3.3. Магнитные усилители

Принцип действия магнитных усилителей (МУ) основан на нелинейности характеристики намагничивания ферромагнитных материалов (рис 3.15,а).

Рис. 3.15. Характеристика намагничивания (а)

схема дроссельного магнитного усилителя (б)

Простейший нереверсивный МУ состоит из дросселя насыщения, включенного в цепь переменного тока последовательно с нагрузкой (рис 3.15, б). При изменении тока управления в обмотке управления LG изменяется реактивное сопротивление рабочей обмотки LG1. Это приводит к изменению тока нагрузки в выходной цепи. Напряжение на нагрузке

, (3.45)

где - активные сопротивления и индуктивности соответственно нагрузки и дросселя.

Индуктивность дросселя

, (3.46)

где S, l - сечение и длина средней линии сердечника дросселя; m - магнитная проницаемость.

Рис. 3.16. Регулировочная характеристика МУ

На рис. 3.16 изображена регулировочная характеристика простейшего МУ . Характеристика симметрична относительно оси ординат. При токе управления ток нагрузки минимален, но не равен нулю, так как при этом индуктивность дросселя имеет конечное значение.

Сердечники мощных МУ изготавливают из трансформаторной стали; для усилителей малой мощности обычно используют железоникелевые сплавы типа пермаллоя и другие с высокой магнитной проницаемостью.

Приведенная на (рис 3.15, б) схема МУ имеет существенный недостаток, ограничивающий его применение: за счет переменного тока рабочей обмотки в обмотке управления наводится значительная ЭДС, искажающая управляющий сигнал. Для устранения этого явления применяют двухдроссельные МУ, включенные по управляющей обмотке навстречу друг другу (рис. 3.17, а)

Рис. 3.17. Двухдроссельные МУ с встречным включением

управляющей обмотки (а); со специальной обмоткой смещения (б)

В соответствии с (рис 3.16) простейшие магнитные усилители не реагируют на изменение полярности управляющего напряжения. Этот недостаток устраняют применением специальной обмотки смещения , питаемой постоянным током (рис 3.17, б). Обмотка смещения осуществляет сдвиг регулировочной характеристики МУ по отношению к управляющему сигналу (рис 3.18).

Рис 3.18. Регулировочная характеристика МУ

с обмоткой смещения

Простейшие МУ усиливают управляющий сигнал по мощности в несколько десятков раз, что не всегда достаточно при использовании их в системах регулирования. Для увеличения коэффициента усиления и расширения функциональных возможностей в магнитных усилителях применяют внутренние и внешние обратные связи.

Вариант схемы МУ с внешней обратной связью по току приведен на рис. 3.19,а.

Рис. 3.19. МУ с обратной связью (а) и регулировочной

характеристиками (б,в)

Ток нагрузки выпрямителя VD1-VD4 протекает по обмотке обратной связи W_ос. Регулировочные характеристики магнитного усилителя при различных значениях коэффициента обратной связи приведены на рис.3.19 б, в. Направление тока в обмотке обратной связи определяется только схемой выпрямителя и не зависит от полярности управляющего напряжения. Поэтому для одной ветви регулировочной характеристики обратная связь оказывается положительной (направления магнитных потоков обмоток управления и обратной связи совпадают), а для другой – отрицательной. При коэффициенте обратной связи магнитный усилитель работает в релейном режиме (рис 3.19, в). Широко применяются МУ с положительной внутренней обратной связью по току. Схема одного из вариантов подобных МУ с выходом на постоянном токе приведена на рис. 3.20. Обратная связь осуществляется включением диодов VD1-VD4 в цепь рабочих обмоток так, чтобы по ним протекал пульсирующий ток. Постоянная составляющая пульсирующего тока дополнительно подмагничивает сердечники МУ, что эквивалентно действию обратной связи по току.

Рис. 3.20. МУ с выходом на постоянном токе.

Коэффициент внутренней обратной связи равен отношению напряженности поля обратной связи к среднему значению напряженности, создаваемой переменным током, т.е.

