Магнитный усилитель – как элемент сар.

H

Магнитным усилителем (МУ) называется ферромагнитное устройство, предназначенное для усиления мощности подводимых к нему электрических сигналов постоянного тока. Основой любой схемы МУ являются - дроссели с подмагничиванием, т. е. дроссели с одновременным намагничиванием материала сердечника постоянным и переменным магнитными полями.

Намагниченность материала характеризуется величиной индукцииВ, которая является функцией напряженности Н внешнего магнитного поля.

Если полностью размагниченный материал поместить во внешнее поле, напряженность которого меняется от 0 до Н_m, то величина магнитной индукции в сердечнике также будет меняться от 0 доВ_m. При полном цикле измененияНот+Н_mдо– Н_m и обратно изображающая точка опишет петлю, называемуюпетлей гистерезиса. Часто при анализе и расчетах МУ пренебрегают явлением гистерезиса и заменяют петлю так называемой средней кривой намагничивания, т. е. кривой, равноотстоящей от восходящей и нисходящей ветвей петли (рис.1, кр. 2).

Современные магнитные материалы имеют петлю гис

терезиса, близкую к «прямоугольной» (рис.1, кривая1), которая заменяется идеальной кривой намагничивания В=ƒ(Н)(рис.1,кривая3).

В процессе работы МУ к их обмоткам прикладываются напряжения, по виткам этих обмоток течет ток, а в сердечниках действует магнитное поле (В, Н).

Согласно закону электромагнитной индукции или , гдее - ЭДС в контуре обмотки;ω– число витков обмотки;Ф– магнитный поток;S– сечение сердечника;В– магнитная индукция. Когдае = Е sin ωt, то на основании приведенного выраженияВ = -В_mcos ωt. Если к тому же дроссель помещен в постоянное поле с индукциейВ₀, тоВ= В₀ -В_mcos ωt. Такая зависимость будет иметь место лишь приВ_m ≤ В.

Однотактные МУ.Однотактными называются МУ, у которых сигнал на выходе не меняет своей полярности или фазы при изменении полярности входного сигнала.

Однотактные МУ выполняются на двух сердечниках с двумя рабочими обмотками переменного тока W_р, с двумя или одной обмотками управленияW_у (рис.2). Необходимость в двух сердечниках и двухW_р вызвана стремлением скомпенсировать переменные ЭДС, индуцируемые в обмотке W_уиз цепи переменного тока.

Если управляющий сигнал отсутствует, U_у = 0и параметрыW_р идентичны, то напряжение питания равномерно распределяется между обмотками:

u_~= e_I + e_II , где e_I = - ω_p S ; e_II = - ω_p S ;

В_I и В_II - мгновенные значения индукции в сердечниках I и II, причем В_I = В_II = - В_mcos ωt.

Предположим, что U_у ≠ 0.Тогда токI_усоздает постоянное магнитное поле с индукциейВ₀ = В_у, направление которого относительноВ_IиВ_IIв сердечниках различно. В соответствии с этим кривые суммарной индукции в сердечникахВ = В~ + В_уокажутся сдвинутыми одна относительно другой на величину2 В_у(рис.3,б)

Если величина тока В_удостаточно велика, закон измененияВстанет отличным от косинусоидального. До момента насыщения одного из сердечников индукция и в первом и во втором сердечнике изменяется по закону косинуса, но, как только один из сердечников насытится, ЭДС самоиндукции его обмотокW_риW_устанет равной нулю (В_I = В_s=const). ОбмоткаW_уявляется общей для обоих сердечников, и, следовательно, условие насыщения (В=const,e_у=0) будет выполняться только в том случае, если индукция и во втором сердечнике также примет некоторое постоянное значение (В_II=const), в общем случае отличное отВ_s. Это состояние сердечников сохраняется до тех пор, пока первый сердечник не перейдет в ненасыщенное состояние и его индукция не начнет уменьшаться.

Так как процессы в сердечниках сдвинуты один относительно другого на половину периода, индукция во втором сердечнике в этот же момент начнет увеличиваться, стремясь к - В_s, и процесс полностью повторяется с той лишь разницей, что насыщенным в этом полупериоде окажется второй сердечник. Момент насыщения сердечников характеризуется величиной угла насыщенияα_нас.

В интервале, когда оба сердечника ненасыщенны ( 0 < ωt < α_нас), ЭДС самоиндукции рабочих обмоток одинаковы и равны половине напряженияu~. Все напряжение питания оказывается приложенным к рабочим обмоткам, а падение напряженияi_p R_нравно нулю, т. е. равен нулю рабочий ток МУ.

В интервале α_нас≤ ωt ≤ π, когда один из сердечников насыщен, ЭДС самоиндукции рабочих обмоток равны нулю, все напряжение питания оказывается приложенным к нагрузке и по рабочей цепи течет токI_ср = ωt.

