Исследование магнитного усилителя

Цель работы: Ознакомиться с устройством и принципом действия дроссельного магнитного усилителя (МУ). Ознакомиться с назначением обратной связи и ее действием в магнитном усилителе. Научиться снимать основные характеристики МУ и определять коэффициенты усиления

Общие положения

В системах автоматики усилители применяют для усиления мощности сигналов датчиков, как правило, недостаточных по мощности для приведения в действие исполнительных элементов. В некоторых случаях одновременно с усилением входного сигнала в усилителе осуществляется и его качественное преобразование: постоянный ток преобразуется в переменный, переменный - в постоянный и т.д. В зависимости от вида энергии вспомогательного источника усилители делятся на электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные. Рассмотрим устройство и принцип действия одного из электрических усилителей – дроссельного магнитного усилителя (МУ), который представляет собой катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником и дополнительной управляющей обмоткой Wy, позволяющей изменять индуктивность основной (рабочей) обмотки Wр за счет подмагничивания материала сердечника при протекании по управляющей обмотке постоянного тока Iу (рис. 9.1).

Нагрузка усилителя Rн подключается последовательно с рабочей обмоткой Wр к источнику переменного напряжения Uр. Входным сигналом является ток Iу и напряжение Uу. Выходным сигналом – Iр; Uр. Основным элементом МУ является ферромагнитный сердечник, характеризующийся нелинейной кривой намагничивания B=f(H) (рис.9.2).

Рис. 9.1 Дроссельный магнитный усилитель

 

При отсутствии входного напряжения Uу (холостой ход) под воздействием переменного напряжения Uр в обмотке Wр будет течь синусоидальный ток Iр. Последний создаст в сердечнике синусоидальный магнитный поток Ф_~, а следовательно, и магнитную индукцию В_~ (рис.9.2). Проектируя значение индукции на кривую намагничивания, находим изменения напряженности поля H_0~.

Рис. 9.2 Кривая намагничивания

 

Очевидно, что амплитуда напряженности H_0~ будет в этом случае тем меньше, чем круче кривая намагничивания материала сердечника. При подаче на вход напряжения Uу, последнее вызовет в обмотке Wy постоянный ток Iy. Этот ток обусловит появление постоянного магнитного поля напряженностью Н_ и индукцией В_. Постоянное и переменное магнитные поля суммируются, в результате рабочая точка переместится в область нелинейного участка кривой намагничивания на величину В_.

Построив для этого случая кривую изменения напряженности Н~, видим, что ее значение стало больше, чем в режиме холостого хода. Рассмотренное изменение магнитного состояния сердечника можно оценить соответствующим измерением его магнитной проницаемости:

µ~ .

Очевидно, в первом случае магнитная проницаемость была выше, чем во втором. Подача управляющего сигнала Uy привела к уменьшению индуктивности рабочей обмотки:

,

где µo=4*p* - магнитная проницаемость вакуума;

S – площадь сечения сердечника;

L – длина средней силовой линии.

Соответственно уменьшению индуктивности Lp, уменьшится индуктивное сопротивление рабочей обмотки X_L=w*Lp, а значение тока, протекающего в рабочей цепи увеличится:

.

Таким образом, подав на вход усилителя сигнал Uy, получим изменение тока в цепи нагрузки Ip как результат последовательных преобразований, происходящих в МУ. Эту цепь преобразований можно условно представить в следующем виде:

Iy­®H-­®H~­®m~¯®Lp¯®Xi¯®Zp¯®Ip ­

Рассмотренный дроссельный МУ является простейшим и имеет следующие недостатки:

1. Переменный магнитный поток Ф_~, создаваемый рабочим током, индуцирует в управляющей обмотке переменную Э.Д.С. (как во вторичной обмотке трансформатора), в результате чего в управляющей цепи МУ протекает переменный ток, что приводит к искажению формы входного сигнала.

2. Характеристика такого усилителя нелинейно и симметрично не реверсивна. Такой усилитель изменяет амплитуду тока в нагрузке, но фаза тока остается постоянной.

3. Наличие тока холостого хода снижает к.п.д. усилителя.

Для устранения этих недостатков применяют более сложные схемы МУ.

Одним из достоинств магнитного усилителя является высокая стабильность характеристики “вход-выход ” Ip=f(Iy). Это позволяет вводить в МУ обратную связь, которая подает часть выходного сигнала на вход (рис.9.5).Обратная связь (ОС) в МУ создается дополнительным подмагничиванием материала сердечника. Для этого на сердечник наматывается дополнительная обмотка обратной связи Wо.с., включенная последовательно с рабочей обмоткой и нагрузкой. Чтобы получить эффект подмагничивания, обмотка Wо.с. включена через выпрямительный мост, т.к. выходной ток МУ переменный. Выпрямленный ток Iо.с. протекает по обмотке и создает магнитный поток обратной связи, направление которого постоянно и зависит от полярности тока Iо.с.

Если магнитные потоки обратной связи и управления одного направления, то обратная связь будет положительной; если они направлены встречно (вычитаются), то обратная связь - отрицательна. Характеристика “вход - выход” МУ с обратной связью несимметрична.

Порядок выполнения работы

На рис.9.3 приведена схема дроссельного магнитного усилителя.

Снять зависимость Z=f(Iy), изменяя величину тока управления Iy в обмотке управления Wy от 0 до 7 mA (изменением положения подвижного контакта реостата Ry), измерить ток Iн, напряжение U на рабочей обмотке Wp.

Данные опыта занести в таблицу 9.1.

