РЕГУЛИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА
Построение схемы автоматического регулирующего устройства рассматривается на простейшем примере поддержания постоянства напряжения трехфазного синхронного генератора при изменении нагрузки. На рис. 15-3 показан генератор 1, напряжение которого U следует поддерживать постоянным.
Машина или аппарат, который подвергается регулированию, называется регулируемым объектом. В данном случае это генератор 1. Физическая величина, которая подвергается регулированию, называется регулируемым параметром. Это будет напряжение U. Напряжение изменяется под воздействием тока I.
Внешнее воздействие, под влиянием которого изменяется регулируемый параметр, называется возмущающим воздействием.
Рис. 15-4. Структурная схема ручного регулирования напряжения генератора.
Когда напряжение регулирует рабочий, он получает информацию об изменении напряжения от датчика сигналов, каковым является в данном случае вольтметр 2. Сравнив показания вольтметра с заданной величиной напряжения, рабочий изменяет величину сопротивления реостата возбуждения 5 и тем воздействует на генератор, восстанавливая прежнюю величину напряжения.
Для установления назначения и взаимной связи отдельных элементов регулирующего устройства пользуются условными схемами, называемыми структурными.
Структурная схема регулирования напряжения генератора показана на рис. 15-4. Возмущающее воздействие В, т. е. ток, изменяет регулируемый параметр U регулируемого объекта 1, т. е. генератора. Последовательность воздействия показана стрелками. Генератор через датчик 2, т. е. вольтметр, передает сигнал об изменении напряжения рабочему 3—4. Рабочий, изменяя сопротивление 5, воздействует на регулируемый объект 1.
Следует обратить внимание на то обстоятельство, что последовательная цепь воздействий на рис. 15-4 образует
замкнутый контур, т. е. от генератора 1обратно к генератору 1. Такая связь конечного элемента цепи с начальным носит название обратной связи. Показанную на рис. 15-4 обратную связь можно назвать основной, в отличие от дополнительных обратных связей, которые можно делать в схемах и о которых сказано будет ниже.
На рис. 15-5 показана схема автоматического регулирования напряжения генератора в том случае, если человек совершенно устранен от процесса регулирования.
Рис. 15-3. Схема ручного регулирования напряжения генератора.
Возмущающее воздействие В изменяет регулируемый параметр U регулируемого объекта 1. Последний передает сигнал об изменении U элементу схемы 2. Тот элемент, которому передается сигнал об изменении регулируемого параметра, называется измерительным элементом. Он сравнивает значение параметра с заданным значением, вырабатывает сигнал по разнице значений и передает его следующим элементам схемы. В измерительном элементе должна быть предусмотрена возможность настройки (Н), так как значения регулируемого параметра могут быть заданы разными.
Во многих случаях сигнал, переданный измерительным элементом следующим элементам схемы, желательно преобразовать: например сигнал постоянного тока — в сигнал переменного тока. Поэтому элемент 3 схемы, который преобразовывает один вид сигнала в другой, называется преобразующим элементом.
Рис. 15-5. Структурная схема автоматического регулирования напряжения генератора.
Очень часто полученный элементом 3 сигнал очень слаб и недостаточен для приведения в действие следующих элементов схемы. Тогда в элементе 3 предусматривается дополнительный ввод энергии (У). В этом случае элемент схемы, преобразующий и одновременно усиливающий сигнал, называется усилительным элементом.
Теперь сигнал должен быть передан следующему элементу схемы 4, который будет исполнять сигнал, например перемещать ручку регулировочного реостата в схеме. Это может быть двигатель любой системы. Элемент схемы, выполняющий действие под влиянием сигнала, называется исполнительным элементом. Последний элемент 5, воздействующий на регулируемый объект 1, называется регулирующим элементом. Это будет регулировочный реостат в цепи возбуждения генератора.
Показанная на рис. 15-5 схема является только примерной.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА
На рис. 15-6 представлен синхронный генератор 1, обмотка возбуждения 2 которого питается от возбудителя 3. Обмотка возбуждения возбудителя 4 присоединена к зажимам якоря возбудителя последовательно с реостатом— угольным столбиком 5, набранным из тонких, угольных шайб. Сила растянутой пружины 6 поворачивает рычаг 7 вокруг неподвижной опоры и при помощи штыря 8,проходящего сквозь угольные шайбы, сжимает эти шайбы, уменьшая сопротивление столбика 5. С другой стороны, электромагнит 9, притягивая конец рычага 7, поднимает штырь 8 и, ослабляя давление на столбик 5, увеличивает его сопротивление. Обмотка электромагнита 9 питается от селенового выпрямителя 10 выпрямленным током генератора 1. Настройка автоматического регулятора для поддержания заданного напряжения генератора производится изменением сопротивления 11.
