4.19 дано построение такой характеристики. На семейство анодных характеристик рис. 4.19, а наносится прямая, определяемая урав­ нением t/a = Ea— IaRa и называемая линией нагрузки. С осью абсцисс линия нагрузки пересекается в точке Ua = Ea под углом

(3= arctg ь £ а,

где а и b — масштабные коэффициенты для токов и напряжений. На рис. 4.19, б построена динамическая характеристика, т. е. зависимость анодного тока от сеточного напряжения при нагрузке лампы.

На основании динамической характеристики можно построить изме­ нение выходной величины в зависимости от входной (рис. 4.19, в).

Из рис. 4.19, в видно, что для уменьшения искажений необходимо выбрать точку покоя О и амплитуду входного сигнала так, чтобы все зна­ чения выходного сигнала соответствовали прямолинейному участку дина­ мической характеристики.

Как видно из рис. 4.19, в, входной сигнал находится в зоне отрицатель­ ных напряжений. Делается это для того, чтобы уменьшить сеточные токи,

Рис. 4.19. Построение характеристик усили­ тельного каскада:

а — анодные характеристики; б — динамическая харак ­ теристика; в — изменение вы ходного сигнала в зав и си ­ мости от входного

которые возрастают при положительном потенциале на сетке и могут при ‘этом искажать входной сигнал.

Отрицательное смещение на рис. 4.18 осуществлено батареей Есо. Од­ нако обычно смещение осуществляется установкой сопротивления в анод­ ной цепи (шунтируемого конденсатором), падение напряжения на котором создает смещение.

Помимо триодов, для усилителей используются лампы с двумя сетками (управляющей и экранирующей), тетроды и с тремя сетками (управляю­ щей, экранирующей и защитной) пентоды. Применение этих ламп дает возможность повысить коэффициент усиления и уменьшить емкостную связь между входными и выход­

ными цепями.

Наиболее удобными считают­ ся усилители переменного тока. Поэтому в случае если датчик выдает постоянную величину, перед усилителем ставится эле­ мент, преобразующий эту посто­ янную величину в переменную.

Питание усилителя обычно производится постоянным током,, получаемым от выпрямителя, являющегося частью электрон­ ноусилительного блока. Элек­ тронные усилители чаще всего применяются для усиления на­ пряжения, получаемого при различных измерениях. Напри­ мер, при измерении температур термопара на всем диапазоне измерения развивает э. д. с. от О до 40—60 мкв. Следователь­ но, для получения достаточной чувствительности прибор дол­ жен реагировать на изменение э. д. с. в несколько микровольт, а иногда и на долю микроволь­ та. Вначале увеличивается на­ пряжение, снимаемое с измери­ тельной схемы до величины,

при которой оно может управлять работой электронной лампы. На следу­ ющей ступени сигнал увеличивается по мощности. Соответственно раз­ личают усилители напряжения и усилители мощности.

В электронных автоматических измерительных приборах усилитель напряжения и усилитель мощности монтируются в одном корпусе и обра­ зуют электронноусилительный блок. Усилители напряжения и усилители мощности собираются по различным схемам в зависимости от своего на­ значения и предъявляемых требований. Рассмотрим электронный усили­ тель, применяемый в электронных автоматических потенциометрах,, электронных автоматических мостах, а также в расходомерах, работающих с индуктивно-трансформаторными датчиками.

На рис. 4.20 дана схема электронноусилительного блока с трансформа­ торным входом, часто применяемого в автоматических приборах. Трех­

каскадный усилитель напряжения собран на двойном триоде		и половине
такого же триода Л2. Вторая половина лампы Л2 используется		в качестве
кенотрона	однополупериодного выпрямителя. Трансформатор питания
Тр2 имеет	отдельную обмотку напряжением порядка 300 ву предназначен­

ную для питания усилителя напряжения. Усилитель напряжения питается постоянным током через кенотрон Л2 и сглаживающий фильтр, состоящий из сопротивлений R 2, R 7и конденсаторов Сь С4, С7 и обеспечивающий одно­ временно устойчивость работы усилителя.

