книги из ГПНТБ / Основы авиационной автоматики учеб. пособие

где Rn — сопротивление нагрузки;

R„ — сопротивление обмотки якоря.

Увеличивать коэффициент усиления за счет увеличения тя. нельзя, так как при этом происходит увеличение /?я, что умень­ шает /г. Влиять на k за счет изменения wy также нельзя, так как при уменьшении wy мы уменьшаем индуктивность , а следова­ тельно, и постоянную времени, так как Т = Ly = w y-.

Наиболее рациональным способом повышения коэффициента усиления является увеличение частоты вращения. В этом случаерост коэффициента усиления не ухудшает динамические свойст­ ва электромашинного усилителя (не влияет на Т) и, кроме того,, увеличение частоты вращения позволяет получить меньшие габа­ риты и вес. В авиационных ЭМУ частота вращения берется по­ рядка 6000—12000 об/мин. При этом k = l - е - 2 , 7'=0,1 ч- 0,03 с.

Более широкое распространение получили двухкаскадные элект­ ромашинные усилители с поперечным полем. В таких электромашинных усилителях два каскада усилителя конструктивно объединены в одноякорном генераторе постоянного тока, приво­ димом во вращение двигателем, находящимся с ним в одном кор­ пусе.

ЭМ У

Конструктивная схема ЭМУ приведена на рис. 2.23,а, а егоусловное обозначение в схемах — на рис. 2.23,6. Маломощная обмотка управления тіУупри питании входным напряжением соз­ дает магнитный поток Фу. От этого потока в обмотке якоря воз­ никает э.д.с. Еп, которая могла бы быть зафиксирована на по­ перечных щетках 1—1. Поперечные щетки замкнуты накоротко,, вследствие этого в обмотке якоря протекает значительный попе­ речный іок / п, хотя Фу и Нп невелики. Поперечный ток / п, образует неподвижный в пространстве поперечный поток реак­ ции якоря Фп, замыкающийся через полюсные башмаки (рис. 2.23,а). В поле этого неподвижного поперечного потока вращает--

107

ся обмотка якоря л поэтому с перпендикулярно расположенных продольных щеток 2—2 можно снять напряжение мвых, которое ■и является выходным .напряжением усилителя. При нагрузке в цепи щеток 2—2 потечет ток якоря, который создаст поток реак­ ции якоря, направленный вдоль оси продольных щеток 2—2. Этот поток будет вычитаться из потока управляющей обмотки w y и уменьшать величину результирующего магнитного потока по

продольной оси машины, а вместе с тем и величину коэффициента усиления ЭМУ. По

%своему действию этот поток реакции якоря эквивалентен отрицательной обратной свя­ зи, охватывающей оба каскада усилителя. Из-за этой отрицательной обратной связи коэффициент ЭМУ весьма невелик, так как поток реакции якоря Ф„ имеет достаточно большую величину. Чтобы обеспечить зна­

%f*. чительный коэффициент усиления, отрица­

компенсации оба потока равны друг другу.

Для изменения величины компенсации служит регулировоч­ ное сопротивление RK. Схема расположения магнитных потоков в ЭМУ приведена на рис. 2.24.

Вид статической характеристики мВых = / ( цВх) усилителя с поперечным полем подобен характеристике однокаскадного ЭМУ (см. рис. 2.22,6) с тем, разумеется, отличием,, что усиление по на­ пряжению и мощности в двухкаскадном усилителе во много раз выше, чем в однокаскадном. Коэффициент усиления по мощно­ сти ЭМУ с поперечным полем достигает 5000—6000. Высокий коэффициент усиления по мощности и небольшая .входная мощ­ ность позволяют осуществлять питание обмотки управления ЭМУ непосредственно от электронного усилителя.

Передаточная функция электромашиннопо усилителя с попе­ речным полем при точной компенсации может быть представле­ на как произведение передаточных функций двух инерционных звеньев:

— постоянные времени цепи обмотки управления и попереч­ ной цепи якоря соответственно;

108

—коэффициент усиления по напряжению.

Если сделать поток Фк несколько большим Фя (ем. рис. 2.24), то можно сделать коэффициент усиления k независимым от нагрузки R„. Такой усилитель иногда называют компенсиро­ ванным. Для двухкаскадного ЭМУ наиболее действенным сред­ ством уменьшения запаздывания при заданном коэффициенте усиления является увеличение числа оборотов якоря, так как k зависит от квадрата п.

Изменение обмоточных данных так же, как и в случае одно­ каскадного электромашшшого усилителя, менее эффективно, чем изменение п.

Основным недостатком электромашинного усилителя являет­ ся сравнительно высокий уровень собственных помех. Эти поме­ хи обусловлены коллекторными и зубцовыми гармониками вы­ ходного напряжения, кроме того, имеется постоянная состав­ ляющая напряжения, вызванная остаточным магнетизмом цепи возбуждения. Нужно отметить также, что коллектор ограничива­ ет высотность применения электромашинных усилителей.

