Электромашинные установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Электромашинные усилители



1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Усилителем называют такое устройство, в котором посредством сигнала малой мощности (входная величина) управляют сравнительно большой мощностью (выходная величина). При этом выходная величина является функцией входного сигнала и усиление происходит за счет энергии внешнего источника.

По виду управляемой энергии усилители можно разделить на электрические, пневматические, гидравлические, механические.

Электрические усилители в свою очередь подразделяются на электронные, тиратронные, транзисторные, магнитные, сег-нетоэлектрические и электромашинные. Первые пять являются статическими, а электромашинные -- вращающимися усилителями.

В электромашинных усилителях выходная (управляемая) электрическая мощность создается за счет механической мощности приводного двигателя.

Электромашинные усилители (ЭМУ) представляют собой коллекторную машину постоянного тока.

В зависимости от способа возбуждения электромашинные усилители подразделяются на усилители продольного поля и усилители поперечного поля.

К усилителям продольного поля, в которых основной поток возбуждения направлен по продольной оси машины, относятся:

независимый ЭМУ,

ЭМУ с самовозбуждением,

двухмашинные усилители,

двухколлекторный ЭМУ,

5)двух- и трехступенчатые ЭМУ продольного поля

К усилителям поперечного поля, в которых основной поток возбуждения направлен по поперечной оси машины, относятся:

1) ЭМУ с диаметральным шагом обмотки якоря,

2) ЭМУ с полудиаметральным шагом обмотки якоря,

3) ЭМУ с разделенной магнитной системой.

Чем меньше мощность управления электромашинного усилителя, тем меньше вес и габариты аппаратуры управления. Поэтому

основной характеристикой является коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по мощности, току и напряжению.

Коэффициент усиления ЭМУ по мощности k_p есть отношение мощности на выходе Р_Вых к мощности на входе Р_вх при установившемся режиме работы:

Коэффициент усиления по напряжению

где U_ВЫХ -- напряжение выходной цепи;

Uвх. -- напряжение входной цепи.

Из сказанного следует, что

Коэффициент усиления п о току k_t -- это отношение тока выходной цепи І_вых усилителя к току входной цепи І_вх:

Электромашинные усилители могут иметь достаточно высокий коэффициент усиления по мощности (10³-М0⁵).

Не менее важным для усилителя является его быстродействие, характеризуемое постоянными времени его цепей.

Постоянная времени определяется величиной энергии магнитного поля, изменяющегося в процессе регулирования. Для электрической цепи постоянная времени

где L -- индуктивность цепи;

УR -- активное сопротивление цепи. В электромашинных усилителях постоянная времени T= 0,02ч0,2 сек.

От ЭМУ стремятся получить большой коэффициент усиления по мощности и большое быстродействие, т. е. по возможности меньшие постоянные времени. Так как постоянная времени ЭМУ пропорциональна коэффициенту усиления по мощности ЭМУ, то для удобства сравнения различных усилителей вводят коэффициент добротности &_д, представляющий собой отношение коэффициента по мощносте к сумме постоянных времени ступеней усиления:

B системах автоматического регулирования ЭМУ применяются в качестве усилителей мощности и работают в основном при переходных режимах, в процессе которых возникают значительные перегрузки по току. Поэтому одним из требований к ЭМУ является хорошая перегрузочная способность.

К числу важнейших требований, предъявляемых к ЭМУ, относятся надежность в работе и стабильность характеристик.

ЭМУ, используемые на самолетах и транспортных установках, должны обладать минимальными габаритами и весом.

В радиоэлектронной промышленности наибольшее распространение получили независимый ЭМУ, ЭМУ с самовозбуждением и ЭМУ поперечного поля с диаметральным шагом. Далее рассмотрены эти типы усилителей.

2. НЕЗАВИСИМЫЙ ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Как уже отмечалось, независимый электромашинный усилитель относится к усилителям продольного поля. Простейшим типом такого усилителя является обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 1.1).

Коэффициент усиления по мощности независимого ЭМУ

где (U_я -- напряжение на зажимах якоря; І_я-- ток якоря;

Iy -- ток управления (возбуждения);

Ry -- сопротивление обмотки управления (возбуждения). Для выяснения зависимости коэффициента усиления по мощности к_р от основных параметров машины и нагрузки преобразуем равенство (1.1). Учитывая, что ток якоря

где R_я -- сопротивление обмотки якоря;

Rнагр-- сопротивление нагрузки, и напряжение на зажимах якоря U_я?Е_я, равенство (1.1) можно записать в виде

Выражая э.д.с. якоря E_я через скорость и магнитный поток, индуктивность обмотки управления L_y через потокосцепление обмотки и ток в ней, а также учитывая, что магнитный поток пропорционален м. д.с. обмотки- управления и магнитной проводимости машины Л, после преобразований получим

щ -- угловая скорость вращения якоря.

Из уравнения (1.3) видно, что коэффициент усиления по мощности независимого ЭМУ при постоянном быстродействии (Т_у=const) пропорционален квадрату скорости вращения якоря, магнитной проводимости машины и зависит от соотношения сопротивлений обмоток машины и нагрузки. Таким образом, чтобы иметь высокий коэффициент усиления по мощности, необходимо использовать высокооборотный генератор постоянного токa с ненасыщенной магнитной cистемой (высокое значение Л).

Обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением не обладает этими свойствами, поэтому его коэффициент усиления по мощности невелик: k_p=20ч100. В системах автоматического управления, где на вход усилителя подается несколько сигналов, одной обмотки управления (возбуждения) недостаточно, поэтому в усилителях обычно применяют 2, 3, 4 обмотки управления.

На рис. 1.2 представлена принципиальная схема независимого ЭМУ с двумя обмотками управления.

Так как обмотки управления расположены в одних и тех же пазах статора, то между обмотками существует полная магнитная связь. Поэтому при нескольких обмотках управления, имеющих замкнутые контуры, постоянная времени для какой-либо обмотки управления равна сумме постоянных времени обмоток. Для усилителя, показанного на рис. 1.2,

где T_у1 и Т_у2--соответственно постоянные времени однойобмотки при разомкнутой другой. При холостом ходе усилителя и подключении одной обмотки управления имеем одну постоянную времени цепи управления

где L_y1-- индуктивность обмотки управления;

R_yl-- активное сопротивление обмотки управления.