Под действием напряжения питания при отсутствии входного сигнала через первый каскад усилителя сопротивление R 3, левую половину три­ ода Л 1 и сопротивление Ri проходит постоянный ток. Этот ток на сопро­ тивлении Ri создает автоматическое смещение, обеспечивающее работу в левой области сеточной характеристики, где сеточные токи ничтожно малы. Два следующие каскада работают в режиме с сеточными токами, которые, протекая через сопротивление R6 и R Ql создают небольшое отрицательное смещение на сетках. Работа двух последних каскадов с ничтожным смеще­ нием, создаваемая сеточными токами, ослабляет общий коэффициент уси­ ления и создает нелинейные искажения. Так как в усилителе, работающем

0 ~ Сеть 0

Тр?

Рис. 4.20. Схема электронноусилит^пьного блока автоматического прибора

на асинхронный электродвигатель или реле, нелинейные искажения до­ пустимы, то предпочитают иметь упрощенную схему и мириться с указан­ ными недостатками.

Между каскадами усилителя	осуществлена емкостная связь			(С5, Св и
С9). При отсутствии входного	сигнала	через все	три каскада	проходит
постоянный ток, а сигнала на	выходе	усилителя	(справа конденсатора

С9) нет. При поступлении сигнала на вход усилителя напряжения (сигнал поступает при частоте 50 гц) появляются переменные составляющие тока. Падение напряжения на сопротивлении /?3, вызванное переменной составляю­ щей анодного тока, через емкость СБ подается на сетку второго каскада, вы­ зывая изменение его анодного тока. Точно также второй каскад через емкость Св действует на третий каскад, а третий каскад через емкость С9 подает усиленный сигнал на сетку усилителя мощности.

Переменное сопротивление R e позволяет менять чувствительность уси^ лителя напряжения. Иногда для расширения регулировки коэффициента усиления сопротивление R5 также делают переменным.

Коэффициент усиления усилителя напряжения при использовании

ламп 6Н9С составляет	приблизительно	40000—60 000.	Коэффициент
трансформации входного	трансформатора	около 1 10, что	на порядок

повышает общий коэффициент усиления.

Входной трансформатор Tpi собирается на пермаллоевом сердечнике. Принимаются меры против паразитных напряжений, наводимых внеш­ ними магнитными полями частоты 50 гц. Конденсатор С2 установлен для настройки трансформатора в резонанс на частоту сигнала 50 гц. Это уве-

личивает его входное сопротивление для первой гармоники и уменьшает для высших.

Усилитель мощности, непосредственно управляющий работой двига­ теля, собран на двух двойных триодах Л3и Л4. Триоды включены параллель­ но для увеличения выходного тока. Усилитель мощности питается от от­ дельной обмотки питающего трансформатора Тр2, имеющей среднюю точку. Аноды усилителя мощности находятся в противофазе, подобно анодам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой, а сетки находятся в фазе.

В зависимости от величины потенциала на сетках и его сдвига во вре­ мени будет меняться ток управляющей обмотки двигателя по величине и фазе. Для уяснения работы усилителя мощности рассмотрим три случая изменения напряжения управления.

Примем, что величина импульса напряжения, подаваемого на сетку, изменяется так, что триод или полностью заперт или полностью открыт.

Случай 1. Напряжение на сетках совпадает по фазе с напряжением ле­ вых половин триодов Л з и Л4. Во время положительной полуволны сеточ­ ного напряжения левые половины триодов будут пропускать ток. В пра­ вых половинах тока не будет, так как на анодах будет отрицательный по­ тенциал. Во время отрицательной полуволны в левых половинах ламп тока не будет, так как анодное напряжение отрицательно. В правых по­ ловинах в это время анодное напряжение положительно, но триоды заперты отрицательным сеточным напряжением. Поэтому в этом случае через на­ грузку, т. е. управляющую обмотку двигателя, пойдет ток однополупериодного выпрямления. Как видно из рис. 4.21, а, этот ток может быть разложен на ряд синусоид.

При этом основное значение будет иметь первая гармоника основной частоты. Эта составляющая будет проходить по обмотке двигателя и со­ здаст вместе с током обмотки возбуждения вращающий момент. Высшие гармоники замкнутся через конденсатор С10, так как при повышенной ча­ стоте сопротивление двигателя (индуктивное) возрастает, а сопротивление конденсатора уменьшается. *

Случай 2. Напряжение на сетках совпадает по фазе с напряжением правых половин триодов Л 3 и Л4. Аналогичными рассуждениями можно убедиться, что в этом случае через нагрузку также пойдет ток однополупериодного выпрямления.

