§ 30.1. Электромашинный усилитель

Электромашинный усилитель (ЭМУ) представля­ет собой электрическую машину, работающую в гене­раторном режиме и предназначенную для усиления электрических сигналов. Электромашинные усилители применяются в системах автоматики. Простейший ЭМУ — это генератор постоянного тока независимого возбуждения (см. рис. 28.2, а). Так как напряжение на выходе генератора зависит от тока возбуждения (см. рис. 28.2, б), то, изменяя ток возбуждения, можно управлять напряжением на выходе генератора. Следо­вательно, сравнительно небольшой мощностью в цепи обмотки возбуждения можно управлять значительной мощностью в цепи якоря.

Электромашинные усилители, выполненные по принципу генератора независимого возбуждения, не нашли широкого применения, так как они не могут обеспечить достаточно большого коэффициента усиления по мощности (не более 80—100), представ­ляющего собой отношение мощности на выходе уси­лителя к мощности на входе обмотки управления.

Наибольшее распространение в автоматике полу­чили электромашинные усилители поперечного поля. В отличие от обычного генератора постоянного тока в этом ЭМУ основным рабочим потоком является маг­нитный поток, создаваемый током обмотки якоря, — поперечный поток реакции якоря (см. рис. 26.4, б).

На коллекторе ЭМУ установлено два комплекта щеток: один комплект — (рис. 30.1, а) — распо­ложен по поперечной оси главных полюсов, т. е. на геометрической нейтрали, а другой — по продольной оси главных, полюсов. Щетки замкнуты накоротко, а к щеткам подключена рабочая цепь ЭМУ.

Помимо обмотки якоря усилитель имеет одну или несколько обмоток управления , компен­сационную обмотку (ОК), поперечную подмагничивающую обмотку (ОП) и обмотку добавочных по­люсов (ОД). Якорь усилителя приводится во вращение электродвигателем.

Если к одной из обмоток управления подвести напряжение , то в этой обмотке появится ток управления , который создает МДС обмотки управления . Эта МДС, в свою очередь, создает магнитный поток , который наведет в обмотке якоря в цепи щеток ЭДС . Электродвижущая сила невелика, но так как щетки замкнуты накоротко, то ЭДС вызовет зна­чительный ток . Ток в обмотке якоря создаст МДС и маг­нитный поток , который на­правлен по поперечной оси главных полюсов, т. е. по гео­метрической нейтрали, и непод­вижен в пространстве. В обмот­ке якоря, вращающейся в не­подвижном потоке , наводит­ся ЭДС , снимаемая с про­дольных щеток .

Если к выходным зажимам ЭМУ подключить нагрузку , то ЭДС создаст в цепи щеток рабочий ток .

Таким образом, небольшая мощность обмотки управления проходит две ступени усиления: сначала эта мощность усилива­ется на ступени «цепь управле­ния — поперечная цепь», а затем на ступени «поперечная цепь — продольная (рабочая) цепь».

Усиление мощности на ка­ждой ступени характеризуется коэффициентом усиления, ко­торый на ступени «цепь управ­ления — поперечная цепь» оп­ределяется отношением мощ­ности в поперечной цепи к мощности управления :

. (30.1)

Коэффициент усиления на ступени «поперечная цепь — про­дольная (рабочая) цепь» определяется отношением мощностей в этих цепях:

, (30.2)

где — мощность в рабочей цепи усилителя, т. е. в цепи щеток .

Рис. 30.1 ЭМУ поперечного поля:

— принципиальная схема;

— внешние характеристики

Общий коэффициент усиления ЭМУ равен произведению частных коэффициентов усиления:

. (30.3)

Коэффициент усиления электромашинных усилителей может достигать 2000—20 000.

Следует помнить, что мощность на выходе ЭМУ представляет собой преобразованную механическую мощность приводного электродвигателя. Значение этой мощности, которое может дости­гать более 20 кВт, управляется небольшой мощностью управления (обычно 0,1—1,0 Вт).

Обмотка добавочных полюсов (ОД) служит для улучшения коммутации на продольных щетках . Поперечная подмагничивающая обмотка (ОП) усиливает магнитный поток по попереч­ной оси, что позволяет уменьшить ток в цепи щеток , следо­вательно, улучшить коммутацию на этих щетках (в ЭМУ малой мощности эта обмотка отсутствует).

