
книги / Электрические аппараты
..pdfРис. 6.6. Магнитный усилитель
ссамонасыщением:
а—динамическая петля гистерези са; 6—изменение основных пара метров во времени
стояние магнитопровода характеризуется точкой / (напря жение источника приложено к вентилю и iP = 0).
При наличии # у < 0 начальная точка процесса намаг ничивания спустится в точку 4. Сделаем допущение, что перемагничивание происходит по частному циклу 4—5—
—2—3—1—4, аналогичному предельному циклу 1 ~ 7 —8—2. Положим, что цепь управления питается от источника тока и / у= const. Цепь рабочей обмотки питается от источника напряжения е = Е т sin at. Тогда для магнитной цепи можно написать
|
— / у wy + |
г'р wp ~ Ж , |
(6.2) |
|||
где Н — напряженность магнитного поля; I — средняя дли |
||||||
на магнитопровода; |
tp — ток |
|
рабочей |
обмотки. Для |
рабо |
|
чей цепи |
|
|
|
|
|
|
е = |
Ет sin a t = |
|
-f |
ip Rp. |
(6.3) |
|
На участке 4—5 индукция |
не меняется и dB = 0. |
Соот |
||||
ветственно |
|
|
|
dB |
|
|
(!В |
и сПг = |
wpS |
= 0. |
|
||
dt |
dt |
|
|
dt |
|
|
Тогда |
|
|
|
|
|
|
Em sin a t — ip Rv и |
|
ip = |
Em sin at!Rv. |
|
Ток tp нарастает по закону синусоиды, пока не достиг нет значения
. |
Я6/ + 7уШу _ |
Н51-\-Ну1 |
|
||
( р ---------------------------------------- |
|
||||
|
Wр |
|
Wp |
|
|
Поскольку ширина петли 2Нс |
мала, |
а амплитуда |
!рт |
||
велика, процесс |
нарастания тока |
от |
0 до t'P5 длится очень |
||
кратковременно |
(время нарастания |
tHap, |
рис. 6.6,6). |
Н а |
чиная с точки 5 значение dW/dt^$>ipRp. Отбросим ipRp ввиду
малости |
по сравнению |
с d ^ ld t. Тогда |
индукция меняется |
||||
по закону, определяемому уравнением |
|
|
|||||
|
Е |
sin at = |
wp S |
. |
|
|
|
|
m |
|
|
1 |
dt |
|
|
После интегрирования |
|
|
|
|
|
||
B e f Em sîn «1 dt + c = ~ |
.EmCOsa- |
-f. C |
B |
cos at + C. |
|||
J |
tUpS |
|
coaipS |
|
” |
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
При t = 0 |
B = |
By; |
C = |
By -f Bm и |
|
|
|
B = |
By -f- Bm (1 —-■coscù<). |
(6.4) |
По этому закону индукция меняется, пока не достигнет значения Bs (точка 2). Ток намагничивания
. |
_ lyWy-j-Hl |
I |
-------------------- |
|
Юр |
Время насыщения магнитопровода равно ts. Если счи |
|
тать, что предельная |
петля прямоугольна, то tp = ip = |
= const = 2Hcl/wp. После достижения точки 2 dW/dt —O и ток г'р меняется по закону
ip = Ет sin at/Rv,
пока не достигнет нулевого значения. Ради упрощения бу дем считать, что при прохождении тока tp через нуль диод
закрыватся. Под действием |
—Н у происходит размагничи |
|||
вание |
магнитопровода от индукции + B S до |
индукции ByU |
||
Закон |
изменения индукции во времени B (t) |
зависит от на |
||
пряженности поля Ну [6.1]: |
|
|
|
|
|
dB_ |
Wy_ |
B = Bs - c |
h wy t |
|
dt |
I |
|
l |
где c — некоторая постоянная.
Поскольку Jy и Ну неизменны, то индукция спадает по линейному закону (прямые 1—4 и 1—6, рис. 6.6,6). Полупериод, в котором индукция спадает от +Æ S до Вуь назы вается управляющим (УП).
