5. Определение, назначение, принцип работы и устройство му.

Принцип действия. Магнитный усилитель (МУ) — это электрический аппарат, в котором для усиления сигнала используется управляемое индуктивное сопро­тивление. Схема простейшего дроссельного МУ представлена на рис.1.

Замкнутый магнитопровод имеет две обмотки — рабочую обмотку (переменно­го тока), включенную в цепь нагрузкиR_Н и обмот­ку управления, на которую подается управляю­щий токI_y. Кривая намагничивания материала сердеч­ника дана на рис.2. При прохождении переменного тока по обмоткена обмоткеРис.1. Схема МУ на одном сердечнике. будет наводиться э.д.с. Эта э.д.с. будет создавать переменный ток в цепи управления. Для ограничения этого тока в цепи управления включается балластный дроссельХ_б.

Рассмотрим вначале соотношения в дросселе при отсутствии тока управления (цепь управления разомкнута). Индуктивное сопротивление обмоткиравно:

где S-активное сечение магнитопровода; - число витков рабочей обмотки; l-длина средней магнитной линии магнитопровода.

При неизменных конструктивных параметрах S, и l индуктивность определяется магнитной проницае­мостью. Если ток управления отсутствует, то сердеч­ник работает в ненасыщенной зоне 1 (рис.2). В этой зоне магнитная проницаемость велика и индуктивное сопротивление дросселя

велико. Сопротивление нагрузки R_H обычно очень мало по сравнению с Х_P1, поэтому ток в рабочей обмотке оп­ределяется только индуктивным сопротивлением дрос­селя и мал по величине.

Подадим в обмотку управления такой постоянный ток управления I_у, чтобы перенести рабочую зону пол­ностью в область 2. В этой области из-за насыщения ма­териал имеет малую магнитную проницаемость . Индуктивное сопротивление рабочей обмотки дросселя резко уменьшается, что ведет к уменьшению полного сопротивления цепи и возрастанию тока в на­грузке. ВеличиныX_P2 и R_H выбираются таким образом, чтобы . Тогда ток в цепи определяется сопротив­лением самой нагрузки. При этом все напряжение ис­точника питания приложено к сопротивлению нагрузки. Мы рассмотрели два крайних режима усилителя — режим холостого хода, когда I_у=0 и ток в нагрузке име­ет минимальное значение I_но, и режим максимальной отдачи, когда ток в нагрузке достигает наибольшего значения.

При плавном увеличении тока управления I_у ток в нагрузке плавно увеличивается от I_но до максимального значения I_н.макс за счет уменьшения магнитной проницаемости .

Характеристика управления МУ приведена на рис.3. По оси абсцисс отложен ток управления, при­веденный к рабочей обмотке . В линейной зоне характеристики соблю­дается равенство средних значений м.д.с. обмоток: или.

Вследствие низких значений коэффициентов усиле­ния, большой массы дроссельные МУ в настоящее вре­мя применяются редко, в основном как измерительные трансформаторы постоянного тока и напряжения. В первом случае измеряемый токI=I_у пропускается по шине, которая является одновитковой обмоткой управле­ния. Магнитоэлектрический амперметр через выпрямительный мост включен в цепь рабочей обмотки и измеряет ток I_р пропорциональный постоянному току:

Рис.3. Характеристика управления.

Характеристики МУ, коэффициенты усиления МУС .

Статические параметры.

Крутизна характеристики управления. Для МУС характерной является зависимость выходного напряжения U_p только от :

.

Напряжение на нагрузке U_н равно:

.

Изменение индукции определяется током управ­ленияI_y. Выходное напряжение U_p не зависит от сопротивления рабочей цепи, и при данном токе управления МУС является источником напряжения. Если сопротивление R_Н>>R_B+r_P, то напряжение на на­грузке U_н мало зависит от ее сопротивления.

Характеристикой управления МУС называется зави­симость выходного напряжения от тока управления U_р=(I_y) или зависимость напряжения на нагрузке от тока управления U_н=(I_y).

Крутизна характеристики управления k_R:

.

В результате преобразований получим:

Производная характеризует наклон кри­вой размагничивания и условно может определяться эк­вивалентной магнитной проницаемостью размагничива­ния

.

Введем понятие индуктивного сопротивления размаг­ничивания:

.

Тогда получим:

.

Таким образом, крутизна характеристики управления пропорциональна индуктивному сопротивлению размагничивания Х_р и отношению чисел витков обмоток управления и рабочей обмотки.

Коэффициенты усиления МУС.

Коэффициент усиления тока:

.

Коэффициент усиления напряжения:

.

Коэффициент усиления мощности:

.

Динамические параметры.

Запаздывание в МУС. Простейший однополупериодный МУС с большим сопротивлением цепи управления R_y имеет малую посто­янную времени, так как последняя обратно пропорциональна R_y. Однако даже если постоянная времени очень мала, МУС име­ет запаздывание.

Пусть напряжению управления U_у1 соответствует напряжение на нагрузке U_н1 , а при увеличении напряжения управления до U_у2 на нагрузке должно установиться напряжение U_н2. Значение напря­жения на нагрузке определяется значением В_у в начале рабочего полупериода (РП). В течение РП МУС неуправляем. Поэто­му если мы подадим новое значение напряжения управления в на­чале РП (рис.4,а), то новое значениеВ_у2, соответствующее но­вой величине U_y2, установится только во втором полупериоде. В тре­тьем полупериоде установится новое напряжение на нагрузке U_н2 , соответствующее U_у2 .

Если напряжение U_у2 появится в начале полупериода управле­ния (ПУ), рис.4,б, то новое значение напряжения на нагрузке установится во втором полупериоде. Таким образом, даже в идеаль­ном случае, когда R_y равно бесконечности, МУС имеет запаздывание, которое может достигать 1—1,5 периода частоты питания. В двухполупериодном МУС запаздывание уменьшается до 0,5—1 периода. Такие усилители называются быстродействующими.

Рис.4. Запаздывание в МУС. а) – напряжение управления изменилось в начале РП;

б) – напряжение управления изменилось в начале ПУ.

Магнитный усилитель с самоподмагничиванием (МУС).

Процессы в усилителе с самонасыщением. Если в цепь рабочей обмотки включить вентиль, то под дейст­вием постоянной составляющей выпрямленного тока происходит подмагничивание сердечника. Такие усили­тели называются усилителями с самоподмагничиванием или с самонасыщением (МУС).

При рассмотрении про­цессов в таком усилителе (рис.5) мы считаем, что обратное сопротивление вен­тиля равно бесконечности. Прямое сопротивление учи­тывается сопротивлением R_В. В цепи управления вклю­чено балластное сопротивле­ние Х_б, которое препятствует возникновению переменного тока в этой цепи. Направление напряжения источ­ника, при котором вентиль проводит ток, примем за по­ложительное, полупериод, при котором ток проходит че­рез нагрузку, назовем рабочим.

Петля гистерезиса материала, применяемого для усилителей, изображена на рис.6, а. На рис.6,б да­ны зависимости от времени индукции В, напряжения питания e, выходного напряжения и=е—u_Д и напряже­ния на дросселе .

Рис.5. Схема однополупериодного МУС.