15.3 Электромашинные усилители

15.3.1 Генератор постоянного тока (ГПТ ) – простейший электромашинный усилитель.

Рассмотрим работу ГПТ, как простейшего электромашинного усилителя, преобразующего механическую энергию, поступающую на его вал, в электрическую энергию. Управление этим преобразованием осуществляется в цепи обмотки возбуждения генератора, мощность которой значительно меньше номинальной мощности машины. Как и для любого усилителя, для ГПТ характерной величиной будет коэффициент усиления

.

Различают коэффициент усиления по мощности (К_ГР) и по напряжению (К_ГИ). Рассмотрим подробнее эти величины, чтобы оценить ГПТ, как усилитель входных сигналов.

Коэффициент усиления по мощности

где I_Г иi_{В –} ток якорной цепи и ток возбуждения генератора ;

r_НАГР. и r_В -сопротивление нагрузки, включенной в якорную цепь ГПТ, и сопротивление его обмотки возбуждения .

Так как то

. (15.4)

Полагая, что ГПТ работает в ненасыщенной части кривой намагничивания, то есть, что , получим, что

(15.5)

Из (15.5) видно, что – экстремальная функция.

Вычисляя , нетрудно определить условия , при которых Кбудет иметь максимальное значение.

=

откуда

(15.6)

Так как весьма мало, то для получения больших значений, то есть для соблюдения условия (15.6) необходимо существенно уменьшитьr_НАГР, что практически почти невозможно.

Приближенно величину К_ГР можно определить следующим образом:.

Практически значение К_ГР,что очень мало для замкнутых САУ.

Коэффициент усиления по напряжению

Так как

,

откуда

(15.7)

Из (15.7) видно, что К_UГ = f(r_НАГР ) – экстремальная функция. Как и раньше для К_UP не трудно выяснить для каких параметров генератора К_UГ будет максимально.

,

откуда К_UГ будет иметь максимальное значение при

r_ЯГ = 0. (15.8)

Реальные значения КГИ для обычных ГПТ равны примерно ,то есть весьма невелики.

Итак, если сделать ГПТ с малым rЯГ, то будет увеличиваться КUГ и уменьшается КГР. Это показывает, что обычный ГПТ – плохой усилитель мощности.

Для получения наибольшего коэффициента усиления по мощности (КГР) разработаны и выпускались промышленностью специальные электромашинные усилители (ЭМУ).

Из всего многообразия ЭМУ в настоящее время еще могут встретиться два типа усилителей, рассмотренных ниже.

15.3.2 Эму с продольным полем ( с критическим самовозбуждением)

Такой ЭМУ – это специальная электрическая машина, имеющая до 4 – обмоток возбуждения, ненасыщенную магнитную систему с узкой петлей гистерезиса и практически без остаточного напряжения. Одна из обмоток усилителя-обмотка самовозбуждения – обеспечивает положительную обратную связь по напряжению (или току якоря ) ЭМУ и этим обеспечивает увеличение К_ГИ и К_ГР.

Обмотка самовозбуждения может быть включена параллельно якорю или последовательно с ним (рис. 15.3), остальные обмотки возбуждения могут использоваться для введения обратных связей по различным фазовым координатам САУ.

Рассмотрим работу ЭМУ с критическим самовозбуждением на примере схемы рисунка 15.3,а. Здесь обмотка 2 – обмотка самовозбуждения.

Во избежание самовозбуждения при отсутствии F1(намагничивающей силы обмотки независимого возбуждения) сопротивление обмотки самовозбуждения выбирается несколько больше критического (вольтамперная характеристика цепи самовозбуждения на рисунке 15.4 показана пунктиром ), то есть выбирается такое сопротивление обмотки2, при котором . Если бы не было обмотки 2 (самовозбуждения ),то при подаче в обмотку 1 независимого возбуждения намагничивающей силы F₁ ЭДС ЭМУ была бы равна Е₁ (это очень небольшая ЭДС, на рисунке 15.4 она искусственно увеличена для лучшего рассмотрения). Для увеличения Е1в ГПТ с независимым возбуждением надо увеличивать F₁,то есть увеличивать мощность на входе (Р_ВХ), что невыгодно.

