6.4. Усилители мощности

Усилитель мощности (УМ) должен обеспечить усиление управляющего сигнала, снимаемого с ФЧУ, до мощности, необходимой для нормального функционирования ЭИД.

Как отмечалось, ИД следящих приводов ААУ должны развивать мощность в диапазоне . Следовательно, УМ на номинальных режимах работы с учетом потерь должны развивать еще большую мощность. Техническая реализация УМ таких мощностей для существующих типов электрических ИД постоянного тока наиболее просто осуществляется применением электромашинных усилителей.

Электромашинным усилителем (ЭМУ), используемые в ААУ, называют устройство, состоящее из генератора или двух генераторов постоянного тока в общем случае с несколькими обмотками возбуждения, и электродвигателя, обеспечивающего вращение генератора(ов). Электродвигатель, приводящий генератор(ы) во вращение, может быть переменного или постоянного тока. Основное требование к двигателю ЭМУ – обеспечить постоянную скорость вращения генератора(ов) при изменении нагрузки генератора(ов) в широком диапазоне, т.е. двигатель должен иметь жесткую нагрузочную характеристику.

Другое название ЭМУ – амплидин – произошло от латинского amplifico – усиливать и динамо-машина – устаревшего названия электрического генератора постоянного тока.

По числу ступеней усиления ЭМУ делят на одно-, двух- и трехступенчатые. По ориентации управляющего магнитного потока второй ступени двух- и трехступенчатые ЭМУ подразделяются на ЭМУ с поперечным, ЭМУ с продольным и ЭМУ с продольно-поперечным полем.

Как сложное техническое устройство ЭМУ характеризуется рядом ТТХ. Однако, рассматривая ЭМУ как элемент ЭСлПр, необходимо знать только характеристики его динамических свойств.

Н

17*

аиболее совершенным типом электромашинного усилителя является ЭМУ с поперечным полем (рисунок 6.8). Такое название этот ЭМУ получил потому, что магнитное поле, вызывающее возникновение э.д.с. на его рабочих щетках, направлено не по оси обмотки управления (продольной оси; на рисунке 6.8 это вертикальная ось), как у обычных генераторов постоянного тока, а магнитным полем, направленным перпендикулярно оси обмотки управления (поперечной оси; на рисунке 6.8 – горизонтальная ось).

Генератор ЭМУ с поперечным полем конструктивно представляет собой генератор постоянного тока с обм откой управления (ОУ), сериесной (компенсационной) обмоткой (ОС) и двумя парами щеток, расположенными взаимно перпендикулярно: одна пара щеток расположена на продольной (вертикальной) оси; вторая – на поперечной (горизонтальной) оси.

Щетки на поперечной оси генератора соединены накоротко и вместе с частью обмотки якоря (те витки, которые находятся под полюсами, на которые намотаны обмотки управления и которые пересекают магнитный поток ОУ с максимальной скоростью) образуют короткозамкнутый контур.

Щетки на продольной оси генератора соединены с нагрузкой. Витки якоря, соединенные с продольными щетками, расположены перпендикулярно продольной оси генератора и пересекают магнитный поток короткозамкнутых витков якоря с максимальной скоростью.

ОУ состоит из двух одинаковых секций ОУ1 и ОУ2, геометрические оси которых совпадают. Концы (или начала) секций ОУ соединены и эта средняя точка заземлена. Это обстоятельство, при приложении управляющего напряжения , снимаемого с ФЧУ, обеспечивает протекание по секциям обмоток токов, направленных навстречу друг другу. Встречное включение секций ОУ призвано исключить влияние гистерезиса магнитопроводов и обеспечить линейную характеристику генератора. Отметим, что линейность характеристики генератора ЭМУ обеспечивается также и тем, что магнитопроводы генератора работают не при полном насыщении.

Разность токов в ОУ создает магнитный поток , направленный по оси ОУ, т.е. по продольному направлению генератора. В витках якоря генератора, пересекающего магнитный поток, наводится э.д.с., обеспечивая протекание тока по короткозамкнутым виткам якоря генератора.

Ток создает магнитный поток якоря , направленный по поперечной оси генератора. Величина магнитного потока зависит от величины магнитного потока , скорости вращения якоря генератора и сопротивления короткозамкнутого контура.

