Современными производственными системами предъявляются довольно жесткие требования к электроприводам в части строгого обеспечения необходимых режимов работы (ускорение, скорость, плавность хода, нужный закон изменения скорости и другое). Выполнение данных условий рабочей машины возможно только при наличии системы непрерывного управления.
Особенностью данных систем является постоянное сравнение регулируемой величины с ее заданным значением и использование полученной разницы для усиления (ослабления) данной величины к требуемому значению. Обязательным элементом большинства этих систем являются различного рода усилители.
Усилитель – это устройство, которое способно с помощью малого импульса управлять поступлением энергии из мощного постороннего источника.
Примером такого усилителя может послужить контактор, который при подаче относительного небольшой мощности на катушку управления замыкает контакты и подает питание на значительно более мощный электроприемник. Аналогично небольшое усиление, приложенное к золотнику, регулирующему подвод жидкости под давлением к цилиндру гидравлического пресса или какого-нибудь другого механизма, управляет во много раз большим усилием, развиваемым рабочим поршнем.
Буквально несколько десятилетий назад у инженеров не было такого огромного выбора электронных усилителей и регуляторов, поэтому основными элементами систем автоматического регулирования были электромеханические элементы, например, электрический генератор, который также является усилителем. Генератор превращает механическую энергию приводного электродвигателя в электрическую. Изменение энергии, подводимой к цепи возбуждения генератора, дает возможность воздействовать на величину энергии, отдаваемой приемнику:
В любом усилителе, независимо от его природы, различают место приложения управляющего воздействия – вход (обмотка управления контактора или реле, обмотка возбуждения электродвигателя, золотник гидропривода) и поток управляемой энергии – выход усилителя.
Главной характеристикой усилителя является коэффициент усиления, представляющий собой отношение управляемой величины на выходе к значению управляющего импульса в установившемся режиме на входе:
Преобладающее большинство усилительных звеньев обладает инерционностью. В переходном режиме при заданном характере изменения входной функции значение выходной функции будет определяться математической связью, зависящей от ряда инерционных постоянных. Связь между выходной и входной функциями в переходном режиме называют передаточной функцией:
Рассмотрим генератор постоянного тока как усилитель. В нем существует два вида коэффициента усиления: по напряжению и по мощности.
В данном случае коэффициент усиления по мощности представляет собой отношение мощности, отдаваемой нагрузке, к мощности, потребляемой цепью возбуждения, то есть:
Выразим ток нагрузки через ЭДС генератора:
И подставим в выражение коэффициента усиления:
При работе с ненасыщенной магнитной системой:
После подстановки ЭДС выражение коэффициента усиления примет вид:
с – коэффициент пропорциональности между током возбуждения и ЭДС генератора, определяемый параметрами обмоток возбуждения, якоря и скоростью вращения:
Выражение (4) показывает, что коэффициент усиления генератора по мощности является функцией величины сопротивления обмотки якоря и сопротивления цепи нагрузки.
Основная формула (1) показывает, что коэффициент усиления обратно пропорционален мощности, затрачиваемой на возбуждение генератора. От 5% до 1% мощности затрачивается на возбуждение, в зависимости от габаритов электродвигателя. Отсюда следует, что коэффициент усиления по мощности может быть равен kp = 20 – 100.
Найдем значение rн, соответствующее максимуму коэффициента усиления по мощности. Для этого необходимо взять производную коэффициента усиления (4) по сопротивлению нагрузки rн и приравнять ее нулю:
Максимальное значение коэффициента усиления по мощности будет равно:
Стоит отметить, что практически получить максимальное значение коэффициента усиления по мощности не представляется возможным, так как по условиям экономичности приходится брать rн>>rя.
Соответственно коэффициент усиления генератора по напряжению представляет собой отношение напряжения на выходе генератора к отношению напряжения на входе, что описано формулой:
Выразим данное значение напряжения на зажимах генератора через его ЭДС:
Для ненасыщенного электродвигателя заменим E = ciв и получим:
Из формулы (10) видно, что коэффициент усиления по напряжению kU будет тем больше, чем больше величина сопротивления нагрузки rн. При прочих равных условиях kU будет наибольшим при:
А последнее будет иметь место при rн>>rя. Стоит отметить, что условия получения максимума kp и kU в электромашинных усилителях те же, что и в электронных приборах. В электронных усилителях максимум коэффициента усиления по мощности имеет место при равенстве внутреннего сопротивления электронной лампы и сопротивления анодной цепи. Наибольшее значение коэффициента усиления по напряжению получают при наибольшем значении сопротивления анодной цепи.
Для систем управления электроприводами более существенным является коэффициент усиления по мощности.
Обычные генераторы постоянного тока с независимым возбуждением вследствие незначительной величины коэффициента усиления по мощности находят очень ограниченное применение в качестве электромашинных усилителей.
Наиболее широко распространены были следующие типы усилителей:
- Электромашинный усилитель с поперечным полем;
- Электромашинный усилитель с самовозбуждением;
- Многообмоточный регулирующий возбудитель;
