Лабораторная работа №5. Исследование статических и динамических характеристик поляризованного пропорционального электромеханического преобразователя

(2 часа)

Цель работы: знакомство с внешней статической, переходной и частотными характеристиками поляризованного электромеханического преобразователя и изучение влияния на них величины тока поляризации и выходного сопротивления усилителя мощности.

Теоретические сведения.

Для анализа и проектирования электромеханических преобразователей следящих систем необходимо иметь математическое описание, устанавливающее связь между их статическими и динамическими характеристиками и значениями их конструктивных и эксплуатационных параметров, физические процессы, протекающие в электромагните и выходном каскаде электронного усилителя мощности, находятся в тесной взаимосвязи. Поэтому под электромеханическим преобразователем /ЭМП/ принято понимать единую динамическую систему усилитель мощности — электромагнит .

В данной лабораторной работе предстоит ознакомиться со статическими и динамическими характеристиками ЭМП, схема которого показана на рис. 1.

Рисунок 1 - Принципиальная схема ЭМП с обмотками поляризации

Анализ статических и динамических характеристик ЭМП рассматриваемого класса с линейными усилителями мощности (УМ) проводится с помощью математических моделей, справедливых при следующих допущениях:

• намагничивающие силы обмоток считаем сосредоточенными, а проводимости рассеяния и выпучивания — постоянными величинами;

• сопротивления рассеяния и выпучивания, составляющие соответственно 10 – 35 % и 10 – 25 % от сопротивлений рабочего зазора в нейтральном положении учитываем в схеме замещения сопротивлениями R_р, R_в;

• магнитное поле зазоров считаем плоскопараллельным, так как длина зазора  значительно меньше его толщины d;

• магнитным сопротивлением участков статора, материал которых работает в диапазоне индукций 0,2 – 1,1 Т, где относительная магнитная проницаемость достигает максимального значения /2000 – 5000/, пренебрегаем;

• магнитное сопротивление участков якоря, соизмеримое с сопротивлениям воздушных зазоров, считаем постоянным, магнитную проницаемость принимаем равной начальной проницаемости материала, т.к. при   0 магнитный поток в якоре практически равен нулю;

• влиянием вихревых токов и гистерезиса пренебрегаем, так как скорость изменения магнитного потока при рабочих частотах входного сигнала 20 - 30 Гц невелика и энергия, затрачиваемая на перемагничивание материала, пренебрежимо мала по сравнению с энергией, запасённой в рабочих воздушных зазорах ЭМП;

• усилитель мощности заменяем эквивалентным генератором с внутренним сопротивлением r₀ и ЭДС ;

• изменением параметров магнитных и электрических цепей вследствие изменения температуры в процессе работы ЭМП пренебрегаем .

Схемы замещения магнитных и электрических цепей ЭМП, построенные с учетом принятых допущений, представлены на рис. 2 .

Рисунок 2 - Схемы замещения магнитных а) и электрических б) цепей ЭМП

Система дифференциальных уравнений, описывающая поведение ЭМП в переходных и установившихся режимах, включает:

– уравнения движения якоря ЭМП

; (1)

(2)

– уравнения электрических: контуров обмоток управления

(3)

(4)

– уравнение электрического контура обмоток поляризации

(5)

– уравнения связи, полученные в соответствии со схемой замещения магнитной цепи

(6)

где

Уравнения установившегося режима работы ЭМП запишем с учетом системы (1) – (5) :

(7)

выполняя условия, характеризующие стационарное состояние:

; ; ; и ;

; ; ; ; ; . (8)

Система (7) позволяет получить зависимости для расчета основных статических характеристик рассматриваемого ЭМП:

– моментной характеристики

; (9)

– характеристики магнитной пружины

; (10)

– внешней характеристики

. (11)

Во многих случаях основные данные о системе, которая описывается нелинейными уравнениями можно получить посредством решения линеаризованных уравнений.

Линеаризуя систему дифференциальных уравнений (1) – (5) при малых отклонениях координат относительно нейтрального состояния, определяемого координатами

; ; ; ; (12)

получаем линейную математическую модель поляризованного ЭМП:

(13)

где

; ; ; ;

; ; ; ;

; ; ; ;

; ; ;

; ; ;

; .

Линейная модель (13) может быть представлена в виде структурной схемы (рис. 3), где

; ; ; ;

; . (14)

Рисунок 3 - Структурная схема поляризованного ЭМП

В структурной схеме обратная связь по скорости появляется в результате наведения в обмотках ЭМ противоЭДС при движении якоря.

Приборы и оборудование.

При выполнении лабораторной работы используются следующие приборы и оборудование:

• универсальный стенд для исследования характеристик поляризованных ЭМП;

• электронный осциллограф типа С1–30;

• звуковые генераторы типа ГЗ–33 (2 шт.);

• комплект соединительных проводов.

