Магнитные усилители специального назначения

Глава 25

МАГНИТНЫЕ   УСИЛИТЕЛИ   СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

§ 25.1. Многокаскадный магнитный усилитель

Для получения больших коэффициентов усиления используется последова­тельное соединение нескольких магнитных усилителей. В этом случае выход­ной сигнал предыдущего усилителя является входным сигналом последующего. Такое соединение усилителей называют каскадным, а каждый из усилителей — каскадом. Электромагнитное устройство в целом называют многокаскадным магнитным усилителем. Общий коэффициент усиления многокаскадного магнитного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных кас­кадов. Число отдельных каскадов в магнитном усилителе может достигать 5—6. При этом инерционность многокаскадного усилителя определяется постоянной времени, представляющей собой сумму постоянных времени отдельных каска­дов. Поэтому многокаскадные усилители находят применение и в тех случаях, когда необходимо уменьшить инерционность усилителя при заданном коэффи­циенте усиления.

Рассмотрим   схему   двухкаскадного   реверсивного   усилителя   с   выходным переменным током  (рис. 25.1). Схема каждого из каскадов ( и )  ана-

логична рассмотренной в гл. 24 дифференциальной схеме реверсивного усили­теля. Такой усилитель может использо­ваться для управления исполнительным двухфазным асинхронным электродвига­телем.

На выходе первого каскада   () включены   мостовые  выпрямители  и  , предназначенные для питания об­моток управления второго каскада ().   Нагрузка  переменного  тока включена на выходе второго каскада. Напряжение питания первого каскада  снимается со специальных транс­форматорных обмоток, намотанных на  сердечниках   таким    образом, что наводимые в них из рабочих обмо­ток  ЭДС складываются. Поэтому напряжение  не зависит от изме­няющихся напряжений на отдельных обмотках. Это напряжение остается пропорциональным напряжению питания сети. Следовательно, в данной схе­ме не нужен отдельным трансформатор питания.

В основном инерционность много­каскадного усилителя определяется инерционностью первого каскада. По­этому первый каскад обычно выполняют с небольшим коэффициентом усиле­ния и малой постоянной времени. Л необходимый общий коэффициент усиле­ния стремятся получать за счет последующих каскадов. В итоге инерцион­ность, например, двухкаскадного усилителя будет меньше, чем инерционность однокаскадного усилителя одинаковой мощности с тем же коэффициентом уси­ления.

Пример 25.1. Определить постоянную времени однокаскадного магнитного усилителя  с   положительной    обратной    связью  при  ;  ;  Гц.

Рекомендуемые материалы

Определить постоянную времени двухкаскадного усилителя, работающего на той же частоте и с таким же коэффициентом обратной связи, но с коэф­фициентами усиления первого каскада  и второго каскада , обеспечивающими общий коэффициент усиления . Срав­нить эти постоянные времени, полагая для простоты КПД

Из (23.6) получим выражение для постоянной времени при положительной обратной связи

Постоянную времени двухкаскадного усилителя определяем как сумму по­стоянных времени каждого каскада:

Как видно из данного примера, инерционность двухкаскадного усилителя при том же усилении уменьшается в 30 раз. Для уменьшения инерционности используют питание первых каскадов повышенной частотой и лишь последний (выходной) каскад питают напряжением той частоты, на которую рассчитана нагрузка.

§ 25.2. Быстродействующие магнитные усилители

К быстродействующим относятся магнитные усилители, постоянная време­ни которых меньше длительности периода переменного питающего напряжения. Если в обычных усилителях на инерционность оказывает основное влияние цепь управления, то в быстродействующих усилителях необходимо учитывать запаздывание  и  в рабочей  цепи.  Высокое  быстродействие в  магнитных  усили-

телях (в одном каскаде) может быть обеспечено лишь при использовании высококачественных материалов для сердечников. К таким материалам отно­сятся железоникелевые сплавы (пермаллои), основные достоинства которых — близкая к прямоугольной петля гистерезиса, высокая магнитная проницаемость в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы.

Для упрощенного анализа работы быстродействующего магнитного усили­теля воспользуемся теорией идеализированного магнитного усилителя, т. е. пренебрежем шириной петли гистерезиса магнитного материала сердечника. Представим эту кривую графически в виде ломаной линии, состоящей из трех отрезков (рис. 25.2, а). Вертикальный участок этого графика соответствует магнитной проницаемости, стремящейся к бесконечности, а на горизонтальных участках магнитная проницаемость стремится к нулю. Это означает, что в ре­жиме работы  сердечника  на  вертикальном  участке  индуктивное сопротивление рабочей обмотки стремится к бесконечности, а на горизонтальном участке — к нулю.

