книги из ГПНТБ / Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник

падению напряжения на рабочей обмотке, умноженной на коэффици­ ент трансформации:

суA —k(ÜA—КнІа )‘>

Сув = k(Uß — Ra ів)',

eyc = k(Uc— RHic),

где

&= Шу/Юр.

Полная э. д. с. в обмотке управления равна сумме мгновенных значений э. д. с. еуА, еуВ и еуС:

... . cy = k [(Uа + Uв + t/c)—R„ ( Іа + ів + ісЯ

Но сумма мгновенных значений напряжения питающей сети равна нулю, а сумма фазовых токов равна току нулевого провода, поэтому последнее равенство принимает вид

Су = —kR Jo.

Таким образом, кривая э. д. с. в обмотке управления повторяет

близка к нулю, а значит будет близок к нулю и ток в нулевом проводе. При этом по цепи управления будут протекать третьи гармоники тока.

Если же нулевого провода нет, то в режиме Zy-> о о между нулями сети и нагрузки возникает разность напряжений третьей и высших гармоник, а в режиме Zy -> 0 такой разности напряжений возникать не будет.

Заметим, что рис. 7.3 соответствует относительно небольшим то­ кам управления. При больших значениях тока управления процессы усложняются [1.3].

§ 7.2. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Магнитные усилители, применяемые в системах автоматического регулирования и управления для обработки информации в аналого­ вой форме, называют о п е р а ц и о н н ы м и . Для этого класса усилителей особенно ценными являются стабильность нуля и стабиль­ ность коэффициента усиления.

Как известно, магнитные усилители отличаются от электронных главным образом тем, что электронный усилитель управляется напря­ жением, подаваемым на сетку лампы, а магнитный усилитель — током, подаваемым в обмотку управления и создающим напряженность маг­ нитного поля. Поэтому при проектировании устройств с магнитными усилителями должна быть предусмотрена пропорциональность между переменными, заданными в виде напряжений, и токами, осуществляю­ щими управление. Эту пропорциональность можно обеспечить путем включения последовательно с обмотками управления достаточно

140

больших прецизионных (выполненных с большой точностью и высоко­ стабильных) проволочных резисторов (Ryl, R у2, Ry3 см. на рис. 7.6).

Рассмотрим работу основного типа операционных усилителей — с у м м и р у ю щ е г о и возможности создания на его основе масштаб­ ных, развязывающих, интегрирующих и других усилителей.

Допустим, что надо сложить п сигналов, заданных в виде постоян­ ных токов Іъ / 2, ..., Іп. Если каждый ток подается в «свою» обмотку

управления, то на основании закона магнитного усилителя [см. фор­ мулу (2.4)] можно записать

^Однако равенство (7.1) является точным лишь для идеальной кри­ вой намагничивания; в реальных же условиях суммирование происхо­

шается. Таким образом, схема представляет собой систему авто­ матического регулирования, работающую по принципу отклонения.

На рис. 7.4 показана схема суммирующего магнитного усилителя.

/оос, а отклонением — ток /,у в обмотке управления. Следовательно, ток управления магнитного усилителя, который можно рассматри­

(здесь и далее используются средние значения токов без дополни­ тельных обозначений).

141

П о д с т а в и в (7 .4 ) в (7 .3 ), п о л у ч и м

10000 + 1

т. е. ошибка суммирования не превышает 0,01%.

Увеличить коэффициент усиления по току можно путем применения

жтели с выходом постоянного то­

рядка, как сигнальные напряжения, то при токе обратной связи, равном току нагрузки (см. рис. 7.4), усиление по мощности будет отсутствовать. При необходимости усиления по мощности в цепь отри­ цательной обратной связи должна ответвляться лишь часть вы­

Р = / о о с / / в ы х .

где / вых—среднее значение выходного тока магнитного усилителя;

Собственно систему автоматического регулирования составляет контур с током / оос, и ток нагрузки не входит в этот контур.

Если отношение (7.6) подставим в формулу (7.3) и учтем (7.7), получим выражение для ошибки суммирования

142

Эта функция не имеет экстремума при изменении ß и увеличивается до k, при уменьшении ß до 0. При kt ->■ оо, что соответствует границе релейного режима, коэффициент усиления устройства стремится к величине

Из сопоставления (7.9) и (7.12) видно, что точность работы устрой­ ства с ростом ß увеличивается, а усиление уменьшается. Для увеличе­ ния точности работы при заданном усилении (т. е. при постоянном ß) надо увеличивать kt вплоть до релейного режима.

На рис. 7.6 приведена схема реверсивного суммирующего усили­ теля с раздельными обмотками управления и отрицательной обратной связи. Первый каскад выполнен по схеме рис. 4.2 с «параллельными», а второй — по схеме рис. 4.3 с «последовательными» балластными со­ противлениями. В каждом каскаде имеется общая внешняя положи­ тельная обратная связь, регулируемая сопротивлениями Rv Для тем-

143

пературной стабилизации в схеме применены добавочные константа-

новые сопротивления (R2, Rз>^смі* ^см2>R оос), величина которых в несколько десятков раз больше величины активного сопротивления

соответствующих медных обмоток.

На рис. 7.7 приведена схема реверсивного суммирующего^ усили­ теля с единой обмоткой управления и отрицательной обратной связи, выполненного на усилителях с самонасыщением. Для увеличения kt небольшой дополнительной обмоткой внешней положительной обрат­ ной связи шпос с регулировочными сопротивлениями Rt и Rb осущест­ влена комбинированная обратная связь.