В витках якоря генератора, пересекающего магнитный поток ,также наводится электродвижущая сила, которая снимается со щеток якоря, расположенных на продольной оси генератора.

При наличии нагрузки генератора через якорь протекает ток . Ток нагрузки вызывает магнитный поток реакции якоря генератора электромашинного усилителя (определяется противо-э.д.с. якоря), который направлен по продольной оси генератора навстречу магнитному потоку управляющей обмотки. Для устранения влияния реакции якоря служит сериесная обмотка (ОС), создающая магнитный поток , призванный компенсировать магнитный поток реакции якоря (т.е. магнитный поток , рисунок 6.8).

При полной компенсации реакции якоря магнитный поток , создаваемый обмоткой управления, может быть весьма незначительным. Его значение определяется лишь тем, чтобы в короткозамкнутой цепи наводилась электродвижущая сила, достаточная для поддержания тока .

Динамические характеристики ЭМУ (его передаточную функцию), будем определять, предполагая, что генератор ЭМУ работает в режиме полной компенсации. Так как магнитная система генератора не насыщена, то индуктивность цепей можно считать постоянными, а магнитные потоки – пропорциональными токам; рассеиванием магнитных потоков пренебрегаем.

Рассмотрим сначала первую ступень усиления генератора («управляющая обмотка – короткозамкнутые витки якоря») и определим ее передаточную функцию. Входным сигналом для первой ступени усиления является управляющее напряжение , выходным сигналом – электродвижущаяся сила, наводимая в короткозамкнутых витках якоря генератора ЭМУ .

Секции обмотки управления ОУ1 и ОУ2 выполнены одинаковыми с активными сопротивлениями и индуктивностями . Токи, протекающие по секциям, обозначены через и .

Уравнение напряжений на каждой секции определяется падением напряжений на активном сопротивлении, противо-э.д.с., вызываемой током в данной секции, и э.д.с., наводимой соседней секцией. Уравнения напряжений соответственно для ОУ1 и ОУ2 будут

;

.

Суммарное напряжение управления на входе первой ступени усиления ЭМУ определится как

. (6.1)

Токи , , протекающие по ОУ1, ОУ2, создают магнитные потоки , , пропорциональные токам и числу витков ( ):

;

,

где – коэффициент пропорциональности, определяемый размерностью параметров.

Суммарный магнитный поток управления будет равен

. (6.2)

Магнитный поток пересекается витками якоря ЭМУ и в них наводится э.д.с. индукции. Величина этой э.д.с. индукции зависит от скорости вращения якоря ЭМУ и от ориентации плоскости витков к направлению магнитного потока . Если пренебречь рассеиванием магнитного потока, то в короткозамкнутых витках якоря генератора ЭМУ, плоскость которых перпендикулярна потоку , наводится э.д.с. индукции , определяемая выражением

, (6.3)

где – коэффициент пропорциональности, определяемый размерностью параметров.

Электродвижущая сила в короткозамкнутых витках якоря генератора ЭМУ с активным сопротивлением вызывает ток , а индуктивность короткозамкнутых витков препятствует изменению тока в них. Уравнение напряжений в короткозамкнутых витках ротора генератора ЭМУ будет иметь вид

. (6.4)

Передаточную функцию первой ступени усиления ЭМУ как отношение изображений Лапласа выходной и входной величин, определим следующим образом. Из уравнения (6.3) найдем выражение для , подставим его в уравнение (6.2), а из уравнения (6.2), в свою очередь, получим выражение для , которое подставим в уравнение (6.1):

. (6.4)

Вводя обозначения – коэффициент усиления первой ступени ЭМУ и – постоянная времени первой ступени ЭМУ, и применяя преобразование Лапласа к левой и правой частям уравнения (6.4), будем иметь

,

где , – преобразования Лапласа соответственно, входной и выходной величин первой ступени усиления ЭМУ.

Выражение для передаточной функции первой ступени усиления ЭМУ будет иметь вид

.

