книги / Электрические аппараты
..pdf
|
I |
д |
s; |
Рис. 6.16. Стабилизатор напряжения на базе МК: |
|
а —упрощенная схема; |
б —изменение основных параметров во времени |
что ток через нагрузку протекает импульсами и его значе
ние |
определяется |
отношением |
времени протекания тока |
|
tр и временем цикла tn— tp-{-tn |
(£„ — время паузы тока); |
|||
|
|
/н = / срV(^p + |
^п)> |
|
где |
/ ср— среднее |
значение тока |
при £р = £ц. В качестве |
коммутирующего элемента могут использоваться электрон ные коммутаторы (ЭК) (транзисторы, тиристоры в режи ме ключа) и МУС, работающие в режиме ключа. Когда МУС насыщен, сопротивление рабочей обмотки приближа ется к нулю (ключ замкнут). Когда МУС ненасыщен, его сопротивление велико (разомкнутое состояние ключа). Та кие ключи называются магнитными (МК). Они в настоя щее время получают применение. Как показали исследо вания [6.3], МК обладают целым рядом положительных свойств по сравнению с ЭК: габаритные размеры с ростом частоты питания уменьшаются, большой срок службы, вы сокий КПД, высокая надежность, помехозащищенность,
стойкость к воздействию излучений, вибраций и высоких температур. На рис. 6.16 представлена схема стабилизато ра напряжения, использующего MK- С целью снижения массы и габаритных размеров стремятся использовать вы сокую частоту, доходящую до 1МГц. ЭДС высокой частоты
от |
источника питания через |
трансформатор TV подается |
||
на |
однообмоточный |
МУС. В рабочий полупериод, |
пока |
|
магнитопровод МУС |
не насыщен, ток через нагрузку не |
|||
протекает. В момент |
u>ts— a |
происходит насыщение |
маг- |
нитопровода, сопротивление обмотки МУС становится равным нулю и под действием ЭДС е ток проходит через МУС, диод VD1, фильтр ЬфСф и нагрузку RH. В следующий полупериод диод VD1 закрывается и размагничивание МУС производится с помощью той же обмотки через ди од VD2.
С потенциометра R снимается напряжение Ur, пропор циональное напряжению на нагрузке. Со стабилитрона VD3 снимается опорное напряжение Ucт. Разница напря жений Ur— UCT подается на транзистор VT, коллекторный ток которого является током управления / у. Если U r > U ct, то транзистор открывается и через МУС протекает раз магничивающий ток управления. Ток в нагрузке уменьша
ется. При |
|
UR==Uст транзистор закрывается, через нагруз |
||
ку протекает наибольший ток. |
|
|||
На рис. |
6.16,6 |
показано изменение |
основных величин: |
|
е — ЭДС |
источника переменного тока, |
«мус — напряжение |
||
на МУС; |
гн — ток |
нагрузки; а — угол |
насыщения. В тече |
|
ние a>ts= a |
идет |
намагничивание МУС от начальной ин |
дукции В у до индукции насыщения Bs, МУС ненасыщен и все напряжение приложено к нему. Ток в цепи рабочей обмотки равен нулю. После насыщения МУС напряжение на нем падает до нуля и по нагрузке протекает ток [н. Пос ле прохождения нуля тока процесс размагничивания МУС идет под действием тока управления / у. На базе этой схемы
созданы |
стабилизированные |
источники |
питания, которые |
|
по |
своим |
характеристикам |
не уступают |
стабилизаторам |
на |
основе |
ЭК [6.3]. |
|
|
6.7 РЕВЕРСИВНЫЕ МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
а) Реверсивные ДМУ. В рассмотренных выше МУ из менение полярности сигнала управления не вызывает из менения фазы или знака тока нагрузки. В то же время на практике, например, для реверса электродвигателей до
вольно часто требуется получить изменение фазы тока нагрузки на 180° (при переменном токе) или изменение знака тока нагрузки (на постоянном токе). Магнитные уси лители, выполняющие такую функцию, называются ревер
сивными.
В схеме реверсивного ДМУ (рис. 6.17) от вторичной обмотки питающего трансформатора Гр, имеющей среднюю точку, питаются рабочие обмотки двух магнитных усили телей ДМУ1 и ДМУ2. Ток нагрузки / н= / 1—h , где Д — ток ДМУ1, Д — ток ДМУ2. Поскольку ток нагрузки опре деляется разностью этих токов, такая схема называется дифференциальной.
