§ 2.6. електромашинні підсилювачі
Загальні відомості. Електромашинним підсилювачем (ЕМУ) називається генератор постійного струму, призначений для посилення за проектною потужністю сигналів, що подаються на обмотку збудження. Звичайний генератор теж є ему, однак він не задовольняє вимогам, що пред'являються до ЕМУ, оскільки не володіє достатнім швидкодією і має низький коефіцієнт посилення. Для отримання великого коефіцієнта посилення і малої інерційності схема обмоток і конструкція ему повинні істотно відрізнятися від застосовуваних в звичайних генераторах постійного струму.
У системах автоматичного регулювання ему знайшли широке застосування. Вони є швидкодіючими, дають вельми велике посилення, мають значну перевантажувальну здатність і мають високі техніко-економічними та експлуатаційними показниками. Ему здатний в значних межах зберігати пропорційність між вхідним сигналом і вихідною величиною. Потужність управління (входу) ему дуже мала. Потужність виходу підсилювача, що визначатиме її габарити, називають потужністю підсилювача. Посилення потужності в ЕМУ відбувається за рахунок механічної енергії первинного двигуна (рис. 2.43).
Мал. 2.43. Енергетична діаграма ЕМУ
Електромашинний підсилювач поздовжнього поля. Електромашинний підсилювач поздовжнього поля являє собою генератор постійного струму з декількома обмотками збудження, одна з яких з'єднана за схемою самозбудження, зазвичай паралельного (рис. 2.44), в деяких випадках послідовного або компаундного. Щоб ему не міг самозбуджуватися, опір обмотки самозбудження вибирають рівним або більшим за критичний. Магнітну систему виконують слабонасищенних, з невеликим магнітним опором. Обмотки незалежного збудження ОУ називають обмотками управління.
Розглянемо робочий процес ЕМУ подовжнього поля. Якщо струм в обмотках управління відсутня, то характеристики холостого ходу і обмотки збудження не перетинаються (рис. 2.45), так як α≥αкр. тому машина не порушується.
Мал. 2.44. Схема ЕМУ подовжнього поля
Мал. 2.45. Напруга на затискачах якоря ЕМУ подовжнього поля з паралельної обмоткою самозбудження
за рахунок потоку обмотки самозбудження, так як м. д. с. обмоток управління і самозбудження складаються. Для визначення напруги на якорі ему характеристику обмотки самовозбуж-
Коефіцієнт посилення ему поздовжнього поля досягає 100 і вище.
Електромашинний підсилювач поперечного поля. Для підвищення коефіцієнта посилення виконують дві ступені посилення. Найпростіша схема двоступеневого підсилювача може складатися з двох генераторів незалежного збудження (рис. 2.46). Ця схема коштує значно дорожче, ніж одномашінний підсилювач. Її недоліком є велика інерційність, тому для цілей автоматичного регулювання вона непридатна.
В ЕМУ поперечного поля обидві ступені посилення об'єднані в одній машині. Перший ступінь складається з обмотки управління і якоря, який замкнутий накоротко щітками q - q, розташованими по геометричної нейтрали, (рис. 2.47). У цьому ступені посилення при обертанні машини невелика м. Д. С. обмотки управління створює значну поперечну реакцію якоря Faq (рис. 2.48).
У другому рівні посилення на поздовжніх щетках d - d виникає напруга, яке створюється е. д. з, индуктируемой в обмотці якоря при його обертанні в поле, створюваному м. д. С. поперечної реакції якоря Faq. Напруга U вих на щітках d - d є вихідним. Таким чином, ему поперечного поля є одноякірні двоступеневий підсилювач, у якого потік другого ступеня створюється поперечної реакцією якоря первойступені. Звідси і назва - підсилювач поперечного поля.
Якщо напруга U вих приєднано до якогось навантажувального опору, то по якоря через щітки d - d проходить струм Iвих. Створювана їм реакція якоря Fad є поздовжньої і
спрямована зустрічно по відношенню до м. д. с. обмотки управління. Для компенсації поздовжньої реакції якоря передбачається компенсаційна обмотка КО, поєднана послідовно з якорем через щітки d - d. Опір rk (див. Рис. 2.47) дозволяє регулювати ступінь компенсації. для улуч-
Мал. 2.46. Двоступеневий підсилювач, що складається з двох генераторів незалежного збудження
Мал. 2.47. Схема ЕМУ поперечного поля
Мал. 2.48. Розподіл потоків і струмів ЕМУ поперечного поля: а - розподіл потоків; б - розподіл струму першого ступеня посилення; в - розподіл струму другого ступеня посилення; г - сектори якоря
шення комутації струму вихідного кола встановлюють додаткові полюса ЦП.
