Магнитные и электромашинные усилители

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

10.1. Классификация и принцип действия магнитных усилителей

Магнитным усилителем называется усилитель электрических сигналов, действие которого основано на использовании нелинейности характеристик ферромагнитных материалов. Магнитные усилители применяются в разнообразных устройствах: от точных измерительных приборов до схем автоматического управления крупными производственными агрегатами (прокатными станами, экскаваторами и т.п.). Широкое применение магнитных усилителей определяется рядом их достоинств:

большим сроком службы, высокой надежностью, простотой эксплуатации;

широким диапазоном усиливаемых мощностей: от 10^-13... 10^-6 Вт до несколько десятков и даже сотен кВт; постоянной готовностью к работе;

возможностью суммировать на входе несколько управляющих сигналов;

значительной перегрузочной способностью; пожаро- и взрывобезопасностью;

стабильностью характеристик в процессе эксплуатации. Магнитные усилители различают по следующим признакам: виду статической характеристики — однотактные (нереверсивные) и двухтактные (реверсивные);

способу осуществления обратной связи (ОС) — без ОС и с ОС (внешней, внутренней, смешанной);

форме кривой выходного напряжения — с выходом на несущей или удвоенной частоте, на постоянном или выпрямляемом токе и т.д.;

способу включения нагрузки — с последовательным и параллельным включением нагрузки и рабочих обмоток;

числу и конструкции сердечников в однотактной схеме — с одним двухстержневым или тороидным сердечником, с двумя сердечниками, трехстержневым и четырехстержневым сердечниками;

способу осуществления смещения — постоянным или переменным током и шунтированием выпрямителей ОС;

режиму работы — линейные (или пропорциональные) и релейные.

Простейшие магнитные усилители без ОС выполняются в виде двух одинаковых трансформаторов. Рабочие обмотки этих трансформаторов с числом витков w _р включаются последовательно с источником питания переменного напряжения U(рис. 10.1). Управляющие обмотки с числом витков w_y включаются встречно относительно рабочих обмоток для устранения трансформаторной связи между цепями, образуемыми управляющими и рабочими обмотками. Усиливаемый сигнал постоянного тока I_у поступает в управляющие обмотки w_y трансформаторов и вследствие нелинейного характера кривой намагничивания сердечников вызывает уменьшение их магнитной проницаемости и пропорциональное уменьшение индуктивности L ₁ рабочих обмоток.

Устройство, имеющее схему, приведенную на рис. 10.1, часто называют дросселем насыщения или управляемым дросселем, так как, изменяя степень магнитного насыщения его сердечников путем подмагничивания их постоянным током, можно в широких пределах изменять индуктивность рабочих обмоток. Нагрузка R_H , показанная на рисунке пунктиром, включается в цепи переменного тока параллельно или чаще последовательно с управляемой индуктивностью.

Токи I₁ и I₂, протекающие соответственно в рабочей и управляющей обмотках трансформаторов, создают магнитные поля, которые в течение одного полупериода переменного тока в одном из сердечников имеют одинаковые, а в другом — противоположные направления. В результате первый сердечник насыщается, а второй остается ненасыщенным. Для ненасыщенного сердечника справедливо уравнение обычного трансформатора:

где I_μ — намагничивающий ток трансформаторов.

При отсутствии сигнала на входе усилителя I₂ = 0 и I₁ = I_μ. В этом режиме среднее значение тока нагрузки имеет минимально возможное значение, равное току холостого хода трансформатора I_хх.

При наличии существенного сигнала I_у на входе усилителя обычно можно пренебречь слагающей I_μω _р в правой части уравнения ампервитков по сравнению с I ₂ w _у . Тогда, интегрируя в пределах полупериода, в течение которого рассматриваемый сердечник ненасыщен, получим

т.е. ток нагрузки в схеме на рис. 10.1 определяется лишь током управления и конструктивными параметрами усилителя и не зависит от нагрузки.

Коэффициенты усиления по току k ₁ и мощности k _Р для простейшего магнитного усилителя определяют по формулам

где R_y — активное сопротивление управляющий обмотки.