Чем больше —Ну, тем ниже опускается точка, характе ризующая начальное состояние магнитопровода, тем позже
наступает его насыщение и меньше ток нагрузки. |
|
|
В действительности при изменении |
индукции от + B S |
|
до Ву в обмотке шр создается ЭДС wpS |
dt t |
открываю- |
щая диод VD и направленная встречно ЭДС |
источника. |
При этом ток в нагрузке гр проходит через нуль несколько позже, чем 7/2 (конец полупериода напряжения источни ка), и начинает протекать раньше, чем время длительности периода 7 [6.1]. Это оказывает влияние на характеристику управления МУС.
б) Основные соотношения в усилителе с самонасыщением. Для любого момента времени в рабочий полупериод
можно записать |
|
. п I |
a dB |
и = tp Яр + wp S — . |
|
Умножим правую и левую |
части на d (a t) и возьмем |
интеграл; тогда |
|
I" ud (cot) — J ip Rpd (at ) -f- соj* Дор S |
di = j iP Rpd (at) + |
+ J ОШр SdB. |
(6.5) |
ВУ Среднее значение напряжения источника питания за по-
лупериод |
Т/2 |
я |
|
|
я |
|
|
|
|||
U — ~ |
J |
udt == — J — nd (coi) = |
— J Md(coi). |
||
|
0 |
0 |
|
0 |
|
Среднее за полупериод значение напряжения на сопро |
|||||
тивлении Rp рабочей цепи |
|
|
|
||
Т'2 |
|
я |
|
я |
|
Up„ = - £ - |
I ipRpdt = |
ГipR pdat = |
— |
Г ipRp dat. |
|
7 |
.1 |
Гео |
J |
я |
J |
|
О |
О |
О |
|
|
Среднее значение напряжения Up за |
период |
||||
|
|
|
Я |
|
|
|
|
|
|
|
<6-6) |
Из (6.5) и (6.6) получим |
|
|
|
||
nU — 2nUP2n + |
wp 5со ш ,— Ву] — 2nUp -f шр SaABy, (6.7) |
где АВу — изменение индукции за полупериод, равное Bs—
---By.
После простых преобразований (6.7) получим |
|
Up = Upîn = 0,5 (U ~ 2 fw pSABy). |
(6.8) |
Up называется выходным напряжением усилителя.
При изменении сигнала управления изменяется только АВу. Если АВу= 0, то BS = BS весь рабочий полупериод магнитопровод насыщен и
Up = 0,5U,
т.е. ток через нагрузку проходит в течение всего рабочего полупериода.
Среднее значение наибольшего тока через нагрузку /„ = /„ = Up/Rp - Q,5U/Rp.
Режим МУС, при котором через нагрузку протекает наи
больший ток / н, называется режимом максимальной отдачи. Введем КПД цепи рабочей обмотки
Л = RiARa + rv + RB)’ тогда напряжение на нагрузке
t/н = /н Rn = 0,5URJ{RB + Гр + RB) = 0,5r\U-,
на линейном участке характеристики управления UH= f(Iy ) имеем
Un = 0,5л (i/ — 2/аУр SABy). |
(6.9) |
В следующий, управляющий полупериод |
/ н = 0, если |
пренебречь обратным током диода. |
|
Другой крайний случай имеет место, когда АВу= 2Вт :
£/р = 0,5 ((/ — 2fwv S-2Bm). |
(6.10) |
В этом случае UР = 0, так как амплитудное |
значение |
индукции Вт , создаваемой полем рабочей обмотки, связа но с напряжением питания уравнением
U = 4/шр SBm.
Обычно Bm = Bs. Если ABy = Bs—Ву —2Вт , то в течение всего полупериода не наступает насыщения магнитопровода (петля 1—7—8—2, рис. 6.6,а).