При увеличении напряжения генератора под влиянием уменьшения нагрузки ток в обмотке электромагнита 9 увеличивается, сила давления на столбик 5 уменьшается, сопротивление его возрастает и ток возбуждения возбудителя 3 уменьшается. Как следствие этого, уменьшается ток в обмотке возбуждения 2 генератора и напряжение его падает, приближаясь к исходному.
Рис. 15-6. Схема автоматического регулирования напряжения генератора.
Наоборот, при уменьшении напряжения генератора регулятор стремится его повысить.
Структурная схема регулятора, соответственно рис. 15-6, показана на рис. 15-7. На обеих схемах регулируемый объект — генератор 1, регулируемый параметр — напряжение генератора U, измерительный элемент — выпрямитель 10, электромагнит 9 и пружина 6,регулирующий элемент — угольный столбик 5. Настройка производится изменением сопротивления 11.Возбудитель 3, 4 и реостат 12 относятся к регулируемому объекту.
Системы, аналогичные рассмотренным на рис. 15-6, называются системами прямого действия, так как измерительный элемент 10—9—6 действует непосредственно (прямо) на регулирующий элемент 5. Применяются они тогда, когда усилие, развиваемое сигналом измерительного элемента, достаточно для приведения в действие регулирующего элемента.
Когда под влиянием возмущающего воздействия напряжение генератора меняется, то получается разность между напряжением генератора и его номинальным значением. Эта разность называется рассогласованием системы. Регулятор должен свести эту разность к нулю, т. е. напряжение должно оставаться постоянным. Поэтому системы регулирования, действующие подобно представленной на рис. 15-6, называются системами регулирования постоянного параметра.
Рис. 15-7. Структурная схема регулирования соответственно рис. 15-6.
Однако система автоматического регулирования прямого действия не в состоянии возвратить изменившуюся под влиянием нагрузки величину напряжения точно к исходному значению. Действительно, если, например, при уменьшении тока генератора напряжение возросло, то для поддержания напряжения неизменным ток возбуждения должен быть уменьшен. Значит, при новой, меньшей нагрузке автомат устанавливает меньший ток возбуждения, чем до начала регулирования. Для этого сопротивление столбика 5 (рис. 15-6) должно быть больше, а суммарное давление на столбике меньше. Это возможно только при большем тяговом усилии обмотки электромагнита 9. Но усилие, развиваемое электромагнитом, пропорционально приложенному к его обмотке напряжению. Следовательно, напряжение генератора, по окончании режима регулирования, будет несколько больше, чем до начала регулирования.
Таким же образом, при увеличении нагрузки автомат повышает упавшее напряжение до величины несколько меньшей, чем до начала регулирования.
Системы, регулирующие по этому принципу, называются статическими. В них под влиянием возмущения регулируемый параметр не сохраняет точно постоянную величину, а принимает некоторые значения в заранее заданных пределах.
Если, например, при изменении тока от Iмин до Iмакс напряжение меняется в пределах от Uмакс до Uмин,то отношение
δ = (Uмакс— Uмин)/Uн
называют статизмом. Чем меньше статизм, тем точнее регулятор поддерживает заданное напряжение.
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
При автоматическом регулировании, помимо статизма, обнаруживается еще один отрицательный фактор. На рис. 15-8, а показана диаграмма внезапного уменьшения тока генератора с величины I1 до величины I2. При этом напряжение U1 (рис. 15-8, б) в результате статизма регулятора, в конечном счете устанавливается, равные U2 > U1 Однако, кроме того, оно принимает величину U2 не сразу, а после некоторого числа колебаний, которые при неудачной конструкции регулятора могут иметь недопустимую амплитуду и длительность. Эти колебания обусловлены механической и электромагнитной инерцией всех частей устройства, входящих в систему регулирования.
Поэтому в автоматических регуляторах предусматриваются меры, которые, не увеличивая статизм устройства, возможно быстро подавляли бы эти колебания. Одной из таких мер является обратная связь регулирующих устройств.
На рис. 15-9 представлено изменение структурной схемы рис. 15-7. На нем, кроме основной обратной связи между регулирующим элементом 5 и регулируемым объектом 7, введена дополнительная обратная связь ОС между измерительным элементом 10-9-6 и регулируемым объектом При автоматическом регулировании под обратной связью обычно понимают только эту дополнительную обратную связь.