, (3.47)

где и .

Фактически немного меньше единицы в связи с неидеальностью диодов (наличие обратного тока).

Достоинство внутренней обратной связи – отсутствие специальной обмотки обратной связи. Недостаток – сложность изменения .

При необходимости изменения полярности выходного напряжения (выход на постоянном токе) или его фазы (выход на переменном токе) применяют реверсивные магнитные усилители. На рис. 3.21,а изображена схема реверсивного МУ с выходом на постоянном токе. Он состоит из двух нереверсивных магнитных усилителей, включенных по дифференциальной схеме. Напряжение нагрузки равно разности напряжений на балластных сопротивлениях и . Регулировочные характеристики дифференциального МУ приведены на рис 3.21, б.

Магнитный усилитель как элемент систем управления является дискретным звеном со сложной формой выходных импульсов. Однако с учетом фильтрующего действия других элементов, входящих в систему, его часто можно представить непрерывным звеном.

Как показывает практика, инерционность МУ в основном определяется параметрами обмоток управления. Для управляющей цепи справедливо уравнение

, (3.48)

где - напряжение, ток, сопротивление и индуктивность обмотки управления.

Рис 3.21. Схема реверсивного МУ (а) и его регулировочные характеристики (б)

Заметим, что индуктивность обмотки управления зависит от степени насыщения сердечника, т.е. является величиной переменной. Для упрощения математических соотношений предположим, что при относительно небольших изменениях напряжения управления . Если пренебречь отставание M тока нагрузки от тока управления в переходных режимах для ненасыщенных сердечников, то

(3.49)

или , (3.50)

где I_{н ср} - среднее значение тока нагрузки;

K_I - коэффициент усиления МУ по току;

при последовательном включении рабочих обмоток.

Среднее значение напряжения на сопротивлении нагрузки

. (3.51)

В результате получим:

(3.52)

или , (3.53)

где - электромагнитная постоянная времени обмотки управления, ; - коэффициент усиления магнитного усилителя по напряжению,

. (3.54)

Тогда передаточная функция магнитного усилителя

, (3.55)

т.е. при сделанных допущениях МУ эквивалентен инерционному звену.

Постоянную времени МУ с несколькими включеными обмотками управления определяют как сумму постоянных времени отдельных обмоток аналогично соответствующим расчетам ЭМУ.

В системах регулирования магнитные усилители выполняют следующие функции: предварительное усиление сигналов; управление двигателями постоянного и переменного тока (силовые преобразователи); суммирование нескольких сигналов; преобразование постоянного напряжения (тока) в модулированные колебания переменного тока и некоторые другие.

Достоинство МУ: надежность в работе; повышенная виброустойчивость; большая чувствительность; возможность суммирования нескольких сигналов; питание от сети переменного тока; готовность к работе сразу после включения.

Недостатки магнитных усилителей: значительная инерционность; малое входное сопротивление; низкий КПД реверсивных схем; невозможность создания режима рекуперации.

Увеличение быстродействия МУ достигается за счет повышения частоты питающего напряжения, каскадного включения нескольких магнитных усилителей, использования специальных схем быстродействующих МУ.

3.4. Вентильные преобразователи напряжения

постоянного тока (ВП)

На сегодня широкое применение ВП в системах АЭП обусловлено выпуском надежных малогабаритных тиристоров и транзисторов. На их основе для электропривода постоянного тока разработаны два типа преобразователей: тиристорные преобразователи (ТП) напряжения переменного тока в постоянный и широтно-импульсные преобразователи (ШИП) неизменного напряжения постоянного тока в регулируемое напряжение постоянного тока.

3.4.1. Тиристорные преобразователи (ТП)

Достоинства:

• высокий КПД из-за незначительного падения напряжения на тиристоре (<1В);

• малая инерционность 0,01…0,02 с, обусловленная фильтрами в цепях управления и неуправляемостью тиристоров в течении интервала проводимости;

• высокая надежность при использовании быстродействующей защиты и модульно-блочного исполнения ТП.

