Магнитные усилители, Их назначение и классификация. Магнитные усилители, их назначение и классификация

• Название: Магнитные усилители, их назначение и классификация
• Анкор: Магнитные усилители, Их назначение и классификация.doc
• Дата: 26.12.2017
• Размер: 208.5 Kb.
• Имя файла: Магнитные усилители, Их назначение и классификация.doc
• Тип: Документы; #13060
• Категория: Электротехника. Связь. Автоматика

МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ, ИХ НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Измерительные устройства систем автоматического регулирования обычно вырабатывают маломощные сигналы управления, которые непосредственно не могут привести в действие исполнительные механизмы. Ма­лая мощность сигналов объясняется стремлением уменьшить влияние нагрузки на точность измерений, а также конструктивными особенностями и физичес­кой природой измерительных устройств.

Чтобы получить мощность, необходимую для рабо­ты исполнительных устройств, применяют магнитные усилители. Они практически нечувствительны к вибрациям и механическим воздействиям, позволяют полу­чить на выходе значительные токи, просты в эксплу­атации, сравнительно недороги и очень надежны.

В зависимости от характера физических процес­сов, определяющих принцип работы магнитного уси­лителя, различают дроссельные и трансформаторные магнитные усилители.

В дроссельных усилителях рабочая обмотка (об­мотка переменного тока) выполняет функцию дрос­сельной «заслонки», ограничивающей ток в нагрузке, включенной (обычно последовательно) в цепь рабочей обмотки.

В трансформаторных усилителях цепь нагрузки электрически не связана с цепью питания. Передача энергии из цепи питания в цепь нагрузки осущест­вляется за счет магнитной связи между ними. При этом, воздействуя на общий магнитный поток, сцеплен­ный с витками обмоток цепей питания и нагрузки, можно менять мощность, передаваемую в цепь на­грузки.

Как дроссельные, так и трансформаторные усили­тели могут быть собраны по однотактной или двух­тактной схеме. В однотактных магнитных усилителях фаза тока в нагрузке не зависит от полярности вход­ного сигнала. В двухтактных магнитных усилителях фаза тока в нагрузке меняется на 180° при измене­нии полярности тока в обмотке управления.

В зависимости от типа обратной связи различают магнитные усилители с внешней обратной связью, у ко­торых выпрямленный рабочий ток проходит по спе­циальной обмотке обратной связи, и магнитные усили­тели с внутренней обратной связью, у которых постоян­ная составляющая рабочего тока проходит по той же рабочей обмотке (дополнительная обмотка отсут­ствует).

Двухтактный магнитный усилитель может быть собран по дифференциальной схеме с подмагничиванием и с обратной связью, а также по мостовой схеме.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДРОССЕЛЬНОГО МАГНИТНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Ферромагнитный материал, из которого изготов­ляются магнитопроводы магнитных усилителей, можно представить состоящим из отдельных малых областей (доменов), самопроизвольно намагничивающихся в различных направлениях.

При наложении на магнитопровод магнитного поля обмотки эти намагниченные области («магнитики») ориентируются преимущественно вдоль силовых линий внешнего поля, в результате чего общий магнитный поток резко возрастает. При изменении полярности тока в обмотке «магнитики» поворачиваются и направление общего магнитного потока в магнитопроводе изменяется на обратное.

Будем называть магнитодвижущей силой (МДС) Awпроизведение тока в обмотке на число ее витков. Эта величина пропорциональна току, так как число витков обмотки обычно постоянно.

На рис. 10.15 изображена полученная опытным путем зависимость магнитного потока в магнитопроводе от количества ампер-витков его обмоток. Это усредненная кривая, характерная для магнитомягких материалов.
На рис. 10.16 изображен магнитопровод, на кото­рый намотаны две обмотки: рабочая w_р, питаемая синусоидальным напряжением, и управляющая w_у к которой подводится усиливаемое напряжение.

