4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

двух катушек, соединённых последовательно и встречно. Встречное включение рабочих обмоток необходимо для того, чтобы суммарная ЭДС в обмотке управления, наводимая от рабочей обмотки, была равна нулю. На среднем стержне размещается обмотка управления из большого количества витков Wу. Если ток в неё не подаётся, а к рабочей обмотке, соединённой последовательно с нагрузкой, подведено переменное напряжение Uу, то из-за малого количества витков Wр магнитопровод не насыщается, и почти всё напряжение падает на реактивном сопротивлении рабочих обмоток. На нагрузке в этом случае выделяется малая мощность. Если теперь пропустить по обмотке управления ток Iу, то даже при небольшом его значении (из-за большого Wр), возникает насыщение магнитопровода. В результате реактивное сопротивление рабочей обмотки резко уменьшается, а величина тока в цепи – увеличивается. Таким образом, посредством малых сигналов в обмотке управления можно управлять значительной величиной мощности в рабочей цепи магнитного усилителя. Схема МУ может быть построена с выходом на переменный или постоянный ток.

Рисунок 3.5 – Простейшей магнитный усилитель:

а) схема; б) нагрузочная характеристика; в) условно–графическое обозначение

МУ характеризуется следующими параметрами:

–коэффициентом кратности тока;

–коэффициентом усиления;

–чувствительностью;

–максимальной мощностью в нагрузке;

–КПД рабочей цепи;

–постоянной времени;

–добротностью.

При расчете магнитного усилителя нужно добиться двух вещей. Во-первых, количество витков в силовой обмотке должно быть таким

чтобы, когда ток управления не идет, сердечник не насыщался, несмотря на то, что к силовой катушке приложено полное напряжение питания. То есть индукция, возникающая от приложения напряжения к силовой обмотке, не должна превышать 80 % от индукции насыщения.

172

Во-вторых, количество витков в управляющей катушке должно быть таким, чтобы управляющий ток (который мы задаем, начиная расчет) вводил сердечник в насыщение, то есть индукция, создаваемая управляющей обмоткой, должна быть на 20 % больше индукции насыщения. 20 % выбирается исходя из желания, чтобы магнитный усилитель работал на линейных участках своей характеристики. Это сильно снижает потери в нем на перемагничивание.

Конструктивно магнитный усилитель представляет собой сердечник из листового ферромагнитного материала, на который намотаны обмотки переменного и постоянного тока. Для устранения наводок ЭДС переменного тока в цепи обмоток постоянного тока обмотки переменного ока намотаны отдельно на сердечниках, а обмотки постоянного тока охватывают оба сердечника.

Магнитный усилитель может иметь несколько обмоток управления. В этом случае в рабочем режиме ток в нагрузке будет определяться суммарным током управления. То есть он может быть использован как сумматор электрических сигналов, не связанных между собой (суммируются постоянные сигналы).

Рабочий ток в рабочей цепи можно вычислить по следующей формуле:

где U – напряжение питания МУ; R – полное активное сопротивление рабочей цепи; Xр – индуктивное сопротивление рабочей обмотки.

R=Rн+Rр; X p Lp ;

W 2 S

Lp lp c , cp

где Rн –сопротивление нагрузки; Rp – активное сопротивление рабочей обмотки; Lp – индуктивность рабочей обмотки; ω – угловая частота питающей сети; Wp – число витков рабочей обмотки; Sc – площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника; lcp – длина средней магнитной линии сердечника; μс – магнитная проницаемость сердечника.

Основной характеристикой магнитного усилителя является зависимость действующего или среднего значения рабочего тока от тока управления: Ip=f(Iу). Графическое изображение такой зависимости называется нагрузочной характеристикой (рисунок 3.5 б), где I0 – ток холостого хода усилителя (подмагничивающее поле отсутствует). В идеальном усилителе при отсутствии входного сигнала (Iу=0) должен быть равен нулю и выходной сигнал (Iр=0). Однако из–за того, что при Iу=0 магнитная проницаемость и индуктивность рабочей обмотки не равны бесконечности, через нагрузку протекает небольшой ток холостого хода Iр=Iу. По мере увеличения входного сигнала (тока управления) растет выходной сигнал (ток нагрузки), но из-за насыщения сердечника этот рост ограничен некоторым максимальным током.

