Физические основы работы магнитных усилителей

Работа магнитных усилителей основана на использовании свойств ферромагнитных материалов. Если по обмотке, расположенной на сердечнике из ферромаг­нитного материала, проходит электрический ток, то в сердечнике возникает магнитное поле. Это магнитное поле в сердечнике харак­теризуется напряженностью Н и магнитной индукцией В. Напря­женность магнитного поля Н создается током, проходящим по об­мотке, и выражается в амперах на метр (А/м). Магнитная индукция В увеличивается при возрастании напряженности Н и выражается в теслах (Тл). Кривая, характеризующая зависимость магнитной ин­дукции В от напряженности магнитного поля Н, называется кривой намагничивания ферромагнитного материала.

Рис. Кривая намаг­ничивания ферромагнит­ного материала

от 0 до Нs (кривая 1).

Начиная с некоторого значения напря­женности магнитного поля дальнейшее ее увеличение практически не приводит к из­менению магнитной индукции. В этом случае говорят, что магнитный материал достиг состояния насыщения. Максималь­ная индукция в сердечнике называется ин­дукцией насыщения В5, напряженность поля при этом равна Н5.

Если далее уменьшать напряженность поля, то изменение магнитной индукции происходит по новой кривой (кривая 2). Индукция при этом уменьшается медлен­нее, чем она возрастала при увеличении Н

При уменьшении напряженности магнитного поля до нуля (т. е. при отсутствии тока в обмотке) индукция в сер­дечнике сохраняет значение Вr называемое остаточной индукцией. При увеличении напряженности магнитного поля в обратном на­правлении (т. е. при изменении направления тока в обмотке) ин­дукция уменьшается до нуля при напряженности -Нс, которая носит название коэрцитивной силы. Затем при значении напряженно­сти -Нs сердечник снова насыщается, индукция в нем будет рав­на -Вs. Теперь при изменении напряженности от -Нs до +Нs измене­ние индукции происходит по кривой 3.

Таким образом, изменение индукции в зависимости от напряженности поля происходит по графику, имеющему вид петли, называемой петлей гистерезиса. Как видим, зависимость В (Н) имеет явно выраженный нелинейный ха­рактер. Именно из-за нелинейного характера изменения индукции от на­пряженности, т. е. из-за непостоянства магнитной проницаемости, и достигается эффект усиления в магнитном усилителе. Подмагничивание постоянным током приводит к уменьшению магнитной проницаемости и, как следствие, к увеличению (усилению) пере­менного тока.

В зависимости от ширины петли гистерезиса различают магнитомягкие и магнитотвердыематериалы. Материалы с широкой пет­лей гистерезиса называются магнитотвердыми, они используются для постоянных магнитов. Материалы с узкой петлей гистерезиса называются магнитомягкими, они используются для сердечников магнитных усилителей и других электромагнитных устройств: реле, трансформаторов, электрических машин. Для пояснения принципа действия магнитного усилителя можно пренебречь петлей гистере­зиса и считать, что изменение магнитной индукции в зависимости от напряженности происходит по средней (основной) кривой на­магничивания (кривая 1 на рис. 22.1).

Принцип действия магнитного усилителя (Рис- Простейший магнитный усилитель (дроссель насыщения)- управляемое индуктивное сопротивление.

Простейшая схема (а, б), состоит из двух обмоток. Одна обмотка — рабочая (или обмотка переменного тока) с числом витков wр, другая — обмотка управления (или управляющая) с чис­лом витков wу. Обе обмотки размещены на общем ферромагнитном замкнутом сердечнике. На обмотку управления подается входной сигнал в виде напряжения постоянного тока Uу или тока Iу, подле­жащего усилению.

Цепь рабочей обмотки получает питание от источ­ника напряжения переменного тока (например, промышленной ча­стоты 50 Гц). Сердечник одновременно намагничивается двумя по­лями: постоянным, созданным током Iу, протекающим в обмотке wу, и переменным, созданным током Iн, протекающим в обмотке wр. Последовательно с рабочей обмоткой включена нагрузка Rн, напряжение на которой Uн является выходным сигна­лом усилителя.

При изменении тока нагрузки Iн. бу­дет изменяться и падение напряжения Uн на нагрузке Rн т. е. выходной сигнал. Мощность, выделяемая в нагрузке, мо­жет во много раз превышать мощность, расходуемую в управляющей обмотке, т. е. схема обладает усилительными свой­ствами и ее можно рассматривать как простейший магнитный усилитель. Та­кой усилитель называют еще дроссель­ным, поскольку изменение тока в нагруз­ке обеспечивается за счет изменения индуктивности рабочей обмотки, т. е. сопротивления дросселя — катушки с сердечником (рис)

Рассмотренная схема имеет серьёзные недостатки:

1- замыкающийся по сердечнику переменный магнитный поток наводит в обмотке управления переменную ЭДС. Поэтому выходной сигнал может влиять на входной. Для уменьшения значения переменного тока, протекающего по цепи управления под влиянием наведенной ЭДС последовательно с управляющей обмоткой wу включают большую индуктивность. Однако при этом увеличивается инерционность усилителя: при быстрых изменениях входного напряжения ток управления изменя­лся медленно.

