6.2. Фізичні процеси в магнітному підсилювачі з ідеальною кривою намагнічування сердечників в режимі вільного намагнічування

Розглянемо фізику процесів при нескінченно малому опорі керуючої ланцюга (рис. 1.5, а)

Рис 1.5. Процеси в магнітному підсилювачі при відсутності струму управління

Умова означає, що протікання по ланцюгу управління змінних складових струму кінцевої величини буде відбуватися під дією нескінченно малих ЕРС, близьких до нуля. Такий режим роботи називають режимом природного намагнічування або режимом з вільними парними гармоніками струму. У цьому режимі

, (6.4)

звідки . Значить, індукції обох сердечників змінюються по однаковими кривим, відрізняючись лише постійними складовими:

(6.5)

Спочатку проаналізуємо випадок, коли струм управління дорівнює нулю. Якщо напруга мережі рівна граничній (6.1), то для його урівноваження за рахунок ЕРС робочих обмоток (рис. 1.5, б) індукція повинна змінюватися з амплітудою, що дорівнює В_S, що відповідає переміщенню робочих точок по вертикальній ділянці 1-2-3-2-1 (рис. 1.5, в) кривої намагнічування. Відсутність струму управління означає рівність нулю постійних складових індукції. Тому у відповідності з виразом (6.5) B₁=B₂, тобто зміна індукції обох сердечників описується в часі однієї і тієї ж косинусоїдальною кривою. Чим ближче до ідеальної крива намагнічування, тим ближче до нуля напруженість, а значить, і струм i~, необхідний для переміщення робочих точок на ненасиченій (вертикальній) ділянці кривої намагнічування.

Рис. 1.6. Процеси в магнітному підсилювачі при малому опорі ланцюга управління ( )

При подачі постійного струму в обмотку управління створюється напруженість постійного поля, в сердечниках з'являється постійна складова В₀ і криві індукції «розходяться» на величину 2B₀ (рис. 1.6, д).

Поки індукція першого (рис. 1.6, в) і другого (рис. 1.6, б) сердечників змінюється, залишаючись на вертикальній ділянці 1-2 кривої намагнічування, струм в робочих обмотках близький до нуля і напруга мережі цілком врівноважується ЕРС, що наводяться в обох робочих обмотках.

Коли індукція В досягає насичення В_S і перестає змінюватися, індукція В₂ теж перестає змінюватися, ЕРС не буде наводитися і напруга схеми на ділянці 2-3 врівноважується падінням напруги на навантаженні (рис. 1.6, г). При цьому струм, що протікає по робочих обмотках, створює імпульс напруженості Н~, що намагається «відвести» індукцію В₂ в зону насичення. Однак найменша зміна індукції В₂, на ділянці 2-3 наводить в _У ЕРС, і по ланцюгу управління проходить струм, який створює імпульс напруженості H_У. Цей імпульс за правилом Ленца має такий напрямок (рис. 1.6, б), який перешкоджає переміщенню індукції В₂, вгору з точок 2, 3, компенсуючи дію напруженості H~. При цьому, якщо в другому сердечнику напруженості Н~ і H_У віднімаються (показано суцільними стрілками на рис. 1.6, а), то в першому сердечнику в цей же півперіод напруженості H~ і H_У додаються, і в результаті їх сумарної дії робоча точка першого сердечника переміщається по горизонтальній ділянці 2-3 (рис. 1.6, в).

У наступний півперіод напруженість Н~ змінює знак (рис. 1.6, е). Але напруженості Н~ і H_У віднімаються не в другому, а в першому сердечнику, в результаті чого (як показують пунктирні стрілки на рис. 1.6, а) компенсуючий імпульс напруженості H_У, що створюється обмоткою управління, має напрямок в ту ж сторону, що і в попередньому півперіоді.

Таким чином, в обмотці управління поряд з постійною складовою, яка зазвичай приймається за величину струму управління, проходять змінні складові. Гармонійний аналіз кривої рис. 1.6, ж показує, що ці складові являють собою парні гармоніки струму.

З рівності заштрихованих площадок на рис. 1.6, б очевидно, що в цьому режимі роботи зберігається рівність

.

де під H_ мається на увазі напруженість, що створюється постійною складовою струму управління I_У, і, отже, закон магнітного підсилювача (6.2) зберігає свою силу.

При збільшенні струму I_У зростають постійні складові індукції В₀ і криві В₁ і В₂ (рис. 1.6, д) розходяться більше. Ділянка 1-2 кривих скорочується, зменшується частина півперіоду, в якій напруга мережі врівноважується ЕРС, і імпульс струму в навантаженні зростає. При деякому значенні струму управління настає режим короткого замикання, коли протягом всього півперіоду напруга мережі прикладена до навантаження. З моменту короткого замикання підсилювач втрачає керованість, і струм навантаження залишається незмінним при зростанні I_У. Характеристика вхід-вихід набуває вигляду, ідентичного випадку , відрізняючись лише тим, що рівність (6.2) зберігається аж до значень I_У, що відповідає режиму короткого замикання. Реальні магнітні підсилювачі працюють, як правило, в режимі, близькому до випадку .

Згідно з основним законом магнітного підсилювача можна зробити висновок, що зібраний за схемою рис. 1.6, а магнітний підсилювач є керованим і досить стабільним джерелом струму. Насправді, з рівності (2.4) маємо

, (6.6)

де коефіцієнт підсилення по струму дорівнює відношенню кількості витків обмоток і . З (6.6) видно, що струм у навантаженні визначається тільки струмом управління і не залежить від напруги і частоти мережі, опору навантаження і інших подібних чинників при роботі підсилювача на лінійній ділянці характеристики вхід - вихід.

З рис. 1.6, г випливає, що арифметична сума середніх значень падіння напруги на навантаженні і падіння напруги на робочих обмотках , обчислених за заштрихованим площам, дорівнює середньому значенню напруги схеми:

.

Зауважимо, що для режиму , при якому, це співвідношення несправедливо.