2. Емп поперечного поля

Лекція 3. Електромашинний підсилювач поперечного поля. Основні рівняння статичних та динамічних режимів, структурні схеми і передаточні функції для випадків роботи на холостому ході та під навантаженням.

Завдання на СРС. Розрахунок параметрів передаточної функції електромашинного підсилювача за паспортними даними та експериментальним шляхом.

Література: 1, с.9-13; 9, с.9-28.

Питання для самоконтролю:

1. Основні рівняння і характеристики електромашинного підсилювача поперечного поля, передаточні функції, розрахунок параметрів.

ЕМП поперечного поля являє собою генератор постійного струму. На якорі він має обмотку, типову для машин постійного струму. Магнітна система виконується як з явно, так і з неявно вираженими полюсами. На колекторі розміщені дві пари щіток, зсунуті в просторі на 90 , при цьому поперечні щітки замкнені накоротко (рис. 1.1.6).

Першим каскадом ЕМП вважається його частина від обмотки керу­вання до короткозамкнених щіток, другим ‑ від короткозамкнених щіток до виходу. Для послаблення впливу поздовжньої реакції якоря на полюсах розміщується компенсаційна обмотка.

Принцип дії ЕМП полягає в тому, що з появою потоку Ф_к, створеного обмоткою керування, в короткозамкненому колі, через його малий опір, виникає значний струм І_кз, що створює значний поперечний потік Ф_кз, який наводить ЕРС у вихідному робочому колі якірної обмотки.

ЕМП мають високий коефіцієнт підсилення потужності, інерційність ЕМП менша за інерційність звичайних генераторів. Високий коефіцієнт підсилення потужності і невисоку інерційність забезпечує двокаскадна схема підсилювача та особливості виконання цих каскадів.

Функціональна і принципова схеми ЕМП показані на рис. 1.1.6 і 1.1.7, де U_м ‑ напруга мережі; U_к, I_к ‑ напруга і струм обмотки керування ОК; U_кз, I_кз ‑ напруга і струм короткозамкненої частини обмотки якоря; U_вих, I_вих ‑ напруга і струм якоря ЕМП;  ‑ частота обертання приводного двигуна; КО ‑ компенсаційна обмотка; R_к.о ‑ регулювальний резистор; Ф_к, Ф_кз ‑ повздовжня і поперечна складові магнітного потоку.

Рис. 1.1.6

Рис. 1.1.7

Розглянемо режим холостого ходу ЕМП. Якщо на обмотку керування подати напругу, динаміку ЕМП можна описати такою системою рівнянь:

(1.1.7)

де r_к, L_к, w_к ‑ відповідно опір, індуктивність і кількість витків обмотки керування; r_к.з, L_к.з, w_к.з ‑ відповідно опір, індуктивність і кількість витків короткозамкненої частини обмотки якоря; с_e ‑ конструктивна стала машини; k₁ , k₂ ‑ коефіцієнти пропорційності, які зв'язують МРС обмотки керування і короткозамкненої частини обмотки якоря з відповідними складовими частинами магнітного потоку ЕМП.

Виконавши перетворення системи рівнянь (1.1.7), отримуємо передаточну функцію ЕМП, яка відповідає двом послідовно зєднаним аперіодичним ланкам:

(1.1.8)

де К_емп=К_кК_к.з ‑ статичний коефіцієнт підсилення ЕМП; К_к=c_еk₁w_к/r_к ‑ коефіцієнт підсилення першого каскаду; К_к.з=c_еk₂w_к.з/r_к.з ‑ коефіцієнт підсилення другого каскаду; r_к =L_к/ r_к ‑ стала часу обмотки керування;

Т_к.з = L_к.з/ r_к.з ‑ стала часу другого каскаду.

Відповідно до передаточної функції (1.1.8) на рис. 1.1.7 показана структурна схема ЕМП. При підключенні навантаження до ЕМП (на рис. 1.1.7 зображено переривчастою лінією), в якірному колі починає протікати струм І_вих і працювати компенсаційна обмотка КО, яка виконує роль позитивного зворотного зв'язку за струмом. Це показано на структурній схемі рис. 1.1.9, яка складена на основі рівнянь (1.1.8) з урахуванням інерційності обмотки якоря. На схемі рис. 1.1.9 прийняті такі позначення: r_як = r_я + r_н ‑ повний опір кола якоря ЕМП; Т_як =L_я/ r_як ‑ стала часу кола якоря; w_ко ‑ кількість витків компенсаційної обмотки; К_к.о ‑ коефіцієнт, який враховує наявність резистора r_к.о.

Рис. 1.1.8

Рис. 1.1.9

Наявність внутрішнього додатного зворотного зв’язку за струмом може призвести до нестійкої роботи системи ЕМП ‑ двигун постійного струму – до виникнення автоколивань під навантаженням. Це можливо при перекомпенсації ЕМП. Правильне налагодження компенсації ЕМП можливе при наявності його зовнішньої характеристики (рис. 1.1.10). Компенсацію ЕМП можна вважати налаштованою, якщо при зміні струму навантаження від нуля до номінального значення вихідна напруга перетворювача зменшується не більш як на 15% напруги холостого ходу. При цьому напруга ЕМП при навантаженні повинна бути близькою до передбаченої робочої напруги.

Рис. 1.1.10

Параметри передаточної функції ЕМП (1.1.8) визначаються експериментально зніманням характеристики холостого ходу ЕМП і осцилографуванням струму керування і вихідної ЕРС при ступінчастому прикладанні напруги керування в режимі холостого ходу.

Перша осцилограма дозволяє визначити сталу часу обмотки керування Т_к, друга, з деякими допущеннями, суму сталих часу Т_к і Т_к.з. Індуктивність та опір обмотки якоря ЕМП визначаються аналогічно генератору постійного струму.

Для зручності реалізації зворотних зв’язків у замкнених системах керування, ЕМП мають декілька обмоток керування. Вихідна потужність ЕМП лежить у діапазоні 1...10 кВт, коефіцієнти підсилення по потужності можуть досягати 20000 і більше.