В реальном МУС в этом режиме напряжение Up =
— ÎhoRp¥=0, так как в рабочей цепи протекает небольшой на магничивающий ТОК / но.
Для построения характеристики управления усилителя £;„ = /( /у) необходимо знать зависимость ЛBy= f(ly ), назы ваемую динамической кривой размагничивания. Эту зави симость получают экспериментально с помощью схемы на
рис. |
6.7. Обмотка |
управления |
гюу питается |
от источника |
тока |
постоянного |
напряжения, |
рабочая обмотка wp — от |
|
источника тока переменного |
напряжения, |
обмотка шизм |
является измерительной. Частота / источника переменного тока равна частоте, при которой будет работать МУС. Ток ip выбирается так, чтобы обеспечить насыщение материала
Рис. 6.7. Схема для снятия дина мической кривой размагничивания
магнитопровода при любом значении Ну. Среднее значение напряжения измерительной обмотки
u a = |
772 |
hr |
Bg |
|
j ®H3MS |
dt = |
j ®„3M SdB = 2fwmM SABy, |
||
о |
|
|
|
|
откуда получим |
|
|
|
|
|
|
ABу = UJ2fwmMS, |
|
|
где АВУ— изменение индукции в магнитопроводе. |
|
|||
Прибор |
V измеряет среднее |
значение одной |
(положи |
|
тельной) волны напряжения. |
|
|
||
Изменяя |
ток управления / у и соответственно |
Ну, полу |
чают различные значения АВу.
На рис. 6.8, а представлена линеаризованная динамиче
ская кривая |
размагничивания ABy—f(H y). |
По этой кривой |
с помощью |
(6.10) на рис. 6.8,6 построена |
характеристика |
управления Un = f(Iy). Там же показаны мгновенное на пряжение на нагрузке ин и частные циклы намагничивания для характерных точек 1—3 кривой ABy= f(H y).
При токе управления 1У\, т. е. Ну = Н у1, имеет место ре жим максимальной отдачи.
Если Bm=B s и Ну = Нуз, то согласно (6.10) напряжение и „ = 0. В действительности через нагрузку протекает на магничивающий ток холостого хода / но, определяемый пет лей гистерезиса и равный I H0 = 2Hclcl(2wp).
|
Напряжение на нагрузке (точка <?') |
|
|||
|
|
|
Uно — 1но Rk- |
|
|
|
Режим |
при / у— /уз |
называется р е ж и м о м |
х о л о с т о |
|
го |
х о д а . |
При / у< 0 |
и |/ У41 > |/уз| |
усилитель работает |
|
в |
режиме, |
близком к режиму ДМУ |
(точка 4, |
рис. 6.8,6). |
Обычно эта область для работы не используется. Реальная динамическая кривая размагничивания отличается от по казанной на рис. 6.8, а. Поэтому на практике характеристи ка управления имеет вид, показанный на рис. 6.8, в. На этом рисунке линейный участок M N — рабочая зона МУС; AUhnm— изменение напряжения на нагрузке; ЛЯулгм— напряженность магнитного поля управления, необходимая для изменения напряжения на нагрузке на величину
AUhNM■
6.3. ДВУХПОЯУПЕРИОДНЫЕ СХЕМЫ МУС
Однополупериодная схема (рис. 6.5) практически не применяется из-за следующих недостатков:
1.Для ограничения наведенных в обмотке управления токов необходим балластный дроссель, наличие которого ухудшает выходные параметры МУС.
2.Прохождение рабочего тока лишь в течение одного полупериода уменьшает мощность нагрузки.
3.Схема пригодна для питания нагрузки только выпрям
ленным током.
На рис. 6.9 изображены двухполупериодные мостовые схемы усилителя с нагрузкой на постоянном и переменном токе. При полярности вторичной обмотки питающего транс форматора, обозначенной на рис. 6.9, а, в верхнем усили теле МУС / имеет место рабочий полупериод, а в нижнем
МУС |
II —• полупериод управления. |
В следующем полупе- |
риоде |
МУС II будет находиться в |
рабочем полупериоде, |
а МУС / — в полупериоде управления.
