Вопросы для самопроверки

1. Какое преобразование энергии осуществляется электромашинным усилителем?

2. В качестве каких элементов систем автоматики используются электромашинные усилители поперечного поля?

3. Каких значений достигает номинальная мощность электромашинных усилителей поперечного поля без подмагничивающей обмотки?

4. Что удобно считать выходной и входной координатами электромашинного усилителя поперечного поля?

5. Сколько ступеней усиления мощности управляющего сигнала имеет электромашинный усилитель поперечного поля?

6. Каких значений может достигать коэффициент усиления мощности управляющего сигнала электромашинного усилителя поперечного поля?

7. Что такое коэффициент усиления напряжения электромашинного усилителя поперечного поля?

8. Что такое коэффициент усиления тока электромашинного усилителя поперечного поля?

9. Каких значений достигает номинальная мощность электромашинных усилителей поперечного поля с подмагничивающей обмоткой?

10. Какой процесс в магнитной цепи электромашинного усилителя поперечного поля обусловливает неоднозначность его характеристик управления?

11. Какие мероприятия позволяют уменьшить неоднозначность характеристик управления электромашинного усилителя поперечного поля?

12. Какой вид имеет передаточная функция электромашинного усилителя поперечного поля, когда входное напряжение управления подается только на первую обмотку управления, а выходная координата - ЭДС продольных щеток?

13. Что происходит с эквивалентной электромагнитной постоянной времени любой из обмоток управления в случае, если кроме нее источники управляющих напряжений подключены и к другим обмоткам управления электромашинного усилителя?

14. Отношением каких параметров определяется электромагнитная постоянная времени цепи короткозамкнутых щеток электромашинного усилителя поперечного поля?

15. Отношением каких параметров определяется электромагнитная постоянная времени цепи любой обмотки управления электромашинного усилителя поперечного поля?

2.3. Магнитные усилители с выходом на постоянном токе

Одним из наиболее надежных типов регулирующих устройств являются магнитные усилители (МУ), основой которых служит ферромагнитный сердечник с обмотками. Существует несколько типов МУ. Для питания обмоток двигателей наиболее целесообразно применять МУ с самонасыщением, обладающие по сравнению с другими типами усилителей большим коэффициентом усиления и меньшими габаритами при одинаковой мощности. Схема простейшего МУ с самонасыщением приведена на рис. 2.6, а. При изменении постоянного тока в обмотке управления меняется магнитная проницаемость сердечника и, как следствие, индуктивное сопротивление рабочей обмотки, включенной последовательно с нагрузкой. В результате напряжение питающей сети перераспределяется между рабочей обмоткой и нагрузкой и появляется возможность регулировать среднее значение напряжения на нагрузке.

В работе усилителя различают рабочий полупериод (рис. 2.6, б, г), когда напряжение питающей сети U открывает вентиль и по рабочей цепи через нагрузку течет ток i_р, и управляющий полупериод, когда это напряжение закрывает вентиль и сердечник находится под воздействием напряженности H_у магнитного поля, создаваемого током управления I_у в обмотке управления w_у.

Идеализированная петля гистерезиса ферромагнетика, из которого изготовлен сердеч­ник, изображена на рис. 2.6, в. Как показано стрелками, напряженность H_р, создаваемая током i_р в ра­бочей обмотке w_р, перемагничивает сердечник по частному циклу «вверх» и уводит маг­нитную индукцию B в область насыщения +B_s. В управляю­щий полупериод напряжен­ность H_у возвращает сердеч­ник к исходному состоянию, из­меняя индукцию «вниз» на ве­личину ΔB_у.

Р ассмотрим подробнее ра­боту усилителя в рабочий по­лупериод. На участке 0 - _s индукция изменяется, оста­ваясь на вертикальном участке гистерезисного цикла, и созда­ет падение напряжения на ра­бочей обмотке (рис. 2.6, б):

u_р = w_рsdB/dt , (2.5)

где w_р - число витков рабочей обмотки; s - сечение сердечника; t - текущее время.

Падение напряжения u_р почти полностью уравновешивает напря­жение питающей сети (небольшая часть напряжения сети уравно­вешивается падением напряжения на R_нагр от тока i_p). В момент времени _s индукция достигает насыщения и, следовательно, изме­няться (увеличиваться) не может. Падение напряжения u_р стано­вится равным нулю, и ток i_p скачком возрастает, уравновешивая в оставшуюся часть рабочего полупериода (_s - л) напряжение сети за счет падения напряжения на нагрузке. К концу рабочего полупериода ток i_p уменьшается, и точка, характеризующая состоя­ние сердечника, оставаясь все это время на «горизонтальном», насыщенном участке гистерезисного цикла, приближается к оси ординат. Когда вентиль закрывается, индукция, как уже упоми­налось, в управляющий период изменяется «вниз» на ΔВ_у.