Обратной связью называют воздействие, пропорциональное выходному сигналу или скорости изменения сигнала любого элемента схемы, передаваемое любому предыдущему элементу так, что образуется дополнительный замкнутый контур.
Воздействуя на регулируемый объект по более короткому пути, обратная связь увеличивает скорость отработки схемы, т. е. быстродействие уменьшает первоначальный бросок напряжения и быстро подавляет его колебания.
Рис. 15-9. Структурная схема регулирования при наличии обратной связи.
Обратные связи существуют не только в создаваемых человеком механизмах, они действуют во всех живых организмах природы и в организме человека. Нарушение обратных связей в организме вследствие каких-либо
причин ведет к нарушению жизнедеятельности организма.
Один из способов осуществления обратной связи показан на рис. 15-10. Она осуществлена, согласно схеме рис. 15-9, между измерительным элементом 10—9—6 и регулируемым объектом. Связь состоит из добавочной обмотки обратной связи 13 в электромагните и трансформатора обратной связи 14. Первичная обмотка трансформатора приключена к зажимам возбудителя, а вторичная — к обмотке 13. Сопротивление 15 служит для настройки обратной связи.
Рис. 15-10. Регулятор напряжения с обратной связью.
Когда напряжение U генератора постоянно, то напряжение возбудителя тоже неизменно и в первичной, обмотке трансформатора 13 проходит постоянный ток. Во вторичной обмотке трансформатора и обмотке 13 тока не создается. Если напряжение генератора стало возрастать, то, как показано ранее, напряжение возбудителя начинает уменьшаться и в первичной обмотке трансформатора ток начинает изменяться. Как следствие этого, возникает ток во вторичной обмотке трансформатора и в обмотке электромагнита 13.
Обмотки 9 и 13 намотаны так, что тяговые усилия их складываются и поэтому давление на столбик 5 уменьшается быстрее, чем без обратной связи. В связи с этим напряжение возбудителя и ток в обмотке возбуждения 2 генератора падают быстрее и первоначальный бросок напряжения меньше. Колебаний напряжения почти не происходит и график изменения его (рис. 15-8, б) представляет апериодическую кривую, показанную пунктиром. Таким образом, регулятор быстрее реагирует на изменение режима.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОМАШИННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Электромашинные усилители (ЭМУ)находят большое применение в замкнутых схемах автоматического регулирования. В данном случае на рис. 15-11 показано применение ЭМУ для автоматического регулирования напряжения генератора. Якорь генератора постоянного тока 1 приводится во вращение первичным двигателем, не показанные на рисунке. Обмотка возбуждения генератора 2 включена на зажимы ЭМУ 3, приводимого своим асинхронным двигателем 4. Обмотка возбуждения ЭМУ 5 питается от источника постоянного тока через регулирующее сопротивление 6. Эта обмотка называется в данном случае задающей, так как, регулируя ток, изменением сопротивления 6 можно изменять токи якоря ЭМУ и обмотки возбуждения генератора 2, а значит, и его напряжение.
Рис. 15-11. Регулирование напряжения генератора при помощи ЭМУ
Вторая обмотка ЭМУ 7, называемая обмоткой управления, присоединяется на зажимы якоря генератора. Намагничивающие силы обмоток 5 и 7 направлены встречно и таким образом результирующая н. с. Fp = F5 — F7 Если напряжение генератора падает, то уменьшается ток в обмотке управления 7, а результирующая н.с. возрастает .
Ток в обмотке возбуждения 2 увеличивается и напряжение генератора возрастает до величины, близкой к первоначальной. Если напряжение генератора возрастает, то регулятор снижает его акже до величины, близкой к исходной.
В данном случае обмотка 7 осуществляет обратную связь по напряжению между выходной величиной — напряжением U и входной величиной — током возбуждения (Iв). Эта обратная связь называется отрицательной, так как
уменьшение выходной величины вызывает увеличение входной величины и обратно. Легко видеть, что на схеме, представленной на рис. 15-10, обратная связь была также отрицательной. Исключительно большое применение в различных схемах регулирования отрицательных обратных связей объясняется способностью таких схем к саморегулированию.
СТАБИЛИЗАЦИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
На рис. 15-12 показана схема енератор-двигатель (ГД). Якорь генератора 1 и якорь ЭМУ 2 приводится во вращение асинхронными двигателями. Тахогенератор 3 механически связан с якорем двигателя постоянного тока 4, приводящего во вращение машину-орудие. Ток в обмотку возбуждения двигателя 5 поступает от сети с постоянным напряжением, а обмотка возбуждения генератора 6 подключена к той же сети последовательно с якорем ЭМУ 2.
