5.6. Магнитные усилители, их назначение и классификация

Исполнительные устройства систем автоматического регулирования обычно вырабатывают маломощные сигналы управления. Непосредственно онинемогутпривести вдействие исполнительные механизмы. Малая мощность сигналов объясняется стремлением уменьшить влияние нагрузки на точность преобразований, а также конструктивными особенностями и физической природой исполнительных устройств.

Чтобы получить мощность, необходимую для работы исполнительных устройств, применяют магнитные усилители. Они практически нечувствительны к вибрациям и механическим воздействиям, позволяют получить на выходе значительные токи, удобны в эксплуатации, сравнительно недороги и очень надежны.

Взависимости от характера физических процессов, определяющих принцип работы магнитного усилителя, различают дроссельные и трансформаторные магнитные усилители.

Вдроссельных усилителях рабочая обмотка (обмотка переменного тока) выполняет функцию дроссельной «заслонки», ограничивающей ток в нагрузке, включенной (обычно последовательно)

вцепь рабочей обмотки.

Втрансформаторных усилителях цепь нагрузки электрически не связана с цепью питания. Передача энергии из цепи питания в цепь нагрузки осуществляется за счет магнитной связи между ними. Воздействуя на общий магнитный поток, сцепленный с витками обмо-

250

ток цепей питания и нагрузки, можно изменять мощность, передаваемую в цепь нагрузки.

Как дроссельные, так и трансформаторные усилители могут быть собраны по однотактной или двухтактной схеме. В однотактных магнитных усилителях фаза тока в нагрузке не зависит от полярности входного сигнала. В двухтактных магнитных усилителях фаза тока в нагрузке меняется на 180 ° при изменении полярности тока в обмотке управления.

В зависимости от типа обратной связи различают магнитные усилители с внешней обратной связью, у которых выпрямленный рабочий ток проходит по специальной обмотке обратной связи, и магнитные усилители с внутренней обратной связью, у которых постоянная составляющая рабочего тока проходит по той же рабочей обмотке (дополнительная обмотка отсутствует).

Двухтактный магнитный усилитель может быть собран по дифференциальной схеме с подмагничиванием и с обратной связью, а также по мостовой схеме.

Рассмотрим принцип действия дроссельного магнитного усилителя. Ферромагнитный материал, из которого изготовляются магнитопроводы магнитных усилителей, можно представить состоящим из отдельных малых областей (доменов), самопроизвольно намагничивающихся в различных направлениях.

При наложении на магнитопровод магнитного поля обмотки эти намагниченные области («магнитки») ориентируются преимущественно вдоль силовых линий внешнего поля. В результате общий магнитный поток резко возрастает. При изменении полярности тока в обмотке «магнитки» поворачиваются и направление общего магнитного потока в магнитопроводе изменяется на обратное.

Будем называть магнитодвижущей силой (МДС) Аω произведение токавобмоткеначисловитков. Этавеличинапропорциональна току, таккакчисловитковобмоткиобычнопостоянно.

На рис. 5.35 изображена полученная опытным путем зависимость магнитного потока в магнитопроводе от количества ампервитков его обмоток. Это усредненная кривая, характерная для магнитомягких материалов.

На рис. 5.36 изображен магнитопровод, на который намотаны две обмотки: рабочая ωp , питаемая синусоидальным напряжением, и управляющая ωу , к которой подводится усиливаемое напряжение.

251

Предположим, что управляющая обмотка обесточена, а МДС рабочей обмотки изменяется по синусоидальному закону от +Аωр до –Аωр. При этом магнитный поток в магнитопроводе изменяется на ∆Ф (см. рис. 5.36).

Предположим, что через управляющую обмотку проходит ток и ее МДС равна некоторому значению Аωу. МДС рабочей обмотки изменяется в прежних пределах от +Аωр до –Аωр. При этом магнитный поток в магнитопроводе изменяется на ∆Ф′. Из рис. 5.36 видно, что ∆Ф′ значительно меньше ∆Ф.

Таким образом, в первом случае скорость изменения магнитного потока будет большой, во втором — незначительной. ЭДС самоиндукции рабочей обмотки, пропорциональная скорости изменения магнитного потока (закон электромагнитной индукции), в первом случае будет значительно больше, чем во втором. Эта ЭДС, направленная навстречу приложенному напряжению, и ограничивает ток в цепи. При постоянно действующем значении синусоидального напряжения питания в первом случае ток в рабочей обмотке будет меньше, чем во втором.

Изменяя магнитное состояние магнитопровода, можно менять ток в рабочей обмотке, а следовательно, и в нагрузке Zн , которая включена последовательно с ωр .

Пока магнитопровод не насыщен, основная часть напряжения питания тратится на преодоление ЭДС самоиндукции рабочей об-

252

мотки, падение напряжения на нагрузке невелико, ток нагрузки мал. Когда магнитопровод переходит в насыщенное состояние, ЭДС самоиндукции рабочей обмотки практически исчезает и все напряжение питания оказывается приложенным к нагрузке. Ток в нагрузке возрастает.

На рис. 5.37 изображена зависимость тока в нагрузке (рабочего тока) Iр от тока в обмотке управления Iу . Из рисунка видно, что с уве-

личением тока управления Iу , т.е. по мере насыщения магнитопровода и уменьшения ЭДС самоиндукция рабочей обмотки увеличивает ток в нагрузке Iр . При этом небольшие изменения тока Iу вызывают значительные изменения рабочего тока. Следовательно, устройство работает как усилитель.

В действительности картина физических процессов несколько сложнее. В современных магнитных усилителях применяются магнитопроводы с прямоугольной кривой намагничивания. Они либо сразу размагничиваются, либо полностью насыщаются.