Однако в этом случае первая гармоника будет сдвинута по фазе на 180° в то время, как фаза тока в сетевой обмотке осталась прежней. Поэтому вращающий момент изменит знак и двигатель будет вращаться в другую сторону.

Случай 3. Напряжение на сетке усилителя мощности равно нулю.

Вэтом случае ток пропускают левые и правые половины триодов Л 3 и Л4. По нагрузке будет проходить ток двухполупериодного выпрямления —

рис. 4.21, б. Этот ток также может быть разложен на синусоидальные со­ ставляющие. Но основная гармоника в данном случае будет иметь двойную частоту. Поэтому двигатель не сможет развить вращающий момент. По­ стоянная составляющая тока, имеющая в данном случае большое значе­ ние, будет тормозить двигатель.

Рассмотренный электронноусилительный блок состоит из усилителя напряжения (<#! и Л2) и усилителя мощности (Л3 и Лд). Усилитель напря­ жения усиливает входной сигнал. Усилитель мощности является элемен­ том, управляющим работой реверсивного двигателя.

Электронные усилительные каскады выполняются также на полупро­ водниковых приборах — транзисторах.

Транзистор можно представить как два диода, соединенных между собой одноименными сторонами. На рис. 4.22, а упрощенно представлена конст­ рукция транзистора типа р—п—р, схема его включения и схемное изобра­

жение — на рис. 4.22, б. Транзисторы бывают также типа п—р—гг. Принци­ пиально работа транзистора типов р—п—р и п—р—п протекает одинаково.

Если к одному диоду (нижнему) приложить напряжение в пропускном направлении, то при малой величине этого напряжения возникнет ток, так как сопротивление диода в этом направлении мало. Область, находя­ щаяся между двумя переходными слоями, в данном случае область пу делается ничтожно малых размеров. Эта область называется базой.

Ток, носителями которого в области	р являются	дырки, насыщает
базу носителями тока — дырками. Размеры	базы столь	малы, что дырки,

Рис. 4.21. Выходной ток усилителя мощности:

а — при наличии входного сигнала; б — входной сигнал равен нулю

распространяясь вдоль базы, доходят до переходного слоя верхнего диода. Из-за малого размера базы процесс рекомбинации почти не сказывается на уменьшении количества дырок, достигающих верхнего переходного слоя. Попав в верхний переходный слой, дырки под действием разности потен­ циалов переходного слоя переходят в верхнюю область р и собираются к отрицательному полюсу батареи, увеличивая ток верхнего диода.

Следовательно, осуществляется управление током верхнего диода (вы­ ходная цепь) при помощи цепи нижнего диода (входная цепь).

Нижняя область р, снабжающая базу носителями тока, называется эмиттером, а верхняя область р, ток которой питает нагрузку, называется коллектором.

Эффект усиления проявляется в том, что мощность входной цепи из­ меняет ток выходной цепи и при этом мощность, выделяемая на сопротив­ лении нагрузки, значительно больше мощности входной цепи.

Рассмотренная схема включения транзистора является схемой с общим эмиттером. Аналогом этой схемы в ламповой технике является усилитель-

1к

ный каскад с нагрузкой в анодной цепи. Схема с общей базой практически не применяется, так же как и не применяется в ламповой технике схема с общей сеткой. Схема с общим коллектором применяется в случае, когда необходимо иметь большое входное или малое выходное сопротивление. Эта схема аналогична схеме с нагрузкой в цепи катода.

Рис. 4.22. Схема действия транзистора:

а — конструктивная схем а; б — схем ное и зо б р а ж ен и е

Свойства транзистора определяются его характеристиками, т. е. вы­ раженными графически зависимостями между напряжениями и токами на его выводах. Соответственно различают входные и выходные характеристики.

На рис. 4.23 в первом квадранте даны выходные статические характеристики транзистора, т. е- зависимос­ ти тока коллектора / к от на­ пряжения между коллектором и эмиттером и кЭ при различ­ ных неизменных значениях тока базы / б, снятые при отсутствии сопротивления на­

грузки.

