Попов / Попов билеты / 32

§ 11.5. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОПЕРЕЧНЫМ ПОЛЕМ

Электромашинные усилители (ЭМУ) применяют в схемах автоматики для усиления управляющих сигналов, получа­емых от различных датчиков, сельсинов, поворотных транс­форматоров  и других  устройств.

Электромашинные усилители представляют собой специ­альные электрические генераторы постоянного или перемен­ного тока, выходная мощность которых может изменяться в широких пределах путем изменения мощности управления. Отношение выходной мощности к мощности управления называют коэффициентом усиления по мощности.Современ­ные ЭМУ имеют весьма большие коэффициенты усиления, необходимые для усиления сравнительно слабых управля­ющих сигналов.

Простейшим ЭМУ является обычный генератор постоян­ного тока с независимым возбуждением, у которого, как известно, мощность, подаваемая на обмотку возбуждения (управления), во много раз меньше мощности, получаемой на выходе от обмотки якоря. Усиление мощности в этой машине происходит за счет механической энергии, поступа­ющей от приводного двигателя, что характерно для всех других ЭМУ. Однако в генераторах с независимым возбуж­дением нельзя получить  большие коэффициенты усиления, необходимые для современных систем автоматического регулирования, поэтому разработан ряд специальных машин.

Существуют различные типы ЭМУ постоянного и пере­менного тока с различными принципами действия. Наиболее распространенным из них является ЭМУ постоянного тока с поперечным полем. Отечественная промышленность выпус­кает серию таких усилителей мощностью от нескольких сотен ватт до десятков  киловатт.

Принцип действия. В схеме ЭМУ с поперечным полем (рис. 11.20) для простоты показана только одна обмотка управления У, хотя, как правило, таких обмоток несколько. Якорь ЭМУ приводится во вращение от постороннего (обычно асинхронного) двигателя и ничем не отличается от якоря обычной машины постоянного тока. На коллекторе устанавливается двойной комплект щеток: по поперечной q и продольной d осям. Щетки, установленные по поперечной оси, замыкаются накоротко, а к щеткам, расположенным по продольной оси, подключается сопротивление нагруз­ки  R_H.

 

Рис. 11.21.  Схема первой  (а) и  второй  (б) ступеней в ЭМУ с поперечным полем

Рис. 11.20. Принципиаль­ная

схема включения ЭМУ с

поперечным  по­лем

 

 

 

 

 

При подаче управляющего сигнала U_y на обмотку управления по ней проходит ток I_yкоторый создает небольшой продольный поток Ф_у (рис. 11.21, а). При враще­нии якоря этот поток индуцирует в обмотке якоря ЭДС, действующую между поперечными щетками:

                                     (11.48)

Поскольку поперечные щетки замкнуты накоротко, по об­мотке якоря будет проходить значительный ток:

I_q = E_q/ΣR_a                              (11.49)

так как суммарное сопротивление короткозамкнутой попе­речной цепи R_а мало. При прохождении тока I_q по обмотке якоря возникает поперечный поток Ф_аq, во много раз больший потока Ф_уобмотки управления. Поток Ф_а (рис. 11.21,б) индуцирует в обмотке якоря между продоль­ными щетками ЭДС

Е_d = с_еФ_aqп,                            (11.50)

которая создает ток нагрузки

I_d = E_d/(R_H + ΣR_a).                (11.51)

Магнитодвижущая  сила  якоря  F_ad,  создаваемая  током I_d,   направлена   встречно   МДС   обмотки   управления   F_у поэтому продольный поток якоря Φ_αd будет размагничивать машину.   Для   компенсации   МДС   F_ad   на   статоре   ЭМУ помещают компенсационную обмотку К, которую включают в цепь нагрузки; для точного регулирования МДС компен­сационной обмотки F_K параллельно ей присоединяют шун­тирующий реостат  R_ш (см.  рис. 11.20).

Из рассмотрения принципа действия ЭМУ с поперечным полем видно, что изменяя небольшой ток I_у в обмотке управления, можно управлять значительным током I_d в цепи нагрузки.

Коэффициент усиления ЭМУ представляет собой отно­шение выходной  мощности ко  входной:

                  (11.52)

Электромашинный усилитель с поперечным полем можно рассматривать как генератор постоянного тока, состоящий из двух ступеней, включенных в каскад. В первой ступени магнитный поток создается обмоткой управления, а выход­ной обмоткой служит обмотка якоря, замкнутая накоротко проводником, включенным между поперечными щетками. Выходная мощность первой ступени Р_вых1 является одновре­менно входной мощностью  второй ступени  Р_вх2.

Учитывая,  что P_выx1 = P_Bx2 , коэффициент усиления

          (11.53)

где k_y1 = Р_вых1/Р_вх1—коэффициент усиления первой ступени; k_у2 = P_вых2/Р_ВХ2 — коэффициент усиления  второй ступени,

Общий коэффициент усиления усилителя

      (11.54)

где w_a, w_y — число витков обмотки соответственно якоря и управления; R_y и R_H—сопротивления обмотки управления и нагрузки; R_Md и R_Mq — магнитные сопротивления соответ­ственно по  продольной и поперечной  осям машины.