Чем больше ток, а следовательно, и напряженность управле­ния, тем «глубже» опустится индукция в управляющий полупериод. Таким образом, в рабочий полупериод индукция будет доль­ше оставаться на вертикальном участке гистерезисного цикла, то есть участок 0 - _s увеличится, что приведет к уменьшению среднего значения напряжения U_ср на нагрузке, которое прямо пропорционально заштрихованной области на рис. 2.6, б .

Определим выходное напряжение на нагрузке как разность между напряжением сети и падением напряжения на рабочей обмотке:

u_вых = u - u_р (2.6)

Считая напряжение сети синусоидальным u = U_m sint ( где U_m - амлитудное значение напряжения сети,  - угловая частота этого напряжения ) и подставив (2.5) в (2.6), проинтегрируем (2.6) и разделим на 2, в результате чего получим среднее значение напряжения на нагрузке

.

Учитывая, что интеграл второго слагаемого правой части сводится к изменению индукции в рабочий полупериод ΔВ_р, найдем

. (2.7)

Подставив в (2.7)  = 2f и ΔB_р = | ΔB_у |, окончательно определим

. (2.8)

Зависимость ΔВ_у = f (Н_у) для магнитных материалов, из которых изготавливают сердечники магнитных усилителей с самонасыщением, имеет вид, показанный на рис. 2.6, д, а построенная по (2.8) с учетом графика ΔВ_у = f (Н_у) зависимость напряжения на нагрузке U_ср = f(H_у) приведена на рис. 2.6, г.

На рис. 2.7, а приведена схема однофазного мостового МУ с выходом на постоянном токе. Магнитный усилитель в этой схеме, по сравнению с приведенным ранее простейшим, имеет ряд особенностей. Во-первых, он двухполупериодный, то есть ток в нагрузке, которая подключается к зажимам 1 и 2, протекает как в положительный, так и в отрицательный полупериоды напряже­ния питания. Это достигнуто благодаря двум сердечникам и двум рабочим обмоткам с вентилями, которые соединены так, что, когда один сердечник находится в состоянии управляющего, другой находится в состоянии рабочего полупериода. Во-вторых, мостовая схема из вентилей выпрямляет выходное напряжение, среднее значение которого на нагрузке

U_ср = 2(U_m / ) -2fw_рs|ΔB_у|

в 2 раза выше, чем в простейшей схеме.

В-третьих, усилитель имеет две обмотки управления, охваты­вающие оба сердечника. Одна из них обтекается постоянным током неизменной величины и выполняет роль обмотки смещения. Из рис. 2.7, б видно, что за счет напряженности H_см этой обмотки исходная точка характеристики смещена так, что при отсутствии тока управления в обмотке управления w_у напряжение U_ср на выходе минимально. Необходимое значение H_см устанавливается изменением напряжения смещения U_см, которое должно подаваться на обмотку смещения.

Подавая ток в обмотку управления, создающую напряженность, направленную, как показано на рис. 2. 7, б, навстречу напряженности смещения H_см, можно изменять среднее значение напряжения на нагрузке. Значение тока в обмотке управления регулируется изменением напряжения управления U_у, которое будет входной координатой МУ.

Напряженности магнитного поля, создаваемые обмоткой управления и обмоткой смещения, будут пропорциональны их магнитодвижущим силам:

F_у = U_у w_у / R_у; F_см = U_см w_см / R_см,

где w_у - число витков обмотки управления; R_у - сопротивление цепи обмотки управления; w_см число витков обмотки смещения; R_см- сопротивление цепи обмотки смещения.

На рис. 2.7, б приведена характеристика управления магнитного усилителя с самонасыщением при наличии напряжения смещения. Данная характеристика представлена в виде зависимости выходного напряжения U_ср от напряженности магнитного поля H_у, а на рис. 2.7, в - семейство внешних характеристик. Ось абсцисс характеристики управления при наличии смещения показана пунктирной линией. Характеристика управления нелинейная. При нулевом значении U_у и соответственно нулевом значении H_у на выходе усилителя будет присутствовать некоторое небольшое остаточное значение на-

пряжения U_ср, обусловленное тем, что в реальной схеме при отсутствии напряжения управления индуктивное сопротивление рабочей обмотки не будет бесконечным.

В литературе также часто приводится характеристика управления МУ в виде зависимости напряжения U_ср от тока обмотки управления I_у, который связан с напряженностью магнитного поля этой обмотки соотношением I_у = H_у / w_у. Таким образом, характеристика управления в таком виде отличается от характеристики, приведенной на рис. 2.7, б, только масштабом по оси абсцисс графика, однако она более удобна для использования в расчетах систем автоматики.