При нагрузке

		Uk3 = U „ ~ I K R H,
	где	£/„ — напряжение	пи­
		тания;
		/?„ -—сопротивлениена­
		грузки.
	Динамические характерис­
	тики	строятся так же, как и
Рис. 4.23. Характеристики транзистора	для лампового усилительного
	каскада.
			ко­
Рабочая точка перемещается по нагрузочной		прямой, положение

торой определяется напряжением питания и сопротивлением нагрузки. Точки пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками дают динамическую переходную характеристику / к = /2 (/б), представлен­ ную во втором квадранте.

Входная характеристика триода, представляющая зависимость напря­

жения между базой и эмиттером 0 бэ от тока базы дана в III	квадранте
рис. 4.23. Напряжение входа UBX равно сумме напряжения	сигнала Ес и
напряжения смещения £/см.
Напряжение между базой и эмиттером
и йэ ^ в х ^б R c ,
Rc — внутреннее сопротивление источника сигнала-

Напряжение и бэ и ток / б определяются для любого момента времени точками пересечения входной характеристики с нагрузочной прямой цепи

базы — эмиттер,		построенной в III квадранте по точкам с координатами
Iб	и бэ	^

Пользуясь графиками рис. 4.23, можно проследить зависимость выход­ ной величины от входной так же, как это делалось для ламповых усили­ тельных каскадов.

Если усиливаемый сигнал не должен искажаться, то рабочую точку выбирают на середине прямолинейного участка динамической переход­ ной характеристики. В автоматике можно допустить искажения усили­ ваемой величины и принять рабочую точку ниже.

При нормальных условиях рабочая точка не должна перемещаться. Параметры транзисторов изменяются при изменении температуры пере­ ходных слоев. Это'приводит к нестабильности работы каскада и уходу рабочей точки.

Рис. 4.24. Транзисторные усилительные каскады с обратной связью:

а — по то к у ; б — по напряжению

Для ограничения температурной нестабильности применяют различные схемы, два варианта которых приведены на рис. 4.24.

На рис. 4.24, а приведена схема усилительного каскада с обратной связью по току, ограничивающей нестабильность допустимыми пределами. На рис. 4.24, а базовый ток / б0, обеспечивающий нужный ток покоя в коллек­ торной цепи / к, создается делителем напряжения R u R2y средняя точка которого подведена к базе. При возрастании температуры ток покоя / ко начинает расти и рабочая точка начинает перемещаться. При возрастании тока / к увеличивается падение напряжения на сопротивлении R 3. Снижа­ ется напряжение смещения. Снижается базовый ток и тем самым ограни­ чивается нарастание коллекторного тока покоя / ко.

Если нужно, чтобы одновременно с составляющей обратной связи по постоянному току не возникала составляющая обратной связи по пере­ менному току, эмиттерное сопротивление R3 шунтируется конденсатором

На рис. 4.24, б дана схема усилительного каскада с обратной связью по напряжению, осуществляемой в сопротивлении R0C9 включенному меж­ ду коллектором и базой.

Ограничение возрастания тока покоя / ко при увеличении температуры достигается благодаря уменьшению отрицательного потенциала на кол­ лекторе транзистора. Уменьшение потенциала определяется падением

напряжения I KRK на коллекторном сопротивлении RK- При уменьшении потенциала точки К уменьшается ток /б, что приводит к ограничению / к.

Электромашинные усилители (ЭМУ). Эффект усиления проявляется в генераторе постоянного тока с независимым возбуждением. Так, прираще­ ние мощности в цепи возбуждения может вызвать значительно большее приращение мощности, снимаемой с зажимов якоря.

Однако в этом случае коэффициент усиления по мощности не превы­ шает 100.

Более значительный коэффициент усиления (500—1000) получается у генератора, имеющего две обмотки возбуждения: параллельную и неза-

Рис. 4.25. Электромашинный усилитель:

а — схем а магнитных	п о т о ­
ков; 6 — электрическая	с х е ­

ма; в — распределение и н д у к ­ ции вдоль окруж ности якоря

8)

висимую (управляющую). В этом случае сопротивление параллельной обмотки возбуждения берется таким, чтобы машина не могла возбудиться, если в управляющей обмотке нет тока. Небольшой ток в управляющей обмотке заставляет машину возбудиться.

Наибольший коэффициент усиления достигается в электромашинных усилителях с поперечным полем.

