2.3. Магнитные усилители

 

Принцип действия магнитных усилителей (МУ) основан на нелинейности характеристики намагничивания  ферромагнитных материалов (рис 2.14, а)

Рис. 2.14

Простейший нереверсивный МУ состоит из дросселя насыщения, включенного в цепь переменного тока последовательного с нагрузкой  (рис 2.14, б). При изменении тока управления  в обмотке управления LG изменяется реактивное сопротивление рабочей обмотки LG1. Это приводит к изменению тока нагрузки  в выходной цепи. Напряжение на нагрузке

где   - активные сопротивления и индуктивности соответственно нагрузки и дросселя.

Индуктивность дросселя

где   - сечение и длина средней линии сердечника дросселя; - магнитная проницаемость.

Рис. 2.15

На рис. 2.15 изображена регулировочная характеристика простейшего МУ . Характеристика симметрична относительно оси ординат. При токе управления  ток нагрузки  минимален, но не равен нулю, так как при этом индуктивность дросселя имеет значение.

Сердечники мощных МУ изготавливают из трансформаторной стали; для усилителей малой мощности обычно используют железоникелевые сплавы типа пермаллоя и другие с высокой магнитной проницаемостью.

Приведенная на (рис 2.14, б) схема МУ имеет существенный недостаток, ограничивающий его применение: за счет переменного тока рабочей обмотки в обмотки управления наводится значительная ЭДС, искажающая управляющий сигнал. Для устранения этого явления применяют двухдроссельные МУ, включенные по управляющей обмотке навстречу друг друга (рис. 2.16, а)

Рис. 2.16

В соответствии с (рис 2.15) простейшие магнитные усилители не реагируют на изменение полярности управляющего напряжения. Этот недостаток устраняют применением специальной обмотки смещения , питаемой постоянным током (рис 2.16, б). Обмотка смещения осуществляет сдвиг регулировочной характеристики МУ по отношению к управляющему сигналу (рис 2.17).

 

 

Рис 2.17

Простейший МУ усиливают управляющий сигнал по мощности несколько десятков раз, что не всегда достаточно при использовании их в системах регулирования. Для увеличения коэффициента усиления и расширения функциональных возможностей в магнитных усилителях применяют внутренние и внешние обратные связи.

Вариант схемы МУ с внешней обратной связью по току приведен на рис.2.18, а

 

Рис.2.18

 

Ток нагрузки выпрямителя VD1-VD4 протекает по обмотке обратной связи. Регулировочные характеристики магнитного усилителя при различных значениях коэффициента обратной связи приведены на рис.2.18 б, в. Направление тока в обмотке обратной связи определяется только схемой выпрямителя и не зависит от полярности управляющего напряжения. Поэтому для одной ветви регулировочной характеристики обратная связь оказывается положительной (направления магнитных потоков обмоток управления и обратной связи совпадают), а для другой – отрицательной. При коэффициенте обратной связи  магнитный усилитель работает в релейном режиме (рис 2.18, в). Широко применяются МУ с положительной внутренней обратной связью по току. Схема одного из вариантов подобных МУ с выходом на постоянном токе приведена на рис. 2.19. Обратная связь осуществляется включением диодов VD1-VD4 в цепь рабочих обмоток так, чтобы по ним протекал пульсирующий ток. Постоянная составляющая пульсирующего тока дополнительно подмагничивает сердечники МУ, что эквивалентно действию обратной связи по току.

Рис. 2.19

 

Коэффициент внутренней обратной связи равен отношению напряженности поля обратной связи к среднему значению напряженности, создаваемой переменным током, т.е.

где    и  .

Фактически  немного меньше единицы в связи с неидеальностью диодов (наличие обратного тока).

Достоинство внутренней обратной связи – отсутствие специальной обмотки обратной связи. Недостаток – сложность изменения .

При необходимости изменения полярности выходного напряжения (выход на постоянном токе ) или его фазы (выход на переменном токе) применяют реверсивные магнитные усилители. На рис. 2.20, а изображена схема реверсивного МУ с выходом на постоянном токе. Он состоит из двух нереверсивных магнитных усилителей, включенных по дифференциальной схеме. Напряжение нагрузки равно разности напряжений на балластных сопротивлениях  и . Регулировочные характеристики дифференциального МУ приведены на рис 2.20, б.

Магнитный усилитель как элемент систем управления является дискретным звеном со сложной формой выходных импульсов. Однако с учетом фильтрующего действия других элементов, входящих в систему, его часто можно представить непрерывным звеном.

Как показывает практика, инерционность МУ в основном определяется параметрами обмоток управления. Для управляющей цепи справедливо уравнение

где   - напряжение, ток, сопротивление и индуктивность обмотки управления.

 

Рис 2.20

 

Заметим, что индуктивность обмотки управления зависит от степени насыщения сердечника, т.е. является величиной переменной. Для упрощения математических соотношений предположим, что при относительно небольших изменениях напряжения управления . Если пренебречь отставание тока нагрузки от тока управления в переходных режимах для ненасыщенных сердечников, то

или                                                 

где   - среднее значение тока нагрузки;

        - коэффициент усиление МУ по току;

 при последовательном включении рабочих обмоток.

Среднее значение напряжения на сопротивлении нагрузки

С учетом (2.2) и (2.3) уравнение (2.1) принимает вид

или                                        

где   - электромагнитная постоянная времени обмотки управления,

 - коэффициент усиления магнитного усилителя по напряжению,

В соответствии с выражением (2.4) передаточная функция магнитного усилителя

т.е. при сделанных допущениях МУ эквивалентен инерционному звену.

Постоянную времени МУ с несколькими включениями обмотками управления определяют как сумму постоянных времени отдельных обмоток аналогично соответствующим расчетам ЭМУ.

В системах регулирования магнитные усилители выполняют следующие функции: предварительное усиление сигналов; управление двигателями постоянного и переменного тока ( силовые преобразователи); суммирование нескольких сигналов; преобразование постоянного напряжения (тока) в модулированные колебания переменного тока и некоторые другие.

Достоинство МУ: надежность в работе; повышенная виброустойчивость; большая чувствительность; возможность суммирования нескольких сигналов; питание от сети переменного тока; готовность к рабате сразу после включения.

Недостатки магнитных усилителей: значительная инерционность; малое входное сопротивление; низкий КПД реверсивных схем; невозможность создания режима рекуперации.

Увеличение быстродействия МУ достигается за счет повышения частоты питающего напряжения, каскадного включения нескольких магнитных усилителей, использования специальных схем быстродействующий МУ.