книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник

установок. В схеме гребной электрической установки атомного ле­ докола «Ленин», дизель-электрохода «Амгуэма» в качестве возбу­ дителей главных генераторов и гребных двигателей использованы ЭМУ с продольным полем.

§ 13. Магнитные усилители

Магнитный усилитель представляет собой статический элек­ тромагнитный аппарат, работа которого основана на использова­ нии нелинейности характеристики намагничивания ферромагнитно­ го материала.

Простейшим магнитным усилителем может служить управляе­ мый дроссель, или дроссель насыщения (рис. 40). Такой усилитель состоит из ферромагнитного магнитопровода, на котором размеще­ ны две обмотки: обмотка управления, имеющая wy витков, и рабо­ чая обмотка с числом витков о>р- К обмотке управления подводится сигнал управления в форме постоянного тока. Рабочая обмотка включается последовательно с нагрузкой zHв цепь источника пере­ менного тока, за счет энергии которого и происходит усиление сиг­

70

тока в управляющей обмотке; напряжение на нагрузке не может быть уменьшено до нуля да­

же при отсутствии тока в обмотке управления.

Эти недостатки устраняются в дифференциальном магнитном уси­ лителе, схема которого приведена на рис. 45. Дифференциальный магнитный усилитель состоит из двух магнитных усилителей, выпол­ ненных на трехстержневых сердечниках. На среднем стержне каждого усилителя, кроме обмотки управления wy, имеется еще обмотка сме­

72

щения wCM. Обмотки управления wyl и wy2 обоих усилителей соеди­ няются последовательно, но встречно, так что их магнитные потоки Фyi и Фу2 направлены в разные стороны. Обмотки смещения и wai2 соединяются последовательно, но согласно, т. е. создают маг­ нитные потоки ФСМ1 и Фсм2 одинакового направления. Нагрузка z„ включена между средней точкой А на вторичной обмотке трансфор­ матора и общей точкой В рабочих обмоток усилителей. При таком включении нагрузки через нее одновременно протекают рабочие то­ ки / j и / 2 обоих усилителей, имеющие противоположное направление.

Зависимости А = / ( / у) и / 2= / ( / у) каждого из магнитных уси­ лителей при наличии токов в обмотках смещения представлены на рис. 46. При отсутствии тока управления рабочие токи равны по ве­ личине, так как условия работы обоих усилителей абсолютно одина­

ковы, но противоположны по направлению. Их разность в нагрузке равна нулю, т. е.

/ н = Л — / 2 = 0.

Поэтому и напряжение на нагрузке равно нулю.

При наличии в обмотках управления тока управления / у такой полярности, которая указана на рисунке (см. рис. 45), величина ра­ бочего тока /] первого усилителя будет больше величины рабочего тока второго усилителя / 2, и через нагрузку потечет ток /„ = /!—/ 2, направленный в сторону большего тока 1Х. При изменении направле­ ния тока / у ток в нагрузке будет направлен в сторону большего то­

ка / 2. Зависимость /„ = / ( / у) для такого усилителя построена на рисунке (см. рис. 46).

Таким образом, в дифференциальном магнитном усилителе на­ пряжение на нагрузке при отсутствии тока управления равно нулю, а при наличии тока управления — зависит от его величины и на­ правления.

73

Крутизна кривой зависимости /H= f (h) характеризуется ко эффициентом усиления по току:

(18)

Коэффициент ki непостоянен и зависит от величины тока управле­ ния / у. Однако в рабочем диапазоне изменений тока / у его можно считать неизменным.

Активная мощность Ра — расходуемая в нагрузке, тем боль­ ше, чем больше ток управления / у. При этом в цепи управления

мощность Ру = /у гу может быть значительно (в сотни раз) меньше мощности Рн. Отношение

(19)

называется коэффициентом усиления магнитного усилителя по мощ­ ности. Коэффициент усиления по мощности является основной ха­ рактеристикой магнитного усилителя. Чем больше этот коэффи­ циент, тем большей мощностью переменного тока можно управлять при одинаковой мощности сигнала, подведенного к обмотке управ­ ления.

Другой важной характеристикой магнитного усилителя являет­ ся его инерционность, определяемая постоянной времени т усилите­ ля, которая равна отношению индуктивности обмоток усилителя к активному сопротивлению обмоток:

L

(20)

Оптимальным вариантом является магнитный усилитель с большим коэффициентом усиления и малой инерционностью, т. е. с малой постоянной времени т.

Увеличение коэффициента усиления магнитных усилителей мо­ жет быть достигнуто различными путями: применением для сердеч­ ников специальных магнитных сплавов, обладающих высокой маг­ нитной проницаемостью (пермаллой и суперпермаллой); примене­ нием питающего напряжения высокой частоты; применением мно­ гокаскадного усиления; применением положительной обратной

связи.