Ток в короткозамкнутых витках якоря генератора ЭМУ с числом витков создает магнитный поток

. (6.5)

Конструкция якоря генератора ЭМУ выполнена таким образом, что магнитный поток направлен поперек геометрической (на рисунке 6.7 вертикальной) оси генератора ЭМУ.

Магнитный поток также пересекается витками якоря генератора ЭМУ и в них также наводится э.д.с. индукции. Максимальное значение этой э.д.с. индукции будет в витках якоря, соединенных с вертикальными (продольными) щетками

. (6.6)

Здесь предполагаем, что при одинаковых параметрах вертикальных и горизонтальных щеток якоря генератора ЭМУ коэффициент пропорциональности такой же, как в выражении (6.3).

Электродвижущая сила при замыкании внешней цепи на нагрузку вызывает в ней ток якоря генератора ЭМУ. Уравнение напряжений во внешней цепи якоря генератора ЭМУ определится выражением

, (6.7)

где – сопротивление витков якоря генератора ЭМУ, связанных с вертикальными щетками (очевидно, что если все щетки одинаковы, то ); – сопротивление сериесной (компенсационной) обмотки ОС; – суммарная индуктивность внешней цепи.

Обычно , а суммарной индуктивностью , состоящей из малых индуктивностей витков якоря генератора ЭМУ, связанных с вертикальными щетками, и сериесной обмотки, также витками якоря исполнительного электродвигателя можно пренебречь. Тогда уравнение (6.7) можно упростить:

, (6.8)

где – выходное напряжение, снимаемое с генератора электромашинного усилителя и подаваемое на якорь исполнительного электродвигателя.

Отметим еще раз, что ток вызывает магнитный поток , направленный в том же направлении, как магнитный поток , и искажающий линейность характеристики генератора ЭМУ. Для обеспечения линейности характеристики генератора ЭМУ используется сериесная обмотка ОС, создающая магнитный поток . Магнитные потоки и создаются одним и тем же током . Параметры сериесной обмотки и ее включение в цепь подбираются таким образом, чтобы выполнялось условие . Уравнение (6.2) как раз и записано с условием, что . Иначе говоря, работа генератора электромашинного усилителя происходит в режиме полной магнитной компенсации.

Определим передаточную функцию второй ступени усиления ЭМУ. Входной и выходной величинами второй ступени усиления ЭМУ являются и , соответственно.

Используя равенство (6.8), из уравнения (6.6) определим выражение для , которое затем подставим в уравнение (6.5). Далее, из уравнения (6.5) определим выражение для тока , которое, в свою очередь, подставим в уравнение (6.4):

.

Вводя обозначения – коэффициент усиления второй ступени ЭМУ и – постоянная времени второй ступени усиления ЭМУ, и применяя преобразование Лапласа к левой и правой частям уравнения (6.10), получим

.

Выражение для передаточной функции второй ступени усиления ЭМУ будет иметь вид

.

Передаточная функция ЭМУ определится выражением

,

где – коэффициент усиления ЭМУ по напряжению.

Как видно, динамические свойства ЭМУ описываются колебательным звеном второго порядка

,

где – период колебаний; – коэффициент затухания колебаний.

При значительных по величине коэффициентах затухания колебаний колебательное звено по своим свойствам приближается к свойствам апериодического звена. Действительно, так как обмотки ЭМУ обладают активным сопротивлением, а их индуктивности относительно невелики, затухание колебаний в ЭМУ носит апериодический характер, и его динамические свойства могут быть аппроксимированы апериодическим звеном

,

где – постоянная времени ЭМУ.

Отметим, что ЭМУ, используемый в типовом ЭСлПр, имеет следующие характеристики: ; .

Коэффициент усиления представляет собой коэффициент усиления по напряжению, и используются при рассмотрении точностных характеристик следящего привода.

Обеспечение работы СлПр с точки зрения энергетики требует также знания коэффициента усиления ЭМУ по мощности.

Коэффициент усиления ЭМУ по мощности равен отношению мощности на его выходе к мощности на его входе , т.е. . Общий коэффициент усиления электромашинного усилителя с поперечным полем по мощности может достигать 10000. И это его большое достоинство.

Номинальная мощность генератора ЭМУ, применяемого в типовом электрическом следящем приводе, составляет 675 Вт.