Электромашинные усилители

В современных производственных электроустановках широко применяют системы непрерывного автоматического регулирования и управления. Один из основных элементов этой системы — усилитель мощности. Существуют различные типы усилителей: электронные, электромагнитные и электромашинные. Последние представляют собой специальную разновидность электромашинных генераторов, которые приводятся во вращение приводными электродвигателями с п = const. Эти машины позволяют получить при малой мощности управления на выходе достаточно большую мощность за счет мощности, получаемой от приводного двигателя. Одной из основных характеристик электромашинных усилителей (ЭМУ) является коэффициент усиления мощности, равный отношению выходной электрической мощности Р₂ к мощности управления Р_у:

k_y = P₂/P_y. (8.1)

Важное требование к системе регулирования — наименьшее время передачи сигнала управления, но ЭМУ обладает электромагнитной инерцией, обусловленной потоком возбуждения. Быстродействие ЭМУ определяется электромагнитными постоянными времени обмоток:

T = L/R, (8.2)

где L и R — индуктивность и активное сопротивление обмоток управления. С увеличением коэффициента усиления возрастает также и постоянная времени усилителя. Сопоставляют усилители с различным k_y и Т по коэффициенту добротности

k_Д = k_y /Т. (8.3)

и называют их одноступенчатыми. В многоступенчатых усилителях происходит последовательное многократное усиление мощности. По способу возбуждения различают ЭМУ с продольным и поперечным потоком. В усилителях продольного поля основной поток возбуждения направлен по продольной оси машины. Конструктивно одноступенчатый ЭМУ с продольным потоком (рис. 8.1, а) представляет собой генератор параллельного возбуждения, имеющий одну обмотку независимого возбуждения, которую называют обмоткой управления (ОУ). Цепь самовозбуждения ЭМУ с обмоткой самовозбуждения (ОС) в настроенном состоянии имеет сопротивление, равное критическому или несколько превышающее его по условию возникновения процесса самовозбуждения. При этом напряжение на выходе усилителя, как генератора с самовозбуждением, равно нулю, так как вольт-амперная характеристика 2 пересекает характеристику холостого хода 1 в начале координат (рис. 8.1, б). Если в обмотке управления ОУ пропустить некоторый ток I_у, то под действием ее н. с. генератор быстро самовозбудится до точки А характеристики х. х. При этом прямая займет положение 2'.

Рис. 8.1. Схема электромашинного усилителя с продольным полем (а) и его характеристика холостого хода (б)

Электромашинные усилители с поперечным полем самые рас­пространенные, их изготовляют обычно с неявновыраженными полюсами с 2р = 2. В обычной машине постоянного тока поперечная реакция якоря искажает поле главных полюсов и часто нарушает коммутацию, поэтому принимаются меры для ослабления поперечной реакции якоря. В ЭМУ с поперечным полем поперечный поток реакции якоря используется для получения э. д. с. Для этой цели на коллекторе помещают дополнительную пару вертикальных щеток 2, ось которых перпендикулярна оси основных горизонтальных щеток 1 (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Схема соединения обмоток ЭМУ с поперечным потоком

Рис. 8.3. Внешние характеристики ЭМУ

После подачи входных сигналов на обмотки управления токи этих обмоток I_у создают н. с. и поток Ф_у, который действует в направлении поперек оси короткозамкнутых щеток 1. При пересечении этого относительно небольшого потока в обмотке якоря индуктируется э. д. с., под действием которой создается ток I_кз. Это является первой ступенью усиления, что по существу представляет собой генератор независимого возбуждения, работающий в режиме к. з. Ток I_кз создает поперечный поток реакции якоря Ф_q, который направлен вдоль оси горизонтальных щеток 1 и перпенди­кулярно к оси вертикальных щеток 2. Под действием потока Ф_q в обмотке якоря наводится э. д. с., приложенная между щетками 2. Если к этим щеткам подключена нагрузка, то в цепи вертикальных щеток 1 возникает ток нагрузки I. Следовательно, вторая ступень усиления ЭМУ — цепи поперечных и продольных щеток. Ток нагрузки I создает продольный поток реакции якоря Ф_d, направление которого совпадает с осью вертикальных щеток 2 и является встречным по отношению к потоку Ф_у обмотки управления. Если не принять мер по компенсации потока Ф_d, машина окажется размагниченной и неработоспособной. Поэтому в станину ЭМУ обязательно укладывают компенсационную обмотку, поток которой Ф_к направлен навстречу потоку Ф_d. Точную настройку компенсации осущест­вляют реостатом r_к, включенным параллельно компенсационной обмотке. Для улучшения коммутации над вертикальными щетками 2, через которые проходит ток нагрузки I, устанавливаются дополнительные полюсы. Ввиду того, что магнитная цепь усилителя не насыщена, напряжение U является линейной функцией тока нагрузки I, т. е. внешняя характеристика ЭМУ представляет собой прямую линию (рис. 8.3). При недокомпенсации реакции якоря при увеличении нагрузки напряжение усилителя падает (кривая 1). При полной компенсации напряжение ЭМУ изменяется незначительно, только за счет изменения падения напряжения на якоре (кривая 2). При значительной перекомпенсации (кривая 3) возможно самовозбуждение усилителя, т. е. произвольный рост напряжения при постоянстве тока в обмотке управления. Общий коэффициент усиления ЭМУ с поперечным полем находится в пределах , но иногда достигает 100000.