книги / Электрооборудование одноковшовых экскаваторов
..pdfгде ULoj X I Q—соответственно напряжениеjia дросселе на
сыщения и индуктивное сопротивление его рабочих об моток в начальном режиме.
Отсюда ток холостого хода
и
(3-11)
Из формулы (3-11) видно, что получить нулевое зна чение начального тока невозможно, так как. нельзя вы полнить рабочие обмотки дросселя с бесконечно боль шой индуктивностью. Таким образом, простейшие схемы МУ позволяют управлять рабочим током лишь в опре деленных границах — от минимального значения / н,т*»= = / х до некоторого максимального /H>jnax= / K, определяе мого конечным режимом'работы магнитного усилителя (см. рис. 3-21). Ток насыщения или ток к. з. /к проходит по нагрузке RH(Zn) при максимальном подмагничивании сердечников дросселя током управления. В этом конеч ном режиме, так называемом режиме к. з. насыщения МУ, индуктивное сопротивление становится весьма ма лым, и поэтому напряжение Uu на нагрузке Rn -почти достигает напряжения U„ питания схемы, а ток нагруз ки достигает максимального значения / к. Обычно в пас порте усилителя приводится не ток /к, а номинальный ток /ном, соответствующий работе усилителя в точке N перегиба кривой зависимости «вход — выход», незначи тельно отличающийся от тока /к.
Очевидно, что изменение сопротивления нагрузки изменяет лишь ток насыщения, приблизительно равный I&S&U^JRH. Следовательно, при неизменном питающем напряжении с увеличением Ruток насыщения МУ умень шается (см. рис. 3 -2 1 , где R'U<RU<R"B)•
Отношение |
= k&t т называется коэффициентом или |
кратно- |
|
стью регулирования по току, а ГГ~—~Т~ — ku называется |
коэффн- |
||
|
и ~ |
*к |
|
циентом использования усилителя по |
напряжению. |
|
|
Коэффициент регулирования по току &р.т характеризует регу лировочные возможности усилителя, и его стремятся выполнить с возможно большим значением (обычно £р,т=10-ь20).
Однотактные магнитные усилители. Другой особен ностью статической характеристики простейших МУ
111
является симметричность относительно вертикальной оси. Действительно, она, построенная в области отрица тельных управляющих т-оков (см. рис. 3-21), представ ляет собой зеркальное изображение относительно оси ординат такой же характеристики при положительных токах управления. Это означает,' что работа МУ проте кает совершенно одинаково независимо от направления подмагничивания сердечника потоком Фу, т. е. незави симо от изменения полярности входного сигнала (изме нения направления тока в обмотке управления).
При изменении направления (полярности) тока управления / у (см. рис. 3-21) ток нагрузки 1и (сигнал выхода), изменяясь по величине .(от /х до / к), остается все время положительным, т. е. сохраняет одно направ ление. Эти усилители не реагируют на полярность вход ного сигнала и поэтому называются нереверсивными или однотактными магнитными усилителями. -
Коэффициент усиления — один из основных показателей МУ, и чем большее усиление происходит в нем, тем более легкую и маломощную аппаратуру можно использовать в управляющей цепи электропривода. Коэффициент усиления по мощности — отношение мощности на выходе усилителя к мощности на его входе:
Рн “Р-Ру •
Кроме того, МУ часто характеризуются коэффициентом уси ления по току и напряжению:
Д/ц ^/ц tii'y ' |
Ua AJaRa ' Дн. |
ki “ |
7 ^ ==kiTr^> |
где гу — омическое сопротивление обмотки управления.
Коэффициент усиления по току показывает, во сколько раз ток нагрузки больше тока управления. Коэффициент усиления по напряжению характеризует повышение напряжения на нагрузке по сравнению с напряжением, подаваемым на вход усилителя. Так, например, из кривой зависимости «вход — выход» (см. рис. 3-21) видно, что коэффициент •усиления МУ по току в средней части ра вен Й1= Д /а/А/у.
Коэффициент усиления МУ без специальных средств его уве личения может достигать всего лишь одного-двух десятков. Такое усиление является недостаточным для схем управления приводом экскаваторов.
