книги / Элементы автоматики и счетно-решающие устройства
..pdfпример, нагревать какую-то произвольную точку проводника, не изменяя при этом температур горячего и холодного спаев;
2) величина термо-э. д. с. не изменится при любом включении произвольного третьего проводника в разрыв термоцепи.
Для сравнения различных материалов можно определять их термо-э. д. с. в отдельности в паре с каким-нибудь эталонным мате риалом (обычно платина). Тогда для двух разных материалов термо-э. д. с. подсчитывается как разность термо-э. д. с. каждого материала в паре с платиной.
При точных измерениях следует учитывать, что величина термо- э. д. с. лишь приближенно линейно зависит от измеряемой темпе ратуры. Поэтому для точного определения температуры по вели чине термо-э. д. с. необходимо пользоваться стандартными градуи ровочными таблицами, обозначения которых приведены в табл. 1. 3.
Таблица 1.3
Характеристики |
некоторых термопар |
|
|
|
Обозначе |
Термо-э.д.с. |
Пределы |
Термопара |
при 7^=373 °К длительного |
||
ние градуи |
и Г2= 273 °К |
применения |
|
|
ровки |
мв |
°К |
Платина — платинородий |
ПП |
0,64 |
250—1600 |
Сплав НК — СА |
НС |
1,85* |
573—1300 |
Хромель — алюмель |
ХА |
4,10 |
220—1300 |
Хромель — копель |
ХК |
6,95 |
220—900 |
Медь — коистантан |
— |
4,25 |
20—700 |
Вольфрам — рений — вольфрам — |
— |
1,45* |
273—2473 |
рений |
— |
|
|
Вольфрам — молибден |
0,50 |
1500—2473 |
* Средняя на 100° в диапазоне.
Если понимать под чувствительностью 5 Т термопары величину термо-э. д. с., развиваемую при разности температур горячего и хо лодного спаев Г К, то термо-э. д. с.
£ - = 5 т( Г , - Т2), |
(1.27) |
где значения 5 Т приближенно берутся из табл. 1.3.
При скачкообразном изменении температуры Т\ среды, в кото рой находится горячий спай термопары, на величину АТ ее термо-
э. д. с. будет изменяться аналогично (1.9) по зависимости
Д £ = 5 ТД |
Г |
( |
1 |
(1. 28) |
гистерезисной погрешности при увеличении и последующем умень шении скорости вращения для магнитопроводов тахогенераторов
обычно используют листовой |
пермаллой. |
т о к а . Якорь 3 |
тахо |
Т а х о г е н е р а т о р ы п о с т о я н н о г о |
|||
генераторов постоянного тока |
(рис. 1.12, а) |
для облегчения |
часто |
изготовляют в виде тонкостенного стаканчика из изоляционного ма-
Рис. 1.12. Схема конструкции
ихарактеристики тахогенератора постоянного тока:
/ —м агн и т; 2—о б м о тк а; 3—я к о р ь; 4— кол л ек то р ; 5—серд еч н и к
териала (иногда бумаги), на котором размещают секции обмот ки 2, выводимые к коллектору 4. Со щеток коллектора снимается
э. д. с.
£ ,= £ еФ (о= £ ти> [в], |
(1.31) |
где, как известно из электротехники,
|
pN |
(1.32) |
|
К = 2па ф , |
|
|
|
|
р —число |
пар полюсов (обычно р = 1 ); |
|
N — количество проводников обмотки якоря; |
|
|
а —число |
параллельных ветвей обмотки якоря; |
|
ш—угловая скорость вращения якоря в рад\сек\ |
|
£ |
Ф —магнитный поток возбуждения в вб; |
kr= — = £ еФ—коэффициент передачи тахогенератора.
О)
Для уменьшения пульсаций э. д. с. число секций обмотки якоря берут не менее 20—25, а иногда применяют также дополнительные фильтры на выходе. Магнитный поток Ф создается либо постоян-
2 |
В 4 М , Ш л ян д и н |
33 |
ным магнитом 1, либо специальной обмоткой возбуждения на ста
торе. В последнем случае
где &ф — коэффициент пропорциональности;
/ в — ток в обмотке возбуждения |
в |
а. |
Следовательно, коэффициент передачи тахогенератора |
||
* T= M > = W |
B |
(1.33) |
зависит от величины тока в обмотке возбуждения. Для увеличения Ф внутри якоря устанавливают цилиндрический ферромагнитный сердечник 5. Конструкция с возбуждением от постоянного магнита значительно проще и не требует дополнительного источника пита ния, поэтому она широко применяется в тахогенераторах постоян ного тока.