При большом сопротивлении в цепи управления пере менная составляющая напряжения, наведенная на обмот ках Wy обмотками wp, создает малый переменный ток, которым можно пренебречь. Тогда по цепи управления
Рис. 6.9. Схемы двухполупериод* ного МУС:
а и 6■—на постоянном токе; в—на переменном токе
Г ,
Рис. 6.10. МУС с общей обмоткой управления
протекает только ток / у. Такой режим работы МУС назы вается режимом вынужденного намагничивания. В этом случае условия работы каждого МУС аналогичны рассмот ренным в § 6.2.
Обычно сопротивление цепи управления мало и для компенсации наводимых на обмотках wy ЭДС начала и концы обмоток должны соединяться так, как показано на рис. 6.9. Две обмотки управления могут быть заменены
одной. При |
этом для схемы 6.9, а |
необходимо |
изменить |
|
направление |
включения рабочих |
обмоток |
хор |
(рис. 6.10), |
а для схем |
рис. 6.9, б и в направление их |
включения со |
храняется.
Процесс изменения электрических величин в схеме рис. 6.9, а и б представлен на рис. 6.11,6—г. Примем начальное значение индукции Ву = 0. МУС / находится в рабочем полупериоде, и через нагрузку протекает ток ipi. В это время индукция В\ в магнитопроводе МУС I нарастает от значе ния Ву = 0 до + B S. МУС II находится в управляющем
Рис. 6.11. Изменение во времени основных электрических и магнитных параметров двухполупериодного МУС
полупериоде, и индукция меняется от значения —Bs до Ву= 0. Во втором полупериоде МУС II находится в рабо чем полупериоде, а МУС / в управляющем. Соответственно
индукция |
в МУС II |
нарастает |
от Ву = 0 до By= —Bs, |
а в МУС I происходит размагничивание и индукция меня |
|||
ется от |
до Ву= 0. |
Среднее |
значение индукции в маг- |
нитопроводе равно Во. В МУС по схеме рис. 6.9, б обмотки управления wy включены согласно, поэтому в первом полу периоде индукция В2 меняется от значения + B S до Ду = 0. Ток и напряжение на нагрузке меняются по кривым рис.
6.11, г. Ток через нагрузку протекает |
оба полупериода, |
поэтому среднее значение напряжения |
удваивается по |
сравнению со схемой рис. 6.4: |
|
U„ = т) (U — 2fwp SABy). |
(6.11) |
Реальная характеристика управления МУС является нели нейной (рис. 6.8, в). Для более эффективного использова ния линейной части MN характеристики применяется об мотка смещения со своим источником питания (рис. 6.12). В этом случае поле управления создается обмоткой управ ления wу и обмоткой смещения wcм (рис. 6.12,а):
НУ = 7УWy/l + JCMw ,Jl.
Допустим, с ростом положительного тока управления напряжение на нагрузке должно возрастать и МУС должен работать на линейном участке MN характеристики управ ления. Тогда обмотка смещения должна создавать отрица
тельное поле смещения |
Я см= |
/ смщсм/1<0, |
для |
чего по ней |
|
должен проходить ток |
/ см< 0 |
. Это |
смещение |
перемещает |
|
ось ординат так, что она проходит |
через |
точку М (рис. |
6.12,6). Приведенный к обмотке управления ток смещения
Гсм — Iсм wсм'Iwу.
При подаче положительного тока управления / у МУС ра ботает на линейной части характеристики MN.
Следует отметить, что МУС может иметь большое число п управляющих обмоток. Результирующее поле управления равно алгебраической сумме МДС, создаваемых этими об мотками:
Ну = н у1 + н п + . .. + н уп = 2 н У1 = |
J z t z l - ‘ |
1=1 |
i - 1 |
Таким образом, МУС может быть использован как сум матор многих независимых переменных величин.