Этот усилитель является генератором постоянного тока с независимым возбуждением. Обмотки возбуждения (одна или несколько) являются уп­ равляющими обмотками.

Магнитный поток, наведенный управляющей обмоткой, создает в якоре небольшую э. д. с. Щетки якоря замыкают накоротко. В результате в якоре возникает ток и магнитный поток реакции якоря. Напряжение на выходе ЭМУ индуцируется потоком реакции якоря.

Как известно, в машине постоянного тока э. д. с., наведенная в каждом стержне якоря, зависит только от положения стержня в данный момент относительно магнитных полюсов. Действительно, э. д. с. стержня равна

	е = Blvy
где В — магнитная	индукция в месте нахождения стержня;
I — активная	длина якоря;
v — линейная	скорость.

Так как I и v величины постоянные, а В меняется вдоль окружности якоря синусоидально, то и а будет также меняться вдоль окружности якоря. На рис. 4.25, в по оси абсцисс отложена развернутая длина якоря (при­ нято, что электромашинный усилитель двухполюсный), а по оси ординат изменение магнитной индукции В вдоль окружности якоря (синусоида). Если в этих же осях координат отложить э. д. с., индуцируемую в стерж­ нях обмотки, то кривая э. д. с. будет копировать (в определенном масштабе) кривую магнитной индукции. Вертикальными линиями отложена э.д.с. стержня, находящегося в данном месте магнитного поля. Стержни обмотки

иколлектор движутся, но изображение э. д. с. неподвижно, потому что как только стержень обмотки приходит в данное место, в нем индуцируется постоянная, соответствующая данной точке магнитного поля, э. д. с. По­ этому неподвижные щетки будут снимать с вращающегося коллектора постоянную э. д. с.

Стержни обмотки соединены последовательно, поэтому э. д. с. одного знака складываются. Поэтому щетки нужно ставить в нейтралях, точки а

иЬ (там, где магнитная индукция равна нулю). Если щетки сдвинуть с нейтралей, напряжение между ними уменьшится. При сдвиге на 90 элект­ рических градусов (точки e n d ) напряжение между щетками будет равно нулю, так как суммируемое напряжение будет состоять из двух равных

частей с разными знаками.

В ЭМУ с поперечным полем щетки, снимающие напряжение, индуци­ руемое полем обмотки возбуждения Ф, закорачиваются (рис. 4.25, б). По короткозамкнутому якорю идет ток (направление токов: «+» за плоскость чертежа и «•» из-за плоскости чертежа), создающий магнитный поток ре­ акции якоря — Фя, который перпендикулярен магнитному потоку обмотки возбуждения Ф.

Поток реакции якоря Фя больше магнитного потока обмотки возбужде­ ния Ф. Эта часть машины как бы представляет собой первый генератор, создающий магнитное поле второго генератора.

Поток реакции сдвинут на угол 90° относительно потока обмотки воз­ буждения. Поэтому этот поток будет индуцировать напряжение между щетками, расположенными в точках с и d, и к этим щеткам на напряжение Uвых можно подключить нагрузку. Однако ток нагрузки, проходя по яко­ рю между щетками с и d, будет создавать поток Ф„, размагничивающий машину (направлен против основного магнитного потока Ф). Для компен­ сации этого размагничивающего потока на полюса одевают компенсацион­ ную обмотку (КО)—рис. 4.25, б. Эта обмотка создает магнитный поток Фк, равный и направленный встречно магнитному потоку Фн.

Конечно, в машине не существуют отдельно магнитные потоки Ф, Фя, Фн и Фк, а есть один магнитный поток, возникающий под действием всех ампер-витков машины. Однако для анализа работы и для расчетов можно считать, что в машине действуют отдельные потоки.

Включая реостат параллельно компенсирующей обмотке, можно ме­ нять внешнюю характеристику усилителя, т. е. зависимость напряжения на зажимах £/ВЬ1Х от тока нагрузки.

По конструкции машинный усилитель почти ничем не отличается от генератора постоянного тока. Якорь усилителя такой же, как у генератора постоянного тока. Статор же изготовляется с распределенной обмоткой или

с явно выраженными полюсами. В последнем случае полюса бывают более широкими, что создает уменьшенное магнитное сопротивление для потока реакции якоря.