Недостатки:

• низкий коэффициент мощности при глубоком регулировании напряжения;

• искажения питающего напряжения, вносимые работой ТП;

• повышенный уровень излучаемых радиопомех.

Функциональная схема ТП имеет вид (рис. 3.22)

Рис. 3.22. Функциональная схема ТП.

• входная координата – напряжение управления ;

• выходная координата – выпрямленная ЭДС E_d (E_d – средняя величина на интервалах проводимости в установившихся режимах и е_d – в переходных процессах).

Входной блок Б1 преобразует величину в угол открывания тиристоров a, а выходной блок Б2 преобразует величину a в Е_d. Технически Б1 представляет собой систему импульсно-фазового управления (СИФУ), а блок Б2 – вентильную группу ВГ (схема включения комплекта тиристоров). Возмущающее воздействие – ток нагрузки I_d, который через функциональный блок нагрузки БН поступает на вход Б2.

Отметим: влияние I_d на E_d проявляется только в режиме прерывистых токов.

В режиме непрерывных токов ЭДС является функцией только угла открывания.

. (3.56)

Для m-фазной нулевой схемы ТП:

, (3.57)

где Е_2m- амплитудное значение фазной ЭДС на вторичной обмотке трансформатора;

Е₂- действующее значение фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора;

m- число фаз.

Действующее значение фазного тока I₂ на вторичной обмотке трансформатора определится через выпрямленный ток I_d, если он имеет прямоугольную форму:

. (3.58)

Внутреннее сопротивление ТП (приведенное к цепи нагрузки):

, (3.59)

где – эквивалентное сопротивление ТП, вызываемое перекрытием вентилей, Ом;

- индуктивное сопротивление рассеяния фазы трансформатора, приведенное ко вторичной цепи, Ом;

– расчетное сопротивление вентилей, Ом;

- результирующее активное сопротивление источника питания, Ом.

Наибольшее распространение получили нулевые и мостовые схемы включения вентильных групп (рис.3.23,а,б,в,г).

1 схема. Самая простая, но самый большой уровень пульсаций, частота Гц. Ток I_d дополнительно подмагничивает трансформатор, что требует увеличение габаритов трансформатора. Для двигателей до 1-10 кВт.

2 схема. Высокая частота пульсаций Гц, не требуется уравнительный реактор, но необходима самая большая мощность трансформатора, схема соединения первичной обмотки трансформатора ∆, если Υ, то сильное подмагничивание всех частей трансформатора, повышенное значение R_dп. Для двигателей 1-5 кВт.

3 схема. Вентильные группы работают параллельно, поэтому необходим реактор L, чтобы исключить коммутацию вентилей с одной группы на другую, т.е. работа обеих групп независима. Нет подмагничивания трансформатора, т.к. обмотки включены встречно и МДС на одном стержне противоположны. Частота пульсаций Гц. Меньшее значение S_Т и самое малое R_dп. Для больших мощностей и токов.

4 схема. Выпрямленная ЭДС при одном и том же вторичном напряжении трансформатора в 2 раза больше; пульсации выпрямленной ЭДС в 2 раза больше по частоте и меньше по амплитуде; вентильные группы могут подключаться к сети без трансформатора; для электропривода в десятки и сотни кВт.

а) трехфазная:

б) шестифазная:

в) 3-х фазная с уравнительным реактором

г) 3-х фазная мостовая:

Рис. 3.23. Схемы включения вентилей

- действующее значение линейной ЭДС вторичной цепи трансформатора.

Трехфазная мостовая схема (рис. 3.22,г) представляет собой сдвоенную нулевую схему работающую последовательно в оба полупериода переменного тока. Схемы на рис. 3.23 – нереверсивные. Реверсивные схемы ТП состоящие из двух комплектов вентилей имеют название – встречно-параллельные, из двух комплектов нереверсивных ТП – перекрестные.