Однако применение для материала сердечников специальных сплавов, а также построение многокаскадных схем магнитных усилителей увеличивают их инерционность. Применение же питаю­ щего напряжения высокой частоты и особенно применение положи­ тельной обратной связи позволяют одновременно уменьшить инер­

ционность магнитного усилителя.

Схема магнитного усилителя с внешней положительной обратной связью по току представлена на рис. 47, а. Обмотки обратной связи zoocl и woc2 включаются последовательно с рабочими обмотками ге>р1 и wP2 через схему двухполупериодного выпрямления В. При изме­ нении тока управ тения происходит изменение тока нагрузки, а сле-

74

Рис. 47. Схемы магнитных усилителей с внешней ( а) и внутренней (б) положи­ тельной обратной связью по току

довательно, изменится и выпрямленный ток в обмотках обратной связи. Это, в свою очередь, вызывает изменение магнитных потоков Фос! и Фос2 обмоток обратной связи. Потоки Ф0С1 и Ф0С2 помогают магнитным потокам управляющих обмоток ФУ1 и Фу2 изменять маг­ нитную проницаемость сердечников.

В результате индуктивность и индуктивное сопротивление ра­ бочих обмоток изменяются более резко, что в свою очередь вызы­ вает более интенсивное изменение тока в нагрузке, а соответствен­ но и увеличение коэффициента усиленияПроисходящее, благода­ ря действию положительной обратной связи, увеличение коэффи­ циента усиления позволяет для достижения заданного коэффици­ ента усиления уменьшить число витков обмоток управления, что приводит к уменьшению их индуктивности, а следовательно, к уменьшению продолжительности переходных процессов в магнит­ ном усилителе.

Однако чаще для создания положительной обратной связи исполь­ зуются сами рабочие обмотки wpi и wp2, последовательно с которы­ ми включаются полупроводниковые выпрямители, соответственно В1 и В2 (рис. 47, б). В этом случае каждый из усилителей работает полпериода. По цепям рабочих обмоток протекают однополупериод-

разуют потоки обратной связи, усиливающие действие потоков управления ФУ1 и Фу2. Такая связь в магнитном усилителе называется внутренней положительной обратной связью по току. Магнитные уси­ лители с внутренней обратной связью значительно более экономичны, чем усилители с внешней обратной связью, и это обеспечивает их более широкое применение особенно при усилении больших мощ­ ностей.

Магнитные усилители применяются для усиления сигналов как постоянного, так и переменного тока, причем коэффициент усиления по мощности высок и может достигать 103—106 в одном каскаде.

75

Выходная мощность магнитных усилителей практически не ограни­ чена и может быть от нескольких ватт до нескольких киловатт, а в отдельных случаях — сотен киловатт. Магнитные усилители мо­ гут иметь несколько обмоток управления.

Магнитные усилители типа ТУМ (тороидальный усилитель маг­ нитный) охватывают диапазон мощностей от 2,5 до 50 Вт и имеют коэффициент усиления в пределах от 3000 до 10 000. Число обмоток управления — шесть.

Магнитные усилители типа УМ1П (усилитель магнитный одно­ фазный) и типа УМЗП (усилитель магнитный трехфазный) имеют диапазон мощностей от 0,1 до 18 кВт. Число обмоток управления—

от трех до пяти.

Основным недостатком магнитных усилителей является значи­ тельная инерционность. Постоянная времени лежит в пределах от 0. 01 до 5 с и находится в прямой зависимости от мощности и коэф­ фициента усиления. Кроме того, к недостаткаммагнитных усили­ телей следует отнести большой вес, особенно при низких частотах, а также искажение формы кривой тока нагрузки.

Достоинствами магнитных усилителей являются: высокая на­ дежность и простота в эксплуатации, отсутствие вращающихся час­ тей, мгновенная готовность к работе, высокий к. п. д., возможность одновременного суммирования нескольких сигналов управления. Магнитные усилители не боятся вибрации и повышенной влажно­ сти, что особенно важно для судовых установок.

Область применения магнитных усилителей в электрооборудо­ вании судов весьма обширна. Они используются в качестве усили­ телей сигналов различных датчиков, в системах сигнализации,, контроля и автоматического регулирования различных параметров (напряжения, частоты, давления, температуры, частоты вращения), в следящих системах, в приборах управления судном, в схемах уп­ равления электроприводами.

§ 14. Электронные и полупроводниковые усилители

В системах автоматического регулирования, где усилительный элемент должен иметь на выходе сравнительно малую мощность (единицы и десятки ватт), часто применяют электронные и полу­ проводниковые усилители. Основными элементами электронных усилителей являются электронные лампы, которые могут иметь три (триод), четыре (тетрод) и пять (пентод) электродов. Усилительны­ ми элементами в полупроводниковых усилителях являются полу­ проводниковые триоды (транзисторы).

