книги / Основы автоматики
..pdfОбычно при активной нагрузке постоянная времени якоря \ - — * р может быть сделана весьма малой по сравнение
о постоянной времени цепи возбуждения Тв . Это обусловлено тем, что количество витков обмотки возбуждения отремятоя делать воз можно большим, чтобы малым током можно было создавать значи тельный магнитный поток возбуждения. Поэтому очень чаото в диф ференциальном уравнении и в передаточной функции пренебрегал членом о Тя и они принимал вид
{Tf р + 1) Uz = A Ut |
(4.50) |
М /» - т р т |
<4-51) |
в • |
|
Следовательно, при сделанных допущениях злектромапинной уоилитель о генератором независимого возбуждения можно считать апериодическим звеном первого порядка. Однако необходимо пом нить, что зто приблизительно справедливо только при постоян ной скорооти вращения якоря и при относительно большом сопро тивлении нагруэки RH.
2. Электромашинный уоилитель о генератором о поперечным возбуждением
Принцип действия генератора с поперечным возбуждением (иногда также называемого амплидином) состоит в оледущем.
На обмотку возбуждения генератора, выполненную точно так же, как и у генератора независимого возбуждения, подаетоя управ
ляющее напряжение |
Ut(ри о .4 .30,а). Протекавший ток |
возбуждения |
|||
Lt ооздает продольный магнитный поток |
Ф^ . Вследствие |
л о го |
|||
на поперечных щетках якоря, |
накоротко замкнутых между ообой, |
||||
ваводитоя поперечная з .д .о . |
ек . Под |
действием |
последней |
||
в короткозамкнутых |
витках обмотки якоря |
протекает |
ток |
LK , |
|
создавший в свов очередь поперечный магнитный ноток Ф .Этот по ток и ооздает э .д .с . ег , под действием которой черев’ нагрузку протекает ток.
Таким образом, уоловно электромашинный уоилитель о попереч ным возбуждением может быть предотавлен в виде последователь но соединенных двух генераторов о независимым возбуждением (р и о Л .зЬ .б ). Э .д.о. развиваемая на якоре первого генератора.
Рис.4 .30. Электромашинный усилитель о поперечины полей (а) и его эквивалентная схема (о)
обеспечивает ток возбуждения LK в обмотке возбуждения второ-* го. При этом реально обмоткой возбуждения является сама обмотка якоря генератора.
При постоянной скорооти вращения якоря генератора диффе ренциальное уравнение, связывающее управляющее напряжение U,
о |
напряжением на |
нагрузке |
U2 , может быть получено |
путем та |
|
ких же выкладок, |
как при выводе уравнения (4 .4 8 ). В результа |
||||
те |
найден |
|
|
|
|
|
|
р + t){TKp + I) (Гя p + l)Ut = к Ut |
(4.52) |
||
|
Соответствующая |
передаточная функция |
|
||
|
Wlp) = |
иг(р) _______ к______ |
( ^ .53) |
||
|
и,(р) |
(т,р + 1){Тнр+Щ р+1) |
|||
|
|
||||
где
т = |
^я +^квмп |
я |
пя + Р Н + П,ОНП |
|
постоянные времени соответственно цепей возбуждения, короткозамкнутой и нагруженной частей якоря. Если сопротивление на грузки RHвелико, то постоянной времени Тя пренебрегают и в
этом случае электромашинный усилитель о поперечным полон мож но считать апериодическим звеном второго порядка.
Последовательно о нагрузкой в злектромаоинном уоилителе о поперечным полем включаетоя специальная компенсационная обмот ка, шунтируемая регулировочным сопротивлением пш . Эта обмот ка предназначена для компенсации поперечного размагничивающе го потока, возникающего при протекании через якорь тока нанагрузки.
Приведенные выше дифференциальные уравнения, описывающие динамику работы электромашинах уоилителей, получены в пред положении, что скорость вращения постоянна при любом измене нии нагрузки. Однако допустимость этого предположения зависит от мощности приводного двигателя. Для того чтобы сделанное до пущение было справедливо, мощность приводного двигателя должна в несколько раз превосходить максимальную мощность, потребля емую нагрузкой. При невыполнении этого условия изменение на грузки влечет за собой изменение скорости вращения якоря.Вслед ствие этого в дифференциальном уравнении появляется еще один множитель, соответствующий колебательному звену. Однако дина мические характеристики такого усилителя неудовлетворительны и , поэтому мощность приводного двигателя выбираетоя со значи тельным запасом.
