1.9.4 Усилители автоматических устройств

В следящих системах могут применяться электронные, электромашинные или магнитные усилители мощности. Схема и работа электронного усилителя будет изложена в следующем разделе (см. 2.4).

Электромашинный усилитель

Электромашинный усилитель (ЭМУ) применяется для управ­ления электрическими двигателями постоянного тока большой мощности (до десятков и сотен киловатт). Простейшим электро- машинным усилителем является генератор постоянного тока с по­сторонним возбуждением. Входом усилителя является обмотка возбуждения, а выходом — обмотка якоря.

Сущность усиления мощности таким усилителем состоит в том, что при всяком изменении величины и направления тока в цепи возбуждения будет происходить такое же по характеру изменение тока в цепи якоря (через нагрузку). При этом выделяемая на на­грузке мощность в 25—100 раз больше той мощности, которая за­трачивается на управление в цепи возбуждения. Усиление сигнала по мощности происходит за счет механической энергии, сообща­емой двигателем, приводящим во вращение якорь генератора.

В РЛС применяются электромашинные усилители различных типов, например ЭМУ-1,2А, ЭМУ-1,2П, ЭМУ-50 и др. Маломощные ЭМУ выпускаются в одном корпусе с приводным двигателем. ЭМУ большой мощности приводятся во вращение отдельным дви­гателем.

Электромашинный усилитель представляет собой двухполюс­ный генератор постоянного тока с посторонним возбуждением (рис. 1.56). Он имеет значительно вытянутые по сравнению с обыч­ным генератором полюсные наконечники. К коллектору ЭМУ при­жимаются две пары щеток, из которых одна пара расположена на геометрической нейтрали и замкнута накоротко (щетки АА'), а другая расположена на оси полюсов (щетки ВВ'). К щеткам ВВ' подключается нагрузка R_н.

Статор ЭМУ представляет собой пакет, набранный из листов электротехнической стали. В пазах статора уложены две одинако­вые управляющие обмотки УО₁ и У0₂, компенсационная КО и до­полнительная ДО обмотки (рис. 1.56, а).

Две одинаковые управ­ляющие обмотки служат для создания в ЭМУ управ­ляющего магнитного пото­ка Фь Этот магнитный по­ток представляет собой раз­ность магнитных потоков, I создаваемых обмотками, так как токи в них протекают в противоположных направ­лениях. Величина и направ­ление магнитного потока Ф1 определяются соотношением токов в управляющих об­мотках. При равенстве то­ков в обмотках магнитный поток Ф1 отсутствует.

Дополнительная обмотка ДО, включаемая последовательно в цепь нагрузки ЭМУ, служит для уменьшения искрения щеток, а компенсационная — для компенсации потока реакции якоря. Не­которые ЭМУ снабжаются размагничивающей обмоткой РО, ко­торая служит для размагничивания полюсов при отсутствии сиг­нала на входе усилителя. Эта обмотка включается в сеть перемен­ного тока.

Принцип работы усилителя состоит в следующем. Магнитный поток Ф₁ пересекая вращающуюся обмотку якоря, индуктирует в ней ЭДС Е₁. Как и в обычном генераторе, ЭДС Е₁ снимается со щеток АА'. Так как щетки АА' закорочены, то в цепи обмотки якоря протекает наибольший по величине ток короткого замыкания. Этот ток создает свой магнитный поток Ф₂, направленный перпен­дикулярно к магнитному потоку Ф1 и значительно больше его по величине.

При вращении якоря в магнитном поле Ф₂ в его обмотке на­водится ЭДС Е₂. ЭДС Е₁ больше по величине, чем ЭДС Е₂ так как она создается более сильным магнитным полем. Она снима­ется с щеток ВВ'. За счет ЭДС Е₂ через нагрузку протекает ток I₂. На нагрузке выделяется мощность в тысячи и даже десятки тысяч раз большая, чем мощность, затрачиваемая в цепи управления.

При всяком изменении величины и направления тока I₁ про­исходит такое же по характеру изменение тока I₂ в нагрузке.

Магнитный усилитель

Магнитный усилитель — это электромагнитное устройство, которое статически (без движущихся частей) усиливает электриче­ские сигналы по мощности или напряжению. Магнитные усили­тели в настоящее время нашли очень широкое применение в раз­личных системах автоматики РЛС. Они имеют большой срок службы, надежны и обладают высокой чувствительностью.

Принцип работы магнитного усилителя основан на изменении индуктивного сопротивления катушки с ферромагнитным сердеч­ником при подмагничивании этого сердечника постоянным током.

Простейший магнитный усилитель (рис. 1.57) пред­ставляет собой замкнутый ферромагнитный сердечник, на который намотаны две обмотки. Одна из обмоток включается в цепь перемен­ного тока последовательно с нагрузкой R_н и называется нагрузочной (ω₀) Другая обмотка подключается к источнику постоянного тока и называется управляю­щей (ω_у).