Простейшим быстродействующим магнитным усилителем является схема на одном сердечнике с внутренней обратной связью за счет однополупериодного выпрямления в цепи рабочей обмотки (рис. 25.2, б). Работу такой схемы мож­но рассматривать по двум полупериодам питающего напряжения . Когда диод Д открыт (полярность приложенного напряжения совпадает с проводя­щим направлением диода), изменение магнитного состояния сердечника проис­ходит под действием тока в рабочей обмотке. Этот полупериод называется рабочим. Когда диод Д закрыт, изменение магнитного состояния сердечника происходит только под влиянием тока в обмотке управления. Этот полупериод называется управляющим.

В рабочем полупериоде можно выделить два режима работы усилителя: рабочая точка находится на вертикальном или на горизонтальном участке характеристики намагничива­ния (рис. 25.2, а). В первом режиме индуктивное сопротив­ление рабочей обмотки очень велико и ток в рабочей цепи (ток нагрузки ) равен нулю. Во втором режиме индуктив­ное сопротивление рабочей об­мотки близко к нулю и ток в рабочей цепи  определяется только мгновенным значением напряжения питания и актив­ным сопротивлением нагрузки. В зависимости от значения тока управления изменяется момент   времени,     в     который индуктивное сопротивление рабочей обмотки скачком изменяется от бесконеч­ности до нуля (напомним, что речь идет об идеализированном магнитном уси­лителе). Па рис. 25.3 показаны кривые тока в рабочей цепи для двух значе­ний фазы отпирания усилителя. Рабочий ток, как видно из рисунка, имеет вид срезанных по вертикали синусоидальных импульсов. Максимальная амп­литуда импульсов

Отпирание усилителя зависит от магнитного состояния сердечника  в конце предшествующего  (т. е.  управляющего)   полупериода. Чем  выше на  вертикаль­ном участке кривой намагничивания находится точка начальной индукции  ( и на  рис. 25.3,  в), тем  быстрее  наступает   момент  времени,  когда  рабочая точка перемещается на горизонтальную часть кривой намагничивания и индук­ция достигает значения . Если в очередном управляющем полупериоде ток управления отсутствует, то к очередному рабочему полупериоду начальное зна­чение индукции не изменится () и выходной сигнал будет иметь мак­симальное значение. Минимальное запаздывание обусловлено принципом рабо­ты усилителя с обратной связью и может колебаться от длительности полупериода (в случае совпадения момента подачи сигнала и началом управляю­щего полупериода) до длительности периода (в случае подачи сигнала с на­чалом рабочего полупериода).

Зависимость выходного тока от управляющего показана на рис. 25.4, а. Как видно из характеристики ,  при выходной ток максимален, а для его уменьшения требуется подавать отрицательный входной сигнал (). На практике удобнее иметь прямо пропорциональную зависимость вы­ходного сигнала от входного (рис. 25.4, б). Для получения такой характерис­тики в управляющую цепь включают дополнительный источник напряжения смещения  (его называют опорным напряжением) с той же частотой, что и напряжение питания, но сдвинутый по фазе на  180°  (рис. 25.5, а).

При выполнении соотношения  между  питающим  и опорным  напряжениями  необходимое   размагничивание  сердечника   будет   происходить в течение   управляющего полупериода за счет и при  Соответственно при  ток нагрузки будет равен  нулю, а  при  увеличении тока  управления будет возрастать ток нагрузки, как показано на рис. 25.4, б.

На основе двух однополупериодных схем построены двухполупериодные и реверсивные быстродействующие магнитные усилители. При этом усилители с выходным постоянным или переменным током отличаются соединением цепи нагрузки. На рис. 25.5, б показана схема двухполупериодного быстродейству­ющего  усилителя,  в  которой  опорное   напряжение,  обеспечивающее  смещение,

подается со вторичной обмот­ки трансформатора  По­скольку это напряжение в те­чение одного полупериода за­пирает диод , а в течение другого полупериода—, в каждый из полупериодов ток проходит только по одной об­мотке управления.

На рис. 26.5 показана по­лярность опорного напряже­ния, при которой диод  за­крыт, а диод  открыт. Ток управления при этом протека­ет по цепи

 В другой полупериод, когда изменится полярность ,   ток   управления   пройдет  по    обмотке Проследите его путь самостоя­тельно.

