Электромашинные усилители

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет 
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. И. Денисенко, В. Н. Кичигин, М. В. Кычанов

электромашинные усилители

Учебно-методическое пособие

Под общей редакцией доктора технических наук,  
профессора В. И. Денисенко

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета 
для студентов вуза, обучающихся по направлению 
13.03.02 — Электроэнергетика и электротехника, 
профиль «Электромеханика»

3‑е издание, исправленное

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета
2017

 

УДК 621.375.6(075.8)
ББК 31.26я73
         Д33

Рецензенты: Кавалеров Б. В., д-р техн. наук завкафедрой «Электротехника и электромеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета; Шулаков Н. В., д-р техн. наук, 
проф., заслуженный работник Высшей школы, лауреат премии Правительства РФ; Смолин Г. К., д-р техн. наук, проф. Российского государственного профессионально-педагогического университета

Д33
Денисенко, В. И.
Электромашинные усилители : учебно-методическое пособие /  
В. И. Денисенко, В. Н. Кичигин, М. В. Кычанов ; под общ. ред. 
д-ра техн. наук, проф. В. И. Денисенко. — 3-е изд., испр. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 60 с.
ISBN 978-5-7996-2174-2

В пособии отражены общие теоретические сведения об электромашинных 
усилителях (ЭМУ), области их применения, особенности конструкции.
Содержится подробное описание ЭМУ с поперечным полем как наиболее 
распространенного типа электромашинного усилителя, приведены его статические и динамические характеристики.
Даны общие указания и рекомендации для исследования электромашинного усилителя поперечного поля, подробные указания и советы по обработке 
и анализу опытных данных.
Работа предназначена для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 — 
Электроэнергетика и электротехника, профиль «Электромеханика» (бакалавриат). Может быть использована при обучении студентов профиля «Общая теория электромеханического преобразования энергии» (магистратура).

Библиогр.: 5 назв. Рис. 23. Табл. 10. Прил. 1.

Подготовлено кафедрой «Электрические машины»УралЭНИН.
УДК 621.375.6(075.8)
ББК 31.26я73

ISBN 978-5-7996-2174-2
© УГТУ–УПИ, 2008
© Уральский федеральный  
     университет, 2011, с изменениями
© Уральский федеральный  
     университет, 2017, 3-е изд., испр.

1. Основы теории  
электромашинных усилителей

1.1. Общие сведения и примеры  
использования электромашинных усилителей

Электромашинный усилитель (ЭМУ) — это специальный генератор 
постоянного тока с большим соотношением между выходной мощностью и входным сигналом, подаваемым в цепь возбуждения. В усилителе посредством системы малой мощности управляют сравнительно большой мощностью (выходная величина). При этом выходная 
величина является функцией входного сигнала и усиление происходит за счет энергии внешнего источника. В электромашинных усилителях выходная (управляемая) мощность создается за счет механической мощности приводного двигателя.
Электромашинные усилители выпускаются серийно и нашли широкое применение в системах автоматического регулирования и автоматизированного электропривода. Широкое применение ЭМУ обусловлено не только их большим коэффициентом усиления и достаточно 
высоким быстродействием по сравнению с другими видами усилителей, но и способностью изменять полярность напряжения на выходе 
при изменении полярности на входе, а также высокой перегрузочной 
способностью. ЭМУ используется для возбуждения более мощных генераторов, а также в системах генератор — двигатель, где генератор, 
а часто еще и возбудитель представляют собой независимые электромашинные усилители, соединенные в каскад.

