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

Два последних слагаемых выражения (7.28) представляют собой ошибку ин­ тегрирования, для уменьшения которой необходимо снижать ток обмотки управ­

"п +

Г = -

1+ Rc

Из передаточной функции (7.30) следует, что при подаче на вход схемы по­ стоянного напряжения (Увх выходное напряжение нвых будет нарастать по экспоненте [ср. (7.30) и (3.18)] и только при условии Тр > 1 схема выполняет функцию интегратора [ср. (7.30) и (7.29)].

Оценим ошибку интегрирования схемы при конечном значении коэффициен­ та усиления для частного случая, когда (Увх — постоянная величина. Для этою

перейдем от изображений к оригиналам. Заменив в (7.29) Тп через Т, для идеаль­ ного интегратора получим

Выходное напряжение реального интегратора из (7.30)

150

Например,

при і = 0,05Г ö = 2,4%; при t = 0,1 Г б = 4,8%; при / = 0,57' б = 21,3%.

Из приведенных цифр видно, что относительно точное интегрирование воз­ можно только при условии / < Т. Выражение для ошибки б справедливо лишь до режима короткого замыкания, т. е. когда удовлетворяется неравенство

ИВ Ы Х ^ IК З Ян •

Вравенстве (7.28) и соответствующей ему передаточной функции (7.30) не учитывается постоянная времени 7’у собственно усилителя (см. формулу (3.15)].

Передаточная функция интегратора с учетом 7’у имеет сравнительно сложное

выражение, однако при обычных в практике соотношениях

^оос

Рис. 7.10. Схема дифференцирующего магнит­ ного усилителя

ее можно представить в следующем виде:

1

И7(р) =

1 + Я в х / Я у

( И - Г р )

Таким образом, если учесть 7’у, то в знаменателе передаточной функции по­

явится член второй степени.

Необходимо отметить, что ошибка от тока іу в выражении (7.28) представ­ ляет собой интегральную функцию и, следовательно, накапливается с течением

времени.

Во избежание этого интегрирования ошибки от тока іу у интегрирующего усилителя не должно быть дрейфа (ухода) нуля, так как в противном случае появление ивых в отсутствие сигнала ивх приведет к появлению зарядного тока конденсатора от выходного напряжения, который, протекая по Шу.оос> вызовет

дальнейшее ложное возрастание ивых■ Особенностью схемы рис. 7.9 является обратный знак у иВых п0 сравнению

с «вх (см. рис. 7.7). Для сохранения знака обмотки управления и ООС должны быть выполнены раздельными (см. рис. 7.6) с включением емкости последователь-

151

При достаточно малом токе іу можно полагать, что выходное напряжение на

нагрузке будет равно падению напряжения на R0ос от входного тока, прибли­ зительно равного току ;0ос;

рования, которой соответствуют два последних слагаемых в правой части (7.32), необходимо выполнить обмотку Wy.oocc возможно меньшим сопротивлением /?у и уменьшить ток /у в управляющей обмотке, доведя усилитель до границы релей­ ного режима работы.

При постоянной времени ДС-цепочки Гц = Лоос С максимальное значение производной входного напряжения ограничивается значением (7ВЫХ max> соот­

ветствующим режиму короткого замыкания магнитного усилителя:

Если в (7.32) заменить падение напряжения /у/?у через коэффициент усиле­ ния по напряжению собственно усилителя

ЧКу

иперейти к изображениям (Увх и 77ВЬІХ:

то передаточная функция дифференцирующего усилителя

где постоянная времени

Из выражения 117 (р) видно, что схема приближается к идеально дифферен­ цирующей лишь при условии Тр < 1.

Другие примеры использования магнитных усилителей в аналоговой тех­ нике обработки информации см. в [1.11, 1.12].

