МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Тольяттинский государственный университет

Институт энергетики и электротехники

Кафедра «Промышленная электроника»

Магнитный усилитель с самоподмагничиванием

Методические указания к лабораторной работе М1 по дисциплине

«Магнитные элементы электронных устройств»

для студентов специальности 210106

дневной и заочной форм обучения

Тольятти 2013

УДК 621.313

Магнитный усилитель с самоподмагничиванием.

Методические указания к лабораторной работе М1 по дисциплине “Магнитные элементы электронных устройств”.

Тольятти, ТГУ, 2013.- 21с.

Изложены цель, задачи и программа лабораторной работы. Содержатся краткие теоретические сведения, а также указания по подготовке и выполнению работы.

Для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 21.01.06 - “Промышленная электроника”.

Ил.4.Табл.3. Библиогр.3.

Составители: Медведев В.А., Слукин А.М., Прядилов А.В.

.

Научный редактор : Бар В.И.

Утверждено редакционно-издательской секцией методического совета электротехнического факультета Тольяттинского государственного университета.

 Тольяттинский государственный университет, 2013

1 Цель работы

Целью работы является достижение знания и понимания физики процессов, происходящих в магнитном усилителе с самоподмагничиванием (МУС), а также исследование характеристик управления магнитного усилителя в режиме плавного усиления и релейном режиме.

2 Теоретические сведения

Работа любого магнитного усилителя основана на использовании нелинейных свойств ферромагнитных материалов. Простейший магнитный усилитель представляет собой ферромагнитный сердечник с двумя обмотками: рабочей W_р и управляющей W_у. Входным сигналом усилителя является ток обмотки управления I_у. Выход­ной сигнал - напряжение U_H или ток I_Н в сопротивлении нагрузки, включенной в рабочую цепь. С помощью цепи управления осуществляется воздействие на магнитное состояние сердечника, в результате чего изменяются выходные величины. Усилительные свойства устройства основаны на том, что при небольших мощностях, расходуемых в цепи управления, удаётся управлять значительно боль­шими мощностями в нагрузке.

Магнитным усилителем с самоподмагничиванием называют такой магнитный усилитель, по рабочей обмотке которого протекает однополупериодный выпрямленный (или импульсный) ток. Достигается это включением в рабочую цепь магнитного усилителя вентилей.

МУС могут быть одно- и двухполупериодными. Последние находят преимущественное применение, так как не требуют большого сопротивления цепи управления.

Схема простейшего однополупериодного магнитного усилителя приведена на рис.la. Усилитель питается синусоидальным напряжением e=E_m sinwt, управляется постоянным напряжением E_у, нагрузка активная R_H. При рассмотрении принципа действия МУС примем следующие допущения:

1. Материал сердечника обладает идеальной прямоугольной петлей гистерезиса. В этом случае динамическая петля гистерезиса (ДПГ) может быть представлена параллелограммом, две стороны которого – динамические кривые размагничивания – (ДКР) – рис. 1б.

2. Вентиль в рабочей цепи обладает постоянным прямым сопротивлением R_В и бесконечным обратным R_ВО.

3. Полное сопротивление цепи управления R_У настолько велико, что ток цепи управления определяется практически лишь E_У и не зависит от э.д.с, наводимых на обмотке управления при перемагничивании сердечника.

В работе МУС различают рабочие и управляющие полупериоды. Полупериод напряжения питания называется рабочим, если полярность его совпадает, с проводящим направлением вентиля в рабочей цепи (полярность e без скобок). Полупериод, полярность которого встречна проводящему направление вентиля, называется управляющим (полярность е в скобках).

Будем полагать, что весь управляющий полупериод вентиль в рабочей цепи заперт и отрицательное напряжение питания на обмотку дросселя не поступает. Тогда, в управляющий полупериод магнитное состояние сердечника будет определяться только напряженностью поля создаваемого током I_У :

(1)

где ℓс – длина средней линии магнитопровода.

При I_У < 0 за время управляющего полупериода (УП) под действием напряженности Ну сердечник размагнитится на величину ΔВ = Вs – Ву. В рабочий полупериод положительное напряжение питания открывает вентиль и сердечник перемагничивается в сторону положительного насыщения (к точке 2 на ДПГ). В этот полупериод для рабочей цепи справедливо уравнение :

(2)

где Rр=Rн+Rwр+Rв;

Uр – выходное напряжение МУС;

Uд – падение напряжения на дросселе Д.

При перемагничивании дросселя по рабочей обмотке будет проходить небольшой намагничивающий ток iр=iм. Из рис. 1в видно, что если ΔВ<2Bm, где Bm - амплитуда индукции, то сердечник перемагничиваясь в рабочий полупериод (РП) достигнет насыщения (т.2, рис. 1в) в момент времени ts.После насыщения индукция в сердечнике до конца РП не меняется, dB/dt в уравнении 2 равно нулю и ток в нагрузке iр=e/Rp. С наступлением УП ток iр спадает до нуля и сердечник за управляющий полупериод вновь размагничивается на ΔВ. Так процессы повторяются с каждым полупериодом напряжения питания. Среднее за период значение выходного напряжения однополупериодного МУС :

Uр = E/2 – Uд = E/2 – f·wр·Sс·ΔВ, (3)

где f – частота источника питания.