Обмотки возбуждения электромашииных усилителей питаются,как правило,от предварительных усилителей мощности с достаточно ма лым выходным сопротивлением. Если это сопротивление имеет реак тивные составляющие и сравнимо о сопротивлением обмотки возбуж дения, то оно должно быть учтено в уравнении цепи возбуждения.
Одной из основных характеристик электромашинках усилителей является коэффициент усиления по мощности. В усилителях с гене раторами независимого возбуждения он составляет 20 - 100, а с генераторами с поперечным полем - 5000 - 10.000 и более.
Коэффициент уоиления по напряжению обычно не превышает 10, но чаще всего близок к единице. Постоянная времени у усилителя с поперечным полем несколько больше и достигает 0,2 - 0,3 сек у мощных усилителей.
§ 4 .5 . МОДУЛЯТОРЫ И ДЕМОДУЛЯТОРЫ
I. Модуляторы
Модуляторы предотавляюг ообой электронные, полупроводни ковые или электромагнитные уотройотва, предназначенные для преобразования медленно меняющихся оигналов постоянного тока в сигналы переменного тока. Амплитуда выходного сигнала про порциональна величине входного оигнала, а фаза меняетоя на 180° при изменении полярности входного сигнала.
Из этого определения, в чаотнооти, следует, что двухтакт ный магнитный усилитель является также и электромагнитным мо дулятором.
Наибольшее распространение в системах автоматического управ ления, однако, получили модуляторы на полупроводниковых или электронных диодах. Это объясняется простотой их изготовления
и |
сопряжения с |
другими |
элементами систем, а также малым весом |
и |
относительно |
выоокой |
надежностью. |
Модуляторы на диодах могут быть как однополупериодные, так
и двухлолупериодные. |
|
|
|
Однополупериодный модулятор, |
один из вариантов |
схемы ко |
|
торого изображен на рис.4 .3 1 ,а , |
работает |
следующим |
образом. |
При отсутствии управляющего постоянного |
напряжения |
Uy диоды |
|
Aj и Ag, стоящие в цепях вторичных обмоток трансформатора Тр, одинаково выпрямляют переменный ток, вызываемый приложенным к ним опорным напряжением Uon . При этом один полупериод они пропускают ток, а второй - не пропускают. Так как в сопротив
лении нагрузки токи L, и 1г , протекающие соответственно через
диоды Aj и Д2 , всегда направлены в |
противоположные отороны, |
||
то при |
отсутствии иу суммарный ток |
равен |
нулю. Следовательно, |
равно |
нулю и переменное напряжение |
иг на |
выходе. |
При наличии управляющего сигнала постоянного напряжения
иу , |
величина которого обычно меньше амплитуды опорного |
сиг |
||
нала, |
в цепи одного из диодов действует |
сумма напряжений |
Uon-y |
|
+ Uy |
, а в цепи другого - разность |
Uon- |
Uy . Вследствие |
это |
го в |
полупериоде проводимости токи |
£, и |
1г будут различны и |
|
поэтому напряжение Uz будет иметь импульсы в форме трапеций (рио .4 .31,б).
При изменении полярности входного оигнала Uy импульсы вы ходного сигнала Uz сменят знак. Если выделить из сигнала
Г
к
[
Рио.4.31. Однополупериодный модулятор (ь) и форма его опорного и выходного напряжений (б)
первую гармонику, то между амплитудой основной гармоники U2m
и напряжением Uy в некотором диапазоне изменения Uy будет иметь место линейная зависимость. При изменении полярнооти Uy фаза основной гармоники меняетоя окачком на 180°
Для того |
чтобы козффициент передачи к = и„ |
изменялся |
|
не более чем |
на 3/6 во |
ии |
|
воем диапазоне изменения Uy , необхо |
|||
димо оделать амплитуду |
опорного напряжения Uon в |
три раза боль |
|
ше максимального значения Uy. При этом к ~ 0,635, если сопро тивление нагрузки RHбольше внутреннего сопротивления диода в 10 и более раз (при состоянии проводимости).
