ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

1.1. Общие сведения и классификация

Усилителем называют такое устройство, в котором по­средством сигнала малой мощности (входная величина) управляют сравнительно большой мощностью (выходная величина). При этом выходная величина является функцией входного сигнала и усиле­ние происходит за счет энергии внешнего источника.

По виду управляемой энергии усилители можно разделить на электрические, пневматические, гидрав­лические, механические.

Электрические усилители в свою очередь подразделяются на электронные, тиратронные, транзисторные, магнитные, сег-нетоэлектрические и электромашинные. Первые пять являются статическими, а электромашинные — вращающимися усилителями.

В электромашинных усилителях выходная (управляемая) элек­трическая мощность создается за счет механической мощности при­водного двигателя.

Электромашинные усилители (ЭМУ) представляют собой кол­лекторную машину постоянного тока.

В зависимости от способа возбуждения электромашинные уси­лители подразделяются на усилители продольного поля и усили­тели поперечного поля.

К усилителям продольного поля, в которых основной поток воз­буждения направлен по продольной оси машины, относятся:

1. независимый ЭМУ,

2. ЭМУ с самовозбуждением,

3. двухмашинные усилители,

4. двухколлекторный ЭМУ,

5)двух- и трехступенчатые ЭМУ продольного поля

К усилителям поперечного поля, в которых основной поток воз­буждения направлен по поперечной оси машины, относятся:

1 )ЭМУ с диаметральным шагом обмотки якоря,

2) ЭМУ с полудиаметральным шагом обмотки якоря,

3) ЭМУ с разделенной магнитной системой.

Чем меньше мощность управления электромашинного усилителя, тем меньше вес и габариты аппаратуры управления. Поэтому

основной характеристикой является коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по мощности, току и напряжению.

Коэффициент усиления ЭМУ по мощности k_p есть отношение мощности на выходе Р_Вых к мощности на входе Р_вх при установившемся режиме работы:

Коэффициент усиления по напряжению

где U_ВЫХ — напряжение выходной цепи; — напряжение входной цепи.

Из сказанного следует, что

Коэффициент усиления п о току k_t — это отношение тока выход­ной цепи /_вых усилителя к току входной цепи /_вх:

Электромашинные усилители могут иметь достаточно высокий коэффициент усиления по мощности (10³-М0⁵).

Не менее важным для усилителя является его быстродействие, характеризуемое постоянными времени его цепей.

Постоянная времени определяется величиной энергии магнит­ного поля, изменяющегося в процессе регулирования. Для элект­рической цепи постоянная времени

где L — индуктивность цепи;

ΣR — активное сопротивление цепи. В электромашинных усилителях постоянная времени T= 0,02÷0,2 сек.

От ЭМУ стремятся получить большой коэффициент усиления по мощности и большое быстродействие, т. е. по возможности мень­шие постоянные времени. Так как постоянная времени ЭМУ про­порциональна коэффициенту усиления по мощности ЭМУ, то для удобства сравнения различных усилителей вводят коэффициент добротности &_д, представляющий собой отношение коэффициента по мощносте к сумме постоянных времени ступеней усиления:

B системах автоматического регулирования ЭМУ применяются в качестве усилителей мощности и работают в основном при пере­ходных режимах, в процессе которых возникаютзначительные пере­грузки по току. Поэтому одним из требований к ЭМУ является хорошая перегрузочная способность.

К числу важнейших требований, предъявляемых к ЭМУ, от­носятся надежность в работе и стабильность характеристик.

ЭМУ, используемые на самолетах и транспортных установках, должны обладать минимальными габаритами и весом.

В радиоэлектронной промышленности наибольшее распростра­нение получили независимый ЭМУ, ЭМУ с самовозбуждением и ЭМУ поперечного поля с диаметральным шагом. Далее рассмот­рены эти типы усилителей.

1.2. 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 (U_я— напряжение на зажимах якоря; /_я— ток якоря;

Iy—ток управления (возбуждения);

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

где R_я — сопротивление обмотки якоря;

Rнагр— сопротивление нагрузки,

и напряжение на зажимах якоря U_я≈Е_я, равенство (1.1) можно записать в виде

Выражая э. д. с. якоря E_я через скорость и магнитный поток, индуктивность обмотки управления L_y 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 Из уравнения (1.3) видно, что коэффициент усиления по мощ- ности независимого ЭМУ при постоянном быстродействии (Т_у= 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: k_p=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 T_у1 и Т_у2—соответственно постоянные времени однойобмотки при разомкнутой другой. При холостом ходе усилителя и подключении одной обмотки управления имеем одну постоянную времени цепи управления

где L_y1— индуктивность обмотки управления;

R_yl— активное сопротивление обмотки управления.

Переходный процесс нарастания напряжения при холостом ходе усилителя описывается уравнениями

где U_y1— напряжение, приложенное к обмотке управления, i_γ1 — ток в обмотке управления,

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

k_u— коэффициент усиления ЭМУ по напряжению.

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

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

Из уравнения (1.8) видно, что нарастание э. д. с. е_я при работе усилителя в режиме холостого хода идет по экспоненте с постоянной времени T_yi. 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 T_yi.

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,

i_нагр — 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.