Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра автоматизированного электропривода и промышленной электроники

Исследование однотактного магнитного усилителя

Методический указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Электрические и электронные аппараты» для студентов специальности 140604 – «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» для всех форм обучения

Новокузнецк

2009

УДК 62-50 (03)

Рецензент:

Кандидат технических наук, доцент заведующий кафедрой электротехники и электрооборудования, СибГИУ

М.В. Кипервассер

Защита силового трансформатора: Метод. указ./ Сост.: А.В. Темников, О.А. Игнатенко: СибГИУ.- Новокузнецк, 2004.-26с., ил.

Излагаются некоторые теоретические сведения об однотактных магнитных усилителях при их работе без обратной связи и с обратной связью. Даются программа и порядок получения статических характеристик однотактных усилителей опытным путем, а также их характеристик в релейном режиме.

Предназначены для студентов специальностей 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» всех форм обучения.

ОбЩие сведения

Принцип действия МУ основан на использовании явления насыщения ферромагнитных материалов в магнитном поле.

а) б)

Рисунок 1 – Простейший дроссельный однотактный магнитный усилитель

а) зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н; б) схема усилителя

Входной цепью МУ (рисунок 1) является обмотка управления W_y, а выходной – рабочая обмотка W_p с последовательно включенным сопротивлением нагрузки R_н. Выходное напряжение U_вых снимается с нагрузки R_н.

Если ток в рабочей цепи I_~ синусоидален, то он находится по формуле:

, (1)

где U_~ – напряжение питания МУ;

R – полное активное сопротивление рабочей цепи;

х_р – индуктивное сопротивление рабочей обмотки.

, (2)

где R_p – активное сопротивление рабочей обмотки;

L_p – индуктивность рабочей обмотки;

– угловая частота питающей сети;

W_p – число витков рабочей обмотки;

S_c – площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника;

– длина средней магнитной линии сердечника;

-магнитная проницаемость сердечника.

Для магнитных усилителей выбирается ферромагнетик с большой и малой коэрцитивной силой H_c, например, пермаллой. Такой магнитный материал имеет максимально возможную чувствительность к слабым изменениям магнитного поля. Вследствие нелинейности характеристики B = f (H) малое изменение H, связанное с постоянным током обмотки управления Wy, приводит к резкому увеличению B и уменьшению , что ведет к значительному уменьшению L_p и . Наблюдается резкое увеличение тока I_~ в рабочей цепи.

Однотактные магнитные усилители относятся к нереверсивным: полярность выходного сигнала не зависит от полярности входного сигнала. Нагрузка R_н может быть включена последовательно или параллельно в сеть рабочей обмотки W_p. В первом случае МУ называют дроссельными, во втором – трансформаторными. Наиболее эффективным является построение МУ на двух одинаковых сердечниках.

а) б)

в)

Рисунок 2 – Однотактные МУ с параллельным (а) и последовательным (б) включением нагрузки и их статические характеристики (в)

Основной характеристикой МУ является статическая характеристика

I_н = f(I_y), (3)

где I_н– ток нагрузки,

I_y– ток управления.

Характеристика идеального МУ без обратной связи и смещения показан на рисунке 2. Для реального МУ ток холостого хода (I_н при I_y=0) отличен от нуля.

Коэффициенты усиления по току k_I, напряжению k_U, мощности k_Р находятся экспериментально по статическим характеристикам и теоретически по соотношениям:

(4)

(5)

, (6)

где Δ определяет малые приращения входных и выходных величин.

На характеристики I_н = f(I_y) значительно влияют начальное смещение (подмагничивание) и обратные связи. Начальное смещение вводится для того, чтобы увеличить коэффициент усиления для малых входных сигналов и выводе рабочей точки на линейный участок статической характеристики (рисунок 3).

Обратные связи могут быть положительными и отрицательными, внешними и внутренними. Внутренняя обратная связь организуется включением выпрямителя в рабочую обмотку W_p, поэтому число витков обмотки обратной связи W_oc=W_p и коэффициент обратной связи k_oc ≤ 1. Рабочая обмотка W_p дополнительно выполняет функции обмотки обратной связи W_oc. Схема однотактных МУ с внутренней обратной связью показана на рисунке 4, а статические характеристики – на рисунке 5.

а)

б)

Рисунок 3 – Дроссельный МУ

а – схема; б – статические характеристики

а) б)

Рисунок 4 – Однотактные МУ с внутренней обратной связью:

а) с выходом на переменном токе; б) с выходом на постоянном токе

Рисунок 5 – Статические характеристики МУ с внутренней ОС

Схема МУ с внешней обратной связью может обеспечить любое значение k_oc за счет соответствующего выбора числа витков W_oc. Одна из схем показана на рисунке 6.

В этом случае коэффициенты усиления равны:

(7)

Рисунок 6 – МУ с внешней обратной связью

(8)

, (9)

где знак “–” соответствует положительной, а “+”- отрицательной обратной связи.

(10)

где .

Использование смешанной обратной связи, объединяющей внутреннюю и внешнюю обратные связи может привести релейным характеристикам (рисунок 7).

Рисунок 7 – Релейные характеристики МУ

Релейная характеристика в первом квадранте соответствует нормально разомкнутым, а во втором – нормально замкнутым контактам реле.

Инерционность МУ характеризуется постоянной времени τ.

, (11)

где – коэффициент полезного действия цепи переменного тока усилителя;

- частота питающей сети;

- индуктивность обмотки управления.

Для снижения инерционности используют введение положительной обратной связи при условии , замену однокаскадного МУ многокаскадным, шунтирование диодов внутренней обратной связи переменными сопротивлениями и другие методы.

Передаточная функция W(p) магнитного усилителя определяет его как апериодическое звено первого порядка

, (12)

где p – оператор Лапласа.