Магнитные усилители с обратными связями

 

В магнитных усилителях с самонасыщением по рабочим обмоткам наряду с переменной протекает и постоянная составляющая напряжения, которая дополнительно подмагничивает сердечники. По этой причине их иногда называют магнитными усилителями с внутренней обратной связью. В таких усилителях большую часть подмагничивающего поля составляет именно магнитное поле обратной связи и лишь сравнительно небольшую часть — магнитное поле управляющего сигнала.

 

 

Магнитное поле обратной связи может быть создано, например, путем подачи тока нагрузки в специальную обмотку обратной связи w_o.c (рис. 10.10), называемую внешней.

Использование внутренней обратной связи, особенно в мощных магнитных усилителях (по сравнению с магнитными усилителями с внешней обратной связью) существенно повышает их КПД и максимальную мощность.

Для достижения больших значений k_о.с в схемы усилителей с внутренней обратной связью дополнительно вводится обмотка обратной связи (рис. 10.11). Поскольку в этом случае в усилителе действует как внутренняя, так и внешняя обратная связь, эту схему часто называют схемой со смешанной обратной связью. Статические характеристики усилителя при различных значениях k_о.с даны на рис. 10.12.

 

 

Динамические свойства магнитных усилителей с самонасыщением характеризуются постоянной времени

 

 

где k_U — коэффициент усиления по напряжению, k_U = Δ U_H /Δ U_y.

 

Двухтактные магнитные усилители

 

Двухтактным магнитным усилителем называется усилитель, обладающий статической характеристикой, при которой изменение полярности управляющего сигнала вызывает изменение полярности выходного напряжения или изменение фазы выходного напряжения на 180° (рис. 10.13).

Двухтактные схемы нередко применяют для повышения стабильности характеристик усилителя или снижения тока холостого хода, равного I _Hmin, и повышения коэффициента кратности тока нагрузки I _Hmax/ I _Hminдаже в тех случаях, когда не требуется изменять фазу или полярность выходного напряжения.

Двухтактные магнитные усилители могут быть выполнены с обратной связью и без нее, а также по специальным быстродействующим схемам.

 

 

Двухтактные магнитные усилители с выходом на несущей частоте применяются главным образом для управления двигателями переменного тока и их реверсирования, а также в качестве магнитных модуляторов.

 

 

Двухтактные магнитные усилители с выходом на постоянном токе используются для управления двигателями постоянного тока и их реверсирования, а также для управления полем генератора постоянного тока, поляризованными электромагнитами, реле, муфтами и т.д. Простейшие двухтактные магнитные усилители обычно выполняются путем соединения двух однотактных усилителей по дифференциальной схеме (рис. 10.14). Оба усилителя в этой схеме питаются от одного трансформатора Тр с двумя одинаковыми вторичными обмотками. Токи смещения I _с'_м и I _см’’ поступающие в обмотки w _см, создают начальное подмагничивающее поле. Переменное сопротивление R _смслужит для балансирования (установки нуля) усилителя при отсутствии сигнала на его входе. Ток усиливаемого сигнала I _у поступает в обмотки w_у и создает магнитное поле, совпадающее по направлению с полем смещения в одной паре сердечников и имеющее противоположное направление в другой паре. Поэтому ток I ₁ на выходе одного усилителя растет, а ток I ₂ на выходе другого усилителя уменьшается. Благодаря тому, что в нагрузке эти токи вычитаются, на выходе усилителя появляется ток нагрузки, значение которого I _н = I₁ - I₂. При отсутствии сигнала на входе усилителя I₁ = I₂ и ток нагрузки равен нулю. При изменении полярности управляющего сигнала ток I ₁ на выходе первого усилителя начинает уменьшаться, а ток I ₂ на выходе второго усилителя возрастает. При этом результирующий ток I _н изменит свою фазу на 180°.

 

Электромашинные усилители

 

Электромашинный усилитель (ЭМУ) представляет собой коллекторный генератор постоянного тока. В электромашинных усилителях выходная (управляемая) электрическая мощность создается за счет механической мощности приводного двигателя.

В зависимости от способа возбуждения электромашинные усилители подразделяют на усилители продольного поля и усилители поперечного поля. В усилителях продольного поля основной поток возбуждения направлен по продольной оси машины, в усилителях поперечного поля основной поток возбуждения направлен по поперечной оси машины.

Важнейшей характеристикой ЭМУ является коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по мощности k_p, току k₁ и напряжению k_U:

 

 

Электромашинные усилители могут иметь достаточно высокий коэффициент усиления по мощности (10³... 10⁵).

Важным показателем ЭМУ является быстродействие, характеризуемое постоянными времени его цепей. Электромагнитная постоянная времени определяется энергией магнитного поля, изменяющегося в процессе регулирования. Для электрической цепи постоянная времени

 

 

где L — индуктивность цепи; R — активное сопротивление цепи.

В ЭМУ постоянная времени τ = 0,02...0,20 с.

ЭМУ должны обладать большим коэффициентом усиления по мощности и высоким быстродействием, т. е. иметь минимальные постоянные времени. Для удобства сравнения различных усилителей вводят коэффициент добротности k_Д, равный отношению коэффициента усиления по мощности к сумме постоянных времени ступеней усиления:

 

 

К ЭМУ, работающим в системах автоматического регулирования, предъявляется требование минимальности погрешности отображения функциональной зависимости, т. е. отклонения от линейной действительной зависимости их выходного напряжения от тока управления. При выполнении этого требования ЭМУ сохраняет неизменное значение коэффициента усиления при изменении сигнала управления.

