Усилителем называют такое устройство, в котором посредством сигнала малой мощности (входная величина) управляют сравнительно большой мощностью (выходная величина). При этом выходная величина является функцией входного сигнала и усиление происходит за счет энергии внешнего источника.
В электромашинных усилителях выходная (управляемая) электрическая мощность создается за счет механической мощности приводного двигателя.
Электромашинные усилители (ЭМУ) представляют собой коллекторную машину постоянного тока.
В зависимости от способа возбуждения электромашинные усилители подразделяются на усилители продольного поля и усилители поперечного поля.
К усилителям продольного поля, в которых основной поток возбуждения направлен по продольной оси машины, относятся:
1) независимый электромашинный усилитель,
2) Электромашинный усилитель с самовозбуждением,
3) двухмашинные усилители,
4) двухколлекторный электромашинный усилитель,
5)двух- и трехступенчатые электромашинные усилители продольного поля
К усилителям поперечного поля, в которых основной поток возбуждения направлен по поперечной оси машины, относятся:
1 ) Электромашинные усилители с диаметральным шагом обмотки якоря,
2) Электромашинные усилители с полудиаметральным шагом обмотки якоря,
3) Электромашинные усилители с разделенной магнитной системой.
Чем меньше мощность управления электромашинного усилителя, тем меньше вес и габариты аппаратуры управления. Поэтому основной характеристикой является коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по мощности, току и напряжению.
Коэффициент усиления электромашинного усилителя по мощности kp есть отношение мощности на выходе Рвых к мощности на входе Рвх при установившемся режиме работы:
kp = Pвых / Рвх
Коэффициент усиления по напряжению:
ku = Uвых / Uвх
где Uвых — напряжение выходной цепи; — напряжение входной цепи.
Коэффициент усиления по току ki — это отношение тока выходной цепи Iвых усилителя к току входной цепи Iвх:
ki = Iвых / Iвх
Из сказанного следует, что электромашинные усилители могут иметь достаточно высокий коэффициент усиления по мощности (103 - 105). Не менее важным для усилителя является его быстродействие, характеризуемое постоянными времени его цепей.
От электромашинного усилителя стремятся получить большой коэффициент усиления по мощности и большое быстродействие, т. е. по возможности меньшие постоянные времени.
В системах автоматического регулирования электромашинные усилители применяются в качестве усилителей мощности и работают в основном при переходных режимах, в процессе которых возникают значительные перегрузки по току. Поэтому одним из требований к электромашинному усилителю является хорошая перегрузочная способность.
К числу важнейших требований, предъявляемых к электромашинному усилителю, относятся надежность в работе и стабильность характеристик.
Электромашинные усилители, используемые на самолетах и транспортных установках, должны обладать минимальными габаритами и весом.
В промышленности наибольшее распространение получили независимый электромашинный усилитель, электромашинный усилитель с самовозбуждением и электромашинный усилитель поперечного поля с диаметральным шагом.
Коэффициент усиления по мощности независимого ЭМУ не превышает 100. С целью повышения коэффициента усиления по мощности ЭМУ были созданы электромашинные усилители с самовозбуждением.
Конструктивно ЭМУ с самовозбуждением (ЭМУС) отличается от независимого ЭМУ только тем, что на его полюсах возбуждения соосно с обмотками управления размещается обмотка самовозбуждения, включаемая параллельно обмотке якоря или последовательно с ней.
Τаκие усилители применяются главным образом для питания обмотки возбуждения генератора в системе генератор—двигатель и в этом случае длительность переходного процесса определяется постоянной времени генератора.
В отличие от независимого ЭМУ и ЭМУ с самовозбуждением (ЭМУС), в которых основным потоком возбуждения является продольный магнитный поток, направленный вдоль полюсов возбуждения, в ЭМУ поперечного поля основным потоком возбуждения является поперечный поток реакции якоря.