Переходный процесс нарастания напряжения при холостом ходе усилителя описывается уравнениями

где U_y1-- напряжение, приложенное к обмотке управления, i_г1 -- ток в обмотке управления,

Е_я-- действующее значение э. д. с. на выходе ЭМУ в установившемся режиме,

k_u-- коэффициент усиления ЭМУ по напряжению.

Решение уравнения (1.6) с учетом (1.7) имеет вид

где е_я-- мгновенное значение э.д.с. якоря.

Из уравнения (1.8) видно, что нарастание э.д.с. е_я при работе усилителя в режиме холостого хода идет по экспоненте с постоянной времени T_yi. Последняя составляет для усилителей различных мощностей от нескольких сотых до нескольких десятых секунды.

Электромашинный усилитель, работающий в режиме холостого хода, с точки зрения динамики можно представить в виде апериодического звена с постоянной времени T_yi.

Передаточная функция для этого режима

Передаточную функцию усилителя с активной нагрузкой определяют с учетом уравнения напряжений в цепи якоря и нагрузки [4].

Уравнение передаточной функции усилителя с активной нагрузкой имеет вид



Где R_нагр -- сопротивление нагрузки;

- постоянная времени цепи якоря,

i_нагр -- ток нагрузки;

Lя -- индуктивность обмотки якоря.

Уравнение (1.10) записано без учета внутренней обратной связи в усилителе

Внутренняя обратная связь имеется в усилителе в виде размагничивающего действия реакции якоря. Эта обратная связь нелинейна вследствие нелинейности характеристики намагничивания и ТОЛЬКО приближенно при небольших токах нагрузки ее можно считать линейной.

Передаточная функция усилителя в общем виде с учетом размагничивающего действия реакции якоря

к₀₁ -- коэффициент внутренней обратной связи по току.

(1.11)

Из уравнения (1.11) видно, что внутренняя обратная связь по току уменьшает общий коэффициент усиления (числитель выражения 1.11). Одновременно увеличивается быстродействие ЭМУ, что находит выражение в уменьшении коэффициентов при постоянных времени (знаменатель уравнения 1.11). В целом коэффициент добротности ЭМУ увеличивается.

В независимом ЭМУ не удается получить большой коэффициент усиления по мощности, поэтому такие усилители нашли незначительное применение в системах автоматического регулирования. Однако в системах генератор--двигатель, где от двигателя требуется изменение скорости вращения в широком диапазоне, генератор работает в режиме независимого ЭМУ.

Простейшим из электромашинных усилителей является одноступенчатый независимый ЭМУ. Для увеличения коэффициента усиления часто используют более сложные многоступенчатые ЭМУ, а так как каждая ступень усиления многоступенчатого усилителя может рассматриваться как элементарный одноступенчатый усилитель, то приведенные результаты анализа работы одноступенчатого ЭМУ применимы и к многоступенчатым.

3. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ

Коэффициент усиления по мощности независимого ЭМУ не превышает 100. С целью повышения коэффициента усиления по мощности ЭМУ были созданы электромашинные усилители с самовозбуждением. В 1942 г. фирма Вестингауз начала серийный выпуск этих усилителей под названием рототрол.

Конструктивно ЭМУ с самовозбуждением (ЭМУС) отличается от независимого ЭМУ только тем, что на его полюсах возбуждения соосно с обмотками управления размещается обмотка самовозбуждения, включаемая параллельно обмотке якоря или последовательно с ней.

На рис. 1.3, а показано конструктивное расположение обмоток управления и самовозбуждения на полюсах статора ЭМУС; на рис. 1.3, б представлена принципиальная схема ЭМУС с параллельным возбуждением, на рис. 1.3, в -- с последовательным возбуждением.

Для пояснения принципа действия ЭМУС рассмотрим возбуждение генератора постоянного тока с параллельным возбуждением. На рис. 1.4, а изображены характеристика холостого хода машины E -- f(I_Bщ_B), т. е. зависимость э.д.с. от м.д.с. возбуждения и вольтамперные характеристики цепи возбуждения 1 и 2, определяющие падения напряжений в ней.

Обозначим через б₁-- угол наклона линейного участка характеристики холостого хода, через б₂ и б₃-- угол наклона вольтамперной характеристики цепи возбуждения.

Угол наклона вольтамперной характеристики цепи возбуждения б₂или б₃ зависит от величины сопротивления цепи возбуждения, так как

где б-- угол наклона вольтамперной характеристики цепи возбуждения;

U -- напряжение, приложенное к цепи возбуждения;

І -- ток в цепи возбуждения.

Из приведенных на рис. 1.4, а характеристик видно, что в случае б₂< б₁ возбуждения машины не произойдет, так как согласно характеристикам при одной и той же величине м. д. с, например F₁, генератор выработает э. д. с. Е₁, а для создания такой же м. д. с. на обмотке возбуждения необходимо напряжение U₁. Гак как U₁>E₁ то возбуждение машины невозможно. В случае б?бкр машина возбудится до точки С. Угол наклона начального участка характеристики холостого хода называют критическим углом ос_кр. Таким образом, условия самовозбуждения можно записать через углы: б?бкр (1.13)

В электромашинном усилителе обмотку самовозбуждения подбирают так, чтобы при отсутствии сигнала на обмотке управления усилитель не возбуждался, т. е. выбирают б>б_кс (прямая 1 на рис. 1.4, б).



Если на обмотку управления подать сигнал, создающий м. д. с. I_yщ_y=F_y, то вольтамперная характеристика переместится параллельно прямой 1 и займет положение прямой 2.

Усилитель возбудится до точки А и на клеммах якоря появится э. д. с. Е. Нетрудно заметить, что э.д.с. Е создается м.д.с. возбуждения

где F_c-- м. д. с. обмотки самовозбуждения.

Заменим отрезок характеристики OA рис. 1.4, б прямой линией и рассмотрим треугольники OAB и CAB.