Формула (1.31) справедлива только для холостого хода тахо генератора. При работе тахогенератора на сопротивление нагрузка RB напряжение на его зажимах
где |
|
UT= E — I |
< Е , |
(1.34) |
|
|
|
|
|
|
|
/ = |
- - - |
|
|
|
Н Яя + Ян ’ |
|
|
Ra — сопротивление |
обмотки |
якоря. |
|
|
Уменьшение |
UT вызывается также тем, что ток /н в роторе соз- |
|||
дает магнитный |
поток |
реакции |
якоря |
|
|
|
Ф р . , = * р . Л < “ . |
С1 - 3 5 ) |
зависящий как от величины тока 1П, так и от скорости вращения
якоря и уменьшающий результирующий магнитный поток возбуж дения. В связи с этим строгая линейность характеристик тахоГСнераторов (рис. 1.12,6) наблюдается только при небольших ско ростях вращения якоря.
Основной недостаток тахогенераторов постоянного тока заклю чается в наличии коллектора и щеток с нестабильным переходном контактным сопротивлением. Это вызывает некоторую нестабиль ность напряжения, снимаемого с тахогенератора, а также зону не чувствительности при близких к нулю скоростях вращения. Д^я регулировки магнитного потока возбуждения тахогенераторы с На стоянными магнитами часто снабжают регулируемыми магнит ными шунтами. Изменение магнитного сопротивления шунта, черея который замыкается часть общего магнитного потока, позволит поддерживать неизменной часть общего магнитного потока, Ис пользуемую для возбуждения. Отечественная промышленность се рийно выпускает тахогенераторы ТГ, ТД и ЭТ с независимым в0:*-
буждением, МЭТ и ТГП с возбуждением от постоянных магнитов
и др.
Т а х о г е н е р а т о р ы п е р е м е н н о г о т о к а . Основным до стоинством тахогенераторов переменного тока является отсутствие коллектора и щеток. Кроме того, выходная э. д. с. имеет у них синусоидальную форму, что позволяет использовать непосредст венно после тахогенератора усилитель переменного тока с высоким входным сопротивлением. В качестве тахогенератора переменного тока может быть использована либо машина с постоянным маг нитом в качестве ротора, наводящего переменную э. д. с. в обмот ке статора, либо маломощный двухфазный асинхронный электро-
/
Рис. 1. 13. Конструкция двухфазного асинхронного тахогенератора
двигатель с короткозамкнутым ротором. Первый тип тахогенера тора получил небольшое распространение, так как наводимая в нем э. д. с. по частоте пропорциональна скорости вращения рото ра, а по фазе не зависит от направления вращения.
Двухфазный асинхронный тахогенератор, принцип конструкции которого показан на рис. 1.13, свободен от этих недостатков. Ро тор 1 для облегчения обычно изготовляют в виде тонкостенного
металлического стакана. Одна из обмоток питается напряжением w = (/msin соо ^ от сети с частотой соо и создает пульсирующий маг
нитный поток возбуждения Фв = Ф вт5тсоо^ |
пересекающий |
ротор |
в направлении, перпендикулярном оси второй |
(сигнальной) |
обмот |
ки. Если ротор неподвижен, то в сигнальной обмотке э. д. с. не наводится. При вращении ротора в нем, кроме э. д. с. трансфор мации, наводимой потоком обмотки возбуждения, появится э. д. с. вращения вследствие пересечения ротором магнитных линий потока возбуждения. Созданные этой э. д. с. в короткозамкнутом роторе токи обусловливают появление переменного магнитного потока Ф, совпадающего с осью сигнальной обмотки и наводящего в ней э. д. с., величина которой зависит от скорости со вращения ротора, а фаза определяется направлением вращения.
Короткозамкнутый круглый ротор можно представить в виде двух взаимно перпендикулярных эквивалентных «обмоток», соз дающих при вращении ротора магнитные потоки
Ф 1= ^ 10)Ф в COS (о/
и
сумма проекций которых на ось сигнальной обмотки
Фх= Ф |
1х + Ф 2х = |
( c 0 s 2 + s i n 2 <*>/) — ^ Ф л |
|
|
будет вызывать |
в ней |
э. д. с. |
|
|
е = |
к2Фх= |
£3о)Фв= |
^3соФв msin о)0^= • ш, |
(1.36) |
изменяющуюся во времени с частотой соо сети, не зависящей от ско рости со вращения ротора. При соответствующем выборе парамет ров тахогенератора можно в широких пределах обеспечить линей ность зависимости е от со.
Отечественная промышленность выпускает тахогенераторы пе ременного тока АТ и ТГ и маломощные двухфазные асинхронные электродвигатели серии ACM, которые могут быть использованы как тахогенераторы переменного тока без каких-либо переделок.
