Магнитные усилители

Размещено на http://www.allbest.ru/

Магнитные усилители

1. Основные определения

В магнитных усилителях в качестве управляющего устройства используется дроссель (или система дросселей) переменного тока, индуктивность которого может меняться в широких пределах за счет подмагничивания дросселя постоянным током. Следовательно, дросселем насыщения, или дросселем с подмагничиванием, называют ферромагнитный сердечник с двумя обмотками, одна из которых предназначена для питания переменным током одной частоты, а другая - постоянным током, или переменным током, значительно отличающимся от предыдущего. Обмотка более низкой частоты или постоянного тока называется обмоткой подмагничивания или обмоткой управления, а обмотка переменного тока - рабочей обмоткой. магнитный дроссель ток усилитель

Таким образом, в магнитных усилителях используется зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от подмагничивающего поля для перемещения магнитного потока.

В качестве материала для магнитных усилителей применяются обычная электротехническая сталь и специальные холоднокатные стали.

Правильно сконструированные и изготовленные магнитные усилители являются весьма надежными элементами, к достоинствам которых следует отнести высокую прочность при практически неограниченном сроке службы, а также мгновенную готовность к действию. Магнитные усилители нечувствительны к радиоактивным излучениям. Недостатки магнитных усилителей - сравнительно большой вес и значительная инерционность, обусловленная заметным количеством энергии, запасаемой в магнитном поле дросселя.

2. Простейший магнитный усилитель

На рис. 4-1 представлена конструктивная схема простейшего магнитного усилителя. Выходная обмотка щ_вых, являющаяся рабочей, включена последовательно с нагрузкой Z_н к источнику переменного тока напряжением U_n~=const. При изменении величины входного напряжения U_вх будет изменяться подмагничивающее постоянное поле и магнитная проницаемость ферромагнитного сердечника дросселя м, а следовательно, и индуктивность L_др. В результате будет меняться ток выходной цепи I_вых и соответственно падение напряжения на нагрузке U_вых.

Общий характер зависимости выходного тока от входного показан на рис. 4-2,в. Кривая намагничивания ферромагнетиков В=f(Н), если не учитывать петли гистерезиса и нелинейности при слабых полях, имеет вид, приведенный на рис. 4-2,а. С увеличением входного тока магнитная проницаемость материала сердечника

уменьшается, как это показано на рис. 4-2,б. Индуктивное сопротивление дросселя при этом также уменьшается, а выходной ток возрастает (рис.4-2,в).

Уменьшение магнитной проницаемости не зависит от направления подмагничивающего поля и поэтому статическая характеристика симметричная относительно оси ординат.

Если считать сопротивление рабочей обмотки чисто индуктивным, а ток близким к синусоидальному, то выходное напряжение определяется как

.

Таким образом, устройство магнитных усилителей основано на использовании непостоянства магнитной проницаемости ферромагнетика - нелинейности индуктивного сопротивления дросселя. Поэтому, когда после насыщения дросселя магнитная проницаемость уже не меняется, выходной ток, достигнув максимального значения, также не меняется при дальнейшем увеличении подмагничивающего входного тока. Промежуточная область характеристики приблизительно линейна, и для нее отношение выходного тока к входному (коэффициент усиления по току) обратно пропорционально отношению чисел витков.

При I_вх=0 выходной ток минимален (ток холостого хода I_хх), но не равен нулю, так как при этом Х_др??.

Следует отметить, что входное напряжение U_вх полагалось постоянным лишь для простоты рассуждений. В действительности это напряжение может меняться не только по величине, но и по знаку. Необходимо лишь, чтобы частота входного напряжения была существенно (в 5-10 раз) меньше частоты источника питания.

Приведенная простейшая схема магнитного усилителя практически не применяется, так как для ограничения величины переменного тока во входной цепи, который возникает в результате наведения ЭДС в управляющей обмотке щ_вх от переменного тока, протекающего по рабочей обмотке щ_вых, требуется введение значительной индуктивности в цепь управления (рис. 4-1). Но это увеличивает постоянную времени управляющей обмотки, а, следовательно, инерционность усилителя в целом, и увеличивает габариты магнитного усилителя.

Нереверсивные (однотактные) магнитные усилители без обратной связи. Отмеченные выше недостатки значительно ослабляются, если применить схему, изображенную на рис. 4-3. В схеме имеются два магнитно не связанных между собой дросселя, обмотки которых включены встречно. Если входные обмотки намагничивают оба сердечника в одном направлении, то входные - в противоположных направлениях или наоборот (направления потоков для одного из моментов отмечены стрелками). За счет этого в обмотке управления наводится два ЭДС в противофазе, поэтому результирующая ЭДС равна нулю. Практически этого оказывается достаточно, чтобы не применять специальной ограничительной индуктивности.

