3. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В автоматизированных приводах прокатных станов, моточных машинах, копировально-фрезерных автоматах и следящих приводах другого типа в качестве усилителей мощности широкое применение нашли электромашинные усилители (ЭМУ). Современные электромашинные усилители имеют коэффициент усиления по мощности от 200 до 500 000 и сохраняют высокое быстродействие при управлении автоматизированным электроприводом. Отечественная промышленность выпускает электромашинные усилители мощностью от 30 Вт до 100 кВт.

Рис. V.6. Схема электромашинного усилителя (генератора) с независимым возбуждением

Различают электромашинные усилители трех основных типов с независимым продольным возбуждением, с самовозбуждением и с поперечным полем возбуждения.

Электромашинный усилитель с независимым возбуждением, или генератор. Электромашинный усилитель 2 (рис. V.6) приводится во вращение от электродвигателя привода 1 с постоянной угловой скоростью со Якорь этого электромашинного усилителя подключен к электродвигателю 3 постоянного тока с независимым возбуждением. Если угловая скорость электродвигателя а магнитный поток обмотки 5 возбуждения то противодействующая электродвижущая сила якоря (без учета реакции якоря)

где — постоянная электродвигателя, зависящая от параметров обмотки якоря и определяемая по формуле

здесь — число пар полюсов; число проводников обмотки якоря; — число пар параллельных ветвей; — угловая скорость электродвигателя 3.

Введем следующие дополнительные обозначения: — сопротивление обмотки якоря; — сила тока якоря.

Если напряжение на зажимах якоря электромашинного усилителя 2 равно то угловую скорость электродвигателя привода определяют из следующего уравнения:

откуда

Так как обычно очень мало по сравнению с то

Таким образом, при угловая скорость электродвигателя 3 будет пропорциональна напряжению на зажимах якоря.

Выходной величиной электромашинного усилителя (генератора) 2 является напряжение а входной — управляющее напряжение на зажимах обмотки возбуждения 4.

Если пренебречь потерей напряжения в обмотке якоря, то

где

В формуле (V.17) — магнитный поток обмотки возбуждения 4, который зависит от напряжения число пар полюсов электромашинного усилителя; — угловая скорость вращения электромашинного усилителя.

Если магнитная цепь ненасыщена, то можно принять

где — коэффициент пропорциональности.

Коэффициент усиления по напряжению электромашинного усилителя

а по мощности

где — токи на выходе и входе электромашинного усилителя.

Обычно коэффициент усиления по напряжению таких электромашинных усилителей изменяется в пределах от 2 до 20, а по мощности — от 20 до 100.

Электрома шинный усилитель с самовозбуждением. Как было показано выше, электромашинный усилитель с независимым возбуждением представляет собой генератор, у которого обмотка независимого возбуждения исполняет роль управляющей обмотки. Коэффициент усиления по мощности таких усилителей обычно невелик. Электромашинные усилители с самовозбуждением (рис. V.7, а) обеспечивают коэффициент усиления по мощности от 500 до 1000. Эти усилители имеют не менее двух обмоток возбуждения, из которых одна является управляющей, а другая — обмоткой параллельного самовозбуждения.

Как известно из теории электрических машин, генераторы постоянного тока, работающие по принципу самовозбуждения, не могут возбудиться, если активное сопротивление цепи возбуждения превышает так называемое критическое сопротивление Это сопротивление определяется положением касательной II к кривой холостого хода генератора (рис. V.7, б). Значение равно тангенсу угла который касательная II составляет с осью абсцисс.

Для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы вольт-амперная характеристика III цепи самовозбуждения, соответствующая уравнению , пересекала характеристику холостого хода, т. е. чтобы имело место неравенство

где — активные сопротивления обмотки самовозбуждения и обмотки якоря со щетками. Точка пересечения кривых и III определяет напряжение холостого хода генератора.

Рис. V.7. Электромашинный усилитель (генератор) с самовозбуждением

Допустим, что тогда самовозбуждение генератора отсутствует. Только подача тока в управляющую обмотку вызывает возбуждение генератора. Действительно, если ток управляющей обмотки будет , а число витков обмоток самовозбуждения и управляющей соответственно то при расположении обмоток на общих полюсах можно считать, что результирующая намагничивающая сила обеих обмоток

где — ток обмотки самовозбуждения; — приведенный к обмотке самовозбуждения ток управляющей обмотки.