Надо отметить, что быст­родействующие магнитные уси­лители имеют коэффициенты усиления по напряжению и по мощности меньше, чем усилители с нормаль­ным быстродействием. Они становятся быстродействующими именно за счет повышения мощности управляющего сигнала. Поэтому для маломощных уси­лителей предпочтительнее «обычные» схемы, а не быстродействующие.

Чаще всего быстродействующие усилители применяются для непосредствен­ного усиления сигналов переменного тока (без предварительного выпрямле­ния). Но достоинства быстродействующего усилителя будут сведены на нет, если исполнительное устройство в системе автоматики будет обладать большим запаздыванием. Поэтому реверсивные быстродействующие магнитные усилители получили применение в следящих системах с малоинерционными исполнитель­ными электродвигателями (например, имеющими полый тонкостенный ротор или дисковый ротор с печатной обмоткой).

§ 25.3. Операционные магнитные усилители

Операционные усилители предназначены для использования в изме­рительных, моделирующих и вычислительных системах автоматики. Главное тре­бование, предъявляемое к ним — это высокая стабильность параметров: постоян­ство коэффициента усиления и отсутствие дрейфа нуля. Наиболее широко при­меняются полупроводниковые операционные усилители. Однако и магнитные операционные усилители имеют определенные достоинства. В частности, с по­мощью магнитного усилителя значительно проще выполнять такую операцию, как суммирование сигналов.

Пусть магнитный усилитель имеет несколько обмоток управления с одина­ковым числом витков. Тогда  магнитный поток управления будет создаваться суммарным действием всех токов, протекающих по п обмоткам управления:

Точность суммирования для обычного усилителя с несколькими обмотками управления составляет несколько процентов. Для получения высокой точности (сотые доли процента) применяют специальные операционные суммирующие усилители. Высокая точность суммирования сигналов в таких усилителях до­стигается за счет использования отрицательной обратной связи, охватывающей весь усилитель. Так как при этом уменьшается коэффициент усиления, то для компенсации такого уменьшения применяют положительную обратную связь или многокаскадную схему.

Структурная схема суммирующего операционного магнитного усилителя по­казана на рис. 25.6. На вход усилителя с коэффициентом усиления по току поступают входные сигналы  и  сигнал  отрицательной  обратной

связи,  представляющий собой  выходной ток (обычно   не  весь ток,  а

его часть ). В соответствии с уравнением из для отрицательной обратной связи имеем

При  достаточно  большом  значении  непостоянство   коэффициента   передачи суммирующего усилителя будет характеризоваться сотыми долями процента, т. е. выходной сигнал будет достаточно строго пропорционален сум­ме входных сигналов.

Операционные магнитные усилители могут использоваться в системах авто­матики для разных целей. Развязывающий усилитель используется в тех слу­чаях, когда на вход измерительного устройства надо подать сигнал от дат­чика, обладающего большим внутренним сопротивлением. Если этот сигнал подключать непосредственно на вход схемы, имеющей низкое входное сопро­тивление, то сигнал датчика сильно уменьшится из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении датчика.

Развязывающий усилитель обеспечивает согласование выходного сопротив­ления датчика с входным сопротивлением, которое является нагрузкой датчика. Структурная схема развязывающего усилителя показана на рис. 25.7, а. Это как бы суммирующий усилитель с одной входной обмоткой. Если эта обмотка включена   между датчиком  с  выходным  напряжением и  нагрузкой ,  то входной ток усилителя

 ■

Отсюда входное сопротивление, которым нагружен датчик,

При высоком значении  входное сопротивление будет достаточно большим. Развязывающий усилитель легко преобразуется в масштабный усилитель, изменяющий сигнал датчика в определенное количество раз. В масштабном усилителе (рис. 25.7, б) на вход подается не все напряжение с нагрузки, а его часть (с помощью делителя напряжения на резисторахи).

На базе операционного усилителя с одной входной обмоткой строятся схе­мы интегрирующего и дифференцирующего усилителей.

В интегрирующем операционном усилителе (рис. 25.8, а) сигнал отрица­тельной обратной связи вводится через конденсатор с емкостью С. При боль­шом значении Ki напряжение на нагрузке будет пропорционально интегралу сигнала датчика:

В дифференцирующем операционном усилителе (рис. 25.8, б) емкость С лключена не в цепь обратной связи, а на вход. В этом случае напряжение на нагрузке будет пропорционально производной сигнала датчика:

На базе суммирующего усилителя с несколькими входными обмотками можно выполнять также операции умножения и деления. Для этого необхо­димо подавать в обмотки управления токи, пропорциональные логарифмам входных сигналов.

