книги / Элементы автоматики и счетно-решающие устройства

пример, нагревать какую-то произвольную точку проводника, не изменяя при этом температур горячего и холодного спаев;

2) величина термо-э. д. с. не изменится при любом включении произвольного третьего проводника в разрыв термоцепи.

Для сравнения различных материалов можно определять их термо-э. д. с. в отдельности в паре с каким-нибудь эталонным мате­ риалом (обычно платина). Тогда для двух разных материалов термо-э. д. с. подсчитывается как разность термо-э. д. с. каждого материала в паре с платиной.

При точных измерениях следует учитывать, что величина термо- э. д. с. лишь приближенно линейно зависит от измеряемой темпе­ ратуры. Поэтому для точного определения температуры по вели­ чине термо-э. д. с. необходимо пользоваться стандартными градуи­ ровочными таблицами, обозначения которых приведены в табл. 1. 3.

Таблица 1.3

Характеристики	некоторых термопар
	Обозначе­	Термо-э.д.с.	Пределы
Термопара		при 7^=373 °К длительного
	ние градуи­	и Г2= 273 °К	применения
	ровки	мв	°К
Платина — платинородий	ПП	0,64	250—1600
Сплав НК — СА	НС	1,85*	573—1300
Хромель — алюмель	ХА	4,10	220—1300
Хромель — копель	ХК	6,95	220—900
Медь — коистантан	—	4,25	20—700
Вольфрам — рений — вольфрам —	—	1,45*	273—2473
рений	—
Вольфрам — молибден		0,50	1500—2473

* Средняя на 100° в диапазоне.

Если понимать под чувствительностью 5 Т термопары величину термо-э. д. с., развиваемую при разности температур горячего и хо­ лодного спаев Г К, то термо-э. д. с.

£ - = 5 т( Г , - Т2),

(1.27)

где значения 5 Т приближенно берутся из табл. 1.3.

При скачкообразном изменении температуры Т\ среды, в кото­ рой находится горячий спай термопары, на величину АТ ее термо-

э. д. с. будет изменяться аналогично (1.9) по зависимости

Д £ = 5 ТД

Г

(

1

(1. 28)

гистерезисной погрешности при увеличении и последующем умень­ шении скорости вращения для магнитопроводов тахогенераторов

обычно используют листовой	пермаллой.	т о к а . Якорь 3	тахо­
Т а х о г е н е р а т о р ы п о с т о я н н о г о
генераторов постоянного тока	(рис. 1.12, а)	для облегчения	часто

изготовляют в виде тонкостенного стаканчика из изоляционного ма-

Рис. 1.12. Схема конструкции

ихарактеристики тахогенератора постоянного тока:

/ —м агн и т; 2—о б м о тк а; 3—я к о р ь; 4— кол л ек то р ; 5—серд еч н и к

териала (иногда бумаги), на котором размещают секции обмот­ ки 2, выводимые к коллектору 4. Со щеток коллектора снимается

э. д. с.

£ ,= £ еФ (о= £ ти> [в],

(1.31)

где, как известно из электротехники,

	pN	(1.32)
	К = 2па ф ,
р —число	пар полюсов (обычно р = 1 );
N — количество проводников обмотки якоря;
а —число	параллельных ветвей обмотки якоря;
ш—угловая скорость вращения якоря в рад\сек\

£	Ф —магнитный поток возбуждения в вб;

kr= — = £ еФ—коэффициент передачи тахогенератора.

О)

Для уменьшения пульсаций э. д. с. число секций обмотки якоря берут не менее 20—25, а иногда применяют также дополнительные фильтры на выходе. Магнитный поток Ф создается либо постоян-

2

В 4 М , Ш л ян д и н

33

ным магнитом 1, либо специальной обмоткой возбуждения на ста­

торе. В последнем случае

где &ф — коэффициент пропорциональности;

/ в — ток в обмотке возбуждения	в	а.
Следовательно, коэффициент передачи тахогенератора
* T= M > = W	B	(1.33)

зависит от величины тока в обмотке возбуждения. Для увеличения Ф внутри якоря устанавливают цилиндрический ферромагнитный сердечник 5. Конструкция с возбуждением от постоянного магнита значительно проще и не требует дополнительного источника пита­ ния, поэтому она широко применяется в тахогенераторах постоян­ ного тока.