Вращение ЭМУ производится трехфазным двигателем обычно со ско­ ростью вращения 3000 или 1500 об/мин. Приводной двигатель и ЭМУ ус­ танавливаются на общей плите или имеют общий корпус.

ЭМУ обычно имеет несколько обмоток возбуждения. Это позволяет ему работать в системе автоматики с различными связями.

Выходная мощность ЭМУ может достигать нескольких десятков кило­ ватт, а коэффициент усиления по мощности доходить до 10000.

К недостаткам ЭМУ следует отнести наличие вращающихся частей и коллектора. Эта машина требует тщательного ухода и квалифицирован­ ного обслуживания. Недостатком является также большая инерционность,

определяемая

постоянной

времени машины.

Магнитные усилители.

На

рис.

4.26 дана

/

схема простейшего магнитного усилителя, состо­

У 1

ящего из

двух дросселей.

Обмотки

дросселей

соединены

последовательно

с

сопротивлением

7 Д

№

<- -

нагрузки

R n

и присоединены

к

переменному

"

напряжению

U_Два

соседних

стержня дроо

е

*

селей несут управляющую

(подмагничивающую)

1

: т

обмотку,

подсоединяемую

к

постоянному

т

напряжению

0.

тока U„ распреде-

L i

2

Напряжение переменного

'

ляется между обмотками магнитного

усилителя

t i r = i r

(МУ) и сопротивлением нагрузки /?„. Регулиро­

и

Рис.

4.26.

Магнитный

вать распределение напряжения

между обмот­

ками МУ и сопротивлением R Hможно, изменяя ток

усилитель:

1 — рабочая

обм отка;

2 —

управления (подмагничивания). При отсутствии

м агнитопровод;

3 — уп равл я ­

тока в управляющей

обмотке, напряжение U~

ющая обм отка;

Я —н агрузк а

почти целиком уравновешивается

э.

д. с. МУ,

а на сопротивлении

R„

напряжение

(а следо­

вательно, и мощность) весьма мало. При

полном 100%-ном токе

управле­

ния, наоборот, напряжение на МУ мало, а на сопротивление падает почти все напряжение. %

Эффект усиления сказывается в том, что всякому изменению мощности (или тока) в цепи управления сопутствуют в десятки или даже сотни раз

большие изменения мощности (или тока) в рабочей цепи.
Ток в рабочей цепи (рис. 4.26) определяется формулой
	/.			(4.1)
	V {Rn+ r f + ^ L f
где г — активное сопротивление рабочих обмоток МУ:
jo — угловая частота:			которая	пропорциональна
L — индуктивность рабочих обмоток МУ,
магнитной	проницаемости	сердечника	МУ	щ т. е. L — Кр,
где К — постоянный	коэффициент,	определяемый конструкцией МУ и
единицами	измерения.	[а о т напряженности магнитного поля
На рис. 4.27, а дана зависимость
Я или от / у, так как Я прямо пропорционально / у.

Как видно из рис. 4.27, а, при увеличении управляющего тока р., а с ним и L резко уменьшаются. Это приводит к тому, что знаменатель выра­ жения 4.1 уменьшается и рабочий ток возрастает.

На рис. 4.27, б дана зависимость рабочего тока от тока управления. Такая зависимость называется статической характеристикой МУ или на­ грузочной характеристикой.

Существуют схемы, в которых нагрузка включается не последовательно, а параллельно рабочим обмоткам МУ. Нагрузочная характеристика в этом случае иная.

МУ, обладающие статической характеристикой, при которой величина рабочего тока не зависит от направления тока управления, называются однотактными.

Рис. 4.27. Зависимости в магнитном усилителе:

Если же при изменении направления / у фаза рабочего тока опроки­ дывается на 180° или в случае выхода на постоянном токе рабочий ток ме­ няет полярность, МУ называется двухтактным.

