§ 11.3. Усилительные устройства.

Усилительное устройство, или усилитель, является обязательным узлом любого регулятора непрямого действия.

В задачу усилительного устройства входит преобразование и усиление слабого сигнала, идущего от измерительного устройства, до величины, способной обеспечить перемещение исполнительного устройства. Для этого к усилительному устройству подводится энергия от постороннего источника, и оно управляет подводом этой энергии к исполнительному устройству в зависимости от величины сигнала измерительного устройства.

По виду используемой вспомогательной энергии усилительные устройства делятся на гидравлические, пневматические и электрические.

1. Гидравлические усилители.

В регуляторах паротурбинных установок получили широкое распространение гидравлические усилители, использующие в качестве рабочей среды питательную воду или масло из системы смазки.

По принципу действия усилители можно разделить на золотниковые и струйные.

Схема золотникового усилителя показана на рис. 29. Золотник 1 усилителя жестко связан с измерительным устройством и перемещается им в золотниковой втулке 3, заключенной в корпусе 4. Обратное выключение при перемещении исполнительного устройства производится рычагом 2, жестко связанным с золотниковой втулкой 3. В среднюю полость золотниковой втулки подается вода или масло под давлением. Слив осуществляется с обеих сторон золотниковой втулки.

В равновесном состоянии золотник находится в нейтральном положении, и поршеньки перекрывают окна в золотниковой втулке. При этом поршень исполнительного устройства неподвижен. При отклонении золотника от нейтрального положения одна из полостей исполнительного устройства соединяется со средней (напорной) полостью золотника, а другая - со сливной полостью. Рабочая среда, поступая под давлением в одну из полостей исполнительного устройства, перемещает его поршень, выталкивая среду из другой его полости на слив через сливную полость золотника.

При перемещении исполнительного механизма золотниковая втулка также перемещается, устанавливая окна против поршеньков золотника и производя тем самым «обратное выключение» усилителя. В зависимости от соотношения ширины поршеньков золотника и ширины окон втулки золотниковые усилители бывают с положительным, нулевым и отрицательным перекрышем. При положительном перекрыше ширина поршеньков золотника больше, чем ширина окон втулки. При этом обеспечивается надежное отключение полостей исполнительного устройства от напора и слива. Однако при малых перемещениях золотника (в пределах перекрыша) исполнительное устройство не перемещается, что ухудшает чувствительность регулятора.

При нулевом перекрыше ширина поршеньков золотника равна ширине окон втулки, а при отрицательном перекрыше окна втулки шире, чем поршеньки золотника. При отрицательном перекрыше имеет место постоянный расход рабочей среды на слив, что ухудшает экономичность усилителя.

Практически стремятся выполнять усилители с нулевым или с небольшим отрицательным перекрышем, так как нулевой перекрыш трудно обеспечить при изготовлении. Золотниковые усилители могут обеспечивать значительную мощность выходного сигнала и быстродействие исполнительных устройств. Однако они обладают повышенным сопротивлением перемещению золотника во втулке из-за наличия сил трения, что снижает чувствительность золотниковых усилителей.

Для уменьшения трения пары золотник-втулка золотники делают стальными, а втулки бронзовыми, разгружают их от боковых неуравновешенных сил и устраняют возможные причины перекосов, уменьшают поверхности трения, протачивая канавки на поршеньках золотника, и т. д. Иногда делают золотники вращающимися или вибрирующими.

Рис. Схема золотникового усилительного устройства.

Рис. Схемы струйных усилителей:

а) – двухпроточного с заслонкой; б) - однопроточного со струйной трубкой.

Рис. Двухкаскадный гидравлический усилитель:

1 – струйная трубка; 2 – золотниковый усилитель.

Струйный принцип усиления основан на управлении процессом преобразования кинетической энергии струи жидкости в давление.

На рис. 30, а представлена схема двухпроточного усилительного реле с заслонкой. Рабочая вода давлением (5,88-7,85)·10⁵ Па (6-8 кгc/см²) подводится к напорным соплам 1. Соосно напорным соплам установлены приемные сопла 4; при среднем положении заслонки 3 давления в приемных соплах одинаковые. При появлении сигнала от измерительного устройства рычаг 2 поворачивается, отклоняя заслонку от среднего положения и изменяя давление в приемных соплах, что вызывает перемещение исполнительного устройства. Для уменьшения расхода рабочей воды применяют однопроточное реле со струйной трубкой, схема которого приведена на рис. 30, б. В этом реле рабочая вода из приемного сопла 1 попадает в качающуюся струйную трубку 3, связанную рычагом 2 с измерительным устройством. При отклонении струйной трубки от среднего положения меняется давление в каналах приемника 4 и перемещается исполнительное устройство. Характеристики струйных усилителей приведены на рис. 31.

Коэффициент усиления у струйных усилителей меньше, чем у золотниковых, так как мощность на выходе усилителя определяется давлением рабочей среды и площадью сопла. Чувствительность струйных усилителей выше, чем золотниковых, так как в них отсутствуют трущиеся детали.

В системах регулирования, где требуется сохранять высокую чувствительность при большой мощности на выходе усилителя, применяют двухкаскадные усилители (рис. 32).

