2.5.5 Достоинства и недостатки магнитных усилителей.

Магнитные усилители обладают рядом достоинств.

Они просты по устройству, надежны в работе и имеют боль­шой срок службы. Этим объясняется широкое использование магнитных усилителей в авиационном оборудовании.

Магнитные усилители по сравнению с усилителями других принципов действия обладают достаточно высоким коэффициен­том усиления сигнала по мощности. Выполнение сердечника из пермаллоя обеспечивает высокую чувствительность магнитных усилителей, способных реагировать на входные сигналы очень ма­лой мощности.

Магнитные усилители способны реагировать на несколько вход­ных сигналов, действующих одновременно на намагниченность сердечника. При этом выходной сигнал будет зависеть от алге­браической суммы сигналов на входе. Поэтому магнитные усилители находят применение в качестве суммирующих устройств. Та­кая необходимость встречается в системах автоматического регу­лирования, у которых регулирующее действие создается несколь­кими командными сигналами от различных датчиков (например, в автопилотах со связанным регулированием по каналам курса, крена и тангажа).

Существенным недостатком магнитных усилителей является их инерционность, постоянная времени их может достигать деся­тых долей секунды.

3. Виды регуляторов напряжения.

3.5. Транзисторные регуляторы напряжения

Все современные полупроводниковые регуляторы напряжения – регуляторы дискретного действия. Аналогом бесконтактных регуляторов напряжения дискретного действия были широко распространены до и во время Великой Отечественной войны так называемые вибрационные регуляторы напряжения, в которых в качестве импульсного элемента использовались электромагнитные реле. Исследование рабочих процессов в так их регуляторах было проведено В. С. Кулебакиным в 1942 г.

Рис. 3.1.1. Принципиальные схемы выходного каскада полупроводникового регулятора напряжения:

а – с добавочным сопротивлением; б – без добавочного сопротивления

Увеличение мощности генераторов привело к тому, что мощность цепи возбуждения, которую необходимо прерывать, превысила допустимую разрывную мощность контактов реле (~ 150 В·А), и вибрационные регуляторы были заменены угольными регуляторами.

Появление полупроводниковых приборов, способных при работе в ключевом режиме коммутировать большие мощности, привело вновь к использованию дискретных регуляторов для регулирования напряжения авиационных генераторов. Во всех многочисленных схемах регуляторов напряжения на транзисторах принципиальная схема оконечного каскада имеет вид, представленный на рис. 3.1.1. Различия полных схем регуляторов связаны главным образом с различием схем управления импульсным элементом, роль которого выполняет транзистор VT1, включенный последовательно с обмоткой возбуждения и работающий в режиме ключа.

Когда транзистор работаете режиме отсечки или, как говорят, когда он находится в закрытом состоянии, можно считать, что сопротивление цепи эмиттер — коллектор весьма велико («ключ закрыт»). Если транзистор работает в режиме насыщения («ключ открыт»), то сопротивление весьма мало.

Диод VD1 включенный параллельно обмотке возбуждения, обеспечивает работу ее в режиме «непрерывного тока», т.е. протекание тока по обмотке возбуждения и в период разомкнутого состояния транзисторного ключа. В режиме «непрерывного тока» при одинаковом среднем значении тока за период наибольшее значение тока возбуждения меньше, чем в режиме «прерывистого тока», вследствие чего потери в транзисторе, пропорциональные квадрату прерываемого тока, существенно меньше. Кроме того, диод защищает транзистор VT1 от пробоя, так как при прерывании цепи возбуждения или при резком изменении напряжения на обмотке возбуждения возникает э.д.с. самоиндукции, приложенная к переходу эмиттер-коллектор транзистора. Если транзистор включен в цепь возбуждения, то при работе в режиме ключа на зажимах генератора устанавливается напряжение, имеющее пульсирующий характер (рис. 3.1.2).