Однополупериодные модуляторы неудобны тем, что на выходе их напряжение Uz имеет импульсы в форме трапеций той или иной полярности. Кроме того, они имеют разное сопротивление для ге нератора опорных напряжений в состояниях проводимости и непро водимости диодов. Это затрудняет наотройку модулятора. Поэтому в автоматических системах более часто попользуются двухполупериодные модуляторы обычно кольцевого типа. Одна из схем такого модулятора показана на рио.4.32,а. Бе удобно использо вать в тех случаях, когда за модулятором отоит двухтактный полупроводниковый или электронный усилитель.
В течение полупериода Uon , соответствующего изображенной на риоунке полярности, диоды flj и Д2 находятся в состоянии проводимости. Диоды Д3И Д4 заперты. В следующей полупериоде наблюдается обратная картина состояния пар диодов. Не пред ставляет труда заметить, что для каждого полупериода опорного напряжения схема кольцевого модулятора соответствует рассмот ренной выше охеме однополупериодного модулятора. Следовательно, все выводы, полученные ранее для однополупериодного модулятора, могут быть использованы и при рассмотрении этого модулятора.
Р и оЛ .32. Дзухполупериодный кольцевой модулятор (а) и форма его опорного и выходного напряжений (б)
Если сопротивление нагрузки R велико по сравнению с внут ренними сопротивлениями диода RL(в состоянии проводимости) и источника управляющего напряжения R't , то обе пары контуров можно считать независимыми. Поэтому выходное напряжение иожно представить как наложение двух разнополярных импульсов в
форме трапеций (рис.4 .3 2 ,б ). Амплитуда первой гармоники выход ного напряжения иг будет вдвое больна,чем ох пооледовательноотн однополярных импульоов, которые наблюдаются в однополупериодных модуляторах. Фаза первой гармоники изменяется ли
180° при смене полярнооти Uy . |
^ |
Для поотоянотва коэффициента передачи |
к = ~ ~ во всем |
диапазоне изменения Uy необходимо, чтобы амплитуда опорного напряжения Uon была больше макоимального значения Uy не менее чем в 3 - 4 раза.
Выход кольцевого иодулятора может быть выполнен на транс форматоре, имеющем на обмотке, примыкающей к диодному кольцу, вывод средней точки. Эта схема хороша тем, что она обеспечива ет отсутствие гальванической связи между цепью управляющего сигнала Uonи выходом модулятора. Подсоединение конденсатора параллельно обмотке выходного трансформатора позволяет сразу хе получить резонансный контур для выделения первой гармони ки иг .
2. Демодуляторы
системах автоматического управления демодуляторы выпол няют функции, противоположные функциям модуляторов, - преобра зуют сигналы переменного тока в сигналы постояннсго тока. Ве личина выходного сигнала зависит от амплитуды и фазы, а поляр ность от фазы входного сигнала.
Рис.4.33. Однополупериодный демодулятор (а) и графики его на пряжений при различных фазах входного оигнала (а и б)
Демодуляторы,так же как и модуляторы, могут быть однополупериоднынм и двухполупериодными, выполненными на электронных лампах или на полупроводниковых диодах и триодах.
Одна И8 возможных схем однополупериодного демодулятора изображена на рио.4.33,а. Сигнал Uc переменного тока через траноформатор, имеющий вывод оо оредней точки во вторичной об
мотке, выпрямляетоя о помощью диодов |
Д; и Д2. |
|
В цепь, связанную оо оредней точкой трансформатора, поми |
||
мо того, включается иоточник, ооздащий переменное опорное |
||
напряжение Ugn той же чаототы, что и частота |
Ug . Вследствие |
|
такого включения в одной ветви схемы опорное |
напряжение Uon |
|
складывается с напряжением оигнала Uc , |
а во |
второй вычитается. |
В какой ветви происходит суммирование и в какой вычитание за
висит от разнооти фаз напряжений |
иоп |
И |
и с • |
|
|
||||
Под действием |
суммарных напряжений |
Ч + Ч . » |
ч - ч . |
||||||
через |
равные сопротивления |
R и R" протекают токи |
i, и |
i2 , на |
|||||
правленные навстречу друг другу. |
|
|
Ug нет, то |
|
|
||||
Боли на входе демодулятора оигнала |
эти |
токи |
|||||||
равны и суммарный выходной сигнал |
иг = |
URl - UR„ |
отсутствует. |
||||||
При наличии напряжения |
Uc на |
выходе устанавливаетея |
напря |
||||||
жение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U2 = к Uccos if, |
|
|
(4.54) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
к - |
коэффициент передачи; |
|
|
|
|
|
||
|
if - |
разнооть фаз между напряжениями Uc и Ugn . |
|
||||||
Форма выходного напряжения иг при отсутствии сглаживающих |
|||||||||
конденоаторов Cj и С2 для |
if = 0° |
и |
if = 180° изображена на |
||||||
рио .4 .33,б,в. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Коэффициент передачи к |
определяется обычно по постоян |
||||||||
ной ооотавлящей |
U° выходного оигнала как отношение к = jf- |
||||||||
и зависит |
от отношения сопротивления |
|
|
|
и тс |
||||
нагрузки R к внутреннему |
|||||||||
сопротивлению RLдиода в ооотоянии проводимооти. При наличии сглаживающих конденсаторов достаточной емкости и при отношении
= ЮО к« 0 ,9 .