Если обмотку возбуждения асинхронного двухфазного тахо генератора питать постоянным напряжением, то напряжение, сни маемое с сигнальной обмотки, будет пропорциональным второй производной от угла поворота его ротора, т. е. ускорению вращаю щегося вала.
1.2.3. Сельсины в трансформаторном режиме
Сельсины являются разновидностью электрических синхронных микромашин с обмотками на статоре и роторе. По принципу дей ствия сельсины представляют собой поворотные трансформаторы с плавным изменением взаимной индуктивности между обмотками ротора и статора при повороте ротора. При электрическом соедине нии двух сельсинов между собой они обладают способностью к самосинхронизации, используемой в индукционных дистанцион ных передачах угла.
Рассмотрим работу двух сельсинов с соединенными между со бой обмотками роторов, когда переменное напряжение питания подведено только к обмотке возбуждения (обмотке статора) сель сина-датчика СД (рис. 1. 14). Обозначим через р и а соответствен но угловые положения ротора сельсина-датчика и ротора сельсинаприемника СП относительно начального положения, совпадающего с осями обмоток возбуждения. Магнитный поток обмотки возбуж
дения сельсина-датчика индуктирует в фазовых обмотках его ро тора э. д. с.
E i= E mcos$;
Е 2= |
Е тcos (Р— 120°); |
(I) |
Е3= |
Е тcos (р - 240°)=Етcos (р+120°). |
|
Так как в обмотках ротора приемника из-за отсутствия у него потока возбуждения никаких дополнительных э. д. с. не создается, то для фазных токов можно записать
■ ___ |
F-\ |
г |
|
J ___ |
* 3 |
(И) |
|
1 |
2 1Z | ’ |
2 |
2 | Z | ’ |
3 |
2 1Z | ’ |
||
|
где Z — полное сопротивление каждой фазной обмотки.
!20°
Рис. 1. 14. Сельсины в трансформаторном режиме
Эти токи создают переменные магнитные потоки, которые в однофазной статорной обмотке сельсина-приемника будут индук тировать э. д. с.
Е [ = А /1cosa;
£ a = i4 /2cos(a—120е);
Е ’з= А /3C O S (a - 240°) = Л /3 cos (a +120°),
где А — коэффициент пропорциональности (в предположении от
сутствия насыщения стали).
Суммарная э. д. с., действующая на зажимах а—б статорной
обмотки сельсина-приемника, будет равна
Uаб= | Ei -)- E<i-J- Ез | = A [/j cos d-\- 1<зcos (a — 120°) -|-
+ / 3co s(a+ 120e)].
Подставим сюда выражения для токов (II), используя равен ства (I):
AF
Uаб= ~ 7 [cos р cos а + cos (р-1 2 0 °) cos (а -1 2 0 °) +
2 | Z |
+ cos (р+120°) cos ( а + 120°)].
Отсюда после выполнения простейших тригонометрических пре образований найдем
и аб= АЕп (cos р cos a -J-2 cos2120°-cos P-cosa-f- |
|
||||||
|
21 Z |
|
|
|
|
|
|
или |
+ |
2 sin2120° • sin p • sin a) |
|
|
|||
o |
xp |
|
|
|
|
|
|
|
(cos P- cos a + sin p- sin a). |
|
|||||
|
Ua6 = — - |
|
|
||||
|
4 |
| Z | |
|
|
|
|
|
Заменяя сумму в скобках через cos (р—а) и обозначая |
|
||||||
|
|
3 |
АЕт |
|
rj |
|
|
|
|
4 |
| Z | |
~ |
т' |
|
|
получим |
окончательно |
|
|
|
|
|
|
|
и аб= и т -cos (P ~ a )= f7 mcos0. |
(1.37) |
|||||
Следовательно, напряжение на зажимах |
однофазной |
обмотки |
|||||
сельсина-приемника не |
зависит |
от |
угловых |
положений |
роторов, |
||
а зависит |
только от угла рассогласования 0 |
между ними. Если |
затормозить ротор приемника в любом положении, то по величине Uаб можно судить об угле поворота ротора датчика относительно заторможенного положения ротора приемника. При этом Ua6 будет
максимально для угла 0=0° и равно нулю для угла 0=90°. Для практического использования удобнее обратная зависимость, когда в согласованном положении (]аб равно нулю. Это легко достига
ется, если за начальное положение принять такое, при котором роторы датчика и приемника сдвинуты между собой на угол в 90°.
В этом случае угол 0 = 9 О ° +0 / и |
|
Ua6= U m.s\nb' |
(1.38) |
Рассмотренный режим работы сельсинов по аналогии с режи мом работы трансформатора называется трансформаторным и ши
роко используется в следящих системах. Если 6'== 0, то £/а<?= 0 и в исходном (сдвинутом на 90°) положении роторов вращающий момент на валу ротора датчика отсутствует.
