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) Aw произведение 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_р до —Aw_р При 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_р до —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.