Усилительные элементы автоматических систем РЛС

Наиболее часто в качестве элементов усиления параметра управления или регулирования в автоматических системах используются электромашинные и магнитные усилители.

Электромашинный усилитель (ЭМУ) – это генератор постоянного тока, ротор которого вращается двигателем. ЭМУ предназначен для усиления маломощных электрических сигналов за счет энергии двигателя, вращающего ротор. Коэффициент усиления по мощности в наиболее часто применяемых двухкаскадных ЭМУ может достигать значения 10⁴. Особенностью конструкции данного типа усилителей является то, что двигатель, вращающий ротор, и сам ЭМУ выполнены, как правило, в единой конструкции.

В двухкаскадных ЭМУ (рис. 2.55) усиливаемый управляющий сигнал U_у подается на обмотку возбуждения n_в, уложенную в пазах статора, состоящего из листов электротехнической стали. Здесь же укладывается компенсационная обмотка n_к. Эта обмотка предназначена для компенсации реакции якоря в виде потока Фр при подключенной к ЭМУ нагрузки R_н. Дополнительная обмотка n_д в пазах статора включается последовательно с нагрузкой и необходима для уменьшения искрения щеток при работе усилителя.

Наряду с рабочими щетками Щ₁ и Щ₂ якоря в ЭМУ используется дополнительные щетки Щ₃ и Щ₄, называемые поперечными. Эти щетки замкнуты накоротко.

Управляющий сигнал U_у возбуждает поток возбуждения Фв. При вращении якоря в этом потоке в якорной обмотке ЭМУ наводится ЭДС, снимаемая поперечными щетками. Ток в этих щетках значительный, так как щетки замкнуты накоротко. Этот ток образует в полости вращения якоря поперечный поток Фп, сдвинутый относительно потока возбуждения на 90°.

Поток Фп наводит ЭДС во вращающейся якорной обмотке, которая снимается рабочими щетками Щ₁ и Щ₂.

Таким образом, входной сигнал усиливается по мощности в две ступени: от обмотки возбуждения n_в к поперечной цепи и от этой цепи к рабочей. Каждая ступень усиливает мощность примерно в 100 раз.

Поток реакции якоря Фр возникает при появлении тока в цепи нагрузки, то есть при ее подключении. Его необходимо устранить, так как он направлен встречно основному управляющему потоку, создающему ЭДС в цепи якоря, и ухудшает усилительные свойства ЭМУ. Для этого в цепь якоря последовательно с нагрузкой R_н включается обмотка n_к. Протекающий по ней ток нагрузки I_н создает компенсационный поток Фк, направленный встречно потоку реакции якоря Фр. При выполнении условия Фк = Фр ЭМУ работает в режиме полной компенсации. Это условие выполняется использованием в схеме переменного сопротивления R_ш, шунтирующего обмотку n_к.

Стабильность усилительных свойств ЭМУ во многом определяется стабильностью угловой скорости вращения его ротора.

Магнитные усилители (МУ) нашли широкое применение в автоматических системах как усилители мощности. Входными сигналами МУ являются напряжения или токи постоянной величины, выходным – переменный ток.

Основным элементом простейшего МУ является дроссель, выполненный из сердечника в виде замкнутого магнитопровода. Сердечник представляет собой ферромагнитный материал, на нем имеются две обмотки (рис. 2.56):управляющая n_у и рабочая n_р. Последовательно с обмоткой n_р включены источник переменного тока и нагрузка. Входной сигнал подается на обмотку n_у.

Дроссель Д_р обладает свойством насыщения, то есть кривая зависимости

В = f(Н),

где: В – величина магнитной индукции; Н – напряженность магнитного поля,

m

близка к прямоугольной.

Рис. 2.56. Работа магнитного усилителя.

Горизонтальный участок кривой В = f(Н) соответствует насыщенному состоянию сердечника.

Магнитная проницаемость m для постоянного тока управления равна m = В / Н, а для переменного намагничивающего тока рабочей обмотки n_р m определяется действующем значением m = DВ / DН,

С ростом тока I_у растет напряженность магнитного поля Н, а проницаемость m падает. Падение m влечет за собой уменьшение индуктивности рабочей обмотки, так как

где: n_р – число витков рабочей обмотки,

S –площадь поперечного сечения сердечника,

l – действующая длина рабочей обмотки.