Глава II
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ
Выходной сигнал электрического датчика в автоматических си стемах используется для приведения в действие каких-либо испол нительных элементов (электродвигателей, электрических реле и т. п.). Однако в большинстве случаев величина его мощности для этого недостаточна и должна быть значительно увеличена, для чего применяют электрические усилители. Сигнал на выходе датчика может быть постоянным или периодическим (переменным). На ис полнительный элемент также должен подаваться либо постоянный, либо периодический сигнал. В зависимости от необходимого соче тания используют различные типы электрических усилителей.
Тип электрического усилителя выбирают также в зависимости от мощности, потребляемой исполнительным элементом. В систе мах силовой автоматики с датчиками постоянного тока для уси ления сигнала, подаваемого на исполнительный элемент постоян ного тока, часто применяют электромашинные усилители, а в случае исполнительного элемента переменного тока — магнитные усили тели. Для усиления сигналов переменного тока в этом случае, как правило, применяют электронные усилители мощности. В ряде слу
чаев используют комбинации электромашинных и магнитных уси лителей с электронными и полупроводниковыми.
В автоматических системах малой мощности для усиления сиг налов датчиков применяют, как правило, электронные или полу проводниковые усилители переменного тока. Применение усилите лей постоянного тока обычно нецелесообразно из-за значительного дрейфа (ухода) нуля при длительной работе, а уменьшение дрей фа нуля связано со значительным усложнением усилителя посто янного тока. При этом для усиления сигналов постоянного тока их предварительно преобразуют в сигналы переменного тока при помощи модуляторов, а для приведения в действие исполнительных
элементов постоянного тока выходной сигнал усилителя перемен ного напряжения преобразуют в постоянный при помощи демоду ляторов.
Основными особенностями работы электрических усилителей
вприборной автоматике являются:
1)очень широкий диапазон изменения входных сигналов. Уси ление очень малых сигналов Является основным режимом работы, т. е. от усилителя требуется достаточно высокие коэффициент пере дачи, входное сопротивление и стабильность нуля и малый порог чувствительности. Возможность появления больших сигналов тре
бует нечувствительности усилителя к перегрузкам; 2) достаточное быстродействие (малая величина постоянной
времени);
3) необходимость чувства полярности (или фазы) входного сигнала;
4) высокие требования к коэффициенту передачи только на на чальном участке характеристики. Линейность и стабильность ко эффициента передачи усилителя в большинстве случаев важны только на начальном участке его характеристики, так как в каче стве выходного исполнительного элемента обычно используется либо электродвигатель, либо электромагнит (реле). В обоих слу чаях абсолютная величина и форма выходного сигнала усилителя не играют существенной роли, если только он превышает зону не чувствительности Хн.и.э исполнительного элемента. Зато существен ное значение имеет соответствие полярности (фазы) выходного сигнала полярности (фазе) сигнала на входе усилителя.
2.1. ЭЛЕКТРОННЫЕ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Основные схемы усиления могут быть выполнены как на элек тронных лампах, так и на полупроводниковых триодах. Однако при этом следует учитывать как основные достоинства (меньшие габа риты и потребляемая мощность, больший срок службы) полупро водниковых усилителей по сравнению с электронными, так и их основные недостатки — значительно меньшее входное сопротивле ние, сильная зависимость параметров от режимов триодов и тем пературы окружающей среды, относительно малая допустимая величина выходных напряжений и т. п. От типа датчика и испол нительного элемента в значительной мере зависит возможность ис пользования полупроводникового усилителя.
2.1.1. Общие вопросы построения электронных
иполупроводниковых усилителей
Всамом общем случае (при постоянных напряжениях на входе
ивыходе) усилитель строят по схеме модулятор—усилитель пере
менного напряжения— демодулятор. При переменном напряжении на входе не нужен модулятор, а исполнительный элемент перемен ного тока не требует демодулятора. Так как усиливаемые частоты обычно невелики, то используется, как правило, простейший уси литель переменного напряжения с ЯС-связями, работающий на одной частоте (питающей сети).
При необходимости обеспечения малого порога чувствительно сти усилителя в случае усиления очень малых сигналов сущест венное значение имеют стабильность нуля усилителя, величина его собственных шумов и помех от внешних источников *.
Стабильность нуля усилителя определяется начальным сдви гом и дрейфом. Если начальный сдвиг нуля, имеющий постоянную величину, относительно легко компенсируется схемными способами, то дрейф нуля, зависящий в основном от параметров входной схе мы, определяет достигаемую чувствительность усилителя. Чтобы
* Д. |
Е. П о л о н н и к о в , Электронные усилители автоматических компен |
саторов, |
Физматгиз, 1960. |