Магнитные усилители

В системах управления применяют усилители — устройства, у которых мощность управляемой величины (выходного сигнала) больше мощности управляющей величины (входного сигнала).

Принцип действия магнитного усилителя. Его поясняют схемы, приведенные на рис. 6.12. При изменении постоянного управляющего тока (рис. 6.12, а) изменяется магнитное состояние управляющего элемента УЭ, а следовательно, его индуктивность, реактивное и полное сопротивление .

В цепи управляемого исполнительного элемента ИЭ с нагрузкой, определяемой его сопротивлением , ток .

Основа магнитного усилителя — дроссель насыщения (рис. 6.12,6), имеющий две обмотки: рабочую в цепи переменного тока, включенную на напряжение последовательно с нагрузкой , и управляющую , питаемую постоянным током . Обмотка управления создает в сердечнике магнитное поле напряженностью, если не принимать во внимание магнитное рассеяние,

,

где — расчетная длина магнитного потока в сердечнике; — м. д. с. управления (постоянного тока).

Напряженности , складываясь с напряженностями , вызванными обмоткой , описываются семейством кривых , (), приведенными на рис. 6.13, а.

Обмотки и (см. рис. 6.12, б) магнитно связаны и в обмотке наводится переменная э. д. с. е. Предполагая, что все процессы синусоидальны, можно приблизительно определить

.

В дросселях насыщения переменный ток, вызванный э. д. с. с в обмотке управления, ограничивают, вводя в цепь сглаживающий реактор . В магнитных усилителях для устранения пульсаций а цепях управления применяют сдвоенную магнитную систему с двумя раздельными обмотками переменного тока и общей обмоткой управления (рис. 6.13, б). При симметрии системы, наводимые э. д. с. в обмотке взаимно компенсируются, так как магнитные потоки Ф в охваченных ею сердечниках направлены встречно. Обмотки можно соединять как последовательно, так и параллельно.

Такой конструкции магнитных усилителей соответствует и их условное изображение, представленное на рис. 6.13, в. Началу каждой обмотки соответствует точка.

Индуктивность магнитного усилителя (МУ) без учета магнитного рассеяния

где µ - магнитная проницаемость сердечника, Гн/м; - его магнитная проводимость, Гн.

Рис. 6.12 Схема, поясняющая принцип воздействия на управляемую цепь (а), и схема дроссельного усилителя (б)

Изменение индуктивности связано с изменением индукции в магнитопроводе и реактивного сопротивления обмотки :

, т.е. .

где. — постоянная рассматриваемой системы.

Рис. 6.13 Материал и конструкции МУ:

а – характеристики намагничивания сердечника из стали Э320 переменным и постоянным полем; 6 – МУ со сдвоенным магнитопроводом; в – условное графическое обозначение МУ

В цепи переменного тока при активной нагрузке приложенное напряжение компенсирует падения напряжения в сопротивлении нагрузки и небольшом активном сопротивлении обмотки , а также в реактивном сопротивлении: и кВ. При этом .

Как известно, в этом случае ток и индукция В изменяются по эллипсу . Так как , то . Здесь ; ; .

Эти зависимости позволяют построить характеристику или () для МУ графическим методом, как представлено на рис. 6.14, а. Здесь кривую изменения тока I, а следовательно, и соответствующие ему напряженности совмещают с магнитной характеристикой сердечников МУ. Точки пересечения эллипса с характеристиками дают возможность построить зависимости () или . Полученная зависимость , представленная на рис. 6.14, б, симметричная, так как знак у не влияет на знак при I. Эта характеристика при любом направлении тока в широком диапазоне токов практически линейна, но в зоне полного насыщения магнитной системы МУ ток стабилизируется. Ток , уменьшаясь, не доходит до нуля, что определяется магнитными свойствами сердечников МУ. Значение достигается только при идеальном сердечнике. Наименьшие остаточные токи соответствуют сердечникам из пермалоя.

Несколько сложнее построение характеристик МУ для условий, когда сопротивление нагрузки содержит индуктивные или емкостные составляющие. Векторные диаграммы для этих случаев при равенстве дополнительных падений напряжения индуктивного и емкостного Uc представлены на рис. 6.14, в. С магнитной характеристикой совмещают кривую 2 для активной нагрузки и, кроме того, строят вспомогательную прямую Оа, характеризующую реактивное падение напряжения. Угол ее наклона относительно оси абсцисс

где — реактивное (индуктивное или емкостное) сопротивление нагрузки; — частота; , — масштабы соответственно индукции и магнитных напряженностей на диаграмме.

При индуктивной составляющей ординаты линии Оа вычитают из ординат эллипса, а при такой же емкостной составляющей прибавляют к ним. Полученные кривые (соответственно 1 и 3) используют для построения характеристик. Вид характеристик () или остается таким же, как и при активной нагрузке, но несколько изменяются производные или .

Рис. 6.14. Характеристики магнитных усилителей:

а - построение при активной нагрузке; б - характеристика I(): в - построение при индуктивной (кривая 3) и емкостной (кривая 1) составляющих нагрузки (2 - активная нагрузка)

Совмещение в одной магнитной системе постоянных и переменных магнитных напряженностей вызывает резкие изменения в пределах одного периода переменного тока результирующей напряженности. Это приводит к несинусоидальным процессам, зависящим и от конструктивных особенностей МУ. Поэтому для повышения точности приведенных зависимостей в уравнение эллипса и связанные с ним следует вводить поправочные коэффициенты , для тока и индукции. Их определяют на основании данных для аналогичных прототипов МУ, сравнивая расчетные значения параметров с полученными для выполненных образцов.

