8. Семейство вольтамперных характеристик при различных токах управления магнитного усилителя.

9. Характеристики управления магнитного усилителя без обратной связи и магнитного усилителя с внутренней обратной связью.

10. Выводы.

4. Контрольные вопросы:

   1. Назначение магнитных усилителей.

   2. Принцип действия управляемого дросселя (дросселя насыщения). Поясните физические процессы, позволяющие регулировать ток в рабочей обмотке дросселя насыщения.

   3. Назначение и функционирование обмотки смещения в магнитном усилителе.

   4. Принцип действия магнитного усилителя с самоподмагничиванием.

   5. Проведите сравнительный анализ работы магнитного усилителя без внутренних обратных связей и при наличии обратных связей.

   6. Попытайтесь составить схему электропривода на постоянном или переменном токе (или для регулирования осветительной нагрузки) с применением магнитного усилителя без обратных связей.

   7. Поясните смысл полученных в ходе эксперимента вольтамперных характеристик.

   8. Сравните достоинства и недостатки магнитного усилителя и электромашинного усилителя. Лампового усилителя? Полупроводникового усилителя?

ПРИЛОЖЕНИЕ к лабораторной работе № 8

МАГНИТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ

ПОЛОЖЕНИЯ

В различных областях электротехники в настоящее время находят применение управляемые дроссели и магнитные усилители.

Управляемый дроссель представляет собой катушку индуктивности с магнитопроводом (сердечником), характеризующуюся переменным индуктивным сопротивлением, обусловленным подмагничиванием ферромагнитного сердечника постоянным током. Так же, как и катушка индуктивности с магнитопроводом, управляемый дроссель вследствие нелинейной зависимости между магнитным потоком и током имеет нелинейную зависимость между индуктивностью и током L(I), и, следовательно, между индуктивным сопротивлением и током катушки X_L(I). Вследствие этого ток в рабочей обмотке дросселя W _P (рис. 3) представляется возможным изменять путем изменения магнитной проницаемости ферромагнитного материала магнитопровода, подвергая его одновременному воздействию переменной и постоянной магнитодвижущих сил.

B дросселях с подмагничиванием (рис. 3) постоянная магнитодвижущая сила создается постоянным током подмагничивания I упр в витках его обмотки управления W_упр, расположенной на том же сердечнике, что и основная - рабочая - обмотка W_P.

При изменении значения постоянного тока I_упр в обмотке управления изменяется магнитное состояние сердечника дросселя, а, следовательно, значение индуктивности рабочей обмотки и тока I_p в ней. На рис. 4 приведена кривая намагничивания В(Н) для дросселя при условии пренебрежения потоками рассеяния и потерями мощности в ферромагнитном сердечнике. При неизменном значении переменной составляющей магнитной индукции В_~ магнитного поля, определяемой значением приложенного к рабочей обмотке дросселя переменного напряжения U, с ростом постоянной составляющей В₌ магнитной индукции возрастает несимметрия зависимостей Н_~(t) вследствие уменьшения магнитной проницаемости μ ферромагнитного материала сердечника дросселя, так как μ = В/Н. Это приводит к уменьшению индуктивности рабочей обмотки L = μw²_p S / l (где S - площадь поперечного сечения и l - средняя длина магнитной линии сердечника), индуктивного и полного сопротивлений, а, следовательно, к увеличению тока дросселя при той же величине приложенного напряжения. Семейство вольтамперных характеристик U(I_У) дросселя с подмагничиванием, полученных при разных значениях тока подмагничивания I_упр, представлено на рис.5. Из рисунка следует, что при заданном приложенном к рабочей обмотке дросселя напряжении, с увеличение небольшого по значению тока подмагничивания ток в рабочей обмотке дросселя значительно возрастает. Таким образом, при подмагничивании магнитопровода дросселя постоянным током вследствие изменения его магнитного состояния уменьшается индуктивность рабочей обмотки и возрастает ток дросселя.