152

§7.3. УСИЛИТЕЛИ ТОКОВОГО ТИПА В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

ИАНАЛОГОВОЙ ТЕХНИКЕ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Магнитные усилители, обладающие высокой надежностью и ста­ бильностью, можно применять в современной технике измерений, свя­ занной с усилением измеряемых величин, автоматической записью,

передачей их на расстояние и т. и.

Описанные в § 7.2 усилители с глубокой отрицательной обратной связью (масштабный, развязывающий и др.) с успехом используют в тех случаях, когда выходной величиной является напряжение. Рас­ смотрим схему усилите­ ля, входной и выходной величинами которого является ток.

Для измерения сла­ бого постоянного тока Іх в разрыв его цепи включают обмотку уп­ равления wy (рис. 7.11) первого каскада магнит­ ного усилителя с ООС, которая служит для

стабилизации характе­ ристики и уменьшения входного сопротивления усилителя до такой

величины, чтобы его включение не отражалось на измеряемой цепи. Нагрузкой может быть самописец или другой регистрирующий при­ бор. Ток /оос протекает под действием падения напряжения от тока

нагрузки на сопротивлении шунта.

Если при разомкнутой ООС коэффициент усиления по току равен

где ток / у в обмотке управления представляет собой ошибку измере­ ния.

При достаточно большом k/ выражение (7.35) примет вид

Roos + Ru

*1 оос

153

Оіедовательно, ток нагрузки жестко связан с измеряемым током, если сопротивления RU1 и R ooc сделать достаточно стабильными.

Необходимая величина ki достигается путем применения много­ каскадных усилителей с положительными внешними связями или с самонасыщением, причем усилитель работает на границе релейного ре­ жима.

Входное сопротивление схемы с ООС

во столько раз меньше сопротивления обмотки управления, во сколько раз коэффициент усиления по току с ООС меньше коэффициента уси­ ления без нее.

Применение таких токовых операционных усилителей может быть целесообразным, например, когда нагрузкой усилителя являются обмотки управления следующих операционных усилителей. В этом случае отпадает необходимость представления переменных в виде то-

а коэффициент усиления по току схемы с замкнутой ООС при доста­ точно большом ki

Rqoo~Ь Rg

kj ooc -- '

Rn,

На базе токового суммирующего усилителя приемами, рассмотрен­ ными в § 7.2, можно выполнить умножающие, интегрирующие и дру­ гие виды операционных усилителей.

противление усилителя не должно превышать 7 ом\ ошибка измерения не должна превышать одного процента максимального значения измеряемого тока. Пола­ гаем, что усилитель работает в пропорциональном режиме.

Решение. Максимальное значение тока в обмотке управления

шах — 0,01/jc max —0,01*10 — 0,1 ма.

154

Коэффициенты усиления потоку (принимая характеристику вход — выход линейной):

Усилитель должен быть реверсивным, поэтому необходима схема с балласт­ ными сопротивлениями в выходном каскаде(см. рис. 4.2) и с двумя последователь­ но соединенными обмотками управления в первом каскаде, допустимое сопро­ тивление которых из формулы (7.36)

кі юоо

2Яу = Я Вх7----- = 7 . — = 700 ом.

Чос 10

Пусть сопротивление шунта

7?Д1=0,1/?ІІ = 0,Ы 5 0 = 1 5 ом-,

тогда сопротивление в цепи ООС найдем из (7.35):

/оое (Rm + Ry + kI Rm ) ~ kl RHL

Rooc-

RI ~ Rlooc

10 (15 + 700+ 1000-15) — 1000-15

= 143,6 ом.

1000 — 10

Общее сопротивление нагрузки, включенной с балластными сопротивле­ ниями, можно найти, пренебрегая падением напряжения на обмотке Wy

R6 = Y2~R = V "T -164 = 232 ом.

H 2

Эквивалентные ток и сопротивление нагрузки, к которым сводится расчет каждого усилителя выходного каскада (см. §4.1):

/ ЭІ.В= 1,77Н= 1,7-100=170 мсі.