В системах автоматического регулирования ЭМУ применяют в качестве усилителей мощности, работающих в основном при переходных режимах, в процессе которых возникают значительные перегрузки по току. Поэтому одним из требований к ЭМУ является хорошая перегрузочная способность.

Простейшим электромашинным усилителем (независимым ЭМУ) является обычная коллекторная машина постоянного тока, работающая в режиме генератора независимого возбуждения. В качестве обмотки управления в ней «Используется обмотка возбуждения главных полюсов. При необходимости число обмоток управления может быть увеличено от 2 до 4. Выходная мощность ЭМУ снимается с обмотки якоря.

Коэффициент усиления независимого ЭМУ относительно невелик: k_p = 20... 100. Однако в системах генератор—двигатель, где от двигателя требуется изменение частоты вращения в широком диапазоне, генератор работает в режиме ЭМУ независимого возбуждения. Для малых мощностей наиболее распространенными являются ЭМУ поперечного поля.

 

На рис. 10.15, а представлена схема ЭМУ поперечного поля. Конструктивно ЭМУ выполнен подобно генератору постоянного тока, но имеет дополнительный комплект щеток, установленных на поперечной оси qq машины и замкнутых накоротко. На статоре ЭМУ расположен ряд обмоток. Вдоль продольной оси dd полюсов находятся обмотки управления У (обычно две или четыре). Соосно с ними расположена компенсационная обмотка К. Для регулирования степени компенсации усилителя последняя шунтирована регулирующим сопротивлением R_ш.

В этой же цепи для улучшения коммутации включена обмотка дополнительных полюсов Д. Иногда для этого в поперечную цепь последовательно с якорем включают поперечную обмотку подмагничивания П, имеющую малое сопротивление.

Рассмотрим принцип действия ЭМУ поперечного поля. Пусть угловая скорость ω приводного двигателя равна номинальной ω_ном, т. е. ω = ω_ном, и к одной из обмоток управления приложено напряжение постоянного тока U_y1. При высоком коэффициенте усиления на вход усилителя подается малая мощность. Тогда под действием небольшого магнитного потока управления Ф_у в поперечной цепи qq обмотки якоря возникает небольшая ЭДС

 

 

где k = pN/(2 π a) — конструктивный коэффициент, зависящий от числа пар полюсов/» машины, числа пар параллельных ветвей a и числа проводников N вобмотке якоря. В поперечной цепи якоря проходит ток I ₂, значение которого довольно велико, так как цепь имеет малое сопротивление.

На рис. 10.15, б показано направление тока I ₂ в проводниках якоря, создающего поперечный поток якоря Ф _q. Под действием этого потока в продольной цепи dd якоря возникает ЭДС Е ₃= k ωФ_q, которая снимается продольными щетками. ЭДС Е ₃вызывает появление тока I ₃, и на сопротивлении R_H происходит падение напряжения U ₃.

На рис. 10.15, в показано направление тока I ₃ в проводниках якоря, создающего продольный поток якоря Ф_d, который направлен навстречу потоку управления Ф_у. Если не принять мер, то большой по значению поток Ф_d размагнитит усилитель и никакого усиления не произойдет. Для компенсации продольного потока якоря на статоре расположена компенсационная обмотка K.

Продольный поток якоря Ф _d пропорционален магнитодвижущей силе (МДС):

 

 

где w — число витков в параллельной ветви обмотки якоря.

Таким образом, продольная МДС F_d якоря и, следовательно, пропорциональный ей магнитный поток Ф _d изменяются с изменением тока I ₃, т. е. зависят от сопротивления нагрузки R_H. Хорошее компенсирующее действие обмотка K производит в том случае, если МДС этой обмотки также зависит от тока I ₃. Поэтому обмотку K включают в продольную цепь машины последовательно с обмоткой якоря. Тогда МДС компенсационной обмотки

 

 

где w_k — число витков компенсационной обмотки.

Степень компенсации усилителя характеризуется коэффициентом компенсации

 

 

Различают три возможных случая работы усилителя: k_k = 1 — машина скомпенсирована; k_k < 1 — машина недокомпенсирована; k_k > 1 — машина перекомпенсирована.

Обычно ЭМУ выпускают с небольшой перекомпенсацией: МДС компенсационной обмотки примерно на 5 % больше продольной МДС якоря, т.е. k_k = 1,05.

Регулирование степени компенсации производится шунтирующим сопротивлением R_ш. С учетом R_ш МДС компенсационной обмотки

 

 

Для улучшения коммутации в продольной цепи якоря располагают на статоре по оси dd дополнительные полюса. Для улучшения коммутации в поперечной цепи якоря снижают значение тока I ₂, а чтобы при этом не снизить магнитный поток по поперечной оси, на статоре укладывают поперечную обмотку подмагничивания П (см. рис. 10.15, а). Эта обмотка создает поток Ф_п, направленный согласно с поперечным потоком якоря. Таким образом, при включении обмотки подмагничивания П в цепь поперечных щеток магнитный поток поперечной оси Ф '_q = Ф _q + Ф_п.