Инерционность МУ. Существенным недостатком рассмотренных МУ являете» их инерционность— время запаздывания между по явлением напряжения управляющего сигнала и соответствующего ему выходного сигнала. Это вызвано тем, что обмотка управления обладает индуктивностью н ток в пей не может изменяться мгно венно. В работе МУ важны те моменты, когда в управляющей обмотке проходит изменяющийся ток управления. Именно тогда автоматическая система, включающая усилитель, и реагирует на
И2
Изменение |
внешних условий и |
вырабатывает ответные |
хйгналЫ; |
|
в это время от МУ и требуется быстродействие. |
усиления |
|||
Для повышения быстродействия и коэффициента- |
||||
магнитные |
усилители выполняются с |
положительной |
обратной |
|
связью по |
току нагрузки. Под |
обратной |
связью понимается воз |
|
действие выходной величины устройства на его вход. В частности, в усилителе это воздействие тока нагрузки (выхода МУ) на ток
управления |
(вход МУ). Когда обратная связь действует согласно |
|
с входным |
воздействием (складывается), то она считается, поло |
|
жительной, |
когда встречно (вычитается), — отрицательной. |
|
Однотактные МУ с различными обратными связями. |
||
Обратная |
связь по току нагрузки может быть внеш |
|
ней (рис. 3-24,а), в н у т р е н н е й |
(рис. 3-24,6) и вы не |
|
с е н н о й |
в н у т р е н н е й (рис. |
3-24,в). Внешняя об |
ратная связь осуществляется с |
помощью. дополнитель |
|
ной обмотки постоянного подмагничивания, называемой обмоткой обратной связи w0fi. Эта обмотка включается через выпрямитель В, собранный по мостовой схеме
Рис. 3-24. Однотактные магнитные усилители с различными обрат ными связями и смещениями.
а — внешняя обратная связь; 6 — внутренняя обратная связь; а — вынесенная внутренняя связь; г — статические характеристики усилителей; Лп — положи
тельное смещение; /л „ — слабое отрицательное смещение; /ш ,, — сильное от рицательное смещение; А — рабочая точка.
8—390 |
113 |
в рабочую цепь усилителя |
(рис. 3-24,а). Таким образом, |
|
по обмотке w0,с проходит |
выпрямленный ток |
нагрузки |
/ н, создающий магнитный |
поток Ф0,с- Этот |
поток при |
совпадении с потоком управления Фу дополнительно подмагничивает сердечники, помогая управляющему току /у (потоку Фу) изменять подмагничивание сердеч ников, и тем самым увеличивает влияние входного сиг нала на рабочий ток усилителя. Такая положительная обратная связь по току позволяет значительно увеличить коэффициент усиления, так как создает основную долю м. д. с., необходимой для насыщения сердечника МУ. При этом существенно изменяется форма статической характеристики, она становится несимметричной относи тельно оси ординат (кривые 2 и 3, рис. 3-24,г). Объяс няется это тем, что подмагничивающий поток Ф0,с об мотки 12.'0,с всегда имеет одно и то же направление неза висимо от направления тока управления (потока Фу). В случае совпадения направлений потоков Фу и обрат ной связи Ф0,с (положительная обратная связь на рис. 3-24,а, где показаны сплошными стрелками потоки Фу и Ф0,с) ток в цепи нагрузки растет быстрее, чем в усилителе без обратной.связи. Поскольку с увеличе нием управляющего сигнала возрастет ток нагрузки, то растет и дополнительное подмагничивание от обмотки обратной связи. Следовательно, в этих условиях рабо чий ток увеличится больше, чем при отсутствии обрат ной связи (сопоставьте на рис. 3-24,г правые ветви кри вой 2 или 3 МУ с обратной связью с кривой 1 усилителя без обратной связи, а также соответствующие токи на грузки / н,2 с la,1 этих усилителей для одного и того же значения управляющего тока Fy,i). При этом ток /г,* кривой 2 незначительно возрастет по сравнению с 1\,% кривой без обратной связи.
