книги из ГПНТБ / Основы авиационной автоматики учеб. пособие

сердечников представлена на рис. 2.30. Характеристика являет­ ся четной, а простейший магнитный усилитель схемы (см. рис. 2.25,а) является однотактным. Реальная характеристика отлича­ ется от теоретической (рис. 2.30) и имеет форму, показанную

Ри с. 2.30. Статическая характеристика магнитного уси­ лителя с прямоугольной кривой намагничивания

пунктиром. Отличие обусловлено отличием кривой 'намагничива­ ния от прямоугольной (участок малых м.д.с.) и частичным по­ давлением четных гармоник (верхний загиб характеристики). Однако в средней части пропорционального участка основное соотношение (2.55) выполняется довольно хорошо. Соотноше­ ние (2.55) позволяет выразить коэффициент усиления по току kt через отношение чисел витков

(2.57)

/ у wp

Равенство (2.55) позволяет также определить коэффициент уси­ ления по напряжению

Схема (см. рис. 2.25) отражает конструктивные . особенности трехстержневого однотактного магнитного усилителя. Располо­ жение рабочих обмоток на крайних стержнях, а управляющей обмотки на среднем стержне обусловлено следующим.

Чтобы в обмотке управления wy не наводилась трансформа­ торная э.д.с. от обмоток переменного тока wp, последние разме­ щаются на двух крайних стержнях, а обмотка управления — на

117

среднем стержне. В этом случае мгновенные значения потоков от обмоток wp (указаны стрелками) в среднем стержне равны и противоположны по направлению, вследствие этого э.д.с. основ­ ной частоты в обмотке wv не наводится, однако э.д.с. двойной частоты и четных гармоник скомпенсировать таким образом не удается. Мощность, снимаемая с магнитного усилителя, пропор­ циональна объему тех частей сердечника, по которым проходит

переменный магнитный поток. С этой точки зрения в данном nine магнитного усилителя ма­ териал сердечника использует­ ся неполностью. Лучшей в этом отношении оказывается схема магнитного усилителя, состоя­ щего из двух одинаковых сер-

ідечннков, на каждом из кото­ рых размещены обмотки пере­

менного тока, а обмотка уп­ равления охватывает сразу оба сердечника. По такой схеме собираются обычно магнитные усилители на тороидальных

сердечниках. Схема расположения обмоток для этого случая при­ ведена на рис. 2.31. Как правило, тороидальные сердечники при­ меняются для изготовления магнитных усилителей с высокой раз­ решающей способностью. Основным недостатком усилителей с тороидальными сердечниками является сложность выполнения обмоток, которые наматываются либо вручную, либо с помощью специальных челночных машин.

Для смещения статической характеристики (рис. 2.30) впра­ во или влево на оба сердечника магнитного усилителя наматы­ вают обмотку подмагничивания. На рис. 2.32 приведена схема магнитного усилителя на тороидальных сердечниках с обмоткой подмагничивания и его статическая характеристика /рдар = = /(/уТ<Уу).

Р и с. 2.32. Однотактный магнитный усилитель на то­ роидальных сердечниках с обмоткой подмагничивания:

а — схема; б — статическая характеристика

118

Рассмотренные усилители являются однотактными. Наличие тока холостого хода / р 0 при / у = 0 является их недостатком. Схема двухтактного так называемого дифференциального маг­ нитного усилителя приведена на рис. 2.33,а.

Дифференциальный усилитель состоит из двух однотактных магнитных усилителей, в которых, кроме управляющих обмоток, на сердечниках нанесены обмотки начального подмагничнвания w„. Обмотки лодмагничивания и управляющие обмотки вклю­ чены так, что в одном однотактном усилителе м.д.с. обмоток складываются, а в другом вычитаются.

Нагрузка включается в данном случае между средней точкой питающего трансформатора Т и рабочими обмотками обоих сер­ дечников.

Прнйу=0 оба сердечника дифференциального магнитного усилителя подмагничены одинаково, индуктивности обмоток пе­ ременного тока также одинаковы. Токи / ь /2, протекающие через обмотки трансформатора Т и сопротивление нагрузки, равны; напряжение на нагрузке и„ равно нулю.

Если Иу Ф 0, одна пара сердечников намагнитится еще более, а вторая размагнитится, индуктивности рабочих обмоток обоих дросселей станут разными, через вторичные обмотки трансфор­ матора и нагрузку будут протекать различные по величине токи /1 и /2 и на нагрузке Ra появится напряжение «„■ Очевидно, что при изменении полярности напряжения пу фаза выходного на­ пряжения изменится на 180°.

На рис. 2.33,6 показана зависимость /р= f ( I y) для диффе­ ренциального магнитного усилителя, полученная путем вычита­ ния (сложения) ординат характеристик однотактных усилителей / 1= /(/у ) и / 2= /(/у ), нанесенных на том же графике. Харак­ теристика является нечетной, причем изменение полярности на­ пряжения /у означает изменение фазы /р на 180°.

119

Токи подмагничйвания выбираются так, чтобы при / у= 0 ха­

рактеристика каждого усилителя имела бы наибольшую крутиз-

W .

ну— • В этом случае дифференциальный магнитный усилитель

W9

будет иметь наибольший коэффициент усиления по току.

Рис. 2.34. Схема мостового магнит­ ного усилителя

Двухтактным усилителем является также .мостовой магнитный усилитель. В мостовом магнитном усилителе рабочие обмотки двух однотактных усилителей образуют мостовую схему (рис. 2.34). Обмотки управления и подмагничивания соединены так же, как и в дифференциальной схеме. Питающее напряжение по­ дается в одну из диагоналей моста, а с другой снимается выход­ ное напряжение, пропорциональное, в известном диапазоне, ве­ личине входного напряжения. Существует еще трансформаторная схема магнитного усилителя, в которой имеется две группы об­ моток переменного тока. Указанная схема удобна для согласова­ ния с нагрузкой, напряжение питания которой отличается от на­ пряжения сети.

Магнитные усилители являются элементами, в которых про­ сто могут быть осуществлены различные виды обратных связей.

При помощи положительных обратных связей, например, мо­ жно значительно повысить коэффициент усиления и чувствитель­ ность магнитного усилителя, не делая его при этом неустойчи­ вым. Схема магнитного усилителя с положительной обратной связью приведена на рис. 2.35,а. Последовательно с обмоткой пе­ ременного тока и нагрузкой RH включен мост из полупроводни­ ковых диодов, осуществляющий двухполупернодное выпрямле­ ние. Выпрямленный ток проходит через обмотку обратной связи Woo намотанную вместе с обмоткой управления, и дополнитель­ но подмагничивает сердечник. Это дополнительное подмагничи-

120

ванне от выходного тока позволяет значительно уменьшить вели­ чину тока обмотки управления.

Таким образом, при меньшем токе управления /у получает­ ся прежнее значение рабочего тока /р и чувствительность уси­ лителя к входным сигналам возрастает.

Р и с. 2.35. Магнитный усилитель с положительной обратной связью:

а — схема; б — статические характеристики при различных зна­

чениях коэффициента обратной связи ß

Для усилителя с обратной связью соотношение (2.55) выпол­ няется для суммарных намагничивающих сил, т. е.

121

эффициента’усиления, а при отрицательной обратной связи Л

1+ ß

ной связью при различных значениях 3 приведены на рис. 2.35,6. Правые ветви кривых соответствуют положительной обратной связи, а в левой части обратная связь отрицательна. При ß > 1 происходит процесс самовозбуждения магнитного усилителя, ана­ логичный процессу самовозбуждения лампового генератора.

При включении в сеть такого усилителя в нем возбуждается максимальный выходной ток. Усилитель при в > 1,0 аналогичен по своему действию электромагнитному реле. Поэтому режим

122

лей. Схемы усилителей с самоподмагничиванием приведены на рис. 2.36. Схема (рис. 2.36,а) используется в случаях, когда нагрузка включается в цепь переменного тока, например, когда магнитный усилитель используется для управления двигателем переменного тока. Если требуетсяпитать нагрузку постоянным то­ ком, то может использоваться схема, приведенная на рис. 2.36,6.

Р и с. 2.37. Характер изменения потока в сердечниках магнитных усилителен с самоподмагпичиванием

Как уже указывалось, в усилителях с самоподмагничиванием обратная связь осуществляется за счет включения выпрямителей последовательно с обмоткой переменного тока. В результате это­ го переменный ток проходит по рабочей обмотке, расположенной на одном из сердечников в течение одного полупериода питаю­ щего напряжения. Обмотка, расположенная на другом сердеч­ нике, в этот момент заперта встречно включенным выпрямите­ лем. Во второй лолупериод запертой оказывается первая обмот­ ка, а ток проходит по обмотке, расположенной на втором сердеч­ нике. Направление потоков Фі и Ф2, создаваемых при этом ра­ бочими обмотками в сердечниках, показано на рис. 2.36, а харак­ тер изменения этих потоков показан на рис. 2.37. Каждый из пульсирующих потоков Фі и Ф2 можно разложить в ряд:

