4.3.Электромашинный усилитель с самовозбуждением

Коэффициент усиления по мощности независимого ЭМУ не пре­вышает 100. С целью повышения коэффициента усиления по мощ­ности ЭМУ были созданы электромашинные усилители с самовоз­буждением. В 1942 г. фирма Вестингауз начала серийный выпуск этих усилителей под названием рототрол.

Конструктивно ЭМУ с самовозбуждением (ЭМУС) отличается от независимого ЭМУ только тем, что на его полюсах возбуждениясоосно с обмотками управления размещается обмотка самовозбуж­дения, включаемая параллельно обмотке якоря или последова­тельно с ней.

На рис. 1.3, а показано конструктивное расположение обмоток управления и самовозбуждения на полюсах статора ЭМУС; на рис. 1.3, б представлена принципиальная схема ЭМУС с параллель­ным возбуждением, на рис. 1.3, в — с последовательным возбуж­дением.

Для пояснения принципа действия ЭМУС рассмотрим возбуж­дение генератора постоянного тока с параллельным возбуждением. На рис. 1.4, а изображены характеристика холостого хода машины E — f(IBωB), т. е. зависимость э. д. с. от м. д. с. возбуждения и вольтамперные характеристики цепи возбуждения 1 и 2, опре­деляющие падения напряжений в ней.

Обозначим через α1— угол наклона линейного участка харак­теристики холостого хода, через α2 и α3— угол наклона вольтампер­ной характеристики цепи возбуждения.

Угол наклона вольтамперной характеристики цепи возбуждения α2или α3 зависит от величины сопротивления цепи возбуждения, так как

где α— угол наклона вольтамперной характеристики цепи воз­буждения;

U — напряжение, приложенное к цепи возбуждения; / — ток в цепи возбуждения.

Из приведенных на рис. 1.4, а характеристик видно, что в случае α2< α1 возбуждения машины не произойдет, так как согласно характеристикам при одной и той же величине м. д. с, например F1, генератор выработает э. д. с. Ε1, а для создания такой же м. д. с. на обмотке возбуждения необходимо напряжение U1. Гак как U1>E1 то возбуждение машины невозможно. В случае α≤αкр машина возбудится до точки С. Угол наклона начального участка характеристики холостого хода называют критическим углом оскр. Таким образом, условия самовозбуждения можно за­писать через углы: α≤αкр (1.13)

В электромашинном усилителе обмотку самовозбуждения под­бирают так, чтобы при отсутствии сигнала на обмотке управления усилитель не возбуждался, т. е. выбирают α>ακρ (прямая 1 на рис. 1.4, б). Если на обмотку управления подать сигнал, создаю­щий м. д. с. Iyωy=Fy, то вольтамперная характеристика пере­местится параллельно прямой 1 и займет положение прямой 2.

Усилитель возбудится до точки А и на клеммах якоря появится э. д. с. Е. Нетрудно заметить, что э. д. с. Е создается м. д. с. воз­буждения

где Fc— м. д. с. обмотки самовозбуждения.

Заменим отрезок характеристики OA рис. 1.4, б прямой линией и рассмотрим треугольники OAB и CAB.

Из треугольника OAB

Из треугольника CAB

E = Fctgα. (1.16)

Решая совместно (1.14) — (1.16), находим значение коэффи­циента усиления по мощности, выраженного через магнитодвижу­щие силы:

Из равенства (1.17) видно, что, чем ближе угол наклона вольт­амперной характеристики обмотки самовозбуждения к αкр, тем больше коэффициент усиления по мощности усилителя. В крити­ческом случае, когда α=ακρ, коэффициент усиления

kp = ∞.

В случае α<ακρ ЭМУС становится практически неуправляемым, т. е. переходит в релейный режим, из-за произвольного самовоз­буждения при отсутствии сигнала на обмотке управления. Вслед­ствие того что магнитопровод усилителя имеет остаточное поле, выбирать α достаточно близким к окр нельзя, так как может прои­зойти самовозбуждение. Поэтому в реальных усилителях выбирают угол наклона вольтамперной характеристики на 3—5% больше критического угла наклона характеристики E=f(F).

При таких параметрах коэффициент усиления ЭМУС по мощ­ности kp достигает величины порядка 400—500.