Из треугольника OAB

Из треугольника CAB

E = F_ctgб.(1.16)

Решая совместно (1.14) -- (1.16), находим значение коэффициента усиления по мощности, выраженного через магнитодвижущие силы:

Из равенства (1.17) видно, что, чем ближе угол наклона вольтамперной характеристики обмотки самовозбуждения к б_кр, тем больше коэффициент усиления по мощности усилителя. В критическом случае, когда б=б_кс, коэффициент усиления

k_p = ?.

В случае б<б_кс ЭМУС становится практически неуправляемым, т. е. переходит в релейный режим, из-за произвольного самовозбуждения при отсутствии сигнала на обмотке управления. Вследствие того что магнитопровод усилителя имеет остаточное поле, выбирать б достаточно близким к о_кр нельзя, так как может произойти самовозбуждение. Поэтому в реальных усилителях выбирают угол наклона вольтамперной характеристики на 3--5% больше критического угла наклона характеристики E=f(F).

При таких параметрах коэффициент усиления ЭМУС по мощности k_p достигает величины порядка 400--500.

Для определения динамических свойств электромашинного усилителя с самовозбуждением рассмотрим процесс самовозбуждения машины.

Допустим, что характеристика намагничивания линейна (прямая линия OA рис. 1.4, б), скорость вращения генератора постоянна, вихревые токи малы.

Пусть на обмотку управления подано напряжение U_y (см. рис. 1.3, б).

Тогда для холостого хода ЭМУС можно написать следующие уравнения равновесия э. д. с.

Для обмотки управления

где i_y -- ток в обмотке управления;

i_с -- ток в обмотке самовозбуждения; R_y -- сопротивление обмотки управления;

L_y--индуктивность обмотки управления;

M -- взаимоиндуктивность между обмотками управления и самовозбуждения.

Для цепи самовозбуждения

где е_я-- э. д. с. якоря;

R_c-- сопротивление обмотки самовозбуждения;

L₀-- индуктивность обмотки самовозбуждения.

Для э.д.с. ЭМУ

(1.20)

где і -- ток управления, приведенный к числу витков обмотки самовозбуждения;

щ_у, щ_c -- числа витков обмоток управления и самовозбуждения;

k ₌ щ_y^/щ_c -- коэффициент трансформации между обмотками;

R_K = --f - = tg б_Kp -- критическое сопротивление контура возбуждения, определяемое из треугольника AOB рис. 1.4,6

I_B=I_y+I_с -- полный ток возбуждения, соответствующий м. д. с. возбуждения F_B).

Будем считать, что между обеими обмотками возбуждения существует полное магнитное сцепление, т. е.

(1.21)

тогда можно записать

(1.22)

Запишем уравнения равновесия э. д. с. (1.18) и (1.19) в операторной форме.

В результате преобразования уравнения э.д.с. можно записать в виде

(1.23), (1.24)

Умножим равенство (1.23) на k_Tp (R_c+R_a), а (1.24) -- на R_y, с учетом (1.20) получим уравнение напряжения генератора

(1.25)

Здесь -- коэффициент, учитывающий, насколько близко сопротивление цепи самовозбуждения к критическому

- постоянная времени цепи самовозбуждения;

-- постоянная времени обмотки управления.

Используя (1.22), имеем

(1.26)

Если учесть, что в начальный момент времени (t=0) э.д.с. якоря также равна нулю, решение уравнения (1.26) примет вид



(1.27)

Из уравнения (1.27) видно, что если к обмотке управления ЭМУС приложить напряжение управления U_y, то процесс нарастания э.д.с. усилителя идет по экспоненциальному закону (рис. 1.5) с эквивалентной постоянной времени

(1.28)

Установившееся значение э.д.с. усилителя будет

(1.29)

Из выражения (1.29) можно найти коэффициент усиления по напряжению усилителя

(1.30)

Выражения (1.28) и (1.30) показывают, что коэффициент усиления по напряжению k_a и его эквивалентная постоянная времени T пропорциональны

Так как в усилителях е> 1 на 3--5%, то эквивалентная постоянная времени T значительно превышает сумму постоянных времени обмоток самовозбуждения и управления. Например, если е =1,03, то эквивалентная постоянная времени в 3--4 раза превышает сумму постоянных времени обмоток самовозбуждения и управления.

Поэтому электромашинные усилители с самовозбуждением используются в тех случаях, когда не требуется большое быстродействие.

Уравнение (1.26) с учетом (1.28)--(1.30) можно записать в виде

(1.31)

Отсюда видно, что ЭМУС представляет собой апериодическое Вейо с передаточной функцией

(1.32)

Факие усилители применяются главным образом для питания обмотки возбуждения генератора в системе генератор--двигатель и в этом случае длительность переходного процесса определяется постоянной времени генератора.

4. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ

В отличие от независимого ЭМУ и ЭМУ с самовозбуждением (ЭМУС), в которых основным потоком возбуждения является продольный магнитный поток, направленный вдоль полюсов возбуждения, в ЭМУ поперечного поля основным потоком возбуждения является поперечный поток реакции якоря.

На рис. 1.6а представлена схема ЭМУ поперечного поля. Конструктивно он выполнен подобно генератору постоянного тока, но имеет дополнительный комплект щеток, установленных на по перечной оси машины и замкнутых накоротко. На статоре ЭМУ расположен ряд обмоток. В продольной оси полюсов dd расположены обмотки управления У, которых обычно бывает несколько (чаще две или четыре). Соосно с ними расположена компенсационная обмотка К, включаемая в продольную цепь последовательно с обмоткой якоря. Компенсационная обмотка К шунтирована регулирующим сопротивлением Rш для регулирования степени компенсации усилителя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.6

В этой же цепи для улучшения коммутации включена обмотка дополнительных полюсов Д.

Поперечная цепь машины qq замкнута накоротко. Иногда для улучшения коммутации в поперечной цепи последовательно с якорем включают поперечную обмотку, подмагничивания П.