Предположим, что управляющая обмотка обесточе­на, а МДС рабочей обмотки изменяются по синусои­дальному закону от +Aw_рдо —Aw_рПри этом маг­нитный поток в магнитопроводе изменяется на ДФ (см. рис. 10.15).


Предположим, что через управляющую обмотку проходит ток и ее МДС равна некоторому значению Aw_y. МДС рабочей обмотки изменяется в прежних пределах от +Aw_рдо —Aw_p. При этом магнитный поток в магнитопроводе изменяется на Ф'. Из рис. 10.15 видно, что Ф' значительно меньше Ф.

Таким образом, в первом случае скорость изменения магнитного потока будет большой, во втором — незначительной. ЭДС самоиндукции рабочей обмотки, пропорциональная скорости изменения магнитного потока (закон электромагнитной индукции), в первом случае будет значительно больше, чем во втором. Эта ЭДС направлена навстречу приложенному напряжению и ограничивает ток в цепи. При постоянном действую­щем значении синусоидального напряжения питания в первом случае ток в рабочей обмотке будет меньше, чем во втором.

Изменяя магнитное состояние магнитопровода, можно менять ток в рабочей обмотке, а следовательно, и в нагрузке Zн, которая включена последовательно

С wp.

Пока магнитопровод не на­сыщен, основная часть на­пряжения питания тратится на преодоление ЭДС самоин­дукции рабочей обмотки, па­дение напряжения на нагрузке невелико, ток в нагрузке мал. Когда магнитопровод пере­ходит в насыщенное состояние, ЭДС самоиндукции рабочей обмотки практически исчезает и все напряжение питания ока­зывается приложенным к на­грузке. Ток в нагрузке воз­растает.

На рис. 10.17 изображена зависимость тока в нагрузке (рабочего тока) I_Р от тока в обмотке управления I_у. Из ри­сунка видно, что с увеличением тока управления I_у, т. е. по мере насыщения магнитопровода и уменьшения ЭДС самоиндук­ции рабочей обмотки, увели­чивается ток в нагрузке I_р. При этом небольшие изменения тока I_у вызывают значительные из­менения рабочего тока. Сле­довательно, устройство рабо­тает как усилитель.

Следует отметить, что в дей­ствительности картина физи­ческих процессов несколько сложнее. В современных магнитных усилителях применяются магнитопроводы с прямоугольной кривой намагничивания. Они либо сразу размагничиваются, либо полностью насыщаются. Поэтому перераспределение напряжения питания между рабочей обмоткой и нагрузкой происходит в течение каждого периода. Например, в течение четверти каждого периода напряжение питания приложено к нагрузке, а в течение ³/⁴ периода гасится на рабочей обмотке (рис. 10.18).

Изменяя ток управления в обмотке w_у, это распре деление можно изменить увеличив или уменьшив часть периода, в течение которой напряжение приложено к нагрузке, а следовательно, увеличив или уменьшив (в среднем) ток в нагрузке.

Дроссельный магнитный усилитель сравнительно прост как по устройству, так и по принципу работы, однако его применение в системах автоматического регулирования ограничено, так как ему присущ ряд недостатков. Прежде всего отметим существенную не линейность зависимости тока в нагрузке от тока управления (см. рис. 10.17). Так, при токе управления I_у = 0 ток нагрузке Этот нулевой ток I₀ увеличивает погрешность регулирования и потери мощности. Другой недостаток дроссельного усилителя — сравнительно низкий коэффициент усиления. Кроме того, во многих случаях существенно и то, что дроссельный усилитель не реагирует на полярность сигнала управления. Эти недостатки устранены в более сложных схемах магнитных усилителей.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОГО

МАГНИТНОГО усилителя

Схема трансформаторного магнитного усилителя изображена на рис. 10.19. Синусоидальное напряже­ние питания подводится к обмотке w₁, а нагрузка Z„ вклинена в цепь специальной обмотки w₂.

