Электромашинные усилители

опубликовано: .

     СОДЕРЖАНИЕ:

  1. Общие сведения.
  2. Одноступенчатые электромашинные усилители с независимым возбуждением.
  3. Двухмашинные электромашинные усилители.
  4. Двухступенчатые электромашинные усилители с поперечным полем.

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 kу называется отношение выходной мощности Pвых к входной мощности Pвх:

kу = Pвых / Pвх . (1)

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

Различают также коэффициенты усиления тока

ki = Iвых / Iвх , (2)

и напряжения

ku = Uвых / Uвх . (3)

Очевидно, коэффициент усиления мощности

kу = ki × ku . (4)

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

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

T = L / r .

Быстродействие электромашинного усилителя можно оценить некоторой эквивалентной постоянной времени Tэ, учитывающей скорость протекания переходных процессов в электромашинном усилителе в целом. Обычно Tэ = 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 kд, которая определяется как

kд = kу / Tэ . (5)

Желательно чтобы kд было больше, что возможно при больших kу и малых Tэ. Однако увеличение kу обычно приводит к увеличению Tэ 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 kу и Tэ 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 Pв = (0,01 – 0,02) × Pн, то kу = 50 – 100. Ввиду малого значения kу 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 kу электромашинные усилители изготовляются с двумя или большим числом ступеней усиления. Общий коэффициент усиления kу при этом равен произведению коэффициентов усиления отдельных ступеней. Например, в двухступенчатых усилителях

kу = kу1 × kу2 . (6)

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 kу = 10000.

Схема двухмашинного усилителя

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 Фу по продольной оси. Этот поток индуктирует электродвижущую силу, которая вызывает ток I1 = k1 × Фу в короткозамкнутой цепи якоря (щетки 11). 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 22), в результате чего в цепи нагрузки возникает ток I2 = Iвых и на выходных зажимах – напряжение U2 = Uвых.

Схема электромашинного усилителя с поперечным полем

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 Rш (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 11 (смотрите рисунок 2). Поэтому добавочных полюсов в поперечной оси обычно не делают. Коммутация под щетками 22 улучшается с помощью добавочных полюсов (рисунок 3).

Форма вырубок листов стали статора электромашинного усилителя

Рисунок 3. Форма вырубок листов стали статора электромашинного усилителя с поперечным полем и размещение обмоток статора
1 – обмотки управления; 2 – поперечная подмагничивающая обмотка; 3компенсационная 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 Pн = 20 кВт и коэффициент усиления до kу = 10000. Построены также многополюсные электромашинные усилители мощностью до Pн = 100 кВт с сильной поперечной подмагничивающей обмоткой и добавочными полюсами для улучшения коммутации щеток 11. 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.

1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голоса -ов)