Рассмотрим принцип действия ЭМУ поперечного поля. Пусть скорость приводного двигателя равна номинальной щ=щЗ= const и к одной из обмоток управления приложено напряжение постоянного тока U₁. Тогда под действием небольшого по величине магнитного потока возбуждения Ф₁(небольшого потому, что при высоком коэффициенте усиления на вход усилителя подается относительно малая мощность) в поперечной цепи якоря qq возникает э.д.с. E₂, также относительно малая по величине. Так как цепь поперечных щеток qq замкнута накоротко проводником, имеющим малое сопротивление, то в поперечной цепи якоря возникает ток I₂. Величина этого тока уже значительна, так как цепь имеет малое сопротивление.

На рис. 1.6, б показано направление тока I₂ по проводникам якоря, создающего поперечный поток реакции якоря Фq. Под действием этого потока в продольной цепи якоря dd возникает э.д.с. Е₃, которая снимается продольными щетками. Э.д.с. Е₃ вызывает появление тока I₃ и в нагрузке R_нагр происходит падение напряжения U₃.На рис. 1.6, в показано направление тока I₃ в цепи якоря. Под действием тока I₃ в якоре возникает продольный поток реакции якоря Ф_d, который направлен навстречу потоку управления Ф_1.Если не принять никаких мер, то большой по величине поток Ф_d размагнитит усилитель и никакого усиления не произойдет.

Для компенсации (уравновешивания) продольного потока реакции якоря на статоре расположена специальная компенсационная обмотка К.

Продольный поток реакции якоря Фа пропорционален магнитодвижущей силе

Fd = I₃щ_я,(1.33)

где I₃--ток в продольной цепи якоря;

щ_я--число витков в параллельной ветви обмотки якоря.

Из (1.33) видно, что продольная м.д.с. Fd, и, следовательно, пропорциональный ей магнитный поток Фа изменяются с изменением тока I₃, т. е. зависят от величины сопротивления нагрузки R_нагр. Хорошее компенсирующее действие обмотки К получают и том случае, если м.д.с. этой обмотки FH также зависит от величины тока I₃ в продольной цепи машины. Поэтому обмотку К включают в продольную цепь машины последовательно с якорем. Тогда м.д.с. компенсационной обмотки



Fк = I₃щ_к,(1.34)

где щ_к -- число витков компенсационной обмотки.

Степень компенсации усилителя характеризуется коэффициентом компенсации

к= F_k/F_d(1.35)

Различают три возможных случая работы усилителя:

когда k=l, Fk=Fd -- машина скомпенсирована, т. е. м.д.с. продольной реакции якоря равна м.д.с. компенсационной обмотки;

когда k<1, Fk<Fd--машина недокомпенсирована, т. е. М.Д.с. продольной реакции якоря больше м.д.с. компенсационной обмотки;

когда k>1, Fk>Fd-- машина перекомпенсирована, т. е. М.д.с. продольной реакции якоря меньше м.д.с. компенсационной обмотки.

Обычно ЭМУ выпускают с небольшой перекомпенсацией: м.д.с. компенсационной обмотки примерно на 5% больше м.д.с. продольной реакции якоря, т. е. к=1,05.

Для регулирования степени компенсации, как уже отмечалось, используют шунтирующее сопротивление Rш. С учетом Rш м.д.с. компенсационной обмотки

(1.36)

Для улучшения коммутации в продольной цепи располагают специальную сосредоточенную обмотку на дополнительных полюсах статора. Поскольку такую же обмотку нельзя разместить на поперечной оси, то для улучшения коммутации снижают величину тока I₂, а чтобы при этом м. д. с. поперечной оси Fq , а следовательно, и магнитный поток Фq не были снижены, применяют специальную поперечную обмотку подмагничивания Р (рис. 1.6, а). Эта обмотка создает м. д. с. и поток Фп, направленный согласно с потоком поперечной реакции якоря Фq.

Таким образом, при включении поперечной обмотки подмагничивания Р магнитный поток поперечной оси

Ц`q = Фq+Фп.

Все рассмотренные обмотки находятся в пазах статора. На рис. 1.7 показаны листы статора и якоря и схема расположения обмоток двухполюсного ЭМУ поперечного поля. Обмотки управления 1 находятся в больших пазах, расположенных по поперечной оси машины. Эти обмотки выполнены сосредоточенными в виде четырех катушек.

Размещено на http://www.allbest.ru/

электромашинный автоматический переходный усилитель

Часть большого поперечного паза и малые пазы занимает распределенная компенсационная обмотка 2. Такое расположение компенсационной обмотки создаёт хорошие условия компенсации, так как обмотка якоря 3, поток которой уравнивает компенсационная обмотка, выполнена также распределенной. В этом случае компенсация потока продольной реакции якоря производится не только по амплитуде, но и по форме. В средних пазах, расположенных ни продольной оси машины, находятся сосредоточенная обмотка дополнительных полюсов 4 и поперечная обмотка подмагничивания 5. Нa спинке большого паза расположена обмотка размагничивания 6. Так как ЭМУ поперечного поля обладают достаточно большим остаточным напряжением за счет гистерезиса, то в ряде схем, особенно, когда усилитель используется в замкнутых системах автоматического регулирования, могут возникнуть автоколебания из-за наличия ложного сигнала, обусловленного остаточным напряжением. Для устранения этого явления в схемах обычно применяют размагничивание переменным током -- этой цели и служит обмотка размагничивания 6. Такая конструкция статора и якоря является наиболее распространенной для ЭМУ мощностью до 20кВт. Электромашинные усилители приводятся во вращение приводными двигателями постоянного и переменного тока. При этом ЭМУ мощностью до 3 кВт выполняют в одном корпусе. На рис, 1.8, а показан внешний вид электромашинного усилителя поперечного поля типа У ДМ-150 с исполнительным двигателем постоянного тока, выполненного в одном корпусе.

На рис. 1.8, б представлены детали этого усилителя.

Важнейшей статической характеристикой ЭМУ поперечного поля является коэффициент усиления по мощности. Высокий коэффициент усиления по мощности получается за счет того, что ЭМУ Поперечного поля является двухступенчатым усилителем. Первая ступень усиления: обмотка управления -- короткозамкнутая цепь поперечных щеток. Вторая ступень: короткозамкнутая цепь поперечных щеток -- выходная цепь продольных щеток. Поэтому общий Коэффициент усиления по мощности

k_p = k_p1k_p2 (1.37)



где k_p1--коэффициент усиления 1-й ступени;

k_p2-- коэффициент усиления 2-й ступени;

Причем

(1.38)

Подставляя значения коэффициентов усиления по мощности в выражение (1.37), получим

(1.39)

R₁- сопротивление обмотки управления.

