Основні схеми, параметри і характеристики нереверсивних магнітних підсилювачів

Простежимо шляхи магнітних потоків в обох осердях магнітного підсилювача, зображеного на рис. 2.1.7. Магнітні потоки обмотки управління Ф_у в сусідніх стержнях направлені в одну сторону, а магнітні потоки робочої обмотки Ф_р – в протилежні сторони. Тому обмотку управління можна виконувати не у вигляді двох секцій (по одній на кожному осерді), а загальної – що охоплює стержні обох осердь (рис. 2.1.8, а).

ЕРС, наведені змінними магнітними потоками Ф_p в секціях робочої обмотки, розташованих на крайніх стержнях, взаємно компенсуються. Можливе і виконання магнітних підсилювачів на Ш-подібному осерді (рис. 2.1.8, б). Секції робочої обмотки намотуються на крайні стержні, а обмотка управління – на середній стержень. В цьому випадку в середньому

Рис. 2.1.8. Магнітні підсилювачі зі спільною обмоткою управління

стержні відбувається компенсація змінного потоку Ф_p, оскільки потоки від кожної секції робочої обмотки направлені в середньому стержні назустріч один одному і рівні за величиною. Тому вихідний сигнал не буде впливати на вхідний.

Немає принципової різниці між виконанням магнітного підсилювача на одному Ш-подібному або на двох осердях. Тому при подальшому розгляді будемо зображати тільки схеми з’єднаних обмоток, відзначаючи, при необхідності, послідовне і зустрічне включення секцій обмоток за допомогою крапок, які вказують початок обмотки.

В залежності від з’єднання секцій робочої обмотки і навантаження розрізняють схеми з послідовним і паралельним навантаженням. На рис. 2.1.7 і 2.1.8 навантаження включається послідовно з робочою обмоткою. Діаграми ЕРС для такої схеми показані на рис. 2.1.9. Струм навантаження в цьому випадку буде синусоїдальний, оскільки при незмінному вхідному сигналі в кожному з напівперіодів напруги живлення робочий потік однієї секції додається до потоку управління, а робочий потік іншої секції віднімається від потоку управління. Тому загальна індуктивність L_p робочої обмотки буде постійна при незмінному вхідному сигналі. Миттєве значення струму навантаження

, (2.1.16)

де R_н і Х_н – активний і індуктивний опір навантаження відповідно; R_p і Х_р – активний і індуктивний опір робочої обмотки (обох секцій);

j = arctg(Х_Н+Х_Р)/(R_Н+R_Р) – фазовий зсув між струмом і напругою, що визначається співвідношенням активного і індуктивного опорів.

При незмінному вхідному сигналі всі опори незмінні і струм має синусоїдальну форму.

Синусоїдальний струм робочої обмотки створює в осерді синусоїдальну напруженість поля Н_р, що, в свою чергу, призводить до несинусоїдального потоку. Крива зміни індукції в одному періоді отримана графічно на рис. 2.1.9, а. Як видно з діаграм миттєвих значень (рис. 2.1.9, б, в), ЕРС, створювані несинусоїдальними потоками різних секцій робочої обмотки в обмотці управління, не знищуються повністю. Це призводить до появи в обмотці управління ЕРС подвійної частоти 2w (рис. 2.1.9, г). В тих випадках, коли наявність ЕРС подвійної частоти в колі управління небажана, перевагу слід віддати паралельному з’єднанню секцій робочої обмотки.

При паралельному з’єднанні секцій робочої обмотки (рис. 2.1.10, а) в кожній з них протікає несинусоїдальний струм, що містить парні гармоніки (рис. 2.1.10, б, в). Однак струм навантаження, що являє собою суму струмів секцій, близький до синусоїдального (рис. 2.1.10, г). Це пояснюється тим, що парні гармоніки струму циркулюють в короткозамкнутому контурі, утвореному секціями робочої обмотки, і не виходять в коло навантаження. Наявність короткозамкнутого контуру в колі робочої обмотки призводить до зменшення швидкодії у порівнянні з послідовним з’єднанням секцій робочої обмотки.

Рис. 2.1.9. Діаграми ЕРС і струму в Рис. 2.1.10. Магнітний підсилювач

з магнітному підсилювачі паралельним з’єднанням секцій

робочої обмотки і діаграми струмі

Схема магнітного підсилювача, в якій навантаження під’єднане паралельно до секцій робочої обмотки, котрі з’єднані зустрічно, показане на рис. 2.1.11. Для підтримання незмінного струму живлення використовується достатньо великий додатковий опір R_Д. В залежності від вхідного сигналу відбувається перерозподіл струмів між навантаженням і робочою обмоткою. За відсутності сигналу управління (І_у=0) індуктивний опір робочої обмотки Х_р максимальний, внаслідок чого в робочу обмотку відгалужується незначний струм. При цьому струм в навантаженні має максимальне значення. В міру збільшення вхідного сигналу індуктивний опір робочої обмотки зменшується, а струм в ній зростає, що призводить до зменшення струму навантаження.

