Amplificatori elettromeccanici

Un amplificatore è un dispositivo in cui un segnale a bassa potenza (quantità in ingresso) controlla una potenza relativamente alta (quantità in uscita). In questo caso, il valore di uscita è una funzione del segnale di ingresso e il guadagno si verifica a causa dell'energia di una sorgente esterna.

Gli amplificatori V delle macchine elettriche emettono potenza elettrica (controllata) generata dalla potenza meccanica del motore di azionamento.

Gli amplificatori elettromeccanici (EMU) sono macchine collettore CC.

A seconda del metodo di eccitazione, gli amplificatori delle macchine elettriche sono suddivisi in amplificatori di campo longitudinali e amplificatori di campo trasversale.

Gli amplificatori di campo longitudinali, in cui il flusso di eccitazione principale è diretto lungo l'asse longitudinale della macchina, includono:

1) amplificatore macchina elettrica indipendente,

2) Amplificatore per macchina elettrica autoeccitata,

3) amplificatori a due macchine,

4) amplificatore per macchina elettrica a due collettori,

5) amplificatori per macchine elettriche a due e tre stadi del campo longitudinale

Gli amplificatori di campo trasversale, in cui il flusso di eccitazione principale è diretto lungo l'asse trasversale della macchina, includono:

1) Amplificatori elettromeccanici con passo diametrale dell'avvolgimento dell'armatura,

2) amplificatori per macchine elettriche con passo dell'armatura a mezzo diametro,

3) Amplificatori elettromeccanici con sistema magnetico sdoppiato.

Minore è la potenza di controllo dell'amplificatore della macchina elettrica, minori sono il peso e le dimensioni dell'apparecchiatura di controllo. Pertanto, la caratteristica principale è il profitto. Distinguere tra guadagno di potenza, guadagno di corrente e guadagno di tensione.

Il guadagno di potenza kp dell'amplificatore è il rapporto tra la potenza di uscita Pout e la potenza di ingresso Pin in condizioni di funzionamento stazionario:

kp = Puscita / Pvx

Guadagno di tensione:

kti = Uout / Uin

dove Uout è la tensione del circuito di uscita; — tensione del circuito di ingresso.

Guadagno di corrente ki Il rapporto tra la corrente del circuito di uscita dell'amplificatore di uscita Az e la corrente del circuito di ingresso Azv:

ki = Io fuori / Azv

Ne consegue da quanto detto che gli amplificatori di macchine elettriche possono avere un guadagno di potenza sufficientemente elevato (103 — 105). Altrettanto importante per l'amplificatore è la sua prestazione, caratterizzata dalle costanti di tempo dei suoi circuiti.

Mirano a ottenere un elevato guadagno di potenza e un'elevata velocità di risposta da un amplificatore di macchina elettrica, ad es. costanti di tempo più piccole possibili.

Nei sistemi di controllo automatico, gli amplificatori delle macchine elettriche vengono utilizzati come amplificatori di potenza e funzionano principalmente in modalità transitorie durante le quali si verificano significativi sovraccarichi di corrente. Pertanto, uno dei requisiti per un amplificatore per macchine elettriche è una buona capacità di sovraccarico.

Affidabilità e stabilità di funzionamento sono tra i requisiti più importanti per un amplificatore per macchine elettriche.

Gli amplificatori per macchine elettriche utilizzati su aeromobili e installazioni di trasporto dovrebbero essere il più piccoli e leggeri possibile.

Nell'industria, i più utilizzati sono l'amplificatore di macchina indipendente, l'amplificatore di macchina autoeccitato e l'amplificatore di macchina a campo incrociato con diametro del passo.

Il fattore di amplificazione di potenza di un EMU indipendente non supera 100. Per aumentare il fattore di amplificazione di potenza dell'EMU, sono stati creati amplificatori di macchine elettriche autoeccitate.

Una EMU strutturale con autoeccitazione (EMUS) differisce da una EMU indipendente solo per il fatto che l'avvolgimento di autoeccitazione è posto sui suoi poli di eccitazione coassialmente con gli avvolgimenti di controllo, che è collegato in parallelo con l'avvolgimento dell'indotto o in serie con esso.

Tali amplificatori sono utilizzati principalmente per alimentare l'avvolgimento di eccitazione del generatore nel sistema generatore-motore, ed in questo caso la durata del transitorio è determinata dalla costante di tempo del generatore.

A differenza delle EMU indipendenti e delle EMU autoeccitate (EMUS), dove il flusso di eccitazione principale è il flusso magnetico longitudinale diretto lungo i poli di eccitazione, nelle EMU di campo trasversale, il flusso di eccitazione principale è il flusso trasversale dalla reazione dell'armatura.