Коэффициенты усиления по мощности каждой ступени машины аналогично уравнению (1.3) могут быть записаны через основные параметры машины и нагрузки.

Для первой ступени

для второй ступени

с₁,с₂--постоянные конструктивные коэффициенты;

Лq, Лd -- соответственно магнитные проводимости по поперечной и продольной осям машины;

R₂, R₃ -- соответственно активные сопротивления поперечной и продольной цепей ЭМУ.

Тогда общий коэффициент усиления по мощности ЭМУ

(1.40)

где T₁ = L₁/R ₁ - постоянная времени обмотки управления;

T₂ = L₂/R_{2 -} постоянная времени поперечной цепи

(Следовательно, общий коэффициент усиления по мощности ЭМУ поперечного поля пропорционален четвертой степени скорости вращения якоря, магнитным проводимостям по поперечной и продольной осям и зависит от соотношения сопротивлений обмоток машины и нагрузки.

Отсюда следует, что усилитель будет иметь тем больший коэффициент усиления по мощности, чем меньше будет насыщена его магнитная цепь и чем выше будет скорость его вращения. Чрезмерно увеличивать скорость вращения нельзя, так как начинает сильно возрастать действие коммутационных токов. Поэтому при чрезмерном увеличении скорости за счет повышения коммутационных токов коэффициент усиления по мощности расти не будет, а может даже снижаться.

Основными характеристиками электромашинного усилителя перечного поля являются внешние характеристики, т. е. зависимости:

I₂ = f₁ (I₃);(1.4I)

U₃ = f₂ (I₃).(1.42)

Эти характеристики построены при условии постоянной скорости вращения приводного двигателя щ=const и номинальном сигнале на обмотке управления

U₁ =U_1H = const.



Кроме этого, м.д.с, действующей по продольной оси от сдвига щеток, пренебрегаем.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.9, а

На рис. 1.9, а представлена зависимость тока в поперечной цепи I₂ от тока в продольной цепи I₃, т.е. от выходного тока, протекающего через нагрузку. Характеристики построены для всех трех случаев компенсации: полной компенсации (k=1), перекомпенсации (k>1) и недокомпенсации (k<1).

При полной компенсации (k=l) с учетом уже отмеченных допущений по продольной оси машины действует только м.д.с. обмотки управления. Следовательно, снимаемая поперечными щетками (см. рис. 1.6, а) э.д.с. E₂=const, а значит, и ток I₂ при изменении сопротивления нагрузки R_нarp во всем диапазоне остаются неизменными.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.9 Внешние характеристики ЭМУ поперечного поля

При перекомпенсации (k>l) по продольной оси, кроме м.д.с,; создаваемой обмоткой управления, действует еще часть м.д.с. компенсационной обмотки, которая направлена согласно с м.д.с. обмотки управления, поэтому величина тока I₂ с ростом тока нагрузки I₃ растет.

При недокомпенсации (k<1) по продольной оси действует часть м.д.с. продольной реакции якоря, нескомпенсированной м.д.с. Компенсационной обмотки, и поэтому ток I₂ с ростом тока нагрузки I₃ падает.

Пользуясь этими зависимостями, усилитель можно легко настроить на необходимую степень компенсации. Если установить движок шунтирующего сопротивления Rш (см. рис. 1.6, а) в такое положение, при котором с изменением нагрузки ток в поперечной цепи I₂ не изменяется, это означает, что усилитель скомпенсирован (к=1).На рис. 1.9, б представлены внешние характеристики, построенные по уравнению (1.42).

Здесь с учетом тех же допущений показана зависимость напряжения на нагрузке U₃ от тока нагрузки I₃. Также как и в предыдущем случае, характеристики даны для трех случаев компенсации.

При полной компенсации напряжение на нагрузке при токе I₃

U₃=E₃ - I₃R₃,(1.43)

Где Е₃ -- э. д. с. при I₃ = 0, т. е. э. д. с. холостого хода;

R₃ -- внутреннее сопротивление ЭМУ по продольной оси.

В этом случае напряжение на усилителе при полной компенсации (к=1)с ростом тока I₃ падает и отличается от э. д. с. E₃ на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении ЭМУ.

При перекомпенсации (к> 1) напряжение на нагрузке может быть неизменным с ростом тока нагрузки I₃ или даже возрастать.

При недокомпенсации (к<1) напряжение на нагрузке с ростом тока I₃ падает.

При использовании электромашинных усилителей в замкнутых системах автоматического регулирования (стабилизаторы, регуляторы, следящие системы) машина должна быть несколько недокомпенсирована (к=0,97ч0,99), так как в случае перекомпенсации в системе во время работы возникнет ложное возмущение за счет остатка м.д.с. компенсационной обмотки, которое приведет к возникновению автоколебаний системы.

5. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАШИННОГО УСИЛИТЕЛЯ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ

Динамические свойства ЭМУ поперечного поля оценивают по характеру протекания переходного процесса, т.е. по нарастанию напряжения в продольной цепи U₃ во времени при подаче на вход (обмотку управления) напряжения управления.

U₃=f(t)

Быстродействие ЭМУ в общем случае определяется постоянными времени:

1) обмотки управления

Т1=L1/R1

где L₁-- индуктивность обмотки управления;

R₁--активное сопротивление обмотки управления;

2) поперечной цепи

T₂=L₂/R₂

где L₂-- индуктивность обмотки якоря;

R₂-- активное сопротивление якоря;

3) продольной цепи, которую необходимо учитывать при работе на нагрузку,

Однако, если учесть, что в реальных случаях R_нагр?R₃ ,то Т₃ значительно меньше первых двух и ею можно пренебречь

Кроме того, на ход переходного процесса влияет взаимодействие обмотки управления и поперечной цепи, обусловленное реакцией коммутационных токов поперечной цепи. Перемещение щеток по направлению вращения или против него также вызывает взаимосвязь обмотки управления с поперечной цепью и изменение характера переходного процесса. На быстродействии усилителя сказывается взаимосвязь обмоток, расположенных на статоре, с обмоткой якоря и между собой, т. е. взаимоиндуктивность обмоток управления с компенсационной обмоткой, обмоткой дополнительных полюсов, поперечной подмагничивающей обмоткой, компенсационной обмотки с витками поперечной цепи якоря и т. д.

Решение уравнений переходного процесса с учетом всех взаимосвязей достаточно громоздко, а их влияние на переходный процесс во многих случаях относительно невелико.

Рассмотрим процесс нарастания э. д. с. в выходной цепи е₃ в функции времени с учетом главных связей в ЭМУ [30]. Допустим что:

1) магнитная система ЭМУ по поперечной и продольной осям насыщена;

2) влияние обмотки дополнительных полюсов и поперечной подмагничивающей обмотки на цепи управления и короткозамкнутого контура мало.

Нарастание выходной э. д. с. е₃ во времени, когда щетки расположены на нейтрали, можно найти из четырех уравнений равновесия э. д. с.

1) Для обмотки управления

, (1.41)

где М_1к-- взаимоиндуктивность между обмоткой управления и компенсационной обмоткой;

i_к -- ток компенсационной обмотки.

2) Для компенсационного контура

(1.45)

где R_к, L_k-- соответственно активное сопротивление и индуктивность компенсационного контура;

M_ki-- взаимоиндуктивность между компенсационной обмоткой и обмоткой управления.

3) Для поперечной цепи

(1.46)

где R₂, L₂ -- соответственно активное сопротивление поперечной цепи и индуктивность обмотки якоря;

i₂-- ток в поперечной цепи;

a₁ и а_к-- коэффициенты пропорциональности.

4) Для продольной цепи

е₃ = a₂Я₂,(1.47)

где е₃-- э.д.с в продольной цепи;

а₂ -- коэффициент пропорциональности.

На рис. 1.10 представлена схема электромагнитных связей в ЭМУ во время переходного процесса для рассматриваемого случая.

Если принять взаимоиндуктивность между обмоткой управления и компенсационной равной единице, то уравнения (1.44)--(1.47) можно свести к операторному уравнению второго порядка:

где k_u - коэффициент усиления по напряжению;

Т_к - постоянная времени компенсационного контура.

Решение уравнения (1.48) показывает изменение выходной э.д.с. е3 во времени при ступенчатом приложении сигнала на вход усилителя

(1.49)

Рис. 1.10 Схема электромагнитных связей в ЭМУ

Уравнение (1.49) можно несколько упростить. Если машина полностью скомпенсирована, то действием компенсационной обмотки на продольную цепь можно пренебречь (Тк==0). Тогда э. д. с. в функции времени

(1.50)

Для ориентировочных расчетов можно пользоваться упрощен», ным уравнением переходного процесса. Так как в усилителе Т₂>Т₁+Т_К, то с учетом этого упрощенное уравнение переходного процесса будет

(1.51)

Из выражения (1.50) и (1.51) видно, что в первом случае ЭМУ представляет собой два последовательных апериодических звена, а во втором -- одно.

На рис. 1.11 представлены динамические характеристики ЭМУ поперечного поля [30].

Кривая 1 построена по уравнению (1.50), а кривая 2 по уравнению (1.51), для сравнения приведена экспериментальная кривая 3. Отличие расчетных кривых от экспериментальной объясняется тем, что в начале процесса сказывается влияние нелинейного сопротивления поперечной цепи, обусловленного наличием переходного контакта щетка -- коллектор, а в конце более быстрое нарастание переходного процесса, обусловленное наличием взаимоиндуктивности между поперечной и продольной цепями.

Передаточную функцию ЭМУ поперечного поля находят на основании уравнения (1.48):

6. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Электромашинные усилители выпускаются серийно и нашли широкое применение в системах автоматического регулирования и автоматизированного электропривода. В системах генератор -- двигатель генератор, а часто еще и возбудитель, по существу представ-,1IVIiOT собой независимые электромашинные усилители, соединенные и каскад. Наибольшее распространение получили ЭМУ поперечного поля. Эти усилители обладают рядом достоинств, главными из которых являются:

1) большой коэффициент усиления по мощности (к_р=10³ч10⁵);.

2) малая входная мощность, позволяющая питать обмотки уп-равления от электронных ламповых и полупроводниковых усилителей;

3) достаточное быстродействие, т. е. малые постоянные времени цепей усилителя. Время нарастания напряжения от нуля до номинального значения для промышленных усилителей мощностью 1-5кВт составляет 0,05--0,1 сек;

4) достаточные надежность, долговечность и широкие пределы изменения мощности;

5) возможность изменения характеристик за счет изменения степени компенсации, позволяющая получать необходимые внешние характеристики.

К числу недостатков электромашинных усилителей следует отнести:

1) относительно большие габариты и вес по сравнению с генераторами постоянного тока той же мощности, так как для получения больших коэффициентов усиления применяется ненасыщенная магнитная цепь;

2) наличие остаточного напряжения за счет гистерезиса. Э.д.с, наводимая в якоре потоком остаточного магнетизма, искажает линейную зависимость выходного напряжения от входного сигнала в зоне малых сигналов и нарушает однозначность зависимости выходных параметров ЭМУ от входных при изменении полярности входного сигнала, ибо поток остаточного магнетизма при постоянной полярности сигнала будет увеличивать поток управления, а при изменении полярности сигнала -- уменьшать поток управления.

Кроме того, под действием остаточной э.д.с ЭМУ, работающий в режиме перекомпенсации, при малом сопротивлении нагрузки на нулевом входном сигнале может самовозбуждаться и терять управляемость. Это явление объясняется неуправляемым увеличением продольного магнитного потока машины, первоначально равного потоку остаточного магнетизма, за счет подмагничивающего действия компенсационной обмотки.

Для нейтрализации вредного действия потока остаточного магнетизма в ЭМУ осуществляют размагничивание переменным током, а сами ЭМУ ставят в автоматические системы несколько недокомпенсированными.

