Наиболее простым по принципу действия и конструкции среди электромашинных усилителей является многообмоточный регулирующий возбудитель. Он представляет собой генератор постоянного тока с несколькими обмотками независимого возбуждения.
Магнитная система регулирующего возбудителя выпускается из специальной стали, которая допускает значительное насыщение. Если учесть то, что регулирующий возбудитель представляет собой обычный генератор постоянного тока, его коэффициент усиления по мощности не превышает 25 – 30.
Для повышения коэффициента усиления по мощности включают два регулирующих возбудителя в каскад. При этом первый из них получает независимое возбуждение, а второй, который обычно называют возбудителем второй ступени, возбуждается первым возбудителем. Общий коэффициент усиления по мощности данного каскада будет равен отношению мощности на выходе второй ступени к мощности на входе первой ступени:
Где: U2 – напряжение на обмотке возбуждения генератора, I2 – ток возбуждения генератора (нагрузки).
Немного преобразуем уравнение (1):
В случае работы каскадов возбудителя на линейной части характеристики холостого хода:
Где: rв1 и rя1 – сопротивления якоря возбудителя и обмотки возбуждения возбудителя первого каскада, rв2 и rя2 – те же параметры, но для другого каскада.
Коэффициент усиления по мощности каскада при работе на ненасыщенной части характеристики холостого хода может достигать значения в 2000.
Подобные каскады использовались в качестве подвозбудителя генератора или электродвигателя большой мощности. Последнее обстоятельство и определило их название «регулирующий возбудитель». Пример одной из схем включения двухступенчатого регулирующего возбудителя приведен ниже:
Каждый из возбудителей РВ-1 и РВ-2 в данном случае имеет по две обмотки возбуждения или, как их обычно называют, обмотки управления. Стоит отметить, что количество обмоток управления может быть больше двух.
Обмотка ОУ-11 возбудителя первой ступени питается от отдельного источника. Обмотку ОУ-12 включают на зажимы генератора. Обмотка управления ОУ-21 возбудителя второй ступени получает питание от якоря возбудителя РВ-1. Вторая обмотка управления ОУ-22 включена на зажимы шунта в цепи якорей генератора и двигателя.
Обмотки возбуждения, которые питаются от последующих звеньев системы, называются обмотками обратной связи. В зависимости от величины, обуславливающей протекание тока в обмотке обратной связи, последние могут быть обратными связями по току, скорости, напряжению и так далее. Поэтому обмотка ОУ-12 является обмоткой обратной связи по напряжению генератора, а ОУ-22 – по току генератора.
Действующие согласно с основным управляющим импульсом обратные связи называются положительными обратными связями, а действующие встречно – отрицательными. Связи, которые оказывают действия пропорциональное самой величине, называют жесткими обратными связями в отличии от связей, называемых гибкими и производящих действие, пропорциональное скорости изменения величины или ее производной.
В рассматриваемой схеме в первом каскаде предусмотрена отрицательная обратная связь по напряжению генератора, то есть результирующая магнитодвижущая сила возбудителя РВ-1 будет равна:
Естественно, при наличии обмотки ОУ-12 ток в обмотке ОУ-11 при установившемся режиме должен быть увеличен для обеспечения того же значения напряжения на зажимах генератора.
При уменьшении напряжения на зажимах генератора будет уменьшаться ток в обмотке ОУ-12. Следствием чего будет увеличение результирующей МДС возбудителя первой ступени:
Последнее вызовет повышение ЭДС возбудителя РВ-1, увеличение тока возбуждения генератора и рост его напряжения. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока напряжение не достигнет значения, близкого к первоначальному.
Обмотки управления ОУ-21 и ОУ-22 возбудителя второй ступени включены согласно (положительная обратная связь по току генератора). В этом случае при возрастании нагрузки генератора будет увеличиваться МДС обмотки ОУ-22, которая будет стремиться вернуть напряжение к прежнему значению. Таким образом, несмотря на возрастание нагрузки напряжение будет поддерживаться постоянным и обеспечивать неизменность скорости вращения электродвигателя.
На рисунке выше для большей наглядности направление МДС отдельных обмоток показаны стрелками. Внедрение отрицательной обратной связи по напряжению генератора помимо поддержания постоянства последнего позволяет обеспечить форсировку нарастания тока в цепи возбуждения генератора.
В первый момент пуска к обмотке ОУ-11 подводится полное напряжение. Ввиду того, что в генераторе отсутствует возбуждение, действие обратной связи по напряжению также будет отсутствовать. Следовательно, в первый момент МДС возбудителя РВ-1 будет максимальной и равной МДС обмотки ОУ-11, то есть F11. На рисунке ниже приведена характеристика намагничивания возбудителя РВ-1, на которой отмечены точки, соответствующие начальной форсировке – F11 и нормальной работе FРВ-1 ном = F11 – F12. Рабочую точку, как правило, выбирают на прямолинейной части характеристики до колена насыщения.
По мере подъема напряжения генератора будет расти размагничивающее действие обмотки ОУ-12. Однако вследствие того, что точка начальной форсировки лежит далеко в зоне насыщения, влияние размагничивающей МДС обмотки ОУ-12 на величину ЭДС возбудителя РВ-1 будет невелико, и форсировка будет удерживаться почти постоянной. Наряду с поддержанием постоянства напряжения и обеспечением форсировки возбуждения, отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает коэффициент усиления по напряжению, что нужно иметь в виду при выборе kU.