Магнитные усилители

Как было показано выше, для усиления электрических сигна­ лов могут быть использованы любые нелинейные элементы, со­ противление которых зависит от величины управляющего тока или напряжения. В магнитных усилителях такими нелинейными элементами являются дроссели с насыщающимися сердечниками, индуктивное сопротивление которых меняется при подмагничивании током управления. В качестве материалов для изготовле­ ния сердечников используются стали, железоникелевые сплавы типа пермаллой или другие сплавы с высокой проницаемостью. Магнитные усилители получили весьма широкое распростране­ ние в современных автоматических устройствах и системах. Они используются в качестве усилителей мощности, бесконтактных (магнитных) реле, модуляторов, в счетно-решающих устройст­ вах, для выполнения различных математических операций и др. Чрезвычайно широкое распространение магнитных усилителей обусловлено их высокой надежностью, простотой эксплуатации, стабильностью характеристик, большим коэффициентом усиле­ ния по мощности и целым рядом других достоинств. Конст­ руктивная схема простейшего магнитного усилителя приведена на рис. 2.25,а, а его условное изображение — на рис. 2.25,6. На

109

Характер изменения индуктивности обмоток wp при измене­

в нагрузке и напряжения сети.

Изменение тока означает изменение напряжения на нагрузоч­ ном сопротивлении и изменение мощности в нагрузке. Таким об­ разом, изменяя насыщение сердечника за счет тока управления, можно менять величину мощности в нагрузке. Поскольку ^ и L зависят не только от /у, но и от тока /р в рабочих обмотках, то для вычисления основной характеристики магнитного усилителя / р = / (/у) попользуют экспериментально снятые кривые одно­ временного намагничивания магнитного материала переменным и постоянным полями 5~ = / ( / / - , Ну). На основе кривых =

последнее время более широкое распространение получил анали­ тический метод определения указанной характеристики, осно­ ванный на прямоугольной аппроксимации кривой намагничива­ ния.

Этот метод позволяет доказать весьма важное свойство ра­ венства МДС обмоток постоянного и переменного токов

справедливого для линейной части характеристики (рис. 2.27), и получить ряд общих аналитических соотношений. Рассмотрим основные положения этого метода. Будем считать, что кривая на­ магничивания материала сердечников имеет прямоугольную форму (рис. 2.28). Такая идеализация принимается вследствие

111

того, что современные магнитные материалы для магнитных уси­ лителей обладают весьма высокой магнитной проницаемостью в ненасыщенном состоянии и малой напряженностью насыщения.

Для идеализированной кривой (см. рис. 2.28) принимается, что в

•ненасыщенном состоянии напряженность Н = О, а магнитная про­ ницаемость р=оо; в зоне насыщения индукция В = Bs =~ const, а

jx = 0. Уравнения напряжений для цепи рабочей обмотки и об­ мотки управления имеют вид:

3 ~

В5 ----------

112

токи Ф\ и Фу вычитаются. На основании закона полного тока можно записать:

H1l = X0pip + w y iy = O.

В ненасыщенном состоянии токи в рабочих обмотках и в об­ мотке управления равны нулю и, следовательно, условие равен­ ства МДС обмоток постоянного и переменного токов (2.40) фор­ мально выполняется.

Уравнения (2.37) и (2.38) с учетом (2.41) будут

Управляющее напряжение иу постоянно (или .медленно меняет­ ся) и относительно мало. Поэтому разность В\—В2 (2.43) в ин­ тервале ненасыщенного состояния медленно меняется, оставаясь почти постоянной и равной индукции Ву\

2аiWpS

Характер изменения В\ и В2, определяемый уравнениями (2.49) и (2.50), показан на рис. 2.29,6. Индукции В\ и В2 изменяются по закону косинуса. Из рис. 2.29,6 видно, что при поло­ жительном напряжении нр ин­ дукции В 1 и Во в обоих сердеч­ никах будут возрастать и оба сердечника в интервале w t= = 0ч-Ѳ^ остаются ненасыщенны­ ми. Значение Ѳх носит название угла насыщения. При и>і = Ѳ5 сердечник / становится насыщен­

ным.

Рассмотрим процессы в маг­ нитном усилителе при wt > Qs, когда сердечник 1 становится на­ сыщенным: Bs. Дальнейший рост индукции в нем прекраща­

ется -jj- = 0. Сердечник 2 при

114

Тогда на основании закона полного тока запишем:

Разность двух м.д.с. равна нулю, а .их сумма отлична от нуля, что может иметь место только при равенстве этих м.д.с. Отсюда имеем

Следовательно, во всем рабочем диапазоне в магнитном усили­ теле мгновенные значения м.д.с. рабочей обмотки и обмотки уп­ равления равны между собой. Если равны мгновенные значения м.д.с., то равны и их средние и соответственно эффективные (среднеквадратичные) значения

Из (2.54) имеем

W

другом масштабе) изменение тока ір в рабочей обмотке. Харак­ тер изменения токов ір и /у показан на рис. 2.29,в, г. Как в ра­ бочих обмотках, так и в обмотке управления имеют место им­ пульсы тока: в рабочей — разной полярности, в управляющей — одной полярности. Это означает, что частота импульсов тока в

суммируются) изменение индукции ограничено характером кри­

ток wp равно нулю и ток в нагрузке определяется напряжением источника Up и активным сопротивлением рабочей цепи. Такой режим называется режимом насыщения или режимом макси­ мальной отдачи. В этом режиме в течение всего времени напря­

116