Магнитные усилители

Принцип действия магнитных усилителей основан на нелинейном характере кривой намагничивания ферромагнитных материалов. Вследствие этого возможно изменять магнитную проницаемость таких материалов и индуктивное сопротивление мощной выходной цепи переменного тока путем подмагничивания их постоянным полем, создаваемым слабым постоянным током.

Магнитные усилители получили широкое распространение благодаря надежности в работе, длительному сроку службы, способности выдерживать большие перегрузки, нечувствительности к вибрациям и большому коэффициенту усиления.

Рассмотрим дроссель (рис.2.14, а), в котором происходит одновременное намагничивание постоянным и переменным магнитными полями. Кривая намагничивания материала показана на рис.2.14, б. Пренебрегая активным сопротивлением обмотки переменного тока W~ и рассеянием магнитного потока, получим при синусоидальном изменении напряжения U~ источника переменного тока синусоидальное изменение магнитной индукции В~, которая накладывается на постоянную составляющую индукции В₀. В этом случае для различных значений В₀ магнитной индукции можно построить кривую изменения напряженности H~ магнитного поля в дросселе. Величина В₀ зависит от величины постоянного тока подмагничивания I_Y.

Рис.2.14 Схема дросселя и его характеристики

По мере увеличения постоянной составляющей магнитной индукции режим работы дросселя смещается в область насыщения; напряженность магнитного поля также возрастает . Амплитуда кривой изменения напряженности Н магнитного поля резко возрастает при достижении насыщения магнитной индукции. По аналогичной кривой будет изменяться и переменный ток I ~ в обмотке дросселя W~. Таким образом, путем изменения тока подмагничивания (а следовательно, и В₀) можно управлять переменным током I~. Это осуществляется за счет того, что при возрастании тока подмагничивания уменьшается магнитная проницаемость вследствие изменения отношения В₀ к Н₀. Уменьшение приводит к снижению индуктивного сопротивления" L дросселя, так как

где S - сечение сердечника дросселя; l - длина магнитной цепи; W~ - число витков в обмотке переменного тока; - коэффициент пропорциональности.

Кривая изменения I~ во времени и соответственно напряженности поля Н~ получается при подмагничивании несимметричной т. е. она содержит вторую и более высокие четные гармоники. В обмотке подмагничивания дросселя может индуктироваться, как и во вторичной обмотке трансформатора, значительное напряжение, в результате чего переменный ток будет протекать через источник постоянного напряжения. Для устранения этого явления требуется включение индуктивности L₁. Оба указанные недостатка ограничивают применение простых дросселей и заставляют исследовать более сложные схемы.

Одна из таких схем, составленная из двух рассмотренных выше дросселей, приведена на рис. 2.15. Обмотка подмагничивания W_Y выполнена на среднем стержне, в котором переменные потоки Ф₁~ и Ф₂~ направлены навстречу друг другу и взаимно уничтожаются.

Простота и надежность конструкции, возможность управлять переменным током большой величины при помощи слабого постоянного тока обеспечили широкое применение описанных дросселей, называемых дросселями насыщения в автоматике.

При последовательном включении с обмоткой переменного тока дросселя насыщения нагрузочного сопротивления R_Н обеспечивается эффект усиления мощности. Изменение мощности переменного тока в нагрузке оказывается значительно большим, чем изменение мощности управления постоянного тока в обмотке подмагничивания, т.е. такая схема представляет собой простейший магнитный усилитель.

Рис.2.15. Схемы магнитных усилителей с двумя

дросселями и с обратной связью

Зависимость тока I~ в нагрузке от тока управления I_у при U~ =const выражается симметричной кривой управления (рис.2.15, б). При отсутствии подмагничивания через сопротивление нагрузки протекает некоторый начальный ток I₀ и, следовательно, имеется начальная мощность Р₀. Вследствие приложения тока управления мощность в нагрузке приобретает некоторое значение Р_н. При этом коэффициент усиления магнитного усилителя по току запишется в виде а по мощности

где R_Н и R_Y - сопротивления нагрузки и обмотки управления соответственно.

Работа магнитного усилителя, представленного на рис.2.15, а, не зависит от направления тока управления. Однако во многих случаях необходимо, чтобы ток в нагрузке R_Н изменялся бы различным образом в зависимости от полярности сигнала управления. Для этого с помощью дополнительной обмотки смещения создается начальное подмагничивание постоянным током. Такой усилитель имеет две обмотки постоянного тока - смещения и управления. Характеристика управления такого усилителя имеет минимум I~. не при I_у = 0, а при каком-то отрицательном I_у, зависящем от величины начального подмагничивания. В этих условиях значение тока I~ будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от полярности тока управления I_у.