При уменьшении индуктивности L рабочей обмотки уменьшается и её сопротивление в цепи переменного тока, так как X_L = wL, то есть увеличивается переменный ток в цепи нагрузки I _~. Мощность, выделяемая на нагрузке R_н значительно превосходит мощность постоянного тока I_у в обмотке управления, поскольку в цепь нагрузки включается источник переменного тока большой мощности.

Коэффициент усиления по току МУ определяется соотношением

I~2Rн

К = I _~ / I_у

Коэффициент усиления по мощности

где: R_н - сопротивление нагрузки, R_у - полное сопротивление управляющей цепи.

тогда,

Ток в цепи управления и переменный ток в цепи соотносятся как:

где: n_у – число витков управляющей обмотки,

n_н – число витков нагрузочной обмотки.

Рассматриваемый МУ имеет одну управляющую обмотку и рассчитан на один входной сигнал. Возможно использование нескольких входных сигналов с соответствующим числом управляющих обмоток. В этом случае выходной сигнал будет результатом суммарного действия всех входных сигналов. Выбором числа витков обеспечивается необходимое соотношение коэффициентов усиления К и К_р слагаемых, входящих в суммарный входной сигнал.

МУ обладает следующими достоинствами:

1) Немедленная готовность к работе после включения;

2) Высокая устойчивость к вибрациям и изменениям условий эксплуатации;

3) Способность выдерживать значительные электрические перегрузки;

4)

,

Значительно большие коэффициенты усиления сигналов по току и мощности в одном каскаде, чем у электронных усилителей, которые могут достигать значений до 10⁶ на один каскад;

5) Способность усиливать весьма малые по мощности (10^-12¸10^-16Вт) сигналы;

6) Надежность, большой срок и простота в эксплуатации и обслуживании;

7) Способность преобразовывать сигналы постоянного тока в пропорциональные им сигналы переменного тока без применения дополнительных преобразующих элементов.

Основным недостатком данного усилителя является его инерционность, которая определяется постоянной времени и может достигать при больших коэффициентах усиления значений до секунды и более. Это ухудшает устойчивость и быстродействие автоматических систем.

Исполнительные элементы САУ.

Наиболее часто в качестве исполнительных элементов АС РЛС используются электрические двигатели постоянного и переменного тока.

Двигателем постоянного тока называется электрическая машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию вращения подвижной части двигателя – ротора. Они обладают свойством обратимости, т.е. способны работать и как электродвигатели, и как генераторы, в которых механическая энергия вращения ротора преобразуется в электрическую энергию постоянного тока.

Двигатели и генераторы состоят из двух основных частей:

- ротора – вращающейся части двигателя;

- статора – неподвижной части двигателя.

Принцип действия двигателя постоянного тока основан на вращении проводника с током в виде рамки в магнитном поле. Если по проводнику течет ток, как показано на рисунке 2.57, то на него действует пара сил F₁ и F_2, направление которых определяется по правилу левой руки. Для непрерывного вращения рамки, то есть постоянного действия и неизменной направленности сил F₁ и F₂, применяются контактные щетки Щ₁ и Щ₂ и коллекторные
полукольца К₁ и К₂ якоря. Для изменения направления вращения якоря обычно меняется направление тока в якоре.

Качество электродвигателя характеризуется его вращающим моментом, числом оборотов двигателя, полезной мощностью и коэффициентом полезного действия. Вращающий момент М есть произведение сил, действующих на якорь на его плечо, равное диаметру якоря М = FД

Но сила, или пара сил F₁ и F₂ тем больше, чем больше ток, текущий через якорную обмотку Iя и величина магнитного потока Ф полюсов магнита. Таким образом, чем больше ток якоря и магнитный поток полюсов, тем больше вращающий момент. Момент М тем больше, чем больше механическая нагрузка на валу двигателя при его вращении.

При вращении якоря в магнитном поле в нем начинает индуцироваться ЭДС, направленная против приложенного к обмотке якоря напряжения. Такая ЭДС называется обратной, ее величина прямо пропорциональна магнитному потоку полюсов и числу оборотов якоря в минуту Еобр. = СФn,

где: С – постоянный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности двигателя: число пар полюсов, число витков якоря и другие постоянные величины.