Существенным недостатком таких магнитных усилителей является их относительно высокая инерционность, которую обычно характеризуют постоянной времени τ цепи управления: τ = k_p /4ηf , где η — КПД цепи нагрузки; f— частота источника питания. Для уменьшения инерционности магнитных усилителей применяют переменный ток повышенной частоты (400... 10 000 Гц и выше).

10.2. Магнитные усилители с самонасыщением

Лучшими динамическими характеристиками, т. е. меньшей инерционностью при данном k _Р , обладают магнитные усилители с самонасыщением. Простейшая схема магнитного усилителя с самонасыщением, на базе которой строятся более сложные схемы, дана на рис. 10.2. Идеализированная петля гистерезиса ферромагнитного сердечника магнитного усилителя представлена на рис. 10.3. Наличие выпрямителя В (см. рис. 10.2) в цепи рабочей обмотки (обмотка w _р усилителя, последовательно с которой включена нагрузка R_H ) приводит к тому, что напряжение питания U приложено к этой обмотке и нагрузке лишь в течение проводящего для выпрямителя полупериода, называемого рабочим.

В соответствии с законом электромагнитной индукции изменение индукции в рабочем сердечнике усилителя в этот полупериод происходит только под действием напряжения питания U :

где S — поперечное сечение сердечника.

В следующий полупериод изменение индукции в сердечнике происходит только под действием управляющего напряжения U_y , приложенного к обмотке управления w_y . Этот полупериод называется управляющим.

Для того чтобы воспрепятствовать трансформации напряжения из рабочей цепи в цепь управления, в последнюю включают либо дроссель Др, либо вентиль.

Изменение индукции в рабочем и управляющем полупериодах происходит во взаимообратных направлениях. Обычно напряжение питания магнитных усилителей U выбирают таким, чтобы за время T/2, равное полупериоду питающего напряжения, оно было бы способно изменить индукцию в сердечнике на величину ΔВ = 2 B_S , от точки - B_s до B_s , где B_s — индукция насыщения материала сердечника. Это изменение пропорционально входному сигналу. Если к началу рабочего полупериода исходная рабочая точка, характеризующая магнитное состояние сердечника, окажется не в точке - B_s , а выше на петле гистерезиса, то в рабочем полупериоде сердечник по закону электромагнитной индукции насытится не в конце периода, а несколько раньше. После этого напряжение питания окажется полностью приложенным к сопротивлению нагрузки, а ток в нагрузке скачком возрастет до I = U_maxsin wt / R . Чем больше управляющее напряжение, тем ниже по петле гистерезиса опустится рабочая точка в управляющий полупериод. В результате в рабочий полупериод сердечник насытится позднее, и к нагрузке будет приложено меньшее напряжение. При максимальном управляющем напряжении по нагрузке в течение всего рабочего полупериода протекает только намагничивающий ток.

Если управляющее напряжение равно нулю, то в управляющий полупериод индукция не изменяется и исходной точкой тока будет точка B_s . Следовательно, в течение всего рабочего полупериода ток в нагрузке будет следовать за изменением напряжения. Диаграммы изменения индукции В в сердечнике, тока нагрузки I_н, тока в обмотке управления I_у во времени t даны на рис. 10.4. Зависимость тока I_н нагрузки от тока I_у в обмотке управления для магнитных усилителей с самонасыщением приведена на рис. 10.5.

Характеристики подобного типа называются статическими характеристиками, а участок АО — рабочим участком. Магнитный усилитель, обладающий статической характеристикой, показанной на рис. 10.5, называют однотактным (нереверсивным). Основная особенность такого усилителя в том, что при изменении полярности управляющего сигнала ток в нагрузке, изменяясь по значению, остается все время однополярным.

Схема, приведенная на рис. 10.2, является основой — типовым элементом при создании большинства современных магнитных усилителей. Рабочие полупериоды двух сердечников в схемах на рис. 10.6, 10.7 сдвинуты друг относительно друга на половину периода питающего напряжения. Обмотки управления двух сердечников соединены между собой так, чтобы в цепи управления не наводилось питающее напряжение. Если в однотактном магнитном усилителе (см. рис. 10.2) ток на выходе появляется лишь в течение одного из полупериодов питающего напряжения, то в усилителях, представленных на рис. 10.6 и 10.7, он появляется в течение каждого полупериода питающего напряжения.