На рис. 4-3 выходные обмотки соединены между собой последовательно. Возможно и параллельное соединение выходных обмоток, но в системах автоматического регулирования такое соединение не применяется, так как параллельно соединенные обмотки образуют по отношению к входной обмотке короткозамкнутый контур, что вызывает замедление изменений магнитного потока, а следовательно, увеличение инерционности усилителя.

Существенный конструктивный недостаток рассмотренной схемы заключается в том, что наводимые в обмотках управления ЭДС, хотя и не оказывают влияния на входную цепь благодаря взаимной компенсации, но создают большие разности потенциалов и поэтому требуют значительного усиления изоляции входных обмоток.

3. Идеальные магнитные усилители

Идеальными магнитными усилителями обычно называют усилители с высококачественными (идеальными) ферромагнетиками, которые имеют идеальные кривые намагничивания (приближающиеся к виду кривых на рис. 4-4) и отсутствует рассеивание магнитного потока.

Нетрудно заметить (рис.4-4), что у идеального ферромагнетика при |B|<|B_s| и Н=0 магнитная проницаемость м==?, а при |B|=|B_s| она падает до нуля, что и обуславливает ряд особенностей в работе идеальных усилителей.

Для нереверсивного усилителя характерны два режима работы: режим свободного намагничивания и режим вынужденного намагничивания. Если сопротивлением током четных гармоник всей цепи магнитного усилителя, где они могут возникнуть, бесконечно велики и, следовательно, четных гармоник напряжений нет, то это режим вынужденного намагничивания. Процесс работы магнитного усилителя для режима свободного намагничивания можно пояснить, используя графики, приведенные на рис.4-5. Режим свободного намагничивания - это режим, при котором сопротивление током четных гармоник всех цепей магнитного усилителя, где они могут протекать равны нулю и, следовательно, напряженности четных гармоник при прочих равных условиях максимальны. Ввиду приведенного выше определения можно записать для четных гармоник следующее выражение:

, (4-1)

где U_m - амплитуда синусоиды питающего напряжения.

Если ток управления I_вх равен нулю и амплитуда косинусоиды B_m<B_s, то ток через нагрузку также равен нулю. В соответствии с идеальной кривой намагничивания магнитная проницаемость м=?. В этом случае рабочую цепь можно рассматривать, как двух плечевой делитель напряжения с одинаковыми и равными бесконечности индуктивными сопротивлениями обмоток , поэтому из выражения можно получить для индукции:

,

где щ - частота питающего напряжения; S - площадь поперечного сечения сердечника; С - постоянная интегрирования.

При входном токе I_вх равном нулю постоянная интегрирования С также равна нулю

,

Условие Z_вх>0 означает, что ЭДС, наводимая во входной обмотке, должна быть близка к нулю:

, (4-2)

откуда или В_л=В_п+С. Следовательно, индукции обоих сердечников изменяются по одинаковым кривым, отличаясь лишь постоянными составляющими: В_л+В₀=В_п-В₀, то есть в случае, когда управляющий ток I_вх отличен от нуля и вследствие встречного включения обмоток, постоянная интегрирования равна С=2В₀.

Предположим, что входной сигнал отсутствует (U_вх=0). Тогда под действием переменного напряжения источника питания цепи нагрузки материал сердечника будет перемагничиваться, причем можно так подобрать параметры усилителя (щ_вых, U_п~,S и др.), что ни в один из моментов времени индукция в сердечнике не будет достигать индукции насыщения, т.е. |B|<|B_s| (пунктирная кривая на рис. 4-5,б).

В первоначальный момент времени при появлении тока управления за счет положительной составляющей индукции одного дросселя и постоянной индукции в другом дросселе: В_л0>В_m и В_п0=-В_s<B_m (рис. 4-5,б). По закону косинуса магнитная индукция начинает возрастать и значения индукции определяется как

В_л=В_л0+ДВ; (4-3)

В_п=В_п0+ДВ,

ДВ=В_m(1-cos(щt)).

При наличии входного сигнала U_вх в зависимости от его полярности в одном из сердечников (допустим левом) постоянная и переменная составляющие индукции в течение одного полупериода складываются, а в другом вычитаются. Тогда согласно выражениям (4-3) обе индукции возрастают до некоторого момента времени (ц_нас= щt_нас), а в этот момент времени индукция в левом сердечнике достигнет индукции насыщения и, следовательно, .