Пока сердечник не насыщен, синусоидальный ток, проходящий по обмотке w₁, вызывает значительные изменения магнитного потока в магнитопроводе. Переменный магнитный поток, пронизывая витки об мотки W2, наводит в этой обмотке ЭДС, которая ис пользуется для питания нагрузки Z_н. Чем больше скорость изменения магнитного потока, тем больше на веденная ЭДС и ток в нагрузке.

Когда происходит насыщение магнитопровода, скорость изменения магнитного потока резко уменьшается (см. § 10.6), ЭДС, индуцируемая во вторичной обмотке w₂, становится небольшой, соответственно уменьшается и ток в нагрузке.

Рабочая характеристика трансформаторного магнитного усилителя (зависимость рабочего тока от тока управления) изображена на рис. 10.20. Видно, что с увеличением тока управления I_у ток в нагрузке I_Р уменьшается.

Нетрудно заметить, что рабочие характеристики дроссельного и трансформаторного усилителей явля­ются как бы зеркальным отображением друг друга. Это объясняется тем, что ЭДС, индуцируемая в цепи нагрузки, в одном случае играет роль «заслонки», в другом — источника питания нагрузки.




ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ МАГНИТНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Для характеристики усилительных свойств вводят коэффициенты усиления по току k_Iпо напряжению k_Utпо мощности k_P. Коэффициентом усиления магнитного усилителя по току называют отношение изменения действующего значения рабочего тока к соответствующему изменению тока управления (полагаем Iн = I_Р):

k_I = I_Р/I_у.

Аналогично,

k_u = U_P/_y; k_P = P_p/P_y,

где U_p— напряжение на нагрузке; U_y— управляющее напряжение; Р_р — мощность, выделяемая в на грузке; Р_у — мощность, потребляемая цепью управления.

Для магнитных усилителей справедливо (с достаточной степенью точности) следующее равенство:

Iрwр = I_уw_у.

С учетом этого равенства выражение для коэффициента усиления по току можно представить в виде

k_I=w_y/wp.

Коэффициент усиления по току магнитных усилителей, собранных по схемам, изображенным ранее, составляет несколько десятков единиц.

Приведенные формулы показывают, что коэффициенты усиления магнитного усилителя теоретически не зависят, а практически очень мало зависят от колебаний напряжения, частоты источника питания и изменений сопротивления нагрузки.

Такая стабильность характеристик позволяет использовать в магнитном усилителе глубокую положительную обратную связь. Обратной связью называют подачу сигнала с выхода усилителя на его вход. В магнитных усилителях наибольшее распространение получила обратная связь по току (рис. 10.21).

Обмотка обратной связи w_0C намотана на том же стержне, что и обмотка управления. Если магнитный поток обмотки обрат ной связи усиливает магнитный поток обмотки управления, то обратная связь называется положительной, в противном случае — отрицательной. Изменить характер обратной связи можно поменяв полярность управляющего напряжения.

При наличии положительной обратной связи урав­нение магнитного усилителя принимает вид

Ipw_p = IyWy+Ipw_oc

Отношение k_oc = w_oc/w_pназывают коэффициен­том обратной связи. При этом



Коэффициент усиления по току усилителя с обрат­ной связью

k_ocI = /р//у =k₁(1— k_oc).

Если k_oc1, т. е. число витков обмотки обратной связи приближается к числу витков рабочей обмотки, то коэффициент усиления усилителя с обратной связью увеличивается и стремится к бесконечности. Это значит, что бесконечно малым изменениям тока управления соответствуют конечные (скачкообразные) изменения рабочего тока.
Обычно , так как при слишком большом коэффициенте усиления нарушается стабильность параметров усилителя. Кроме того, положительная обратная связь увеличивает рабочий ток при отсут­ствии тока в управляющей обмотке /о в 1/(1 — k_ос) paз,



Уже отмечалось, что при изменении полярности управляющего сигнала положительная обратная связь становится отрицательной. Вследствие этого харак­теристика усилителя с обратной связью приобретает несимметричную форму. Действительно, при отрица­тельной обратной связи уравнение магнитного уси­лителя и выражение для коэффициента усиления по току записываются в следующем виде:



Из рис. 10.22 видно, что коэффициент усиления по току можно представить как тангенс угла наклона линейного участка к оси абсцисс. При этом



Поскольку из последних выражений следует, что tga > tgb, то ясно, что правая ветвь характеристики магнитного усилителя идет круче, чем левая, как это и изображено на рисунке.