С изменением направления потока Фу '(на рис. 3-24,a t показан штриховой линией) £ результате изменения на правления тока в обмотке управления (отрицательный сигнал — / у) тот же поток Ф0,с становится уже размаг ничивающим, т. е. с отрицательной обратной связью, и действует теперь навстречу потоку Фу, уменьшая коэф фициент усиления. Тогда ток нагрузки растет медленнее, чем при положительных сигналах ( + / у ) , и характери стики 2 и 3 в левой половине графика приобретают едва заметный подъем (сопоставьте левые ветви кривых 2 и 1 на рис. 3-24,г).
114
Сравнивая кривые 1 и 2, можно убедиться, что при наличии обратной связи статическая характеристика усилителя становится несимметричной; рабочейявляется правая ветвь кривой 2 с положительной обратной связью.
Из указанного сопоставления очевидно, что положи тельная обратная связь увеличивает коэффициент уси ления, так как для одного и того же значения тока /у. ток выхода значительно возрастает. Эффективность дей ствия обратной связи возрастает с увеличением коли чества витков обмотки w0jC и позволяет увеличить коэф фициент усиления в 10 —20 раз.
Важным показателем, характеризующим интенсив ность обратной связи, является коэффициент обратной
связи, равный |
|
ч |
|
u ___р 0,с |
™ о , с |
• |
|
«о, с — |
р |
— |
|
* |
Л/ |
* |
|
|
|
|
|
При увеличении числа витков обмотки w0,c рабочая часть характеристики будет располагаться все круче и
круче |
(£ 0,с < 1 ) . В случае достаточно большого |
числа |
||
витков |
w0,с (критическая обратная связь &0,с^ 1 ) |
рабо |
||
чая |
часть характеристики может |
стать параллельной |
||
оси |
ординат, и тогда МУ работает |
в так называемом |
||
релейном режиме. При этом исчезает однозначность зависимости рабочего тока от тока управления. Поэто му такой режим работы МУ в экскаваторах не исполь зуется.
В МУ с помощью обратной связи удается также увеличить быстродействие более чем в 100 раз по сравнению с усилителями с таким же коэффициентом усиления, но без обратной связи. В уси лителях без обратной связи для получения такого же коэффициента усиления потребуется иметь обмотку управления с большим числом витков (а следовательно, с большей индуктивностью), чем число витков у МУ с обратной связью, где действию цепи управления помогает цепь обратной связи.
Собственные постоянные времени обмоток управления указы^- ваются в каталогах. Так, например, для трехфазных усилителей серии УМ.ЗП постоянная времени составляет 0,1—0,5 с.
Кроме использования обратной связи, для увеличения быстро действия МУ иногда применяется питание его напряжением повы шенной частоты (рабочей цепи усилителя), которое вырабатывается статическим преобразователем частоты (450 и 1000 Гц). Быстро действие МУ характеризуется следующим выражением:
показывающим зависимость постоянной времени обмотки управле ния МУ от основных его параметров и частоты сети питания f.
Недостатком внешней обратной связи является необ ходимость иметь дополнительную обмотку. Обратную связь можно осуществить, и не применяя специальной обмотки w0'C, использовав для этого рабочие обмотки усилителя. Для этого в них надо создать постоянную со ставляющую тока, пропорциональную току нагрузки усилителя, которая и создавала бы подмагничивание аналогично постоянному току в специальной обмотке внешней обратной связи w0tC. Это решается включением последовательно с рабочими обмотками полупроводни ковых вентилей (например, В\ и В2, рис. 3-24,в), осу ществляющих однополупериодное выпрямление перемен ного рабочего тока. В этом случае по' рабочей обмотке проходит уже не переменный, а пульсирующий ток, ко торый состоит из переменной и постоянной составляю щих, равный среднему значению переменного тока на грузки. Переменная составляющая по-прежнему будет
играть роль переменного. рабочего |
тока |
в |
усилителе, |
а постоянная — создает постоянную |
м. д. |
с. |
F0,с (маг |
нитный поток Фо.с), дополнительно подмагничивающую сердечник, как и в случае с внешней обратной связью с обмоткой w0>c. Этот поток называется потоком самоподмагничивания (самонасыщения). Обратная связь, осуществляемая в МУ без специальной обмотки подмагничивания, называется внутренней положительной об ратной связью.
