Магнитные усилители

Принцип действия основан на использовании нелинейных магнитных характеристик ферромагнитных материалов (изменения индуктивности рабочей обмотки в зависимости от насыщения ферромагнитного сердечника).

Достоинства МУ: высокая надежность, практически неограниченный срок службы, большая выходная мощность, возможность усиления малых сигналов. Их используют как усилители входных сигналов, поступающих от датчиков и других элементов автоматики, применяют в измерительных устройствах, вычислительных машинах.

Данные устройства подразделяются на нереверсивные (однотактные) и реверсивные (двухтактные).

МУ состоит их замкнутых ферромагнитных сердечников (их бывает обычно 2 или 3) на каждом из которых располагается обмотка. Одна из них является управляющей, а другие рабочими. МУ также называются дроссельными. Данные устройства подразделяются на реверсивные (однотактные) и реверсивные (двухтактные). Катушки могут работать от одно-и трехфазных токов, а выходной величиной может быть переменный, либо постоянный ток. Как правило, рабочая катушка питается, переменным током, а управляющая – постоянным.

Р ассмотрим МУ, состоящий из трех сердечников. Его рабочая часть состоит из двух обмоток W₁ и W₂, которые расположены на крайних сердечниках и подключаются между собой последовательно и встречно, либо встречно-параллельно. Чаще подключение последовательное. Сопротивление нагрузки R_н подключается в цепь либо последовательно рабочим обмоткам, либо (реже) параллельно им. Обмотка управления W_У, расположенная на среднем сердечнике, обеспечивает его подмагничивание. Следовательно, от изменения тока в ней будет зависеть ток в рабочих обмотках и цепи нагрузки, а также выходное напряжение, т.е.

U_вых = f(U_др) или I_н= f(I_у).

При анализе работы МУ для получения статических характеристик обычно рассматривают идеальное устройство, имеющее следующую характеристику намагничивания

В = (Н ), ограниченную тремя прямыми,

где Н – напряжение магнитного поля;

В - магнитная индукция;

В_s - ндукция насыщения.

Т.е. при Н = 0,    и, следовательно, индуктивность рабочих обмоток L  ∞. Скорость изменения магнитной индукции dBdH ∞, а B B_s. В этом случае I_н= 0. Когда Н  0,  = 0 и L = 0 и тогда dBdH= 0, а

B=B_s. При этом I_н  ∞.

Рассмотрим работу МУ при I_y= 0, когда нагрузка носит активный характер, сопротивление цепи управления мало, т.е. R_у  R_р + R_н и R  0. Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, создаваемые намагничивающими силами переменного тока направлены (в среднем сердечнике) навстречу друг другу и компенсируют друг друга, что исключает наведение здесь ЭДС переменного тока. Т.е. при подаче к рабочей цепи напряжения, которое меняется по синусоидальному закону U = U_m sint, оба сердечника будут перемагничиваться. Индукции в них равны и будут изменяться по синусоидальному закону В₁ = В₂ = В_msin(t - 2). При этом параметры усилителя выбирают так, чтобы B_m  B_s. Следовательно, магнитная проницаемость  и индуктивность рабочих катушек L велика, оба сердечника ненасыщенны и напряжение будет полностью приложено к рабочим обмоткам, а, следовательно, I_н= 0. В реальных МУ при U_у = 0 в рабочих обмотках протекает ток холостого хода.

При наличии входного сигнала магнитодвижущая сила I_yw_y создает в сердечниках постоянную составляющую индукции B₀, которая в каждый полупериод подмагничивает один и размагничивает другой сердечник. Тогда индукции в сердечниках

В₁ = - В_mcost + B₀; (1,2)

В₂ = - В_mcost - B₀,

а, результирующая индукция В₁ - В₂ = 2В.

В начальный момент при t = 0

В₁ = - В_m + B₀ - первый сердечник размагничивается,

В₂ = - В_m- B₀ = В_s - а второй вступает в насыщение.

Это ведет к резкому уменьшению  и L, ЭДС в рабочих обмотках наводиться не будет, и все напряжение источника питания будет приложено к нагрузке. Это приводит к скачкообразному возникновению тока в выходной цепи, уменьшающемуся к концу полупериода. В дальнейшем индукция будет изменяться по (1,2) и в следующем полупериоде все повторится, но при этом в насыщение будет входить другой сердечник. При насыщении сердечника индукция в нем не будет изменяться до конца полупериода.

Увеличение I_y вызывает увеличение постоянной составляющей индукции B₀ в сердечниках и поэтому насыщение в ФМС наступает раньше, а длительность периода насыщения в течении которого протекает ток нагрузки увеличивается. Это обуславливает изменение среднего значения тока I_н, т.е. выходного сигнала.

Характеристики МУ:

I . Установившийся режим: