7.4 Дроссели насыщения

Появление дросселя насыщения - первого магнит ногоусилителя, относится к началу XX в. Он представляет собой простейший вариант усилителя, в котором усиление мощности и управление одновременно осуществляются лишь с помощью дросселя. Попытки улучшить дроссель насыщения и расширить диапазон его применения привели к созданию более совершенных магнитных усилителей, принцип действия которых в ряде случаев коренным образом отличается от принципа действия дросселя насыщения. В самом начале дроссель насыщения применялся в качестве модулятора между угольным микрофоном и искровым передатчиком. В дальнейшем усилители на электронных лампах заменили дроссель насыщения в устройствах связи, но он нашел себе применение в про мышленности, где требовался надежный в работе усилитель мощности со сравнительно невысоким коэффициентом усиления, но с большим сроком службы. Наибольшее распространение получило применение дросселя насыщения для управления большими мощностями осветительных нагрузок, электрических печей и двигателей. При управлении малыми мощностями дроссель насыщения с успехом применялся в цепях небольших исполнительных двигателей в качестве модулятора, пре образующего сигналы постоянного тока в сигналы пере менноготока, как чувствительный элемент в магнитном компасе, как усилитель для термопар и подобных им источников постоянного тока. Современные магнитные усилители не вытеснили дроссель насыщения, напротив, его простота и присущая ему надежность в работе сделали его применение наиболее целесообразным во многих из указанных выше случаев.

Было разработано много вариантов дросселя насыщения, но всем им свойственны некоторые общие черты. Собственно магнитный усилитель состоит из дросселей с сердечниками из специальных магнитных материалов. Усиление объясняется свойством дросселя резко изменять свое сопротивление при насыщении сердечника. Управление осуществляется с помощью постоянного тока, протекающего в управляющих обмотках, от источника управляющего сигнала.

Рисунок 7.19. Рабочая цепь дросселя насыщения

Рисунок 7.18 Кривые напряжения а) питания; б) питания; в) на нагрузке.

Источником энергии для дросселя насыщения и его нагрузки служит достаточно мощный источник (сеть) переменного тока. Дроссель насыщения работает как синхронный ключ, полное сопротивление которого резко изменяется в течение каждого полупериода напряжения питания. Когда дроссель не насыщен, его сопротивление z_s велико по сравнению с сопротивлением нагрузки, и в нагрузку поступает из сети лишь очень небольшая мощность. Однако при насыщении («зажигании») дросселя его сопротивление резко падает и почти все напряжение питания прикладывается к нагрузке. Управляющее напряжение или ток определяет тот момент в пределах полупериода, когда наступает насыщение дросселя и таким образом управляет величиной средней мощности, поступающей в нагрузку. На рисунке 7.18 показаны типичные кривые напряжений питания, на дросселе и на нагрузке для рабочей цепи дросселя насыщения (рисунке 7.17) в течение положительного полупериода. В интервале 0-t_s дроссель не насыщен, и все напряжение питания приложено к дросселю; в на грузке не выделяется почти никакой мощности (пренебрегая на магничивающим то ком). В момент t_s сердечник насыщается, напряжение, на дросселе резко падает, и все напряжение питания, за исключением очень небольшого падения напряжения на насыщенном дросселе, прикладывается к нагрузке. От момента t_s до момента t_n нагрузка как бы подключена непосредствен но к сети и совершается полезная работа.

Основная задача управления дросселем насыщения состоит в том, чтобы управлять временем t_s с помощью электрического сигнала, мощность которого много меньше средней мощности нагрузки. При этом данное устройство будет являться усилителем. Чем мень ше мощность управляющего сигнала, тем выше коэффи циент усиления по мощности дросселя насыщения. Мо мент времени t_s может быть выражен с помощью угла Θ_S, который численно равен числу градусов той части полу периода, в течение которой дроссель не насыщен и поток его изменяется. Полезно ввести также понятие угла проводимости:

Θ_ПР =π - Θ_S (7.74)

соответствующего длительности той части полупериода, в течение которой по нагрузке проходит ток. На рисунке 7.19 показаны кривые напряжения на нагрузке в схеме по рис.13.1 для трех различных значений углов Θ_S и Θ_пр. По мере увеличения угла проводимости среднее значение тока и мощность нагрузки возрастают.

На этом принципе основывается работа всех дросселей насыщения; они отличаются только схемами управления и видом нагрузки.

Сердечники дросселей насыщения изготовляются кольцевой или прямоугольной формы. Дроссели насыщения изготавливаются на выходные мощности от долей ватта до нескольких киловатт. Процессы, происходящие в дросселях насыщения, и их характеристики обычно могут быть рассчитаны аналитически, однако получаемые при этом выражения подчас довольно громоздки.

Рисунок 7.19 Кривые напряжения на нагрузке для разливных значении угла проводимости

Кривые напряжения, показанные на рисунок 7.19, резко отличаются от кривых выходного сигнала линейных усилителей на электронных лампах или транзисторах, имеющих чисто синусоидальную форму, или от сглаженной кривой выходного сигнала постоянного тока электромашинного усилителя (амплидина). При данном методе управления током, в результате которого имеет место искажение формы кривой, всегда возникают те или иные трудности, связанные с нагрузкой. Если, напри мер, напряжение, кривая которого показана на рисунок 7.19, подается на якорь двигателя постоянного тока, то развиваемый двигателем момент пропорционален только постоянной составляющей напряжения, наличие перемен ной составляющей приводит лишь к увеличению потерь от вихревых токов и гистерезиса в меди и стали якоря двигателя. Для двигателя большой мощности увеличение нагрева, вызванное этими дополнительными потерями, приводит к снижению номинальной мощности, в против ном случае произойдет недопустимое повышение температуры в машине. Аналогично, если напряжение подобной формы подается на реле, индуктивность катушки ко торого достаточно велика, то потребуются фильтры или так называемые обратные вентили, иначе в катушке реле из-за действия э.д.с. самоиндукции будет очень небольшая постоянная составляющая тока. Такое напря жение может быть подано на управляющую обмотку двухфазного сервомотора, но в этом случае вращающий момент пропорционален только основной гармонике, а высшие гармоники и постоянная составляющая тратятся снова лишь на нагрев обмотки двигателя.

Таким образом, дроссель насыщения, так же как и другие магнитные усилители, может работать на многие виды нагрузок, но при этом необходимо учитывать то влияние, которое оказывает искаженная форма кривой на выходе дросселя на данную нагрузку. Учет данного влияния усложняет применение подобных усилителей, но все это вполне компенсируется их исключи тельными характеристиками, позволяющими применять их для управления большими мощностями при высоком к.п.д.