Рассмотрим случай, когда токи смещения /СМ1 — hui =
= 0 . Здесь /СМ1 =/см1/даСм/аУр, /см2 - /смг^см/Щр. Для получе ния необходимой характеристики управления оба усили теля должны быть идентичными. В этом случае ток нагрузки /„==0, поскольку при любом значении тока управ
ления соблюдается равенство |
Д = Д - |
Создадим |
такое по |
||||
ле смещения, |
чтобы |
характеристика |
управления ДМУ1 |
||||
переместилась |
влево |
на |
/смь |
а |
аналогичная характерис |
||
тика ДМУ2 — вправо |
на |
тот |
же |
отрезок (рис. |
6.18). Ре |
||
зультирующая |
характеристика |
обеспечивает |
равенство |
/ н = 0 при отсутствии сигнала управления. Точная установ-
ка пуля производится переменным резистором |
При |
|||
положительном |
сигнале управления ток !\ |
будет возра |
||
стать, а ток h |
снижаться. Если зависимости |
/ ; (/у) |
и h ( I y) |
|
линейны, то |
|
|
|
|
- |
Ь |
- |
|
2/;. |
Наклон рабочего линейного участка результирующей характеристики управления и коэффициент усиления по току реверсивной схемы в 2 раза больше, чем для отдель ного ДМУ,
L U ,
Рис. 6.18. Характеристика управ- |
Рис. 6.19. Реверсивная схема на |
|||
ления реверсивного ДМУ |
|
двух МУС |
|
|
Поскольку результирующий ток холостого |
хода / н0= 0 , |
|||
кратность |
изменения тока |
в |
нагрузке / н т м //„ |
|
б) |
Реверсивные МУ |
с |
самоподма! ничиванием. Схема |
|
рис. 6.19 |
принципиально |
не |
отличается от |
предыдущей |
(обмотка шсм не показана). На рис. 6.20 показано влия ние смещения характеристик управления МУС / и II на результирующую характеристику управления. В случае рис. 6.20, в эта характеристика линейна в широком диапа зоне и обеспечивает большой коэффициент усиления по току.
При нагрузке постоянного тока широко применяется дифференциальная реверсивная схема рис. 6.21. МУ1 и МУ2 собраны по схеме рис. 6.10 и работают на балласт ные резисторы /?б- Напряжение на нагрузке Rn равно раз ности напряжений на балластных резисторах, поэтому рас сматриваемый усилитель является дифференциальным. Для уменьшения взаимного влияния МУ1 и МУ2 необхо димо, чтобы
Рис. 6.20. Характеристики управления реверсивного МУС при различных МДС смещения:
а —смещение отсутствует; б —характеристики смещены так, что при 7у=-0 в каждом усилителе ток нагруаки минимален; в —при /у*=0 рабочие точки МУ1 и МУ2 находятся посередине характеристик управления
Рис. 6 21. Дифференциальная ре версивная схема МУС с нагрузкой постоянного тока
Рассмотренная схема обладает низким КПД рабочей цепи, так как большая часть выходной мощности тратит ся в балластных резисторах. Такая схема применяется при малых мощностях нагрузки. При больших мощностях ис пользуются схемы с повышенным КПД [6.2].
6.8. БЕСКОНТАКТНЫЕ МАГНИТНЫЕ РЕЛЕ НА ОСНОВЕ МУС
МУС может быть переведен в релейный режим, что позволяет создать бесконтактное магнитное реле (БМ Р). Д ля получения релейного режима в МУС необходимо до полнительно ввести обмотку обратной связи w0,c- На рис. 6.22 показана схема, в которой ток обратной связи / 0,с пропорционален напряжению на нагрузке <7„. Результи рующее поле управления определяется МДС обмотки
управления Iywy и МДС обмотки обратной связи Io,cW0,c- На рис. 6.23 показана характеристика управления МУС
без обратной связи (кривая /). Ток обратной связи 10Х, приведенный к обмотке управления,
Г |
_ Io,CwOC |
__ |
UH |
wOC _ h П |
|
‘ос ------------------ n I |
п |
wy |
- «о.с^н. |
||
|
Щ |
Ro.c |
+ Ядоб |
|
где Ro.c — сопротивление обмотки обратной связи; Ялоб — добавочное сопротивление для регулировки обратной связи.