Источниками питания служат сеть переменного тока 220 В, 50 Гц и сеть постоянного тока 27 В. Из двух звуковых генераторов один служит источником входного сигнала для определения частотных характеристик, второй используется в качестве источника питания для схемы измерения координаты якоря ЭМП.

Порядок выполнения работы.

1. Определение внешней характеристики ЭМП

1.1. Собрать схему, показанную на рис. 4. На генераторе ЗГ1 установить значение частоты 200 кГц, выходное сопротивление 50 Ом, внутреннюю нагрузку отключить. На стенде переключатель схем УМ поставить в положение ОЭ, переключатель входного сигнала поставить в положение «Ручн». После проверки схемы преподавателем включить питание.

Рисунок 4 - Универсальная схема для исследования характеристик поляризованных ЭМП

1.2. Произвести балансировку усилителей осциллографа по каналам X и У, вращением ручки потенциометра U_вх убедиться в прохождении сигнала по экрану.

1.3. Поставить переключатель входного сигнала в положение  и установить на экране осциллографа наблюдаемое отклонение луча при ограничении выходного сигнала на уровне 3 см, что соответствует максимальному углу поворота якоря ЭМП  3 °.

1.4. Зарисовать с экрана изображение внешней характеристики ЭМП. Эксперимент выполнить при двух величинах тока i_п.

1.5. Поставить переключатель входного сигнала в понижение «Ручн» и снять при тех же значения i_п внешнюю характеристику, отсчитывая токи i₁ и i₂ по приборам на стенде, а угол  — по шкале экрана осциллографа. Результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1

i=i1-i2, мА
	iп1
	iп2

1.6. Построить графики внешней характеристики и сравнить их с зарисовками с экрана. Сделать выводы о влиянии тока поляризации на внешнюю характеристику.

2. Определение переходных характеристик ЭМП

Поставить переключатель входного сигнала в положение EMBED Word.Picture.8 , установить длительность развертки осциллографа 2 мс/см и зарисовать с экрана переходные характеристики ЭМП для схем УМ с общим эмиттером и общим коллектором для тех же значений i_п.

3. Определение частотных характеристик ЭМП

3.1. Поставить переключатель входного сигнала в положение EMBED Word.Picture.8 , осциллограф переключить на развертку от усилителя X. Чувствительность по входам X и У должна быть такой, чтобы в диапазоне частот 20 – 250 Гц при амплитуде входного сигнала с ЗГ2, обеспечивающей максимальное отклонение якоря в пределах линейной зоны ЭМ, фигура Лиссажу на экране имела наибольшие размеры в пределах сетки.

3.2. Снять частотные характеристики ЭМП для схем УМ с общим эмиттером и общим коллектором при тех же значениях i_п. Результаты занести в таблицу 2. Значения частоты в пределах обеспечивающих величину амплитуды отклонения якоря достаточную для выполнения измерений по экрану, следует выбирать из ряда «круглых» чисел, по возможности близкого к геометрической прогрессии. Тем самым обеспечивается примерно равномерное распределение точек на логарифмических частотных характеристиках ЭМП. Дополнительно следует определить точные значения частоты для характерных точек частотной характеристики: экстремумов амплитудной характеристики, значений фазового сдвига 90°, 180° и т.д.

3.3. Построить логарифмические частотные характеристики ЭМП в масштабах 20 дБ – 40 мм, 1° – 1 мм, 1 декада – 50 мм.

3.4. Отключить осциллограф от стенда, отключить от его корпуса провод заземления, включить непрерывную развертку и подключить ввод У осциллографа к гнездам i на стенде.

3.5. Уменьшить до предела ток поляризации. Прижать рукой якорь ЭМП к одному из упоров для исключения противоЭДС и снять частотные характеристики ЭМП по разности токов управления дня обеих схем УМ.

3.6. Определить соответствующие этим схемам электромагнитные постоянные времени Т₂ в соответствии с формулой

.

3.7. Сделать выводы о влиянии на частотные характеристики ЭМП тока поляризации и выходного сопротивления УМ, учитывая, что К_{у оэ}>>К_{у ок}.

Оформление отчета.

Отчет о лабораторной работе должен содержать :

• принципиальную схему ЭМП;

• схему экспериментальной установки;

• структурную схему ЭМП и формулы для определения ее параметров;

• таблицы результатов экспериментов;

Таблица 2

, Гц		lg	a	b				L

• графики характеристик ЭМП;

• выводы.

Контрольные вопросы.

1. Как зависит жесткость «магнитной пружины» ЭМП от величины тока поляризации?

2. Какая схема УМ позволяет при прочих равных условиях получить более широкую полосу пропускания ЭМП?

3. При какой схеме УМ переходные процессы в ЭМП имеют более колебательный характер? Почему?

4. Как влияет величина тока поляризации на частотные характеристики ЭМП?