В режиме холостого хода нагрузка на валу якоря отсутствует, величина обратной ЭДС мало отличается от приложенного к двигателю напряжения U, то есть: Еобр» U, тогда U = СФn, а n = U / (С ^. Ф)

Число оборотов якоря в минуту, то есть скорость вращения якоря прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку. Обычно скорость вращения регулируют изменением потока Ф, для чего в цепь возбуждения включают регулировочный реостат. Чем меньше ток в обмотке возбуждения, тем слабее поле полюсов и выше скорость вращения якоря.

Из-за различных механических и электрических потерь мощность на выходе двигателя, называемая полезной, всегда меньше той мощности, которая к нему подводится, на величину мощности потерь, то есть: Рп = Р – Рпотерь, а Р = I U

Коэффициентом полезного действия (h) электродвигателя называется отношение полезной мощности к подводимой. Его значение колеблется для различных двигателей в пределах от 0,7 до 0,85: h= Р_п / Р

Основными представителями двигателей переменного тока являются асинхронные (АД) и синхронные (СД) двигатели. Причем последние обладают известным свойством обратимости, то есть могут работать и в качестве двигателей, и в качестве генераторов. Принцип действия данных двигателей основан на использовании вращающегося магнитного поля, создаваемого в обмотках возбуждения переменными токами. Под действием этого поля начинает вращаться якорь двигателя. Якорь может быть коротко замкнутым или фазным, в котором есть обмотка и контактные кольца.

Наиболее часто в качестве АД используются трехфазные двигатели. На полюсах стального статора помещены три обмотки, смещенные одна относительно другой на 120° (рис. 2.58).

Суммарный магнитный поток будет изменять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора. При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающееся магнитное поле будет увлекать за собой ротор. Изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз. Скорость вращения магнитного поля будет прямо пропорциональна частоте тока в сети (f) и обратно пропорциональна числу пар полюсов статора (Р).

n = (f ^. 60) / P

В АД скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения поля статора. Это объясняется тем, что при выполнении равенства: nст = nр

не будет взаимодействия полей ротора и статора, а значит, вращающийся момент будет равным нулю. ЭДС в обмотке ротора индуцироваться не будет, не будет и тока, например, в короткозамкнутой обмотке ротора.

nст – nр

Ввиду неравенства скоростей вращения магнитного поля статора и ротора такие двигатели называют асинхронными. Отношение скоростей n_ст и n_р характеризуется скольжением, определяемым по формуле

			.100%

Одним из основным достоинств АД является стабильность скорости вращения ротора при изменении характера нагрузки на его валу.

В синхронных двигателях скорость вращения ротора равна скорости магнитного поля статора

nст = nр

Синхронный двигатель состоит из ротора с полюсами, на которые намотана обмотка возбуждения, питающаяся постоянным током. Статор СД подключается к сети трехфазного тока с целью создания вращающегося магнитного поля. Характерная особенность двигателей данного типа состоит в том, что число полюсов статора и ротора должно быть одинаковым.

Принцип действия СД состоит в том, что если раскрутить ротор до скорости вращения поля статора, то полюсы статора начнут увлекать за собой намагниченные полюсы ротора, причем вращающий момент ротор будет иметь только в том случае, когда под северным полюсом статора будет расположен южный полюс ротора, и наоборот (рис.2.59).

Рис. 2.59. Расположение полюсов статора и ротора.

Следовательно, ротор СД должен вращаться со строго постоянной скоростью, равной скорости вращающегося магнитного поля статора. Поэтому такие двигатели называются синхронными.

Особенностью эксплуатации СД является то, что необходимо ввести его в синхронизм, то есть раскрутить предварительно ротор, а затем уже подключать нагрузку. Для введения СД в синхронизм используются посторонние двигатели или производится асинхронный пуск. Его суть заключается в том, что двигатель запускается как асинхронный, а когда выполниться условие nст» nр, то к обмотке ротора подключается источник постоянного тока и электродвигатель входит в состояние синхронизма.

Во всех случаях СД пускается без нагрузки.

Вывод: Рассмотренные элементы автоматических систем РЛС позволяют строить на их основе сложные системы управления разнообразными процессами в современных системах вооружения с требуемыми показателями устойчивости, точности, надежности управления.