Важнейшей статической характеристикой ЭМУ поперечного поля является коэффициент усиления по мощности. Высокий коэффициент усиления по мощности получается за счет того, что ЭМУ поперечного поля является двухступенчатым усилителем. Первая ступень усиления: обмотка управления — короткозамкнутая цепь поперечных щеток. Вторая ступень: короткозамкнутая цепь поперечных щеток — выходная цепь продольных щеток. Поэтому общий коэффициент усиления по мощности kp = kp1kp2, где kp1—коэффициент усиления 1-й ступени; kp2— коэффициент усиления 2-й ступени.
При использовании электромашинных усилителей в замкнутых системах автоматического регулирования (стабилизаторы, регуляторы, следящие системы) машина должна быть несколько недокомпенсирована (к=0,97÷0,99), так как в случае перекомпенсации в системе во время работы возникнет ложное возмущение за счет остатка м. д. с. компенсационной обмотки, которое приведет к возникновению автоколебаний системы.
Общий коэффициент усиления по мощности ЭМУ поперечного поля пропорционален четвертой степени скорости вращения якоря, магнитным проводимостям по поперечной и продольной осям и зависит от соотношения сопротивлений обмоток машины и нагрузки.
Отсюда следует, что усилитель будет иметь тем больший коэффициент усиления по мощности, чем меньше будет насыщена его магнитная цепь и чем выше будет скорость его вращения. Чрезмерно увеличивать скорость вращения нельзя, так как начинает сильно возрастать действие коммутационных токов. Поэтому при чрезмерном увеличении скорости за счет повышения коммутационных токов коэффициент усиления по мощности расти не будет, а может даже снижаться.
Применение электромашинных усилителей
Электромашинные усилители выпускаются серийно и нашли широкое применение в системах автоматического регулирования и автоматизированного электропривода. В системах генератор — двигатель генератор, а часто еще и возбудитель, по существу представяют собой независимые электромашинные усилители, соединенные и каскад. Наибольшее распространение получили электромашинные усилители поперечного поля. Эти усилители обладают рядом достоинств, главными из которых являются:
1) большой коэффициент усиления по мощности,.
2) малая входная мощность,
3) достаточное быстродействие, т. е. малые постоянные времени цепей усилителя. Время нарастания напряжения от нуля до номинального значения для промышленных усилителей мощностью 1-5 кВт составляет 0,05—0,1 сек,
4) достаточные надежность, долговечность и широкие пределы изменения мощности,
5) возможность изменения характеристик за счет изменения степени компенсации, позволяющая получать необходимые внешние характеристики.
К числу недостатков электромашинных усилителей следует отнести:
1) относительно большие габариты и вес по сравнению с генераторами постоянного тока той же мощности, так как для получения больших коэффициентов усиления применяется ненасыщенная магнитная цепь,
2) наличие остаточного напряжения за счет гистерезиса. ЭДС, наводимая в якоре потоком остаточного магнетизма, искажает линейную зависимость выходного напряжения от входного сигнала в зоне малых сигналов и нарушает однозначность зависимости выходных параметров электромашинных усилителей от входных при изменении полярности входного сигнала, ибо поток остаточного магнетизма при постоянной полярности сигнала будет увеличивать поток управления, а при изменении полярности сигнала — уменьшать поток управления.
Кроме того, под действием остаточной ЭДС электромашинного усилителя, работающего в режиме перекомпенсации, при малом сопротивлении нагрузки и нулевом входном сигнале может самовозбуждаться и терять управляемость. Это явление объясняется неуправляемым увеличением продольного магнитного потока машины, первоначально равного потоку остаточного магнетизма, за счет подмагничивающего действия компенсационной обмотки.
Для нейтрализации вредного действия потока остаточного магнетизма в электромашинном усилителе осуществляют размагничивание переменным током, а сами электромашинные усилители ставят в автоматические системы несколько недокомпенсированными.
Следует отметить, что с внедрением полупроводниковых преобразователей применение электромашинных усилителей в системе электропривода электромашинный усилитель (генератор) — двигатель значительно сокращается.
