Электромашинный усилитель представляет собой генератор постоянного тока, в котором используется поперечная реакция якоря. Принципиальная схема ЭМУ изображена на рис. 1 На коллектор обычного якоря машины постоянного тока наложены две пары щеток — щетки 3-4 по продольной оси dd и щетки 1-2 по поперечной оси qq. Щетки по поперечной оси замкнуты накоротко.
Рис. 1 — Принципиальная схема ЭМУ с поперечным полем
На статоре расположены две или в общем случае несколько обмоток управления ОУ, одна из которых (первичная обмотка) создает основной магнитный поток Ф1, а на другие подаются сигналы, управляющие работой усилителя. Кроме управляющих обмоток на статоре имеются компенсационная обмотка КО и обмотки добавочных полюсов ДП по продольной оси.
Принцип действия ЭМУ. Подведем к первичной обмотке ОУ1 небольшую мощность P1=U1I1 и создадим поток Ф1. При вращении якоря в этом потоке в его обмотке между щетками 1-2 индуктируется небольшая ЭДС E2. Так как щетки 1-2 замкнуты накоротко, то под действием этой ЭДС в обмотке якоря возникает значительный, ввиду малого сопротивления цепи якоря ток I2, создающий магнитный поток Ф2. Направление тока I2, в проводниках обмотки якоря показано на рис. 1., по внешнему кольцу якоря. Величина потока Ф2 значительно превышает поток Ф1. Этот поток, который направлен по поперечной оси qq, является рабочим потоком, поэтому такие машины получили название ЭМУ поперечного поля. Поток Ф2 в пространстве неподвижен, поэтому в той же обмотке якоря, между щетками 3-4 по продольной оси, он будет индуктировать ЭДС Е3, которая создает ток I3 в рабочей цепи. Направление тока I3 в проводниках обмотки якоря показано по внутреннему кольцу якоря. Таким образом, в обмотке якоря протекает одновременно два тока I2 и I3.
При подключении нагрузки ток I3, протекая по обмотке якоря, создает поток реакции якоря Ф3, направленный по продольной оси встречно Ф1, т.е. стремится размагнитить машину. Чтобы скомпенсировать размагничивающее действие МДС реакции якоря, устанавливается компенсационная обмотка КО, которая включается в цепь нагрузки последовательно. В ЭМУ с поперечным полем компенсационную обмотку делают несколько больше, чем это требуется для полной компенсации реакции якоря от тока нагрузки. Это необходимо для того, чтобы при наладке машины получить нужную степень компенсации путем изменения величины шунтирующего сопротивления rш.
Для получения благоприятной коммутации под щетками 3-4 в зоне этих щеток устанавливают добавочные полюсы.
Таким образом, электромашинный усилитель с поперечным полем имеет две ступени усиления. Первой ступенью являются обмотка управления ОУ1 и обмотка якоря, замкнутая накоротко щетками 1-2. Второй ступенью является обмотка якоря с щетками 1-2, являющаяся обмоткой возбуждения для второй ступени, и обмотка якоря с щетками 3-4, создающая нагрузочный ток.
Рис. 2 – Внешние характеристики ЭМУ I – IV — при перекомпенсации; II – V – при критической компесации; III – VI – при недокомпенсации
Рабочие свойства ЭМУ поперечного поля характеризуются мощностью на выходе, коэффициетом усиления, внешней характеристикой (рис. 2), быстродействием.
На выходе ЭМУ получают мощность P3=U3I3, которая значительно превышает входную мощность P1. Отношение мощности выхода к мощности входа называется коэффициентом усиления мощности .
В современных ЭМУ коэффициент усиления лежит в пределах 500…10000.
Быстродествие ЭМУ обычно оценивается по характеристикам переходных процессов при включении обмотки управления на постоянное напряжение.
Для оценки качества ЭМУ как машины часто пользуются коэффициентом качества. Коэффициентом качества называют отношение коэффициента усиления ЭМУ к постоянной времени его выходной ступени Д = kу/Тэ.
Как отмечалось выше, в ЭМУ обычно предусматривается несколько обмоток управления. Каждая из этих обмоток создает свою МДС и магнитные потоки, которых индуктируют свои ЭДС в поперечной цепи якоря. Под действием этих ЭДС создается соответствующий ток возбуждения по поперечной оси, наводя аналогичную ЭДС между рабочими щетками. Таким образом, в ЭМУ усиливаются различные сигналы, подаваемые в обмотки управления.
ЭМУ с поперечным полем находят применение в схемах автоматического управления электроэнергетическими установками. Основными положительными качествами ЭМУ с поперечным полем являются высокое быстродействие, большой коэффициент усиления и относительная простота конструкции.