Вычислить величину полного сопротивления Z и построить характеристику Z=f(Iy).

 

Рис. 9.3 Лабораторная схема дроссельного магнитного усилителя

 

Таблица 9.1

Iy,mA	0	1	2	3	4	5	6	7
Iн, mA
U, B
Z, Ом

 

Собрать схему (рис.9.4). Снять характеристику “вход – выход” (Iн=f(Iy)) для дроссельного магнитного усилителя.

 

Рис. 9.4 Лабораторная схема симметричного магнитного усилителя

 

Изменяя величину тока управления Iy от -7mA до +7mA, измерить величину рабочего тока Ip в рабочей цепи. Данные опыта занести в таблицу 9.2 и построить характеристику “вход – выход”.

 

Таблица 9.2

Iy, mA	-7	-6	-5	-4	-3	-2	-1
Iн, mA

 

Собрать схему рис. (9.5).Снять характеристику "вход - выход" Iн=f(Iy) для дроссельного МУ с обратной связью. Изменяя ток управления Iy от +7mA до 0, измерить величину рабочего тока Ip для случая положительной обратной связи; изменяя Iy от -7mA до 0, измерить величину рабочего тока Ip для случая отрицательной обратной связи.

Рис. 9.5Лабораторная схема магнитного усилителя с обратной связью

 

Данные опыта занести в таблицу 9.3; по результатам опыта построить характеристику "вход - выход".

 

Таблица 9.3

Iy,mA	-7	-6	-5	-4	-3	-2	-1
Iн,mA

 

Пользуясь данными таблиц 9.2 и 9.3, и учитывая, что Rн =200 Ом, а Ry =400Ом, рассчитать коэффициент усиления:

-по току ;

- по напряжению ;

- по мощности .

Для случаев, когда обратная связь отсутствует, ОС положительная, ОС отрицательная. Данные занести в таблицу 9.4.

 

Таблица 9.4

К	Кi	Ku	Kp
Без ОС
ОС полож.
ОС отр.

Содержание отчета

Краткое описание принципа действия дроссельного МУ, схемы опытов рис.9.3, 9.4, 9.5, заполненные таблицы 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, графики характеристик Z=f(Iy), Iн=f(Iy) опытов.

 

9.3. Контрольные вопросы

1.Назначение, устройство и принцип действия МУ.

2.Пояснить зависимость Z=f(Iy).

3.Что представляет собой характеристика "вход - выход" и как она экспериментально снимается.

4.Назначение и принцип действия обратной связи в МУ.

5.Коэффициенты усиления Кi;Ku;Kp порядок их расчета. Влияние обратной связи на коэффициент усиления.

 

ЛИТЕРАТУРА

Основная

 

1. Автоматизация технологических процессов легкой промышленности: учебник для вузов / Л. Н. Плужников [и др.]; под ред. Л. Н. Плужникова. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва: Легпромбытиздат, 1993. – 368 с.: ил.

2. Автоматизация типовых технологических процессов и установок: учебник для вузов / А. М. Корытин [и др.]. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва: Энергоатомиздат, 1988. – 432 с.: ил.

3. Курсовое и дипломное проектирование по автоматизации производственных процессов: учебное пособие для студентов вузов обуч. по спец. «Автоматизация и комплексная механизация химико-технол. процессов» / И. К. Петров [и др.]. – Москва: Высшая школа, 1986. – 352 с.: ил.

4. Справочник по средствам автоматики / под ред. В. Э. Нидэ, И. В. Антика. – Москва: Энергоатомиздат, 1983. – 504 с.: ил.

5. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / под общ. ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова. – Москва: Энергоатомиздат, 1988. – 2 т.

6. Автоматизация производственных процессов текстильной промышленности: учебник для вузов: в 5 кн. / Д. П. Петелин [и др.]. – Москва: Легпромбытиздат, 1993. – 5 кн.

7. Айзенберг, Л. Г. Автоматизация производственных процессов и АСУ в легкой промышленности / Л. Г. Айзенберг, А. Б. Кипнис, Ю. И. Стороженко. – Москва: Легпромбытиздат, 1990. – 304 с.:ил.

8. Орловский, Б. В. Основы автоматизации швейного производства: учебник для сред. спец. учеб. заведений / Б. В. Орловский. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва: Легпромбытиздат, 1988. – 248 с.: ил.

 

Дополнительная

 

9. Средства автоматического контроля параметров технологических процессов текстильной промышленности / В. И. Киселев [и др.]; под ред. В. И. Киселева. – Москва: Легпромбытиздат, 1990. – 224 с.: ил.

10. Автоматизация измерений и контроля электрических и неэлектрических величин: учеб. пособие для вузов / Н. Д. Дуборовой [и др.]; под ред. А. А. Сазонова. – Москва: Изд-во стандартов, 1987. – 328 с.: ил.

11. Карташова, А. Н. Технологические измерения в текстильной и легкой промышленности: учебник для студ. вузов, обуч. по спец. «Автоматизация и комплексная механизация химико-технол. процессов» / А. Н. Карташова, В. С. Дунин-Барковский. – Москва: Легкая и пищ. пром-сть, 1984. – 312 с.: ил.

12. Сорочкин, Б. М. Автоматизация измерений и контроля размеров деталей / Б. М. Сорочкин. – Ленинград: Машиностроение, 1990. – 365 с.: ил.

13. Иващенко, Н. Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем: учебник для втузов / Н. Н. Иващенко. – 4-е изд., перераб. и доп. – Москва: Машиностроение, 1978. – 736 с.: ил.