Магнитные усилители применяют также в автоматических изме­ рительных потенциометрах и мостах, работающих по принципу систе­ мы автоматического регулирования. В этих приборах магнитные уси­ лители целесообразно использовать с датчиками постоянного тока, имеющими относительно небольшое внутреннее сопротивление, та­ кими как термопары, вентильные фотоэлементы и т. п. Выходными устройствами автоматических потенциометров могут быть двухфазные асинхронные двигатели. В этом случае последним каскадом магнит­ ного усилителя будет одна из схем § 4.2.

В системах измерительных автоматических потенциометров, на вход которых поступают слабые сигналы постоянного тока для их преобразования в переменный ток, применяют магнитные модуляторы

(см. гл. VI).

165

Разновидностью магнитных усилителей являются так называемые и з м е р и т е л ь н ы е т р а н с ф о р м а т о р ы п о с т о я н н о ­ го тока (рис. 7.12), которые используют для измерения постоянных токов до сотен и тысяч ампер. Отсутствие электрической связи между сетью постоянного тока п измерительным прибором делает эту схему безопасной при измерении токов высоковольтных цепей. Обмотка управления часто представляет собой шину, проходящую через отвер­ стия двух кольцевых сердечников с рабочими обмотками. Выходной

метим, что постоянная времени трансформатров постоянного тока настолько мала, что их с успехом исполь­ зуют для осциллографнровання процессов в цепи постсянного тока.

Согласно принципу работы усилителя для повышения точности измерения необходимо при расчете расположить эллипс нагрузки воз­ можно ближе к точкам # ^ ,ср = //_ (см. рис. 3.15, б).

§ 7.4. РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

При автоматизации технологических процессов часто возникает необходи­ мость регулирования в широких пределах напряжения на мощных однофазных и трехфазных потребителях электрической энергии.

Если при этом сопротивление нагрузки постоянно, целесообразно примене­ ние дроссельных магнитных усилителей или усилителей с самонасыщением не­ реверсивного типа, рассмотренных в гл. II и III.

Если же регулирование напряжения должно производиться как под нагруз­ кой, так и на холостом ходу, или сопротивление нагрузки может изменяться в широких пределах (например, сопротивления мощного ионного прибора или генераторной лампы в запертом и открытом состоянии изменяются практически от бесконечности до номинальной величины), то использовать нерев'ерсивные дроссельные схемы нельзя, так как при отсутствии хотя бы минимального тока (/хх) падение напряжения на таком усилителе равно нулю и регулировке не под­ дается. В этом случае можно применять реверсивные усилители (рис. 4.5, 4 б, 4.8), по их мощность (а также вес и габариты) не меньше чем в 4 раза превышают мощность простейшего нереверсивного усилителя.

В связи с тем что в регуляторах не требуется изменения фазы на 180°, а не­ обходимо только менять величину выходного напряжения, такой регулятор мож­ но выполнять по схеме трансформаторного усилителя (рис. 4.8), но с коэффи­ циентами трансформации, отличающимися примерно на порядок [I 14]. Мощ­ ность подобного регулятора равна лишь удвоенной мощности нереверсивного

lfjö

Регулирование выходного напряжения производят путем относительного изменения постоянного тока в обмотках управления с помощью, например, по­ тенциометра /7, при перемещении движка которого изменяются индуктивные сопротивления ха и Xß намагничивающих

/ 0ß трансформаторов одинаковы, так как оба равны току первичной цепи (ер.

§6.1). Поэтому рабочие точки на семействе кривых намагничивания (рис. 7.14, «), обозначенные а„ и ß„, при данном режиме располагаются на одной вертикали.

Индуктивные сопротивления намагничивающих контуров, входящие в (7.37), определяются выражением

U, 2-4,44fwx s

(7.38)

1о I

Если обозначить

то из системы (7.37) при холостом ходе, т. е. при отключенной нагрузке (/2 — 0), для выходного напряжения можно получить выражение

выходное напряжение регулятора будет равно нулю.

