Электромашинные усилители

Общие сведения

В автоматических устройствах возникает необходимость усиления электрической мощности, получаемой от различных маломощных измерительных элементов или преобразователей (температуры, давления, влажности, химического свойства среды и так далее). В частности, преобразователями скорости вращения являются тахогенераторы, рассмотренные в статье "Исполнительные двигатели и тахогенераторы". Используемые для указанной цели устройства называются усилителями.

В технике применяются различные виды усилителей электрической мощности: электронные (ламповые), полупроводниковые, магнитные и электромашинные. Последние представляют собой специальную разновидность электромашинных генераторов, которые приводятся во вращение приводными электрическими двигателями с n = const. Усиление мощности при этом происходит за счет мощности, получаемой от приводного двигателя. Электромашинные усилители (ЭМУ) применяются для автоматического управления работой электрических машин в различных производственных и транспортных установках.

Коэффициентом усиления усилителя k_у называется отношение выходной мощности P_вых к входной мощности P_вх:

Мощность P_вх называется также мощностью управления или сигнала. Коэффициент усиления мощности электромашинного усилителя достигает значений k_у = 1000 – 10000.

Различают также коэффициенты усиления тока

и напряжения

Очевидно, коэффициент усиления мощности

Обычно требуется, чтобы при изменении режима работы электромашинного усилителя k_у = const. Для этого машинные системы электромашинного усилителя выполняются ненасыщенными.

От электромашинного усилителя требуется также большое быстродействие работы, то есть быстрое изменение P_вых при изменении P_вх. Быстродействие определяется электромагнитными постоянными времени обмоток электромашинного усилителя:

T = L / r .

Быстродействие электромашинного усилителя можно оценить некоторой эквивалентной постоянной времени T_э, учитывающей скорость протекания переходных процессов в электромашинном усилителе в целом. Обычно T_э = 0,05 – 0,3 с.

Во избежание замедляющего действия вихревых токов, индуктируемых при изменении потока Ф в магнитопроводе, последний изготовляется полностью из листовой электротехнической стали высокого качества. Влияние гистерезиса магнитной цепи сводится к минимуму выбором соответствующей марки стали, а также специальными дополнительными мерами.

Для оценки качества электромашинного усилителя вводится также понятие добротности k_д, которая определяется как

Желательно чтобы k_д было больше, что возможно при больших k_у и малых T_э. Однако увеличение k_у обычно приводит к увеличению T_э и наоборот. Например, при увеличении сечений магнитопровода электромашинного усилителя магнитный поток, выходное напряжение, выходная мощность и коэффициент усиления мощности увеличиваются. Однако одновременно увеличиваются также индуктивности и постоянные времени обмоток. Поэтому значения k_у и T_э приходится выбирать компромиссным образом.

Номинальная выходная мощность современных электромашинных усилителей достигает 100 кВт. Мощность управления колеблется от долей ватта до нескольких ватт. Первые электромашинные усилители построены в 1937 году.

Одноступенчатые электромашинные усилители с независимым возбуждением

В качестве простейшего электромашинного усилителя можно рассматривать обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением с расслоенной магнитной цепью индуктора и якоря. При этом обмотка возбуждения является обмоткой управления, а цепь якоря – выходной цепью. Так как в таких генераторах P_в = (0,01 – 0,02) × P_н, то k_у = 50 – 100. Ввиду малого значения k_у такие усилители применяются редко. Впрочем, в качестве подобных электромашинных усилителей можно рассматривать обычные электромашинные возбудители крупных машин постоянного и переменного тока.

Двухмашинные электромашинные усилители

Рассмотренные выше простейшие электромашинные усилители имеют одну ступень усиления мощности – от обмотки возбуждения (управления) к обмотке якоря. Для увеличения k_у электромашинные усилители изготовляются с двумя или большим числом ступеней усиления. Общий коэффициент усиления k_у при этом равен произведению коэффициентов усиления отдельных ступеней. Например, в двухступенчатых усилителях

Простейший двухступенчатый усилитель представляет собой каскадное соединение двух генераторов постоянного тока (рисунок 1). Обмотка возбуждения генератора 1 является обмоткой управления ОУ. Якорь генератора 1 питает обмотку возбуждения генератора 2, цепь якоря последнего (U₂, I₂) является выходной цепью, подключаемой к управляемому объекту.

