3.1.3. Магнитные усилители

Магнитным усилителем (МУ) является электромагнитное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов. Магнитные усилители широко применялись в системах автоматического регулирования [12]: как усилители входных сигналов, поступающих от датчиков и других элементов систем автоматики; в измерительных устройствах и других устройствах. МУ имеют различное конструктивное устройство и схемы включения. МУ хорошо сопрягаются, в частности, с нагрузкой в виде двигателей переменного тока, имеющих выходную мощность от единиц до сотен ватт.

Принцип работы МУ основан на использовании нелинейных магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Действие МУ можно уяснить из простейшей схемы (рис. 3.27, а). При установившемся режиме действующее значение синусоидального переменного тока I_н с частотой f, протекающего через сопротивление нагрузки R_н.

, (3.12)

где U_пит – напряжение сети переменного тока, в которую включена рабочая обмотка w_р магнитного усилителя последовательно с сопротивлением нагрузки R_н; L_р и R_р – индуктивность и активное сопротивление рабочей обмотки.

На рис. 3.27, б показана зависимость магнитной индукции В в ферромагнитном сердечнике магнитного усилителя от напряженности Н магнитного поля, т. е. кривая намагничивания сердечника (без учета гистерезиса).

Сердечник намагничивается суммарными ампервитками постоянного тока I_у в обмотке управления w_у и ампервитками переменного тока в рабочей обмотке w_р. Поэтому по оси абсцисс на рис. 3.27, б можно отложить также , а по оси ординат – потокосцепление  рабочей обмотки, считая его пропорциональным магнитной индукции В в сердечнике.

Из кривой видно, что чем больше постоянный ток I_у в обмотке управления, тем меньше индуктивность L_р рабочей обмотки, так как . Уменьшение индуктивности означает, согласно формуле (3.12), что действующее значение I_н рабочего тока увеличивается. Таким образом, увеличение управляющего тока I_у вызывает рост рабочего тока I_н и напряжения U_н = R_н I_н на сопротивлении нагрузки.

Схема, показанная на рис. 3.27, а, практически не применяется, так как при w_y > w_р в обмотке управления w_y возникает весьма большая трансформаторная ЭДС, наводимая со стороны рабочей обмотки. Эта ЭДС приводит к нарушению нормальной работы МУ и может вывести из строя источник управляющего тока. Для устранения этого недостатка обычно применяются магнитные усилители на двух сердечниках (рис. 3.27, в).

На сердечниках имеются одинаковые рабочие обмотки w_р, которые соединяются последовательно так, чтобы магнитодвижущие силы, создаваемые переменным током I_н в рабочих обмотках, были встречными по отношению к магнитодвижущим силам управляющей обмотки w_y, общей для обоих сердечников. Направления этих магнитодвижущих сил показаны стрелками на рис. 3.27, в. При встречном направлении магнитодвижущих сил, т. е. при сдвиге их на 180°, суммарная ЭДС основной частоты, наводимая этими магнитодвижущими силами в управляющей обмотке, равна нулю. Это же относится и к высшим нечетным гармоникам ЭДС. Вторая и высшие четные гармоники ЭДС в управляющей обмотке при этом не уничтожаются. Это видно из рис. 3.27, г, где показаны кривые магнитодвижущих сил F₁ и F₂, создаваемых рабочими обмотками в сердечниках 1 и 2, с учетом сдвига этих магнитодвижущих сил на 180°.

а б в г

Рис. 3.27. Простейшие схемы магнитных усилителей: а – усилитель на одном сердечнике; б – кривая намагничивания сердечника; в – магнитный усилитель на двух сердечниках; г – кривые магнитодвижущих сил (сплошная линия – основная гармоника, пунктир – вторая гармоника)

Статической характеристикой магнитного усилителя (рис. 3.28) называется зависимость тока в сопротивлении нагрузке от тока управления усилителя при установившемся режиме работы.

Из рисунка видно, что статическая характеристика однотактного магнитного усилителя нелинейна. Имеется значительный ток холостого хода I_x.х., т. е. ток в нагрузке при отсутствии тока управления.