Н а рис. 2.7, в приведены внешние характеристики МУ при работе на активно-индуктивную нагрузку. Подъем характеристик при малых токах нагрузки обусловлен режимом прерывистого тока. Внешние характеристики для стандартных серий МУ приводятся в справочной литературе.

В приближенных расчетах допускается аппроксимация внешних характеристик и характеристик управления прямыми линиями.

В режиме холостого хода в предположении линейности характеристики управления в рассматриваемом диапазоне изменения координат, динамика МУ, например, по первой обмотке управления описывается передаточной функцией

W(p)_му = ΔU_ср (p) /ΔU_у1(p) = e^-p k_му / [T_уp+1],

где ΔU_ср (p), ΔU_у1(p) - изображение приращения среднего выходного напряжения МУ на холостом ходу и соответствующего ему приращения напряжения первой обмотки управления; k_му1= ΔU_ср /Δu_у1 = (ΔU_ср/ΔI_у1)(1/R_у1) - коэффициент усиления по напряжению первой обмотки, определяемый по аппроксимированной характеристике управления, представленной в виде зависимости напряжения U_ср от тока обмотки управления I_у1, R_у1 = R_оу1 + R_д1 - активное сопротивление цепи с первой обмоткой управления; R_оу1 - собственное активное сопротивление первой обмотки управления; R_д1 - внешнее добавочное сопротивление в цепи первой обмотки управления; T_у1 = L_оу1 / R_у1 - электромагнитная постоянные времени цепи с первой обмоткой управления; L_оу1 - собственная индуктивность первой обмотки управления;  = 1/ (2f) - время чистого запаздывания; f - частота напряжения питающей сети.

Следует иметь в виду, что приведенная передаточная функция МУ справедлива только при одной задействованной в работе обмотке управления.

Обычно МУ в схемах автоматики имеют несколько обмоток управления, образующие замкнутые через источники управляющих сигналов контуры, по которым могут замыкаться токи в переходных режимах в цепях управления. Эти токи возникают под действием ЭДС взаимоиндукции, наводящихся в обмотках при изменении тока в любой из них, так как они связаны общим магнитным потоком. По правилу Ленца индуктируемые токи препятствуют изменению тока в любой из обмоток, происходящего под действием изменения напряжения управления, приложенного к этой обмотке. Это ведет к ухудшению быстродействия МУ и, соответственно, к увеличению электромагнитных постоянных времени обмоток управления. При этом эквивалентная постоянная времени любой из n обмоток управления будет определяться по формуле

,

где T_оуi = L_оуi / R_оуi - электромагнитная постоянная времени i-й обмотки управления; L_оуi - собственная индуктивность i-й обмотки управления; R_оуi- собственное активное сопротивление i-й обмотки управления; R_уi - активное сопротивление цепи i-й обмотки управления.

Если на вход МУ подают одновременно n управляющих напряжений, каждое из этих напряжений на свою обмотку управления, то приведенное к первой обмотке результирующее напряжение управления ΔU^'_у1:

,

г де ΔU_уi - изменение напряжения на i-й обмотке управления; w_уi - число витков i-й обмотки управления; i - номер обмотки управления.

Для питания якорных обмоток двигателей обычно используют трехфазные МУ, схемы которых показаны на рис. 2.8. Диоды схемы, приведенной на рис. 2.8 , а, включены по нулевой схеме выпрямления, а схемы на рис. 2.8, б - по мостовой схеме. Использование трехфазных схем, по сравнению с однофазными, улучшает массогабаритные показатели МУ, снижает уровень пульсаций выходного напряжения и позволяет выполнять усилители на большую номинальную мощность.

Существуют также и реверсивные МУ с выходом на постоянном токе. Такие МУ могут, например, использоваться для питания якорных цепей двигателей реверсивных электроприводов постоянного тока или цепей обмоток возбуждения генераторов. На рис. 2.9 приведен однофазный реверсивный МУ с самонасыщением и его характеристики. Схема такого МУ с балластными сопротивлениями приведена на рис. 2.9, а. Он состоит из двух нереверсивных усилителей МУ1 и МУ2.

На рис. 2.9, б приведена характеристика управления этого усилителя - зависимость среднего значения тока нагрузки I_ср от напряжения управления U_у. В качестве нагрузки МУ рассматривается обмотка возбуждения ОВ генератора постоянного тока.

Обмотки управления отдельных нереверсивных усилителей включаются последовательно или параллельно и соединяются так, чтобы входной сигнал управления увеличивал ток на выходе одного из усилителей, например, МУ1, и уменьшал ток на выходе МУ2.

Балластные сопротивления исключают короткозамкнутые контуры для выходных токов усилителей.

О сновной недостаток реверсивных усилителей с балластными сопротивлениями - низкий коэффициент полезного действия, обычно не более 20 - 25 % при работе на активно-индуктивную нагрузку.

Магнитные усилители, их работа и характеристики подробно рассмотрены в /2/.