Такой двухтактный МУ, у которого при отсутствии сигнала рабочий ток равен нулю,.представлен на рис. 4.28. Как "видно из рис. 4.28, МУ со-

Рис. 4.28. Двухтактный магнитный усилитель:			Рис. 4.29.			Магнитный усилитель
Т р -т- трансформатор;	— рабочие обмотки;	\FB — под-	С	внешней		обратной	СВЯЗЬЮ ПО
магничивающ ая обмотка;	ХУу— управляющ ая	обмотка;				току:
Z — н агрузк а			1	и	/ ' — рабочие обм отки;		2 — обмотка
			управления; 3 — обмотка обратной связи;
				R	— сопротивление обратной связи

бран	по дифференциальной	схеме. При этом нагрузка Z„	включена	так,
что	по ней проходит разность токов двух магнитных усилителей I			и
/~ 2-	Оба дросселя имеют	подмагничивающую обмотку,	подключаемую

к постоянному и неизменяемому напряжению (/„. Кроме того, оба дросселя имеют обмотку управления с током / у. Обмотка управления включена так, что при появлении тока управления рабочий ток одного дросселя уменьшается, а другого возрастает.

Если ток управления равен нулю, то рабочий ток в силу симметрии тоже равен нулю. При возрастании управляющего тока возрастает ток нагрузки. При изменении направления управляющего тока фаза рабочего тока опрокидывается на 180°.

Магнитные усилители могут быть собраны также и по мостовой схеме. Достоинством магнитных усилителей является то, что в них легко осу­ ществлять обратные связи и связи с различными элементами системы ав­

томатического регулирования.

На рис. 4.29 показана схема МУ с внешней обратной связью по току. Внешняя обратная связь по току осуществляется через обмотку 3, расположенную на смежных стержнях магнитопровода, эта обмотка, вклю­ ченная последовательно с сопротивлением обратной связи R 0.c, питается от полупроводникового выпрямителя, включенного в левую фазу источ­ ника переменного токае напряжением U~. Эта связь будет положительной, если магнитный поток обмотки 3 будет совпадать с магнитным потоком обмотки управления 2, в противном случае эта связь будет отрицательной. Величина обратной связи регулируется величиной сопротивления # 0.с. В магнитных усилителях применяется положительная обратная связь,

что ведет к увеличению коэффициента усиления по току и мощности. Обратная связь называется внешней, если она осуществляется через

специальную обмотку. Если для обратной связи нет отдельной обмотки, она называется внутренней.

На рис. 4.30 представлена схема МУ с выходом на постоянном токе с внутренней обратной связью по току. Как видно из схемы, рабочие обмотки МУ соединены в данном случае параллельно.

Каждая из этих обмоток подключается к сети через полупроводнико­ вые выпрямители так, чтобы один полупериод ток протекал через одну обмотку, а другой полупериод — через другую. При этом необходимо, чтобы каждый из магнитных потоков обмоток 1 и 1' совпадал по направле­ нию с магнитным потоком обмотки управления 2.

В этом и заключается сущность автоподмагничивания, позволяющая делать МУ с самонасыщением.

Обратные связи могут быть не только по току, но и по напряжению. В автоматических приборах применяются трансформаторные МУ, в

которых нагрузка подключается к отдельной обмотке.

Такие магнитные усилители могут быть хорошо согласованы с источ­ ником сигнала и электронным усилителем и с успехом заменить вибропре­ образователь, применяемый в потенциометрах и автоматических мостах постоянного тока.

Значительным преимуществом магнитных усилителей является их про­ стота, прочность, отсутствие вращающихся частей, нечувствительность к значительным перегрузкам. У магнитных усилителей коэффициент уси­ ления больше, чем у электронных (на один каскад).

Недостатком магнитных усилителей является их большая инерцион­ ность. Однако специальными мерами снижают эту инерционность. МУ с меньшей инерционностью называются быстродействующими.

Пневматические усилители. Пневматические усилители применяются в пневматических регуляторах и служат для преобразования линейного перемещения в изменение давления.

Основными элементами всех пневматических усилителей являются дроссель, сопло и заслонка. На рис. 4.31 дана схема пневматического уси­ лителя прибора типа 04. По трубке 1 подается сжатый воздух, который до поступления в усилитель проходит через очищающий фильтр и редуктор.

Заслонка 8, перемещающаяся между двумя соплами, которыми закан­ чиваются трубки 1 и 6, и сильфоны являются усилителями давления, обра­ зованного в камере 4 после преобразования перемещения в давление. За­ слонка 8 приводится в движение двумя сильфонами, так как дно сильфонов жестко связано с заслонкой 8. Площадь дна внутреннего сильфона прибли­ зительно в 4 раза меньше площади дна наружного сильфона. Поэтому давление на выходе в трубку 5 при состоянии равновесия приблизительно

в4 раза больше давления в камере 4.