В этом случае вольт-амперная характеристика цепи самовозбуждения из положения III параллельно передвинется относительно характеристики холостого хода на величину в положение III, (рис. V.7, в), что обеспечит пересечение характеристик (точка соответствующее возбуждению машины. Меняя направление тока в управляющей обмотке, можно изменять знак напряжений электромашииного усилителя.

Ограничимся рассмотрением работы усилителя на ненасыщенном участке магнитной характеристики машины. При этом будут справедливы следующие уравнения:

уравнение электродвижущей силы усилителя

где

уравнение цепи самовозбуждения

уравнение цепи управления

где — индуктивности обмоток самовозбуждения, якоря и управляющей соответственно; М — взаимная индуктивность управляющей обмотки и обмотки самовозбуждения.

Для упрощения допустим, что между обмотками управления и самовозбуждения отсутствует рассеяние, т. е. магнитный поток первой обмотки полностью сцепляется со второй и наоборот.

Тогда будут справедливы следующие соотношения:

Так как обычно активное сопротивление якоря весьма мало по сравнению с сопротивлением параллельной обмотки самовозбуждения, положим Кроме того, примем Выполнив на основании этого упрощения соответствующие преобразования, придем к следующим уравнениям:

Умножив первое уравнение на а второе на после сложения получим уравнение

устанавливающее зависимость выходной величины Е от управляющего напряжения .

Для установившегося режима уравнение (V.29) примет вид

откуда коэффициент усиления по напряжению

Из последней формулы следует, что для получения высокого коэффициента усиления по напряжению следует брать активное сопротивление обмотки самовозбуждения усилителя возможно ближе к критическому значению Однако сопротивление не должно быть равным или быть меньше его, так как при этом усилитель приобретает способность Самовозбуждения и, таким образом, теряет управляемость со стороны управляющей обмотки. Равным образом, очень малые значения разности из-за нестабильности могут привести к потере управляемости и неустойчивости в работе системы.

Коэффициент усиления по мощности

где - номинальные значения тока в якоре и управляющей обмотке.

Вследствие наличия насыщения магнитной характеристики, а также явления гистерезиса коэффициент усиления по напряжению обычно не превышает 100, а по мощности 1000. Для получения более высоких коэффициентов усиления электромашинные усилители с самовозбуждением (как и с независимым возбуждением) можно соединять каскадно.

Для достижения той же цели электромашинные усилители описанных типов имеют различные модификации. На практике часто применяют электромашинные усилители с обратной связью или ступенчатые усилители. Так, например, двухступенчатые электромашинные усилители вместо одной имеют две пары главных полюсов, причем обмотки первой ступени усиления располагаются на одной паре, а второй ступени — на другой паре полюсов. Более совершенным является ЭМУ с поперечным возбуждением.

Электромашинный усилитель с поперечным полем. Схема электромашинного усилителя с поперечным полем показана на рис. V.8. Здесь так же, как и в предыдущем случае, электромашинный усилитель представляет собой генератор постоянного тока (рис. V.8, а), вращаемый вспомогательным электродвигателем. Обмотка возбуждения 1 питается от независимого источника и является управляющей обмоткой усилителя. Напряжение на зажимах этой обмотки или ток являются входными величинами

Рис. V.8. Электромашинный усилитель с поперечным полем

усилителя. Якорь 2 имеет две пары щеток: продольную и поперечную. Поперечные щетки расположены под углом 90° к направлению потока от управляющей обмотки возбуждения.

Схема включения обмоток показана на рис. V.8, б. Поперечные щетки замкнуты накоротко. Малый поток возбуждения при вращении якоря индуктирует в короткозамкнутой цепи щеток электродвижущую силу и соответствующий ей ток Ток создает мощный поток реакции направление которого с помощью специальных вырезов в полюсах статора ориентировано вдоль оси щеток При вращении якоря на главных (продольных) щетках II—II индуктируется электродвижущая сила усилителя Если внешняя цепь замкнута на сопротивление то в этой цепи возникает ток который, в свою очередь, создает свой магнитный поток реакции якоря Существование потока реакции якоря нельзя допустить по следующим соображениям: во-первых, магнитный поток может полностью скомпенсировать управляющий поток что сведет действие усилителя к нулю; во-вторых, магнитный поток исказит зависимость выходного напряжения и от управляющего потока. Поэтому на главных полюсах усилителя помещается компенсационная обмотка 3, которая полностью компенсирует поток создавая близкий по величине, но противоположный по направлению поток

Составим основные уравнения, выражающие зависимость между переменными и постоянными параметрами электромашинного усилителя. Электродвижущая сила в короткозамкнутой цепи поперечных щеток

где — постоянная якоря; — угловая скорость якоря электромашинного усилителя; — коэффициент пропорциональности между магнитным потоком и напряжением

Ток в короткозамкнутой цепи поперечных щеток

где — сопротивление обмотки якоря.