Устройство. Обычно при мощности машины до несколь­ких киловатт ЭМУ и приводной асинхронный двигатель располагают в общем корпусе (рис. 11.22). Они имеют общий вал, на котором устанавливают пакет ротора при­водного двигателя, якорь усилителя и его коллектор. При больших мощностях усилитель выполняют как самосто­ятельную машину и соединяют муфтой с приводным двигателем. Из (11.54) следует, что для получения большого коэффициента усиления необходимо увеличивать частоту вращения ЭМУ; при использовании приводного асинхрон­ного двигателя она составляет ~ 3000 об/мин. Чтобы умень­шить магнитные сопротивления по продольной R_Md и по­перечной R_Mq осям, воздушный зазор между статором и ротором выполняют небольшим.  При увеличении числа

Рис. 11.22. Устройство ЭМУ с поперечным  полем:1,  8 — подшипниковые  щиты;

 2— коллектор  усилителя;  3 — якорь  усилителя; 4 — статор   усилителя; 

 5 —обмотка  статора   усилителя;   6 — ротор  двигателя; 7—статор двигателя

 

витков w_a обмотки якоря коэффициент усиления возрастает; однако чем больше число витков в обмотке якоря, тем больше ее индуктивность, а следовательно, ниже быстродействие усилите­ля. Чтобы получить высокое быстродействие, магнитопровод машины выполняют целиком шихтованным. Это уменьшает вихревые токи, возникающие при резких изменениях тока управления, и способствует быстрому изменению магнитного потока в  соответствии с изменением сигнала управления.

Наличие двойного комплекта щеток (по продольной и поперечной осям) заставляет принимать специальные меры для обеспечения безыскровой коммутации в ЭМУ. Чтобы обеспечить хорошую коммутацию под продольными щетка­ми, главные полюсы делают «расщепленными» (рис. 11.23), т. е. каждый полюс разделяют на две части. Между ними располагают добавочные полюсы с соответствующими об­мотками, которые и создают необходимое магнитное поле в зоне коммутации.

По поперечной оси машины добавочные полюсы не устанавливают, поэтому для обеспечения безыскровой ком­мутации под поперечными щетками в ЭМУ предусматрива­ют специальную поперечную подмагничивающую обмотку. При наличии ее поперечный поток Ф_аqтребуемый для создания ЭДС E_d, получается не только от МДС якоря F_aq, но и от МДС подмагничивающей обмотки F_n. Это позволяет уменьшить ток I_q и МДС F_aq, что благоприятно сказывается на работе поперечных щеток. Магнитную си­стему машины выполняют обычно с неявновыраженными полюсами и с 2р = 2.

Обмотки управления размещают в больших пазах стато­ра, расположенных по поперечной оси машины, и выполняют в виде нескольких (в данном случае — четырех) катушек, имеющих   отдельные   выводы.   Компенсационную   обмотку

Рис. 11.23.    Схема    расположения обмоток на статоре ЭМУ с попе­речным  полем:

1 — обмотка управления; 2 —части рас­щепленного главного полюса; 3 — ком­пенсационная обмотка;

 4 — коллектор­ная подмагничивающая обмотка; 5 — добавочный полюс; 6 — обмотка доба­вочного  полюса

 

обычно выполняют распреде­ленной и располагают в не­скольких пазах. В пазах, рас­положенных по продольной оси машины, размещают об­мотку дополнительных полю­сов и поперечную подмагни-чивающую обмотку. Для умень­шения влияния явления на­магничивания на работу ЭМУ вокруг спинки статора нама­тывают размагничивающую обмотку, питаемую перемен­ным током (на рис. 11.25 она не показана). Поток этой об­мотки замыкается в сердеч­нике статора, не проходя в якорь, и способствует умень­шению н. с. остаточного ма­гнетизма, которая создает погрешности в характеристи­ках ЭМУ.

Характеристики. Электромашинный усилитель с попереч­ным полем выполняется с ненасыщенной магнитной систе­мой, поэтому выходное напряжение U_вых этой машины пропорционально току управления I_у. Зависимость U_вых = f(I_у) при п = const и R_H = constназывается регулировочной характе­ристикой (рис. 11.24, а). Внешние характеристики машиныU_вых = f(I_d) при I_у = const и п = const представляют собой прямые (рис. 11.24,б), угол наклона которых к оси абсцисс зависит от степени компенсации компенсационной обмотки МДС F_ad. При недокомпенсации напряжение U_вых уменьшает­ся с ростом тока нагрузки I_d (прямая 1) из-за размагничива­ющего действия потока якоря Φ_αd. При перекомпенсации напряжение U_вых растет с увеличением тока I_d (прямая 3); при такой     характеристике     работа     ЭМУ     неустойчива.     При

 

Рис. 11.24. Регулировочная и внешняя характеристики ЭМУ с поперечным полем,

 зависимости коэффициента усиления от тока нагрузки

 

точной компенсации МДС F_ad напряжение U_вых с ростом тока I_d падает незначительно лишь за счет падения напряжения в цепи якоря (прямая 2). Обычно ЭМУ выпускают с небольшой перекомпенсацией, при которой F_к/F_ad=1.05; в этом случае внешняя характеристика располагается почти горизонтально.

Коэффициент усиления по мощности (11.54) обратно пропорционален сопротивлению нагрузки R_н, т. е. прямо пропорционален току I_d. На рис. 11.24, в показаны зависи­мости k_y = f(l_d)при п = const и I_у = const при различной степени компенсации МДС F_ad. Очевидно, чем больше ток нагрузки, тем больше и коэффициент усиления по мощности. При недокомпенсации (прямая1) коэффициент усиления меньше,  чем при полной компенсации  (прямая 2).