Однотактный магнитный усилитель

Для устранения недостатков простейшего магнитного усилителя применяют конструкцию, состоящую из двух дросселей. При этом рабочие обмотки Wр соединяют либо параллельно, либо последовательно, но так, чтобы в обоих случаях магнитные потоки, создаваемые током в сердечниках, охваченных обмоткой управления Wу, были направлены встречно и благодаря этому не индуктировали в ней Э.Д.С. основной частоты. Такие усилители получили название однотактных.

При параллельном соединении рабочих обмоток рис.1.3

Рисунок 1.3. – Однотактный усилитель с параллельным соединением рабочих обмоток

и синусоидальном напряжении U~ в каждом из сердечников будут проходить синусоидально изменяющиеся магнитные потоки Ф₁~ и Ф₂~, создаваемые токами в обмотках Wp₁ и Wp₂. При согласованном включении обмоток потоки находятся в противофазе рис.1.4,а, что для обмотки управления равносильно отсутствию переменного потока в сердечнике Ф~= Ф₁~ + Ф~₂=q. Очевидно, что в этих условиях Э.Д.С. основной частоты не индуктируется.

Рисунок 1.4 – Графики изменения: а- магнитных потоков, б- токов

При подаче управляющего сигнала, в один полупериод питающего напряжения поток Фу будет складываться с потоком Ф₁~ в одном сердечнике и вычитаться с Ф₂~ в другом, а каждый последующий полупериод, наоборот вычитаться с Ф₁~ и складываться с Ф₂~. Нелинейность кривой намагничивания приводит к тому, что проходящие через обмотки Wр₁ и Wр₂ токи оказываются несимметричными, содержащими четные гармоники рис.1.4,б. Так как ток в нагрузке равен сумме токов, протекающих через обмотки Wp₁ и Wp₂, то он симметричен, т.е. не содержит четных гармоник, которые циркулируют лишь внутри замкнутого контура, создаваемого обмотками Wp₁ и Wp₂. В результате параллельное соединение рабочих обмоток позволяет создать хорошо управляемый магнитный усилитель с симметричной формой тока в нагрузке, свободный от отмеченных ранее двух недостатков.

Однако короткозамкнутый контур, состоящий из обмоток Wp₁ и Wp₂ существенно увеличивает постоянную времени усилителя. Поэтому в тех случаях, когда необходимо получить минимальное время запаздывания, применяют последовательное соединение рабочих обмоток.

При последовательном соединении рабочих обмоток Wp₁ и Wр₂ рис.1.5 через нагрузку и обмотки проходит один и тот же ток, который будет симметричен т.к. сумма Хр₁ и Хр₂ в различные полупериоды питающего напряжения остается постоянной. Действительно, если в один полупериод Ф~₁ и Фу складываются, а Ф~₂ и Фу вычитаются и Х’р₁< Х’р₂, то в последующий полупериод происходит обратное и возникает неравенство Х”р₁ > Х”р₂. Очевидно, что при равенстве параметров сердечников и обмоток Х’р₁ = Х’’р₂ и Х”р₁ = Х’р₂. Однако синусоидальность проходящего через рабочие обмотки тока нагрузки, а следовательно, и синусоидальность напряженности поля H~ приводит

Рисунок 1.5 – Однотактный магнитный усилитель с последовательным соединением рабочих обмоток

в результате нелинейности кривой намагничивания рис.1.6,а к асимметрии магнитной индукции, а следовательно потока в сердечниках рис.1.6,б

Эти несимметричные (содержащие четные гармоники) потоки индуктируют в обмотке управления несимметричные Э.Д.С. Е₁ и Е₂, сумма которых создает в цепи управления ток удвоенной частоты. Величина тока двойной частоты в обмотке управления зависит от числа витков и сопротивления цепи обмотки, и при определенных условиях Э.Д.С. в ней достигает весьма больших значений. Поэтому в устройствах, где появление в обмотке управления больших по величине Э.Д.С. удвоенной частоты нежелательно, следует отдать предпочтение параллельному соединению рабочих обмоток.

Рисунок 1.6 – Графики изменения: а- магнитной индукции; б- магнитных потоков и э.д.с.

Основной характеристикой магнитного усилителя является статическая. Это зависимость действующего или среднего значения тока в нагрузке от тока управления рис.1.7. На характеристике можно отметить две характерные точки I (точа пересечения характеристики с осью ординат), определяющая ток холостого хода – I₀, и точку, лежащую непосредственно за перегибом кривой и соответствующей максимальному току Iк.Отношение этих величин называют коэффициентом кратности тока в нагрузке.

Рисунок 1.7. – Статическая характеристика МУ

Наряду со статической характеристикой установившийся режим работы магнитного усилителя характеризуется также коэффициентами усиления и полезного действия.

Коэффициент усиления по току представляет собой отношение приращения тока в цепи нагрузки ∆Iн к приращению тока в цепи управления ∆Iу, а с учетом закона равенства м.д.с. (Iу∙Wу=Iн∙Wр)

. (1.6)

Коэффициент усиления по напряжению:

. (1.7)

Коэффициент усиления по мощности:

(1.8)

У реальных магнитных усилителей коэффициент К_Р= 10-100. Коэффициент полезного действия магнитного усилителя учитывает потери в рабочих обмотках усилителя:

, (1.9)

где R=R_H + R_P – суммарное активное сопротивление нагрузки R_H и рабочих обмоток R_P.

При использовании магнитного усилителя в качестве элемента системы автоматического регулирования важное значение имеют его динамические свойства. При внезапном изменении входного напряжения ток управления устанавливается не сразу из-за влияния индуктивности обмотки управления, ток и напряжение нагрузки практически не отстают во времени от тока управления. Переходные явления в магнитных усилителях носят весьма сложный характер. На их характер и скорость влияют процессы в цепях управления, обратной связи, смещения, рабочих обмоток, а также перемагничивание стали, гистерезис, вихревые токи, вид нагрузки. Но, как показывает опыт, магнитный усилитель, если иметь ввиду линейную часть статической характеристики, может быть описан в виде:

, (1.10)

где - постоянная времени, с;

- коэффициент усиления по напряжению.

Уменьшить постоянную времени Т можно за счет применения положительной обратной связи, увеличения частоты питающего напряжения.