Рис. 7.7. Схема реверсивного суммирующего усилителя с еди­ ной обмоткой управления и отрицательной обратной связи

Из выражения (7.14) видно, что, выполнив неравенство ш0ос < и»у, можно получить усиление по току и соответственно по мощности, не снижая ß. Однако уменьшение wooc при ß = const приводит к воз­ растанию / оос, а значит, и /вых. Этот вывод остается справедливым лишь до тех пор, пока /1ІЫХне достигнет значений, близких к режиму короткого замыкания, когда усилитель перестает быть управляемым.

В вычислительной технике за выходную величину, как правило, принимают не ток, а напряжение на нагрузке £/вых, сопротивление

144

Из (7.19) следует, что ток / х является линейной функцией сигналь­ ного напряжения Uu но «следит» за ним сошибкой, пропорциональной сумме сигнальных токов. Таким образом, схема рис. 7.7 с единой об­ моткой управления и отрицательной обратной связи по сравнению со схемой рис. 7.6 при суммировании имеет источник дополнительной ошибки. Уменьшение отношения R Уі ooc/Ri и увеличение произведе­ ния fyß могут и эту ошибку значительно уменьшить.

Особенностью схемы рис. 7.7 является обратный знак выходного напряжения на нагрузке относительно знака суммы сигналов.

Проведенный анализ позволяет сформулировать исходные данные для расчета магнитного усилителя по заданной точности и мощности.

П р и м е р 7.1. Необходимо рассчитать усилитель сединой обмоткой управ­

Отметим, что в данном примере расчет на точность ведется только по струк­ турной ошибке, а другие погрешности, обусловленные изменениями напряжения

146

Допустим, что общая обмотка w7. 0ос имеет сопротивление 1,5 ком. Ток ошибки /у = 6 2 / сигн = 0,001-20 ма = 0,020 ма = 20 мка. Мощность, вы­ деляющаяся в обмотке Шу оосі представляет собой мощность управления

= 11 000,

Усилитель целесообразно выполнить двухкаскадным: выходной каскад — по схеме рис. 4.2 с балластными сопротивлениями, входной — по схеме рис. 4.1 с общей положительной обратной связью, осуществленной по схеме рис. 4.14, и с единой обмоткой управления и ООС — по схеме рис. 7.7.

Применяя для суммирующих усилителей реверсивные схемы, можно про­ изводить не только суммирование, но и вычитание или алгебраическое суммиро­

вание.

В магнитных усилителях можно провести операцию алгебраического сумми­ рования с умножением на постоянные множители (целые или дробные). В схеме рис. 7.6 это осуществляется с помощью различных чисел витков управляющих

обмоток.

Часто в вычислительное устройство поступает сигнал от датчика с относи­ тельно высоким внутренним сопротивлением. Чтобы не нагружать такой датчик, ставят р а з в я з ы в а ю щ и е у с и л и т е л и . Для этого в операционном усилителе с достаточно большим kj единственную обмотку, выполняющую роль

обмотки управления и ООС, включают между входным напряжением и нагруз­ кой, как показано на рис. 7.8, а. Напряжение на нагрузке такого усилителя приблизительно равно напряжению Ußx, так что по обмотке протекает лишь ток

величина которого может не превышать 2—3 мка при любом значении Пвх. Если

147

Подобно развязывающему выполняют и м а с ш т а б н ы й у с и л и т е л ь (рис. 7.8, б). В этом усилителе напряжение на нагрузке поддерживается таким, чтобы управляющее напряжение уравновешивалось (с точностью до падения на­ пряжения на обмотке wy от тока / у) напряжением на І?2.

Пусть ky — коэффициент усиления по напряжению усилителя при отсут­

Рис. 7.9. Схема интегрирующего магнитного усилителя и его характеристики

После ряда преобразований коэффициент усиления по напряжению для масштабного усилителя

вестено,ВКрЛа'венНИЯ е“ К0СТ" С 8 ЦеПИ ° ° С (рИС' 7'9)' Заряд кондекатор!. как из-

(7.25)

148

За счет достаточно большого kt ток іу, ответвляющийся в обмотку управле­

ния, а значит и падение напряжения на Шу.0ос» относительно малы, и потенциал точки суммирования 2 практически равняется потенциалу земли. В этих усло­ виях ток (вх определяется только RBX и пропорционален напряжению ивх, а ток заряда конденсатора

Таким образом, напряжение на конденсаторе ис [из равенств (7.25) и (7.26)]

оказывается пропорциональным интегралу от ивх. Поскольку падение напряже­ ния на Wy.ooc относительно мало, сопротивление RHможно считать включенным параллельно емкости, и, следовательно,

вплоть до значения ивых, соответствующего току короткого замыкания (7Выхтах= = /„3Rh- В этих условиях при заданных Пвхтах и времени интегрирования

/,пах схема должна удовлетворять условию

из которого можно найти необходимое значение постоянной времени

tкз Ra

Постоянную времени целесообразнее увеличивать за счет увеличения ем­ кости С, а не сопротивления RBX<так как ПРИбольших значениях RBX труднее выдерживать равенство (7.26) из-за малости (вхДля повышения точности кон­ денсатор должен иметь возможно меньшую утечку.

149