Магнитный поток

где — коэффициент пропорциональности между потоком и током;

Электродвижущая сила электромашинного усилителя на щетках II—II

а напряжение на выходных зажимах усилителя

Если пренебречь потерей напряжения в обмотке якоря, то

Отсюда нетрудно найти коэффициент усиления по напряжению

и коэффициент усиления по мощности

Рис. V.9. Схема замещения электромашинного усилителя с поперечным полем двумя обычными генераторами

Составим уравнения динамических процессов в электромашинном усилителе, схема которого показана на рис. V.8, б.

Для обмотки управления

где М — коэффициент взаимной индукции между обмоткой управления и продольной цепью ЭМУ.

Для короткозамкнутой цепи

где — ток в короткозамкнутой цепи; — коэффициент пропорциональности; — коэффициент, учитывающий влияние реакции якоря.

Для главной цепи

где — коэффициент пропорциональности; — индуктивное и омическое сопротивления компенсационной обмотки; — сопротивление шунта.

С помощью этих уравнений можно определить передаточную функцию ЭМУ (см. гл. IX).

Рассмотренная схема электромашинного усилителя имеет компенсационную обмотку, включенную последовательно с нагрузочным сопротивлением Используются также электромашинные усилители с параллельным включением этой обмотки и нагрузочного сопротивления (рис. V. 8, в). Установочный резистор позволяет выбрать требуемое число ампер-витков компенсационной обмотки и обеспечить необходимую величину компенсации.

Следует отметить, что для правильной работы электромашинного усилителя выбирают малую величину недокомпенсации потока реакции якоря которая должна быть тщательно выдержана. Значительная недокомпенсация приводит к уменьшению усиления, а перекомпенсация — к самовозбуждению и потере управления электромашинным усилителем.

Нетрудно установить, что электромашинный усилитель представляет собой последовательное соединение двух генераторов (первый образован обмоткой управления и короткозамкнутой цепью, второй — короткозамкнутой цепью и выходной цепью электромашинного усилителя). Соответствующая схема замещения показана на рис. V.9.

Формулы (V.37) и (V.38) указывают на большую зависимость коэффициентов от скорости врещения электромашинного усилителя. Поэтому в этих усилителях применяют электродвигатели со смешанным возбуждением, приводящие во вращение генераторную часть ЭМУ и обеспечивающие постоянство вращения якоря генератора независимо от его нагрузки.

Таблица V.3 (см. скан) Электромашинные усилители

В табл. V.3 показаны различные схемы соединения электромашинных усилителей в системах автоматического регулирования.

Схема 1 (генератор — двигатель с управляемым возбудителем), обеспечивает коэффициент усилиения по мощности порядка 30 000. На схеме введены следующие обозначения: 1—3 — обмотки управления возбудителем; 4 — обмотка управления генератором; 5 — обмотка возбуждения двигателя.

Схема 2 представляет собой многокаскадное включение генераторов управляющих возбудителем В. Возбудителем управляет генератор На схеме приняты следующие обозначения: 1—3 — обмотки управления; 4—6 — обмотки возбуждения генераторов; 7 — обмотка возбуждения электродвигателя.

В схеме 3 ЭМУ используется в качестве возбудителя генератора Г. Обмотки 1 и 2— управляющие обмотки ЭМУ; 3 - управляющая обмотка генератора — обмотка возбуждения электродвигателя М.

В схеме 4 наряду с ЭМУ применен генератор с самовозбуждением; 1—3 — управляющие обмотки ЭМУ; 4 — обмотка возбуждения генератора — вторая обмотка возбуждения генератора Г, 6 — обмотка возбуждения генератора — обмотка возбуждения электродвигателя М. В схемах 1—3 предусмотрены токовые обратные связи, осуществляемые с помощью резистора а в схеме 4 дополнительно включен и стабилизирующий трансформатор

Коэффициент усиления по мощности, который может обеспечить электромашинный усилитель с поперечным полем, составляет от 1000 до 500 000; как уже говорилось выше, выходная мощность ЭМУ изменяется в пределах от до 100 кВт.