Врассматриваемом ЭМУc самовозбуждением достаточно иметь незначительную величину F₁, и соответствующую Е₁ для того, чтобы начался процесс самовозбуждения ЭДС ЭМУ, и величина F₂ (намагничивающая сила обмотки самовозбуждения) будут увеличиваться до состояния равновесия, соответствующего точке В (пересечении характеристики холостого хода ЭМУ и линии, параллельной характеристики самовозбуждения, проведенной из точки А).

За счет явления самовозбуждения общая намагничивающая сила, создаваемая в ЭМУ во много раз больше, чем F₁. Найдем коэффициент усиления такого ЭМУ и параметры, определяющие этот коэффициент. Найдем коэффициент усиления такого ЭМУ и параметры, определяющие этот коэффициент.

Общая намагничивающая сила ЭМУ и его ЭДС равны:

(15.9)

где С = tg.

В то же время

(15.10)

откуда Подставим это значение F₂ в исходное выражение (15.9) для Е_У и получим: откуда

или . (15.11)

Коэффициент усиления ЭМУ по напряжению (К_И) равен :

. (15.12)

Это соотношение показывает ,что если сопротивление обмотки самовозбуждения равно критическому , то есть если К=С, то К

Коэффициент усиления обычного ГПТ (без обмотки самовозбуждения):

Таким образом, явление самовозбуждения ГПТ увеличивает его коэффициент усиления по напряжению в =раз.

В ЭМУ с самовозбуждением необходимо, чтобы характеристика намагничивания была бы по возможности более крутой, а сопротивление цепи самовозбуждения было бы близко к критическому.

Практически ЭМУ с самовозбуждением имеют величину К_И

Коэффициент усиления ЭМУ по мощности (К_Р) определим при допущении, что(для реальных ЭМУ

Тогда .Так как I=,то

(15.13 )

Подставляя в (15.13) выражение для _У по (15.12), получим

. (15.14)

Практически в ЭМУ с самовозбуждением величина _Р составляет.

Для повышения стабильности работы ЭМУ и независимости коэффициента усиления от температуры, обмотка самовозбуждения выполняется из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления. При этом под влиянием нагрева мало меняется К =.Существенной характеристикой ЭМУ являетсяего быстродействие Процесс нарастания ЭДС ЭМУ может быть выражен следующим соотношением

где

Т₁ и Т₂– электромагнитные постоянные времени обмоток возбуждения;

U_{B –} напряжение на обмотке независимого возбуждения.

Для ЭМУ с самовозбуждением на базе электрической машины типа МИ-32 характерны следующие данные:

T₁ 0.03c; Т₂=0.05с;. (().

В этом случае : Т=

Это достаточно большая постоянная времени для ЭМУ.

При

.

Таким образом, увеличение коэффициента усиления (уменьшение разности

К – С) одновременно приводит к снижению быстродействия усилителя (растет его электромагнитная постоянная времени),что является недостатком этого типа ЭМУ.

Рассмотрим теперь регулирование скорости электропривода в одной из систем электропривода, использующей ЭМУ с самовозбуждением (рис.5.5) ЭМУ имеет четыре обмотки возбуждения, из которых обмотки 1и 2-обмотки самовозбуждения. Обмотка 3 обеспечивает положительную обратную связь по току якоря двигателя М, а обмотка 4 – отрицательную обратную связь по напряжению.

Результирующая намагничивающая сила

За счет обратных связей по току и напряжению при определенном подборе параметров этих обратных связей обеспечивается стабилизация скорости двигателя (в пределах статизма системы регулирования ) при изменениях нагрузки (это легко видеть из соотношения рассматривая увеличение напряженияU на якоре двигателя соответственно росту падения напряжения I_CR при возрастании нагрузки I_C).

Полярность ЭМУ на схеме рисунка 15.5 показана для случая увеличения нагрузки на валу двигателя.

В схеме рисунка 15.5 обеспечивается диапазон регулирования скорости за счет изменения напряжения генератора D₁= 60/1,полный диапазон с учетом ослабления поля двигателя– D =120/1. Основное возбуждение генератора в этой схеме – от возбудителя В, а мощность ЭМУ идет лишь на регулирование скорости двигателя

изменением возбуждения генератора. Схема очень проста, использовалась для электропривода механизма подач в крупных металлорежущих станках. Может использоваться при мощности до 200 кВт, мощность ЭМУ – до 1 кВт.