Очень часто для увеличения коэффициента усиления магнитных усилителей вводится положительная обратная связь (рис.2.15, в). В цепь переменного тока вводится мостик из выпрямителей, и выпрямленный ток I_ос пропускается через обмотку подмагничивания W_oc обратной связи. В результате даже при отсутствии управляющего сигнала в дросселе имеет место подмагничивание. При подаче сигнала управления подмагничивание дополнительно усиливается благодаря действию обратной связи при одинаковом включении обмоток W_y и W_oc. В случае необходимости иметь на выходе постоянный ток нагрузка может быть включена после выпрямителя последовательно с обмоткой обратной связи. Для улучшения действия обратной связи обмотка W_oc шунтируется переменным сопротивлением R_Ш..

Характеристика управления магнитного усилителя с обратной связью (рис.2.15, г) получается несимметричной. В правой части крутизна характеристик больше, чем у усилителя без обратной связи, а в левой меньше. Это объясняется тем, что в правой части имеет место положительная обратная связь, а в левой - отрицательная. Общий коэффициент усиления по току для магнитного усилителя с обратной связью определяется соотношением:

где k_oc — W_oc/W~ — коэффициент обратной связи. Знак минус в знаменателе берется при положительной обратной связи, а знак плюс - при отрицательной. Если k_oc выбирать чуть меньше единицы, то можно получить очень большую величину k_i. В случае, если выбрать k_oc > 1, то магнитный усилитель будет работать в релейном режиме, при котором происходит скачкообразное изменение тока нагрузки в случае достижения некоторого определенного значения тока управления.

Для осуществления реверса выходного сигнала необходимо, чтобы характеристика магнитного усилителя проходила через нуль. Поэтому используют двухтактные магнитные усилители, обмотки которых могут соединяться по дифференциальной, мостовой или трансформаторной схемам.

Рис.2.16 Схема и характеристика двухтактного дифференциального магнитного усилителя (обозначения см. рис.2.15)

Двухтактный дифференциальный магнитный усилитель состоит из двух однотактных усилителей (рис.2.16, а), каждый из которых имеет характеристику, смещенную в разные стороны относительно оси ординат (рис.2.16, б). При этом в одном усилителе подмагничивающие поля смещения и управления совпадают по направлению, в другом направлены противоположно. Поэтому результирующая характеристика двухтактного магнитного усилителя, определяемая с помощью разности I_н=I₁-I₂, проходит через начало координат, что при изменении полярности сигнала управления приводит к изменению фазы тока нагрузки на 180°.

В мостовых схемах двухтактных магнитных усилителей (рис.2.17, а) четыре обмотки переменного тока образуют плечи моста, к одной из диагоналей которого подводят напряжение питания, а к другой подключают сопротивление нагрузки. Кроме того, в них предусмотрена обмотка смещения W_CM сопротивлением R_СМ. При отсутствии сигнала управления сопротивления всех обмоток переменного тока одинаковы и ток через сопротивление нагрузки I_н = 0. В случае подачи сигнала управления через сопротивление нагрузки протекает ток, амплитуда которого определяется величиной тока управления, а фаза - полярностью.

Рис.2.17. Мостовая а трансформаторная схемы двухтактного

магнитного усилителя (обозначается см. рис.2.16)

В трансформаторной схеме (рис.2.17, б) имеются дополнительные вторичные обмотки переменного тока W~_i, которые попарно включаются навстречу друг другу и замкнуты на сопротивление нагрузки. При нулевом токе управления наводимые в этих обмотках э.д.с. взаимно компенсируют друг друга и ток нагрузки равен нулю. При наличии тока управления равновесие нарушается и появляется ток нагрузки, фаза которого определяется полярностью' входного напряжения управления, а амплитуда зависит от его величины.

Сердечники магнитных усилителей изготовляются из ферромагнитных сплавов и ферритов. Магнитные усилители работают при частотах питания 50 или 400-500 Гц, а также при частотах до 2 кГц. По динамическим свойствам эти усилители относятся к инерционным звеньям из-за наличия индуктивности в цепи управления. Постоянная времени Т магнитных усилителей изменяется от сотых и десятых долей секунды для маломощных усилителей до нескольких секунд для мощных усилителей.

Дата добавления: 2014-01-11