Формула (1.31) справедлива только для холостого хода тахо­ генератора. При работе тахогенератора на сопротивление нагрузка RB напряжение на его зажимах

где		UT= E — I	< Е ,	(1.34)
		/ =	- - -
		Н Яя + Ян ’
Ra — сопротивление		обмотки	якоря.
Уменьшение	UT вызывается также тем, что ток /н в роторе соз-
дает магнитный	поток	реакции	якоря
		Ф р . , = * р . Л < “ .		С1 - 3 5 )

зависящий как от величины тока 1П, так и от скорости вращения

якоря и уменьшающий результирующий магнитный поток возбуж­ дения. В связи с этим строгая линейность характеристик тахоГСнераторов (рис. 1.12,6) наблюдается только при небольших ско­ ростях вращения якоря.

Основной недостаток тахогенераторов постоянного тока заклю­ чается в наличии коллектора и щеток с нестабильным переходном контактным сопротивлением. Это вызывает некоторую нестабиль­ ность напряжения, снимаемого с тахогенератора, а также зону не­ чувствительности при близких к нулю скоростях вращения. Д^я регулировки магнитного потока возбуждения тахогенераторы с На­ стоянными магнитами часто снабжают регулируемыми магнит­ ными шунтами. Изменение магнитного сопротивления шунта, черея который замыкается часть общего магнитного потока, позволит поддерживать неизменной часть общего магнитного потока, Ис­ пользуемую для возбуждения. Отечественная промышленность се­ рийно выпускает тахогенераторы ТГ, ТД и ЭТ с независимым в0:*-

буждением, МЭТ и ТГП с возбуждением от постоянных магнитов

и др.

Т а х о г е н е р а т о р ы п е р е м е н н о г о т о к а . Основным до­ стоинством тахогенераторов переменного тока является отсутствие коллектора и щеток. Кроме того, выходная э. д. с. имеет у них синусоидальную форму, что позволяет использовать непосредст­ венно после тахогенератора усилитель переменного тока с высоким входным сопротивлением. В качестве тахогенератора переменного тока может быть использована либо машина с постоянным маг­ нитом в качестве ротора, наводящего переменную э. д. с. в обмот­ ке статора, либо маломощный двухфазный асинхронный электро-

/

Рис. 1. 13. Конструкция двухфазного асинхронного тахогенератора

двигатель с короткозамкнутым ротором. Первый тип тахогенера­ тора получил небольшое распространение, так как наводимая в нем э. д. с. по частоте пропорциональна скорости вращения рото­ ра, а по фазе не зависит от направления вращения.

Двухфазный асинхронный тахогенератор, принцип конструкции которого показан на рис. 1.13, свободен от этих недостатков. Ро­ тор 1 для облегчения обычно изготовляют в виде тонкостенного

металлического стакана. Одна из обмоток питается напряжением w = (/msin соо ^ от сети с частотой соо и создает пульсирующий маг­

нитный поток возбуждения Фв = Ф вт5тсоо^	пересекающий	ротор
в направлении, перпендикулярном оси второй	(сигнальной)	обмот­

ки. Если ротор неподвижен, то в сигнальной обмотке э. д. с. не наводится. При вращении ротора в нем, кроме э. д. с. трансфор­ мации, наводимой потоком обмотки возбуждения, появится э. д. с. вращения вследствие пересечения ротором магнитных линий потока возбуждения. Созданные этой э. д. с. в короткозамкнутом роторе токи обусловливают появление переменного магнитного потока Ф, совпадающего с осью сигнальной обмотки и наводящего в ней э. д. с., величина которой зависит от скорости со вращения ротора, а фаза определяется направлением вращения.

Короткозамкнутый круглый ротор можно представить в виде двух взаимно перпендикулярных эквивалентных «обмоток», соз­ дающих при вращении ротора магнитные потоки

Ф 1= ^ 10)Ф в COS (о/

и

сумма проекций которых на ось сигнальной обмотки

Фх= Ф	1х + Ф 2х =		( c 0 s 2 + s i n 2 <*>/) — ^ Ф л
будет вызывать	в ней	э. д. с.
е =	к2Фх=	£3о)Фв=	^3соФв msin о)0^= • ш,	(1.36)

изменяющуюся во времени с частотой соо сети, не зависящей от ско­ рости со вращения ротора. При соответствующем выборе парамет­ ров тахогенератора можно в широких пределах обеспечить линей­ ность зависимости е от со.

Отечественная промышленность выпускает тахогенераторы пе­ ременного тока АТ и ТГ и маломощные двухфазные асинхронные электродвигатели серии ACM, которые могут быть использованы как тахогенераторы переменного тока без каких-либо переделок.

Если обмотку возбуждения асинхронного двухфазного тахо­ генератора питать постоянным напряжением, то напряжение, сни­ маемое с сигнальной обмотки, будет пропорциональным второй производной от угла поворота его ротора, т. е. ускорению вращаю­ щегося вала.

