Elektromechanické zesilovače

Zesilovač je zařízení, ve kterém signál nízkého výkonu (vstupní veličina) řídí relativně vysoký výkon (výstupní veličina). V tomto případě je výstupní hodnota funkcí vstupního signálu a k zesílení dochází díky energii externího zdroje.

V zesilovače elektrických strojů výstupní (řízený) elektrický výkon je generován z mechanického výkonu hnacího motoru.

Elektromechanické zesilovače (EMU) jsou stejnosměrné kolektorové stroje.

Podle způsobu buzení se zesilovače elektrických strojů dělí na zesilovače podélného pole a zesilovače s příčným polem.

Mezi zesilovače podélného pole, kde hlavní budicí tok směřuje podél podélné osy stroje, patří:

1) nezávislý zesilovač elektrického stroje,

2) Zesilovač elektrického stroje s vlastním buzením,

3) dvoustrojové zesilovače,

4) dvousběrný zesilovač elektrického stroje,

5) dvou- a třístupňové elektrické strojní zesilovače podélného pole

Zesilovače příčného pole, ve kterých je hlavní budicí tok směrován podél příčné osy stroje, zahrnují:

1) Elektromechanické zesilovače s diametrální roztečí vinutí kotvy,

2) zesilovače elektrického stroje s roztečí kotvy o polovičním průměru,

3) Elektromechanické zesilovače s děleným magnetickým systémem.

Čím nižší je řídicí výkon zesilovače elektrického stroje, tím menší je hmotnost a rozměry řídicího zařízení. Proto je hlavní charakteristikou zisk. Rozlišujte mezi zesílením výkonu, proudovým zesílením a napěťovým zesílením.

Výkonový zisk zesilovače kp je poměr výstupního výkonu Pout k vstupnímu napájecímu pinu v ustáleném stavu:

kp = Výkon / Pvx

Napěťový zisk:

kti = Uout / Uin

kde Uout je napětí výstupního obvodu; — napětí vstupního obvodu.

Proudové zesílení ki Poměr proudu výstupního obvodu výstupního zesilovače Az k proudu vstupního obvodu Azv:

ki = Já venku / Azv

Z řečeného vyplývá, že zesilovače elektrických strojů mohou mít dostatečně vysoký výkonový zisk (103 — 105). Neméně důležitý je pro zesilovač jeho výkon, charakterizovaný časovými konstantami jeho obvodů.

Jejich cílem je získat vysoký výkonový zisk a vysokou rychlost odezvy ze zesilovače elektrického stroje, tzn. nejmenší možné časové konstanty.

V automatických řídicích systémech se zesilovače elektrických strojů používají jako výkonové zesilovače a pracují primárně v přechodových režimech, při kterých dochází ke značnému proudovému přetížení. Proto je jedním z požadavků na zesilovač elektrického stroje dobrá přetížitelnost.

Spolehlivost a stabilita provozu patří mezi nejdůležitější požadavky na zesilovač elektrického stroje.

Zesilovače elektrických strojů používané v letadlech a dopravních zařízeních by měly být co nejmenší a nejlehčí.

V průmyslu jsou nejrozšířenější nezávislé strojní zesilovače, strojní zesilovače s vlastním buzením a strojní zesilovač s krokovým průměrem napříč polem.

Výkonový zesilovací faktor nezávislé EMU nepřesahuje 100. Pro zvýšení výkonového zesilovacího faktoru EMU byly vytvořeny samobuzené zesilovače elektrického stroje.

Konstrukční EMU se samobuzením (EMUS) se od nezávislé EMU liší pouze tím, že samobuzení vinutí je na svých budicích pólech umístěno koaxiálně s řídicími vinutími, které je s vinutím kotvy zapojeno paralelně nebo s ním sériově.

Takové zesilovače se používají hlavně k napájení budícího vinutí generátoru v systému generátor-motor a v tomto případě je doba trvání přechodového děje určena časovou konstantou generátoru.

Na rozdíl od nezávislých EMU a samobuzených EMU (EMUS), kde hlavním budícím tokem je podélný magnetický tok směřující podél budicích pólů, u EMU s příčným polem je hlavním budícím tokem příčný tok z reakce kotvy.