По закону Ома для цепи нагрузки:

величина тока в ней обратно пропорциональна сопротивлению. Основную часть сопротивления цепи нагрузки составляет индук­тивное сопротивление нагрузочной обмотки усилителя. Индуктив­ное сопротивление этой обмотки для переменного тока тем боль­ше, чем больше ее индуктивность (xL = ωL). Индуктивность же об­мотки с ферромагнитным сердечником прямо пропорциональна его магнитной проницаемости.

Следовательно, если каким-либо образом изменять магнитную проницаемость сердечника, то это приведет к изменению индуктив­ного сопротивления нагрузочной обмотки и тока в цепи нагрузки.

Как видно из графика рис. 1.57,б, с увеличением тока I_у в уп­равляющей обмотке, намагничивающей сердечник, магнитная про­ницаемость сердечника μ сначала резко возрастает, а затем умень­шается. Обычно сердечники магнитных усилителей выполняются из пермаллоя — сплава, у которого насыщение наступает при ни­чтожно малых значениях напряженности магнитного поля.

В результате увеличение тока I_у в управляющей обмотке при­водит только к уменьшению магнитной проницаемости (рис. 1.57, в). С увеличением тока в управляющей обмотке сер­дечник усилителя намагничивается. Его магнитная проницаемость уменьшается. Это приводит к уменьшению индуктивности и индук­тивного сопротивления нагрузочной обмотки. Ток через нагрузку увеличивается.

Для того чтобы намагнитить сердечник до насыщения с по­мощью катушки, имеющей достаточно большое количество витков, надо пропустить по ней ток всего несколько миллиампер. Нагру­зочная же обмотка может быть включена в цепь переменного тока большой мощности. Мощность, затрачиваемая на управление, гораздо меньше мощности, выде­ляющейся на нагрузке. Поэтому данное устройство является уси­лителем мощности.

Существенным недостатком, рассмотренного усилителя яв­ляется то, что переменный маг­нитный поток нагрузочной обмот­ки наводит в управляющей об­мотке переменную ЭДС. Для устранения этого недостатка усилитель выполняется на трехстержневом сердечнике (рис. 1.58). На среднем стержне такого сердечника размещается управляющая обмотка, а на крайних — две равные половины нагрузочной обмотки. Нагрузоч­ные обмотки включаются так, чтобы их магнитные потоки проходили через средний стержень в противофазе и взаимно компенсировались. Вследствие этого результирующий переменный магнитный поток в среднем стержне равен нулю.

Если необходимо, чтобы при отсутствии тока в управляющей обмотке ток в нагрузке был равен нулю и с изменением полярности сигнала менялась фаза тока в нагрузке на 180°, применяются дифференциальные магнитные усилители.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (рис. 1.59) состоит из двух усилителей на трехстержневых сердечниках. На среднем стержне каждого из усилителей помимо управляющей обмотки имеется до­полнительная обмотка смещения ω_см. По ней протекает постоянный ток от постороннего стабилизированного источника смещения.

Дополнительные обмотки создают одинаковое первоначальное намагничивание сердечников обоих усилителей при I_у = 0. При этом токи нагрузочных обмоток обоих усилителей I₁ и I₂ будут одинаковы. Так как они протекают через нагрузку Zн в противоположных направлениях, то результирующий ток равен нулю.

При подаче сигнала на вход усилителя по управляющим обмоткам потечет ток I_у. Он создает в сердечниках одинаковые магнитные потоки Ф_у. Управляющие обмотки усилителей намотаны так, чтобы в одном из сердечников магнитный поток Ф_у совпадал по направлению с магнитным потоком Ф_см, а в другом — был про­тивоположного с ним направления.

На рис. 1.59 при заданной полярности Uy в усилителе 2 по­токи совпадают, а в усилителе 1 — направлены навстречу друг другу. В результате магнитная проницаемость сердечника усили­теля 2 уменьшается, а усилителя I₂ увеличивает­ся. Это приведет к увели­чению тока нагрузки вто­рого усилителя I₂ и умень­шению первого I₁. Через нагрузку потечет ток, равный разности:

При изменении поляр­ности входного сигнала по управляющим обмот­кам потечет ток противо­положного направления. Сердечник второго усили­теля будет намагничен слабее, чем сердечник первого. Ток I₂ станет меньше, чем ток I_1. Фаза тока в нагрузке изме­нится на 180°. (При ука­занной на рисунке поляр­ности напряжения на вторичной обмотке трансформатора через нагрузку потечет ток противоположного направления.)

В качестве нагрузки дифференциального усилителя обычно ис­пользуется одна из обмоток двухфазного двигателя. При этом из­менение полярности сигнала на входе усилителя изменяет направ­ление вращения двигателя. Частота вращения двигателя будет тем больше, чем больший ток I_у протекает по управляющим об­моткам усилителя.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как устроено и работает реле постоянного тока?

2. Как устроено и работает поляризованное реле?

3. Как устроено и работает реле переменного тока?

4. Для чего служат синхронные передачи?

5. Как устроен и работает бесконтактный сельсин?