Магнитные усилители

Лекция №10.

Тема лекции:

10. Магнитные усилители (МУ),   дроссельный МУ,   характеристики   и режимы работы. МУ с самоподмагничиванием (МУС). Двухполупериодные схемы МУС.

МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 Бесконтактными электроаппаратами называют устройства, предназначенные для включения, выключения или переключения (ком­мутации) электрических цепей без физического разрыва цепи.

Основой построения бесконтактных электроаппаратов служат различного рода нелинейные элементы. Главными из них яв­ляются нелинейные индуктивности — ферромагнетик с обмотками и нелинейные активные сопротивления — полупроводниковые приборы.

Рекомендуемые материалы

Ниже будут рассмотрены выполняемые на базе ферромагнети­ков и полупроводниковых приборов некоторые основные элементы (магнитные и полупроводниковые усилители, логические элементы), на базе которых могут быть выполнены различного рода бесконтакт­ные электрические аппараты.

Большинство из рассматриваемых элементов называют усили­телями. Блок-схема простейшего усилителя приведена на рис. 10.1, в нем последовательно с напряжением питания включены нагрузка Z„ и управляемое нелинейное сопротивление (L = var, или R = var); эта цепь называется рабочей. Нелинейное сопротивление управляется от специального источника сигнала управления (чаше от источника постоянного напряжения U_y). Цепь, состоящая из источника сигнала управления, сопротивления Z.. и нелинейного сопротивления, называется цепью управления.

С изменением тока цепи управления i_y меняются параметры не­линейного сопротивления и ток в рабочей цепи i_р. В результате оказывается возможным малыми мощностями в цени управления управлять большими мощностями в нагрузке. Усиление происходит за счет мощности источника питания.

Рис. 10.1.   Блок-схема усили­теля

Если управляемым нелинейным сопротивлением является ферромагнитный сердечник с обмотками (L = var) — усилитель называется магнитным. Если это полупроводниковый прибор R= var) — усилитель называется полупроводнико­вым.

Полупроводниковые усилители питаются от источника постоян­ного или переменного тока. Магнитные усилители — от источника переменного напряжения (иногда импульсного, однополярного).

В то время как принцип работы полупроводникового усилителя весьма прост и достаточно поясняется блок-схемой (рис. 6.1), прин_цип работы магнитного усилителя тре­бует специального пояснения.

Дело в том, что при перемагничивании ферромагнитного сердечника на его рабочей обмотке (включенной в рабочую цепь) создается противо-э. д. с, препят­ствующая протеканию тока в рабочей цепи. Если при этом сердечник достиг насыщения (состояния, при котором рез­ко уменьшается магнитная проницае­мость ферромагнетика), противо-э. д. с. на его рабочей обмотке резко падает и практически вовсе не препятствует про­теканию  рабочего тока, т. е. ферромаг нитный сердечник играет роль дросселя, заслонка которого то за­крыта (сердечник перемагничивается и не достиг насыщения), то открыта (сердечник, перемагничиваясь, достиг насыщения). Причем в течение одного полупериода напряжения питания сер­дечник может одну часть этого полупериода находиться в «непро­водящем состоянии» (перемагничивается, не достигнув насыщения), а другую в «проводящем» (достигнув насыщения). Ферромагнитный сердечник, работающий в таком режиме, будем называть дросселем насыщения (ДН). В зависимости от того, какую часть полупериода ДН находится в непроводящем состоянии, а какую — в проводя­щем, будет зависеть и величина тока и напряжения на нагрузке. Соотношение проводящих и непроводящих долей полупериода зави­сит от многих факторов, в частности от величины напряжения пита­ния и, что весьма существенно, от величины постоянной составляю­щей тока (или напряжения) на какой-либо из обмоток ДН.

ДН, в котором не предусмотрено протекание по обмоткам по-стоянной составляющей тока, называется дросселем насыщения без подмагничивания, а в котором предусмотрено протекание по какой-либо из обмоток постоянной составляющей тока, называется дро& селем насыщения с подмагничиванием.

Магнитные усилители выполняются на дросселях насыщения с подмагничиванием: благодаря разной величине постоянной состав­ляющей тока (или напряжения) изменяется соотношение проводя­щих и непроводящих долей полупериода и изменяется ток (напряже­ние) в нагрузке.