Обмотка управления ЭМУ 7 совмещает в этой схеме функции задающей обмотки и обмотки обратной связи по скорости, так как ее ток определяется напряжением, снимаемым делителя 8 и э. д. с. тахогенератора 3. Таким образом,
Е7 = U8 — E3
Рис. 15-12. Схема стабилизации скорости вращения двигателя постоянного тока.
Схема настроена так, что при нормальной скорости вращения якоря двигателя 4 напряжение U8 = Е3, а напряжение на обмотке возбуждения ЭМУ равно нулю. Если скорость понизилась, то Е3 < U8,возбудившийся ЭМУ пошлет дополнительный ток в обмотку возбуждения генератора 6 и скорость двигателя возрастет. При повышении скорости двигателя явления протекают в обратном порядке. Произвольное регулирование скорости двигателя 4 осуществляется перемещением движка потенциометра 8.
СИНХРОННО СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД
К автоматическим устройствам относятся так называемые следящие системы. Если нужно следить за какой-либо физической величиной, изменяющейся по закону, который заранее невозможно предвидеть, то создается система непрерывно и точно «следящая» за изменением этой величины и производящая действия в зависимости от изменения физической величины. Такая система называется следящей.
Сельсины применяются в следящих системах. За углом поворота сельсина-датчика непрерывно следит сельсин-приемник и выполняет поворот на тот же угол. Однако, когда для отработки угла поворота требуется большое усилие, схема, представленная на рис. 12-25, непригодна.
Упрощенная схема следящего устройства с использованием сельсинов показана на рис. 15-13. Сельсин-датчик, статор которого присоединен к сети переменного тока, не входит в систему регулирования, а принадлежит к так называемому задающему устройству (ЗУ), по заданию которого схема приходит в действие. Ротор этого сельсина электрически соединен с ротором сельсина-приемника 1, являющегося измерительным элементом схемы, механически связанным с регулируемым объектом 5.
Рис. 15-13. Схема работы следящего устройства.
Статор сельсина-приемника, в отличие от показанного на рис. 12-25 присоединен не к сети переменного тока, а к усилительному устройству 2 и представляет собой вторичную обмотку трансформатора, первичной обмоткой которого является обмотка ротора.
Усилительное устройство питает управляющую обмотку двухфазного исполнительного двигателя переменного тока 3, вторая обмотка которого присоединена к сети. При помощи редуктора 4 исполнительный двигатель механически связан с объектом регулирования 5. Структурная схема устройства показана на рис. 15-14.
Если задающее устройство ЗУ поворачивает ротор сельсина-датчика, то благодаря углу рассогласования ϴ обмотка ротора-приемника 1 обтекается током. Сигнал, после усиления усилителем 2, поступает в управляющую обмотку исполнительного двигателя 3 и последний при помощи редуктора 4 поворачивает регулируемый объект 5, а вместе с ним и ротор сельсина-приемника 1 до отработки угла рассогласования ϴ. Таким образом, происходит непрерывная отработка угла ϴ.
Рис. 15-14. Структурная схема со ответственно рис. 15-13.
На рис.15-15 показана электромеханическая следящая система, которая преобразует сигнал, полученный в виде входного напряжения Uвх, в угол поворота вала.
В этой схеме на усилитель 1 подается разность напряжений ∆U входного напряжения Uвх и напряжения Uд, получаемого от делителя напряжения 2, приключенного к сети со стабилизированным напряжением Uс, т. е. ∆U = Uвх — Uд. Это напряжение подается на входные зажимы усилителя 1, которое после усиления подводится к зажимам исполнительного двигателя 3,перемещающего движок делителя 4.
Если Uвх = Uд, то ∆U = 0 и двигатель неподвижен. В это время угол поворота пропорционален входному напряжению. Применяемый здесь делитель — линейный и его напряжение пропорционально перемещению движка 4, т. е. углу поворота вала двигателя.
Когда Uвх изменится, то появится напряжение ∆U и двигатель, вращаясь, переместит движок в новое положение, при котором опять ∆U = 0. Новый угол поворота пропорционален новому входному напряжению.
При непрерывном изменении Uвх двигатель непрерывно следит за изменением сигнала, поворачиваясь на пропорциональную сигналу величину. Сигнал Uвх получается от вычислительного устройства, наблюдающего за перемещением, например самолета, ракеты и др., а следящая система наводит на цель средства обороны.
Рис. 15-15. Преобразование сигнала следящей системой.
Статья на тему Регулирование трансформатора