Усилительно-преобразовательные устройства

В системе автоматического регулирования назначение усилителя состоит в том, чтобы сигнал, поступивший от датчика, усилить и в некоторых случаях преобразовать в командный сигнал, то есть сигнал, достаточный по мощности для привода в движение регулирующего органа. Следовательно, задача усилителя заключается в изменении притока энергии из внешнего источника в исполнительный механизм с целью обеспечения необходимого перемещения регулирующего органа.

Усилители различают по:

• виду энергоносителя,

• выходной мощности,

• коэффициенту усиления (преобразования),

• статической характеристике (линейные и нелинейные).

В зависимости от вида энергии источника питания усилители разделяют на электрические, пневматические, гидравлические. Электрические усилители, в свою очередь, делятся в зависимости от вида усилительного элемента на электронные или ламповые, полупроводниковые и магнитные.

Коэффициентом усиления K_N называется отношение величины сигнала, снимаемого с выхода усилителя, к величине сигнала, подаваемого на вход. В зависимости от устройства и принципа действия усилителя коэффициент усиления может колебаться до 10⁸ и более, причем верхний предел характерен для электронных усилителей.

Выходные мощности усилителей колеблются от долей ватт до десятка и более киловатт. Электрические усилители имеют ограниченную мощность, связанную с резким возрастанием габаритов исполнительных устройств.

Линейным называется усилитель, у которого выходная величина пропорциональна входной на всем интервале регулирования. Нелинейность усилителя является существенным его недостатком. Электронные и магнитные усилители с достаточной для инженерной практики точностью можно считать безынерционными.

К усилителям предъявляются следующие требования:

• должны иметь требуемый коэффициент усиления;

• характеристика должна быть по возможности близка к линейной;

• должны иметь достаточную чувствительность;

• запаздывающее действие должно сводиться к минимуму.

В гидравлических регуляторах наиболее часто применяют три основных вида усилителей: золотниковые, струйные и устройство типа сопло-заслонка.

Золотниковые гидроусилители представляют собой миниатюрные устройства типа поршень – цилиндр, отличающиеся простотой конструкции и высокой надежностью. Золотник может быть отсечного типа и проточного (рис. а и б). В обоих случаях он состоит из гильзы 4 с рядом отверстий, внутри которой передвигается плунжер 3 с буртиками 2, изменяющий направление движения жидкости от источника энергии (насоса 6). Движение плунжера осуществляется под воздействием х датчика, которое подлежит усилению и преобразованию. При отсутствии воздействия плунжер находится в нейтральном положении: отверстия перекрыты, жидкость остается в центральной полости.

Наличие сдвоенных буртиков позволяет разгрузить устройство от давления энергоносителя; равнодействующая давления будет равна нулю, плунжер легко перемещается от незначительного усилия датчика.

При перемещении плунжера вниз открываются напорные окна H, жидкость поступает в напорную полость исполнительного устройства ИУ, а из другой полости уходит через сливные отверстия С.

Работа гидроусилителя со струйной трубкой основана на принципе преобразования динамического давления струи рабочей жидкости, вытекающей из сопла трубки 2, в статическое давление в приемных каналах диффузорной формы 3 (рис. 4.2). Трубка поворачивается в шарнире О под действием усилия от датчика 1, направляя струю в соответствующий канал, соединенный с полостью сервомотора.

Гидроусилитель в виде дросселя переменного сечения (усилитель типа сопло – заслонка) (рис. 4.3) состоит из дросселей постоянного и переменного сопротивлений 1, меняющихся при смещении заслонки 3 относительно сопла 2.

При изменении положения заслонки давление увеличивается, и жидкость подается под поршень сервомотора. С отходом заслонки от сопла увеличивается слив жидкости, давление в магистрали падает, и сервомотор под действием пружины осуществляет обратный ход. Отличительной особенностью усилителей этого типа является наличие только одной магистрали, соединяющей источник энергии с сервомотором.

Особенности использования воздуха и других газов в качестве энергоносителей – возможность их сжатия, малые плотность и давление (из-за нагрева и взрывоопасности), трение без смазочного материала в механизмах – накладывают свой отпечаток на устройство пневмоусилителей. В пневмоусилителях наиболее часто применяется усилитель типа сопло – заслонка, принцип работы которого был рассмотрен ранее.

Пневмоусилители присоединяют к автономному источнику энергии, чаще всего к компрессорной установке, или к имеющейся магистрали сжатого воздуха, или другого газа, в том числе и идущего на газоснабжение. В состав установки обязательно входят фильтры, водомаслоотделитель, адсорбер для осушения воздуха и стабилизаторы давления.

Электрический усилитель повышает значения напряжения, тока или мощности. Для усиления электрических сигналов, идущих от датчиков, применяют магнитные усилители.

Принцип действия магнитного усилителя основан на свойстве ферромагнитных материалов уменьшать динамическую магнитную проницаемость магнитопровода (сердечника) для переменного тока при подмагничивании постоянным током. При этом снижается индуктивность обмоток L и увеличивается рабочий ток:

К достоинствам магнитных усилителей следует отнести высокие надежность, кпд, простоту обслуживания, взрыво- и пожаростойкость.

Основной недостаток – сравнительно большая инерционность, поэтому во многих случаях целесообразна комбинация магнитного усилителя с другими.

Использование датчиков с маломощными выходными сигналами порядка нескольких микроватт требует применения электронных (ламповых или полупроводниковых) усилителей постоянного и переменного тока.

В качестве полупроводниковых управляющих элементов используются кремниевые управляемые вентили или тиристоры, предназначенные для токов до 100 А и напряжений до 800 В. Тиристор обладает малой мощностью сигнала управления, безынерционностью, большим сроком службы. Полупроводниковые приборы весьма чувствительны к перегрузкам по напряжению и току.

Операционными усилителями (ОУ) называют многокаскадные усилители постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, большим усилением и несимметричным выходом. Под каскадом понимают этап усиления. Датчик не обеспечивает усилитель такой схемы необходимым сигналом, поэтому его приходится усиливать в каскадах предварительного усиления. На практике в большинстве случаев операционный усилитель используется с обратной связью. Применение отрицательной обратной связи позволяет увеличить входное сопротивление Rвх, уменьшить Rвых и искажения и увеличить стабильность и точность, с которой задается коэффициент усиления.

При комбинированном многокаскадном усилении последовательно соединяются усилители рассмотренных ранее типов: в гидравлических – золотникового II и струйного I типов (рис. 4.8, а), в электрогидравлических – магнитного I, реле II и струйного III (рис. 4.8, б) и других типов в зависимости от конкретных требований к построению схемы автоматизации и свойств объектов.

Коэффициент усиления многокаскадных усилителей равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов (ступеней)

и может достигать достаточно больших значений.