Электромашинные усилители

ЭМУ широко применяются в системах автоматического регулирования различных электроприводов. При этом, главным образом, используются для динамического торможения при асинхронных двигателях с фазным ротором и для возбуждения пусковых генераторов в системах Г-Д .

Наибольшее распространение получили ЭМУ с поперечным полем, представляющим собой генератор постоянного тока с двумя парами щеток, установленных под углом 90⁰. При этом щетки поперечной оси замкнуты накоротко, а к щеткам продольной оси подключается нагрузка. ЭМУ вращается приводным двигателем.

Принцип действия ЭМУ с поперечным полем (рис. 5.5) заключается в следующем. На управляющие обмотки ОУ1 и ОУ2 подаются слабые сигналы, подлежащие усилению. Якорь ЭМУ вращается с постоянной угловой скоростью приводным двигателем. Токи, протекающие по управляющим обмоткам, создают малый управляющий магнитный поток Ф_у, равный сумме или разности управляющих магнитных потоков Ф_у1 и Ф_у2, который пересекает вращающийся якорь. Благодаря этому в короткозамкнутой обмотке якоря наводится небольшая ЭДС (несколько вольт). Т.к. сопротивление поперечной цепи мало, в ней протекает значительный ток. Этот ток создает значительный магнитный поток Ф_п.п. поперечного поля, который так же пересекает вращающийся якорь. В продольной цепи обмотки якоря, вращающегося в созданном им самим поперечном поле наводится ЭДС значительной величины, снимаемая с рабочих щеток и подаваемая на нагрузку.

Величина выходной ЭДС пропорциональна магнитному потоку поперечной цепи и квадрату угловой скорости якоря:

Выходное напряжение ЭМУ

где I_н – ток нагрузки; R_вн – внутреннее сопротивление продольной цепи якоря.

Таким образом, отличительной особенностью ЭМУ с поперечным полем является использование в них не только результирующего магнитного потока управления Ф_у (возбуждения), но магнитного потока, создаваемого обмоткой якоря. Управляющая мощность усиливается дважды: в поперечной и в продольной цепях. Следовательно усилитель является двухкаскадным с общим коэффициентом усиления по мощности, достигающим нескольких десятков тысяч.

При работе ЭМУ на нагрузку током, протекающим через нее, создается магнитный поток Ф_я реакции якоря, противоположно направленный потоку Ф_у и ослабляющей его. Для устранения вредного влияния магнитного потока Ф_я в продольную цепь включается обмотка компенсации КО, размещаемая в пазах статора. Число витков и включений обмотки КО принимается такими, чтобы она создавала магнитный поток, приблизительно равный и противоположно направленной потоку реакции якоря.

Работа ЭМУ кроме коэффициентов усиления характеризуется также постоянными времени и коэффициентом добротности.

Инерционность управляющей цепи (первой ступени) характеризуется постоянной времени

где L_у и R_у – индуктивность и активное сопротивление управляющих обмоток.

Запаздывание поперечной цепи якоря (второй ступени) характеризуется постоянной времени

где L_п.п. и R_п.п. – индуктивность и активное сопротивление поперечной цепи якоря.

Коэффициентом добротности называют отношение коэффициента усиления по мощности к сумме постоянных времени:

Коэффициент добротности используется для сравнительной оценки типов ЭМУ.

Отношение МДС I_кω_к компенсационной обмотки к МДС I_яω_я якорной обмотки называется степенью компенсации. Из характеристик, показанных на рис. 5.5, б, видно, что напряжение на выходе ЭМУ зависит от тока нагрузки. При этом, если I_кω_к > I_яω_я, машина недокомпенсирована и увеличение тока нагрузки вызывает уменьшение ЕДС на выходе. При I_кω_к = I_яω_я имеется полная компенсация и при I_кω_к < I_яω_я - перекомпенсация.

Практически целесообразным режимом работы ЭМУ является небольшая недокомпенсация. Необходимая степень компенсации подбирается шунтирующим реостатом R_ш, изменяющим величину потока Ф_к.о.

Коэффициент усиления ЭМУ может достигать 50000 … 100000. Однако вредное влияние гистерезиса и наличие вращающихся частей и щеток является их существенным недостатком.