2. Магнитные усилители

В зависимости от характера физических процес­сов, определяющих принцип работы магнитного уси­лителя, различают дроссельные и трансформаторные магнитные усилители. В дроссельных усилителях рабочая обмотка (об­мотка переменного тока) выполняет функцию дрос­сельной «заслонки», ограничивающей ток в нагрузке, включенной (обычно последовательно) в цепь рабочей обмотки. В трансформаторных усилителях цепь нагрузки электрически не связана с цепью питания.

На рис. 10б приведена схема простейшего дроссельного магнитного усилителя. В магнитном усилителе устанавливаются две рабочие обмотки с индуктивными сопротивлениями , соединенные последовательно. В среднем стержне с обмоткой управления магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ рабочих обмоток имеют противоположное направление, взаимокомпенсируются и не индуктируют электродвижущую силу (ЭДС) в обмотке управления. Появление трансформаторной ЭДС в управляющей обмотке могло бы привести к нарушению работы цепей управления.

Р ис.10.1. Блок- схема простейшего усилителя. Магнитный усилитель

Физическая картина процессов происходящих в магнитном усилителе, характеризуется, как и во всяком электромагнитном устройстве, двумя родами величин: магнитными и электрическими.

1. Переменный ток в рабочей обмотке зависит от общего сопротивления цепи Z, которое включает активное сопротивление цепи и индуктивное сопротивление обмоток рабочих . Ток по закону Ома для рабочей цепи переменного тока

(10.1)

Появление индуктивного сопротивления в обмотке обусловливается ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС. индуцируется в витках обмотки под действием изменяющегося магнитного потока, вызванного переменным током. Направлена ЭДС самоиндукции всегда так, чтобы препятствовать изменению тока. Она тем больше, чем больше скорость изменения тока в витках или пронизывающего их магнитного потока. Эта скорость зависит от частоты переменного тока.

2. В соответствии с законом полного тока, напряженность магнитного поля в сердечнике

(10.2)

где - число витков в обмотке управления;  - ток в цепи управления; - средняя длина пути магнитного потока в сердечнике.

3. Индуктивное сопротивление рабочих обмоток

, (10.3)

где - угловая частота рабочей цепи; - индуктивность рабочих обмоток.

4. Индуктивность рабочих обмоток

(10.4)

где - постоянный коэффициент, зависящий от числа витков, геометрических размеров, материала сердечника; - магнитная проницаемость материала сердечников.

5. Зависимость индукции и магнитной проницаемости материала сердечников от напряженности магнитного поля приведена на рис. 10в.

6. Зависимость магнитной проницаемости материала сердечников от тока в цепи управления приведена на рис. 10г

С увеличением тока в цепи управления растет напряженность магнитного поля в сердечниках (формула 10.2). С увеличением напряженности магнитного поля растет индукция и соответственно уменьшается магнитная проницаемость (рис. 10в). С уменьшением магнитной проницаемости уменьшается индуктивность рабочих обмоток (формула 10.4) и уменьшается индуктивное сопротивление рабочих обмоток (формула 10.3). При уменьшении индуктивного сопротивления рабочих обмоток увеличивается ток в рабочей цепи .

Таким образом, изменяя ток в цепи управления можно управлять током в рабочей цепи.

Когда ток управления равен нулю, сердечник магнитного усилителя не намагничен (формула 10.2). Магнитная проницаемость сердечников (рис.10.г) индуктивность (формула 10.4) и соответственно индуктивное сопротивление рабочих обмоток (формула 10.3) достигают максимальных значений. При этом . Ток в рабочей цепи называется током холостого хода магнитного усилителя.

Напряжение на нагрузке  (выходное напряжение) будет также мало, так как большая часть напряжения питания теряется в виде падения напряжения  в рабочих обмотках. Следовательно, будет мала и мощность, поступающая к нагрузке от источника питания.

С увеличением напряженности магнитного поля возрастает магнитная индукция до момента магнитного насыщения сердечника, после которого индукция остается постоянной (рис. 10.в). Магнитная проницаемость сердечников (рис.10.г) индуктивность (формула 10.4) и соответственно индуктивное сопротивление рабочих обмоток (формула 10.3) достигают максимальных значений. При этом . Ток в рабочей цепи .

Когда сердечники пере­ходят в насыщенное состояние, ЭДС самоиндукции рабочих обмоток практически исчезает и все напряжение питания ока­зывается приложенным к на­грузке.

Зависимость тока в рабочей цепи от тока управления  при постоянном напряжении источника питания называется характеристикой управления магнитного усилителя. Характеристика управления симметрична относительно оси тока , так как при изменении направления подмагничивающего тока  электромагнитные процессы в усилителе не изменяются (рис. 10.д).

Коэффициентом усиления, наиболее полно характеризующим магнит­ный усилитель, является коэффициент усиления по току  - наклон характеристики управления на линейном участке а - б.

Для изменения коэффициентов усиления и увеличения стабильности работы МУ в них применяются обратные связи. Обратной связью называется воздействие управляемой величины на вход системы управления (рис. 10.ж). При этом изменяется характеристика управления (рис. 10.з).

Применительно к магнитным усилителям обратной связью будет дополнительное подмагничивание сердечника за счет тока в рабочей цепи. Если при этом увеличение выходного тока увеличивает подмагничивание, обратная связь называется положительной. Такая обратная связь повышает коэффициент усиления. Если увеличение выходного тока уменьшает подмагничивание, обратная связь называется отрицательной, она снижает коэффициент усиления.

По схеме исполнения обратные связи в магнитных усилителях могут быть внешними, когда для обратной связи используется отдельная обмотка обратной связи, и внутренними, когда для обратной связи используются рабочие обмотки магнитных усилителей.

Бесконтактные коммутационные аппараты на магнитных усилителях. Характеристика «вход—выход» обычного контактного аппарата, представляющая собой зависимость тока нагрузки протекающего через контакты К и сопротивление нагрузки (рис. 10.1.и), от тока , проходящего через орган управления (например, катушку электромагнита ), имеет вид, показанный на рис. 10.1.к.

В диапазоне тока от нуля до тока трогания контакты К разомкнуты и ток через них не протекает ( ). При токе трогания аппарат срабатывает, контакты замыкаются и через них протекает ток нагрузки, определяемый напряжением цепи нагрузки и ее сопротивлением и не зависимый от тока . При уменьшении тока до тока отпускания аппарат возвращается в исходное положение и контакты К размыкают цепь тока нагрузки .

В магнитном усилителе также можно получить характеристику коммутационного режима, подобную изображенной на рис. рис. 10.1.к, если применить в нем сильную обратную связь. При токе управления рабочие обмотки «разрывают» рабочую цепь, а при токе управления «замыкают».

Полученная за счет сильной обратной связи характеристика коммутационного режима магнитного усилителя превратила его из аппарата с плавной коммутацией тока нагрузки в аппарат со скачкообразным его изменением, что свойственно контактным электрическим аппаратам. Магнитный усилитель в таком режиме осуществляет функции бесконтактного коммутационного аппарата.

Область применения магнитных усилителей весьма обширна. Они применяются в устройствах автоматического регулирования, управления и контроля. Используются для управления двигателями постоянного и переменного токов, в системах релейной защиты и сигнализации.