Среднее значение тока за половину периода определяют по формуле

I_ср=(1)

Величина α_нас, а следовательно и токI_срзависят от величины сигнала управления. Так, приU_у = 0;В_у = 0насыщение сердечников отсутствует (α_нас = π) и напряжение питания в течение всего периода компенсируется ЭДС самоиндукции обмоток. Ток в нагрузке равен нулю. Напротив, при максимальном сигналеВ_у = В_sсердечники насыщены в течение всего периода (α_нас = 0) и ток в нагрузке будет максимальным и синусоидальным.

Ток управления можно представить в виде постояннойI_уи переменнойi_усоставляющих. Постоянная составляющая пропорциональна сигналу управления и зависит от сопротивления цепи управления. Переменная составляющая трансформируется из рабочей цепи. Форму составляющей можно установить на основании следующих рассуждений. Когда один сердечник насыщен, а второй нет, суммарная МДС ненасыщенного сердечника должна быть равной нулю.

Это (при i_р ≠ 0) может иметь место лишь в том случае, если обмотка управления создает МДСi_уω_у, равную по величине МДСi_рω_ррабочей обмотки и направленную ей навстречу.

Равенство МДС для средних за период значений токов I_риI_уполучило названиезакона равенства магнитодвижущих сил:

I_рω_р = I_уω_у.

Этот закон справедлив, когда при насыщении одного сердечника второй остается ненасыщенным, т. е. при 0 < α_нас ≤ π.

Когда α_нас=0 и оба сердечника насыщены в течение всего периода, закон теряет силу. Отсюда следует, что непрерывное увеличение тока управления не может вызвать непрерывного увеличения рабочего тока. При некоторомI_уугол насыщения становится равным нулю, рабочий ток достигает своего максимального значения и при дальнейшем увеличении сигнала остается неизменным.

Из аналитического выражения закона равенства МДС можно получить уравнение рабочего участка статической характеристики (рис.4, кривая а) идеального МУ: I_р =.

Сердечники реальных МУ имеют кривые намагничивания, отличающиеся от идеальной конечной крутизны ненасыщенных участков и плавными очертаниями. Эти свойства сердечников существенно влияют на статическую характеристику МУ.

Во-первых, она становится криволинейной, с плавными очертаниями, и, во-вторых, рабочий ток при I_у = 0имеет конечное значение, равное величине тока намагничивания (рис.4, кривая б).

Статические свойства МУ характеризуются следующими величинами: коэффициентом кратности К= I_рm / I₀; коэффициентами усиления по токуК_i = dI_p / dI_у, напряжениюК_u= dU_н/ dU_уи мощностиК_р= dР_м/ dР_у.

В тех случаях, когда I_рm ≥ I_0, для определенияК_i;К_uиК_рможно пользоваться идеальной характеристикой и тогда

К_i= К_u= К_р= (2)

Рассмотренные однотактные МУ, как это видно из статических характеристик, не реагируют на изменение полярности управляющего сигнала.

Рис. 5

Однотактный МУ можно сделать чувствительным к знаку сигнала, введя начальное смещение специальной обмоткой смещения W_см(рис.5, а). Эта обмотка получает питание от независимого источника постоянного напряженияU_см. Поле, создаваемое этой обмоткой, накладывается на поле обмотки управления, и их сумма определяет полное подмагничивающее поле МУ. Теперь приI_у=0ток в нагрузке не равен току холостого хода, а определяется величиной МДС смещения. В зависимости от полярности сигнала ток в нагрузке будет увеличиваться или уменьшаться относительно начального значения. Он будет увеличиваться при совпадении полей и уменьшаться в обратном случае (рис. 5,б).

Магнитные усилители с обратной связью.В схемах МУ широко применяется магнитная обратная связь (ОС), при которой взаимодействие между выходом МУ и его входом обеспечивается сложением МДС, пропорционально входному и выходному сигналам. При наличии ОС сердечники МУ подмагничиваются суммарным полем с напряженностьюН_∑ = Н_у Н_ос, где плюс соответствует положительной, а минус отрицательной ОС. Различают два вида магнитной ОС: внешнюю и внутреннюю. Внешняя ОС осуществляется введением специальной обмотки обратной связиW_ос, которая питается выпрямленным током нагрузки. Внутренняя ОС создается включением в рабочую цепь вентилей. При этом по рабочим обмоткам течет выпрямленный однополупериодный ток, постоянная составляющая которого и создает необходимуюН_ос.

Схема однотактного МУ с внешней ОС по току нагрузки показана на рисунке 6, а. По цепи обмотки W_оспротекает токI_ос, среднее значение которого равно среднему значению токаI_н. По принципу действия этот МУ отличается от описанного ранее однотактного магнитного усилителя.

