Магнитные усилители специального назначения

Для получения больших коэффициентов усиления используется по­следовательное соединение нескольких магнитных усилителей. В этом случае выходной сигнал предыдущего усилителя является входным сигналом последующего. Такое соединение усилителей называют каскадным, а каждый из усилителей — каскадом.. Число отдельных каскадов в может достигать 5—6.

Быстродействующие магнитные усилители

К быстродействующим относятся магнитные усилители, постоянная времени которых меньше длительности периода переменного пита­ющего напряжения. Если в обычных усилителях на инерционность оказывает основное влияние цепь управления, то в быстродейству­ющих усилителях необходимо учитывать запаздывание и в рабочей цепи. Высокое быстродействие в магнитных усилителях (в одном каскаде) может быть обеспечено лишь при использовании высоко­качественных материалов для сердечников. К таким материалам от­носятся железоникелевые сплавы (пермаллои), основные достоин­ства которых — близкая к прямоугольной петля гистерезиса, высо­кая магнитная проницаемость в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы.

Чаще всего быстродействующие усилители применяются для непосредственного усиления сигналов переменного тока (без пред­варительного выпрямления).

Операционные магнитные усилители

Операционные усилители предназначены для использования в из­мерительных, моделирующих и вычислительных системах автома­тики: Главное требование, предъявляемое к ним, — это высокая стабильность параметров: постоянство коэффициента усиления и отсутствие дрейфа нуля. Наиболее широко применяются полупро­водниковые операционные усилители. Однако и магнитные опера­ционные усилители имеют определенные достоинства. В частности, с помощью магнитного усилителя значительно проще выполнять такую операцию, как суммирование сигналов. Высокая точность суммирования сигналов в таких усилителях достигается за счет ис­пользования отрицательной обратной связи, охватывающей весь усилитель. Так как при этом уменьшается коэффициент усиления, то для компенсации такого уменьшения применяют положительную обратную связь или многокаскадную схему.

Трехфазные магнитные усилители

Они могут питать нагрузку переменного или постоянного тока.

Трехфазные магнитные усилители с выходным переменным то­ком чаще всего применяются для регулирования частоты вращения трехфазных асинхронных электродвигателей и для стабилизации напряжения трехфазных источников питания.

Трехфазные магнитные усилители с выходным постоянным то­ком обеспечивают по сравнению с однофазными усилителями значительное уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения, по­вышение КПД, равномерную загрузку фаз питающей сети.

Трехфазные магнитные усилители представляют собой три оди­наковых однофазных магнитных усилителя, рабочие обмотки кото­рых подключаются к трехфазной сети по схеме «звезда» или «тре­угольник».

Идеальный магнитный усилитель

сердечник имеет идеальную кривую намагничивания (рис. 22.16). По сравнению с реальной, эта кривая имеет следую­щие особенности:

1) на участке от В = 0 до В= Вs магнитная проницаемость равна бесконечности;

2) в области насыщения магнитная прони­цаемость равна нулю;

3) площадь петли гистерезиса равна нулю.

Магнитный усилитель при последовательном соединении рабочей обмотки с нагрузкой и выходным по­стоянным током

Рабочая обмотка, и обмотка управления состоят из двух секций, расположенных соответственно на двух сердечниках. Секции обмотки управления включены встречно.

Индукции в обоих сердечниках изменяются во времени по одному закону и отличаются друг от друга на постоянную величину 2В₀. Поэтому и ЭДС, инду­цируемые в секциях рабочей обмотки, будут равны:

Рассмотрим режим работы усилителя, когда подмагничивание отсутствует, т. е.1у = 0. Если при напряжении, приложенном к рабо­чей обмотке, оба сердечника находятся в ненасыщенном состоянии, то магнитная проницаемость сердечников равна бесконечности, а следовательно, и индуктивное сопротивле­ние рабочей обмотки равно бесконечности. В этом случае ток в цепи рабочей обмотки равен нулю и напряжение источника пита­ния равно и направлено навстречу ЭДС самоиндукции секций рабочей обмотки, напряжение питания рас­пределится поровну между секциями рабочей обмотки:

На рис. 22.17 показаны графики изменения напряжения, прило­женного к рабочей обмотке (рис. 22.17, а), и индукции при отсутст­вии подмагничивания (пунктирная линия на рис. 22.17, б).

Рис. 22.17. Диаграммы мгновен­ных значений напряжения, индук­ции, токов

Теперь рассмотрим режим работы при наличии подмагничива­ния, т. е. когда по обмотке управления проходит ток. Этот постоян­ный ток создает постоянное магнитное поле, индукция которого равна В₀. В одном сердечнике магнитные потоки, обусловленные постоянным и переменным токами, будут складываться, а в дру­гом — вычитаться, вследствие чего значения индукции в сердечни­ках будут отличаться на величину 2В₀.

В результате кривая индук­ции в одном сердечнике пойдет выше, а в другом — ниже (соответ­ственно В1 и В2 на рис. 22.17, (б).