Порівнюючи розподіл струму якоря в першій (рис. 2.48, б) і другий (рис. 2.48, в) щаблях посилення, бачимо, що в провідниках обмотки якоря, розташованих в секторах 1 і 3 (рис. 2.48, г), протікає сума струмів першій (Iq) і другий (Iвих) ступенів, а в секторах 2 та 4 - їх різниця. Результуючий струм, що визначає втрати якоря, дорівнює
Мал. 2.49. Розріз ЕМУ поперечного поля:
1 - щіткотримач; 2 - щит колекторний; 3 - колектор; 4 - обмотка управління; 5 - обмотка якоря; 6 - корпус; 7 - сердечник статора ему; 8 - сердечник якоря ЕМУ; 9 - вал; 10 - обмотка статора приводного двигуна; 11 - підшипниковий щит; 12 - вентилятор; 13 - кожух вентилятора; 14 - підшипник
Зазвичай Iq = (0,25 ÷ 0,35) Iвих. При Iq = 0,3Iвих еквівалентний струм I, що визначає перетин обмотки якоря, відрізняється від вихідного всього на 5%.
Коефіцієнт посилення ему поперечного поля у багато разів більше, ніж поздовжнього, він може перевищувати 10000. Постійна часу ЕМУ поперечного поля становить всього 0,1 ÷ 0,3 сек.
Мал. 2.50. Розміщення обмоток в статорі ЕМУ
Конструктивне виконання ЕМУ поперечного поля. Зазвичай ЕМУ поперечного поля потужністю до 1-2 кВт виконується в одному корпусі з приводним двигуном (рис. 2.49). Якорі ему (А) і приводного двигуна (В) насаджуються на один вал. Статор ему виконується з неявно вираженими полюсами (порівняти статор ему, рис. 2.50, і звичайної машини постійного струму, рис. 2.1). Пакет статора збирається з листів електротехнічної сталі, в яких виштампувані три види пазів: великі, середні та малі. Завдяки наявності двох великих пазів в магнітній системі статора утворюються два неявно виражені полюса, розщеплені середніми і малими пазами. У великих пазах розміщуються обмотки управління ОУ1 і OУ2, а також частина компенсаційної обмотки КО. Решта компенсаційна обмотка КО розміщується в малих пазах. У середніх пазах розміщується обмотка додаткових полюсів ДП.
Залишкове намагнічування несприятливо позначається на роботі ему, особливо при зміні напрямку сигналу на про-
мотку управління. У цьому випадку порушується однозначність залежності між вхідними і вихідними величинами.
В ЕМУ застосовується електротехнічна листова сталь з пониженим значенням залишкової індукції. У деяких випадках для зменшення залишкового магнетизму на ярмо статора намотують спеціальну розмагнічувати обмотку РО (рис. 2.50), по якій пропускають змінний струм (зазвичай 50 гц). Змінний потік, створюваний цієї обмоткою, не проходить в якір, але перемагнічується сталь ярма, що зменшує дію її залишкового магнетизму.
Коефіціент посилення. Зазвичай ЕМУ поперечного поля мають двухполюсное виконання, тому при виведенні виразу коефіцієнта посилення приймаємо 2р = 2. Тоді з урахуванням формул (2.4) і (2.23) коефіцієнт посилення першого ступеня ЕМУ поперечного поля виразиться
З виразу (2.24, б) випливає, що коефіцієнт посилення ему поперечного поля пропорційний квадрату швидкості обертання, твору постійних часу обмоток управління і якоря і відношенню м. Д. З, створюваних струмами входу і виходу.
Вплив деяких факторів на коефіцієнт посилення і швидкодію. Опір ra ланцюга якоря, яке визначає постійну часу Tq, залежить від перехідного опору контакту щіток q - q. Тому в разі застосування щіток з великим перехідним опором, а також при погіршенні перехідного контакту від щіток до колектора коефіцієнт посилення ему стає менше.
Секції обмотки якоря, що знаходяться в процесі комутації під щітками q - q, створюють поле, яке будучи направлено зустрічно м. Д. С.
обмотки управління, послаблює його. В результаті дії комутаційних струмів коефіцієнт посилення знижується. Для зменшення реакції комутаційних струмів ширину щіток вибирають не більше 1-1,5 ширини колекторної пластини, тому одночасно комутує лише одна або дві секції.
Магніторушійна сила Fвих пропорційна току Iвих. Внаслідок цього, згідно (2.24, б), коефіцієнт посилення залежить від струму Iвих. При повній компенсації поздовжньої реакції якоря ця залежність близька до лінійної (крива 2 на рис. 2.51).
В процесі роботи режим ему може змінюватися. При цьому в маг-нітопроводе виникають вихрові струми, які перешкоджають з-
Мал. 2.51 Залежність коефіцієнта посилення від вихідного струму ЕМУ поперечного поля: 1 - при перекомпенсації поздовжньої реакції якоря, 2 - при повній компенсації; 3 - при недокомпенсації
трансформаційних змін потоку, в результаті чого швидкодія ему знижується. Для зменшення вихрових струмів всю магнітну систему ему збирають з пакетів лакованих листів електротехнічної сталі.
