5.3. Магнитный усилитель

Управляемый дроссель с подмагничиванием, рассмотренный в п. 5.2, иногда называют односердечниковым магнитным усилителем (c одним сердечником), способным использовать энергию источника переменного напряжения для усиления сигнала, который передается по цепи постоянного тока. Усиление сигнала может осуществляться по току (см. рис. 5.4), по напряжению, по мощности.

Односердечниковый магнитный усилитель имеет существенный недостаток. В его обмотке управления индуцируется переменная электродвижущая сила, которая может нарушить нормальную работу источника сигнала. Поэтому применяют двухсердечниковые магнитные усилители (с двумя сердечниками) и иные усилители, выполненные на основе двухсердечниковых усилителей.

Представим двухсердечниковый магнитный усилитель с помощью изобразительной модели, показанной на рис. 5.5а. Электрическая схема подключения усилителя представлена на рис. 5.5б.

Усилитель состоит из двух дросселей. Рабочие обмотки с количеством витков w_p располагаются на сердечниках 1 и 2. Они подключены к цепи переменного тока с напряжением U и нагрузкой R_H .

Обмотка управления с количеством витков w_y охватывает оба сердечника. На нее подается сигнал управления U_y по цепи постоянного тока.

Сердечники современных магнитных усилителей имеют кривую намагничивания, близкую к характеристике идеальной стали (см. рис. 5.2б).

Если сигнал управления отсутствует (U_y =0), то магнитные Ф₁ и Ф₂ , создаваемые в сердечниках 1 и 2 рабочими обмотками, равны по величине. Для обмотки управления они имеют встречное направление. Поэтому ЭДС индукции в обмотке управления равна нулю. Параметры усилителя и цепи переменного тока выбираются такими, что оба сердечника находятся в ненасыщенном состоянии (см. п. 5.2).

Если сигнал управления подан на обмотку w_y , то нормальный режим работы двухсердечникового магнитного усилителя характеризуется процессом последовательной смены состояния дросселей за период изменения напряжения U. Допустим, что в данный момент времени первый дроссель насыщен, второй дроссель не насыщен. Через некоторое время дроссели переходят в состояние, когда они оба не насыщены. Затем следует состояние, при котором второй дроссель насыщен, а первый не насыщен. Затем снова они не насыщены и так далее. Для магнитного усилителя исключают состояние одновременного насыщения обоих дросселей. Тогда магнитный усилитель становится неуправляемым.

Ненасыщенное состояние дросселя возможно только при равной нулю намагничивающей силе. Следовательно, ненасыщенному состоянию одного дросселя соответствует равенство

w_p i_p+ w_y i_y = 0, (5.6)

а ненасыщенному состоянию другого дросселя – равенство

w_p i_p - w_y i_y = 0 , (5.7)

где i_p и i_y соответственно ток в рабочих обмотках и ток в обмотке управления. Разные знаки в равенствах (5.6) и (5.7) объясняются тем, что для одного дросселя направления МДС w_pi_p и w_y i_y одинаковые, а для другого дросселя МДС обмоток имеют противоположные направления. Равенства (5.6) и (5.7) должны выполняться одновременно, если оба дросселя не насыщены. Это возможно, если i_p= i_y = 0. Таким образом, в случае, когда оба дросселя не насыщены, ток в нагрузке равен нулю.

Сказанное иллюстрируется с помощью временных диаграмм на рис. 5.6. Они отличаются от диаграмм односердечникового магнитного усилителя (см. рис. 5.3) вследствие возникновения магнитного потока Ф₂ во втором сердечнике.

В насыщенном дросселе ‌‌ Ф ‌ = Ф_кр = const . Индуктивность его рабочей обмотки равна нулю. Следовательно, равно нулю сопротивление рабочей обмотки. Ненасыщенному состоянию другого дросселя соответствует одно из равенств (5.6) или (5.7). В этом случае при i_y ≠ 0 рабочий ток i_p ≠ 0 и на рабочей обмотке дросселя падает напряжение

u_p= u - i_pR_H , (5.8)

где u - мгновенное значение переменного напряжения U . Величина u_p зависит от сопротивления цепи обмотки управления. Это объясняется тем, что когда один дроссель насыщен, а другой нет, переменная ЭДС, наведенная в обмотке управления изменяющимся магнитным потоком ненасыщенной части рабочей обмотки, не будет компенсироваться, так как магнитный поток в насыщенной части рабочей обмотки постоянен и не наводит ЭДС в обмотке управления. В результате в обмотке управления будет наводиться переменный ток. Так как для ненасыщенного дросселя должно выполняться одно из равенств (5.6) или (5.7) (сумма МДС равна нулю), то ток обмотки управления повторяет форму тока рабочей цепи. Иначе говоря, ненасыщенный дроссель работает в режиме трансформатора тока. Сопротивление цепи управления является нагрузкой трансформатора.

При большом сопротивлении цепи управления переменному току влияние наведенной в цепи управления ЭДС на входной сигнал незначительно, и им можно пренебречь. В этом случае ток i'_p в рабочей обмотке не зависит от напряжения u и в соответствии с равенством (5.6) или (5.7) целиком определяется током в цепи управления, что отображено на диаграмме рис. 5.6в.

Если сопротивление цепи управления мало, то величина u_p будет пренебрежимо малой по сравнению с i_pR_H . Ток i"_p в рабочей цепи в соответствии с равенством (5.8) определяется сопротивлением нагрузки R_H и имеет форму отрезков синусоиды как показано на рис. 5.6г.

При уменьшении управляющего напряжения u_y время пребывания дросселей в насыщенном состоянии уменьшается, уменьшается ширина (по основанию) импульсов рабочего тока. Если изменить полярность управляющего сигнала, то изменится только порядок насыщения дросселей. Характер изменения во времени рабочего тока останется прежним. Не изменится ни величина, ни фаза рабочего тока. Ток в нагрузке переменный, но не синусоидальный и

w_p I_p= w_y │I_y│ , (5.9)

где I_p - среднее значение тока рабочей обмотки (на полупериоде колебаний),

I_у - среднее значение тока управления.

Равенство (5.9) называют основным соотношением магнитного усилителя. Ему соответствует статическая характеристика магнитного усилителя, аналогичная по форме характеристике дросселя, показанной на рис. 5.4. Поскольку все же реальная кривая намагничивания стали сердечника отличается от «идеальной кривой», показанной на рис. 5.2б, статическая характеристика магнитного усилителя может быть представлена графиком, как показано на рис. 5.7.

Динамические свойства магнитного усилителя существенно зависят от сопротивления цепи управления переменному току. Если это сопротивление велико, то рабочая обмотка практически не оказывает влияния на входной сигнал. В этом случае статическая характеристика усилителя описывает его динамические свойства. Это значит, что магнитный усилитель можно представить безинерционным нелинейным звеном технической системы. Если же сопротивление переменному току цепи обмотки управления мало, то рабочая обмотка оказывает сильное влияние на процессы, происходящие в цепи управления. Наводимые в обмотках ЭДС приводят к запаздыванию рабочего тока относительно входного сигнала u_y .