1. ОснОвы теОрии электрОмашинных усилителей 

В системах автоматики используются одноступенчатые ЭМУ, каскад 
ЭМУ, а также двухступенчатые электромашинные усилители. В качестве одноступенчатого ЭМУ может быть использован обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением. Каскад ЭМУ 
представляет собой два или несколько последовательно соединенных 
ЭМУ. Широко применяются двухступенчатые ЭМУ поперечного поля.
ЭМУ применяют как в разомкнутых, так и в замкнутых системах автоматического регулирования, в которых для улучшения характеристик 
используются обратные связи по току и напряжению. Система ЭМУ — 
генератор используется для автоматического регулирования напряжения генератора; система ЭМУ — двигатель — для автоматического регулирования частоты вращения двигателя, где ЭМУ применяются как 
в качестве возбудителей генератора, так и в качестве самих генераторов. 
Следящая система с ЭМУ используется в качестве усилителя мощности.
С внедрением достаточно мощных электронных усилителей применение ЭМУ в системе генератор — двигатель значительно сокращается. 
Однако ЭМУ до сих пор находят применение в системах ЭМУ — двигатель, где электромашинный усилитель используется в качестве генератора, питающего двигатель. В последние годы в результате использования промежуточных полупроводниковых усилителей значительно 
увеличились диапазон регулирования и быстродействие электроприводов, работающих на системах ЭМУ — двигатель. Такие электроприводы применяются в различных областях. Электроприводы с использованием ЭМУ мощностью до 10 кВт получили в настоящее время 
распространение в станках и установках радиоэлектронной промышленности. Рассмотрим несколько примеров использования электромашинных усилителей в схемах автоматики.
На рис. 1.1 приведена схема бесконтактной системы автоматического регулирования амплитуды синусоидального напряжения. Эта схема применяется на радиозаводах, на участках настройки телевизоров 
и радиоприемников, где напряжение должно быть стабилизировано 
по амплитуде и синусоидально изменяться по времени. Применение 
феррорезонансных стабилизаторов для этих целей недопустимо, так 
как, поддерживая с достаточной точностью амплитуду, феррорезонансные стабилизаторы сильно искажают синусоиду. Поэтому в таких 
случаях применяют системы автоматической стабилизации напряжения с использованием в качестве регулирующего органа индукционного регулятора.

1.1. Общие сведения и примеры использования электромашинных усилителей 

Ротор

ИР

Статор

ИД

ЭС
ЭУ
У1

У2

w

~220

Сеть
~380

Рис. 1.1. Схема бесконтактной системы автоматического 
регулирования амплитуды синусоидального напряжения

В схеме на рис. 1.1 нестабильное трехфазное напряжение подается на ротор индукционного регулятора ИР. Выходное стабилизируемое напряжение снимается с зажимов статора, подается на приемники 
и одновременно на вход элемента сравнения, где сравнивается с опорным эталонным напряжением. Сигнал рассогласования усиливается 
электронным усилителем ЭУ и поступает на одну из обмоток управления электромашинного усилителя — У1 или У2. В зависимости от полярности сигнала рассогласования на выходе ЭМУ появляются напряжения прямой или обратной полярности и исполнительный двигатель 
ИД, вращаясь, перемещает ротор индукционного регулятора в сторону уменьшения или увеличения напряжения.
На рис. 1.2 представлена электрическая схема полуавтомата для спая 
стеклянного дна с металлическим конусом электронно-лучевых трубок. Вид спая в этом случае несогласованный, так как коэффициент 
линейного расширения материала конуса (хромистая сталь) и стекла 
неодинаковый. Поэтому для получения хорошего спая необходимо 
сначала произвести разогрев стекла. Эту операцию выполняет блок 
нагревателей БН, температура которого контролируется термопарой Т  
и автоматически поддерживается терморегулирующим прибором 

1. ОснОвы теОрии электрОмашинных усилителей 

ЭМР. Сваривание при рабочей температуре 1100–1200 °C производится токами высокой частоты, которые вырабатывает генератор повышенной частоты Г, питающий блок индукторов БИ. Для получения 
стабильного выходного напряжения генератора Г его цепь возбуждения питается от ЭМУ поперечного поля. В этой схеме ЭМУ играет роль 
усилителя мощности и элемента сравнения. На рис. 1.1 и рис. 1.2 приведены схемы использования электромашинных усилителей в системах 
радиоэлектронной промышленности. Аналогичных схем в различных 
автоматизированных системах, где в качестве усилителей мощности 
используются ЭМУ поперечного поля, довольно много. Применению 
ЭМУ в этих схемах способствует наличие нескольких обмоток управления, что позволяет сравнивать сигналы и вводить обратные связи. Высокий коэффициент усиления повышает быстродействие таких систем.