Отличительная особенность схемы магнитного усилителя с внешней обратной связью — наличие спе­циальной обмотки обратной связи w_ос. В технике находят широкое применение усилители с внутренней положительной обратной связью, которые иногда называют усилителями с самонасыщением (рис. 10.23). Здесь функцию обмотки обратной связи выполняет сама рабочая обмотка, в которой с помощью выпря­мительных диодов создается постоянная составляю­щая рабочего тока, магнитный поток которой совпа­дает по направлению с магнитным потоком управле­ния и «помогает» ему изменять состояние магнитопровода.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ОБМОТКАМИ СМЕЩЕНИЯ

Чтобы сделать магнитный усилитель чувствитель­ным к полярности тока управления, вводят обмотку смещения w_см, с помощью которой создают постоян­ное начальное подмагничивание магнитопровода (рис. 10.24). К МДС управления добавляется постоян­ная величина — МДС смещения, при этом характе­ристика магнитного усилителя сдвигается влево. Рабочая характеристика усилителя с обмоткой смещения дана на рис. 10.25. Смещение можно менять с помощью резистора R_cм..

Если смещения нет, то при любой полярности тока управления магнитопровод намагничивается. При на­личии тока в обмотке смещения магнитопровод изна­чально уже подмагничен, а ток управления в зави­симости от полярности либо увеличивает, либо умень­шает намагниченность магнитопровода. Таким обра­зом, при положительной полярности тока управления ток в рабочей обмотке увеличивается, а при отрица­тельной полярности уменьшается (в пределах линей­ного участка характеристики).



Обмотка смещения используется также для началь­ного симметрирования сложных схем, включающих два (или более) магнитных усилителя. В этом случае регулировочный резистор R_CMвыводится на щит управ­ления автоматической системой.

Для устранения отмеченных ранее недостатков магнитные усилители собирают по различным двух­тактным схемам. Наиболее простой из усилителей — дифференциальный магнитный усилитель с обмотками смещения (рис. 10.26). Этот усилитель собран из двух трансформаторных усилителей, но можно использовать и два дроссельных магнитных усилителя.

Рас­смотрим его работу.

В цепи нагрузки действуют две ЭДС, индуцируе­мые в обмотках W₂- Эти ЭДС направлены навстречу друг другу. Если управляющий сигнал отсутствует (U_y = 0), то магнитное состояние магнитопроводов W₂, полностью компенсируют друг друга. Результи­рующая ЭДС Е = Е₁ — E₂=0, ток в нагрузке отсут­ствует.

Если к управляющим обмоткам пoдведено поло­жительное напряжение, то левый магнитопровод раз­магничивается, а правый переходит в более насыщен­ное состояние, ЭДС Е₁увеличивается, а ЭДС E_2. уменьшается, результирующая ЭДС Е совпадает по фазе с Е₁.

Если к управляющим обмоткам подвести отрицательное напряжение, то левый магнитопровод подмагничивается еще больше, правый раз­магничивается; ЭДС Е₂> Е₁и результирующая ЭДС Е совпадает по фазе с E₂. Ток в нагрузке Z„ про­порционален результирующей ЭДС E. Зависимость тока I_н в нагрузке от тока управления I_у изображена на рис. 10.27.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Схема (рис. 10. 28) состоит из двух одинаковых магнитных усилителей, каждый из которых снабжен обмоткой обратной связи, питаемой выпрямленным рабочим током. Управляющие обмотки намотаны так, что в одном усилителе обратная связь положительна, в другом — отрицательна. Регулировочные резисторы R_р обеспечивают начальную регулировку коэффи­циентов обратной связи. Схема собрана так, что в резисторе нагрузки Z_H рабочие токи левого и правого однотактных усилителей направлены встречно.