Nejdůležitější statickou charakteristikou cross-field EMU je faktor zesílení. Velkého zisku je dosaženo díky skutečnosti, že cross-field EMU je dvoustupňový zesilovač. První stupeň zesílení: řídicí cívka je zkratována k příčným kartáčům.Druhý stupeň: zkratovaný řetěz příčných kartáčů - výstupní řetěz podélných kartáčů. Celkový výkonový zisk je tedy kp = kp1kp2, kde kp1 je zesílení 1. stupně; kp2 — faktor zesílení 2. stupně.

Při použití zesilovačů elektrických strojů v uzavřených systémech automatického řízení (stabilizátory, regulátory, sledovací systémy) by měl být stroj mírně podkompenzován (k = 0,97 ÷ 0,99), protože v případě překompenzace v systému během práce dojde k falešnému rušení. dojít v důsledku zbytkové kompenzační cívky m.s., což povede k výskytu vlastních oscilací v systému.

Celkový výkonový zisk EMU příčného pole je úměrný čtvrté mocnině rychlosti otáčení kotvy, magnetické vodivosti podél příčné a podélné osy a závisí na poměru odporů vinutí stroje a zatížení.

Z toho vyplývá, že zesilovač bude mít vyšší výkonový zisk, tím méně nasycený magnetický obvod a vyšší rychlost jeho rotace. Není možné nadměrně zvýšit rychlost otáčení, protože se začíná výrazně zvyšovat účinek spínacích proudů. Při nadměrném zvýšení rychlosti v důsledku zvýšení spínacích proudů se tedy výkonový zisk nezvýší a může dokonce klesnout.

Aplikace zesilovačů elektrických strojů

Zesilovače elektrických strojů jsou sériově vyráběny a široce používány v automatických řídicích systémech a automatizovaných elektrických pohonech.V systémech generátor-motor jsou generátor a často budič v podstatě nezávislé zesilovače elektrického stroje zapojené do kaskády. Nejběžnější jsou elektrické zesilovače s příčným polem. Tyto zesilovače mají řadu výhod, z nichž hlavní jsou:

1) vysoký výkonový zisk.

2) nízký příkon,

3) dostatečná rychlost, tedy malé časové konstanty zesilovacích obvodů. Doba náběhu napětí z nuly na jmenovitou hodnotu pro průmyslové zesilovače o výkonu 1-5 kW je 0,05-0,1 sec,

4) dostatečná spolehlivost, životnost a široké limity kolísání výkonu,

5) možnost změny charakteristik změnou stupně kompenzace, což umožňuje získat potřebné vnější charakteristiky.

Nevýhody zesilovačů elektrických strojů zahrnují:

1) relativně velké rozměry a hmotnost ve srovnání se stejnosměrnými generátory stejného výkonu, protože k získání velkých zisků se používá nenasycený magnetický obvod,

2) přítomnost zbytkového napětí v důsledku hystereze. EMF indukované v kotvě zbytkovým tokem magnetismuszkresluje lineární závislost výstupního napětí na vstupním signálu v oblasti malých signálů a narušuje jednoznačnost závislosti výstupních parametrů zesilovačů elektrického stroje na vstupních při změně polarity vstupního signálu, protože tok zbytkového magnetismu s konstantní polaritou signálu zvýší řídicí tok, a když se změní polarita signálu, sníží řídicí tok.

Navíc pod vlivem zbytkového EMF zesilovače elektrického stroje pracujícího v režimu nadměrné kompenzace, s nízkým zatěžovacím odporem a nulovým vstupním signálem, může dojít k samobuzení a ztrátě ovladatelnosti. Tento jev se vysvětluje nekontrolovatelným zvýšením podélného magnetického toku stroje, zpočátku rovného toku zbytkového magnetismu, v důsledku hnací činnosti kompenzační cívky.

Aby se neutralizoval škodlivý vliv toku zbytkového magnetismu v zesilovači elektrického stroje, provádí se demagnetizace střídavým proudem a samotné zesilovače elektrických strojů jsou v automatických systémech umístěny poněkud nedostatečně.

Je třeba poznamenat, že se zavedením polovodičových měničů se výrazně omezilo použití zesilovačů elektrického stroje v systému elektrického pohonu zesilovače (generátoru) elektrického stroje — motoru.