3. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ПОПЕРЕЧНЫМ ПОЛЕМ

ЭМУ с двумя ступенями усиления, конструктивно выполненный в одной машине, называются ЭМУ с поперечным полем. Такое название эти ЭМУ получили потому, что магнитный поток управления второй ступенью усиления расположен перпендикулярно к магнитному потоку управления первой ступенью. Так как принято считать, что магнитный поток первой ступени, создаваемый входной управляющей обмоткой, направлен по продольной оси

ЭМУ, то, естественно, магнитный поток управления второй ступени направлен по поперечной оси ЭМУ. Поэтому этот класс двухступенчатых ЭМУ и получил название ЭМУ с поперечным полем.

Рис. VI.8. Принципиальная схема ЭМУ с поперечным полем

ЭМУ с поперечным полем представляет собой генератор постоянного тока, на коллекторе которого расположены две пары щеток (рис. VI.8): щетки расположенные по поперечной оси ЭМУ и соединенные с обмоткой якоря, лежащей в продольной плоскости ЭМУ, и щетки 2—2, расположенные по продольной оси ЭМУ и соединенные с обмоткой якоря, лежащей в поперечной плоскости ЭМУ. Щетки 1—1 закорочены.

При подаче на обмотку управления напряжения в ЭМУ возникает продольный магнитный поток управления . В витках вращающегося с постоянной скоростью ротора наводится э. д. с. Наибольшая ее величина индуктируется в витках, расположенных в продольной плоскости ЭМУ. Эта э. д. с. снимается поперечными щетками 1—1. Так как эти щетки закорочены и сопротивление цепи мало, то небольшая по величине э. д. с. создает в цепи большой ток и соответствующий ему значительный по величине магнитный поток который называется реакцией якоря по поперечной цепи (первая ступень усиления ЭМУ).

Под действием магнитного потока в витках вращающегося якоря ЭМУ наводится э. д. с., максимальная величина которой имеет место в витках, расположенных в плоскости потока т. е. в поперечной плоскости ЭМУ. Эта э. д. с. снимается продольными щетками 2—2 (вторая ступень усиления ЭМУ).

Напряжение, снимаемое с продольных щеток, является выходной э. д. с. ЭМУ.

При включении нагрузки по поперечным виткам якоря ЭМУ протекает ток. Под действием этого тока в ЭМУ создается магнитный поток , направленный по продольной оси навстречу потоку Это так называемая реакция якоря ЭМУ по продольной оси. Таким образом, в продольной оси ЭМУ будет действовать некоторый результирующий поток, равный , который является функцией не только управляющего напряжения но и параметров нагрузки.

Для полного или частичного устранения потока в статоре ЭМУ предусмотрена компенсационная обмотка по которой протекает часть тока Магнитный поток, создаваемый этой обмоткой, направлен навстречу потоку пр, компенсируя его. Величина магнитного петока регулируется изменением величины сопротивления шунтирующего компенсационную обмотку.

В режиме холостого хода система уравнений идеального ЭМУ с поперечным полем имеет вид

где — коэффициент взаимной индукции между секциями якоря, соединенными с поперечными щетками 1-1 ЭМУ, с секциями якоря, соединенными с продольными щетками

— коэффициент взаимной индукции между обмоткой управления и секциями якоря поперечной цепи МУ;

- э. д. с. наводимая в продольной цепи МУ (на щетках 2—2).

Остальные обозначения соответствуют ранее принятым.

На основании уравнения (VI. 16) передаточная функция ЭМУ с поперечным полем в режиме холостого хода

где — передаточный коэффициент идеального ЭМУ поперечного поля в режиме холостого хода,

Для случая нагруженного идеального ЭМУ поперечного поля (нагрузкой является электродвигатель постоянного тока с

независимым возбуждением) справедлива следующая система уравнений:

где — индуктивность и активное сопротивление компенсационной обмотки;

— индуктивность и активное сопротивление секций якоря продольной цепи ЭМУ;

— коэффициенты взаимной индукции соответственно между обмоткой управления и компенсационной, обмоткой управления и секциями якоря поперечной цепи МУ, компенсационной и секциями якоря продольной цепи ЭМУ; остальные обозначения соответствуют ранее принятым обозначениям рис. VI.8.

На основании последних двух уравнений (VI. 18) можно установить зависимость тока от токов в виде

причем

Используя формулы (VI. 19) и (VI.20), систему уравнений (VI. 18) можно представить в виде

В системе уравнений (VI.21) принято

Уравнения (VI.21) и соотношения (VI.20) и (VI.22) позволяют вычислить передаточную функцию и определить структурную схему ЭМУ, а также установить влияние на параметры и характеристики ЭМУ — электродвигатель степени компенсации и влияние контура, образованного компенсационной обмоткой, шунтированной сопротивлением Рассмотрим два частных случая.

Случай 1-й. ЭМУ работает в режиме полной компенсации, причем сопротивление отсутствует, а компенсация достигнута подбором числа витков компенсационной обмотки. Так как отсутствует и ЭМУ работает в полностью скомпенсированном режиме, то а систему уравнений (VI.21) можно записать в виде

где

Для этого случая передаточная функция ЭМУ — электродвигатель

где

Ввиду того, что передаточная функция ЭМУ — электродвигатель при полной компенсации и

или

где

Структурная схема ЭМУ — электродвигатель для рассматриваемого случая приведена на рис. VI.9.

Рис. VI.9. Структурная схема «ЭМУ—электродвигатель» при работе ЭМУ в полностью скомпенсированном режиме и при

Случай 2-й. ЭМУ работает в недокомпенсированном режиме, причем так же, как и в случае а необходимая степень недокомпенсации достигается подбором числа витков компенсационной обмотки. Для этого случая

Тогда систему уравнений (VI.21) можно записать в виде

Структурная схема ЭМУ — электродвигатель для рассматриваемого случая приведена на рис. VI. 10.