Как видно из рио.4.33,б, полярность выходного напряжения меняется при изменении фазы на 180°. Таким образом,для опреде ления полярнооти 1/г в формуле (4.54) нужно проото учесть знак cos If .
Рис.4.34. Двухполупериодный кольцевой демодулятор (а) и форма его напряжений ( б и в )
Схема одного из вариантов кольцевого двухполупериодного
демодулятора показана |
на |
рис.4 .3 4 ,а . Форма выходного напря |
||
жения |
иг при отсутствии сглаживающего конденсатора для |
= 0° |
||
и ц> |
= 180° изображена |
на |
рио.4.34,б,в работает он точно |
так |
же, как и однополупериодный демодулятор. Необходимо лишь пом
нить, что в один полупериод пропускают диоды |
и Дз» |
а |
во вто |
|
рой - диоды Д3 |
и Д^. |
|
1/2 |
|
Как видно, |
условия оглаживания выходного сигнала |
в |
||
двухполупериодном демодуляторе лучше, чем в однополупериодном. Коэффициент передачи двухполупериодного модулятора также не сколько выше.
Напряжение опорного сигнала U0n , как правило, делается вы ше напряжения входного сигнала Uc . Для надежной работы демоду ляторов напряжение Uc обычно предварительно усиливается так, чтобы в рабочем режиме оно составляло 2' - 3 в. Это обеспечивает
устранение нестабильности коэффициента передачи, вызванной нелинейностью характеристик диодов при малых сигналах.
Модуляторы и демодуляторы могут создаваться не только на диодах, но и на тридах (электронных и полупроводниковых). В этом случее они одновременно выполняют функции и усилителей (А » I ) . Однако здесь они рассматриваться не будут.
§ 4 .6 . ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
К электронным и полупроводниковым уоилителям систем авто матического управления предъявляется ряд специфических требо ваний. В первую очередь к ним необходимо отнести стабильность коэффициента усиления по напряжению и мощности,линейность ста тической характеристики во всем рабочем диапазоне.низкий уро вень собственных шумов, относительно большую выходную мощность, достигающую нескольких деоятков ватт.
Как правило, электронные и полупроводниковые усилители в системах управления работают на переменном токе. Это обу словлено тем, что усилителям постоянного тока свойственен
"дрейф" нуля - неконтролируемое изменение выходного сигнала при отсутствии напряжения на входе.
Так как характеристики полупроводниковых приборов сильно зависят от температуры, то для обеспечения постоянства ко эффициентов усиления в усилителях принимаются специальные меры температурной стабилизации. Мощные полупроводниковые триоды монтируются, как правило, на специальных радиаторах с большой поверхностью теплоотвода. Для стабилизации рабочей точки применяется схема температурной компенсации,предусматриваю щая включение последовательно с эмиттером относительно боль шого дополнительного сопротивления, которое стабилизирует ток в эмиттере, а следовательно, и в коллекторе. Для этой же це пи применяются балансные схемы включения двух триодов с оди наковыми температурными характеристиками.
Усилители мощности, как правило, строятся по двухтактным схемам.Этим самым достигается увеличение выходной мощности, уменьшение нелинейных искажений, исключение четных гармоник
икомбинационных частот четного порядка в выходном сигнале.
Втех случаях, когда от усилителя мощности хотят получить