Лекции / 41 МагнУсилители

41 МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ БЕЗ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Физические основы работы магнитных усилителей

Работа магнитных усилителей основана на использовании свойств ферромагнитных материалов. Если по обмотке, расположенной на сердечнике из ферромагнитного материала, проходит электрический ток, то в сердечнике возникает магнитное поле. Это магнитное поле в сердечнике характеризуется напряженностью Н и магнитной индукцией В. Напряженность магнитного поля создается током, проходящим по обмотке, и выражается в амперах на метр (А/м). Магнитная индукция В увеличивается при возрастании напряженности Н и выражается в теслах (Тл). Кривая, характеризующая зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н, называется кривой намагничивания ферромагнитного материала {рис. 22.1).

Начиная с некоторого значения напряженности магнитного поля дальнейшее ее увеличение практически не приводит к изменению магнитной индукции. В этом случае говорят, что магнитный материал достиг состояния насыщения. Максимальная индукция в сердечнике называется индукцией насыщения B_s, напряженность поля при этом равна H_s.

Если далее уменьшать напряженность поля, то изменение магнитной индукции происходит по новой кривой (кривая 2). Индукция при этом уменьшается медленнее, чем она возрастала при увеличении Н от 0 до H_s (кривая 1) При уменьшении напряженности магнитного поля до нуля (т. е. при отсутствии тока в обмотке) индукция в сердечнике сохраняет значение, называемое остаточной индукцией. При увеличении напряженности магнитного поля в обратном направлении (т.е. при изменении направления тока в обмотке) индукция уменьшается до нуля при напряженности -Н_с, которая носит название коэрцитивной силы. Затем при значении напряженности -H_s сердечник снова насыщается, индукция в нем будет равна -B_s. Теперь при изменении напряженности от -H_s до +H_S изменение индукции происходит по кривой 3. Таким образом, изменение индукции в зависимости от напряженности поля происходит по графику, имеющему вид петли, называемой петлей гистерезиса. Как видим, зависимость В(Н) имеет явно выраженный нелинейный характер. В зависимости от ширины петли гистерезиса различают магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Материалы с широкой петлей гистерезиса называются магнитотвердыми, они используются для постоянных магнитов. Материалы с узкой петлей гистерезиса называются магнитомягкими, они используются для сердечников магнитных усилителей и других электромагнитных устройств: реле, трансформаторов, электрических машин. Для пояснения принципа действия магнитного усилителя можно пренебречь петлей гистерезиса и считать, что изменение магнитной индукции в зависимости от напряженности происходит по средней (основной) кривой намагничивания (кривая 1на рис. 22.1).

Для уничтожения ЭДС, наводимой в обмотке управления, используются схемы магнитных усилителей с двумя одинаковыми сердечниками (рис. 22.7, а, б). Такие схемы составлены из типовых элементов (рис. 22.7, а) Рабочая обмотка w_р и обмотка управления w_y имеют по две секции - по одной на каждом сердечнике.

Секции управляющей обмотки w_y соединяются последовательно и встречно; следовательно, происходит взаимное вычитание ЭДС, индуцируемых в каждой секции. Поскольку сердечники и соответствующие обмотки на них одинаковы, происходит взаимное уничтожение (компенсация) ЭДС, наведенных переменным магнитным полем. Секции рабочей обмотки w_p включены последовательно и согласно. В один полупериод питающего переменного напряжения U~ переменный магнитный поток Ф~ складывается с постоянным магнитным потоком Ф_у в одном сердечнике и вычитается в другом сердечнике. В следующем полупериоде сердечники меняются ролями. Таким образом, совместное действие на цепь нагрузки обеих секций рабочих обмоток в каждый из полупериодов совершенно одинаково. Обе полуволны нагрузки будут симметричны, т.е. форма кривой тока будет менее искажена, чем в схеме с одним сердечником.

Cхемы магнитных усилителей (рис. 22.7) питают нагрузку переменным током. При необходимости питать нагрузку постоянным током используются выпрямительные схемы. В качестве примера включения нагрузки постоянного тока на рис. 22.13, а приведена схема с последовательным включением выпрямительного моста и нагрузки. Магнитный усилитель с выходным постоянным током может использовать и двухполупериодную схему на двух диодах и трансформаторе с выводом от средней точки вторичной обмотки (рис. 22.13, б).

Магнитные усилители по сравнению с другими типами усилителей обладают таким существенным преимуществом, как высокая стабильность во времени параметров и статической характеристики. Имея практически неограниченный срок службы, магнитные усилители не требуют регламентных работ и могут использоваться во взрыво- или пожароопасных условиях, а также при наличии радиоактивного излучения.

Максимальная мощность магнитных усилителей достигает сотен киловатт. Коэффициент усиления по мощности 100-ваттного магнитного усилителя при частоте питания 50 Гц обычно составляет 50-200. Для более мощных усилителей этот коэффициент увеличивается. КПД простейших нереверсивных магнитных усилителей обычно лежит в пределах от 0,6 до 0,98.

Реверсивные магнитные усилители отличаются тем, что при изменении полярности входного сигнала (тока управления) изменяется полярность выходного сигнала (тока нагрузки). Реверсивные магнитные усилители могут питать нагрузку постоянного или переменного тока. В последнем случае в зависимости от полярности тока управления изменяется на 180° фаза выходного напряжения. Статическая характеристика реверсивного магнитного усилителя показана на рис. 24.1. Она представляет собой симметричную кривую, проходящую через начало координат. Таким образом, при отсутствии управляющего сигнала (I_у = 0) ток в нагрузке I_н также равен нулю. Напомним, что в нереверсивных (однотактных) магнитных усилителях при Iу = 0 через нагрузку проходит ток холостого хода I_хх, для уменьшения которого используют, например, смещение.

Соответствующую статическую характеристику реверсивного магнитного усилителя можно получить, если соединить два одинаковых нереверсивных усилителя таким образом, чтобы они действовали на общую нагрузку встречно при общем управляющем сигнале. Однотактные магнитные усилители, на основе которых выполняется реверсивный магнитный усилитель, могут быть включены по дифференциальной или мостовой схеме.

Различают реверсивные магнитные усилители с выходным постоянным и переменным током, с обратными связями и без них. Так как реверсивный магнитный усилитель состоит из двух однотактных усилителей, то он имеет четыре сердечника, но разработаны схемы и с уменьшенным числом сердечников.