Компенсационная обмотка (ОК), наличие которой в ЭМУ обя­зательно, устраняет размагничивающее влияние реакции якоря по продольной оси. Дело в том, что ток рабочей цепи ЭМУ (ток на­грузки) создает МДС по продольной оси , направленную на­встречу МДС обмотки управления . Эта МДС намного меньше МДС , поэтому даже при небольшой нагрузке усилителя размаг­ничивающее влияние реакции якоря по продольной оси настолько велико, что усилитель размагничивается и напряжение на его вы­водах падает до нуля. Для устранения этого явления на статоре ЭМУ располагают компенсационную обмотку, включен­ную последовательно в рабочую цепь якоря. С появлением тока в рабочей цепи возникает МДС компенсационной обмотки , на­правленная по продольной оси встречно МДС реакции якоря . Этим устраняется (компенсируется) размагничивающее влияние реакции якоря по продольной оси. Для полной компенсации необ­ходимо, чтобы МДС и были равны, так как недокомпенсация или перекомпенсация оказывает значительное влияние на магнитный поток , а следовательно, и на свойства ЭМУ. Однако рассчитать компенсационную обмотку с требуемой точностью практически невозможно, что ведет к необходимости опытной настройки требуемого значения МДС посредством реостата , шунтирующего компенсационную обмотку.

Электромашинные усилители поперечного поля выпол­няют двухполюсными, при этом каждый из главных полюсов расщепляют на две части 1, между которыми располагают до­бавочные полюса 2 (рис. 30.2). Обмотки управления 4 выпол­няют сосредоточенными в виде полюсных катушек, надетых на главные полюса, что же касается компенсационной обмот­ки 3, то ее делают распределенной, используя для этого пазы в полюсных наконечниках главных полюсов. Этим достигает­ся компенсация продольной реакции якоря по всему перимет­ру статора.

Рис. 30.2. Расположение обмоток ЭМУ на статоре

При мощности до нескольких киловатт ЭМУ выполняют в общем корпусе с приводным двигателем постоянного или переменного тока. При значительной мощности ЭМУ и двигатель вы­полняют раздельно и монтируют на общей раме.

Рабочие свойства ЭМУ в значительной степени определяются его внешней характеристикой при и . Напряжение на выходе усилителя

, (30-4)

где сумма электрических сопротивлений в продольной цепи якоря, Ом, включающая в себя сопротивления обмотки якоря , добавочных полюсов , компен­сационной обмотки и щеточно­го контакта .

Ввиду того, что магнитная цепь усилителя не насыщена, на­пряжение является линейной функцией тока нагрузки , т. е. внешняя характеристика ЭМУ представляет собой практически прямую линию (рис. 30.1, б).

Угол наклона внешней харак­теристики к оси абсцисс (жест­кость характеристики) зависит от степени компенсации реакции якоря. При полной компенсации МДС компенсационной обмотки равна МДС реакции якоря по продольной оси . В этом случае внешняя характеристика получается достаточно жест­кой (кривая 3), так как уменьшение напряжения при увеличе­нии тока нагрузки происходит лишь за счет увеличения падения напряжения в цепи якоря по продольной оси .

При недокомпенсации внешняя характеристика получается менее жесткой (кривая 4). Объясняется это тем, что при недокомпенсации МДС , возрастая с увеличением тока , значительно ослабляет магнитный поток обмотки управления , что ведет к заметному уменьшению напряжения на выходе ЭМУ.

Если в усилителе настроить небольшую перекомпен­сацию так, чтобы МДС полностью скомпенсировала не только реакцию якоря по продольной оси, но и падение на­пряжения , то внешняя характеристика усилителя становит­ся абсолютно жесткой и располагается параллельно оси абсцисс (кривая 2). В этом случае напряжение на выходе ЭМУ остается неизменным во всем диапазоне изменения нагрузки.

При значительной перекомпенсации внешняя ха­рактеристика (кривая 1) приобретает восходящий характер, так как МДС не только компенсирует , но и создает дополни­тельный продольный поток, который, накладываясь на магнитный поток управления , вызывает увеличение ЭДС . Работа усили­теля с перекомпенсацией становится неустойчивой, так как возникает опасность произвольного самовозбуждения ЭМУ, при кото­ром увеличение напряжения на выходе усилителя вызывает рост тока нагрузки, что ведет к дальнейшему увеличению напряжения, т. е. происходит неограниченное увеличение тока нагрузки. Обыч­но в усилителе настраивают небольшую недокомпенсацию, при которой увеличение напряжения при уменьшении тока от номинального до нуля составляло бы 12—20%.