~380/220

ЭМУ

ПД

Г

БИ

БК

ЭМР
Т

БН

Рис. 1.2. Схема полуавтомата для спая стеклянного дна 
с металлическим конусом электронно-лучевых трубок

1.1. Общие сведения и примеры использования электромашинных усилителей 

На рис. 1.3 показана схема привода антенны радиолокационной 
станции в режиме кругового вращения с постоянной угловой скоростью. Схема состоит из исполнительного двигателя постоянного тока 
ИД, приводящего во вращение антенну А, тахогенератора постоянного тока ТГ, механически связанного с валом ИД, и двух усилителей: 
электронного ЭУ и ЭМУ поперечного поля. При мощности исполнительного двигателя в несколько сотен ватт и более такая двухступенчатая схема усиления с ЭМУ поперечного поля может иметь лучшие 
технико-экономические характеристики, чем электронная. Задающим 
элементом является делитель напряжения ДН, питающийся от источника постоянного тока.

  
  

  
 -U1 

-U1 

  
  
 

-UГ

-UЭ

-U1

-Uр

-UУ

С

ДН

ЭУ

ЭМУ

ТГ

ИД

 
 
 

  

 
 
 

Рис. 1.3. Схема привода антенны радиолокационной станции

Привод работает следующим образом. Необходимая угловая скорость задается соответствующим значением эталонного напряже- 
ния Uэ. Это напряжение через элемент сравнения поступает на вход 
усилителя ЭУ. После усиления в ЭУ и ЭМУ напряжение Uу подается 

1. ОснОвы теОрии электрОмашинных усилителей 

на обмотку управления исполнительного двигателя, обмотка возбуждения которого постоянно подключена к источнику напряжения U1. 
Ротор двигателя начинает вращаться и поворачивать антенну А и ротор 
тахогенератора ТГ. Выходное напряжение тахогенератора Uг сравнивается в узле С с эталонным напряжением Uэ, и на выходе усилительного каскада устанавливается постоянное значение Uу, определяемое 
напряжением рассогласования Uр. Ротор ИД и антенна непрерывно вращаются с постоянной угловой скоростью. Маломощные электромашинные усилители мощности (ЭМУ) в диапазоне мощностей 
от нескольких десятков до нескольких сотен ватт широко используются во многих отраслях техники, применяющих автоматические устройства для регулирования и управления различными исполнительными 
механизмами, производственными процессами и некоторыми специальными объектами. Посредством ЭМУ в этих устройствах управляют относительно большими мощностями с помощью малой подаваемой мощности в управляющие обмотки усилителя.
В схемах автоматических устройств применяется два типа ЭМУ: 
ЭМУ с поперечным полем и ЭМУ с продольным полем.

1.2. Генератор постоянного тока  
как электромашинный усилитель

В качестве простейшего ЭМУ можно рассматривать обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением (см. рис. 1.4). 
Обмотка возбуждения такого генератора является обмоткой управления, а цепь якоря — выходной цепью.
На рис. 1.5 представлена энергетическая диаграмма простейшего 
электромашинного ЭМУ, показывающая преобразование механической мощности P1, получаемой с вала от приводного двигателя, в электрическую мощность

 
P2 = Ia · Ua.

В процессе преобразования потребляемая мощность расходуется 
на покрытие механических потерь (потери на трение, вентиляционные потери) PМХ, магнитных потерь (на гистерезис и вихревые токи) 
PМГ, добавочных потерь PД. Полученная электромагнитная мощность 

1.2. Генератор постоянного тока как электромашинный усилитель 

PЭМ включает в себя электрические потери в обмотке якоря PЭЛ и полезную выходную мощность P2. Так как в таких генераторах мощность 
возбуждения (мощность управления), как правило,

 
PУ = (0,01–0,02)PН,

где PН — номинальная мощность усиления,
то коэффициент усиления простейшего ЭМУ

 
К
Р
Р
У
ВЫХ

ВХ

2

У
50
100
=
=
=
ё
P
P
,  
(1.1)

где РВЫХ — выходная мощность (в цепи нагрузки); РВХ — входная мощность (мощность, подаваемая на обмотку напряжения).

Uy 

Iy
R н

q

d
d

Ia

 UB 

q

Рис. 1.4. ЭМУ как генератор постоянного тока  
с независимым возбуждением

Таким образом, электрическая мощность, поданная в обмотку 
управления (возбуждения), усилена в 50–100 раз за счет преобразования механической мощности в электрическую.
В зависимости от способа возбуждения ЭМУ подразделяются на усилители продольного поля (пример — простейший электромашинный усилитель), в котором поток возбуждения (управления) направлен по продольной оси машины, и ЭМУ поперечного 
поля, в которых основной поток возбуждения направлен по попереч- 
ной оси.