Магнитные усилители делятся на две основные группы: дрос­сельные магнитные усилители и магнитные усилители   с   самоподмагничиванием.

Дроссельным называют магнитный усилитель, по рабочим обмоткам которого протекает переменный ток (иногда их называют ДН с подмагничиванием).

Магнитным усилителем с самоподмагничиванием (МУС) назы­вают усилитель, по рабочим обмоткам которого протекает однополупериодный выпрямленный ток (или однополярный импульс­ный), т. е. в МУС по рабочим обмоткам проходит постоянная со­ставляющая тока, и его сердечники можно было бы назвать ДН с са­моподмагничиванием.

а) Принцип действия. Магнитный усилитель (МУ) — это электрический аппарат, предназначенный для усиления электрического сигнала по току, напряжению или мощно­сти. В схеме простейшего дроссельного МУ (ДМУ), назы­ваемого дросселем насыщения (рис. 10.2), используется уп­равляемое индуктивное сопротивление. Замкнутый магнитопровод изготавливается из материала с резко выраженной нелинейностью кривой намагничивания B=f(H). Рабо­чая обмотка переменного тока w_p включается в цепь нагрузки R_H. В обмотку управления w_y подается управляющий постоянный ток I_у. Кривая намагни­чивания материала магнитопровода дана на рис. 10.3. При прохождении переменного тока по обмотке w_p на обмотке w_y наводится ЭДС. Эта ЭДС будет создавать переменный ток в цепи управления, для ограничения которого включа­ется балластный дроссель Х_б.

 

Рис. 10.2. Дроссельный МУ на од­ном магннтопроводе

Рис. 10.3. Изменение индукции В, напряженно­сти Н и тока Iр

при Iу = 0 и Iу = Iутах

При отсутствии   тока    управления    (цепь   управления разомкнута) индуктивное сопротивление обмотки

(10.1)

где

активное сечение магнитопровода;

число витков рабочей обмотки;

ее индуктивность;

         средняя длина магнитной линии в магнитопроводе.

При неизменныхиндуктивность, определяется

абсолютной магнитной проницаемостьюПрисо-

стояние магнитопровода характеризуется ненасыщенной зо­ной 1 (рис. 10.3).    В этой зоне магнитная    проницаемость  велика и индуктивное сопротивление обмот­ки

максимально.

Обычнопоэтому ток в цепи рабочей обмотки определяется только значением,. и имеет минимальное значение, равное.  Напряженность    магнитного полянаходится по индукции .

Подадим в обмотку управления такой постоянный ток управления I_Уmax, чтобы рабочая зона перешла в область 2. В этой области насыщения материал имеет магнитную проницаемость Индуктивное сопротивление  рабочей обмоткирезко уменьшается.   Значения выбираются так, что. Тогда ток в цепи определяется только сопротивлением нагрузки. При этом все на­пряжение источника питания приложено к сопротивлению нагрузкии активному сопротивлению r_р рабочей обмот­ки     

Мы рассмотрели два крайних режима усилителя — ре­жим холостого хода, когда и ток в нагрузке имеет минимальное значение и режим    максимального тока нагрузки. При плавном уве­личении токаток нагруз­ки плавно увеличивается от

 до максимального значе­нияза счет уменьше­ния магнитной проницаемо­сти. Характеристика уп­равления ДМУ приведена на рис. 10.4. По оси абсцисс от­ложен ток управления, приведенный к рабочей обмотке    

 

Идеальная ха­рактеристика управления 1 является прямой, идущей из начала координат под углом 45° к оси. Реальная харак­теристика 2 отличается от идеальной наличием тока холос­того ходаи плавным переходом от линейной части ха­рактеристики к току

В линейной зоне характеристи­ки соблюдается равенство средних значений МДС

 (10.2)

Рис. 10.4. Характеристика управления ДМУ

Равенство (10.2) не зависит от колебаний питающего на­пряжения, сопротивления нагрузки и частоты источника. Данному значению тока управления всегда соответствует единственное значение тока нагрузки Таким образом, ДМУ является управляемым источником тока.

