4) Усилители: механические, гидравлические, электромашинные и электронные.

К усилителям в системах автоматики предъявляются следующие требования: постоянная времени должна быть минимальной, характеристика должна быть близка к линейной, зона нечувствительности не должна превышать допустимую.

Усилитель - элемент автоматики, осуществляющий количественное преобразование (чаще всего усиление) поступающей на его вход физической величины (тока, мощности, напряжения, давления и т.п.). Усилитель обязательно должен иметь дополнительный источник энергии z (см. рис. 1.1, б). Основной характеристикой усилителя является зависимость y = f(x); при этом обычно стремятся к получению линейной или близкой к ней характеристики на рабочем участке. Величины на входе и выходе усилителя имеют одинаковую физическую природу. На рис. 1.4 изображены различные виды характеристики усилителей.

По принципу действия усилители разделяются на электронные, полупроводниковые, магнитные, электромашинные, пневматические, гидравлические.

Усилители предназначены для увеличения (от вспомогательного источника питания) мощности сигнала на выходе измерительной части системы автоматического управления, так как в большинстве случаев она недостаточна для приведения в действие исполнительных устройств. Назначение и место усилителей в системе автоматического управления обусловливает и предъявляемые к ним требования. Так, для усилителя в измерительной цепи главным параметром является стабильность характеристики, большой частотный диапазон и отсутствие искажения сигнала, а для выходного каскада усиления — КПД и выходная мощность.

В электрических системах используют электронные, электромагнитные и при больших мощностях электромашинные, а в неэлектрических — механические, пневматические и гидравлические усилители.

Электронные усилители делят на ламповые и полупроводниковые. В связи с тем, что полупроводниковые усилители не требуют энергию и время на подогрев, имеют меньшие габариты, массу, значительный срок службы и обладают достаточно высокой механической прочностью и надежностью, они практически вытеснили электровакуумные лампы. К отличительным особенностям полупроводниковых усилителей следует отнести также экономичность, мгновенную готовность к работе, высокий коэффициент усиления и большой диапазон усиливаемых частот, а также вибро- и ударостойкость. По виду усиливаемого сигнала усилители делятся на усилители тока (переменного и постоянного) и напряжения, а по числу каскадов на одно- и многокаскадные. По принципу действия их классифицируют на усилители дискретного (релейного) и аналогового действия. 

Электромашинные усилители используют для управления и регулирования частоты вращения в автоматизированных электроприводах постоянного тока. Простейшие усилители представляют собой систему из вспомогательного двигателя и генератора постоянного тока с независимым возбуждением. Управление напряжением генератора осуществляется изменением тока в обмотке возбуждения. При этом выходная величина мощности может в 100 раз превышать входную, затрачиваемую на управление работой усилителя. Электромашинные усилители с поперечным магнитным полем, в котором для возбуждения выходного каскада используется магнитный поток поперечной реакции якоря, получили наиболее широкое распространение. Эти усилители позволяют иметь усиление на выходе до 10 тыс. раз.

Пневматические и гидравлические усилители обычно выполняются заодно с исполнительными элементами

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления того или иного сигнала. Например, сигналы с датчиков должны управлять исполнительными механизмами. Но мощность сигнала с датчика очень мала. Ее явно недостаточно для приведения в действие исполнительного механизма, вот почему сигнал усиливают. Сигналы усиливаются за счет энергии вспомогательного источника.

Работа усилителей определяется рабочей характеристикой и коэффициентом усиления. Рабочей характеристикой усилителя называют зависимость его выходной величины от входной.

Все усилители можно разделить на две группы — неэлектрические и электрические. Это разделение осуществляется в зависимости от вида вспомогательной энергии, за счет которой идет усиление.

К неэлектрическим усилителям относятся механические, пневматические и гидравлические. К электрическим относятся электронные, полупроводниковые, магнитные и электромашинные усилители, причем первые три вида усилителей не содержат подвижных частей, а электромашинные содержат подвижные части.

Наибольшим быстродействием обладают электронные и полупроводниковые усилители;

Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными, с обратными связями и без них. Рассмотрим некоторые особенности основных видов усилителей.

