4-5. РЕЛЕЙНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В системах автоматического управления реле широко применяются как усилители мощности, напряжения и тока.

Рис. 4-31. Схема однотактного релейного усилителя.

На рис. 4-31 представлена схема однотактного релейного усилителя с электромагнитным реле.

Рис. 4-32. Статическая характеристика однотактного релейного усилителя.

Статическая характеристика такого усилителя (рис. 4-32) выражает зависимость установившегося тока в нагрузке от установившегося тока в обмотке управления.

Рис. 4-33. Схема двухтактного релейного усилителя.

Схема двухтактного усилителя с поляризованным реле представлена на рис. 4-33. Выходной величиной служит разность токов или напряжений в двух плечах нагрузки Статическая характеристика двухтактного усилителя с двухпозиционным поляризованным реле представлена на рис. 4-34.

Характеристика усилителя с трехпозиционным реле изображена на рис. 4-36. При увеличений тока от нулевого значений контакты остаются разомкнутыми вплоть до значения При происходит замыкание контакта и на выходе напряжение скачком достигает предельного значения. Дальнейшее увеличение тока не вызывает изменения выходного сигнала. При уменьшении тока размыкание контактов происходит тогда, когда Аналитически эти характеристики могут быть записаны так:

где разрывная функция, график которой приведен на рис. 4-34 или 4-35.

Рис. 4-34. Статическая характеристика усилителя с двухпозиционным поляризованным реле.

Рис. 4-35. Статическая характеристика усилителя с трехпозиционным реле.

Значительно труднее записать уравнение релейного усилителя, т. е. соотношение входной и выходной величин, справедливое не только для установившегося режима, но и для любых переходных процессов. На примере электромагнитного реле мы видели, что динамика процессов работы реле сложна. Обычно при описании динамических свойств релейных усилителей при их работе в комплексе элементов системы автоматического регулирования ограничиваются учетом запаздывания, равного времени срабатывания реле, причем это время считают постоянным. Такое описание динамических свойств реле грубо приближенно. B действительности время срабатывания зависит от величины входного напряжения. Время отпускания в общем случае не равно времени срабатывания. Однако учет постоянного запаздывания, равного некоторому среднему времени срабатывания, часто оказывается единственно приемлемым по условиям аналитического исследования сложного процесса регулирования.

Если динамические свойства релейного усилителя описать с помощью постоянного запаздывания, то уравнение этого усилителя будет:

где время срабатывания. Это уравнение означает, что в каждый данный момент времени выходная величина равна известной разрывной функции входной величины, взятой в момент времени

Приближенное уравнение (4-51) не отражает свойств усилителя при воспроизведении быстроменяющихся сигналов. Согласно этому уравнению периодический входной сигнал сколь угодно высокой частоты вызовет срабатывание реле и создаст периодический сигнал на выходе. В действительности срабатывания реле не происходит, если период напряжения на обмотке меньше времени срабатывания — релейный усилитель имеет определенный верхний предел пропускаемых частот.

Релейные усилители обладают большим усилением по мощности. Особенно велико усиление мощности в поляризованных и магнитоэлектрических реле. Понятие коэффициента усиления по мощности для релейных усилителей не является строго определенным: отношение мощности сигнала на выходе к мощности входного сигнала зависит от режима работы и меняется в широких пределах. Все же определенный смысл в применении этого понятия имеется, на что указывают следующие соображения. Необходимое контактное давление зависит от величины тока в цепи контактов. Можно считать, что необходимое давление пропорционально току

Необходимое расстояние между контактами в разомкнутом состоянии пропорционально напряжению в размыкаемой цепи.

Таким образом, работа, совершаемая при срабатывании реле, равная пропорциональна мощности в управляемой цепи.

Работа совершается за счет потребления энергии из цепи управления. Если мощность, расходуемую в цепи управления, обозначить через время срабатывания — через выражающий долю энергии, превращаемую в механическую работу, — через то

Итак,

где коэффициент усиления по мощности. Важным в этом соотношении является то, что коэффициент усиления по мощности оказывается пропорциональным времени срабатывания: медленно действующие реле при прочих равных условиях могут иметь больший коэффициент усиления, чем быстро действующие. Подобную закономерность мы наблюдали при рассмотрении магнитных и электромашинных усилителей. Коэффициент может достигать для электромагнитных реле сек, для поляризованных — сек, магнитоэлектрических сек.

Итак, одним из достоинств релейных усилителей является большой коэффициент усиления по мощности. Другим достоинством является значительная выходная мощность. Для усилителей с магнитоэлектрическим реле выходная мощность составляет для усилителей с поляризованными реле при удачно подобранных схемах искрогашения выходная мощность может достигать Мощность в цепях, управляемых электромагнитными реле-контакторами, достигает иногда десятков киловатт и выше. Это имеет место при простой конструкции, малых габаритах и весе реле. По значению мощности, приходящейся на единицу веса, релейные усилители превосходят все другие виды усилительных устройств.

Указанные свойства определили широкое распространение релейных усилителей в системах автоматического управления. Наряду с этим релейные усилители имеют существенные недостатки. К числу недостатков относится наличие контактов. Ограниченный срок службы контактов, возможность отказов, зависимость условий возникновения искрового и дугового разрядов от давления, температуры и степени ионизации окружающей среды усложняют техническое

обслуживание и понижают надежность системы.

Релейный усилитель обладает относительно высоким уровнем собственных шумов. Шумы релейного усилителя можно разделить на низкочастотные и высокочастотные. Низкочастотные шумы, имеющие характер дрейфа нуля, создаются различием времен и ампер-витков срабатывания и отпускания в различных направлениях. Высокочастотные составляющие шумов обусловлены электрическими процессами, возникающими при размыкании и замыкании контактов, а также механическими вибрационными воздействиями на якорь реле. Если корпус реле имеет поступательное ускорение х, то за счет неполной балансировки якоря на него действует момент, пропорциональный х. Этот момент можно выразить в виде приращения м. д. с. управляющей обмотки. Влияние вибрационных воздействий также можно представить в виде дополнительной составляющей тока в обмотке управления. Частотный спектр этой составляющей полностью определяется частотным спектром ускорений.

а) Структурная схема релейного усилителя

Согласно уравнению (4-51), которое можно записать так:

структурную схему релейного усилителя без учета шума представляем в виде последовательного соединения двух звеньев — запаздывающего и нелинейного безынерционного звена (рис. 4-36). Эта схема приближенно соответствует динамическим свойствам релейного усилителя в диапазоне частот

Рис. 4-36. Структурная схема релейного усилителя.

Нелинейное безынерционное звено в структурной схеме двухтактного релейного усилителя имеет характеристику вида рис. 4-34 или 4-35. Эта характеристика обычно изображается на схеме.

Применение элементов с разрывными характеристиками во многих системах автоматического управления сопряжено с появлением автоколебаний значительной амплитуды. Для изменения характеристик релейных усилителей применяется так называемая вибрационная линеаризация.