книги из ГПНТБ / Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник

лителей изменяются в соответствии с индукциями Вг и В 2 и напряжен­ ностями Ні и Н2, а векторная диаграмма принимает вид, показанный на рис. 4.9, б. По мере возрастания тока /у рабочие точки усилителей расходятся (ср. точки 1-2, 3-4, 5-6), увеличивается разность АН^, между напряженностями и Я 2 и пропорционально ей возрастает ток нагрузки (рис. 4.10, б). Однако наступает момент, когда разность Нсм — Яу становится равной нулю, и второй усилитель достигает основной кривой намагничивания (точка 6). Начиная с этого значения тока управления, дальнейшее его увеличение не будет вызывать уве­ личения разности ДН ^, так как рабочая точка второго усилителя нач­

«догоняя» рабочую точку первого усилителя (точка 7). Ток нагрузки достигает максимального значения, пропорционального ДЯ^,шах, и тоже прекращает увеличиваться. Этому режиму соответствует напря­ женность Яутах = Ясм. При отрицательном токе управления уси­ лители меняются ролями, обеспечивая симметрию характеристики вход—выход относительно начала координат, что соответствует по­ вороту на 180° фазы тока в нагрузке (рис. 4.9, в).

Подобным образом на семействе кривых намагничивания переме­ щаются и рабочие точки мостовой и трансформаторной схем.

Поясним связь между векторной диаграммой и рабочими точками трансформаторной схемы. Особенность трансформаторной схемы зак­ лючается в том, что вследствие последовательного соединения обмоток в первичных обмотках обоих усилителей протекает один и тот же ток. То же самое относится и к току вторичной цепи.

Подчеркнем, что напряженность переменного поля в этой схеме соз­ дается не всем током первичной цепи, а лишь его намагничивающей составляющей.

При отсутствии управляющего сигнала оба усилителя находятся в точке с координатами Я0 и Вс (см. рис. 4.10, а). Напряжение и г делится поровну между усилителями, ток во вторичной цепи отсутст-

100

вует, а первичный ток состоит лишь из намагничивающего тока. Векторная диаграмма приведена на рис. 4.11, а.

При наличии сигнала намагничивающий ток, например, трансфор­ матора а уменьшается, если напряженности Нсм и // в нем вычи­ таются. Уменьшение намагничивающего тока /оа (рис. 4.11, б) приво­ дит к увеличению общего сопротивления этого трансформатора, и па­

ется, и он переходит последовательно в точки 1, 3 и 5 на семействе кривых намагничивания (см. рис. 4.10, а).

Перемещения рабочих точек соответствуют векторной диаграмме рис. 4. 11, б.

На основании изложенного метод расчета основных параметров нереверсив­ ного усилителя (см. § 3.7) можно распространить и на реверсивные усилители

ния Яу гаах, которую должен будет создать заданный ток управления.

Проведя прямую из верхнего «колена» (точка 6 рис. 4.10, а) через начальную точку (Вс; Н0) до пересечения с кривой намагничивания, для которой напряжен­ ность постоянного поля окажется равной Ясм + Яу тах= 2 Я см (точка 5), ориен­ тировочно находят ДЯ^тах. По заданному току нагрузки /н и значению ДЯ^тах

определяют удельное число витков:

( 4 . 1 4 )

( 1 , 1 4 - 1 , 3 ) / н •

101

Значения коэффициентов kb и kt берут такими же, как у нереверсивного

усилителя.

