в) Двухкаскадный электромашинный усилитель с поперечным полем

Широкое применение в системах автоматического управления получили электромашинные усилители с поперечным полем. -

В электромашинных усилителях с поперечным полем два каскада усиления конструктивно объединены в одноякорном генераторе, причем полем возбуждения второго каскада служит поперечное поле якоря. Двухполюсная машина имеет две пары щеток, из которых одна пара (щетки 1—1, рис. 4-16) расположена по продольной оси, а вторая пара (щетки 3—3) замкнута накоротко. Усилитель имеет обмотку управления 4 и так называемую компенсационную обмотку 2. Полюсные башмаки электромашинных усилителей делаются широкими, охватывающими большую часть дуги якоря.

Рис. 4-16. Схема электромашинного усилителя с поперечным полем.

Это уменьшает магнитное сопротивление на пути поперечного потока.

Электромашинный усилитель с поперечным полем работает следующим образом. При поступлении сигнала в обмотку управления 4 возникает поле возбуждения, направленное по продольной оси машины. Электродвижущая сила, наводимая в обмотке якоря за счет этого поля, вызывает ток в цепи короткозамкнутых щеток 3. Несмотря на обычно малую величину потока возбуждения, ток в цепи коротко замкнутых щеток получается значительным из-за усиления по мощности в этом первом каскаде машины и малого сопротивления указанной цепи.

Ток, протекающий по цепи короткозамкнутых щеток, создает магнитный поток направленный по поперечной оси машины. Этот поперечный магнитный поток машины замыкается через полюсные наконечники, как показано пунктиром на рис. 4-16. Поперечный поток служит как бы потоком возбуждения для продольной цепи машины.

Электродвижущая сила, наведенная потоком в якорной обмотке, снимается щетками 1. К щеткам 1 подключена нагрузка усилителя. (При протекании тока по цепи щеток возникает поток реакции якоря, направленный по продольной оси машины. Вычитаясь из потока управляющей обмотки 4, он создает глубокую отрицательную обратную связь, охватывающую оба каскада усиления. При этом коэффициент усиления электромашинного

усилителя весьма мал. Чтобы обеспечить значительный коэффициент усиления, отрицательную обратную связь компенсируют положительной обратной связью с помощью обмотки 2. Потоки обмоток 2 направлены противоположно продольному потоку якоря и при точной компенсации суммарный поток равен нулю. Для обеспечения компенсации служит регулировочное сопротивление 5.

Вид статической характеристики усилителя с поперечным, полем подобен характеристике однокаскадного электромашинного усилителя (рис. 4-15) с тем, разумеется, отличием, что усиление по напряжению и мощности в двухкаскадном усилителе во много раз выше, чем в однокаскадном.

Выведем передаточные уравнения электромашинного усилителя с поперечным полем, пренебрегая насыщением и рассеянием магнитных потоков. Для простоты компенсационную обмотку, шунтированную сопротивлением 5, заменим некоторой эквивалентной последовательно включенной в цепь нагрузки обмоткой с числом витков, соответствующим равенству установившихся потоков реальной и эквивалентной обмоток.

Уравнение напряжений в цепи управляющей обмотки имеет вид:

здесь коэффициент взаимоиндукции управляющей обмотки с продольной цепью машины; коэффициент, характер ризующий влияние изменения тока коммутируемых секций; ток в продольной цепи — цепи нагрузки; ток в поперечной цепи машины.

Уравнение напряжений в поперечной цепи запишем в виде:

где потокосцепление якоря с полем управляющей обмотки и полем продольной цепи, создаваемым компенсационной обмоткой и реакцией якоря; коэффициент, учитывающий влияние потока коммутируемых секций.

У равнение напряжений в продольной цепи имеет форму

где сопротивление и индуктивность продольной цепи. В этом уравнении мы пренебрегли весьма малой э. д. с., наводимой в продольной цепи переменным потоком обмотки управления. Алгебраическими преобразованиями эти уравнения можно привести к виду:

где

Четырехполюсник является активным и величина равна:

В соответствии, с этим передаточная функция для напряжений

нагруженного электромашинного усилителя имеет вид:

Если нагрузка отсутствует и влияние изменения поля коммутируемых секций пренебрежимо мало то

где

т. е. ненагруженный электромашинный усилитель в этих условиях имеет передаточную функцию, соответствующую последовательному соединению двух инерционных звеньев. Эту передаточную функцию можно записать сразу, пользуясь эквивалентной схемой электромашинного усилителя с поперечным полем (рис. 4-17).

Рис. 4-17. Эквивалентная схема ЭМУ с поперечным полем без учета влияния коммутируемых секций.

На этой схеме, составленной без учета влияния коммутируемых секций, обмотка 1 соответствует управляющей обмотке, а обмотки 2 и 3 соответствуют действию поля реакции якоря и компенсационной обмотки (при цепь обмоток 2, 3 разорвана). Влияние коммутируемых секций на ненагруженный электромашииный усилитель сводится согласно (4-34) к добавлению члена в знаменателе. При этом

где

Таким образом, поле коммутируемых секций при холостом ходе электромашинного усилителя создает положительную скоростную обратную связь (связь по производной выходной величины). Одновременно влияние коммутируемых секций сказывается в уменьшении так как

Оба эти воздействия форсируют начальный этап переходного процесса в машине. За счет уменьшается, однако, коэффициент усиления машины

При идеальной компенсации и передаточная функция нагруженного усилителя имеет вид:

т. е. при полной компенсации поля реакции якоря полем компенсационной обмотки передаточная функция нагруженного усилителя равна произведению передаточной функции при холостом ходе на передаточную функцию выходной цепи. Так и должно быть, так как при электромашинный усилитель представляет собой элемент однонаправленного действия. Пользуясь формулами

и выражениями (4-33), легко определить характеристическое и внутреннее сопротивления электромашинного усилителя со стороны выхода и раскрыть условие максимального усиления по мощности и максимальной активной мощности в нагрузке