Усилители и исполнительные механизмы

Усилитель — это устройство, предназначенное для усиления сигнала малой мощности, поступающего на его вход (сигнала рассогласования сравнивающего устройства или сигнала датчика), до мощности, используемой для питания исполнительных механизмов.

Усилители классифицируют по виду используемой энергии на электрические, гидравлические, пневматические и механические.

К электрическим усилителям относятся усилители постоянного и переменного тока: полупроводниковые, операционные, электромашинные, электромеханические и магнитные. Принцип действия и устройство полупроводниковых, операционных, электромашинных и электромеханических усилителей рассмотрены в курсах «Электроника и микропроцессорная техника», «Электрические машины и аппараты».

Из полупроводниковых приборов наиболее распространены тиристорные и транзисторные усилители. На базе тиристоров и транзисторов создают станции (рис. 7.27), используемые для управления работой исполнительных асинхронных короткозамкнутых электродвигателей трехфазного тока. Основные устройства станции: выпрямитель VD, который преобразует напряжение сети переменного тока U_c с частотой /_с в энергию постоянного тока; фильтры Ьф, Сф; инвертор И, преобразующий постоянный ток в трехфазный напряжением U_Bblx и частотой/_вых; блок управления БУ, с помощью которого можно регулировать Н_вых и /_вых. Изменяя частоту тока на выходе станции от нескольких десятков или сотен герц до долей герца, регулируют скорость вращения ротора электродвигателя в широких пределах.

Рис. 7.27. Станция управления асинхронным электродвигателем.

Магнитный усилитель (МУ) представляет собой статический электромагнитный аппарат, принцип действия которого основан на зависимости магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника с катушкой переменного тока от подмагничивающего действия постоянного тока. Конструктивная схема МУ показана на рис. 7.28, а. Магнитный усилитель состоит из двух обмоток переменного тока с общим числом витков.

Z0 Z0

1&_п = намотанных на двух крайних стержнях Ш-образного сердечника таким образом, что наводимые им ЭДС во внутреннем стержне сердечника взаимно компенсируются. На внутреннем стержне расположена обмотка управления w_y. Схема замещения магнитного усилителя представлена на рис. 7.28, б.

В обмотку управления подается постоянный ток /_у малой мощности, с помощью которого управляют переменным током нагрузки /" большой мощности.

Для увеличения коэффициента усиления и получения требуемой реакции /" на полярность входного сигнала создают начальное подмагничивание сердечника с помощью обмотки смещения ?0_СМ (см. рис. 7.28).

Рис. 7.28. Схемы включения магнитных усилителей:

а — конструкция; б — схема замещения В усилителях с обратной связью можно достичь значительного увеличения коэффициента усиления. Обратная связь в магнитных усилителях может быть внутренняя и внешняя. Если обратная связь достигается за счет прохождения постоянной составляющей тока нагрузки /_н через рабочие обмотки, то она называется внутренней (рис. 7.29, а). Если обратная связь достигается за счет прохождения части выпрямленного тока 1_Н через отдельную обмотку, то она называется внешней (рис. 7.29, б). Преимущества магнитных усилителей — простое устройство, высокие коэффициент усиления, КПД, надежность и большой срок службы, отсутствие подвижных частей, нечувствительность к температуре, ударам и вибрационным нагрузкам.

К недостаткам усилителей относятся сравнительно большие габаритные размеры, масса и инерционность. Из-за больших постоянных времени они применимы только для усиления низкочастотных сигналов.

Рис. 7.29. Схемы включения магнитных усилителей с положительной обратной связью:

а — схема замещения с внутренней обратной связью; б — схема замещения с внешней обратной связью Исполнительный механизм (ИМ) состоит из двигателя и регулирующего органа (РО), соединенных один с другим непосредственно либо через редуктор или тяги. Выбор ИМ и его источника питания определяется конкретными условиями и регулируемым количеством вещества или энергии.

По виду потребляемой двигателем энергии различают электрические, пневматические и гидравлические ИМ. Для автоматизации стационарных машин преимущественно применяют электрические ИМ, в пожарои взрывоопасных помещениях — пневматические, на мобильных установках — гидравлические и механические.

Электрические исполнительные механизмы делят на электродвигательные, электромагнитные и электромагнитные муфты.

Электродвигательные ИМ оснащены электродвигателями постоянного и переменного тока (однои трехфазными). Обычно электродвигательные исполнительные механизмы выполняются в едином корпусе, в котором находятся редуктор, конечные выключатели и элементы обратной связи (активные или индуктивные сопротивления).

Электромагнитные ИМ — это быстродействующие прямоходовые электромагниты с втягивающимся якорем, преобразующие энергию электрического тока в поступательное движение рабочего органа. Их также называют соленоидными ИМ. Принцип действия и статические характеристики таких ИМ аналогичны принципу действия и статическим характеристикам электромагнитных реле.

Электромагнитные муфты применяют при регулировании частоты вращения РО или для связи РО с постоянно работающим двигателем. С двигателем связана ведущая часть муфты, с РО — ведомая. Вращающий момент с ведущей части на ведомую передается за счет электромагнитных сил, возникающих между ними. Различают муфты скольжения и муфты трения.

В муфтах скольжения на ведущей части располагается обмотка возбуждения, а на ведомой — короткозамкнутая обмотка или сплошной массивный ротор. При вращении ведущей части магнитное поле обмотки возбуждения наводит в роторе ведомой части ток, взаимодействие которого с магнитным полем создает вращающий момент на валу. Электромагнитные муфты скольжения позволяют бесступснчато регулировать скорость.

В муфтах трения вращающий момент передается за счет сил трения между ведущей и ведомой частями. Различают муфты сухого и вязкого трения.

В муфте сухого трения на ведущем валу располагается электромагнит, на ведомом валу — якорь, перемещающийся по шлицам вдоль вала. При подаче тока возбуждения в электромагнит к нему притягивается якорь. Вращающий момент через фрикционные прокладки, установленные на трущихся поверхностях, передается ведомой части муфты.

В муфтах вязкого трения вращающий момент передается за счет намагничивания ферропорошка или магнитной эмульсии, располагающихся между ведомой и ведущей частями муфты. При подаче тока в обмотку возбуждения находящиеся в порошке (эмульсии) частицы железа сцепляются между собой, образуя связь между ведомым и ведущим валами муфты.

С увеличением тока возбуждения возрастает передаваемый вращающий момент. В динамическом отношении электромагнитные муфты считают безынерционными звеньями.

Регулирующие органы могут быть различного вида: заслонки, вентили, клапаны, задвижки, дозаторы, питатели, трансформаторы, реостаты и др. Они способны изменять количество вещества или энергии, подаваемое в ОУ. Регулирующий орган может быть неотъемлемой частью ИМ (например, электромагнитный вентиль, клапан) или составной частью ОУ (например, дозатор, питатель, транспортер).

По динамическим свойствам регулирующие органы относятся к усилительным звеньям и характеризуются соответственно коэффициентом передачи.