На рис. 10.29 изображены нагрузочные характери­стики левого I₁(I_у) и правого I₂(I_у) усилителей. Ток в нагрузке I_н рассматривается как алгебраическая сумма направленных встречно токов I₁ и I₂. (Нагру­зочные характеристики усилителей с обратной связью были рассмотрены в § 10.8.)

При положительной полярности тока управления с увеличением I_у ток I₁ резко возрастает (положи­тельная обратная связь), ток I₂ почти не изменяется (отрицательная обратная связь). Результирующий ток I_н = I₁+I₂ возрастает, совпадая по фазе с током I₁.

При отрицательной поляр­ности тока управления I_у характерp обратной связи меняется (положительная обратная

связь становится отрицатель­ной, и, наоборот, отрицательная—положительной). При этом ток I_н близок по значению к току I₂и совпадает с ним по фазе.

Так как токи I₁ и I₂сдви­нуты по фазе на 180° относи­тельно друг друга, то результи­рующий ток в нагрузке I_н меня­ет фазу на 180° при изменении полярности тока управления.

Из рис. 10.29 видно, что ха­рактеристика результирующего тока в нагрузкеI_н(Iу) проходит через начало координат и линейна в широком диапазоне изменений I_у.

Коэффициент усиления по току рассмотренной диф­ференциальной схемы примерно равен коэффициенту усиления однотактных усилителей, составляющих схе­му, и достигает значений 10⁴— 10⁵ ввиду наличия поло­жительной обратной связи.


МАГНИТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, СОБРАННЫЙ ПО МОСТОВОЙ СХЕМЕ

Магнитный усилитель, собранный по мостовой схе­ме, изображен на рис. 10.30. Чтобы понять его работу, следует иметь в виду, что рабочие обмотки w₁, w ₂, w₃, w₄ соединены по мостовой схеме (рис. 10.31). В этом нетрудно убедиться, рассмотрев, какие элементы включены между точками а, b, с, dна рис. 10.30 и 10.31.

При отсутствии управляющего сигнала магнитное состояние магнитопроводов одинаково, сопротивления всех четырех рабочих обмоток одинаковы, мост урав­новешен.

При положительной полярности управляющего напряжения левый магнитопровод размагничивается, правый — насыщается. При этом сопротивление об­моток w₁ и w₂ растет (вследствие увеличения ЭДС самоиндукции), а сопротивление обмоток w₃ и w₄ уменьшается.

Балансировка моста нарушается, и через нагрузку Zн проходит рабочий ток, который тем больше, чем больше различаются магнитные состояния левого и правого магнитопроводов, зависящие от управляюще­го тока.




При изменении полярности управляющего напря­жения происходит насыщение левого и размагничивание правого магнитопроводов. Сопротивление об­моток w₃, w₄станет больше, чем сопротивление обмоток w₁, w₂. Фаза рабочего тока изменится на 180°, а его значение будет увеличиваться по мере роста управ­ляющего напряжения (тока).

Поскольку разбалансировка моста происходит вследствие согласованного изменения сопротивлений всех четырех плеч, коэффициент усиления усилителя, собранного по мостовой схеме, в четыре раза больше, чем дроссельного.

Рабочая характеристика магнитного усилителя, собранного по мостовой схеме, проходит через нача­ло координат и линейна в широком диапазоне изме­нений сигнала управления (рис. 10.32). Питание любого магнитного усилителя осуществ­ляется переменным током. Что касается нагрузки, то ею могут быть и потребители постоянного тока, вклю­чаемые через выпрямители. Последние обычно соби­раются на кристаллических диодах.