Электронная лампа — триод. Триод имеет три электрода: анод 1, управляющую сетку 2, катод 3 (рис. 48). Электроды находятся в вакуумированном стеклянном или металлическом баллоне. Катод, подогреваемый нитью накала 4 от вспомогательного источника, испускает электроны вследствие термоэлектронной эмиссии. Поток

76

электронов направляется ко вто­ рому (холодному) электроду — аноду только в том случае, если потенциал анода выше потенциа­ ла катода. В противном случае анод будет отталкивать электро­

чем анод. Поэтому электрическое поле между сеткой и катодом да­ же при малом напряжении меж­ ду ними сильно влияет на поток электронов. Сетка является уп­ равляющим электродом. Путем изменения потенциала сетки от­ носительно катода можно управ­ лять анодным током лампы. По­

ложительный потенциал на сетке относительно катода увеличивает анодный ток, отрицательный — уменьшает его.

напряжении на управляющей сетке Uc. Анодные характеристики, снятые при различных значениях напряжения на управляющей сет­ ке, образуют семейство анодных характеристик. Анодно-сеточная характеристика — кривая, показывающая зависимость анодного тока / а от напряжения на управляющей сетке Uc при неизменном напряжении на аноде и &-

Семейство анодно-сеточных характеристик может быть получе­ но при различных напряжениях на аноде.

Электронная лампа может служить усилителем напряжения, то­ ка и мощности. Возможность выполнения этих функций основывает­ ся на том, что изменение разности потенциалов между сеткой и ка­ тодом оказывает более сильное влияние на поток электронов с ка­ тода на анод, чем изменение на ту же величину разности потенци­ алов между анодом и катодом.

Свойства электронной лампы определяются рядом параметров, одним из которых является статический коэффициент усиления р,

77

и напряжения на управляющей сетке AUc, вызывающих одинако­ вые изменения анодного тока,

Нетрудно понять, что коэффициент усиления триода может быть легко определен с помощью семейств анодных или анодно­ сеточных характеристик.

У триодов различных типов р, имеет значение от 4 до 100, а у пентодов достигает 9000.

Другими важными параметрами триода являются внутреннее сопротивление лампы Ri и крутизна характеристики S.

Внутреннее сопротивление триода Ri определяется как отношение

Для усилительных триодов величина Ri находится в пределах 300 Ом—110 кОм, а у пентодов — от 10 кОм до 2 мОм.

Крутизна характеристики S — отношение приращения анодного тока Д/а к вызвавшему это приращение изменению напряжения на управляющей сетке Д/Л при неизменном напряжении на аноде /Д:

рактеристике, а крутизна характеристики 5 — по анодно-сеточной ха­ рактеристике лампы.

Коэффициент усиления, крутизна характеристики и внутреннее сопротивление связаны между собой соотношением

д = SRi.

Усилительный каскад на электронном триоде. Электронный триод с нагрузкой в цепи анод—катод образует усилительный каскад, схема которого представлена на рис. 50, а. На схеме Ес — источник постоянного тока, питающий цепь сетка—катод (напряжение смеще-

Рис. 50. Усилительный каскад на электронном триоде:

а —схема; б — построение анодно-сеточной характеристики каскада

78

ния); ис~ — источник переменного напряжения (входной сигнал); f a - источник постоянного тока, питающий цепь анод — катод; иа — анод­ ное напряжение (выходной сигнал); Ra — сопротивление анодной на­ грузки. В выходной цепи включен разделительный конденсатор Ср для выделения переменной составляющей напряжения иа~.

По заданным семействам анодных и анодно-сеточных характери­ стик триода могут быть построены характеристики каскада, учиты­ вающие влияние нагрузки. На рис. 50, б показано построение анод­ но-сеточной характеристики каскада при заданном сопротивлении анодной нагрузки R a и неизменном напряжении Е а. Линия нагрузки 1 проведена из точки (Ja = Ea под углом а к вертикали. Тангенс этого

угла пропорционален R a; tga = mR где тц- -масштаб сопротивления.

Точки пересечения линии нагрузки с анодными характеристика­ ми триода определяют соответствующие значения анодного тока, анодного напряжения при заданных сеточных напряжениях. Путем переноса этих точек на семейство анодно-сеточных характеристик строится анодно-сеточная характеристика 2 каскада, которая по­ зволяет найти форму кривой анодного тока для любой формы кри­

покоя (рис. 51). При наличии входного сигнала сеточное напряжение

Выражение в скобках представляет собой постояннуку составляющую выходного сигнала, а и а~ — — R a / а~ — переменную-составляю­ щую выходного сигнала. Входной си­ гнал и (см. рис. 51) и переменная

составляющая анодного тока iaJ^ сов­ падают по фазе.

Учитывая выражение (24), можно сказать, что входной сигнал «с~ и переменная составляющая выход­ ного сигнала «а^находятся в проти­ вофазе.

Переменная составляющая анод­ ного тока триода равна

79