Классификация и принцип действия магнитных усилителей

Магнитным усилителем называется усилитель электрических сигналов, действие которого основано на использовании нелинейности характеристик ферромагнитных материалов. Магнитные усилители применяются в разнообразных устройствах: от точных измерительных приборов до схем автоматического управления крупными производственными агрегатами (прокатными станами, экскаваторами и т.п.). Широкое применение магнитных усилителей определяется рядом их достоинств:

· большим сроком службы, высокой надежностью, простотой эксплуатации;

· широким диапазоном усиливаемых мощностей: от 10-13... 10-6 Вт до несколько десятков и даже сотен кВт; постоянной готовностью к работе;

· возможностью суммировать на входе несколько управляющих сигналов;

· значительной перегрузочной способностью; пожаро- и взрывобезопасностью;

· стабильностью характеристик в процессе эксплуатации. Магнитные усилители различают по следующим признакам: виду статической характеристики - однотактные (нереверсивные) и двухтактные (реверсивные);

· способу осуществления обратной связи (ОС) - без ОС и с ОС (внешней, внутренней, смешанной);

· форме кривой выходного напряжения - с выходом на несущей или удвоенной частоте, на постоянном или выпрямляемом токе и т.д.;

· способу включения нагрузки - с последовательным и параллельным включением нагрузки и рабочих обмоток;

· числу и конструкции сердечников в однотактной схеме - с одним двухстержневым или тороидным сердечником, с двумя сердечниками, трехстержневым и четырехстержневым сердечниками;

· способу осуществления смещения - постоянным или переменным током и шунтированием выпрямителей ОС;

· режиму работы - линейные (или пропорциональные) и релейные.

Простейшие магнитные усилители без ОС выполняются в виде двух одинаковых трансформаторов. Рабочие обмотки этих трансформаторов с числом витков wр включаются последовательно с источником питания переменного напряжения U (рис. 10.1). Управляющие обмотки с числом витков wy включаются встречно относительно рабочих обмоток для устранения трансформаторной связи между цепями, образуемыми управляющими и рабочими обмотками. Усиливаемый сигнал постоянного тока I упоступает в управляющие обмотки wy трансформаторов и вследствие нелинейного характера кривой намагничивания сердечников вызывает уменьшение их магнитной проницаемости и пропорциональное уменьшение индуктивности L1 рабочих обмоток.

Устройство, имеющее схему, приведенную на рис. 10.1, часто называют дросселем насыщения или управляемым дросселем, так как, изменяя степень магнитного насыщения его сердечников путем подмагничивания их постоянным током, можно в широких пределах изменять индуктивность рабочих обмоток. Нагрузка RH, показанная на рисунке пунктиром, включается в цепи переменного тока параллельно или чаще последовательно с управляемой индуктивностью.

Токи I 1 и I 2, протекающие соответственно в рабочей и управляющей обмотках трансформаторов, создают магнитные поля, которые в течение одного полупериода переменного тока в одном из сердечников имеют одинаковые, а в другом - противоположные направления. В результате первый сердечник насыщается, а второй остается ненасыщенным. Для ненасыщенного сердечника справедливо уравнение обычного трансформатора:

где Iμ - намагничивающий ток трансформаторов.

При отсутствии сигнала на входе усилителя I 2 = 0 и I 1 = I μ. В этом режиме среднее значение тока нагрузки имеет минимально возможное значение, равное току холостого хода трансформатора I хх.

При наличии существенного сигнала I у на входе усилителя обычно можно пренебречь слагающей I μ ωр в правой части уравнения ампервитков по сравнению с I2wу. Тогда, интегрируя в пределах полупериода, в течение которого рассматриваемый сердечник ненасыщен, получим

т.е. ток нагрузки в схеме на рис. 10.1 определяется лишь током управления и конструктивными параметрами усилителя и не зависит от нагрузки.

Коэффициенты усиления по току k1 и мощности kР для простейшего магнитного усилителя определяют по формулам

где Ry - активное сопротивление управляющий обмотки.

Существенным недостатком таких магнитных усилителей является их относительно высокая инерционность, которую обычно характеризуют постоянной времени τ цепи управления: τ = kp/f, где η -КПД цепи нагрузки; f - частота источника питания. Для уменьшения инерционности магнитных усилителей применяют переменный ток повышенной частоты (400... 10 000 Гц и выше).

На рис.изображен магнитопровод, на кото­рый намотаны две обмотки: рабочая w р, питаемая синусоидальным напряжением, и управляющая w у к которой подводится усиливаемое напряжение.

Ферромагнитный материал, из которого изготов­ляются магнитопроводы магнитных усилителей, можно представить состоящим из отдельных малых областей (доменов), самопроизвольно намагничивающихся в различных направлениях.

При наложении на магнитопровод магнитного поля обмотки эти намагниченные области («магнитики») ориентируются преимущественно вдоль силовых линий внешнего поля, в результате чего общий магнитный поток резко возрастает. При изменении полярности тока в обмотке «магнитики» поворачиваются и направление общего магнитного потока в магнитопроводе изменяется на обратное.

Будем называть магнитодвижущей силой (МДС) Aw произведение тока в обмотке на число ее витков. Эта величина пропорциональна току, так как число витков обмотки обычно постоянно.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  




Подборка статей по вашей теме: