Лабораторная работа №4

Исследование магнитного усилителя и модулятора

Цель работы: изучить принцип действия, схемы и характеристики магнитного усилителя.

1. Пояснения к работе

Схема простейшего магнитного усилителя (МУ) представлена на рис.1.

У силитель выполнен на двух сердечниках из электротехнической стали (либо пермаллоя, феррита). В цепь обмоток переменного тока W_Р включена нагрузка. Обмотки W_Р включены между собой последовательно и согласно. Обмотки управления W_У включены последовательно, но встречно друг другу. Также соединены обмотки смещения W_СМ. Это сделано для того,

чтобы наводимые в них ЭДС из обмоток W_Р взаимно вычитались, т.е. компенсировались (покажите на рис.1, как это происходит).

Известно, что магнитные свойства ферромагнитного сердечника характеризуются кривой намагничивания . Из этой характеристики можно получить зависимость магнитной проницаемости  от напряжённости магнитного поля

,

где B - индукция;

H - напряжённость.

Если по обмоткам W_Р проходит некоторый ток нагрузки I_Н, то он создаёт в обоих сердечниках напряжённость магнитного поля

,

где I_Н - ток в нагрузке и в обмотке W_Р;

W_Р - число витков обмотки переменного тока;

- длина средней магнитной линии в сердечнике.

Этой напряжённости H_Р соответствует определённое значение проницаемости , а значит и индуктивности L обмотки переменного тока W_Р. Известно, что

, (1)

где S - поперечное сечение сердечника.

На рис.4 представлена характеристика МУ без смещения. Точка 1 соответствует режиму холостого хода, т.е. условию I_У=0. Определим параметры МУ, магнитное состояние магнитопровода, сопротивление обмоток W_Р и влияние тока управления на это сопротивление.

Магнитные усилители рассчитывают и изготавливают так, чтобы исходный магнитный режим магнитопровода соответствовал максимальному значению магнитной проницаемости  (рис.3, точка 1). Это значит, что индуктивность L обмотки W_Р будет максимальная (1). Следовательно, индуктивное сопротивление обмотки X_L и полное сопротивление Z цепи переменного тока (цепи нагрузки) будут также максимальными

,

где  - угловая частота переменного тока;

L – индуктивность одной обмотки W_Р.

,

здесь R_H - сопротивление нагрузки;

r – активное сопротивление одной обмотки W_Р.

Следовательно, при I_У, равном 0, ток нагрузки будет минимальным

I_н

,

где U_С – напряжение питания МУ.

Если подать некоторый ток iу в обмотку управления, то напряжённость магнитного поля в сердечниках увеличится на величину

,

где I_У – ток в обмотке управления;

W_У – число витков обмотки управления.

Следовательно, рабочая точка на кривой переместится в положение 2, (рис.3). магнитная проницаемость уменьшится. Вследствие этого индуктивность L, индуктивное сопротивление X_L, полное сопротивление нагрузки Z уменьшатся, а ток нагрузки I_H увеличится.

Рабочее состояние МУ перейдёт из точки 1в точку 2 (рис.4).

При дальнейшем увеличении тока управления будет увеличиваться ток нагрузки вплоть до полного насыщения магнитопровода (точка 4 рис.4). При изменении полярности тока управления процессы будут протекать аналогично, а поэтому характеристика МУ будет симметрична рассмотренной (рис.4).

Если включить обмотку смещения W_СМ (рис.1), то напряжённость магнитного поля в сердечнике увеличится на величину Н_СМ:

,

где I_СМ – ток в обмотке смещения;

W_СМ – число витков обмотки смещения.

В соответствии с этим изменятся проницаемость , индуктивность L, сопротивление X_L и ток нагрузки I_H аналогично тому, как это было при включении обмотки управления W_У. Если ток смещения I_СМ оставить неизменным, а ток управления изменять от нуля до максимума, то получим характеристику МУ, смещенную влево или вправо в зависимости от знака тока смещения.

На рис.5 представлена характеристика МУ для случая, когда знак Н_СМ совпадает с положительным направлением Н_У. За счет тока смещения насыщение сердечника наступит при меньшем “положи-

тельном” токе управления в сравнении с рис.4 (рассмотрите случай с отрицательным смещением).

Чтобы реализовать обратную связь в МУ, необходимо выполнить две дополнительные обмотки (по одной на каждом сердечнике), соединить их последовательно - встречно и через выпрямитель включить эту схему в цепь нагрузки (рис.6).

Глубина обратной связи определяется коэффициентом ОС К_{ОС :}

,

где Н_ОС – напряжённость поля, создаваемая обмоткой W_ОС;

Н_Р – напряжённость, создаваемая обмоткой W_Р;

I_ОС – ток обратной связи;

W_ОС – число витков обмотки обратной связи.

Поскольку в данной схеме обмотки W_Р и W_ОС включены последовательно, то по ним протекает один и тот же ток. Следовательно, для такой схемы коэффициент обратной связи будет определяться простым соотношением количества витков обмоток W_Р и W_ОС

.