Аналогичные функции для создания внуренней обрат, ной связи и выпрямления тока выполняют выпрямите ли Въ и Д* на рис. 3-24,6, где две рабочие обмотки уси лителя включаются параллельно, и каждая из них рабо тает в течение полупериода. Токи каждого полупериода h,i и ip,2 обозначены сплошными и штриховыми стрел ками соответственно; по нагрузке проходит постоянный ток. Схему МУ на рис. 3-24,6 называют схемой с внут ренней обратной связью по мостовой схеме с сокращен ным количеством вентилей в отличие от схемы на рис. 3-24,в. Схему МУ на рис. 3-24,б, где переменный ток выпрямляется во внешней цепи (выпрямителем В),
принято называть внутренней вынесенной связью по току.
Принципиальной разницы между характеристиками МУ с внешней и внутренними обратными связями нет, однако для выполнения внешней связи требуется спе
116
циальная обмотка, а следовательно, дополнительный материал.. Кроме того, дополнительная обмотка увели
чивает размеры МУ и ухудшает |
его к. п. |
д. Поэтому |
в системах управления приводом |
главных- |
механизмов |
экскаваторов применяется МУ с внутренними обратны ми связями. По схеме на рис. 3-24,6 изготовляются уси лители единой серии ТУМ (тороидальный сердечник, усилитель магнитный), а по схеме на рис. 3-24,в — уси лители единой серии УМП (усилители магнитные с П-образным магнитоприводом). На рис. 3-24,в усили тель серии УМП дан в однофазном исполнении, поэтому он обозначается как УМ.1 П; изготовляются они в трех фазном исполнении, состоящем из трех подобных одно фазных усилителей, обозначается УМ.ЗП. В усилителях с с а м о н а с ы щ е н и е м коэффициент внутренней об ратной связи весьма значителен и близок к единице (см. кривую 3 на рис. 3-24,а). Поэтому усилители серий ТУМ и УМП обладают значительным быстродействием.
Смещение достигается специальными обмотками wCM,
которые |
размещаются на |
каждом |
сердечнике |
(рис. 3-24,а, в) или охватывают оба сразу |
(рис. 3 -2 4,6 ). |
||
Проходящий по обмотке смещения ток от постороннего источника питания обеспечивает необходимое первона чальное намагничивание сердечников и, следовательно, начальный ток нагрузки /о (кривая 1 и токг+ /с м на рис. 3-24,г), т. е. ее действие аналогично действию обмо ток управления. Таким образом, смещение позволяет перемещать характеристику МУ вдоль горизонтальной оси в зависимости от тока в обмотке смещения. Как правило, характеристику смещают так, чтобы начальная рабочая точка А усилителя лежала примерно по середи не ее рабочей части (/о = /н о м /2 ). Добиваются этого ре гулированием сопротивления резистора, включенного в цепь обмотки шсм.
Обычно самонасыщающиеся усилители имеют такую зависимость «вход — выход» (кривая 3 на рис. 3-24,г), когда при отсутствии сигнала управления (/у= 0) ток х. х. на их выходе /з,х > /н ом /2 . В этом случае полярность обмотки смещения выбирают такой, чтобы создаваемый ею поток был направлен навстречу потоку Ф 0,с самоподмагничивания и, следовательно, снижал бы /з,х уси лителя. Такая обмотка смещения называется обмоткой отрицательного смещения; при увеличении ее тока / см рабочий ток /н на выходе усилителя уменьшается (срав-
117
ни на рис. 3-24,г кривую 3 и штриховую ось ординаты
/*\ когда / См<0, с той же кривой и сплошной осью
ординат /н, когда / См = 0) .
Обмотка смещения, при которой с увеличением тока / см возрастает ток / н (см. кривую 1 и ось I\i на рис. 3-24,г), называется обмоткой полооюительного сме щения (характеристика МУ как бы смещается влево, а начальный ток возрастает).
Усилитель со смещением чувствителен к знаку управляющего сигнала, так как изменения тока нагруз ки под действием тока управления /у происходят не одинаково в зависимости от знака сигнала. При положи тельном сигнале /у, как видно на примере характеристи ки 1 (А на рис. 3-24,г), ток нагрузки возрастает, а при отрицательном ток нагрузки уменьшается.