1.2.3. Сельсины в трансформаторном режиме

Сельсины являются разновидностью электрических синхронных микромашин с обмотками на статоре и роторе. По принципу дей­ ствия сельсины представляют собой поворотные трансформаторы с плавным изменением взаимной индуктивности между обмотками ротора и статора при повороте ротора. При электрическом соедине­ нии двух сельсинов между собой они обладают способностью к самосинхронизации, используемой в индукционных дистанцион­ ных передачах угла.

Рассмотрим работу двух сельсинов с соединенными между со­ бой обмотками роторов, когда переменное напряжение питания подведено только к обмотке возбуждения (обмотке статора) сель­ сина-датчика СД (рис. 1. 14). Обозначим через р и а соответствен­ но угловые положения ротора сельсина-датчика и ротора сельсинаприемника СП относительно начального положения, совпадающего с осями обмоток возбуждения. Магнитный поток обмотки возбуж­

дения сельсина-датчика индуктирует в фазовых обмотках его ро тора э. д. с.

E i= E mcos$;

Е 2=	Е тcos (Р— 120°);	(I)
Е3=	Е тcos (р - 240°)=Етcos (р+120°).

Так как в обмотках ротора приемника из-за отсутствия у него потока возбуждения никаких дополнительных э. д. с. не создается, то для фазных токов можно записать

	■ ___	F-\	г		J ___	* 3	(И)
	1	2 1Z | ’	2	2 | Z | ’	3	2 1Z | ’

где Z — полное сопротивление каждой фазной обмотки.

!20°

Рис. 1. 14. Сельсины в трансформаторном режиме

Эти токи создают переменные магнитные потоки, которые в однофазной статорной обмотке сельсина-приемника будут индук­ тировать э. д. с.

Е [ = А /1cosa;

£ a = i4 /2cos(a—120е);

Е ’з= А /3C O S (a - 240°) = Л /3 cos (a +120°),

где А — коэффициент пропорциональности (в предположении от­

сутствия насыщения стали).

Суммарная э. д. с., действующая на зажимах а—б статорной

обмотки сельсина-приемника, будет равна

Uаб= | Ei -)- E<i-J- Ез | = A [/j cos d-\- 1<зcos (a — 120°) -|-

+ / 3co s(a+ 120e)].

Подставим сюда выражения для токов (II), используя равен­ ства (I):

AF

Uаб= ~ 7 [cos р cos а + cos (р-1 2 0 °) cos (а -1 2 0 °) +

2 | Z |

+ cos (р+120°) cos ( а + 120°)].

Отсюда после выполнения простейших тригонометрических пре­ образований найдем

и аб= АЕп (cos р cos a -J-2 cos2120°-cos P-cosa-f-
	21 Z
или	+	2 sin2120° • sin p • sin a)
	o	xp
			(cos P- cos a + sin p- sin a).
	Ua6 = — -
	4	| Z |
Заменяя сумму в скобках через cos (р—а) и обозначая
		3	АЕт		rj
		4	| Z |	~	т'
получим	окончательно
	и аб= и т -cos (P ~ a )= f7 mcos0.						(1.37)
Следовательно, напряжение на зажимах						однофазной	обмотки
сельсина-приемника не		зависит		от	угловых	положений	роторов,
а зависит	только от угла рассогласования 0					между ними. Если

затормозить ротор приемника в любом положении, то по величине Uаб можно судить об угле поворота ротора датчика относительно заторможенного положения ротора приемника. При этом Ua6 будет

максимально для угла 0=0° и равно нулю для угла 0=90°. Для практического использования удобнее обратная зависимость, когда в согласованном положении (]аб равно нулю. Это легко достига­

ется, если за начальное положение принять такое, при котором роторы датчика и приемника сдвинуты между собой на угол в 90°.

В этом случае угол 0 = 9 О ° +0 / и
Ua6= U m.s\nb'	(1.38)

Рассмотренный режим работы сельсинов по аналогии с режи­ мом работы трансформатора называется трансформаторным и ши­

роко используется в следящих системах. Если 6'== 0, то £/а<?= 0 и в исходном (сдвинутом на 90°) положении роторов вращающий момент на валу ротора датчика отсутствует.

Глава II

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

Выходной сигнал электрического датчика в автоматических си­ стемах используется для приведения в действие каких-либо испол­ нительных элементов (электродвигателей, электрических реле и т. п.). Однако в большинстве случаев величина его мощности для этого недостаточна и должна быть значительно увеличена, для чего применяют электрические усилители. Сигнал на выходе датчика может быть постоянным или периодическим (переменным). На ис­ полнительный элемент также должен подаваться либо постоянный, либо периодический сигнал. В зависимости от необходимого соче­ тания используют различные типы электрических усилителей.