При этом при включении в цепь рабочей обмотки потребителя электроэнергии (нагрузки) с сопротивлением R_H при незначительных затратах мощности в цепи обмотки управления, обусловленной током дросселя с подмагничиванием, представляется возможным управлять значительной мощностью потребителя электроэнергии с рабочим током I_p, что следует из характеристики управления I_p(I_у) (рис. 4) дросселя. Вследствие того, что индуктивность рабочей обмотки дросселя зависит только от абсолютного значения подмагничивающего тока и не зависит от его полярности, характеристика управления усиления дросселя I_p(I_у) оказывается симметричной относительно оси ординат. (см. рис. 4).

При токе управления I_у = 0 индуктивное сопротивление рабочей обмотки имеет максимальное, а ток в ней минимальное значение I_p0. Следует заметить, что на вид характеристики управления дросселя влияет также напряжение, приложенное к рабочей обмотке, материал сердечника и соотношение чисел витков рабочей обмотки и обмотки управления дросселя.

Схема простейшего управляемого дросселя (см. рис. 1) оказывается малопригодной для широкого применения, так как в обмотке управления с большим числом витков наводится значительная переменная ЭДС вследствие прямой трансформаторной связи между рабочей обмоткой и обмоткой управления. Кроме того, переменный ток в цепи нагрузки дросселя существенно искажает свою форму. Поэтому при создании магнитных усилителей используются конструкции, основанные на двух  -образных сердечниках (рис. 7) или на одном Ш-образном сердечнике (рис. 8), лишенные указанных недостатков.

В связи с тем, что с помощью управляемого дросселя с подмагничиванием можно, затрачивая незначительную мощность в цепи управления, управлять значительной мощностью в рабочей цепи, представляется возможным использовать его в качестве усилителей тока, напряжения и мощности. Усилители, действие которых основано на том же принципе, что и дросселей с подмагничиванием, являются магнитным усилителями.

С учетом этого к простейшим магнитным усилителям можно отнести управляемый дроссель (см. рис. 1). Однако из-за существенных недостатков (прямая трансформаторная связь входной и выходной цепей, значительные искажения формы выходного тока) эта схема широкого практического применения в качестве усилителя не получила. Поэтому в основу магнитных усилителей на практике положены схемы, приведенные на рис. 7.

Включение рабочей обмотки и обмотки управления при выполнении магнитного усилителя по схеме рис. 7 производится с таким расчетом, чтобы переменная и постоянная составляющие магнитного потока в одном из сердечников совпадали по направлению, а в другом имели противоположное направление. При этом форма тока в рабочих обмотках улучшается, так как в этом случае переменная ЭДС в обмотке постоянного тока не будет наводиться. Аналогично происходит устранение отмеченных недостатков и при использовании схемы рис. 8.

У магнитных усилителей в соответствии с назначением различают обмотки постоянного тока: управления, смещения и обратной связи. Как ламповые и полупроводниковые усилители, магнитные усилители характеризуются коэффициентами усиления по току, напряжению и мощности:

K_I = ΔI / ΔI_y; K_U = ΔU_У / ΔU_y; K_p = ΔP_p / ΔP_y,

где ΔI_p, ΔU_p, ΔP_p - изменения тока, напряжения и мощности в рабочей цепи магнитного усилителя, соответствующие изменению тока управления на значение ΔI_y при изменении напряжения управления на ΔU_y. Значения ΔU_y и ΔP_y могут быть выражены через изменение тока управления:

ΔU_y = ΔI_yR_y и ΔP_y = ΔI_yΔU_y,

где R_y - сопротивление цепи управления.

Для увеличения коэффициентов усиления магнитные усилители обычно выполняются с положительными обратными внешними и внутренними связями. Наибольшее применение получили усилители с внутренними обратными связями, в которых в качестве обмотки обратной связи использу-

ется рабочая обмотка. Поэтому при одной и той же выходной мощности они имеют более простое конструктивное исполнение, меньшие габариты и массу.

На рис. 7 приведена схема магнитного усилителя с внутренней положительной обратной связью (с самоподмагничиванием).

В этой схеме в цепь рабочей обмотки усилителя включены полупроводниковые диоды VД₁ и VД₂, вследствие чего по каждой половине рабочей обмотки поочередно протекают подмагничивающие токи обратной связи I_OC, пропорциональные току нагрузки.

