Генератор постоянного тока с независимым возбуждением как ЭМУ Ку = 50 -100
Двухякорный ЭМУ
Представляет собой два генератора ПТ якоря которых собраны на общем валу, магнитная система расположена в общем корпусе. Напряжение с выхода первого генератора поступает на обмотку возбуждения второго и с якоря второго - выход ЭМУ. К =Ку1*Ку2=10000
Такой генератор выпускаемый фирмой Сименс - Шукерт называется «рапидин» и выпускается на мощности до сотен кВт.
Одноякорный ЭМУ с поперечным возбуждением (ЭМУ поперечного поля) «амплидин»
ЭМУ выполняются в виде единой серии до 20 кВт. Конструктивно выполняются на одном валу расположен АД и собственно усилитель. Ку=10000
Электромашинный усилитель является элементом системы непрерывного регулирования, предназначенным для усиления электрических сигналов. Поэтому одной из основных характеристик его является коэффициент усиления мощности, равный отношению выходной электрической мощности Р2 к входной мощности Ру, т. е. ку = Р2/Ру.
Важным требованием к системе регулирования является возможно малое время передачи сигнала управления. Электромашинный усилитель обладает электромагнитной инерцией, обусловленной главным образом потоком возбуждения, которая увеличивает это время. Скорость протекания электромагнитных процессов в цепи с индуктивностью L и активным сопротивлением г характеризуется постоянной времени Т = L/r.
Основной запас электромагнитной энергии сосредоточен в поле возбуждения наиболее мощной ступени усиления, поэтому быстродействие многоступенчатого усилителя определяется постоянной времени выходной ступени.
С увеличением коэффициента усиления возрастает также и постоянная времени усилителя. Сопоставление усилителей с различным &у и Т производится по коэффициенту добротности &д = ку/Т.
А. Электромашинные усилители с продольным полем. Простейшим видом электромашинного усилителя является генератор с независимым возбуждением (рис. 7-2), в общем случае — с несколькими обмотками на полюсах. В одну из обмоток подается возбуждение, и при вращении якоря происходит процесс- преобразования механической энергии приводного двигателя в электрическую. Мощность возбуждения Ру составляет обычно 3—1% полезной мощности генератора Р2. Таким образом, коэффициент усиления электромашинного усилителя с независимым возбуждением при номинальной нагрузке составляет kv = = 30 -ь 100.
Характеристика холостого хода, т. е. зависимость выходного напряжения от величины сигнала при токе нагрузки I = 0, и внешняя характеристика при постоянной величине сигнала полностью совпадают с соответствующими характеристиками генератора независимого возбуждения.
При снятии внешней характеристики мощность возбуждения остается постоянной, поэтому коэффициент усиления равен нулю в точках холостого хода и короткого замыкания. По мере увеличения тока нагрузки коэффициент усиления растет и достигает максимальной величины, когда сопротивление внешней цепи равно сопротивлению цепи якоря, т. е. при значении напряжения, равном половине э. д. с. холостого хода. С дальнейшим увеличением тока нагрузки коэффициент усиления" уменьшается. Таким образом, в нормальных условиях электромашинный усилитель работает далеко от максимума А:у, приближаясь к нему при больших перегрузках.
Рис. 9. Двухступенчатое усиление мощности.
Можно соединить два электромашинных. усилителя так, чтобы один из них У1, был возбудителем для другого У2 (рис. 9). Для такой схемы общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных машин.
Увеличение коэффициента усиления может быть достигнуто также применением самовозбуждения в дополнение к независимому возбуждению. В этом случае к обмотке управления подводится только часть энергии, необходимой для создания магнитного потока. Обмотка самовозбуждения может включаться как параллельной рис. 10), так и последовательно с обмоткой якоря. Возможно смешанное включение обмоток самовозбуждения. Магнитный поток создается намагничивающими силами Fy и Fm обмотки управления и обмотки самовозбуждения.
Для того чтобы предотвратить произвольное самовозбуждение электромашинного усилителя, необходимо установить сопротивление цепи самовозбуждения немного больше критического; тогда процесс самовозбуждения начнется только после подачи сигнала в обмотку управления.
Установившееся значение выходного напряжения определяется точкой пересечения характеристики холостого хода с линией падения напряжения в цепи самовозбуждения /шгш, где /ш ток самовозбуждения, гш - сопротивление цепи самовозбуждения.
Величина / (рис. 11) представляет собой ток управления, приведенный
к обмотке самовозбуждения, т. е.
Так как насыщение магнитной цепи сильно снижает коэффициент усиления, то самовозбуждающийся электромашинный усилитель работает обычно на прямолинейной части холостого хода.
Внешняя характеристика описанного усилителя приведена на рис. 12.