В качестве первого каскада усиления служит струйная трубка, обладающая высокой чувствительностью, которая создает большие перестановочные усилия на втором золотниковом каскаде усиления, имеющем на выходе большую мощность.

К достоинствам гидравлических усилителей относится возможность безынерционной передачи сигнала, мгновенной остановки исполнительного устройства при отсутствии сигнала на входе в усилитель, получения большой мощности на выходе, а также плавность движения, надежность работы и простота конструкции. Одновременно необходимо отметить, что применение гидравлических усилителей требует двойных коммуникаций (напорных и сливных) и делает невозможной работу регуляторов на воде при минусовой температуре.

На работу гидравлических усилителей оказывает большое влияние наличие воздушных мешков и нарушение сплошности потока рабочей среды. Использование масла в качестве рабочей среды повышает пожароопасность, а вода оказывает коррозирующее воздействие на детали регулятора.

2. Пневматические усилительные устройства.

По принципу действия пневматические усилители делятся на усилители, использующие дроссельный принцип, и шариковые усилители мощности.

Схема дроссельного пневматического усилителя типа сопло-заслонка, работающего по принципу компенсации сил, приведена на рис. 33.

Работа дроссельных усилителей основана на зависимости рабочей среды в полости, находящейся между двумя сопротивлениями (дросселями), от расхода среды через эту систему.

Питающий воздух давлением подводится к усилителю через постоянный дроссель 1. В качестве переменного дросселя служат сопло 2 и заслонка 4, являющаяся жестким центром мембраны 3. При изменении усилия от измерительного устройства, воздействующего сверху на заслонку 4, заслонка перемещается и изменяет открытие сопла 2, выходящего в атмосферу. При этом меняется давление в корпусе 5 усилителями и, следовательно, выходное давление , которое воздействует на однополостное подпружиненное исполнительное устройство.

Каждому положению заслонки будет соответствовать определённое давление в корпусе, так как усилие от измерительного устройства будет уравновешиваться усилием от давления воздуха на мембрану 3 снизу.

Этот метод уравновешивания усилий называется методом компенсации сил.

Рис. Схема дроссельного усилителя типа сопло – заслонка.

Рис. Схема магнитного усилителя с положительной обратной связью.

Рис. Схема включения транзисторов в усилителях.

Дроссельные усилители такого типа находят широкое применение в пневматических регуляторах. Основные достоинства этого принципа - отсутствие трущихся деталей и высокая точность работы. Дроссельный принцип используется также в гидравлических усилителях, однако их конструкция отличается от конструкции пневматических усилителей.

3. Электрические усилители.

3.1. В качестве электрических усилителей в автоматических регуляторах широкое распространение получили магнитные усилители, используемые в сочетании с электрическими измерительными устройствами (термопарами, термометрами сопротивления и термисторами).

Магнитные усилители просты и надежны в работе, не боятся влажности и вибрации, допускают значительные перегрузки и не требуют времени для подготовки к работе.

Однако магнитные усилители большой мощности имеют значительную инерционность, что необходимо учитывать при проектировании регуляторов.

Схема магнитного усилителя приведена на рис. 34.

Магнитный усилитель состоит из трехстержневого сердечника из листовой трансформаторной стали, на стержни которого наматываются управляющая обмотка постоянного тока и выходные обмотки переменного тока .

При изменении величины сигнала постоянного тока, поступающего от измерительного устройства, изменяется магнитная проницаемость сердечника и, следовательно, индуктивное сопротивление обмоток переменного тока. При этом изменяется сигнал переменного тока, идущего через сопротивление , включенное на выходе усилителя. Для увеличения коэффициента усиления в схему магнитного усилителя вводится положительная обратная связь.

При этом переменный ток на выходе выпрямляется диодным выпрямителем В и подается в обмотку обратной связи , создавая дополнительное подмагничивание, пропорциональное величине выходного тока, которое в свою очередь увеличивает выходной ток. Для питания усилителей используют переменный ток напряжением В или В и частотой 400 Гц.

3.2. Наряду с магнитными в автоматических регуляторах находят применение транзисторные усилители. В этих усилителях транзисторы могут быть включены по схеме с общей базой (рис. 35, а), с общим эмиттером (рис. 35, б) и с общим коллектором (рис. 35, в). Схему с общей базой чаще используют в выходных каскадах мощных усилителей, так как эта схема обладает значительно большим линейным участком характеристики, имеет хорошую тепловую стабильность и позволяет получить на выходе большую мощность. Схемы с общим эмиттером дают максимальное усиление по току и, следовательно, по мощности.

Схему с общим коллектором удобно использовать в качестве согласующего элемента. К достоинствам транзисторных усилителей относятся: малый вес и габарит, значительный срок службы, высокий к. п. д., высокая механическая прочность, к недостаткам - низкая температурная стабильность и невозможность использовать их для усиления сигналов любого вида.

4. Комбинированные усилители.

В случае необходимости перехода от одной рабочей среды к другой используются электрогидравлические и электропневматические усилители.

Электрогидравлический усилитель представляет собой гидравлический струйный усилитель, в котором для отклонения струйной трубки или заслонки от среднего положения используется якорь поляризованного реле. Направление движения якоря в поляризованных реле зависит от полярности подаваемого сигнала.

Электропневматические усилители состоят из пневматического золотника, перемещаемого электромагнитом.