Часто для зменшення постійної часу Ту в ланцюг обмотки управління вводять додатковий опір кд.у. (Див. Рис. 2.44 і 2.47). При зменшенні постійних часу швидкодія ему поліпшується. Коефіцієнти посилення ky1 і ky2 пропорційні постійним часу Ту і Tq. Тому з поліпшенням швидкодії коефіцієнт посилення ему стає менше.
Вплив коефіцієнта посилення на стійкість роботи ЕМУ поперечного поля. Як і у всякій машині постійного струму в ЕМУ при зсуві щіток q - q з геометричної нейтрали з'являється поздовжня реакція струму Iq. напрямок дії якої збігається з віссю обмоток управління. Магніторушійна сила обмоток управління вельми мала, через що навіть при незначному зсуві щіток поздовжній потік першого ступеня істотно змінюється. Як і в будь-якому генераторі, м. Д с. поздовжньої реакції якоря від струму Iq при зсуві щіток проти обертання підсилює потік обмоток управління. При цьому коефіцієнт посилення ky зростає, але ему може самовозбудітся і втратити керування. Щоб зберегти стійкою роботу ему, щітки зазвичай зрушують на невеликий кут у напрямку обертання якоря, при цьому коефіцієнт посилення зменшується.
Регулюючи опір реостата rк (див. Рис. 2.47), можна змінювати м. Д. С. компенсаційної обмотки КО. Магніторушійних сили обмоток управління і компенсаційної спрямовані згідно. Тому при більшому ступені компенсації коефіцієнт посилення ему збільшується. У разі перекомпенсації спостерігається прагнення ему до самозбудження. Щоб уникнути цього опір rк налаштовують таким чином, щоб була деяка недокомпенсація. При цьому коефіцієнт посилення дещо зменшується. Звідси випливає, що зрушувати щітки і регулювати струм в компенсаційній обмотці треба таким чином, щоб коефіцієнт посилення кілька знижувався. При цьому робота ЕМУ поперечного поля стає надійною і стійкою.
Характеристики ЕМУ поперечного поля. При Iвих = 0 залежність вихідний е. д. з. від струму обмотки управління, т. е. Eвих = f (Iвх) називається результуючої характеристикою холостого ходу ЕМУ. Початкова частина цієї характеристики нелінійна (рис. 2.52). При дуже малих значеннях е. д. з. Eвих крутизна характеристики невелика, потім збільшується і закінчується прямолінійним ділянкою, це пояснюється збільшенням опору поперечних щіток q - q при малих значеннях струму. Для отримання лінійної залежності між вихідними і вхідними сигналами, а також для отримання
більшого коефіцієнта посилення, номінальну напругу ему вибирається на прямолінійній частині результуючої характеристики холостого ходу.
Залежність вихідної напруги від вихідного струму, т. Е. U вих = f (Iвих) називається зовнішньою характеристикою ему. У разі повної компенсації поздовжньої реакції якоря струму Iвих напруга U вих зменшується зі збільшенням струму Iвих за рахунок падіння напруги в ланцюзі якоря (крива 1 на рис. 2.53). При недокомпенсації зовнішня характеристика розташовується нижче
Мал. 2.52. Результуюча характеристика холостого ходу ЕМУ поперечного поля
Мал. 2.53. Зовнішні характеристики ЕМУ поперечного поля
(Крива 2). При перекомпенсації спостерігається схильність ему до самозбудження. Це виражається в тому, що з ростом струму прогресивно збільшується напруга виходу (крива 5).
У разі насичення магнітної системи, т. Е. Коли ему працює на криволінійній ділянці результуючої характеристики холостого ходу, зовнішні характеристики стають нелінійними (на рис. 2.53 вони показані пунктирними лініями 2 'і 3').
1. Чи може звичайний генератор з самозбудженням використовуватися як ему поздовжнього поля? Як вибирається величина опору кола обмотки самозбудження ЕМУ подовжнього поля?
2. Яким чином в одноякірні ЕМУ поперечного поля поєднуються два ступені посилення? В якому режимі працює генератор, еквівалентний першого ступеня посилення ему? Які щітки ему належать першого ступеня посилення? Який обмоткою створюється потік збудження другого ступеня посилення?
4. Від яких факторів залежить коефіцієнт посилення ему? Яке призначення в ЕМУ поперечного поля має компенсаційна обмотка?
4. Які засоби застосовують для того, щоб робота ЕМУ поперечного поля була стійкою? В який бік зрушують щітки ему? Яку застосовують ступінь компенсації поздовжньої реакції якоря? Як при цьому змінюється коефіцієнт посилення ему?