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: 1 из 3

ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
1.1. 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:

1. 
   независимый ЭМУ,
   
2. 
   ЭМУ с самовозбуждением,
   
3. 
   двухмашинные усилители,
   
4. 
   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_pесть отношение мощности на выходе Р_Вых к мощности на входе Р_вхпри установившемся режиме работы:







Коэффициент усиления по напряжению





где U_ВЫХ — напряжение выходной цепи; — напряжение входной цепи.

Из сказанного следует, что




Коэффициент усиления п о току k_t— это отношение тока выход­ной цепи /_вых усилителя к току входной цепи /_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;

ΣR — активное сопротивление цепи. В электромашинных усилителях постоянная времени T= 0,02÷0,2 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 возникаютзначительные 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.

1.2. 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; /_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 Λ, после преобразований получим





ω — угловая скорость вращения якоря.
Из Из уравнения (1.3) видно, что коэффициент усиления по мощ-
ности независимого ЭМУ при постоянном быстродействии (Т_у=
const) пропорционален квадрату скорости вращения якоря, маг-
нитной 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 Λ).

Обычный генератор постоян­ного тока с независимым возбуждением не обладает этими свой­ствами, поэтому его коэффициент усиления по мощности неве­лик: k_p=20÷100. 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_γ1 — 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







-постоянная времени цепи якоря,

i_нагр — ток нагрузки; Lя — индуктивность обмотки якоря.

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

Внутренняяобратная связь имеется в усилителе в виде раз­магничивающегодействия реакции якоря. Эта обратная связь нелинейна вследствие нелинейности характеристики намагничивания и ТОЛЬКО приближенно при небольших токах нагрузки ее можно считатьлинейной.

Передаточная функция усилителя в общем виде с учетом размагничивающего действия реакции якоря
к₀₁ — коэффициент внутренней обратной связи по току.

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 незначи­тельноеприменение 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.

1.3. 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 возбуждениясоосно 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_Bω_B), т. е. зависимость э. д. с. от м. д. с. возбуждения и вольтамперные характеристики цепи возбуждения 1и2, опре­деляющие падения напряжений в ней.

Обозначим через α₁— угол наклона линейного участка харак­теристики холостого хода, через α₂ и α₃— угол наклона вольтампер­ной характеристики цепи возбуждения.

У
гол наклона вольтамперной характеристики цепи возбуждения α₂или α₃ зависит от величины сопротивления цепи возбуждения, так как

где α— угол наклона вольтамперной характеристики цепи воз­буждения;

U— напряжение, приложенное к цепи возбуждения; / — ток в цепи возбуждения.

Из приведенных на рис. 1.4, а характеристик видно, что в случае α₂< α₁ возбуждения машины не произойдет, так как согласно характеристикам при одной и той же величине м. д. с, например F₁, генератор выработает э. д. с. Ε₁, а для создания такой же м. д. с. на обмотке возбуждения необходимо напряжение U₁. Гак как U₁>E₁то возбуждение машины невозможно. В случае α≤αкр 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: α≤αкр (1.13)

В

электромашинном усилителе обмотку самовозбуждения под­бирают так, чтобы при отсутствии сигнала на обмотке управления усилитель не возбуждался, т. е. выбирают α>α_κρ (прямая 1 на рис. 1.4, б). Если на обмотку управления подать сигнал, создаю­щий м. д. с. I_yω_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 OAрис. 1.4, б прямой линией и рассмотрим треугольники OABи CAB.

Из треугольника OAB

Из треугольника CAB

E = F_ctgα. (1.16)

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

И
з равенства (1.17) видно, что, чем ближе угол наклона вольт­амперной характеристики обмотки самовозбуждения к α_кр, тем больше коэффициент усиления по мощности усилителя. В крити­ческом случае, когда α=α_κρ, коэффициент усиления

k_p=∞.

В случае α<α_κρ 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 α 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_pдостигает величины порядка 400—500.

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

Допустим, что характеристика намагничивания линейна (пря­мая линия OAрис. 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 — ток управления, приведенный к числу

витков обмотки самовозбуждения;
ω_у, ω_c— числа витков обмоток управления и самовозбуждения;

k₌ ω_y^/ω_c— коэффициент трансформации между обмотками;

R_K = —f - = tg α_Kp — критическое сопротивление контура возбуждения, определяемое из треугольника AOBрис. 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_aи его

эквивалентная постоянная времени Tпропорциональны


Так как в усилителях ε> 1 на 3—5%, то эквивалентная постоянная времени Tзначительно превышает сумму постоянных времени обмоток самовозбуждения и управления. Например, если



ε =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 Вйеио с передаточной функцией

(1.32)

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

1.4. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ

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

На рис. 1.6, апредставлена 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.



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 ω=ωΗ= 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 = I₃ω_я, (1.33)

где I₃—ток в продольной цепи якоря;

ω_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 = I₃ω_к, (1.34)

где ω_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—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 Π (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 Π магнитный поток поперечной оси

Φ`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 осимашины. Эти обмотки выполнены сосредоточенными в виде четырех катушек.