4.2. Независимый электромашинный усилитель

Как уже отмечалось, независимый электромашинный усилитель относится к усилителям продольного поля. Про­стейшим типом такого усилителя явля­ется обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 1.1). Коэффициент усиления по мощ­ности независимого ЭМУ

где (Uя— напряжение на зажимах якоря; /я— ток якоря;

Iy—ток управления (возбуждения);

Ry—сопротивление обмотки управления (возбуждения). Для выяснения зависимости коэффициента усиления по мощ­ности кр от основных параметров машины и нагрузки преобразуем равенство (1.1). Учитывая, что ток якоря

где Rя — сопротивление обмотки якоря;

Rнагр— сопротивление нагрузки,

и напряжение на зажимах якоря Uя≈Ея, равенство (1.1) можно записать в виде

Выражая э. д. с. якоря Eя через скорость и магнитный поток, индуктивность обмотки управления Ly через потокосцепление обмотки и ток в ней, а также учитывая, что магнитный поток про­порционален м. д.с. обмотки- управления и

магнитной проводи­мости машины Λ, после преобразований получим

ω — угловая скорость вращения якоря.

Из уравнения (1.3) видно, что коэффициент усиления по мощности независимого ЭМУ при постоянном быстродействии (Ту=const) пропорционален квадрату скорости вращения якоря, маг- нитной проводимости машины и зависит от соотношения сопротивлений обмоток машины и нагрузки. Таким образом, чтобы иметь высокий коэффициент усиления по мощности, необходимо использовать высокооборотный генератор постоянного токa с ненасыщенной магнитной cистемой (высокое значение Λ).

Обычный генератор постоян­ного тока с независимым возбуждением не обладает этими свой­ствами, поэтому его коэффициент усиления по мощности неве­лик: kp=20÷100. В системах автоматического управления, где на вход усилителя подается несколько сигналов, одной обмотки управления (возбуждения) недостаточно, поэтому в усилителях обычно применяют 2, 3, 4 обмотки управления.

На рис. 1.2 представлена принципиальная схема независимого ЭМУ с двумя обмотками управления.

Так как обмотки управления расположены в одних и тех же пазах статора, то между обмотками существует полная магнитная связь. Поэтому при нескольких обмотках управления, имеющих замкнутые контуры, постоянная времени для какой-либо обмотки управления равна сумме постоянных времени обмоток. Для усили­теля, показанного на рис. 1.2,

где Tу1 и Ту2—соответственно постоянные времени однойобмотки при разомкнутой другой. При холостом ходе усилителя и подключении одной обмотки управления имеем одну постоянную времени цепи управления

где Ly1— индуктивность обмотки управления;

Ryl— активное сопротивление обмотки управления.

Переходный процесс нарастания напряжения при холостом ходе усилителя описывается уравнениями

где Uy1— напряжение, приложенное к обмотке управления, iγ1 — ток в обмотке управления,

Ея— действующее значение э. д. с. на выходе ЭМУ в устано­вившемся режиме,

ku— коэффициент усиления ЭМУ по напряжению.

Решение уравнения (1.6) с учетом (1.7) имеет вид

где ея— мгновенное значение э. д. с. якоря.

Из уравнения (1.8) видно, что нарастание э. д. с. ея при работе усилителя в режиме холостого хода идет по экспоненте с постоянной времени Tyi. Последняя составляет для усилителей различных мощностей от нескольких сотых до нескольких десятых секунды.

Электромашинный усилитель, работающий в режиме холостого хода, с точки зрения динамики можно представить в виде аперио­дического звена с постоянной времени Tyi.

Передаточная функция для этого режима

Передаточную функцию усилителя с активной нагрузкой опре­деляют с учетом уравнения напряжений в цепи якоря и нагрузки [4].

Уравнение передаточной функции усилителя с активной на­грузкой имеет вид

-постоянная времени цепи якоря,

iнагр — ток нагрузки; Lя — индуктивность обмотки якоря.

Уравнение (1.10) записано без учета внутренней обратной связи в усилителе

Внутренняя обратная связь имеется в усилителе в виде раз­магничивающего действия реакции якоря. Эта обратная связь нелинейна вследствие нелинейности характеристики намагничивания и только приближенно при небольших токах нагрузки ее можно считать линейной.

Передаточная функция усилителя в общем виде с учетом размагничивающего действия реакции якоря

к01 — коэффициент внутренней обратной связи по току.

Из уравнения (1.11) видно, что внутренняя обратная связь по току уменьшает общий коэффициент усиления (числитель выражения 1.11). Одновременно увеличивается быстродействие ЭМУ, что находит выражение в уменьшении коэффициентов при постоян­ных времени (знаменатель уравнения 1.11). В целом коэффициент добротности ЭМУ увеличивается.

В независимом ЭМУ не удается получить большой коэффициент усиления по мощности, поэтому такие усилители нашли незначи­тельное применение в системах автоматического регулирования. Однако в системах генератор—двигатель, где от двигателя тре­буется изменение скорости вращения в широком диапазоне, гене­ратор работает в режиме независимого ЭМУ.

Простейшим из электромашинных усилителей является одно­ступенчатый независимый ЭМУ. Для увеличения коэффициента усиления часто используют более сложные многоступенчатые ЭМУ, а так как каждая ступень усиления многоступенчатого усилителя может рассматриваться как элементарный одноступенчатый уси­литель, то приведенные результаты анализа работы одноступенчатого ЭМУ применимы и к многоступенчатым.