Лабораторна робота № 3

Дослідження і налагодження електромашинного підсилювача поперечного поля ЭМУ-25.

Мета роботи: налагодження схеми електромашинного підсилювача ЭМУ-25 без зворотного зв’язку (з обмоткою керування) та з негативним зворотним зв’язком за напругою; отримання дослідним шляхом характеристик ЕМП в різних режимах роботи; розрахункове визначення коефіцієнтів підсилення за потужністю і напругою.

3.1. Основні теоретичні відомості

Електромашинні підсилювачі поперечного поля досить широко розповсюджені в автоматизованих електроприводах завдяки їх високій швидкодії і великому коефіцієнті підсилення за потужністю (до 410⁴). ЕМП поперечного поля – генератор постійного струму з поздовжньо-поперечним збудженням. На рис. 3.1. зображена принципова схема ЕМП.

В важаємо, що магнітна система підсилювача ненасичена, тоді:

Ф₁ = С₁F₁, (3.1)

де Ф₁ – магнітний потік по поздовжній осі, який створений обмоткою керування (ОК);

F₁ – намагнічувальна сила обмотки керування.

ЕРС поперечного кола підсилювача:

Е₂ = С_ЕnФ = C₁C_EnF₁. (3.2)

Відповідно струм в поперечному колі

. (3.3)

Магнітний потік по поперечній осі,

, (3.4)

де С₁, С₂ - кутові коефіцієнти магнітних характеристик.

ЕРС холостого ходу на виході ЕМП може бути виражена рівнянням:

. (3.5)

Позначивши коефіцієнт , отримаємо:

Е_з0 = Сn²F₁. (3.6)

Таким чином, ЕРС на виході ЕМП пропорційна квадрату частоти обертання якоря.

Розглянемо фізичні процеси в ЕМП при обертанні якоря. ЕРС Е₂ в обмотці якоря наводиться магнітним потоком ОК. Найбільше значення ЕРС – на геометричній нейтралі між точками 1 і 2, де встановлені поперечні щітки, які закорочуються. Тому в обмотці якоря протікає струм I₂, який створює намагнічувальну силу поперечної реакції якоря F₂ і відповідно поперечний потік Ф₂. Цей потік при обертанні якоря буде нерухомим в просторі і наведе в обмотці якоря ЕРС Е₂ в поздовжньому напрямку. В режимі холостого ходу ЕРС буде дорівнювати Е₃₀. Найбільше значення ЕРС буде на геометричній нейтралі між точками 3 - 4, де встановлені щітки на поздовжній осі. Якщо ввімкнути ці щітки на опір навантаження R_н, то у зовнішньому колі буде протікати струм І₃, що викличе появу намагнічувальної сили поздовжньої реакції якоря F₃, і відповідно, магнітний потік Ф₃. Для компенсації цієї намагнічувальної сили вмикається компенсаційна обмотка з намагнічувальною силою F_к і магнітним потоком Ф_к.

При навантаженні напруга на виході підсилювача U_ЕМП буде залежати від спаду напруги в обмотці якоря і компенсаційній обмотці та неточної компенсації реакції якоря по поздовжній осі. ЕРС навантаженого ЕМП буде визначатись не намагнічувальною силою F₁, а результуючою намагнічувальною силою:

F_рез = F₁ – F₃ + F_K ; (3.7)

де F₃ - намагнічувальна сила поздовжньої реакції якоря;

F_K - намагнічувальна сила компенсаційної обмотки.

ЕРС ЕМП при навантаженні може бути представлена виразом:

E₃ = C n² F_рез = С n² (F₁ - F₃ + F_K) = C n² F₁ - C n² F₃ (1 - ), (3.8)

де – ступінь компенсації поздовжньої реакції якоря.

Виразивши F₃ через Е₃, отримаємо:

, (3.9)

де R₃ = R_Я + R_Щ + R_K - опір обмоток і щіткового контакту по поздовжній вісі;

R_н – опір навантаження ;

– число витків обмотки якоря.

ЕРС при навантаженні – функція опору зовнішнього кола, яка залежить від .

При  = 1 – критичній компенсації Е₃ = сn² F₁= Е₃₀ , тобто ЕРС в цьому випадку не залежить від струму навантаження.

З урахуванням (3.7) , (3.8) , (3.9) напруга на виході підсилювача визначається за формулою:

. (3.10)

При  1 , тобто недокомпенсації, ЕРС підсилювача знижується із ростом I₃ , при  > 1 – збільшується. При невеликій перекомпенсації, ( ) напруга ЕМП буде сталою, незалежно від навантаження. Однак повністю скомпенсований підсилювач ( = 1) при номінальній напрузі і більш низьких напругах виявляється перекомпенсованим, тобто має здатність до самозбудження. Тому ступінь компенсації ЕМП  повинна налагоджуватися з урахуванням режиму роботи ЕМП (рис. 3.2)

Важливими характеристиками ЕМП є коефіцієнти підсилення за потужністю і напругою.

Коефіцієнт підсилення за поту- жністю – це відношення поту- жності на виході ЕМП до потужно- сті на вході задавальної обмотки керування:

. (3.11)

Потужність на вході задавальної обмотки:

. (3.12)

Потужність на виході підсилювача:

, (3.13)

де Е₃ = U₃ + I₃R₃. (3.14)

Коефіцієнт підсилення ЕМП за напругою визначається формулою:

. (3.15)

Оскільки Е₃ пропорційна квадрату швидкості обертання ЕМП, то К_р пропорційний четвертій степені швидкості обертання.

Т ому, для збільшення коефіцієнта підсилення, ЕМП виконується високо- швидкісним (1500...6000 об/хв.) Необхідно відзначити, що через вплив полів комутованих секцій ці залежності виконуються практично тільки при малих значеннях швидкості n. Із збільшенням n ця залежність не виконується і переходить в залежність біль низької степені (рис3.3), (пунктирні криві – розрахункові, суцільні – дослідні).

Коефіцієнт підсилення ЕМП поперечного поля за потужністю коливається в межах (1...4)10⁴, а за напругою K_u = 10...100.