Рис. 3.28. Статическая характеристика магнитного усилителя

Вид статической характеристики может быть изменен (рис. 3.29, б). За счет применения добавочной обмотки постоянного тока, называемой обмоткой смещения (постоянного подмагничивания). Эта обмотка (рис. 3.29, а) располагается там же, где и обмотка управления. В обмотку смещения w_см подается постоянный ток смещения I_см, не зависящий от тока управления I_у. При этом постоянная составляющая напряженности магнитного поля в сердечнике магнитного усилителя определяется алгебраической суммой ампер-витков обмоток смещения и управления: w_смI_см + w_y I_y.

а б

Рис. 3.29. Магнитный усилитель с обмоткой подмагничивания и его статическая характеристика

Для однотактных магнитных усилителей смещение статической характеристики не имеет практического значения. Оно широко используется в двухтактных магнитных усилителях.

В большинстве практических задач требуется, чтобы статическая характеристика магнитного усилителя являлась симметричной относительно начала координат, т. е. чтобы изменение полярности тока управления магнитного усилителя вызывало сдвиг фазы тока или напряжения на выходе усилителя на 180°. Такую статическую характеристику имеют двухтактные магнитные усилители. Большинство из них содержит два одинаковых однотактных магнитных усилителя, каждый из которых собран на двух сердечниках.

На рис. 3.30 представлен дифференциальный двухтактный магнитный усилитель. Он состоит из двух однотактных магнитных усилителей А и Б.

Рис. 3.30. Дифференциальный двухтактный магнитный усилитель

Управляющие обмотки w_y усилителей А и Б включены последовательно. Обмотки смещения w_см включены так, что в усилителе А ампер-витки смещения и управления действуют согласно, а в усилителе Б – встречно. Энергия из сети переменного тока поступает в усилитель через питающий трансформатор со средней точкой.

Статическая характеристика двухтактного усилителя может быть получена как разность статических характеристик двух однотактных магнитных усилителей А и Б (рис. 3.31); на значительном участке она близка к линейной.

Рис. 3.31. Статическая характеристика двухтактного магнитного усилителя

Коэффициент усиления по току для магнитного усилителя

k_I = I_н / I_y = w_y / w_p.

Для идеального МУ, имеющего линейную статическую характеристику, k_I = I_н / I_y.

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по мощности

Для изменения коэффициента или постоянной времени МУ применяют обратную связь. Обратная связь может быть отрицательной и положительной. Чаще всего в магнитных усилителях применяется положительная обратная связь, которая приводит к увеличению коэффициента усиления магнитного усилителя:

,

где β – коэффициент обратной связи.

По способу осуществления обратная связь может быть внешней (рис. 3.32), когда в усилителе имеется специальная обмотка обратной связи w_ос, и внутренней (рис. 3.33), если обмотка обратной связи отсутствует.

Магнитные усилители имеют ряд достоинств. К ним относятся: отсутствие подвижных частей, прочность и высокая надежность, высокий коэффициент усиления по мощности, простота суммирования нескольких сигналов, быстрая готовность после включения, относительно высокий КПД. В маломощных усилителях КПД имеет значение η  0,5, в то время как в мощных МУ η = 0,940,95.

Рис. 3.32. Однотактный усилитель с внешней обратной связью	Рис. 3.33. Однотактный усилитель с внутренней обратной связью

Коэффициент полезного действия МУ учитывает потери мощности в рабочих обмотках усилителя:

.

Основным недостатком магнитных усилителей является их инерционность. Передаточную функцию МУ можно представить в виде

W(p) = U_н(p) / U_y(p) = k_U / (T_yp + 1),

т. е. МУ как элемент автоматики является апериодическим звеном. Постоянная времени реального МУ с учетом активного сопротивления рабочих обмоток R_р и КПД рабочей цепи η будет равна:

Увеличение коэффициента усиления по мощности k_P при данной частоте f приводит к повышению постоянной времени Т_у. Уменьшить Т_у при данном k_Р можно путем увеличения частоты источника питания.