Принцип дії і основні співвідношення магнітного підсилювача

Принцип дії магнітного підсилювача заснований на використанні явища насичення феромагнітних матеріалів в магнітному полі, тобто нелінійності їх характеристик намагнічування B = f (H) (рис. 2.15, а).

У простому вигляді магнітний підсилювач є дросель насичення змінного струму, в ланцюг якого послідовно з робочою обмоткою w _p включений опір навантаження R _н. Вихідна напруга U _ВИХ знімається з навантаження R _B.

Вважатимемо, що струм в робочому ланцюзі I є синусоїдальним і його значення можна знайти по формулі:

,                                               (2.14)

 

де U - напруга живлення магнітного підсилювача;

R - повний активний опір робочого ланцюга;

х _р - індуктивний опір робочої обмотки.

Рисунок 2.15 - Простий дросельний магнітний підсилювач

а - залежність магнітної індукції В від напруженості магнітного поля Н; б - схема.

 

Повний активний опір робочого ланцюга R складається з активного опору навантаження R_Н і активного опору робочої обмотки R _p. Індуктивний опір робочої обмотки х _р визначається по формулі:

                                                      (2.15)

 

де ω=2π f - кутова частота живлення робочого ланцюга;

L _p - індуктивність робочої обмотки, визначувана по формулі:

                                                (2.16)

 

тут ω - число витків робочої обмотки;

S _c - площа поперечного перетину феромагнітного сердечника;

l _с - довжина середньої магнітної лінії сердечника;

μ_с - магнітна проникність сердечника.

Підставимо у формулу (2.14) замість х _р вираз ω L _p. Тоді формулу (2.14) можна записати в наступному вигляді:

.                                          (2.17)

 

З формули (2.19) виходить, що струм в робочому ланцюзі, або в навантаженні, залежить від індуктивності робочої обмотки L _p, яка згідно формули (2.18) пропорційна μ_с (L _p ≡μ_с). У свою чергу магнітна проникність феромагнітного сердечника μ_с залежить від магнітної індукції В і напруженості зовнішнього магнітного поля Н (μ_с =Δ В /Δ Н). За відсутності напруги U _y, що управляє, на вході дросельного магнітного підсилювача напруженість постійного магнітного поля Н =0. В цьому випадку магнітна проникність μ_с має велике значення. Отже, індуктивність L _p і індуктивний опір робочої обмотки х _р мають також великі значення. В даному випадку струм в робочому ланцюзі I має невелике значення. Його зазвичай називають струмом холостого ходу. При цьому велика частина змінної напруги U падає на робочій обмотці w _p, а незначна частина - на навантаженні R _н (рис. 2.19, б).

При подачі на вхід підсилювача напруги U _y, що управляє, по ланцюгу управління потече струм управління I _у, в результаті якого виникає напруженість постійного магнітного поля Н. Феромагнітний сердечник підсилювача насищається і його магнітна проникність μ_с падає. Отже, індуктивний опір робочої обмотки х _р також падає, внаслідок чого струм в робочому ланцюзі збільшується. В цьому випадку велика частина змінної напруги U падає вже на навантаженні R _н, а менша частина - на робочій обмотці ω_р.

Слід відмітити, що за допомогою струму управління I _у можна регулювати струм в робочому ланцюзі, тобто струм в навантаженні I _н.

Якщо обмотку управління w _y виконати з числом витків, що у багато разів перевищує число витків робочої обмотки ω_р, то отримаємо ефект посилення по струму.

До основних властивостей магнітних підсилювачів можна віднести:

• високу надійність і великий термін служби. Це пояснюється тим, що підсилювачі є статичними пристроями, оскільки вони не мають рухомих частин. Вони, як правило, працюють в широкому діапазоні зміни температури, тиску і вологості. Підсилювачі вибухо- і пожежобезпечні, тому що в них відсутні джерела іскріння;
• готовність до роботи після включення живлення (не потрібне розігрівання);
• високий ККД;
• великий поріг чутливості. Магнітні підсилювачі можуть підсилювати слабкі сигнали постійного струму потужністю 10^-19-10^-17 Вт;
• велику вихідну потужність (вона може досягати сотень тисяч кіловат);
• великий коефіцієнт посилення по потужності (наприклад, для одного каскаду він може бути рівний 10⁶);
• зменшення габаритів і маси магнітного підсилювача з підвищенням частоти (400 Гц і вище).

Магнітні підсилювачі в автоматиці використовуються як дроселі насичення або керованої індуктивності, підсилювачі-перетворювачі сигналів постійного струму в змінний, магнітні модулятори, підсилювачі потужності для управління двигунами змінного струму, безконтактні магнітні реле, а також як регулятори напруги, частоти і температури.

Найбільш істотним недоліком магнітних підсилювачів в порівнянні з електронними і напівпровідниковими підсилювачами є їх велика інерційність, яка викликана індуктивністю обмотки управління L _y. Інерційність в основному визначається відставанням в часі струму управління I _у від напруги управління U _у.