2- форма тока в нагрузке существенно отличается от синусоидал ь ной. Для уничтожения ЭДС, наводимой в обмотке управления, используются схемы магнитных усилителей с двумя одинаковыми сердечниками (рис. 22.7, а, б). Рабочая обмотка wр и обмотка управления wу имеют по две секции — по одной на каждом сердечнике. Секции управляющей обмотки wу соединяются последовательно и встречно; следовательно, происходит взаимное вычитание ЭДС, индуцируемых в каждой сек­ции. Поскольку сердечники и соответствующие обмотки на них одинаковы, происходит взаимное уничтожение (компенсация) ЭДС, на­веденных переменным магнитным полем. Секции рабочей обмотки wр включены последовательно и согласно.

В один полупериод пита­ющего переменного напряжения U~ переменный магнитный поток Ф~ складывается с постоянным магнитным потоком Фу в одном сер­дечнике и вычитается в другом сердечнике. В следующем полуперио­де сердечники меняются ролями. Таким образом, совместное дейст­вие на цепь нагрузки обеих секций рабочих обмоток в каждый из по­лупериодов совершенно одинаково. Обе полуволны нагрузки будут симметричны (без четных гармоник), т. е. форма кривой тока будет менее искажена, чем в схеме с одним сердечником.

В зависимости от соединения секций рабочей обмотки и нагруз­ки различают схемы споследовательной и параллельной нагрузкой.

На рис. 22.7 и 22.8 нагрузка включается последовательно с рабочей обмоткой. Ток нагрузки в этом случае будет синусоидален, поскольку при не­изменном входном сигнале в каждом из полупериодов питающего напряжения рабочий поток одной секции складывается с потоком управления, а рабочий поток другой секции вычитается из потока управления. При неизменном входном сигнале все сопротивления неизмен­ны и ток имеет синусоидальную форму. Синусоидальный ток рабочей обмотки создает в сердечнике си­нусоидальную напряженность поля Нр, что, в свою очередь, приво­дит к несинусоидальному потоку. Как видно из диаграмм мгновенных значений (рис. 22.9, б, в), ЭДС, создаваемые несинусоидальными потоками разных секций рабочей обмотки в обмотке управления, не уничтожаются полностью. Это приводит к появлению в обмотке управления ЭДС двойнойчастоты 2ω (рис. 22.9, г).

Рис. 22.10. Магнитный усилитель с параллельным соединением секций рабочей обмотки и диаграммы токов

При параллельном соединении секций рабочей обмотки (рис. 22.10, а) в каждой из них протекает несинусоидальный ток, содержащий четные гармоники (рис. 22.10, б, в). Однако ток нагрузки, представляющий собой сумму токов секций, близок к синусоидальному (рис. 22.10, г). Это объясняется тем, что четные гармоники тока циркулируют в короткозамкнутом контуре, образованном секциями рабочей обмотки, и не выходят в цепь нагрузки. Наличие короткозамкнутого контура в цепи рабочей обмотки приводит к уменьшению быстродействия по сравнению с последовательным со­единением секций рабочей обмотки.

Схема с параллельным соединением нагрузки при­меняется чаще всего тогда, когда имеется источник тока, например в схемах автоматики, питаемых от трансформаторов тока.

Аналогично происходит изменение тока в нагрузке в так называемой трансформаторной схеме. Такая схема позволяет изолировать цепь нагрузки от цепи питания и получать на нагрузке практически любое напряжение, отличное от напряжен ия питания. Ток в нагрузке зависит от коэффициента трансформации обмоток, под которым в данном случае понимается отношение напряжений на обмотках wр1, и wр2. Этот коэффициент не остается постоянным, как в обычном трансформаторе, а зависит от сигнала управления, изменяющего магнитную проницаемость.

преимущества Магнитные усилители по сравнению с другими типами усилите­лей обладают таким существенным преимуществом, как высокая стабильность во времени параметров и статической характеристики. Имея практически неограниченный срок службы, магнитные усили­тели не требуют регламентных работ и могут использоваться во взрыво- или пожароопасных условиях, а также при наличии радио­активного излучения. Максимальная мощность магнитных усилителей достигает сотен киловатт.