Поэтому перераспределение напряжения питания между рабочей обмоткой и нагрузкой происходит в течение каждого периода. Например, в течение четверти каждого периода напряжение питания приложено к нагрузке, а в течение 3/4 периода гасится на рабочей обмотке (рис. 5.38).

Изменяя ток управления в обмотке ωу, это распределение можно изменить, увеличив или уменьшив часть периода, в течение которого напряжение приложено к нагрузке, а следовательно, увеличив или уменьшив (в среднем) ток в нагрузке.

Дроссельный магнитный усилитель сравнительно прост как по устройству, так и по принципу работы. Однако его

253

применение в системах автоматического регулирования ограничено, так как ему присущ ряд недостатков. Прежде всего отметим существенную нелинейность зависимости тока в нагрузке от тока управления (см. рис. 5.37). Так, при токе управления Iу = 0 ток в нагрузке Iр ≠ 0. Этот нулевой ток I0 увеличивает погрешность регулирования и потери мощности. Другой недостаток дроссельного усилителя — сравнительно низкий коэффициент усиле-

Рис. 5.39. Схема трансформа- ния. Кроме того, во многих случаях торного магнитного усилителя существенно и то, что дроссельный

усилитель не реагирует на полярность сигнала управления. Эти недостатки устранены в более сложных схемах магнитных усилителей.

Рассмотрим принцип действия трансформаторного магнитного усилителя, схема которого изображена на рис. 5.39. Синусоидальное напряжение питания подводится к обмотке ω1 , а нагрузка Zн включена в цепь специальной обмотки ω2 .

Пока сердечник не насыщен, синусоидальный ток, проходящий по обмотке ω1 , вызывает значительные изменения магнитного потока в магнитопроводе. Переменный магнитный поток, пронизывая виткиобмотки ω2 , наводитвэтойобмоткеЭДС, котораяиспользуется при питании нагрузки Zн . Чем больше скорость изменения магнитного потока, тем больше наведенная ЭДС и ток в нагрузке.

Когда происходит насыщение магнитопровода, скорость изменения магнитного потока резко уменьшается, ЭДС, индуцируемая во вторичной обмотке ω2 , становится небольшой, соответственно уменьшается и ток в нагрузке.

Рабочая характеристика трансформаторного магнитного усилителя (зависимость рабочего тока от тока управления) изображена на рис. 5.40. Видно, что с увеличением тока управления Iу ток в нагрузке Iр уменьшается.

Рабочие характеристики дроссельного и трансформаторного усилителей являются как бы зеркальным отображением друг друга.

254

Это объясняется тем, что ЭДС, индуцируемая в цепи нагрузки, в одном случае играет роль «заслонки», а в другом — источника питания нагрузки.

Рассмотрим влияние обратной связи на коэффициент усиления магнитного усилителя. Для характеристики усилительных свойств вводят коэффициенты усиления по току kI , по напряжению ku , по мощности kр. Коэффициентом

усиления магнитного усилителя по току называют отношение изменения действующего значения рабочего тока к соответствующе-

му изменению тока управления (полагаем Iн = Iр):

kI = ∆I р .

∆I у

где Uр — напряжение на нагрузке; Uу — управляющее напряжение; Рр — мощность, выделяемая в нагрузке; Ру — мощность, потребляемая цепью управления.

Для магнитных усилителей справедливо (с достаточной степенью точности) следующее равенство:

∆Ιpωp = ∆Ιуωу .

С учетом этого равенства выражение для коэффициента усиления по току можно представить в виде

kI = ωу .

ωр

Коэффициент усиления по току магнитных усилителей, собранных по схемам, изображенным ранее, составляет несколько десятков единиц.

255

Приведенные формулы показывают, что коэффициенты усиления магнитного усилителя теоретически не зависят, а практически очень мало зависят от колебаний напряжения, частоты источника питания и изменений сопротивления нагрузки. Такая стабильность характеристик позволяет использовать в магнитном усилителе глубокую положительную обратную связь ПОС.

Обратной связью называют подачу сигнала с выхода усилителя на его вход. В магнитных усилителях наибольшее распространение получила обратная связь по току (рис. 5.41).

Обмотка обратной связи ωос намотана на том же стержне, что и обмотка управления. Если магнитный поток обмот-

ки обратной связи усиливает магнитный поток обмотки управления, то обратная связь называется положительной, в противном случае — отрицательной. Изменить характер обратной связи можно, поменяв полярность управляющего напряжения.

При наличии положительной обратной связи уравнение магнитного усилителя принимает вид:

Коэффициент усиления по току усилителя с обратной связью:

256

Если kос → 1, т.е. число витков обмотки обратной связи приближается к числу витков рабочей обмотки, коэффициент усиления усилителя с обратной связью увеличивается и стремится к бесконечности. Это значит, что бесконечно малым изменениям тока управления соответствуют конечные (скачкообразные) изменения рабочего тока.

Обычно kос ≤ 0,99, так как при слишком большом коэффициенте усиления нарушается стабильность параметров усилителя. Кроме того, положительная обратная связь увеличивает рабочий ток при отсутствии тока в управляющей обмотке I0 в1(1−koc) раз.

При изменении полярности управляющего сигнала положительная обратная связь становится отрицательной. Вследствие этого характеристика усилителя с обратной связью приобретает несимметричную форму. Действительно, при отрицательной обратной связи уравнение магнитного усилителя и выражение для коэффициента усиления по току записываются в следующем виде:

Из рис. 5.42 видно, что коэффициент усиления по току можно представить как тангенс угла наклона линейного участка к оси абсцисс. При этом

257