Таким образом, подмагничивающий ток обмотки обрат
ной связи 1о,с пропорционален напряжению на нагрузке Uв, а коэффициент пропорциональности является коэффи циентом обратной связи &0>с. Проведем луч обратной связи
II под углом а к вертикальной оси (tg а = / 0,с/Пн). Пере сечение луча II с характеристикой управления I (точка 0) определит напряжение на нагрузке UH0 при токе управле ния Iу= 0 . Действительно, для напряжения на нагрузке
Uно необходим ток /у ,р = /0,с. Если подать |
положительный |
ток управления / уд, то луч II необходимо проводить из точ |
|
ки 8 на оси абсцисс под углом а к вертикали. Состояние |
|
МУС определится точкой пересечения 9. |
Напряжение на |
нагрузке практически не изменится Поле управления соз дается двумя обмотками wy и го0,с:
I |
w — H 1 — 1 w 4-1 |
w |
|
|
|
|||
|
У Р У |
У |
УШУ“ |
-> с шо а» |
|
|
|
|
где Iу,р — результирующий |
приведенный ток управления, |
|||||||
|
|
|
L + I ’ |
, |
|
|
|
|
|
|
|
Для любого режима состоя |
|||||
|
|
|
ние МУС |
определится |
точкой |
|||
|
|
|
пересечения луча II |
и |
кривой |
|||
|
|
|
I. При отрицательном токе уп |
|||||
|
|
|
равления / У ( /У1 < 0 ) |
состояние |
||||
|
|
|
МУС |
определится |
точкой |
1. |
||
|
|
|
Выходное |
напряжение |
равно |
|||
|
|
|
Usi. Следует отметить, что то |
|||||
|
|
|
ку / У1 соответствуют |
точки |
пе |
|||
|
|
|
ресечения 6 и 7. Точка 6 явля |
|||||
|
|
|
ется точкой неустойчивого рав- |
|||||
|
|
|
Рис. 6.22. Схема МУС с |
обратной |
||||
|
|
|
связью по напряжению нагрузки |
|
новесия [6.1]. В точку 7 усилитель может попасть при пере ходе на ветвь 3, 7, 4. При токе управления 1у2 МУС нахо
дится в критическом состоянии — |
при малейшем увеличе |
нии по модулю / у2 напряжение на |
нагрузке меняется скач |
ком со значения (./„2 до значения 1С3. |
|
Таким образом, МУС с обратной связью аналогичен |
|
контактному реле с размыкающим |
контактом: при / у = О |
напряжение на нагрузке Utt= UH0 и максимально (контак ты замкнуты), при 1у=1у2 напряжение UH минимально и равно U»s (контакты разомкнуты). В реальных МУС от ношение £/н2/^нз>Ю0, а значение £/н3 очень мало. Для по лучения релейного режима должно соблюдаться неравен
ство а > у , |
где у — угол |
между |
вертикалью и |
линейной |
частью характеристики I. Результирующая характеристика |
||||
UH(Iy) МУС |
в релейном |
режиме |
представлена |
на рис. |
6.23, б. |
|
|
|
|
Если в МУС введена обмотка смещения, то в зависимо сти от ее МДС можно получить БМР с различными видами «контактов». При отрицательном смещении / CMi^CMi/®y<0 БМР выполняет функции реле с замыкающим контактом (рис. 6.24, а). Коэффициент возврата БМР, представляю щий собой отношение МДС отпускания Iy,0TnWy к МДС сра
батывания /у.срШу, |
|
|
^ __ Iу,отп wy _ |
Iу,ср А |
__ j ____À |
/у.ср^у |
^у.ср |
/у,ср |
Коэффициент возврата тем меньше, чем больше ширина релейной петли Д. В свою очередь величина Д зависит от коэффициента обратной связи ka,c. Чем больше k0,c, тем больше а и тем шире релейная петля.
При отсутствии обмотки смещения БМР выполняет функции размыкающего контакта (рис. 6.23,6). Коэффи циент возврата для этого случая
kB— /у2//у4.