Установив по формулам (3.53) и (3.54) и по размеру а геометрические размеры сердечников, вычерчивают эскиз сердечников с обмотками. Число витков обмо­ ток wp определяют по (3.59). Сечения проводов обмоток шр в зависимости от ре­ жима работы находят либо по максимальному току нагрузки [см. формулу (3.60)], если он длительно протекает, либо по начальному току, соответствующему Н0, если ток нагрузки достигает максимальных значений лишь кратковременно. В последнем случае ток, длительно греющий обмотки усилителей и трансформа­ тора, находят по формуле

Рис. 4.11. Векторная диаграмма трансформатор­ ной схемы

Допустимая плотность тока может быть выбрана по графику рис. 3.16. Площадь окна для обмотки шр определяют по формуле (3.61). Площадь окна для обмотки Доу находят по формуле (3.65), в которой

При этом учитывается, что в обмотке управления каждого усилителя выде­ ляется только половина всей мощности, поступающей на вход реверсивного усилителя.

Обмотку смещения рассчитывают по # см и выбранным для цепи смещения выпрямителям.

Если окно окажется пустым, то для создания более компактного усилителя, как и в случае нереверсивного усилителя, необходимо увеличение ДЯ^тах. Для

этого надо выбрать в качестве начальной кривой намагничивания кривую с боль­ шим значением Нсм, что вызовет увеличение количества витков всех обмоток при соответствующем уменьшении габаритов сердечников. Если же обмотки не умещаются в окне, следует уменьшить # см и ДЯ^тах-

Выбор начальной индукции Вс и определение Д //^ тах между «коленами»

предельных кривых намагничивания (с напряженностями Д_ = 0 и # _ = 2НСУ) обеспечивает в любом варианте согласование усилителя с заданной через (Ун и '/„ нагрузкой.

Отметим, что каждый усилитель схемы рассчитывают приблизительно на удвоенную мощность нагрузки, а в целом расчетная мощность реверсивного уси­ лителя вчетверо превышает мощность нереверсивного усилителя, работающего

102

лителя значение индукции Вс усилителя в реверсивной схеме примерно вдвое меньше, чем в нереверсивной, где индукция Вс выбиралась вблизи верхнего «ко­ лена» кривой намагничивания. Такое заниженное значение Вс усилителя в ре­

версивной схеме необходимо потому, что к усилителю, для которого 2 -У - = О, в режиме максимальной нагрузки оказывается приложено (см. рис. 4.9) почти удвоенное значение напряжения питающего трансформатора.

Расчет реверсивного усилителя с самонасыщеиием можно произвести по аналогичному методу с применением семейства кривых намагничивания, изобра­ женного на рис. 3.11, и формулы (3.55) без двойки в знаменателе (см.

пример 3.2 в гл. Ill) для определе­ ния размера а.

Характеристику вход — выход рассчитывают методом последова­ тельных приближений, как показано

врасчетном примере.

Пр и м е р 4.2*. Рассчитать реверсивный магнитный усилитель,

f — 500 гц; /у = 0,1 а; Ру — 1,0 ет.

Решение. Определим максималь­ ный ток в нагрузке:

,Uh max

Рассчитаем магнитный усилитель на кольцевых сердечниках из стали Э320. Выбираем индукцию Вст = 0,9 тл (рис. 4.12).

Необходимые напряжения вторичных обмоток трансформатора

Яс = (1 ,3 ± 1,6) Унтах = 1,5-270 = 410 в.

Выбрав Ясм — 15 а/см, определим разность напряженностей:

АН = Я2—Ях ж 30 а/см.

Удельное число витков

Здесь коэффициент 0,9 свидетельствует о том, что кривые намагничивания даны в средних значениях напряженности, а расчет ведется по действующему

значению тока.

Задавшись значениями коэффициентов kb = 1,2 и = 20, найдем размер

Uс-ІО4

а =

2 .4,44/(юр/1) kb h Вст

_________410■104__________

= 1,02 см.

г - 2 - 4,44 - 500 - 41 - 1,2 • 20 • 0,9

Расчет выполнен инженером 3. Н. Дорониной.

ЮЗ

Проверим, сохраняется ли для выбранного сердечника при индукции Вст = “=» 0,9 тл напряжение Uc:

Пс =» 2-4,44/fa:psßcm- 10~4 =■* 2-4,44-500.626-1,63-0,9-ІО“4 = 408 в.

