5.4. Електромашинні підсилювачі

Електромашинний підсилювач (ЕМП) являє собою колекторний генератор постійного струму. В електромашинних підсилювачах вихідна (керована) електрична потужність створюється за рахунок механічної потужності приводного двигуна.

Залежно від способу порушення електромашинні підсилювачі підрозділяють на підсилювачі поздовжнього поля й підсилювачі поперечного поля. У підсилювачах поздовжнього поля основний потік порушення спрямований по поздовжній осі машини, у підсилювачах поперечного поля основний потік порушення спрямований по поперечній осі машини.

Найважливішою характеристикою ЕМП є коефіцієнт підсилення. Розрізняють коефіцієнти підсилення по потужності k_p, току k₁ і напрузі k_u:

Електромашинні підсилювачі можуть мати досить високий коефіцієнт підсилення по потужності (10³... 10⁵).

Важливим показником ЕМП є швидкодія, , яка характеризується постійною часу його ланцюгів. Електромагнітна постійна часу визначається енергією магнітного поля, що змінюється в процесі регулювання. Для електричного ланцюга постійна часу

де L - індуктивність ланцюга; R - активний опір ланцюга.

В ЕМП постійна часу τ = 0,02...0,20 с.

ЕМП повинні мати більший коефіцієнт підсилення по потужності й високою швидкодією, тобто мати мінімальні постійні ЕМП. Для зручності порівняння різних підсилювачів уводять коефіцієнт добротності k_Д:

До ЕМП, що працюють у системах автоматичного регулювання, пред'являється вимога мінімальності погрішності відображення функціональної залежності, тобто відхилення від лінійної дійсної залежності їх вихідної напруги від струму керування. При виконанні цієї вимоги ЕМП зберігає незмінне значення коефіцієнта підсилення при зміні сигналу керування.

У системах автоматичного регулювання ЕМП застосовують у якості підсилювачів потужності, що працюють в основному при перехідних режимах, у процесі яких виникають значні перевантаження по струму. Тому одним з вимог до ЕМП є гарна перевантажувальна здатність.

Найпростішим електромашинним підсилювачем (незалежним ЕМП) є звичайна колекторна машина постійного струму, що працює в режимі генератора незалежного порушення. У якості обмотки керування в ній використовується обмотка збудження головних полюсів. При необхідності число обмоток керування може бути збільшено від 2 до 4. Вихідна потужність ЕМП знімається з обмотки якоря.

На рис.5.6, а представлена схема ЕМП поперечного поля. Конструктивно ЕМП виконаний подібно генератору постійного струму, але має додатковий комплект щіток, установлених на поперечній осі qq машини й замкнених накоротко. На статорі ЕМП розташований ряд обмоток. Уздовж поздовжньої осі dd полюсів перебувають обмотки керування В (звичайно дві або чотири). Співвісно з ними розташована компенсаційна обмотка К. Для регулювання ступеня компенсації підсилювача остання шунтована регулюючим опором R_ш.

Рис. 5.6. Схеми ЕМП поперечного поля (а) та напрямку струму у провідниках якоря, який створює в ньому поперечні (б) та прокольні (в) потоки.

Розглянемо принцип дії ЕМП поперечного поля. Нехай кутова швидкість ω приводного двигуна рівна номінальної ω_ном, тобто ω = ω_ном, і до однієї з обмоток керування прикладена напруга постійного струму U_y1. При високому коефіцієнті підсилення на вхід підсилювача подається мала потужність. Тоді під дією невеликого магнітного потоку керування Ф_у в поперечному ланцюзі qq обмотки якоря виникає невелика ЕРС

де k = pn/(2πa) - конструктивний коефіцієнт, що залежить від числа пара полюсів p машини, числа пар паралельних галузей a і числа провідників N в обмотці якоря. У поперечному ланцюзі якоря проходить струм I₂, значення якого досить велике, тому що ланцюг має малий опір.

Застосування електромашинних підсилювачів

Електромашинні підсилювачі випускають серійно й широко застосовують у системах автоматичного регулювання й автоматизованого електропривода. У системах генератор - двигун - генератор, а часто й збудник, по суті являє собою незалежні ЕМП, з'єднані в каскад. Найбільше поширення одержали ЕМП поперечного поля. Ці підсилювачі мають наступні основні переваги:

• великий коефіцієнт підсилення потужності ( до 0,5 • 10⁴ в ЕМП потужністю менш 750 Вт і до 10⁵ в ЕМП більшої потужності);

• малу вхідну потужність, що дозволяє харчувати обмотки керування від електронних підсилювачів;

• достатня швидкодія, тобто малі постійні часу ланцюгів підсилювача (в ЕМП потужністю до 750 Вт еквівалентна електромагнітна постійна часу становить близько 0,1...0,2 с);

• достатні надійність, довговічність і широкі діапазони зміни потужності;

• можливість зміни характеристик шляхом регулювання ступеня компенсації.

Недолік ЕМП –наявність залишкової ЕРС. Що наводиться в якорі потоком залишкової намагніченості, вона спотворює лінійну залежність вихідної напруги від вхідного сигналу в зоні малих сигналів; при цьому порушується однозначність залежності вихідних параметрів ЕМП від вхідних і змінюється полярність вхідного сигналу, тому що потік залишкового магнетизму при одній полярності сигналу збільшує потік керування, а при іншій - зменшує.

Слід зазначити, що із впровадженням магнітних і тиристорних підсилювачів використання ЕМП в системі генератор-двигун значно скоротилося. Однак ЕМП знаходить усе більше застосування в системах ЕМП-двигун, де ЕМП використовується в якості генератора, що харчує двигун. У результаті використання проміжних напівпровідникових підсилювачів значно збільшилися діапазони регулювання й швидкодія електроприводів, що працюють по системі ЕМП-двигун. Такі електроприводи застосовують у різних областях, у зв'язку із чим росте виробництво ЕМП поперечного поля. Останній обставині сприяє наявність декількох обмоток керування в ЕМП , що дозволяє порівнювати сигнали й уводити зворотні зв'язки.

Рис. 5.7. Структурна схема приводу антени

На рис.5.7 показана схема привода антени радіолокаційної станції в режимі кругового обертання з постійною кутовою швидкістю. Схема складається з виконавчого двигуна постійного струму з якірним керуванням ИД, що приводить в обертання антену А, тахогенератора постійного струму ТГ, механічно пов'язаного з валом ИД, і двох підсилювачів: електронного ЭУ й ЕМП поперечного поля. При потужності виконавчого двигуна в кілька сотень ватів і більш така двоступінчаста схема посилення з ЕМП поперечного поля може мати кращі техніко-економічні характеристики, чому чисто електронна. елементом, що задає, є дільник напруги ДН, що харчується від джерела постійного струму.

Привод працює в такий спосіб. Необхідна кутова швидкість задається відповідною еталонною напругою U_э. Ця напруга через елемент порівняння З надходить на вхід підсилювача ЭУ. Після посилення в ЭУ й ЕМП напруга Uy подається на обмотку керування виконавчого двигуна, обмотка збудження якого постійно підключена до джерела напруги U₁. Ротор двигуна починає обертатися й повертати антену А и ротор тахогенератора ТГ. Вихідна напруга тахогенератора U_Г рівняється у вузлі С з еталонною напругою U_э, і на виході підсилювального каскаду встановлюється постійне значення U_y, обумовлене напругою неузгодженості U_p. Ротор ИД і антена безупинно обертаються з постійною кутовою швидкістю.