Если отрицательное смещение hM2wcu2/wy<.lcmWCKilwy, то характеристика управления принимает вид рис. 6.24, б. В этом случае реле может находиться в двух устойчивых состояниях. Если вначале состояние БМ Р соответствовало
U„
|
|
U*__ |
|
г |
и т |
|
-Iyz |
+Iyf |
1уотп |
|
иHZ |
1ц |
ЬмгЩя2 |
|
Icut WcmI |
Wy |
|
Wy |
S) |
|
a) |
||
|
||
Рис. 6.24, Характеристики БМР |
||
точке I и был подан положительный сигнал ’+ /у ь то после |
снятия сигнала напряжение на нагрузке останется равным UН|. При подаче отрицательного сигнала —/ у2 напряжение упадет до напряжения и и2 и останется равным этому зна чению после снятия сигнала. В БМР на реверсивных уси лителях можно получить изменение знака напряжения на нагрузке (рис. 6.24, б). Минимальная мощность срабаты вания БМР достигает 10~10 Вт. Отсутствие контактов и по движных частей делает БМР исключительно надежными, износостойкими, вибро- и ударостойкими, пригодными для работы во взрывоопасных средах. В то же время БМР об ладают и рядом недостатков:
1. При прямоугольной форме управляющего напряже ния постоянная составляющая магнитного потока нараста ет с постоянной времени цепи управления Ту. При этом происходит замедление времени срабатывания, обусловлен
ное электромагнитным процессом в обмотке |
управления. |
2. Параметры БМР зависят от напряжения |
и частоты |
питания, а также от температуры окружающей среды, что требует специальных мер по температурной стабилизации
[6.1].
3.В положении, соответствующем и н = 0, нагрузка оста ется электрически связанной с источником питания рабо чих обмоток.
4.Схемы БМР, особенно при большом числе управляе мых цепей, бывают сложными и громоздкими.
5.КПД рабочей цепи БМР значительно ниже, чем у кон тактных коммутирующих аппаратов.
6.При большой мощности нагрузки масса и габариты БМ Р значительно больше, чем у контактных коммутирую щих аппаратов той же мощности.
Как правило, в сложных электрических аппаратах боль шие токи коммутируются контактными или полупроводни ковыми устройствами и только входные элементы таких ап паратов могут выполняться на МУ.
6.9.МАТЕРИАЛЫ МАГНИТОПРОВОДОВ МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Для изготовления магнитопроводов МУ используются электротех нические стали (сплавы железа и кремния) и пермаллои (сплавы желе за, никеля и других металлов) [6.2]
Чем выше индукция насыщения Bs материала магнитопровода, тем больше мощность МУ.
В усилителях малой мощности целесообразно применять сплавы 79НМ, 79НМА, 80НХС, 74НМД, 76НХД с небольшой индукцией насы-
Рис. 6.25. Магнитопроводы магнитных усилителей:
о—Ш-образный; б —П-образный с косым стыком между пластинами; в —торо идальный; г —ленточный ватой, разрезной
щения, но позволяющие получить высокий коэффициент усиления. Эти сплавы имеют высокую стоимость.
При больших мощностях целесообразно применять более дешевые холоднокатаные стали с высокой индукцией насыщения.
К магнитопроводам МУ предъявляются требования максимального использования магнитных свойств материала, возможности изготовле ния МУ минимальных габаритов и массы, технологичности изготовления как самих магнитопроводов, так и обмоток. С точки зрения использо вания магнитного материала необходимо отсутствие воздушных зазоров в магнитной цепи. Даже очень малые воздушные зазоры резко ухудша ют характеристики МУ, так как МДС, необходимая для проведения по тока управления через воздушный зазор, может быть соизмерима с МДС, затрачиваемой на создание поля управления. При этом ухуд шаются коэффициенты усиления, чувствительность и другие параметры. Оптимальным является магнитопровод тороидальной формы, набранный
Рис. 6.26. Расположение обмоток на магнитопроводе: |
|
||
в —Ш-образный |
с отдельной |
б —с общей обмоткой дау; |
в —П-образный |
е отдельной |
г—о общей |
обмоткой ш- д—тороидальный с |
отдельной, в» |
с общей обмоткой