Коэффициент усиления одноступенчатого усилителя составляет обычно 600-800.
Двухступенчатые электромашинные усилители имеют четырехполосную магнитную систему и петлевую обмотку якоря без уравнительных соединений. Обмотка управления размещается на двух противоположных полюсах, а обмотка возбуждения второй ступени усиления — на всех четырех полюсах. Таким образом, в данном усилителе совмещаются две машины с общей обмоткой якоря: одна с двухполюсным и вторая с четырехполюсным возбуждением. Шаг обмотки якоря ух делается полным или немного укороченным для четырехполюсной машины; следовательно, для двухполюсной машины укорочение шага будет значительным.
Для получения наибольшей э. д. с. в обмотках с неукороченным шагом токораздел должен совпадать с геометрической нейтралью, т. е. переключаемая секция должна охватывать наибольший возможный магнитный поток.
При этом токораздел отстоит от осп полюса на т/2. В обмотках с укороченным шагом токораздел верхнего слоя обмотки якоря не совпадает с токоразделом нижнего слоя. В этом случае переключаемая секция также должна охватывать наибольший магнитный поток. Тогда токораздел верхнего и нижнего слоев обмотки должен располагаться симметрично относительно полюса, т. е. на расстоянии ух/2 от оси полюса (рис. 13); при других положениях токораздела э. д. с. будет меньше, чем для указанного. (На рис. 13 для простоты показаны э. д. с. проводников только одной параллельной ветви). При положении щеток на линии аЬ напряжение на щетках будет равно нулю.
Рис. 10. Одноступенчатый электромашинный усилитель с самовозбуждением
Рис. 12. Внешняя характеристика электромашинного усилителя
Рис. 11. Самовозбуждение электромашинного усилителя
Рис. 13. Положение токораздела при обмотке якоря с укороченным шагом
При положении щеток на линии В1 — ВЗ реакция якоря будет поперечной, так как в пределах дуги т2 — ух токи в проводниках верхнего и нижнего слоев имеют противоположные направления, и их намагничивающие силы взаимно уравновешиваются.
При У1 = тг/2 токораздел должен быть расположен на расстоянии yj2 от оси полюса, т. е. смещен относительно оси полюса на т2/4. Это соответствует нормальному положению токораздела для четырехполюсной системы с ух = т4.
В петлевых обмотках многополюсных машин при различных потоках одноименных полюсов возникают уравнительные токи, которые замыкаются через щетки одной полярности и соединительные шины. Это явление используется в двухступенчатом усилителе. Различная намагничивающая сила двух вертикальных полюсов 1—3 (рис. 9-14) получается вследствие протекания тока /у по обмотке управления, магнитный поток одного полюса усиливается, а второго ослабляется. В результате появляется э. д> с. между щетками В1 и В3\ между ними включается обмотка возбуждения всех полюсов, которая создает четырехполюсный магнитный поток второй ступени усиления. Ток /в этой обмотки создает намагничивающую силу FB. Выходное напряжение снимается со средних точек между щетками В1 — ВЗ и В2 — В4, как в обычном четырехполюсном генераторе. Четырехполюсная обмотка самовозбуждения включается параллельно (рис. 14) или последовательно с нагрузкой и усиливает действие первой обмотки. Сопротивление цепи обмотки самовозбуждения устанавливается немного больше критического. Ток из этой обмотки создает намагничивающую силу Fш.
Протекание по обмотке якоря уравнительного тока (т. е. тока возбуждения второй ступени усиления) между щетками В1 и ВЗ создает намагничивающую силу поперечной реакции якоря Fx и магнитный поток, направленный по осп полюсов 2—4. Бели бы щетки В2 и В4 были разомкнуты, то между ними возникла э. д. с. в результате пересечения этого потока проводниками обмотки якоря; при замкнутых щетках по этой цепи также будет протекать уравнительный ток, создающий намагничивающую силу F2 по осп полюсов 1—5, направленную встречно относительно потока обмотки управления. Чтобы устранить это нежелательное явление, уменьшающее эффективность тока управления, в машине ставятся компенсационные и противодействующие обмотки. Указанные обмотки необходимы для улучшения свойств усилителя, но не определяют процесс усиления в нем.
Рис. 14. Схема соединения главных обмоток двухступенчатого усилителя
Рис. 15. Схема включения обмоток: противодействующей, компенсационной и возбуждения
Противодействующая обмотка располагается на полюсах 2 и 4 и включается между щетками В2 — В4 так, что намагничивающая сила Fn противоположна Fx (рис. 15). Такая обмотка только частично уравновешивает реакцию якоря, так как намагничивающая сила Fn является причиной появления тока в цепи этой обмотки.