Разница в том, что здесь подмагничивающее поле создается совместным действием W_уиW_ос, т. е.Н_∑ =Н_у+Н_ос. Закон равенства МДС в данном случае имеет видI_рω_р= I_уω_у + I_осω_ос. Так как обмоткаW_освключена в цепь нагрузки последовательно, тоI_ос=I_р, тогда

I_р = I_у+I_р,(3)

Обозначив коэффициент обратной связи К_ос = и коэффициент усиления по току МУ без ОСК_i = , получим аналитическое выражение статической характеристики (рис.6,б)

I_р = или I_р = .(4)

Введение положительной ОС увеличивает коэффициент усиления по току и напряжению в (1- К_ос) раз, по мощности в (1- К_ос)²раз.

Рис.6. Однотактный МУ с внешней ОС;

а- принципиальная схема; б и в – статические характеристики

Рис.7. Схемы однотактных МУ с внутренней ОС:

а – с выходом на переменном токе; б,в – с выходом на постоянном токе.

С увеличением К_оскоэффициенты усиления растут. ПриК_ос = 1. Статическая характеристика имеет вертикальный участок. ЕслиК_ос > 1, статическая характеристика содержит участок с отрицательным наклоном (рис.6,а), а МУ переходит в релейный режим. С ростомК_осстатическая характеристика смещается влево. Это объясняется тем, что начальный токI₀, протекая по виткамW_ос, создает начальное подмагничивание, смещающее характеристику.

При К_ос 1увеличивается нестабильность МУ и чувствительность к колебаниям напряжения и температуры. Исходя из этого, величинуК_особычно выбирают в пределах 0,95 – 0,97. На рис.7 приведены схемы простейших однотактныхМУ с внутренней обратной связью. Вентили в рабочих цепях МУ включены так, что напряжение питания в каждый полупериод оказывается приложенным к одной из обмотокW_р. По каждой обмотке течет однополупериодный выпрямленный ток, МДС от постоянной составляющей которого и создает эффект положительной ОС. МУ с внутренней ОС называют также усилителями с самонасыщением. Это название связано с тем, что постоянное поле, созданное рабочим током, стремится насытить сердечники МУ даже при отсутствии управляющего сигнала. Состояние насыщения при этом наступает уже через один или несколько полупериодов после подачи питания. В этом смысле внутреннюю ОС можно рассматривать как положительную. Из этого следует, что управление МУ с внутренней ОС возможно лишь сигналами, выводящими сердечники из состояния самонасыщения, т. е. отрицательными по отношению к постоянной составляющей поля рабочих обмоток.

Рис.8. Кривые переменных величин однотактного МУ с внуренней ОС:

а – напряжения; б, в, г – индукции.

В положительный полупериод напряжение питания, когда соответствующие вентили (вентиль) открыты, процессы в дросселе целиком определяются МДС, создаваемой рабочей обмоткой. Поэтому положительный полупериод называется рабочим. В следующий, отрицательный для данных W_р иВ, полупериод магнитное состояние сердечника и процессы в дросселе определяются лишь МДС обмоткиW_у. Этот полупериод называется управляющим.

Очевидно, что при поданном питании каждый полупериод для одного сердечника будет рабочим, а для другого управляющим. В следующем полупериоде они как бы меняются местами. Процессы в сердечниках оказываются сдвинутыми на половину периода.

Работу усилителя с внутренней ОС рассмотрим на примере схемы, изображенной на рис.7,а. Допустим, что первый положительный полупериод напряжения питания является рабочим для сердечника Iи управляющим для сердечникаII.

Под влиянием приложенного напряжения (рис.8,а) индукция в насыщающемся сердечнике Iбудет изменяться по законуВ_I=В_у+В_m(I – cosα_нас), гдеВ_у– начальный уровень индукции, достигнутый в сердечнике в предыдущем управляющем полупериоде.

Этот же полупериод для сердечника IIявляется управляющим. Индукция в нем будет уменьшаться от+В_s доВ_упо законуВ_II =В_s - В_m(1 – cosα_нас) (рис. 8,б). Приращение индукции в первом (ΔВ_р) и во втором сердечнике (ΔВ_у) в установившемся режиме будет равно, т. е.=, и к моменту насыщения первого из них (=cosα_нас) индукция во втором сердечнике достигает значенияВ_у. В оставшуюся часть полупериода (α_нас ≤ ≤ π) ЭДС самоиндукции рабочей обмотки будет равна нулю, и все напряжение питания окажется приложенным к сопротивлению нагрузки. По обмоткеW_p1 иR_нтечет токi_н. В момент = πнапряжение питания изменяет свой знак, сердечники как бы меняются местами, и процесс повторяется. Величина К_осМУ с самонасыщением примерно равна единице.

Инструктивно-методическое указание по проведению лабораторного занятия №1 обсуждено и одобрено на заседании кафедры « Электрические системы электропотребления»

Протокол №______от «_______»_________________2009г.