Следует отметить, что с внедрением магнитных усилителей применение ЭМУ в системе генератор -- двигатель значительно сокращается. Однако ЭМУ находят все большее применение в системах ЭМУ -- двигатель, где электромашинный усилитель используется в качестве генератора, питающего двигатель. В последние годы в результате использования промежуточных полупроводниковых усилителей значительно увеличились диапазоны регулирования и быстродействие электроприводов, работающих на системах ЭМУ--двигатель.

Рис. 1.12 Схема автоматического регулирования синусоидального напряжения

Такие электроприводы применяются в различных областях, в связи с этим растет производство ЭМУ поперечного поля. Электроприводы с использованием ЭМУ мощностью до 10кВт получили в настоящее время преимущественное распространение по сравнению с другими типами приводов в станках и установках радиоэлектронной промышленности. Рассмотрим несколько примеров использования электромашинных усилителей в схемах автоматики.

На рис. 1.12 приведена схема бесконтактной системы автоматического регулирования амплитуды синусоидального напряжения. Эта схема применяется на радиозаводах на участках настройки телевизоров и радиоприемников, где напряжение должно быть стабилизировано по амплитуде и синусоидально изменяться по времени. Применение феррорезонансных стабилизаторов для этих целей недопустимо, так как, поддерживая с достаточной точностью амплитуду, феррорезонансные стабилизаторы сильно искажают синусоиду. Поэтому в таких случаях применяют системы автоматической стабилизации напряжения с использованием в качестве регулирующего органа индукционный регулятор.

В схеме рис. 1.12 нестабильное трехфазное напряжение подается на ротор индукционного регулятора ИР. Выходное стабилизируемое напряжение снимается с зажимов статора, подается на приемники и одновременно на вход элемента сравнения, где сравнивается с опорным эталонным напряжением. Сигнал рассогласования усиливается электронным усилителем ЭУ и поступает на одну из обмоток управления электромашинного усилителя -- У₁ или У₂. В зависимости от полярности сигнала рассогласования на выходе ЭМУ появляются напряжения прямой или обратной полярности и исполнительный двигатель ИД, вращаясь, перемещает ротор индукционного регулятора в сторону уменьшения или увеличения напряжения.

На рис. 1.13 представлена электрическая схема полуавтомата для спая стеклянного дна с металлическим конусом электроннолучевых трубок [23]. Вид спая в этом случае несогласованный, так как коэффициент линейного расширения материала конуса (хромистая сталь) и стекла не одинаковый. Поэтому для получения хорошего спая необходимо сначала произвести разогрев стекла.

Эту операцию выполняет блок нагревателей БH, температура которого контролируется термопарой T и автоматически поддерживается терморегулирующим прибором ЭМР. Сваривание при рабочей температуре 1100--12000C производится токами высокой частоты, которые вырабатывает генератор повышенной частоты Г, питающий блок индукторов БИ. Для получения стабильного выходного напряжения генератора Г его цепь возбуждения питается от ЭМУ поперечного поля. В этой схеме ЭМУ играет роль усилителя мощности и элемента сравнения.

Рис. 1.13 Электрическая схема полуавтомата для спая стеклянного дна с металлическим конусом

На рис. 1.12 и 1.13 приведены схемы использования электромашинных усилителей в системах радиоэлектронной промышленности. Аналогичных схем в различных автоматизированных системах, где в качестве усилителей мощности используются ЭМУ поперечного поля, довольно много. Использованию ЭМУ в этих схемах способствует наличие нескольких обмоток управления, что позволяет сравнивать сигналы и вводить обратные связи. Высокий коэффициент усиления повышает быстродействие таких систем.



7. МАГНИКОН

Электромашинный усилитель, названный магниконом, подобен ЭМУ с поперечным полем, но имеет весьма существенные отличия от последнего.

Характерные особенности ЭМУ типа магникон состоят в следующем:

1. Магнитный поток полюсов управления и поток главных полюсов (поперечный поток, создаваемый обмоткой якоря) в расточке станины в отличие от ЭМУ с поперечным полем проходят по разным путям и независимы друг от друга.

2. Обмотка якоря «двухполюсного» магникона выполняется четырехполюсной в отличие от ЭМУ с поперечным полем, где обмотка двухполюсная. Этим достигается своеобразное распределение токов по окружности якоря, при котором кривые м.д.с. как от тока короткозамкнутой цепи, так и от рабочего тока нагрузки имеют трапецеидальную форму, а не треугольника, как это бывает в нормальных машинах постоянного тока и в ЭМУ с поперечным полем

3. Особенностью магникона в отличие от ЭМУ с поперечным полем является также то, что в нем отсутствует эталонная обмотка управления и для применения его в схемах автоматического регулирования нет необходимости иметь независимый эталонный источник тока

8. ДВУХКОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (МАГНОВОЛЬТ)

Магновольт в отличие от нормальной машины постоянного тока имеет якорь с двумя двухслойными обмотками, рассчитанными на разное число полюсов и соединенными с отдельными коллекторами. Магнитная цепь усилителя совмещает в себе две магнитные системы на разное число полюсов с соотношением 1:2. Простейший усилитель типа магновольт имеет одну и две пары полюсов (2р = 2 и2р = 4). На четырех главных полюсах уложены две обмотки возбуждения, одна из которых создает двухполюсную систему с разделенными полюсами, а другая -- четырехполюсную систему.

Двухполюсная обмотка возбуждения служит в качестве обмотки управления (число таких обмоток управления выбирается в соответствии с потребностями так же, как, например, в ЭМУ с поперечным полем). Четырехполюсная обмотка возбуждения получает питание от двухполюсной обмотки якоря и создает поток возбуждения для второй ступени усиления.

9. КАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТИПА РАПИДИН

Каскадный электромашинный усилитель типа рапидин представляет собой два последовательно включенных и сидящих на одном валу независимых ЭМУ. Последовательное включение независимых одноступенчатых ЭМУ дает возможность значительно увеличить коэффициент усиления, т. е. увеличить выходную мощность при заданной мощности управления или уменьшить мощность управления при заданной выходной мощности.