Механические усилители характеризуются простотой конструкции и используются для усиления сигнала по усилию и перемещению. Коэффициент усиления механических усилителей сравнительно невелик. Механические усилители безынерционны. Их динамические свойства описываются линейными алгебраическими уравнениями.

Гидравлические и пневматические усилители могут быть золотниковыми, с соплом-заслонкой, со струйной трубкой. Они характеризуются плавностью работы, большим коэффициентом усиления. Коэффициент усиления по мощности таких усилителей равен нескольким тысячам.

Электрические усилители составляют многочисленную группу. Для них характерны высокая чувствительность, универсальность, широкий диапазон коэффициентов усиления. Электронные усилители обладают возможностью получения больших коэффициентов усиления, значительным быстродействием, высокой стабильностью характеристик. Недостатками электронных усилителей являются малая механическая прочность, ограниченный срок службы, низкий КПД.

Полупроводниковые усилители имеют высокую надежность, малые габарит и массу, малую инерционность, экономичны. Однако они имеют большой разброс параметров, малое входное и большое выходное сопротивления, характеристики усилителей зависят от внешних условий.

Магнитные и электромашинные усилители используются, если необходимо иметь на выходе усилителя мощность порядка нескольких киловатт. Недостатком магнитных усилителей является их инерционность.

 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Усилителем называют такое устройство, в котором посредством сигнала малой мощности (входная величина) управляют сравнительно большой мощностью (выходная величина). При этом выходная величина является функцией входного сигнала и усиление происходит за счет энергии внешнего источника.

По виду управляемой энергии усилители можно разделить на электрические, пневматические, гидравлические, механические.

В электромашинных усилителях выходная (управляемая) электрическая мощность создается за счет механической мощности приводного двигателя.

Электромашинные усилители (ЭМУ) представляют собой коллекторную машину постоянного тока.

В зависимости от способа возбуждения электромашинные усилители подразделяются на усилители продольного поля и усилители поперечного поля.

К усилителям продольного поля, в которых основной поток возбуждения направлен по продольной оси машины, относятся:

1)   независимый ЭМУ,

2)   ЭМУ с самовозбуждением,

3)   двухмашинные усилители,

4)   двухколлекторный ЭМУ,

5)двух- и трехступенчатые ЭМУ продольного поля

К усилителям поперечного поля, в которых основной поток возбуждения направлен по поперечной оси машины, относятся:

1 )ЭМУ с  диаметральным шагом обмотки якоря,

2) ЭМУ с полудиаметральным шагом обмотки якоря,

3) ЭМУ с разделенной магнитной системой.

Чем меньше мощность управления электромашинного усилителя, тем меньше вес и габариты аппаратуры управления. Поэтому основной характеристикой является коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по мощности, току и напряжению.

Коэффициент усиления ЭМУ по мощности kp есть отношение мощности на выходе РВых к мощности на входе Рвх при установившемся режиме работы:

Коэффициент усиления п о току kt — это отношение тока выходной цепи /вых усилителя к току входной цепи /вх:

Электромашинные усилители могут иметь достаточно высокий коэффициент усиления по мощности (103-М05).

Не менее важным для усилителя является его быстродействие, характеризуемое постоянными времени его цепей.

Постоянная времени определяется величиной энергии магнитного поля, изменяющегося в процессе регулирования. Для электрической цепи постоянная времени

От ЭМУ стремятся получить большой коэффициент усиления по мощности и большое быстродействие, т. е. по возможности меньшие постоянные времени. Так как постоянная времени ЭМУ пропорциональна коэффициенту усиления по мощности ЭМУ, то для удобства сравнения различных усилителей вводят коэффициент добротности, представляющий собой отношение коэффициента по мощносте к сумме постоянных времени ступеней усиления:

B системах автоматического регулирования ЭМУ применяются в качестве усилителей мощности и работают в основном при переходных режимах, в процессе которых возникаютзначительные перегрузки по току. Поэтому одним из требований к ЭМУ является хорошая перегрузочная способность.

К числу важнейших требований, предъявляемых к ЭМУ, относятся надежность в работе и стабильность характеристик.

ЭМУ, используемые на самолетах и транспортных установках, должны обладать минимальными габаритами и весом.