Таким образом, ток управления определяет выходное напряжение Uр. С изменением тока управления Iу, изменяется напряженность Ну, перепад индукции в сердечнике ΔВ и выходное напряжение Uр. Для примера: возросший по абсолютной величине ток управления, а следовательно и напряженность Ну глубже размагничивают сердечник (т. 1’), в результате чего позже наступает насыщение (т. 2’), возрастает Uд. Уменьшаются iр и Uр. Рассмотренный режим работы МУС называется рабочим режимом.

При Iу ≥ 0, когда Ну ≥ 0, сердечник в УП не размагничивается. В РП магнитное состояние определяется по насыщенной части ДПГ. Индукция в сердечнике равна Bs, a

Uр = E/2 (4)

Таким образом МУС превращается в однополупериодный выпрямитель. Выходное напряжение имеет наибольшее значение. Это режим максимальной отдачи.

При увеличении отрицательного тока Iу, растет абсолютное значение Ну и увеличивается размагничивание сердечника ΔВ в управляющий полупериод. Когда ΔВ достигнет вёличины 2Bm, сердечник будет достигать насыщения в самом конце рабочего полупериода, интервала насыщенного состояния не будет и по обмотке wр будет протекать только ток намагничивания iр=iм. Выходное напряжение будет минимальным. Это режим холостого хода.

При увеличении отрицательного тока управления, абсолютная величина которого │-Iу│>│-Iуо│, где Iуо - ток управления в режиме холостого хода, сердечник будет размагничиваться все глубже и может в управляющий полупериод достичь отрицательного насыщения (-Вs). Тогда ток в рабочей цепи:

ip = │Iу’│ + Iро , (5)

где Iу’ – ток управления, приведенный к рабочей цепи;

Iро – рабочий ток в режиме холостого хода.

Таким образом в этом режиме ток в нагрузке определяется только током управления и не зависит от сопротивления рабочей цепи. Такой режим работы называется токовым режимом или с “отрицательной обратной связью", так как отрицательному приращению Iу соответствует положительное приращение Iр.

Процессы, аналогичные описанным выше, в двухполупериодном МУС протекают в каждом из сердечников. При этом одновременно сердечники находятся в разных полупериодах; когда один в рабочем, другой - в управляющем. Поскольку нагрузка является общей для обоих сердечников, то ток в нагрузке протекает каждый полупериод и равен току рабочей цепи того сердечника, для которого данный полупериод является рабочим.

Основной характеристикой магнитного усилителя является его характеристика управления (характеристика вход-выход), представляющая собой зависимость среднего значения напряжения на нагрузке или тока в нагрузке от величины тока управления, т.е. Uн=f(Iу) или Iн=f(Iу). На рис.2 приведена характеристика управления идеального МУС, на которой хорошо видны основные режимы работы магнитного усилителя: режим максимальной отдачи (правеe точки 1); рабочий режим (между точками 1 и 2); холостой ход (точка 2); токовый режим (левее точки 2).

МУС характеризуется рядом статических и динамических параметров. К ним относятся:

1. К.п.д. рабочей цепи:

(6)

где Rр определяется выражением (2).

2. Крутизна характеристики управления:

(7)

3. Коэффициент усиления тока:

(8)

4. Коэффициент усиления напряжения:

(9)

где Rу – сопротивление цепи управления;

5) Коэффициент усиления мощности:

(10)

6) Коэффициент усиления намагничивающей силы:

(11)

7) Постоянная времени цепи управления:

(12)

8) Добротность усилителя:

(13)

Релейный режим магнитного усилителя характеризуется скачкообразным изменением тока нагрузки при плавном изменении тока управления. Для получения релейного режима в МУС вводится дополнительная положительная обратная связь, которая осуществляется с помощью специальных обмоток обратной связи Wос, питаемых выпрямленным током нагрузки. На рис.3а показана характеристика магнитного усилителя в релейном режиме.

Релейный режим МУС характеризует следующие основные параметры:

1)Ток управления срабатывания Iуср;

2)Ток управления отпускания Iуотп;

3)Ток управления переключением Iуп = Iуср - Iуотп; (14)

4)Коэффициент возврата Кв = Iуотп / Iуср; (15)

5)Мощность управления переключением Pуп = (Iуп)²·Rу. (16)

С помощью специальной обмотки смещения Wсм, запитываемой постоянным током Iсм, релейную характеристику МУС можно сдвинуть вдоль оси абсцис и получить один из трех основных режимов: нормально-включенный (НВ, рис. 3а), нормально-отключенный (Н0,рис. 3в) и самоблокировки (СБ, рис. 36).