Вследствие низких значений коэффициента усиления и большой массы ДМУ в настоящее время применяются редко, в основном как измерительные трансформаторы по­стоянного тока и напряжения. В первом случае роль обмот­ки управления w_y выполняет шина, по которой проходит измеряемый постоянный ток. Под воздействием магнитного потока, созданного током I_у, магнитопроводы 1 и 11 насыщаются (рис. 10.4,а). Рабочие обмотки подключены к источнику переменного напряжения u_Р и создают, магнитные поля с индукцией B_p1 и В_р2. В цепь рабочих обмоток через выпрямительный мост включен из­мерительный прибор ИП, который является нагрузкой уси­лителя. Допустим, в рассматриваемый полупериод вектор индукции В_Р1 совпадает по направлению с вектором ин­дукции В_у управляющего поля обмотки w_y, а вектор ин­дукции В_р2 направлен встречно вектору В_у. В результате магнитопровод 1 насыщен и сопротивление обмотки х_р1 пе­ременному току равно нулю, а магнитопровод 11, наоборот, далек от насыщения. Материал магнитопроводов 1 и 11 име­ет кривую намагничивания, форма которой близка к пря­моугольной. Обозначим через В_s значение индукции насы­щения материала магнитопровода. В таком материале при суммарном  значении  магнитной  индукции   напряженность поля/ При B>B_Sи, следовательно, и не оказывает влияния на полное сопротивление цепи рабочих обмоток. В магнитопроводе 11, где  можно записать

(10.3)

Из этого равенства следует, что токв течение рассматри­ваемого полупериода повторяет форму тока управления I_у. Так както и токв течение данного полупериода, т.е. принимает прямоугольную форму. В сле­дующий полупериод встречно направлены вектора индук­ции В_Р1 и By в магнитопроводе 1. Токизменит знак, но сохранит прямоугольную форму. На рис. 10., б показаны временные зависимости тока управления /_у, тока в цепи рабочих обмотоки токапротекающего через измери­тельный прибор ИП. Мгновенные значения токов связаны равенством

которое выполняется и для средних значений

Реальная  форма  кривой  намагничивания  материала  магнитопроводов    отличается    от    прямоугольной.    Поэтому и форма тока i_p не прямоугольна, а в токе i_Н появляются глубокие провалы,  что  вызывает определенную    погрешность измерения.

Рассмотренное устройство может быть использовано и в качестве измерительного трансформатора напряжения постоянного тока. Для этого многовитковая обмотка управ­ления w_у подключается к измеряемому напряжению U через большое добавочное сопротивление (рис. 10.5, в).

Ток в обмотке управления w_y пропорционален напряже­нию:  Для уменьшения потерь в добавочном сопротивлении ток берется малым — около 10 мА. Из­мерение этого тока производится так же, как в рассмот­ренной выше схеме.

Рис. 10.5. Схема трансформатора постоянного тока (а), изменение токов в его обмотках (б) и измерительный трансформатор постоянного на­пряжения (в)

УСИЛИТЕЛЬ С САМОНАСЫЩЕНИЕМ (МУС)

а) Физические процессы. Если в цепь рабочей обмотки МУ включить диод, то под действием постоянной состав­ляющей выпрямленного тока происходит подмагничивание магнитопровода. Такие усилители называются усилите­лями с самоподмагничиванием или с само­насыщением   (МУС). При рассмотрении такого усилителя (рис. 10.6) примем, что обратное сопротивление диода VD равно бесконечно­сти, а прямое учитывается сопротивлением R_B. В цепи уп­равления включен балластный дроссель Хб для ограниче­ния переменного тока, создаваемого рабочей обмоткой. Полярность напряжения источника, при которой диод про­водит ток, примем за положительную, полупериод, при котором ток проходит через нагрузку, назовем    рабочим (РП). Процессы, происходя­щие в МУС, в основном опре­деляются формой динамичес­кой петли гистерезиса материа­ла магнитопровода. Динамиче­ской петлей гистерезиса материала называется зависимостьВ(Н) при быстром изменении намагничивающего тока. Вслед­ствие магнитной вязкости и вихревых токов в материале   процесс перемагничивания замедляется и ширина динамиче­ской петли гистерезиса превышает ширину статической пет­ли. Чем больше тем шире петля гистерезиза. Для материала с высокой степенью прямоугольности кривой намагничивания динамическая петля гистерезиса имеет форму параллелограмма  (рис. 6.6, о).