Рис. VI. 10. Структурная схема ЭМУ — электродвигатель при работе ЭМУ в недокомпенсированном режиме и при

Как видно из системы уравнений (VI.28) и рис. VI. 10. наличие недокомпенсации при приводит к тому, что в структурной схеме ЭМУ — электродвигатель по сравнению с полностью скомпенсированным режимом появляются две обратные связи: отрицательная, пропорциональная и охватывающая выходную и поперечную цепи ЭМУ — электродвигатель, и положительная,

пропорциональная и охватывающая всю систему ЭМУ — электродвигатель.

Ввиду того, что обратные связи пропорциональны второй и третьей производной от 0, т. е. передаточные функции элементов, стоящих в цепях обратных связей, имеют нули в точке кратности выше кратности полюса в точке передаточных функций элементов, которые шунтируются этими обратными связями, величина передаточного коэффициента ЭМУ — электродвигатель не изменяется.

Динамические же свойства ЭМУ — электродвигатель при работе ЭМУ в режиме недокомпенсации изменяются.

Рис. VI.11. Структурная схема ЭМУ—электродвигатель при работе ЭМУ в недокомпенсированном режиме и при

Отрицательная обратная связь приводит к увеличению коэффициента при на величину

а положительная обратная связь — к изменению коэффициента при на величину причем

Передаточную функцию ЭМУ — электродвигатель в данном случае можно также представить в виде (VI.27), но при этом

Отсюда убеждаемся в том, что недокомпенсация ЭМУ приводит к ухудшению динамических свойств ЭМУ. Это ухудшение тем сильнее, чем больше величина 83.

На рис. VI. 11 приведена структурная схема ЭМУ — электродвигатель соответствующая системе уравнений (VI.21).

Из системы уразнений (VI.21) и рис. VI. 11 видно, что при работе ЭМУ в недокомпенсированном режиме (степень недокомпенсации достигается подбором сопротивления динамические свойства

ЭМУ — электродвигатель ухудшаются. Это связано с появлением в выходной цепи ЭМУ контура, образованного компенсационной обмоткой и сопротивлением Наличие этого контура делает систему более инерционной.

Наличие замкнутого контура, образованного компенсационной обмоткой, приводит к тому, что, во-первых, входящие в уравнение (VI.21) представляют собой выражения вида

а не коэффициенты, как это было при Во-вторых, система ЭМУ — электродвигатель имеет в рассматриваемом случае прямую положительную связь, в цепи которой имеется элемент с передаточной функцией

где Тк определяется согласно уравнению системы (VI.22), а Тк — постоянная времени контура, образованного компенсационной обмоткой,

Прямая положительная связь не изменяет по сравнению с ранее рассмотренными случаями передаточного коэффициента. Это объясняется тем, что передаточная функция элементов цепи прямой связи имеет более высокий порядок нуля в точке по сравнению с передаточной функцией элементов, которые эта прямая связь шунтирует.

Передаточную функцию ЭМУ — электродвигатель в общем случае можно записать в виде

Величина передаточного коэффициента определяется все так же соотношением (VI.25), так как ни функции ни прямая положительная связь на величину передаточного коэффициента ЭМУ не влияют.

Рассчитать величины входящие в выражение (VI.31), можно, воспользовавшись системой уравнений (VI.21). Здесь нет необходимости приводить все эти величины. Можно лишь привести величину

Отсюда убеждаемся в том, что наличие замкнутого контура компенсационной обмотки ухудшает динамические характеристики

ЭМУ — электродвигатель. Это ухудшение тем сильнее, чем больше в компенсационной обмотке лишних витков. Нужная степень компенсации достигается шунтированием компенсационной обмотки небольшим сопротивлением

Основными достоинствами ЭМУ с поперечным полем являются высокий коэффициент усиления по мощности, простота получения желаемой внешней характеристики и линейность.

В настоящее время промышленностью выпускаются ЭМУ с поперечным полем мощностью до 100 кВт (табл. VI.2). Мощность, которую необходимо затратить в цепи управления, равна 0,5-4 Вт, коэффициент усиления ЭМУ с поперечным полем достигает величин 25 тыс. и более.

Таблица VI.2 (см. скан) Основные технические характеристики ЭМУ поперечного поля

Постоянная времени обмотки управления Ту в зависимости от мощности ЭМУ колеблется в пределах от 0,05 до 0,20 с, а соответственная постоянная времени поперечной цепи от 0,09 до 0,60 с.

Однако наряду с указанными положительными свойствами ЭМУ поперечного поля присущи и некоторые недостатки. Одним из существенных недостатков ЭМУ поперечного поля является необходимость в специальных мерах по улучшению коммутации. При высоких скоростях вращения якоря, что имеет место во всех ЭМУ, в его секциях, накоротко закороченных щетками, возникают значительные э. д. с. и токи. Это приводит к искрению под щетками и, следовательно, к появлению шумов, а также к тому, что в ЭМУ возникают магнитные потоки, ослабляющие рабочие потоки. Это в конечном итоге приводит к уменьшению величин передаточных коэффициентов ЭМУ.

Для улучшения коммутации в ЭМУ поперечного поля устанавливаются дополнительные полюса и вводится дополнительная обмотка, включаемая в основную рабочую цепь. Магнитные потоки дополнительных полюсов улучшают коммутацию, но введение дополнительных полюсов приводит к увеличению инерционности ЭМУ.

Таким образом, недостатками ЭМУ поперечного поля являются ограничение мощностей из-за наличия больших коммутационных токов и сравнительно большая инерционность.