La caratteristica statica più importante dell'EMU cross-field è il fattore di guadagno di potenza. Si ottiene un grande guadagno grazie al fatto che l'EMU a campo incrociato è un amplificatore a due stadi. Il primo stadio di amplificazione: la bobina di controllo è cortocircuitata alle spazzole trasversali.Secondo stadio: catena di spazzole trasversali in corto circuito - catena di uscita di spazzole longitudinali. Il guadagno di potenza totale è quindi kp = kp1kp2, dove kp1 è il guadagno del 1° stadio; kp2 — fattore di amplificazione del 2o stadio.

Quando si utilizzano amplificatori di macchine elettriche in sistemi di controllo automatici chiusi (stabilizzatori, regolatori, sistemi di tracciamento), la macchina dovrebbe essere leggermente sottocompensata (k = 0,97 ÷ 0,99), poiché in caso di sovracompensazione nel sistema durante il lavoro, si verificherà un falso disturbo si verificano a causa della bobina di compensazione ms residua, che porterà al verificarsi di auto-oscillazioni nel sistema.

Il guadagno di potenza complessivo del campo trasversale EMU è proporzionale alla quarta potenza della velocità di rotazione dell'armatura, alla conduttività magnetica lungo gli assi trasversale e longitudinale, e dipende dal rapporto tra le resistenze degli avvolgimenti della macchina e il carico.

Ne consegue che l'amplificatore avrà il maggiore guadagno di potenza, il circuito magnetico meno saturo e la maggiore velocità della sua rotazione. È impossibile aumentare eccessivamente la velocità di rotazione, poiché l'effetto delle correnti di commutazione inizia ad aumentare in modo significativo. Pertanto, con un aumento eccessivo della velocità dovuto all'aumento delle correnti di commutazione, il guadagno di potenza non aumenterà e potrebbe addirittura diminuire.

Applicazione di amplificatori per macchine elettriche

Gli amplificatori per macchine elettriche sono prodotti in serie e ampiamente utilizzati nei sistemi di controllo automatico e negli azionamenti elettrici automatizzati.Nei sistemi generatore-motore, il generatore, e spesso l'eccitatore, sono essenzialmente amplificatori di macchine elettriche indipendenti collegati in cascata. I più comuni sono gli amplificatori elettrici a campo trasversale. Questi amplificatori hanno una serie di vantaggi, i principali sono:

1) elevato guadagno di potenza.

2) bassa potenza in ingresso,

3) velocità sufficiente, cioè piccole costanti di tempo dei circuiti dell'amplificatore. Il tempo di salita della tensione da zero al valore nominale per amplificatori industriali con una potenza di 1-5 kW è di 0,05-0,1 sec,

4) sufficiente affidabilità, durata e ampi limiti di variazione di potenza,

5) la possibilità di modificare le caratteristiche modificando il grado di compensazione, che consente di ottenere le caratteristiche esterne necessarie.

Gli svantaggi degli amplificatori per macchine elettriche includono:

1) dimensioni e peso relativamente grandi rispetto ai generatori DC della stessa potenza, poiché si utilizza un circuito magnetico insaturo per ottenere grandi guadagni,

2) la presenza di tensioni residue dovute all'isteresi. EMF indotto nell'armatura dal flusso residuo magnetismo, distorce la dipendenza lineare della tensione di uscita dal segnale di ingresso nella regione dei piccoli segnali e viola l'unicità della dipendenza dei parametri di uscita degli amplificatori della macchina elettrica da quelli di ingresso quando si cambia la polarità del segnale di ingresso, poiché un flusso di magnetismo residuo con una polarità costante del segnale aumenta il flusso di controllo e quando la polarità del segnale cambia, diminuisce il flusso di controllo.

Inoltre, sotto l'influenza dell'EMF residua di un amplificatore di macchina elettrica funzionante in modalità di sovracompensazione, con bassa resistenza di carico e segnale di ingresso zero, può autoeccitarsi e perdere controllabilità. Questo fenomeno si spiega con un incontrollabile aumento del flusso magnetico longitudinale della macchina, inizialmente pari al flusso magnetico residuo, dovuto all'azione di pilotaggio della bobina di compensazione.

Al fine di neutralizzare l'effetto dannoso del flusso di magnetismo residuo nell'amplificatore della macchina elettrica, viene eseguita la smagnetizzazione della corrente alternata e gli amplificatori delle macchine elettriche stesse vengono collocati in sistemi automatici in modo alquanto insufficiente.

Va notato che con l'introduzione di convertitori a semiconduttore, l'uso di amplificatori di macchine elettriche nel sistema di azionamento elettrico di un amplificatore (generatore) di una macchina elettrica - il motore è stato notevolmente ridotto.