Задавшись плотностью тока /' =» 3,0 а/мм2, найдем сечение провода рабочей обмотки

Выберем провод стандартного сечения др •=* 0,2376 мм2; dp = 0,55 мм. Площадь окна, занятая рабочей обмоткой (принято £аап = 0,35).

Рассчитаем обмотку управления. Сопротивление обмотки

При максимальном сигнале Яу = Ясм = 15 а/см число витков обмотки управления

где Іу ж 16 см = 0,16 м (по эскизу сердечников).

Округлим значение Цу до стандартного: q1 = 0,066 мм2; dy = 0,29 мм и про­ верим плотность тока

/r=^ è k =1'52 а/мм2

104

Окно, занимаемое обмоткой смещения,

вых намагничивания задаются положением рабочих точек при определенном сигнале на входе. Затем вычисляют сопротивления магнитных усилителей в каж­ дой точке и по формуле (4.10) определяют / н и Un = /HZHСтроят векторную диаграмму, и по ней проверяют точность выбора положения рабочих точек на семействе кривых намагничивания. Если отклонения полученных индукций от намеченных значений велики, расчет повторяют для новых, уточненных значе­ ний индукции.

При максимальном сигнале (Яутах = 15 а/см) рабочая точка одного плеча магнитного усилителя находится на кривой намагничивания //_ •=• 0, а другого—

ОАС (рис. 4.13, а) и откладываем напряжение ІІС на стороне ОС и напряжение UHна отрезке OB.

и повторный расчет не нужен.

105

делены X; ■= 366 ож, Ja *= 0,51 а и и п = 207 в.

Рис. 4.13. Расчетные векторные диаграммы:

106

§ 4.4. МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Магнитные усилители можно легко соединять в схемы в виде каска­ дов. В этом случае нагрузкой предыдущего каскада магнитного усили­ теля является обмотка управления последующего каскада. Часто уси­ лители собирают в многокаскадные схемы для увеличения общего ко­ эффициента усиления. При этом количество каскадов может достигать 5—6. Однако многокаскадные усилители нередко применяют и тогда, когда необходимый коэффициент усиления можно получить и в одном каскаде с помощью ПОС. Такое их использование может преследо­ вать две цели.

Во-первых, увеличение числа каскадов при сохранении общего коэффициента усиления позволяет значительно (иногда в десятки раз) уменьшить общую инерционность многокаскадного усилителя.

Поясним это на примере замены однокаскадного усилителя двухкаскадным. П р и м е р 4.3. Однокаскадный усилитель с параметрами kp — 10 000, t — 400 гц, fe0c = 0,9, ц =» 0,9 имеет постоянную времени [по уравнению (3.14)]

10 000

(1—0,9) = 0 ,7 сек.

4.400-0,9

Заменим этот усилитель двухкаскадным, сохранив общий коэффициент уси­ ления и считая, что значен-ия коэффициентов koc и г) одинаковы у обоих каска­ дов и равны значениям однокаскадного усилителя. Разделим общий коэффициент усиления между каскадами так, чтобы их произведение оставалось равным kp коэффициенту усиления однокаскадного усилителя

fey,] — 200, fep2 — 50, kpj fey,2 ' • 10 000.

Постоянные времени каскадов:

4 . 400 • 0,9

50 Ток- 4 • 400 • 0,9 (1 - 0 ,9 ) =0,0035 сек.

Таким образом, при сохранении общего коэффициента усиления постоянные времени каскадов, составляющих усилитель, уменьшились в 50 (I) и в 200 (!) раз. Однако замена однокаскадного усилителя двухкаскадным повышает порядок общего дифференциального уравнения системы автоматического регулирования, в которой работает усилитель, потому что динамика каждого каскада описы­ вается своим дифференциальным уравнением первого порядка типа (3.16) или передаточной функцией типа (3.18), а в случае каскада с самонасыщением—типа

(3.48).