Компенсационная обмотка может быть распределена в полюсных наконечниках (рис. 5-13) или же размещена на сердечниках полюсов. В усилителях применяется второй, более простой, тип обмотки. Для компенсации Fx обмотка располагается на полюсах 2 и 4 и включается в цепь щеток В1 — ВЗ; для компенсации F2 обмотка располагается на полюсах 1 и 3 и включается в цепь щеток В2 — В4 (рис. 15). Это наиболее эффективный способ компенсации реакции якоря. Часто применяются обе обмотки.
Ток нагрузки /2 в части обмотки возбуждения (и в компенсационной) направлен согласно с током возбуждения /в, а в другой части обмоток их направления противоположны (рис. 14). Для тою чтобы это не вызвало усиления и ослабления намагничивающей силы отдельных полюсов и появления уравнительных токов, обмотка возбуждения и компенсационная выполняются из полукатушек, и каждая ветвь этих обмоток размещается на всех полюсах. Ток нагрузки вызывает четырехполюсную реакцию якоря, которая направлена по геометрическим Централям усилителя. Для улучшения коммутации в электромашинных усилителях применяются добавочные полюсы. На этих же полюсах укладывается компенсационная обмотка для компенсации реакции якоря от тока нагрузки.
Коэффициент усиления двухступенчатого усилителя с продольным полем составляет 50 000—100 000; мощность может достигать нескольких сотен киловатт.
Б. Электромашинные усилители с поперечным полем. В обычной машине постоянного тока поперечная реакция якоря искажает поле главных полюсов п часто нарушает коммутацию, поэтому принимается ряд мер для ослабления поперечной реакции: якоря. В машинах с поперечным полем поперечный поток реакции якоря используется для получения э. д. с. Для этой цели на коллекторе двухполюсной машины (рис. 16) укладывается дополнительная пара щеток В1 — В2, ось которых перпендикулярна оси основных щеток ВЗ — В4.
Рис. 17. Лист индуктора усилителя с поперечным полем
В электромашинном усилителе на индукторе размещаются одна или несколько обмоток управления 1, создающих поток возбуждения Ф.
Рис. 16. Схема усилителя с поперечным полем
Якорь усилителя ничем не отличается от якоря генератора постоянного тока. Щетки ВЗ — В4 замыкаются накоротко или через подмагничивающую обмотку 2.
При вращении якоря его проводники пересекают поток Фд и возникает э. д. с. и ток в цепи щеток ВЗ — В4. Так как сопротивление этой цепи невелико, то малая величина э. д. с. вызывает значительный ток /2, который в свою очередь создает большой поперечный поток реакции якоря Фд. От пересечения потока Ф9 возникает э. д. с. Е3, которая снимается со щеток В1 — В2. При включении нагрузки в цепи щеток В1 — В2 будет протекать ток нагрузки /3. Таким образом, усиление происходит в две ступени: первая ступень состоит из обмотки управления и цепи поперечных щеток ВЗ — В4, вторая ступень — из цепи поперечных щеток и цепи продольных щеток В1 — В2.
Намагничивающая сила реакции якоря от тока /3 направлена по продольной оси и действует навстречу намагничивающей силе обмотки управления. Так как в этих условиях поток управления Ф<* и коэффициент усиления уменьшаются, то для компенсации реакции якоря ставится компенсационная обмотка 3. Добавочные полюсы 4 обычно устанавливаются только по продольной оси.
Общий коэффициент усиления электромашинного усилителя с поперечным полем находится в пределах 2 000—10 000, но в некоторых случаях достигает 100 000, причем коэффициент усиления первой ступени в несколько раз меньше коэффициента усиления второй ступени.
Постоянная времени составляет 0,1— 0,25 сек. Для уменьшения замедляющего действия вихревых токов статор изготовляется из листового материала. Форма листа статора приведена на рис. 17.
Устойчивость работы усилителя определяется характером электромагнитных связей между обмотками усилителя, имеющими общую ось, например между компенсационной обмоткой, обмоткой якоря по продольной оси и обмоткой возбуждения. В коллекторных машинах с подобного рода магнитносвязанными цепями тока могут возникать так называемые свободные электрические колебания, которые налагаются на основной рабочий режим и нарушают работу усилителя. Особенно важное значение имеет степень компенсации реакции якоря по продольной оси. Для регулирования степени компенсации ставится реостат 5, шунтирующий компенсационную обмотку. При недокомпенсации колебательный процесс затухает, в случае же перекомпенсации возникает устойчивый колебательный процесс.
Чтобы избежать этого, электромашинный усилитель снабжается стабилизирующей обмоткой 6, которая включается через конденсатор или трансформатор 7 на зажимы двигателя. В стабилизирующую обмотку ток поступает только при изменении напряжения на щетках В1 — В2У причем эта обмотка способствует увеличению потока Фд при уменьшении выходного напряжения, и наоборот.
