Лабораторная работа № 25 исследование системы «магнитный усилитель–двигатель»

Цель работы: исследование механических характеристик электро­двигателя постоянного тока при питании от магнитного усилителя.

25.1. Содержание работы

Катушка с ферромагнитным сердечником может быть регулятором некоторых электрических величин. Если такую катушку включить в цепь какого либо приемника, то при изменении длины воздушного зазо­ра сердечника изменится индуктивное сопротивление катушки, а следо­вательно, – и величина тока, напряжения, мощности приемника. Но этот зазор регулировать сложно. Поэтому в настоящее время получил рас­пространение другой способ изменения индуктивного сопротивления ка­тушки, заключающийся в подмагничивании сердечника дополнительной катушкой, питаемой постоянным током.

На этом принципе работают магнитные усилители (МУ), в которых незначительное приращение тока, напряжения или мощности в подпи­тывающей катушке вызывает существенное приращение тока, напряже­ния или мощности в приемнике, причём быстро.

Вариант устройства МУ показан на рис 25.1.

Рис. 25.1. Схема МУ с выходом на переменном токе

Основу магнитного усилителя составляют два ферромагнитных сер­дечника, на каждом из которых расположены рабочие обмотки ОР₁ и ОР₂ и обмотки управления ОУ₁ и ОУ₂.

В цепь рабочих обмоток включен приемник с сопротивлением R_П, на­пример электрический двигатель переменного тока.

Обмотки управления питаются от источника постоянного тока, они вклю­чены последовательно-встречно, что позволяет существенно уменьшить переменную составляющую тока в цепи управления, возникающую из-за магнитной связи между обмотками ОР и ОУ. Цепь ОУ является входной, а цепь ОР – выходной цепью МУ.

При изменении постоянного тока в ОУ изменяется величина постоянного магнитного потока, в связи с этим изменяется магнитная прони­цаемость и величина индуктивного сопротивления в цепи приёмника.

Так, при отсутствии подмагничивающего тока индуктивность сердечников, индуктивное сопро­тивление ОР будут наибольшими, а ток через приемник – наименьшим. С увеличением тока подмагничивания будет происходить насыщение стали, а следовательно, – уменьше­ние магнитной проницаемости, ин­дуктивного сопро­тивления ОР, но увеличится сила тока че­рез прием­ник при неизменном напряже­нии, что можно увидеть на рис. 25.2.

О

i_y5 > i_y4 > i_y3 > i_y2 > i_y1 > 0

Рис. 25.2. Кривые зависимости напряжения и тока приемника от тока подмагничивания

дной из важнейших величин, харак­теризующих магнитные уси­лители, явля­ет­ся коэффициент усиления.

Коэффициент усиления по току пред­ставляет собой отношение при­ращения тока приемника к приращению тока управ­ления

.

Коэффициент усиления по напряжению K_u – это отношение приращения напряжения потребителя к приращению напряжения обмот­ки управления:

.

Коэффициент усиления мощности выражается уравнением

,

или .

Магнитный усилитель, изображенный на рис. 3.1, называется усили­телем с выходом на переменном токе. Если потребитель рассчитан на питание постоянным током, то его включают через выпрямитель, а маг­нитный усилитель называют усилителем с выходом на постоянном токе.

В некоторых конструкциях МУ сердечник выполнен трехстержневым с трехфазной схемой выпрямления.

В автоматизированном электроприводе используют обмотки (ОС) для обратной связи. Если ток, протекающий по обмотке ОС, совпадает с током в ОУ (положительная обратная связь), то в этом случае увеличи­вается коэффициент усиления и быстродействие. Если такового совпа­дения токов не происходит (отрицательная обратная связь), то наблю­дается стабилизация процесса.

В лабораторной работе использован трехфазный магнитный усилитель с выходом на постоянном токе, питающий двигатель постоянного тока с независимым возбуждением.

Такая система электропривода «магнитный усилитель–двигатель» находила применение в промышленности в основном для нереверсивных механизмов небольшой мощности (до 10 кВт.).

К достоинствам магнитного усилителя как управляемого преобразователя для питания двигателя постоянного тока прежде всего следует отнести его высокую надежность в силу отсутствия вращающихся частей и подвижных контактов, практически неограниченный срок службы, простоту обслуживания, сравнительно высокий кпд и простоту суммирования управляющих сигналов. Недостатками их являются большие габариты и масса, а также значительная инерционность.

Основная зависимость, по которой можно судить о регулировочных свойствах МУ как преобразователя, – его нагрузочная характеристика «вход–выход», т. е. зависимость напряжения на выходе МУ от намагничивающей силы (напряжения или тока) управления при определенном постоянном значении тока нагрузки U_n = f(I_у) при I_n = const.

При работе МУ на двигатель его нагрузка зависит от скорости двигателя. С изменением скорости двигателя нагрузка МУ меняется и, следовательно, меняется его характеристика. Так как нагрузка и скорость двигателя непостоянны, то характеристики МУ представляются семейством зависимостей, снятых при различных значениях тока нагрузки и скорости двигателя.

Для расчета скоростных характеристик, определения коэффициента передачи (усиления) МУ, коэффициентов обратных связей и заданного напряжения в замкнутой системе «магнитный усилитель – двигатель» постоянного тока пользуются регулировочными характеристиками, представляющими собой зависимости выходного напряжения усилителя U_n (напряжения на двигателе) от напряжения управления U_n = f(U_y) при токе нагрузки I_n = const. Такие характеристики представлены семейством кривых на рис. 25.3.

При анализе работы системы автоматического управления (САУ) с магнитным усилителем в статических и динамических режимах удобно пользоваться токовыми регулировочными характеристиками, которые представляют собой зависимости тока нагрузки МУ от тока управления при постоянной скорости. Семейство этих характеристик представлено на рис. 25.4.

Рис. 25.3. Семейство регулировочных характеристик Un = f(Uy) при In = const

Рис. 25.4. Семейство токовых регулировочных характеристик In = f(Iy) при Ω = const

Коэффициент усиления МУ по напряжению определяется по регулировочным характеристикам (см. рис. 25.3) при постоянном токе нагрузки усилителя и является функцией напряжения управления и тока нагрузки усилителя (тока двигателя), ,

.

Коэффициент усиления МУ по току определяется по токовым регу­лировочным характеристикам (см. рис. 25.4) при постоянной скорости двигателя и является функцией тока управления и скорости двигателя

.