После момента времени ц_нас дроссель насыщается и рабочий ток возрастает скачком. Вследствие этого можно записать следующие выражения:

; (4-4)

. (4-5)

Вследствие этого второй (правый) ненасыщенный сердечник будет попадать в режим, близкий к режиму короткого замыкания. Его входная обмотка, которая является вторичной обмоткой, окажется замкнутой накоротко. Поэтому с момента насыщения первого сердечника (левого) индукция во втором сердечнике (правом) изменяться не будет , т.е. ЭДС в обмотках не будет наводиться, и напряжение источника питания будет уравновешиваться падением напряжения на нагрузке.

В следующий полупериод будет осуществляться насыщение правого сердечника, а ненасыщенный левый сердечник окажется в режиме, близком к режиму короткого замыкания.

Чем больше величина входного сигнала, тем больше длительность импульса тока в выходной цепи (см. рис. 4-5).

Основным законом магнитных усилителей является закон магнитодвижущих сил, который говорит о том, что в любом из полупериодов один из дросселей не насыщен, поэтому суммарная напряженность равна нулю в ненасыщенном дросселе в соответствии с идеальной кривой намагничивания. Для ненасыщенного правого сердечника (|B|<|B_s|, Н=0) суммарная н. с. равна нулю, т.е.

?H_пl=i_выхщ_вых-i_вхщ_вх=0

где l - длина проводников, откуда можно получить уравнение статической характеристики идеального магнитного усилителя:

, (4-6)

Для второго сердечника:

?H_лl=-i_выхщ_вых-i_вхщ_вх=0 и, следовательно

. (4-7)

Учитывая выражения (4-6) и (4-7) можно записать следующее

, (4-8)

что и является записью закона равенства МДС. Но выражение (4-8) является верным при условии, что длины проводников рабочей обмотки и обмотки управления равны l_вх=l_вых.

Как следует из рис.4-5, у идеального магнитного усилителя напряжение источника питания в одни моменты оказывается полностью приложенным к дросселям, а в другие - к нагрузке.

Если мгновенные значения входного тока и выходного тока отличаются в постоянное число раз, то будет справедливо выражение

I_выхщ_вых=I_~срщ_вых=I_нщ_вых= I_вхщ_вх

где I_~ср - среднее значение тока питающего источника (за полупериод).

Следовательно, магнитный усилитель можно рассматривать как управляемый источник тока до тех пор, пока справедлив закон равенства МДС, т.е. на линейном участке 1 характеристики рис.4-6, а.

Рабочий ток I_вых не зависит от выходного напряжения U_вых, сопротивления нагрузки R_н и частоты питающего напряжения f, а зависит только от тока управления I_вх.

4. Коэффициенты усиления магнитных усилителей

Коэффициент усиления оценивает соотношение выходной величины к входной. Поэтому с учетом закона равенства МДС можно записать следующие коэффициенты усиления:

- коэффициент усиления по току;

- коэффициент усиления по напряжению (передаточный коэффициент);

- коэффициент усиления по мощности.

Исходя из вышеприведенных выражений можно сделать вывод, что увеличение числа витков обмотки управления по сравнению с числом витков рабочей обмотки приводит к увеличении коэффициентов усиления , и .

5. Постоянная времени и добротность магнитных усилителей

Любому магнитному усилителю присуще свойство, называемое инерционностью (запаздыванием, временем реагирования). Это свойство выражается в том, что выходной параметр усилителя отстает в своих изменениях от изменения входного параметра. Как известно, при изменении входной величины возникает переходный процесс, обусловленный инерционностью элемента, т.е. наличием в нем таких составных частей, которые запасают энергию. Инерционность магнитного усилителя в этом случае вызывается индуктивностью цепи управления и определяется постоянной времени

.

Как известно, постоянная времени отображает длительность переходных процессов и измеряется временем, за которое после ступенчатого изменения входного напряжения выходное напряжение достигает 63,2% своего полного изменения. Тогда постоянная времени магнитного усилителя определяется выражением (4-9).

. (4-9)

С учетом соотношения

правый сомножитель в выражении постоянной времени может быть выражен через коэффициент усиления по мощности . Тогда выражение постоянной времени примет вид

,

т.е. постоянная времени магнитного усилителя прямо пропорциональна его коэффициенту усиления по мощности и обратно пропорциональна частоте источника питания.

Также важным параметром магнитного усилителя является его добротность, определяющаяся выражением

Чем больше величина добротности, тем лучше характеристики магнитного усилителя.