По виду статической характеристики МУ Iр=f(Iy) различают:

– одноплечевые (однотактные нереверсивные МУ);

173

– двухплечевые (двухтактные реверсивные МУ).

В одноплечевых МУ нельзя добиться, чтобы при Iy=0 Iр тоже было равно нулю. Также одноплечевые МУ нечувствительны к полярности входного сигнала.

Достоинства:

отсутствие движущихся частей;

нечувствительность к перегрузкам;

высокий коэффициент усиления;

возможность суммирования нескольких сигналов;

возможность усиления сигналов малой мощности;

отсутствует электрическая связь между входными и выходными цепями.

Недостатки:

инерционность достигает несколько долей секунды;

большой вес и габариты;

низкий коэффициент полезного действия;

однотактные МУ не реагирует на знак входного сигнала;

наличие тока холостого хода отрицательно сказывается на работе системы, так как может привести к ложному срабатыванию некоторых ее элементов при отсутствии сигнала на входе;

нелинейность статической характеристики;

наличие ненулевого тока (ток холостого хода) в цепи нагрузки при нулевом токе управления;

рабочий ток не зависит от полярности тока управления.

3.2.2 Однотактные магнитные усилители

Однотактные магнитные усилители относятся к нереверсивным: полярность выходного сигнала не зависит от полярности входного сигнала. Нагрузка Rн может быть включена последовательно (см. рисунок 3.6 а) или параллельно (см. рисунок 3.6 б) в сеть рабочей обмотки Wp. В первом случае МУ называют дроссельными, во втором – трансформаторными.

174

Рисунок 3.6 – Однотактные МУ и их статические характеристики с параллельным (а) и последовательным (б) включением нагрузки

3.2.3 Магнитный усилитель с обмоткой смещения

Для увеличения коэффициента усиления и введения зависимости рабочего тока от полярности тока управления в МУ применяют дополнительную обмотку, так называемую «обмотку смещения», подавая на которую постоянное напряжение от отдельного источника можно выбрать рабочую точку МУ (точку при токе управления равном нулю), чем можно добиться линейной зависимости рабочего тока управления и существенного увеличения коэффициента усиления, а также зависимости рабочего тока от полярности тока управления. При этом в зависимости от соотношения полярности напряжений на обмотке управления и обмотке смещения нагрузочная характеристика будет смещаться: при согласном включении обмоток – происходит смещение характеристики влево, а при встречном – право (рисунок 3.7).

175

Rн

I р

Рисунок 3.7 – Дроссельный магнитный усилитель с обмоткой смещения:

а) схема; б) нагрузочная характеристика

3.2.4 Магнитные усилители с обратными связями

Для увеличения коэффициента усиления МУ в них вводят обратную связь (ОС), при этом обратная связь может быть двух типов:

–внешней обратной связью;

–внутренней обратной связью.

Для внешней ОС вводится дополнительная обмотка, которую также наматывают на средний сердечник магнитопровода, как и обмотки управления и смещения (см. рисунок 3.8). При этом обмотки ОС включаются в цепь рабочих обмоток таким образом, что при увеличении тока управления и, значит, рабочего тока, ток в обмотке ОС также возрастал, дополнительно подмагничивая сердечник и ещё более увеличивая рабочий ток. При этом ток в цепи рабочей обмотке является переменным, тогда как в цепи обмотки ОС должен быть постоянным, поэтому последнюю включают в последовательно в цепь с рабочей обмотки через диодный мост.

176

Без обратной связи МУ применяется редко. В обоих случаях обратная связь в одном направлении полярности на обмотке управления МУ является положительной: при увеличении тока управления сердечник подмагничивается, рабочий ток возрастает, с помощью обратной связи, ещё более намагничивая сердечник, тем самым ещё более увеличивая выходной ток; при противоположном напряжении на обмотке управления ОС становится отрицательной. Таким образом, нагрузочная характеристика становится более несимметричной, коэффициент усиления на обратной ветви становится очень малым, на прямой – сильно возрастает, достигая 1000, а в отдельных случаях до

3000–5000.