При крайнем левом положении движка, когда ß-трансформатор максимально подмагничен, а а-трансформатор не подмагничен, в случае отключенной иагруз-

157

ки рабочие точки па кривых намагничивания меняются местами, оставаясь ьа той же вертикали с напряженностью Я0. При этом отношение о максимально и в соответствии с (7.40) напряжение на выходе регулятора наибольшее.

Если же нагрузка включена и ее ток / 2 максимален, намагничивающие токи / 0а и / 0р трансформаторов различны. Поэтому, оставаясь на прежних кривых

намагничивания, рабочие точки, обозначенные а н и ßB располагаются на различ­ ных вертикалях (рис. 7.14, в), соответствующих напряженностям Нан и tfßH.

Режиму наибольшей отдаваемой мощности соответствует векторная диа­ грамма рис. 7.14, б, которая отличается от диаграммы рис. 4.11 ввиду различия значении коэффициентов трансформации.

Рис. 7.14. Векторные диаграммы и характеристики магнитного регулятора

При включенной нагрузке выходное напряжение

внешние характеристики регулятора для различных сочетаний токов управле­ ния а- и ß-трансформаторов.

Как показано в [1.19], процессы, протекающие в а- и ß-трансформаторах при различных коэффициентах трансформации и постоянных времени обмоток уп­ равления, тесно связаны. Поэтому при изменении управляющего напряжения одного трансформатора переходный процесс определяется суммой передаточных функций обоих трансформаторов, составляющих регулятор.

Трехфазные регуляторы могут быть выполнены либо в виде групповой схемы путем соединения в звезду трех однофазных регуляторов, либо в специальном трехфазном исполнении с единой обмоткой управления для каждого трехфаз­ ного а- и ß-трансформатора [1.15].

Расчет регулятора производят по методу, изложенному в § 3.7, с учетом особенностей его работы, сформулированных в [1.17].

Описание схем и конструкций магнитных регуляторов, разработанных под руководством проф. А. М. Бамдаса, дано в [1.16].

158

§7.5. УСИЛИТЕЛИ В СТАБИЛИЗАТОРАХ ТОКА

ИНАПРЯЖЕНИЯ

Вэлектрических цепях и большой, и малой мощности напряжение сети может изменяться в значительных пределах в зависимости от коли­

чества включенных потребителей, степени нагрузки разводящих сетей и т. п. Изменения напряжения сети отрицательно сказываются на работе радиоэлектронных устройств, точности измерения сложных измерительных приборов, сроке службы отдельных элементов.

Для получения стабильных напряжений между сетью и потреби­

тающие по отклонению.

Па р а м е т р и ч е с ­

ки е с т а б и л и з а ­

элементе.

Простейшим видом параметрического стабилизатора является дроссельный магнитный усилитель, для которого любую кривую намагничивания семейства рис. 2.9 можно считать вольт-амперной

Включение магнитного усилителя, подмагниченного постоянным магнитом (рис. 7.15, б), последовательно с нагрузкой превращает его в стабилизатор тока, точность которого определяется справедливостью основного закона магнитного усилителя (2.3). Под напряженностью постоянного поля понимают напряженность, которую создает в магнитопроводе постоянный магнит. Чем круче расположен вертикальный участок кривой намагничивания, тем, очевидно, меньше изменения тока А /н при изменениях напряжения сети от Umax до (/mln.

Таким образом, обязательным признаком параметрического стаби­ лизатора является нелинейный элемент, характеристика которого опре­ деляет вид стабилизатора и точность его работы.

С т а б и л и з а т о р ы по о т к л о н е н и ю . В стабилизато­ ре напряжения выходное напряжение непрерывно сравнивается с за­ данным эталонным. В зависимости от величины и знака разности фактического и заданного напряжений на элементы стабилизатора

159