Во-вторых, применение предварительного каскада усиления перед мощным выходным каскадом позволяет снизить вес и габариты много­ каскадного усилителя в целом при сохранении заданных мощности и чувствительности.

Из § 3.7 и выражения (3.55) очевидно, что для меньших веса и га­ баритов усилителя необходимо выбирать возможно большее значение Вс и проектировать усилитель на материале с большими значениями индукции насыщения, т. е. на электротехнической стали, а не на пер­ маллое. Однако кривые намагничивания стали далеки от идеальной (ср. рис. 1.15 и 1.9, г); следовательно, из нее нельзя сделать еысоко-

107

чувствительный и стабильно работающий усилитель. Выполнять же однокаскадный усилитель на пермаллое экономически нецелесообраз­ но — такой усилитель будет иметь завышенные габариты, так как для получения высокой чувствительности усилителя приходится прини­ мать относительно низкие значения Вс и //тах по сравнению со сталью. Стоимость такого усилителя также значительна ввиду большой стоимос­ ти пермаллоя. Все это более очевидно, если учесть, что при малых сиг­ налах применяют пермаллои с присадками молибдена (79НМ) и хрома (80НХС) (см. гл. I). Небольшая мощность на входе усилителя часто не позволяет рассчитывать усилители при напряженностях Я ^тах, боль­ ших 1 а!см, и для сохранения линейности характеристики вход—выход индукцию Вс выбирают (см. рис. 2.9, в) в пределах 0,3—0,4 тл.

Применение дополнительного каскада позволяет несколько умень­ шить коэффициент положительной обратной связи в первом каскаде, что способствует повышению стабильности нуля усилителя при коле­ баниях температуры, напряжения, частоты источника питания и т. п.

Если сигнал на входе усилителя не изменяет полярности и до­ пустимо протекание по нагрузке тока холостого хода, то многокаскад­ ную схему выполняют на нереверсивных усилителях. Обмотки управления последующих каскадов шунтируются емкостями, которые предотвращают появление релейных режимов и повышают линейность характеристики вход—выход.

Это объясняется тем, что через емкость замыкаются четные гармо­ ники э. д. с., наводящиеся в зашунтированной обмотке управления, которые при отсутствии емкости выпрямлялись бы вентилями рабочей цепи предыдущего каскада, как в схеме рис. 3.1, г, и выполняли бы роль непредусмотренной обратной связи, нарушающей в этом случае работу усилителя.

Если сигнал на входе меняет полярность, многокаскадную схему выполняют на реверсивных усилителях. На рис. 4.14 приведена по­ добная схема усилителя следящей системы, нагрузкой выходного кас­ када М У2 которого является обмотка управления двухфазного асин­ хронного двигателя. Выходной каскад изготовлен из электротехни­ ческой стали по дифференциальной схеме с самонасыщением. На­ чальное смещение в этом каскаде позволяет вывести исходные точки работы на линейные участки характеристик вход—выход каждого усилителя выходного каскада.

Входной каскад М УХ выполнен по схеме реверсивного усилителя рис. 4.1; нагрузками являются обмотки wyl — wyl и wy2 — wy2 вто­ рого каскада, шунтированные емкостями С1 и С2. Нуль усилителя устанавливается потенциометром смещения Псм. Для снижения до­ полнительной постоянной времени, вносимой цепью смещения (см. § 3.3), предусмотрены Ддоб, ограничивающие величину токов смеще­ ния в крайних положениях движка потенциометра Псш.

Особенностью усилителя МУг является применение в нем так на­ зываемой о б щ е й положительной обратной связи (ПОС).

В схеме рис. 4.1 обратная связь создается током только «своего» усилителя, протекающим по единственной обмотке обратной связи.

103

Й* #

La A-aJ

Рис. 4.14. Схема двухкаскадного реверсивного магнитного усилителя