3.2.5 Дифференциальные магнитные усилители

Для того чтобы управлять направлением тока в нагрузке с большим коэффициентом усиления и очень линейной нагрузочной характеристикой с малым током холостого хода применяются дифференциальные магнитные усилители (см. рисунок 3.10). Дифференциальный МУ – это комбинация из двух МУ (с обмотками ОС, смещения), включенных так, что с одной стороны их рабочие обмотки включаются встречно и к ним подключается нагрузка, с другой стороны нагрузка подключается к средней точке питающего трансформатора (две остальные его клеммы питают цепь рабочих обмоток). Обмотки управления обоих МУ включаются последовательно встречно и при подаче управляющего напряжения один магнитный усилитель, будет работать с положительной обратной связью, другой – отрицательной обратной связью, в результате суммарная характеристика будет близка к характеристике МУ, работающего с положительной обратной связью, при уменьшении по модулю тока управления интенсивность МУ с положительной обратной связью уменьшается, а МУ с отрицательной обратной связью увеличивается, при этом характеристика линейно стремится к нулю, при изменении знака роли МУ меняются, а характеристика имеет также такую же линейность в противоположной области. Подобные дифференциальные МУ могут применяться для управления асинхронными электродвигателями, поэтому их иногда называют реверсивными МУ.

К достоинствам дифференциальной схемы перед другими помимо двухтактности заключается в большом коэффициенте усиления и чувствительности, так как при одном и том же изменении сигнала на входе выходной сигнал дифференциальной схемы изменяется вдвое больше, чем у каждой однотактной схемы, но при этом усложняется конструкция и повышается инерционность усилителя.

178

~ U

Uу

Рисунок 3.10 – Дифференциальный магнитный усилитель

3.3 Электромашинный усилитель с поперечным полем

Электромашинные усилители (ЭМУ) представляют собой специальные электрические генераторы постоянного или переменного тока, выходная мощность которых может изменяться в широких пределах путем изменения мощности управления.

Существуют различные типы ЭМУ постоянного и переменного тока с различными принципами действия. Наиболее распространенным из них является ЭМУ постоянного тока с поперечным полем.

ЭМУ с поперечным полем (амплидины) – это генератор постоянного тока с двумя парами щеток, расположенными во взаимно перпендикулярных плоскостях (рисунок 3.11).

Принцип действия ЭМУ с поперечным полем состоит в следующем. Если его якорь привести во вращение посторонним двигателем и подать постоянный ток в обмотку управления ОУ, то протекающий по этой обмотке ток I1 намагнитит полюса и создаст продольный магнитный поток Ф1, пронизывающий якорь. В обмотке якоря, вращающегося в поле этого потока, возникнет, как и в обычном генераторе, э.д.с. Е2, которую можно снять с поперечных щеток. Однако в усилителе эти щетки замкнуты накоротко. Поэтому по якорю протекает

179

большой ток, создающий сильный поток реакции якоря Ф2. Под влиянием этого потока возникает э.д.с. Е3, которую снимают с продольных щеток. Если подключить внешнюю нагрузку RН непосредственно к продольным щеткам, то Е3 создаст в цепи ток I3 во много раз больший, чем ток возбуждения I1, подаваемый на вход усилителя. Ток I3, протекая по обмотке якоря, вызывает поток продольной реакции якоря Ф3, направленный навстречу потоку Ф1 Чтобы избежать размагничивания машины, на полюсах размещают компенсационную обмотку ОК, поток которой направлен навстречу потоку Ф3 и нейтрализует его влияние.

Рисунок 3.11 – Электромашинный усилитель с поперечным полем

Ценность усилителя с поперечным полем состоит в том, что он значительно усиливает мощность, поступающую на обмотку управления. Входная мощность

Р1=U1I1

сначала увеличивается до величины

P2=E2I2,

а затем до величины

Р3=U3I3,

которая и подается на нагрузку Rн.

Важнейшей статической характеристикой ЭМУ поперечного поля является коэффициент усиления по мощности. Высокий коэффициент усиления по мощности получается за счет того, что ЭМУ поперечного поля является двухступенчатым усилителем.

Первая ступень усиления: обмотка управления – короткозамкнутая цепь поперечных щеток.

Вторая ступень: короткозамкнутая цепь поперечных щеток – выходная цепь продольных щеток.

Поэтому общий коэффициент усиления по мощности

Kр = kр1kр2,

где kр1– коэффициент усиления 1–й ступени; kр2– коэффициент усиления 2- й ступени.

180