Пользуясь характеристикой управления (см. рис. 6) для магнитного усилителя без обратной связи, ток нагрузки можно записать в следующем виде:

I_H = I_p = I_PO + K_II_y.

Так как ток нагрузки I_H = I_PO при токе управления I_y = 0 относительно мал, им можно пренебречь и считать, что I_H = I_p = K_II_y.

Из этого выражения можно определить коэффициент усиления по току усилителя без обратной связи:

K_I = I_H / I_y = I_p / I_H.

Представляя приведенный к числу витков обмотки управления ток обратной связи I'_OC = β_OCI_H через ток нагрузки I_H и коэффициент цепи обратной связи β_OC, можно записать выражение для коэффициента усиления по току магнитного усилителя с положительной обратной связью (так же, как для ламповых и полупроводниковых усилителей):

K_OC = K_I / (1 - K_Iβ_OC).

Из этого выражения следует, что произведение K_Iβ_OC в формуле должно быть меньше единицы, иначе возможно самовозбуждение усилителя, при этом прямая I'_OC = β_OCI_H должна проходить круче начальной части характеристики I_p(I_y) без обратной связи (рис. 4). Графическое построение характеристики управления магнитного усилителя при введении обратной связи показано на рис. 9.

Магнитные усилители применяются в системах автоматического управления, для измерительных комплексов, в других технических устройствах, требующих высокой надежности и значительной долговечности. Магнитные усилители, однако, характеризуются относительно большой инерционностью из-за влияния индуктивности обмотки управления и обмоток обратной связи.

Введение положительной обратной связи вызывает увеличение начального тока I_PO нагрузки при отсутствии управляющего тока. При этом характеристика управления магнитного усилителя становится резко несимметричной, крутизна ее возрастает по сравнению с той же характеристикой без обратной связи.

Рассмотренные магнитные (дроссельные) усилители имеют общий, ограничивающий область их применения, недостаток. Они не позволяют менять фазы выходного тока при изменении фазы тока управления. Поэтому дроссельные магнитные усилители в настоящее время применяют-

ся, главным образом, для нереверсируемой нагрузки, в частности, в нагревательных и осветительных приборах и др. При необходимости обеспечения возможности изменения фазы выходного сигнала применяются дифференциальные схемы включения дроссельных и двухтактных магнитных усилителей.

Рисунок 1 – К снятию вольтамперных характеристик магнитного усилителя без самоподмагничивания

Рисунок 2 – К снятию вольтамперных характеристик магнитного усилителя с самоподмагничиванием

Рисунок 3 – Управляемый дроссель

Рисунок 4 – Кривая намагничивания В (Н) для дросселя при условии пренебрежения потоками рассеяния и потерями мощности в ферромагнитном сердечнике

U

0

Рисунок 5 – Семейство вольтамперных характеристик дросселя с подмагничиванием при различных токах I_УПР

Рисунок 6 – Характеристика управления дросселя

Рисунок 7 – Магнитный усилитель с двумя сердечниками

Рисунок 8 – Магнитный усилитель с Ш - образным сердечником

Рисунок 9 – Графическое построение характеристики управления МУ при введении обратной связи

Список литературы

1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М., «Высшая школа», 2000, 542 с.

2. Копылов И.П. Электрические машины. М., «Высшая школа», 1986, 360 с.

3. Кацман М.М. Электрические машины. М., «Высшая школа», 2001, 463 с.

4. Вольдек А.И. Электрические машины. Л., «Энергия», 1978, 840 с.

5. Ключев В.И. Теория электропривода, Изд. 2, М., «Энергоатомиздат», 1998, 704 с.

6. Яковлев Г.С., Маникин А.И. Судовые электрические машины. Л., «Судостроение», 1980, 264 с.

7. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. С-Птб, «Энергоатомиздат», С-Птб отделение, 1994, 496 с.

8. Шорин В.П. Электрооборудование гидротехнических сооружений. С-Птб, СПГУВК, 2000, 320 с.

9. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. М., «Высшая школа, 2000, 255 с.

10. ГОСТ 50369-92 Электроприводы. Термины и определения. М., Издательство стандартов, 1993.