§ 25.4. Трехфазные магнитные усилители

Трехфазные магнитные усилители обычно используются для управления исполнительными устройствами систем автоматики при питании от промышлен­ной сети трехфазного переменного тока. Они могут питать нагрузку перемен­ного или постоянного тока.

Трехфазные магнитные усилители с выходным переменным током чаще все­го применяются для регулирования частоты вращения трехфазных асинхронных электродвигателей   (это, кстати, наиболее распространенный  потребитель электроэнергии в народном хозяйстве) и для стабилизации напряжения трехфаз­ных источников питания.

Трехфазные магнитные усилители с выходным постоянным током обеспе­чивают по сравнению с однофазными усилителями значительное уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения, повышение КПД, равномерную загрузку фаз питающей сети.

Трехфазные магнитные усилители представляют собой три одинаковых однофазных магнитных усилителя, рабочие обмотки которых подключаются к трехфазной сети по схеме «звезда» или «треугольник». При этом на каждую фазу  может приходиться  по  одному  или  по два  сердечника.  Соответственно

с этим различают трехфазные  усилители  на  трех  сердечниках   (трехдроссельные) и на шести сердечниках (шестидроссельные).

Рекомендация для Вас - 8 Организация интерфейса МП.

На рис. 25.9 показаны схемы трехфазных усилителей с выходным посто­янным током. В каждой фазе схемы по рис. 25.9, а имеется однотактный одно-полупериодный усилитель на одном сердечнике, общая нагрузка R_n включает­ся в нулевой провод. Основное достоинство этой схемы заключается в про­стоте и дешевизне конструкции усилителя, что обусловлено малым числом элементов. Существенными недостатками усилителя на трех сердечниках по срав­нению с усилителем на шести сердечниках (рис. 25.9, б) являются более низ­кий КПД и более значительные пульсации выпрямленного напряжения на на­грузке. В схеме (рис. 25.9, б) высокий КПД и малые пульсации выходного напряжения обеспечиваются благодаря двухполупериодному выпрямлению тока в каждой из фаз.

В схеме с тремя сердечниками допустимо только последовательное соеди­нение всех трех обмоток управления. Однако при этом в обмотках управления наводится напряжение тройной частоты (из-за несинусоидальности тока в ра­бочих обмотках при насыщении сердечников). В схеме с шестью сердечниками удается довольно успешно бороться с наведенным напряжением повышенной частоты. Например, в схеме но рис. 25.9, б используется параллельное соеди­нение трех пар обмоток управления и последовательное соединение обмоток управления пары сердечников в каждой фазе. В этом случае в каждой паре обмоток управления w_y, относящихся к одной фазе, индуцируются четные гар­моники ЭДС. При этом вторые (самые крупные) гармоники ЭДС одной пары обмоток w_у сдвинуты по фазе на 120 или 240° относительно этих же гармо­ник двух других пар обмоток w_у. При параллельном соединении отдельных пар обмоток управления, как это сделано в схеме по рис. 25.9, б, четные гармоники тока могут свободно циркулировать по этим обмоткам, не оказывая влияния на источник входного сигнала. Напряжение удвоенной частоты на зажимах обмоток управления будет небольшим, а характеристика «вход-вы­ход»  будет такой же линейной, как у обычных однофазных усили­телей. В усилителе на трех сердечниках зависимостьимеет нелиней­ный характер.

На   рис.  25.10   показан   однотактный   (нереверсивный)   трехфазный   усили­тель,   предназначенный  для   регулирования    частоты    вращения   асинхронного

электродвигателя М. Последовательно с каждой фазой обмотки статора дви­гателя включается однофазный магнитный усилитель. Следовательно, нагрузкой для каждого однофазного усилителя является соответствующая обмотка ста­тора. При этом рабочая обмотка рассчитывается на фазное напряжение. Маг­нитный усилитель позволяет регулировать напряжение на зажимах статора. При уменьшении напряжения на двигателе снижается его скорость, правда до­вольно незначительно. Заметим, что для регулирования скорости асинхронного двигателя в широких пределах используются другие схемы (с переключением числа пар полюсов при ступенчатом регулировании, с тиристорными преобра­зователями частоты питания при плавном регулировании).

Возможно применение трехфазных магнитных усилителей и для автома­тизации пуска асинхронных двигателей, когда усилитель включается в комби­нации с релейно-контакторной аппаратурой.