Электромашинные усилители по схеме рисунка 1 изготовлялись западногерманской фирмой "Сименс-Шуккерт" под названием "рапидин". Обе машины располагались в общем корпусе. При этом достигалось k_у = 10000.

Рисунок 1. Схема двухмашинного усилителя

Обычно все электромашинные усилители имеют несколько обмоток управления, которые размещаются рядом друг с другом на общем участке магнитной цепи (полюсах). При этом можно осуществлять управление в зависимости от нескольких величин (например, в зависимости от скорости вращения и тока якоря двигателя прокатного стана и тому подобного).

Двухступенчатые электромашинные усилители с поперечным полем

Такие электромашинные усилители являются самыми распространенными электромашинными усилителями и были разработаны фирмой "Дженерал электрик" в 1937 г. под названием "амплидин". Они изготовлялись обычно с неявновыраженными полюсами и с числом пар полюсов 2p = 2. В СССР такие электромашинные усилители выпускались серийно.

Рассматриваемый вид электромашинного усилителя является конструктивным развитием генератора поперечного поля (смотрите статью "Специальные типы генераторов и преобразователей постоянного тока") и по принципу действия аналогичен ему.

Обмотки управления ОУ (рисунок 2) создают первоначальный поток Ф_у по продольной оси. Этот поток индуктирует электродвижущую силу, которая вызывает ток I₁ = k₁ × Ф_у в короткозамкнутой цепи якоря (щетки 1 – 1). Ток I₁ протекая по обмотке якоря и поперечной подмагничивающей обмотке ПО, создает поток Ф₁ = k × I₁ поперечного поля. Поток Ф₁ индуктирует электродвижущую силу в выходной цепи (щетки 2 – 2), в результате чего в цепи нагрузки возникает ток I₂ = I_вых и на выходных зажимах – напряжение U₂ = U_вых.

Рисунок 2. Схема электромашинного усилителя с поперечным полем

Продольная размагничивающая намагничивающая сила тока I₂ практически полностью компенсируется обмоткой КО, чтобы снизить мощность управления и увеличить коэффициент усиления. Если действие КО является слишком сильным, то возникает опасность самовозбуждения электромашинного усилителя как генератора последовательного возбуждения, в результате чего нормальная работа электромашинного усилителя нарушается. Обычно КО выполняется с некоторым запасом (перекомпенсация), и регулирование (ослабление) ее действия производится с помощью шунтирующего сопротивления R_ш (рисунок 2).

Форма вырубок листов стали статора электромашинного усилителя и расположение обмоток статора показаны на рисунке 3. Компенсационную обмотку, с целью достижения компенсации реакции якоря не только по величине, но и по форме, выполняют распределенной. Обмотка якоря обычно имеет укорочение шага. Применение поперечной подмагничивающей обмотки ПО позволяет уменьшить ток I₁ и улучшить тем самым коммутацию под щетками 1 – 1 (смотрите рисунок 2). Поэтому добавочных полюсов в поперечной оси обычно не делают. Коммутация под щетками 2 – 2 улучшается с помощью добавочных полюсов (рисунок 3).

Рисунок 3. Форма вырубок листов стали статора электромашинного усилителя с поперечным полем и размещение обмоток статора
1 – обмотки управления; 2 – поперечная подмагничивающая обмотка; 3 – компенсационная обмотка; 4 – обмотка добавочных полюсов выходной цепи

Для уменьшения влияния гистерезиса вокруг спинки сердечника статора наматывают размагничивающую обмотку, питаемую переменным током. Поток этой обмотки замыкается в сердечнике статора по окружности и не проникает в якорь. Ширина петли гистерезиса при таком размагничивании сужается. На рисунке 3 эта обмотка не показана.

Двухступенчатые электромашинные усилители с поперечным полем обычно имеют мощность до P_н = 20 кВт и коэффициент усиления до k_у = 10000. Построены также многополюсные электромашинные усилители мощностью до P_н = 100 кВт с сильной поперечной подмагничивающей обмоткой и добавочными полюсами для улучшения коммутации щеток 1 – 1. Существуют также некоторые другие, менее распространенные типы электромашинных усилителей.

Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.