6. Характеристики реальных магнитных усилителей

Характеристики реальных магнитных усилителей с сердечниками из высококачественных магнитомягких материалов с прямоугольной кривой намагничивания от характеристик идеальных магнитных усилителей отличаются незначительно.

Основное отличие заложено в характеристике управления (рис.4-7). Данная характеристика управления отличается от характеристики идеального магнитного усилителя тем, что присутствует ток холостого хода I_хх при нулевом входном токе. Кроме того, переход от линейного участка к горизонтальному происходит плавно.

Реальный магнитный усилитель характеризуется коэффициентом кратности

,

и чем больше величина коэффициента К_кр, тем выше качество магнитного усилителя. С уменьшением рабочего напряжения U_н и увеличением сопротивления нагрузки R_н коэффициент кратности уменьшается, что приводит к ухудшению линейной характеристики управления.

Коэффициент усиления по току для реального магнитного усилителя:

.

Можно получить и остальные коэффициенты:

- коэффициент усиления по напряжению;

- коэффициент усиления по мощности.

7. Магнитные усилители с обратной связью

Более сложные нереверсивные схемы - это схемы элементов с обратной связью ОС, в которых часть выходной энергии подается во входную цепь управляющего устройства, т.е. на входе в этом случае имеется два сигнала - основной входной и сигнал обратной связи. Благодаря ОС можно различным образом менять свойства элементов автоматики, что обуславливает широкое ее применение.

Так в магнитных усилителях для получения более высокого коэффициента усиления по мощности (порядка 10⁴ и более) используется положительная ОС.

Распространенный вариант схемы магнитного усилителя с ОС приведен на рис. 4-8. Выходной ток выпрямляется с помощью мостиковой схемы и подается на специальную обмотку обратной связи щ_ос, которую размещают там же, где и входную обмотку щ_вх. Обмотка обратной связи наматывается таким образом, чтобы напряженности обмотки управления и рабочей обмотки складывались. Поэтому часть выходного сигнала I_вых подается на вход и действует совместно с током управления I_вх и осуществляет внешнюю обратную связь.

Направление тока в обмотке обратной связи определяется только схемой выпрямителя и при изменении знака входного тока остается неизменным. Поэтому обратная связь оказывается положительной только при одном направлении входного тока, когда потоки входной обмотки и обмотки обратной связи складываются. При другом направлении входного управляющего тока потоки вычитаются (обратная связь становится отрицательной) и коэффициент усиления не возрастает, а уменьшается. Следовательно, если напряженности обратной связи действуют с обмоткой управления - связь положительная, если действуют встречно - отрицательная.

Так как выходной ток после выпрямления поступает не во входную обмотку, а в обмотку обратной связи (см. рис. 4-8), имеющую другое число витков, то

, (4-10)

где - число витков обмотки обратной связи;

- число витков входной обмотки (обмотки управления);

- коэффициент выпрямления, зависящий от типа выпрямителя, формы тока и пр. (для схемы на рис. 4-8 в первом приближении можно полагать =0,9);

- ток в обмотке обратной связи (выпрямленный выходной ток =).

Исходя из приведенного выше выражения можно заметить, что коэффициент обратной связи регулируется путем изменения числа витков в обмотке обратной связи.

В случае внутренней обратной связи (усилители с самонасыщением), один из возможных вариантов которых представлен на рис. 4-9, обратная связь достигается путем включения выпрямителей (диодов) в рабочую обмотку таким образом, чтобы одна обмотка выпрямляла ток в один полупериод, вторая - в другой полупериод. В схеме отсутствует обмотка обратной связи и потери в меди несколько меньше, чем в случае внешней обратной связи.

Очень существенно, что усилители с внутренней обратной связью в принципе могут управляться переменным напряжением той же частоты, что и частота источника питания. Это объясняется тем, что напряжение прикладывается к каждому из дросселей только в один полупериод, соответствующий проводящему направлению его выпрямителя (рабочий полупериод). В следующий полупериод диод фактически отключает “свой” дроссель, и в течение этого полупериода в сердечнике устанавливается поток, определяемый интенсивностью входного сигнала (управляющий полупериод). Этот поток и определяет среднюю величину выходного тока в последующий полупериод. При этом значение выходного тока в каждый из рабочих полупериодов будет зависеть не только от величины входного сигнала в предшествующий управляющий полупериод, но и от сдвига фазы входного сигнала относительно питающего напряжения.

Можно сделать вывод о том, что введение положительной обратной связи позволяет управлять значением тока рабочей обмотки малыми значениями тока управления и, кроме того, позволяет уменьшить инерционность магнитных усилителей.

Размещено на Allbest.ru