Рис. 3.1.2. Форма пульсаций напряжения при импульсном регулировании:

а - нагруженный генератор: б - холостой ход

Для релейных регуляторов, напряжения амплитуда пульсаций определяется коэффициентом возврата релейного элемента и остается постоянной при всех режимах работы генератора. При этом, исходя из требований к качеству электрической энергии, амплитуду пульсаций напряжения генератора стремятся сделать как можно меньше. Если частота вращения генератора и его нагрузка изменяются в широком диапазоне, то при стабилизации напряжения относительное время открытого состояния транзистора приобретает два крайних значения: 0 и 1, при которых автоколебания в системе прекращаются, а частота замыканий транзисторного ключа становится равной нулю. При некотором значениичастота замыканий достигает максимума (рис. 3.1.3). С увеличением нагрузки генератора частота возрастает до определенного значения, а затем начинает постепенно убывать.

Для импульсных регуляторов напряжения частота замыкания постоянна. При этом в процессе поддержания среднего значения напряжения величина может приобретать два крайних значения: 0 и 1, при которых амплитуда пульсации тока возбуждения и напряжения генератора равна нулю. При переходе тока возбуждения от одного крайнего значения к другому амплитуда пульсаций будет постепенно нарастать и по достижении определенногомаксимума убывать.

При включении транзистора в цепь возбуждения без добавочного сопротивления (см. рис. 3.1.1, б) непрерывность протекания тока в обмотке возбуждения в период закрытого состояния транзистора обеспечивается включением параллельно обмотке возбуждения диода VD1. При отключении обмотки в ней наводится э.д.с. самоиндукции, и ток при закрытом ключе продолжает протекать по контуру. Режим непрерывного тока возможен только при условии, что постоянная времени обмотки возбуждения значительно больше периода квантования(периода замыканий транзисторного ключа).

Для выявления основных свойств импульсного метода управления рассмотрим квазистационарные процессы. Для интервала(рис. 3.1.4), в течение которого обмотка возбуждения подключена к источнику питания

Рис. 3.1.3. Зависимость частоты замыканий транзисторного ключа от τ₀ для релейных регуляторов

Рис. 3.1.4. Изменение тока в цепи возбуждения в режиме непрерывного тока при широтно-импульсном регулировании

(допустим, что сопротивление импульсного элемента равно нулю), баланс напряжений и э.д.с. определяется уравнением

, (3.1)

где — сопротивление обмотки возбуждения; — индуктивность обмотки возбуждения.

Для интервала , в течение которого транзистор закрыт, и при условии, что, справедливо уравнение

. (3.2)

Среднее значение тока возбуждения за период можно получить, интегрируя уравнения (3.1) и (3.2):

, (3.3)

так как , а.

Т

Рис. 3.1.5. Транзисторный регулятор напряжения:

Ф — фильтр; С — схема выделения наибольшего напряжения; ГП — генератор пилы;

ЭС — эталонный сигнал; УМ ~ усилитель мощности; УР- устройство рекуперации;

КЗ — корректирующее звено

аким образом, регулировать напряжение можно, изменяя сред­нее значение тока возбуждения, воздействуя на скважность импульсов. В качестве примера на рис. 3.1.5 приведен транзисторный широтно-импульсный регулятор напряжения, поддерживающий в симметричных режимах среднее фазное напряжение и ограничивающий наибольшее из фазных напряжений в несимметричных режимах работы трехфазного генератора. Наибольший из этих четырех сигналов суммируется с пилообразным напряжением и поступает на вход компаратора, где сравнивается с опорным напряжением. Полученный широтно-модулированный сигнал поступает на базу силового транзистора, управляющего током возбуждения возбудителя. На рис. 3.13 показано изменение сигнала на выходе компаратора при повышении напряжения генератора.

Опорное напряжение представляет собой сумму трех сигналов: собственно эталонного сигнала, сигнала с распределителя реактивной мощности (при параллельной работе) и сигнала гибкой обратной связи, обеспечивающей необходимое качество переходных процессов.

Рис. 3.1.6. Диаграмма работы регулятора напряжения:

1 — сумма и «пилы»; 2— эталон; 3 — выход регулятора