Вприборах пневматической системы АУС применяются, например, пневматические усилители, схема которого представлена на рис. 4.32.

Воздух в таком усилителе из сопла 8 вытекает не в атмосферу, а в ка­ меру обратной связи 9.

Входная величина усилителя представляет собой усилие, приложенное

кэлементу обратной связи 1.

Воздух питания подводится к тарельчатому клапану 4 и постоянному дросселю 6. Когда входное усилие равно нулю, воздух, прошедший дрос­

			сель, поступает в сопловую камеру
			СК, и, пройдя через сопло 8 и зазор
			z между соплом и заслонкой 7, попа­
			дает в камеру обратной	связи 9.	Из
			камеры обратной связи	воздух	про­
- __Г			ходит в камеру распределения РК и
			отсюда, через канал в штоке 5, выхо­
Г т ® - -	д		дит в пространство между мембрана­
		J ?	ми 2, сообщающееся с	атмосферой.
t z	j		В этом случае в сопловой камере
			СК давление практически не создает­
			ся, тарельчатый клапан закрыт и дав­
			ление воздуха на выходе усилителя
			равно нулю.

Рис. 4.32.	Пневматический	усилитель		Если к элементу обратной связи 1
	АУС:	5 — шток;		приложено некоторое усилие			Р, то
браны; 3 — п руж и н а; 4 — клапан;				зазор между заслонкой и соплом со­
/ — спльфон	(элемент обратной связи );		2 — мем ­
6 — д р о ссел ь ; 7 — заслонка; 8 — сопло;			9 — к а ­	кращается, в сопловой камере СК со­
	мера обратной связи			здается	давление,	под действием ко­
				торого	мембраны	прогибаются	вниз.

Шток упирается торцом в тарельчатый клапан и открывает его, при этом одновременно перекрывается проход воздуха через канал штока. Воздух питания проходит через клапан 4 в камеру РК и отсюда поступает на выход и в камеру обратной связи 9. При этом заслонка 7 устанавливается в такое положение, при котором давление на выходе усилителя создает на элементе обратной связи 1 усилие, равное по величине входному усилию Р. Мембрана также устанавливается в положение равновесия. Давление в камере СК должно быть при этом больше давления на выходе на величину, определяе­ мую усилием пружины 3. Следовательно, между давлением в камере СК (перед соплом 8) и давлением в камере обратной связи 9 (после сопла) су­ ществует определенный перепад давления, который благодаря незначитель­ ному ходу мембран поддерживается постоянным.

Каждому значению входного усилия однозначно соответствует опреде­ ленная величина давления на выходе усилителя.

Вход воздуха в камеру РК через тарельчатый клапан и выход в атмос­ феру через канал штока никогда не бывают открыты одновременно. Благо­ даря этому расход воздуха незначителен.

Рассмотрение пневматических усилителей показывает, что они являются составной частью регулятора. Поэтому коэффициент усиления их опреде­ ляется как отношение усилия на исполнительном механизме к усилию на входе усилителя.

Для перемещения струйной трубки из одного крайнего положения в другое разность усилий между пружиной 6 и измерительным устройством 7

должна быть порядка 10	Г. Усилие на поршне исполнительного механизма
. при этом может достигать	сотни килограммов. Отсюда видно, что коэффициент

(усиления такого усилителя имеет порядок 10 000.

Другой разновидностью гидравлического усилителя является золот- Гник4~(рис7%:6ь). Раоочая жидкость подается по трубке 3 и попадает в зо­ лотник в пространство между двумя поршнями. Когда система находится в равновесии, поршни закрывают отверстия трубок 7, идущих к исполни­ тельному механизму. Шток, на котором закреплены поршни золотника, укреплен шарнирно на рычаге 5. На один конец рычага 5 действуют силы пружины 6 и измерительного устройства 2. Другой конец рычага закреплен шарнирно. При нарушении равновесия рычаг 5 поворачивается и переме­ щает поршни золотника. Вследствие этого рабочая жидкость может попасть в одну из трубок 7. По другой трубке 7 будет происходить слив масла. Изготовляются также двухкаскадные гидравлические усилители. Такие усилители состоят из струйного усилителя (первый каскад) и золотнико­

вого усилителя (второй каскад), смонтированных в общем корпусе.