Магнитные цепи обеих машин выполнены раздельно в однокорпусном исполнении, что дает возможность проектировать каждую из ступеней наиболее целесообразно, с разным числом полюсов и использованием активных материалов. Активная сталь как ротора, так и статора делается шихтованной. Оба генератора снабжены добавочными полюсами, а второй генератор компенсационной обмоткой для увеличения коэффициента усиления и улучшения статических и динамических характеристик усилителя.

Коэффициент усиления рапидина определяется произведением коэффициентов усиления его ступеней и может достигать 10 000. Повышенный коэффициент усиления достигается уменьшением воздушного зазора, увеличением скорости вращения и низким использованием активных материалов первого генератора.

Генератор второй ступени проектируется с более высоким использованием активных материалов, поскольку именно он в основном определяет габариты и вес ЭМУ (мощность его в 50 и более раз превышает мощность первого генератора). Для дополнительного увеличения коэффициента усиления сопротивление цепи якоря первого генератор а выбирается равным сопротивлению обмотки возбуждения второго генератора и аналогично делаются равными также сопротивления нагрузки и цепи якоря второго генератора.

10. КАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТИПА РЕГУЛЕКС

Каскадный усилитель типа регулекс применяется в схемах реверсивного быстродействующего возбуждения, в частности в реверсивных приводах большой мощности с большим числом включений. Регулекс представляет собой отдельный агрегат, состоящий из двух машин P1, P2 и приводного двигателя и обеспечивающий независимое питание обмотки возбуждения возбудителя В, имеющего также свой отдельный двигатель. По существу, машина P1 служит возбудителем, а машина P2 подвозбудителем.

Поскольку мощность возбудителя P1 составляет примерно 1% от мощности генератора, а мощность машины P2 около 3ч4% от мощности возбудителя, то очевидно, что управление машиной P2 составляет ничтожную долю от мощности генератора.

Высокое быстродействие рассматриваемой системы достигается тем, что возбуждение в каждой из ступеней усиления является независимым с высоким потолком возбуждения при реверсах.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЭМУ с поперечным полем обладает такими, несомненно, ценными качествами, как относительной простотой устройства и технологии производства, высоким быстродействием и высоким коэффициентом усиления.

К недостаткам ЭМУ с поперечным полем следует отнести его сравнительно большие габариты и вес (примерно вдвое больше, чем у нормальных машин постоянного тока), склонность к самовозбуждению при перекомпенсации и недостаточную стабильность характеристик из-за непостоянства сопротивления контакта щеток поперечной оси и сильного влияния на характеристики петли гистерезиса. Нестабильность характеристик, обусловленная изменениями сопротивления щеточного контакта и широкой петлей гистерезиса (ширина петли возрастает по сравнению с нормальными машинами за счет «умножения» петли первой ступени при усилении па второй ступени усилителя), приводит к тому, что повышается погрешность в работе системы, элементом которой является ЭМУ с поперечным нолем.

Кроме отмеченных выше недостатков, к минусам ЭМУ с поперечным полем следует также отнести недостаточно хорошую коммутацию, главным образом для поперечной цепи, где обычно добавочных полюсов не ставят, чтобы не усложнять размещение обмоток, не увеличивать габариты усилителя и не уменьшать быстродействия и коэффициента усиления. Вследствие этого предельная мощность ЭМУ е поперечным полем, как правило, не превосходит десятков киловатт. Несмотря на отмеченные недостатки, ЭМУ с поперечным полем нашли наиболее широкое применение на практике в схемах автоматического регулирования.

Недостатки ЭМУ с поперечным полем в части нестабильности их характеристик свойственны в той или иной степени и другим ЭМУ. Каждый из ЭМУ в свою очередь имеет свои достоинства, которые определяют область его применения. В частности, если говорить об ЭМУ с продольным полем, то основным его достоинством является относительно хорошая коммутация, что дает возможность строить ЭМУ с продольным полем на большие мощности, значительно превосходящие предельные мощности ЭМУ с поперечным полем.

Основным недостатком многоступенчатого ЭМУ с продольным полем является большое количество обмоток, что усложняет технологию производства и понижает надежность усилителя. Можно ожидать, что достаточно хорошие эксплуатационные качества наряду с меньшими по сравнению с другими ЭМУ весом и габаритами могут быть получены у ЭМУ типа рапидин.

К достоинствам ЭМУ типа магникон относится то, что при его применении в схемах требуется минимальное количество вспомогательных устройств и аппаратов, а также то, что он легко переносит короткие замыкания и большие перегрузки. Выбор того или иного типа ЭМУ определяется теми условиями, в которых он будет применяться, а также его характеристиками, имеющими определяющее значение в каждом конкретном случае.

Рассмотренные типы электромашинных усилителей не исчерпывают возможного их многообразия. Развитие современной науки и техники, потребности практики в век электричества и автоматики неизбежно приведут к созданию новых типов электромашинных усилителей.

Еще недавно могло казаться, что основные типы электрических машин, вошедшие в практику еще в прошлом веке, будут развиваться главным образом по линии применения новых материалов, улучшения систем охлаждения, увеличения скорости вращения, увеличения предельных мощностей и конструктивных усовершенствований, т. е. совершенствоваться по линии улучшения весовых, габаритных и экономических показателей и характеристик. Однако практика наглядно убеждает нас в том, что в последние десятилетия появился целый ряд качественно отличных электрических машин новых типов. Одним из направлений такого развития является область электромашинных усилителей.

Мы рассмотрели кратко только ЭМУ постоянного тока, применяющиеся в настоящее время особенно широко. Однако принципы построения ЭМУ постоянного тока могут быть перенесены и на машины переменного тока, в частности коллекторные.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. -- 3-е изд., перераб., -- Л.: Энергия, 1978. -- 832 с.

2. Радин В.И. Электромашинные усилители. ГЭИ, 1962

3. Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. - М.: Высш. шк., 1985. - 231 с.

4. Чечет Ю.С. Электрические микромашины автоматических устройств. - М.; Л.: Энергия, 1964. - 351 с.

5. Копылов И.В. Электрические машины. - М., 1980 - 360с.

Размещено на Allbest.ru