В случае сильного отрицательного смещения (сравни на рис. 3-24,г кривую 3 и положение /*11 штриховой оси
ординат) характеристика усилителя «вход — выход» имеет зону нечувствительности, тем большую, чем боль ше отрицательное смещение. В результате этого исче зает однозначность зависимости тока выхода от тока управления и нескольким различным значениям тока управления соответствует одно и то же значение тока выхода. Т»аким образом, смещение может быть исполь зовано для выключения действия усилителя в опреде ленном диапазоне сигналов на входе, о чем будет ска зано ниже.
Двухтактные магнитные усилители. Однотактные уси лители не обеспечивают изменения направления тока, в нагрузке с изменением полярности управляющего сиг нала на входе. Поэтому схемы МУ, описанные выше, не пригодны для привода экскаваторов, так как они перио дически реверсируются. Необходима такая схема уси лителя, чтобы при отсутствии управляющего сигнала ток на выходе усилителя был равен нулю, а при изме нении полярности сигнала выходной ток также изменял полярность, т. е. имел статическую характеристику 3 (рис. 3-25,а). Усилители с характеристиками, подобными кривой 3, называют двухтактными или реверсивными.
Реверсивная схема двухтактного усилителя выпол няется соответствующим соединением двух однотактных . схем усилителей, одна из которых работает при положи**
П8
9 9
Рис. 3-25; Двухтактный магнитный усилитель
в “ статическая характеристика; б -с х е м а включения однотактных усилителей; Л / / — сердечники.
<0
•дельном сигнале на входе, а другая — при отрицатель^ ном. Поэтому статическая характеристика 3 двухтакт ного усилителя является результатом алгебраического суммирования характеристик 1 и 2 однотактных усили телей при одинаковых значениях управляющего тока.
Принцип работы двухтактного усилителя, работаю щего на две раздельные нагрузки, рассмотрим на при мере простейшей дифференциальной*(встречной) схемы включения двух однотактных МУ или ТУМ (рис. 3-25,6). Здесь к выходам однотактных усилителей (аналогичных МУ на рис. 3-24,6) встречно подключены две одинако вые обмотки управления ЭМУ (ОУ1 и ОУ2), являющие ся нагрузкой блока усилителей. Поэтому м. д. с. (маг нитные потоки) этих обмоток управления F\ и F2 всегда направлены встречно. Если усилители 1МУ и 2МУ пред варительно намагнитить с помощью м. д. с. обмоток сме щения одинаково, то в обмотках управления ЭМУ будут проходить одинаковые токи выходов усилителей /ю = /2о и результирующая м. д. с. (/7pfe= Ё0У1 — Е0У2) возбужде
ния ЭМУ равна нулю.
На рис. 3-25, а вместо значений м. д. с. ЕОУЬ Foya
ь |
- |
и Fpea даны значения токов /i=-J-/io |
(точка А кривой/), |
/ 2 = — /20 (точка А' кривой 2) и точка 0 кривой 3. -Если каким-либо образом подмагничивать один усилитель (предположим, 1МУ) и одновременно размагничивать (током управления равного значения, но противополож ной полярности) усилитель 2МУ, то токи выходов одно
тактных усилителей не будут равны: ток |
+ Л по абсо |
лютной величине станет больше тока —h |
(точки Б и Б' |
на кривых 1 и 2). Тогда м. д. с. обмотки ОУ1 будет пре обладать-над м. д. с. обмотки ОУ2 и результирующая м. д. с. нагрузки двухтактного усилителя или возбужде ния ЭМУ будет направлена в одну сторону (на рис. 3-25,6 вверх). На рис. 3-25,а вместо результирую щей м. д. с. (потока) показан пропорциональный ему результирующий ток /рез=/н=/1—h (точка 6' на кри вой 3).
Если подмагничивать усилитель 2МУ и одновремен но током такого же значения, но другого направления размагничивать 1МУ, то результирующая м. д. с. будет направлена в другую сторону и результирующий ток на грузки / и в этом случае будет определяться в левой ча сти кривой 3 (рис. 3-25,а) и направлен вниз, как и резуль-
120