Управляемые индуктивные элементы. Ферромагнитные усилители мощности. (ФУМ)

Возьмем стержневой магнитопровод с двумя обмотками.

 

① - рабочая обмотка, запитывается переменным током;

②- обмотка подмагничивания, запитывается постоянным током, причем он может регулироваться по величине.

Предположим, что существует только первая гармоника, тогда можем записать в комплексном виде:

X_L – эквивалентное индуктивное сопротивление цепи.

L – состоит из индуктивности рабочей обмотки, L сердечника и L обмотки управления (подмагничивания).

Тогда регулируя индуктивность сердечника, можно регулировать X_L, а регулируя X_L можно регулировать U.

Для регулировки L можно использовать насыщение сердечника (чем оно больше, тем меньше индуктивность). Степенью насыщения можно управлять с помощью магнитного потока, созданного обмоткой подмагничивания (чем больше I₀, тем насыщение больше). Эти элементы используют для поддержания требуемого напряжения в контактной сети и ЛЭП, так же в качестве регулируемой индуктивной нагрузки при испытании электрических машин. ФУМ как правило, состоит из двух стрежневых магнитопроводов, на которые намотаны рабочие обмотки соединенные последовательно и две обмотки подмагничивания. Причем рабочие обмотки и обмотки подмагничивания включены встречно.

 

Рисунок 4

Горизонтальными стрелками указаны направления МДС и магнитных потоков созданных рабочими обмотками w (намотанными в противоположных направлениях), вертикальными стрелками – направление МДС и магнитных потоков созданных обмотками подмагничивания w₀.

Принцип действия такой же как в управляемом элементе: чем больше i₀, тем сильнее подмагничивание и меньше X_L переменному току со стороны рабочих обмоток (из-за насыщения), поэтому напряжение на рабочей обмотке U₂ будет меньше при заданном токе I.

Построим семейство кривых U_L = f(Ir) при разных значениях подмагничивающего тока i₀.

Для удобства дальнейших рассуждений по оси абсцисс вместо тока I отложено пропорциональное ему при r = const падение напряжения на приемнике.

Рисунок 5

Для упрощения расчета вводим вместо реальных кривых напряжений и токов эквивалентные синусоиды. Пренебрегаем потерями в сердечниках и обмотках катушек. Тогда можем считать, что напряжения Ir и U_L, сдвинуты по фазе на угол π/2.

Составляем уравнение по ВЗК[1]:

Возведём в квадрат полученное выражение:

Учтём, что напряжения Ir и U_L сдвинуты по фазе на угол 90⁰

(cos 90⁰ = 0) следовательно .

При U = const это уравнение определяет окружность радиуса U с центром в начале координат (рис.5). Точки пересечения окружности с характеристиками, построенными при различных значениях i₀, дают возможность найти зависимость I от i₀. Если ток i₀ в управляющей обмотке будет изменяться с частотой, значительно меньшей, чем частота f, то это вызовет соответствующее изменение
действующего тока I в приемнике.

При условии  получаем возможность управления значительной мощностью в приемнике при незначительной мощности в управляющей цепи, т.е. получаем усилитель мощности.

Обмотки данного усилителя (рис. 4) намотаны встречно, чтобы четные гармоники в цепи нагрузки взаимно компенсировались. Они появляются из-за подмагничивания сердечника. Здесь так же компенсируются ЭДС частоты 50Гц вызываемые рабочим током у в управляющих обмотках.