Индукция В1, достигнув величины насыщения, в дальнейшем некоторое время остается постоянной. Если в одном сердечнике индукция постоянна, то в другом сердечнике в тот же проме­жуток времени индукция также бу­дет постоянной. Это условие выполняется даже в том случае, если другой сердечник ненасыщен. Поэтому если с момента ωt = α нас индукции в сердечниках не меняются, то ЭДС самоиндукции в секциях рабочей обмотки равны нулю и всё напряжение питания оказывается приложенным к нагрузке.

Ток в нагрузке скачком достигает наибольшего значения . Таким образом, от 0 до момента насыщения первого сердечника при ωt = α нас все напряжение сети приложено к ра­бочей обмотке, а остальную часть полупериода от α нас до ωt = π к нагрузке (рис. 22. 17, а). В следую­щий полупериод этот процесс повторяется с тем отличием, что сердечники меняются ролями. Та­ким образом, в интервале управления (от 0 до α нас) оба сердечни­ка ненасыщенны, а в интервале насыщения (от α нас до π) один из них насыщен, что приводит к постоянству потока и в другом сер­дечнике.

Напряжение на нагрузке при угле на­сыщения скачком достигает наибольшего значения и затем из­меняется по синусоидальному закону. Угол α нас в теории магнитных усилителей называют углом зажи­гания или регулирования. Идеальный магнитный усилитель дейст­вует как переключатель, который периодически подключает нагруз­ку к источнику питания в моменты, фиксированные относительно начала полупериода напряжения питания и определяемые значени­ем управляющего сигнала.

Сердечники усилителя насыщаются поочередно, причем в каж­дый полупериод один из сердечников ненасыщен. В первом полупе­риоде (рис. 22.17) ненасыщен второй сердечник.

Во втором полупериоде ненасыщенным оказывается первый сердечник.

Изменение тока управления iу происходит с частотой, которая вдвое больше частоты питания . Этот ток содержит кроме переменной и постоянную составляющую. Переменная со­ставляющая является следствием трансформации тока из цепи на­грузки. Постоянная составляющая 1у (среднее значение тока) не может появляться вследствие трансформации, она обуслов­лена управляющим сигналом и численно равна току сигнала 1у .

Iн ωр = Iу ωу (22.17) или Нср = Ну, где Нср — среднее (за половину периода) значение на­пряженности магнитного поля от тока нагрузки. Полученное равен­ство представляет собой основное уравнение идеального магнитного усилителя с последовательным соединением обмотки и по нему строится статиче­ская характеристика 1н = f(1у), показанная на рис. 22.18 (кривая 1). Максимально возможное значение тока имеет место при а нас = 0 когда постоянно насыщены оба сердечника сразу. В этом случае равенство (22.17) теряет свою силу.

Рис. 22.18. Статические ха­рактеристики идеального магнитного усилителя

При рассмотрении работы идеального магнитного усилителя не учитывалось сопротивление выпрямителя , которое несколько уменьшает значение тока нагрузки.

Из формулы (22.17) можно определить значения коэффициен­тов усиления магнитного усилителя: по току k₁=Iн/Iу=ώу/ώр

по напряжению ku=Uн/Uу=ωуRн/ωрRу

по мощности kр=Pн/Pу=ω²уRн /ω²рRу

Из последней формулы следует, что чем больше число витков обмотки управления при заданном сопротивлении этой обмотки, тем больше коэффициент усиления по мощности.

Статическая характеристика усилителя без выпрямителя показа­на на рис. 22.18 (кривая 2). Нелинейность характеристики объясня­ется тем, что коэффициент формы зависит от а нас.

Если в нагрузке переменного тока имеется индуктивность, то она сглаживает кривую тока и вызывает отставание тока от напря­жения.

Полученное выше основное уравнение (22.17) идеального маг­нитного усилителя с последовательным соединением секций рабо­чей обмотки справедливо и для параллельного соединения. В этом случае также происходит поочередное насыщение сердечников. Од­нако четные гармоники в цепи управления отсутствуют, зато они протекают в контуре рабочей обмотки. Так как через секцию рабо­чей обмотки каждого сердечника проходит половина тока нагрузки, то уравнение статической характеристики имеет вид.

Iн ωр = 2 Iу ωу

Изменение напряжения на нагрузке магнитного усилителя отстает от изменения входного сигнала Uу, т. е. усилитель обладает некото­рой инерционностью. Инерционность магнитного усилителя опре­деляется переходным процессом в цепи управления, вихревыми то­ками и потерями на гистерезис в сердечниках, переходным процес­сом в цепи переменного тока. Вихревые токи и потери на гистерезис вызывают отставание по­стоянной составляющей индукции от напряженности поля подмагничивания. Однако применение для сердечников тонких листов из железоникелевых сплавов позволяет свести потери на гистерезис и вихревые токи практически к нулю. Поэтому в большинстве случаев замедлением процесса, вызванным вихревыми токами и гистерези­сом, можно пренебречь