Для удобства анализа работы СИФУ ТП обычно нумеруются тиристоры в вентильных группах в соответствии с очередностью их открывания, начиная отсчет с фазы а.

Диаграммы очередности открывания тиристоров для приведенных ниже схем имеют вид на рис. 3.24.

Основу СИФУ представляет блок управления БУ, управляющий одним тиристором (рис. 3.25). ГОН – генератор опорного напряжения, который синхронизирован с напряжением питания тиристора; ФСУ – фазосмещающее устройство, которое регулирует фазу управляющего импульса; ГИ – генератор импульсов, вырабатывает необходимый для открывания тиристоров импульс.

Широкое применение в современных СИФУ находит так называемый вертикальный принцип управления. В таких СИФУ разностный сигнал при изменении управляющего напряжения изменяет момент перехода через нуль относительно вторичной ЭДС е_2Т, соответственно регулируется фаза открывающего импульса (рис.3.26).

Рис. 3.24. Диаграмма очередности открывания тиристоров

Рис. 3.25. Функциональная схема блока управления СИФУ

Рис.3.26. Диаграмма регулирования фазы открывающего

импульса по вертикальному принципу

Синхронизация напряжений и е_2Т выполняется таким образом, чтобы при угол открывания , что соответствует для режима непрерывных токов. Для выполнения этого условия фазовый сдвиг между опорным напряжением и вторичной ЭДС для любого тиристора с номером i должен составлять:

. (3.60)

Управляющие свойства ТП определяются их характеристиками управления

. (3.61)

В соответствии с общей функциональной схемой (см. рис. 3.25) внутренняя координата ТП – угол открывания α – выделяет в составе ТП две части: СИФУ и ВГ, математическим описанием которых будут характеристики управления СИФУ и вентильной группы . Очевидно, что результирующая характеристика управления ТП определиться как сложная функция, т.е. . Поскольку для всех ТП характеристики управления вентильных групп одинаковы, то вид результирующей характеристики будет зависеть от характеристики управления СИФУ, в свою очередь, определяемой видом опорного напряжения. Так как открывающий импульс выдается в моменты равенства опорного напряжения на его спадающем участке и напряжения управления, то зависимость определяется формой опорного напряжения и его фазовым сдвигом по отношению к напряжению силовой цепи тиристора. Если при , , то при косинусоидальной форме опорного напряжения (рис. 3.27,а)

Рис. 3.27. Косинусоидальное (а) и пилообразное (б) опорные напряжения СИФУ.

Тогда характеристика СИФУ определиться выражением:

. (3.62)

Эта подстановка в выражение для E_d определит характеристику управления ТП при косинусоидальном опорном напряжении

. (3.63)

Характеристика оказывается прямолинейной с коэффициентом усиления

(3.64)

в диапазоне изменения от . Для пилообразной формы опорного напряжения (рис. 3.27, б) имеем линейную зависимость U_оп от α:

. (3.65)

Обратная функция определит характеристику управления СИФУ

, (3.66)

где – угловой интервал линейного рабочего участка опорного напряжения, рад; – максимальное значение опорного напряжения на концах линейного участка, В.

Подстановка дает выражение для характеристики управления ТП при пилообразном опорном напряжении:

. (3.67)

Для

. (3.68)

Достоинством косинусоидальной формы опорного напряжения является линейность результирующей характеристики управления ТП. Однако диапазон регулирования угла α составляет менее 180°, т.к. практически следует исключить из зоны регулирования окрестности максимума и минимума опорного напряжения, где оно практически не изменяется. В зоне больших значений , близких к , возникает опасность превышения управляющим напряжением значения , что приведет к исчезновению открывающих импульсов. Для исключения этого явления в опорном напряжении формируется барьерный пик, увеличивающий максимальное значение .

Достаточно широкий диапазон регулирования имеет СИФУ с пилообразным опорным напряжением, однако характеристика управления ТП с такой СИФУ оказывается нелинейной и имеет синусоидальный характер.