Гідро- пневмопідсилювачі

Ці підсилювачі за принципом дії підрозділяються на дросельні і струменеві.

До дросельних підсилювачів в першу чергу слід віднести золотникові підсилювачі. Золотниковим підсилювачем є спеціальний прецизійний механічний пристрій, який складається з гільзи з дроселюючими вікнами і плунжера, що переміщається усередині неї. Воно призначається для розподілу по робочих трубопроводах тиску і витрати робочого середовища (масла або повітря), що поступає по напірному трубопроводу. Золотники бувають плоскі і циліндрові. Найчастіше застосовуються циліндрові золотники.

На рис. 2.16 приведена схема підсилювача на основі відсічного золотника. Тут здійснюється управління двостороннім приводом, тобто робоче середовище під тиском подається то в одну, то в іншу порожнину робочого циліндра. Золотниковий пристрій складається з гільзи 1 і плунжера 2, що переміщається усередині цієї гільзи під дією вхідної величини х, що управляє. Переміщаючись, плунжер перекриває вікна в гільзі, що ведуть до трубопроводів 4 і 3, що забезпечує подачу робочого середовища у відповідну робочу порожнину виконавчого циліндра. По трубопроводу 6 до золотника підводиться під тиском робоче середовище, а по трубопроводах 5 і 7 його відведення від золотника. Плунжер 2 є здвоєним поршнем або цілісною циліндровою деталлю з проточками і в середньому положенні перекриває одночасно обидва вікна, що ведуть до трубопроводів 4 і 3, Цим відсікається надходження робочого середовища в робочий циліндр або відтік її звідти.

Рисунок 2.16 - Схема золотникового гідропідсилювача:

1 - гільза; 2 - плунжер; 3 - трубопровід підведення (відведення) до (з) робочої порожнини; 4 - трубопровід підведення (відведення) до (з) робочої порожнини;

5, 7 - трубопроводи відведення від золотника; 6 - трубопровід підведення до золотника

 

При зсуві плунжера щодо середнього положення відповідні вікна відкриваються для подачі робочого середовища в ту або іншу порожнину робочого циліндра і для відтоку її з іншої порожнини. Швидкість переміщення робочого поршня визначається ступенем відкриття відповідного вікна.

Золотникові підсилювачі цього типу дозволяють отримувати на виході потужність 100 кВт при дії на плунжер потужності близько декількох ватів.

Різниця між визначальним розміром вікна гільзи і шириною поршня плунжера називається величиной перекриття золотника. Залежно від знаку такого перекриття розрізняють:

• золотники з позитивним перекриттям, коли ширина поршня плунжера більше визначального розміру вікна гільзи;

• золотники з нульовим перекриттям, коли ширина поршня плунжера дорівнює визначальному розміру вікна гільзи;

• золотники з негативним перекриттям, коли ширина поршня плунжера менше визначального розміру вікна гільзи.

Відсічні золотники виконують з позитивним перекриттям, чим досягається щільніше відсічення подачі робочого середовища, але при цьому виникає відповідна зона нечутливості.

Навпаки, проточні золотники виконуються з негативним перекриттям, унаслідок чого через золотник такого типу завжди проходить потік робочого середовища.

У струменевих гідро- і пневмопідсилювачах як підсилювальний елемент використовується струменева трубка. Відповідна конструктивна схема і статична характеристика такого підсилювача приведені на рис. 2.17.

 

Рисунок 2.17 - Конструктивна схема (а) і статична характеристика (б) гідро- або пневмопідсилювача на базі струменевої трубки:

1, 2 - приймальні сопла; 3 - приймач; 4 - поворотна трубка; 5 - вісь; 6 -

противага

 

Відповідно до рис. 2.17 струменевий гідро- або пневмопідсилювач складається з поворотної трубки 4, в яку подається робоче середовище, і приймача 3 з соплами 1 і 2. Під дією сигналу х, що управляє, струменева трубка 4 повертається навколо осі 5, внаслідок чого змінюється напрям струменя робочого середовища і її надходження в приймальні сопла 1 і 2. Зазвичай гідро- і пневмопідсилювачі на базі поворотних струменевих трубок забезпечуються також противагами 6, призначеними для утримання цієї трубки в рівноважному положенні.

Струменеві гідравлічні трубки працюють з тиском масла 4...8 бар при витраті через трубку 5... 10 л/хв. Максимальне відхилення такої трубки складає зазвичай

1...2 мм. Гідро- і пневмопідсилювач і бувають і одно- і двохкаскадні.

 

Контрольні запитання

1. Який склад мікропроцесорної системи?

2. Перечисліть функціональні можливості мікропроцесорної системи?

3. Які основні вимоги до датчиків?

4. Які датчики відносяться до параметричних?

5. Які датчики відносяться до генераторних?

6. Які підсилювачі використовуються в системах автоматизації ГЕС?

7. Склад гідропідсилювача.