и2

ФФ

Ф2 = —— ------- Sin <0^-f- • • •

ТС 2

Здесь = ФП — постоянная составляющая потоков Фі и Ф2,

ТС

не зависящая от времени. Величина Фп пропорциональна амп­ литуде Ф,„ потоков Ф1 и Ф2, т. е. пропорциональна току нагрузки усилителей /р. Постоянная составляющая Фп потоков Фі и Ф2 совпадает по направлению с потоком обмотки управления Фу и

123

создает дополнительное подмагничивание усилителя (внутрен­ нюю положительную обратную связь). Если 'магнитный поток обмотки управления направлен навстречу с пульсирующими по­ токами Ф1 и Ф-2, то мы получим отрицательную обратную связь. Усилители, приведенные на рис. 2.36, являются однотактными. Их статические характеристики аналогичны характеристикам усилителя с внешней обратной связью (рис. 2.35,6). Коэффици­ ент обратной связи у усилителей с самоподмагничиванием близок к единице, причем на величину коэффициента обратной связи оказывает существенное влияние величина обратного тока вы­ прямителей. Чем меньше обратный ток выпрямителей, тем боль­ ше коэффициент обратной связи и, следовательно, значительнее коэффициент усиления всего усилителя. Большой коэффициент усиления является достоинством магнитных усилителей с внут­ ренней обратной связью. Недостатком усилителя с самоподмагничнванием является то, что его коэффициент обратной связи не регулируется. Если все же требуется изменить коэффициент об­ ратной связи, то необходимо включить дополнительную обмотку внешней обратной связи.

В магнитном усилителе с самоподмагничиванием удается по­ лучить некоторый выигрыш в весе обмоток по сравнению с обыч­ ным усилителем. Это объясняется тем, что в один из полупериодов обмотка одного сердечника оказывается обесточенной, и результирующие потери в меди, приходящиеся ранее на рабо­ чую обмотку и обмотку обратной связи, будут меньше, чем в усилителе с внешней обратной связью. За счет этого удается по­ высить плотность тока в рабочих обмотках и тем самым умень­ шить вес меди усилителя.

У усилителя с нагрузкой на постоянном токе (см. рис. 2.36,6) удается обеспечить более значительный выигрыш в весе по срав­ нению с усилителем с внешней обратной связью. Двухтактные схемы усилителей с внутренними обратными связями могут быть получены путем объединения двух однотактных.

Динамические свойства магнитных усилителей

Установим связь между напряжением «у на входе с напря­ жением инна выходе магнитного усилителя. Рассмотрение будем вести применительно к схеме однотактного усилителя (см. рис.

.2.25) без обратной связи с активной нагрузкой, однако приведен­ ные рассуждения будут справедливы и для двухтактных усилите-

.лей без обратных связей.

Для магнитного усилителя, как и для всякого другого уси­ лителя, коэффициентом усиления по управляющему сигналу яв­

124

будет отставать в своем изменении — запаздывать по отношению к напряжению «у. Связь междуіу и иу дается уравнением

этом случае пренебрегаем, так как связь ір = /(/,) в магнитном

Исключая из (2.63) ток іу, получим дифференциальное уравне­ ние магнитного усилителя

ционное звено. При включении обмотки управления на постоян­ ное напряжение иу = иу0 (t) огибающие выходного тока и на­ пряжения будут нарастать по закону экспоненты с постоянной Т. Постоянная времени магнитных усилителей, применяемых в авиационной автоматике, имеет порядок 0,01—0,5 с. Коэффи­ циент усиления по напряжению может иметь порядок несколь­ ких десятков. Коэффициент усиления по мощности может дости­ гать ІО3 -ь- 105. В магнитном усилителе, как и в ЭМУ, имеется связь между коэффициентом усиления и постоянной времени. Эта связь может быть определена на основе аналитических за­ висимостей для магнитного усилителя с прямоугольной кривой намагничивания [9]. Тогда

125

Постоянная времени Т магнитного усилителя без обратной связи прямо пропорциональна 'Коэффициенту усиления по мощ­ ности k0 и обратно пропорциональна частоте f питающего напря­ жения и р. С ростом f постоянная времени Т уменьшается, а бы­ стродействие магнитного усилителя возрастает. Если магнитный усилитель имеет положительную внешнюю обратную связь, то, согласно [10], уравнение магнитного усилителя с обратной связью будет

Применение положительной обратной связи приводит к увеличе­ нию постоянной времени магнитного усилителя. Однако при-этом

возрастает в —---- — раз и коэффициент усиления по мощности

Для магнитных усилителей с самолодмагничиванием постоянная

2fy\wp

Магнитный усилитель может иметь несколько обмоток управле­ ния. В этом случае его уравнение будет

126