Для определения динамических свойств электромашинного усилителя с самовозбуждением рассмотрим процесс самовозбуж­дения машины.

Допустим, что характеристика намагничивания линейна (пря­мая линия OA рис. 1.4, б), скорость вращения генератора постоян­на, вихревые токи малы.

Пусть на обмотку управления подано напряжение Uy (см. рис. 1.3, б).

Тогда для холостого хода ЭМУС можно написать следующие уравнения равновесия э. д. с.

Для обмотки управления

где iy — ток в обмотке управления;

iс — ток в обмотке самовозбуждения; Ry — сопротивление обмотки управления;

Ly—индуктивность обмотки управления;

M — взаимоиндуктивность между обмотками управления и самовозбуждения.

Для цепи самовозбуждения

где ея— э. д. с. якоря;

Rc— сопротивление обмотки самовозбуждения;

L0— индуктивность обмотки самовозбуждения.

Для э. д. с. ЭМУ

(1-20)

где — ток управления, приведенный к числу

витков обмотки самовозбуждения;

ωу, ωc — числа витков обмоток управления и самовозбуждения;

k = ωy/ωc — коэффициент трансформации между обмотками;

RK = —f - = tg αKp — критическое сопротивление контура возбуждения, определяемое из треугольника AOB рис. 1.4,6

(IB=Iy+Iс— полный ток возбуждения, соответствующий м. д. с. возбуждения FB).

Будем считать, что между обеими обмотками возбуждения су­ществует полное магнитное сцепление, т. е.

(1.21)

тогда можно записать

(1.22)

Запишем уравнения равновесия э. д. с. (1.18) и (1.19) в опера­торной форме.

В результате преобразования уравнения э. д. с. можно запи­сать в виде

(1.23)

(1.24)

Умножим равенство (1.23) на kTp (Rc+Ra), а (1.24) — на Ry, с учетом (1.20) получим уравнение напряжения генератора

(1.25)

Здесь — коэффициент, учитывающий, насколько

близко сопротивление цепи самовозбуж­дения к критическому

-постоянная времени цепи самовозбуждения;

— постоянная времени обмотки управления.

Используя (1.22), имеем

(1.26)

Если учесть, что в начальный момент времени (t=0) э. д. с. якоря также равна нулю, решение уравнения (1.26) примет вид

(1.27)

Из уравнения (1.27) видно, что если к обмотке управления ЭМУС приложить напряжение управления Uy, то процесс нара­стания э. д. с. усилителя идет по экспоненциальному закону (рис. 1.5) с эквивалентной постоянной времени

(1.28)

Установившееся значение э. д. с. усилителя будет

(1.29)

Из выражения (1.29) можно найти коэффициент усиления по напряжению усилителя

(1.30)

Выражения (1.28) и (1.30) показывают, что коэффициент усиления по напряжению ka и его

эквивалентная постоянная времени T пропорциональны

Так как в усилителях ε> 1 на 3—5%, то эквивалентная постоянная времени T значительно превышает сумму постоянных времени обмоток самовозбуждения и управления. Например, если

ε =1,03, то эквивалентная постоянная времени в 3—4 раза превышает сумму постоянных времени обмоток самовозбуждения и управления. Поэтому электромашинные усилители с самовозбуж­дением используются в тех случаях, когда не требуется большое быстродействие.

Уравнение (1.26) с учетом (1.28)—(1.30) можно записать в виде

(1.31)

Отсюда видно, что ЭМУС представляет собой апериодическое Вйеио с передаточной функцией

(1.32)

Τаκие усилители применяются главным образом для питания обмотки возбуждения генератора в системе генератор—двигатель и в этом случае длительность переходного процесса опре­деляется постоянной времени генератора.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Вольдек А. И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. — 3-е изд., перераб., — Л.: Энергия, 1978. — 832 с.

2.  Радин В.И. Электромашинные усилители. ГЭИ, 1962

3.  Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. — М.: Высш. шк.

4. Чечет Ю.С. Электрические микромашины автоматических устройств.

5.  Копылов И.В. Электрические машины. - М., 1980 - 360с.

6. http://www.orensau.ru

7. http://www.studfiles.ru

26