2. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ УСИЛИТЕЛИ С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ И С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ

ЭМУ с независимым возбуждением. Простейшим типом ЭМУ является ЭМУ с независимым возбуждением, в качестве которого может быть использован генератор постоянного тока обычного исполнения.

Принципиальная схема ЭМУ с независимым возбуждением приведена на рис. VI. 1. Это двухполюсная машина постоянного тока, статорная обмотка которой используется в качестве обмотки управления, а ротор вращается от приводного электродвигателя с постоянной скоростью При подаче на обмотку управления напряжения по обмотке протекает ток . В генераторе создается магнитный поток . В обмотках ротора наводится э. д. с., максимум которой евых снимается со щеток, расположенных по поперечной оси. Э. д. с. является выходной величиной ЭМУ.

На рис. VI.2. приведена характеристика холостого хода ЭМУ с независимым возбуждением, представляющая собой зависимость э. д. с. на выходе Евых от напряжения на управляющей обмотке в установившемся состоянии. При этом гистерезисная петля характеристики холостого хода ЭМУ заменена кривой средних значений э. д. с. при прямом и обратном намагничивании и не учтена также нелинейность характеристики холостого хода при малых значениях

Рис. VI. 1. Принципиальная схема ЭМУ с независимым возбуждением

Рис. VI.2. Характеристика холостого хода ЭМУ с независимым возбуждением

При принятых упрощениях характеристика холостого хода на некотором интервале является линейной. Номинальная величина напряжения устанавливается так, что

и в этом случае можно принять

где — установившееся значение напряжения на выходе ЭМУ (э. д. с. на щетках ЭМУ);

— ток в цепи управления;

— скорость вращения якоря;

— коэффициент взаимной индукции между обмоткой управления и цепью якоря; — активное сопротивление цепи управления.

Величина передаточного коэффициента усилителя, как это следует из формулы (VI.2),

Передаточную функцию ЭМУ с независимым возбуждением можно определить, записав уравнения, устанавливающие зависимость выходной величины усилителя от входной величины. В этой зависимости должно найти свое отражение явление гистерезиса,

вихревые токи в железных частях машины, реакция якоря, коммутационные токи и сдвиг щеток с магнитной нейтрали. Существенное влияние будет оказывать также и то, какую нагрузку имеет ЭМУ, т. е. чисто активную, индуктивную, емкостную или их определенные комбинации.

Рассмотрим динамические характеристики ЭМУ с независимым возбуждением. При этом будет рассматривать так называемый идеальный ЭМУ, у которого отсутствуют вихревые и коммутационные токи и явление гистерезиса, а магнитная система настолько ненасыщена, что зависимость между магнитными потоками и наводимыми ими э. д. с. линейна.

Для случая холостого хода, т. е. когда нагрузка ЭМУ отключена (рис. VI. 1), справедливы следующие уравнения:

где — соответственно напряжение, ток, активное сопротивление и коэффициент индуктивности обмотки управления ЭМУ.

Рис. VI.3. Схема соединения ЭМУ и исполнительного электродвигателя постоянного тока при управлении со стороны якоря

Передаточная функция идеального ЭМУ при холостом ходе имеет вид

где

В случае нагруженного ЭМУ справедливы как уравнения (VI.4), так и уравнение

где — соответственно ток и напряжение нагрузки;

— соответственно активное сопротивление и коэффициент индуктивности якорной цепи ЭМУ.

В частном случае, когда нагрузкой ЭМУ является электродвигатель постоянного тока (рис. VI.3), справедливы уравнения

где соответственно активное сопротивление, коэффициент индуктивности и угол поворота вала исполнительного электродвигателя;

— коэффициент противо-э. д. с. электродвигателя;

— коэффициент пропорциональности между током и моментом, развиваемым электродвигателем;

— момент инерции вращающихся масс электродвигателя (нагрузка предполагается чисто инерционной).

Передаточная функция нагруженного идеального ЭМУ с независимым возбуждением имеет вид

где — соответственно электрическая и электромеханическая постоянные времени цепи якоря

— передаточный коэффициент ЭМУ — электродвигатель,

Для увеличения передаточного коэффициента и уменьшения постоянной времени ЭМУ с независимым возбуждением производят следующее:

1) магнитные системы ЭМУ выполняют шихтованными из листовой стали;

2) снижают число витков в секциях якоря (увеличивают число коллекторных пластин);

3) уменьшают отношение длины якоря к его диаметру.

Перечисленные мероприятия ослабляют демпфирующее действие вихревых токов и уменьшают э. д. с. в коммутирующих секциях якоря ЭМУ. Помимо этого, ЭМУ с независимым возбуждением имеет еще дополнительные полюса и обмотки, улучшающие коммутацию. И, наконец, ЭМУ работает обычно в таком режиме, что магнитная система является ненасыщенной.