Рис. 10.6. Схема однополупериодного МУС

При отсутствии управляющего поля магнитопровод под-магничивается   полем,   созданным   постоянной   составляю­щей тока рабочей обмотки.     Под   действием    этого поля в  магнитопроводе устанавливается остаточная    индукция  В рабочем полупериоде рабочая точка,    характе­ризующая состояние магнитопровода, с ростом тока пере­мещается по участку 1—3. Так как магнитопровод   насы­щен, индуктивное сопротивление   обмотки w_p равно нулю. Все напряжение источника приложено к активному сопро­тивлению цепи К концу рабочего полупериода состояние магнитопровода вновь возвращается в точку  1. Таким образом, при отсутствии сигнала    управления ток нагрузки в рабочий полупериод

В следующий полупериод диод не пропускает ток и состояние магнитопровода характеризуется точкой 11 (напря­жение источника приложено к вентилю и i_Р =0)

ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЕ СХЕМЫ МУС

Однополупериодная схема (рис. 10.6) практически не применяется из-за следующих недостатков:

1.Для ограничения наведенных в обмотке управления токов необходим балластный дроссель, наличие которого ухудшает выходные параметры МУС.

2.Прохождение рабочего тока лишь в течение одного полупериода уменьшает мощность нагрузки.

3.Схема пригодна для питания нагрузки только выпрям­ленным током.

Рис. 10.7. Магнитный усилитель с самонасыщением:

а — динамическая петля гистерези­са;  

 На рис. 10.7 изображены двухполупериодные мостовые схемы усилителя с нагрузкой на постоянном и переменном токе. При полярности вторичной обмотки питающего транс­форматора, обозначенной на рис. 10.7, а, в верхнем усили­теле МУС 1 имеет место рабочий полупериод, а в нижнем МУС 11 — полупериод управления. В следующем полупе­риоде МУС 11 будет находиться в рабочем полупериоде, а МУС1 — в полупериоде управления.

При большом сопротивлении в цепи управления пере­менная составляющая напряжения, наведенная на обмот­ках w_y обмотками w_р, создает малый переменный ток, которым можно пренебречь.    Тогда по цепи    управления протекает только ток I_у. Такой режим работы МУС назы­вается режимом вынужденного намагничивания. В этом случае условия работы каждого МУС аналогичны рассмот­ренным ранее.

Обычно сопротивление цепи управления мало и для компенсации наводимых на обмотках w_y ЭДС начала и концы обмоток должны соединяться, так, как показано на рис 10.8. Две обмотки управления могут быть заменены одной. При этом для схемы 10.8, а необходимо изменить направление включения рабочих обмоток w_p (рис. 10.8).
          

 

 

 

 

Рис. 10.8. Схемы двухполупериодного  МУС с общей обмоткой  управления

ПАРАМЕТРЫ МУС

Статические параметры

а) Крутизна характеристики управления. Для МУС характерна зависимость выходного напряжения U_p только от:

  (10.5)

Напряжение на нагрузке

Изменение индукцииопределяется током управления I_у. Как видно из (10/5), выходное напряжение U_p не зависит от сопротивления рабочей цепи, и при данном то­ке управления МУС является управляемым источником напряжения. Еслито U мало зависит от сопротивления нагрузки.

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

Крутизна характеристики управления

Подставляя в это выражение значение U_B получаем

Но

Следовательно,

  

Производнаяхарактеризует   наклон   кривой размагничивания магнитопровода МУС и условно может определяться эквивалентной магнитной проницаемостью размагничивания Введем понятие индуктивного сопротивления размагничивания:

Тогда   имеем

  

Таким образом,

Рекомендация для Вас - 22 Волоконно-оптические линии передачи.

 б) Коэффициент усиления МУС. Коэффициент усиления по току

 

Коэффициент усиления по напряжению

  

Коэффициент усиления по мощности