В то время как один из сердечников находится в рабочем полупериоде и ток от источника может протекать через его рабочую обмотку w_p и нагрузку, один из диодов блокирует рабочую обмотку другого сердечника, для которого наступает управляющий полупериод, т.е. его индукция изменяется под действием входного сигнала. В следующем полупериоде сердечники меняются ролями. В схеме на рис. 10.6 через нагрузку протекает переменный ток той же частоты, что и питающее напряжение, а в схеме на рис. 10.7 — выпрямленный двухполупериодный ток.

В магнитных усилителях с самонасыщением при отсутствии управляющего сигнала среднее значение тока нагрузки равно максимальному I_нmах. Однако иногда бывает необходимо при отсутствии сигнала на входе усилителя получить минимальный ток в нагрузке. Поэтому в магнитных усилителях часто предусматривается так называемое смещение или начальное подмагничивание, что равноценно включению дополнительного управляющего напряжения. Под действием напряжения смещения изменение индукции в управляющем полупериоде происходит даже при отсутствии сигнала управления. Чем больше напряжение смещения, тем ниже по петле гистерезиса переместится рабочая точка.

В том случае, когда на вход усилителя подается также сигнал управления, перемещение рабочей точки в управляющий полупериод определяется суммой напряженностей, создаваемых сигналами смещения и управления (если эти сигналы вызывают изменение намагниченности сердечника в одном направлении), или их разностью (если действие сигналов противоположно). Введение начального подмагничивания позволяет как бы перемещать статическую характеристику усилителя вдоль оси абсцисс в зависимости от значения тока смещения (рис. 10.8). Очевидно, что при изменении тока смещения I_см ток на выходе усилителя при отсутствии управляющего сигнала I_у может принимать любые значения от I_Hmax до I_Hmin.

Принципиально смещение в магнитных усилителях может осуществляться тремя способами: постоянным или выпрямленным током, переменным током, шунтированием выпрямителей в рабочей цепи сопротивлением. Наиболее широко применяется смещение постоянным током (рис. 10.9). Обмотки смещения обычно выполняются так же, как и обмотки управления. Последовательно с обмотками смещения для регулирования тока в них включают дополнительное сопротивление.

10.3. Магнитные усилители с обратными связями

В магнитных усилителях с самонасыщением по рабочим обмоткам наряду с переменной протекает и постоянная составляющая напряжения, которая дополнительно подмагничивает сердечники. По этой причине их иногда называют магнитными усилителями с внутренней обратной связью. В таких усилителях большую часть подмагничивающего поля составляет именно магнитное поле обратной связи и лишь сравнительно небольшую часть — магнитное поле управляющего сигнала.

Магнитное поле обратной связи может быть создано, например, путем подачи тока нагрузки в специальную обмотку обратной связи w_{o . c} (рис. 10.10), называемую внешней.

Использование внутренней обратной связи, особенно в мощных магнитных усилителях (по сравнению с магнитными усилителями с внешней обратной связью) существенно повышает их КПД и максимальную мощность.

Для достижения больших значений k _о.с в схемы усилителей с внутренней обратной связью дополнительно вводится обмотка обратной связи (рис. 10.11). Поскольку в этом случае в усилителе действует как внутренняя, так и внешняя обратная связь, эту схему часто называют схемой со смешанной обратной связью. Статические характеристики усилителя при различных значениях k _о.с даны на рис. 10.12.

Динамические свойства магнитных усилителей с самонасыщением характеризуются постоянной времени

где k_U — коэффициент усиления по напряжению, k_U = ΔU_H/ΔU_y .

10.4. Двухтактные магнитные усилители

Двухтактным магнитным усилителем называется усилитель, обладающий статической характеристикой, при которой изменение полярности управляющего сигнала вызывает изменение полярности выходного напряжения или изменение фазы выходного напряжения на 180° (рис. 10.13).

Двухтактные схемы нередко применяют для повышения стабильности характеристик усилителя или снижения тока холостого хода, равного I_Hmin, и повышения коэффициента кратности тока нагрузки I_Hmax/I_Hmin даже в тех случаях, когда не требуется изменять фазу или полярность выходного напряжения.

Двухтактные магнитные усилители могут быть выполнены с обратной связью и без нее, а также по специальным быстродействующим схемам.