Реферат - Электромашинные усилители. Электромашинные усилители

• Название: Электромашинные усилители
• Анкор: Реферат - Электромашинные усилители.doc
• Дата: 31.05.2018
• Размер: 488.5 Kb.
• Имя файла: Реферат - Электромашинные усилители.doc
• Тип: Документы; #19830
• Категория: Электротехника. Связь. Автоматика
• страница: 2 из 3

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 второи ступени

с₁,с₂—постоянные конструктивные коэффициенты;

Λq, Λd — 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/R₂ 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 ω=const и номинальном сигнале на обмотке управления

U₁ =U_1H = const.

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

На рис. 1.9, а представлена зависимость тока в поперечной цепи I₂ от тока в продольной цепи I₃, т. е. от выходного тока, про текающего 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.

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 неюбходимую степень компенсации. Если установитьдвижок 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 случаевкомпенсации.

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=0,97÷0,99), 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.

1.5. 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

U₃=f(t)

при подаче на вход (обмотку управления) напряжения управления.

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 = a₂ί₂, (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




Рис. 1.10. Схема элект­ромагнитных (1.49)

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 ос­н
овании уравнения (1.48):

1.6. 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=10³÷10⁵);.

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 1-5кВтсоставляет 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 н 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 си ну со ид а ль но го 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.

Н