Тип электрического усилителя выбирают также в зависимости от мощности, потребляемой исполнительным элементом. В систе­ мах силовой автоматики с датчиками постоянного тока для уси­ ления сигнала, подаваемого на исполнительный элемент постоян­ ного тока, часто применяют электромашинные усилители, а в случае исполнительного элемента переменного тока — магнитные усили­ тели. Для усиления сигналов переменного тока в этом случае, как правило, применяют электронные усилители мощности. В ряде слу­

чаев используют комбинации электромашинных и магнитных уси­ лителей с электронными и полупроводниковыми.

В автоматических системах малой мощности для усиления сиг­ налов датчиков применяют, как правило, электронные или полу­ проводниковые усилители переменного тока. Применение усилите­ лей постоянного тока обычно нецелесообразно из-за значительного дрейфа (ухода) нуля при длительной работе, а уменьшение дрей­ фа нуля связано со значительным усложнением усилителя посто­ янного тока. При этом для усиления сигналов постоянного тока их предварительно преобразуют в сигналы переменного тока при помощи модуляторов, а для приведения в действие исполнительных

элементов постоянного тока выходной сигнал усилителя перемен­ ного напряжения преобразуют в постоянный при помощи демоду­ ляторов.

Основными особенностями работы электрических усилителей

вприборной автоматике являются:

1)очень широкий диапазон изменения входных сигналов. Уси­ ление очень малых сигналов Является основным режимом работы, т. е. от усилителя требуется достаточно высокие коэффициент пере­ дачи, входное сопротивление и стабильность нуля и малый порог чувствительности. Возможность появления больших сигналов тре­

бует нечувствительности усилителя к перегрузкам; 2) достаточное быстродействие (малая величина постоянной

времени);

3) необходимость чувства полярности (или фазы) входного сигнала;

4) высокие требования к коэффициенту передачи только на на­ чальном участке характеристики. Линейность и стабильность ко­ эффициента передачи усилителя в большинстве случаев важны только на начальном участке его характеристики, так как в каче­ стве выходного исполнительного элемента обычно используется либо электродвигатель, либо электромагнит (реле). В обоих слу­ чаях абсолютная величина и форма выходного сигнала усилителя не играют существенной роли, если только он превышает зону не­ чувствительности Хн.и.э исполнительного элемента. Зато существен­ ное значение имеет соответствие полярности (фазы) выходного сигнала полярности (фазе) сигнала на входе усилителя.

2.1. ЭЛЕКТРОННЫЕ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Основные схемы усиления могут быть выполнены как на элек­ тронных лампах, так и на полупроводниковых триодах. Однако при этом следует учитывать как основные достоинства (меньшие габа­ риты и потребляемая мощность, больший срок службы) полупро­ водниковых усилителей по сравнению с электронными, так и их основные недостатки — значительно меньшее входное сопротивле­ ние, сильная зависимость параметров от режимов триодов и тем­ пературы окружающей среды, относительно малая допустимая величина выходных напряжений и т. п. От типа датчика и испол­ нительного элемента в значительной мере зависит возможность ис­ пользования полупроводникового усилителя.

2.1.1. Общие вопросы построения электронных

иполупроводниковых усилителей

Всамом общем случае (при постоянных напряжениях на входе

ивыходе) усилитель строят по схеме модулятор—усилитель пере­

менного напряжения— демодулятор. При переменном напряжении на входе не нужен модулятор, а исполнительный элемент перемен­ ного тока не требует демодулятора. Так как усиливаемые частоты обычно невелики, то используется, как правило, простейший уси­ литель переменного напряжения с ЯС-связями, работающий на одной частоте (питающей сети).

При необходимости обеспечения малого порога чувствительно­ сти усилителя в случае усиления очень малых сигналов сущест­ венное значение имеют стабильность нуля усилителя, величина его собственных шумов и помех от внешних источников *.

Стабильность нуля усилителя определяется начальным сдви­ гом и дрейфом. Если начальный сдвиг нуля, имеющий постоянную величину, относительно легко компенсируется схемными способами, то дрейф нуля, зависящий в основном от параметров входной схе­ мы, определяет достигаемую чувствительность усилителя. Чтобы

* Д.	Е. П о л о н н и к о в , Электронные усилители автоматических компен­
саторов,	Физматгиз, 1960.