Но даже с учетом всех этих мероприятий передаточный коэффициент по мощности такого ЭМУ равен лишь 20—100, а постоянная времени все так же велика.

ЭМУ с самовозбуждением. Усилители с самовозбуждением позволяют получить значительно большие коэффициенты усиления, нежели это возможно в случае ЭМУ с независимым возбуждением.

По принципу устройства и работы ЭМУ с самовозбуждением аналогичен генератору постоянного тока с самовозбуждением обычного исполнения. Отличается он от него по тем же самым признакам, по каким отличается ЭМУ с независимым возбуждением от генератора постоянного тока обычного исполнения,

В ЭМУ с самовозбуждением обмотка самовозбуждения по отношению к нагрузке ЭМУ может быть включена параллельно, последовательно и иметь смешанное включение.

На рис. VI.4, VI.5, VI.6 приведены принципиальные схемы ЭМУ с параллельным, последовательным и смешанным включением обмоток самовозбуждения ЭМУ. По принципу работы все три ЭМУ с самовозбуждением одинаковы. Каждый из усилителей имеет цепь положительной обратной связи, за счет чего и удается получить сравнительно высокие коэффициенты усиления.

Рис. VI.4. Схема ЭМУ с параллельным включением обмотки самовозбуждения

Рис. VI. 5. Схема ЭМУ с последовательным включением обмотки самовозбуждения

Рис. VI.6. Схема ЭМУ со смешанным включением обмоток самовозбуждения

Рассмотрим режим холостого хода. Вполне очевидно, что ЭМУ с последовательным самовозбуждением в режиме холостого хода идентичен ЭМУ с независимым возбуждением. Поэтому передаточная функция, величина передаточного коэффициента и постоянная времени ЭМУ с последовательным самовозбуждением будет определяться согласно уравнениям, полученным ранее для ЭМУ с независимым возбуждением.

В режиме холостого хода ЭМУ с параллельным самовозбуждением и ЭМУ со смешанным самовозбуждением идентичны. Для них справедлива следующая система уравнений (рассматривается идеальный ЭМУ):

где — соответственно активное сопротивление и постоянная времени цепи якоря

— индуктивность обмотки самовозбуждения;

— э. д. с., наводимая в цепи якоря;

— коэффициенты взаимной индукции между обмотками: управления и самовозбуждения, управления и якоря, самовозбуждения и якоря соответственно.

На рис. VI.7 приведена структурная схема ЭМУ с параллельным (а также и со смешанным) самовозбуждением в режиме холостого хода.

Рис. VI.7. Структурная схема ЭМУ с параллельным самовозбуждением в режиме холостого хода

Если за выходной параметр выбрать э. д. с. евых, наводимую в якорной цепи ЭМУ, то передаточная функция ЭМУ с параллельным и смешанным самовозбуждением в режиме холостого хода

где

— передаточный коэффициент ЭМУ на участке обмотка самовозбуждения — обмотка якоря,

остальные обозначения соответствуют ранее принятым.

Из полученных соотношений убеждаемся в том, что при приближении величины передаточного коэффициента к единице величина передаточного коэффициента ЭМУ с параллельным самовозбуждением, работающего в режиме холостого хода, неограниченно возрастает. При этом также неограниченно возрастают и постоянные времени.

При наличии нагрузки (электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением) процессы, имеющие место в системе идеальной ЭМУ с параллельным самовозбуждением — электродвигатель, можно исследовать, решив следующую систему уравнений (рис. VI.4):

где

— соответственно коэффициент индуктивности и активное сопротивление обмотки самовозбуждения; остальные обозначения соответствуют ранее принятым.

Выражение для передаточной функции нагруженного идеального ЭМУ с параллельным самовозбуждением несколько громоздко, поэтому целесообразно его представить в виде

Коэффициенты определяются на основании уравнений (VI. 12). Здесь лишь отметим следующее:

1) величина передаточного коэффициента нагруженного идеального ЭМУ с параллельным самовозбуждением

2) величина коэффициента

где

На основании выражений (VI. 14) и (VI. 15) можно сделать вывод, что при стремлении к единице величина передаточного коэффициента нагруженного идеального ЭМУ с параллельным самовозбуждением безгранично возрастает, но при этом безгранично возрастает и инерционность ЭМУ. Наиболее широкое практическое применение нашли ЭМУ с параллельным самовозбуждением; ЭМУ с последовательным самовозбуждением применяется

весьма редко. Это объясняется тем, что в ЭМУ с последовательным самовозбуждением положительная обратная связь, создаваемая обмоткой самовозбуждения, зависит от нагрузки. Этот тип ЭМУ может применяться, если ЭМУ работает на постоянную нагрузку.