Характеристики магнитных усилителей. Их можно изменять в зависимости от назначения МУ. Так, при использовании МУ в усилительном или релейном режиме часто необходимо исключать нелинейные части характеристик из рабочего диапазона. Для этого применяют обмотки смещения, м. д. с. которых постоянна и дополняет м.д.с. обмотки управления. Если для выделения линейной зоны характеристику надо сместить на значение тока управления , (рис. 6.15, а), то м.д.с. обмотки смещения , а ее ток . Коэффициент усиления тока при смещении

.

Рис. 6.15. Характеристики I () МУ:

а - характеристика смещения; б — при положительной обратной связи; в — при релейном режиме глубокой обратной связи: г - влияние смещения на режимы работы МУ

Коэффициент усиления повышается или снижается в случае применения обратной связи, т. е. подачи выходного сигнала (тока I или по части) на вход МУ (в систему управления МУ). Если сигнал обратной связи усиливает входной сигнал (м.д. с. управления), обратная связь положительна, если ослабляет, — она отрицательна. Обратную связь осуществляют как с помощью специальной обмотки (такую обратную связь называют внешней), так и путем подмагничивания МУ постоянной составляющей тока с помощью обмоток (такую обратную связь называют внутренней).

В схему МУ с внешней обратной связью (рис. 6.16, а) в цепь переменного тока включен выпрямительный мост UZ, выпрямленный ток от которого поступает в обмотку обратной связи . Ее м.д.с. в зависимости от включения UZ и катушек может быть направлена согласно с или противоположно ей. При внутренней обратной связи (рис. 6.16, б) обмотки включены параллельно через выпрямители VZ1 и VZ2, Через обмотки протекает пульсирующий ток лишь в одном направлении; можно считать, что он имеет постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая создает м. д. с, которая может быть направлена согласно или встречно по отношению к м.д.с. создавая положительную или отрицательную обратную связь. Эффект обратной связи оценивают коэффициентом обратной связи

.

При положительной обратной связи коэффициент усиления тока

;

при отрицательной

При значение , a . Еще сильнее влияет коэффициент обратной связи на коэффициент усиления по мощности :

.

Для выявления влияния обратной связи на характеристики МУ удобно использовать ее графическое выражение в виде прямой ОС (см. рис. 6.15, б), расположенной под углом к оси ординат характеристики ; угол .

Совместив эту линию с характеристикой МУ без обратной связи, для условий положительной обратной связи выбирают на оси точки 1, 2, 3,... и через них проводят вспомогательные параллельные линии ОС до пересечения с исходной характеристикой в точках 1', 2', 3',.... Эти точки сносят в точки 1", 2", 3",... на линиях, параллельных оси ординат и выходящих из точек 1, 2, 3,... Точки 1", 2", 3"... и будут точками искомой характеристики. Обратная связь нарушает симметрию исходной характеристики тем сильнее, чем больше значение . При глубокой положительной обратной связи угол , где . Способ построения характеристики с обратной связью такой же, как и в предыдущем случае (см.рис. 6.15, б). МУ приобретает релейные свойства, что вызывает скачкообразный переход цепи из одного дискретного состояния в другое. Зона переходов характеристик МУ аналогична зоне нечувствительности электромагнитных реле. При работе МУ в релейном режиме полного размыкания коммутируемой цепи не происходит и в состоянии «выключения» в ней протекает ток что может вносить осложнения в процесс работы. Применение смещения позволяет переходить релейные характеристики МУ в сторону увеличения как положительных, так и отрицательных значений (рис. 6.15, г).

В ряде случаев МУ специального исполнения используют в качестве чувствительных элементов, например в качестве датчиков постоянного тока —трансформаторов для измерения постоянного тока (ТПТ).

Рис. 6.16. Схемы МУ: а – с внешней обратной связью; б – с внутренней

Рис. 6.17. Схема измерительного трансформатора постоянного тока ТПТ

Особенность ТПТ (рис. 6.17) как магнитного усилителя заключается в том, что обмотка управления , роль которой выполняет или ограниченное число витков в цепи постоянного тока, или чаще, всего провод, пропущенный через окна магнитопроводов, воздействует на обмотки переменного тока эти обмотки взаимодействуют с измерительными обмотками . При этом в ток измерительной цени

.

где — измеряемый постоянный ток; — коэффициент магнитной связи между обмотками и .

При ненасыщенной магнитной системе , а следовательно, и . Переменный ток пропорционален измеряемому току , и эта зависимость не изменится под влиянием выпрямительного моста. В качестве нагрузки R2 может быть включен непосредственно измерительный прибор — амперметр или активное сопротивление, падение напряжения на котором и будет выходным сигналом. Устройство работает тем точнее и чувствительность его тем больше, чем выше частота переменного напряжения . Желательно иметь частоту 200—600 Гц, что достаточно сложно получить на э.п.с.

Дата добавления: 2015-07-12