В радиоэлектронной промышленности наибольшее распространение получили независимый ЭМУ, ЭМУ с самовозбуждением и ЭМУ поперечного поля с диаметральным шагом. Далее рассмотрены эти типы усилителей.

1.2. НЕЗАВИСИМЫЙ ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Как уже отмечалось, независимый электромашинный усилитель относится к усилителям продольного поля. Про­стейшим типом такого усилителя является обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением . Коэффициент усиления по мощности независимого ЭМУ

Так как обмотки управления расположены в одних и тех же пазах статора, то между обмотками существует полная магнитная связь. Поэтому при нескольких обмотках управления, имеющих замкнутые контуры, постоянная времени для какой-либо обмотки управления равна сумме постоянных времени обмоток.

Внутренняя обратная связь имеется в усилителе в виде размагничивающего действия реакции якоря. Эта обратная связь нелинейна вследствие нелинейности характеристики намагничивания и ТОЛЬКО приближенно при небольших токах нагрузки ее можно считать линейной.

В независимом ЭМУ не удается получить большой коэффициент усиления по мощности, поэтому такие усилители нашли незначительное применение в системах автоматического регулирования. Однако в системах генератор—двигатель, где от двигателя требуется изменение скорости вращения в широком диапазоне, генератор работает в режиме независимого ЭМУ.

Простейшим из электромашинных усилителей является одноступенчатый независимый ЭМУ. Для увеличения коэффициента усиления часто используют более сложные многоступенчатые ЭМУ, а так как каждая ступень усиления многоступенчатого усилителя может рассматриваться как элементарный одноступенчатый усилитель, то приведенные тезисы работы одноступенчатого ЭМУ применимы и к многоступенчатым.

1.3. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ

Коэффициент усиления по мощности независимого ЭМУ не превышает 100. С целью повышения коэффициента усиления по мощности ЭМУ были созданы электромашинные усилители с самовозбуждением. В 1942 г. фирма Вестингауз начала серийный выпуск этих усилителей под названием рототрол.

Конструктивно ЭМУ с самовозбуждением (ЭМУС) отличается от независимого ЭМУ только тем, что на его полюсах возбуждения соосно с обмотками управления размещается обмотка самовозбуждения, включаемая параллельно обмотке якоря или последовательно с ней.

Электромашинные усилители.

Электромашинные усилители(с)МУ) используются для управления двигателями постоянного тока.

Электромашинный усилитель представляет собой генератор постоянного тока, якорь которого вращается приводным двигателем.

К недостаткам ЭМУ можно отнести большую инерционность в сравнении с электронными усилителями, большую массу и габариты.

Электромашинный усилитель

Напряжение управления подается в обмотку возбуждения шу, являющуюся управляемой обмоткой усилителя.

Поэтому ЭМУ условно можно рассматривать как двухкаскадный усилитель.

Двигатели постоянного тока обычно используются в системах совместно с электромашинными усилителями.

Обмотка возбуждения питается от сети переменного тока, а обмотка управления — от усилителя системы, причем это напряжение сдвинуто по фазе относительно напряжения возбуждения на ± 90°.

Гидравлические и пневматические усилители являются часто управляющими органами серводвигателей, перемещающих регулирующие органы. Эти усилители следует рассматривать совместно с этими двигателями и коэффициент усиления в данном случае (по мощности) будет равен отношению выходной мощности серводвигателя к входной мощности усилителя. Обычно различают дроссельные усилители и струйные.

Пневматические и гидравлические усилители предназначены для усиления входных величин по мощности или давлению. Как правило, схемы гидравлических и пневматических усилителей аналогичны. Различаются они в основном по виду рабочего тела (жидкость или сжатый газ), а также по степени обработки поверхностей и герметизации питающей системы. С точки зрения герметизации питающей системы гидравлические усилители уступают пневматическим, в которых используются маломощные системы для привода и не требуется компенсации гидродинамических усилий.

Общность некоторых физических свойств жидкостей и газов позволяет объединить гидравлические и пневматические усилители (распределители) в другую группу. В зависимости от типа распределительного элемента гидравлические и пневматические усилители классифицируют следующим образом: распределители расхода и давления золотникового типа, распределители с соплом и заслонкой, распределители струйного типа, а также комбинированные устройства.