^{Аналогічно відбувається зміна струму в навантаженні в так званій} трансформаторній схемі (рис. 2.1.12). Тут окрім секцій обмотки w_p1, включених зустрічно через додатковий опір R_Д на напругу джерела живлення U_~, є обмотка w_p2, яка живить навантаження R_н. Така схема дозволяє ізолювати коло навантаження від кола живлення і одержувати на навантаженні практично будь-яку напругу, відмінну від напруги живлення. Струм в навантаженні залежить від коефіцієнта трансформації обмоток, під яким в даному випадку розуміється відношення напруг на обмотках w_p1 та w_p2. Цей коефіцієнт не залишається постійним, як в звичайному трансформаторі, а залежить від сигналу управління, який змінює магнітну проникність. За відсутності сигналу управління (І_у=0) магнітна проникність та індуктивність обмоток мають максимальне значення і падіння напруги на цих обмотках велике. Коефіцієнт трансформації буде максимальний, і відповідно струм навантаження І_н має максимальне значення. При збільшенні вхідного сигналу індуктивність обмотки w_p2 зменшується. Відповідно зменшуються коефіцієнт трансформації, напруга на обмотці w_p2 і струм навантаження І_н.

Рис. 2.1.11. Магнітний підсилювач з

паралельним навантаженням

Рис. 2.1.12. Трансформаторна схема магнітного підсилювача

Схема з паралельним з’єднанням навантаження на рис. 2.1.11 застосовується найчастіше тоді, коли є джерело струму, наприклад в схемах автоматики, які живляться від трансформаторів струму. Застосування джерела напруги і використання додаткового опору R_Д економічно невигідно через великі втрати на цьому опорі. Трансформаторні магнітні підсилювачі з паралельним навантаженням широко використовують як елементи реверсивних схем магнітних підсилювачів.

Всі розглянуті схеми магнітних підсилювачів (див. рис. 2.1.7 – 2.1.12) живили навантаження змінним струмом. При необхідності живити навантаження постійним струмом використовуються випрямляльні схеми. Як приклад включення навантаження постійного струму на рис. 2.1.13, а наведена схема з послідовним включенням випрямляльного моста і навантаження. Магнітний підсилювач з вихідним постійним струмом може використовувати і двонапівперіодну схему на двох діодах і трансформаторі з виводом від середньої точки вторинної обмотки (рис. 2.1.13, б).

Основною характеристикою магнітного підсилювача є залежність діючого або середнього значення струму в навантаженні від струму управління: І_н = f(І_y). Графічне зображення такої залежності називається статичною характеристикою вхід-вихід. Для всіх розглянутих вище схем магнітних підсилювачів залежність магнітної проникності і індуктивності робочої обмотки від струму управління показана на рис. 2.1.14. За відсутності сигналу управління (І_у = 0) ці величини мають максимальне

Рис.2.1.13. Магнітні підсилювачі постійного струму

Рис. 2.1.14. Залежність магнітної проникності і індуктивності від

струму управління

Рис. 2.1.15. Статичні характеристики магнітних

підсилювачів

значення. Якщо подати в обмотку управління постійний струм І_у, то в осерді створюється постійний магнітний потік, що накладається на змінний потік, створений робочою обмоткою. В міру збільшення вхідного сигналу І_у через нелінійність характеристики намагнічування відбувається насичення осердя. Це призводить до зменшення магнітної проникності, а отже, індуктивності робочої обмотки L_p. Напрямок (полярність) струму управління не впливає на m і L_p. Вигляд статичної характеристики вхід-вихід залежить від того, як включене навантаження: послідовно або паралельно до робочої обмотки.

На рис. 2.1.15, а показана статична характеристика для схем магнітних підсилювачів (див. рис. 2.1.7, 2.1.8, 2.1.10, 2.1.13). Тут І₀ – струм холостого ходу підсилювача (підмагнічувальне поле буде відсутнє), І_к – максимальний струм. В ідеальному підсилювачі за відсутності вхідного сигналу (І_у = 0) повинен дорівнювати нулю і вихідний сигнал (І_н = 0). Однак через те, що при І_у = 0 магнітна проникність і індуктивність робочої обмотки не дорівнюють нескінченності, через навантаження протікає невеликий струм холостого ходу І_н = І₀. В міру збільшення вхідного сигналу (струму управління) росте вихідний сигнал (струм навантаження), але через насичення осердя це зростання обмежене деяким максимальним струмом І_н = І_к. Відношення максимального струму до струму холостого ходу називається коефіцієнтом кратності струму К = І_к/І_o – це один з параметрів підсилювача. Чим більший цей коефіцієнт, тим кращий підсилювач.

Поряд з коефіцієнтом кратності струму магнітний підсилювач характеризується наступними параметрами: коефіцієнтом підсилення, чутливістю, максимальною потужністю в навантаженні, ККД робочого кола, постійною часу, добротністю.

_{Розглянемо коротко ці параметри. Коефіцієнт підсилення – це відношення приросту струму, напруги або потужності в навантаженні до приросту відповідного параметру в колі управління.}

_{Коефіцієнт підсилення за струмом}

(2.1.17)

Коефіцієнт підсилення за напругою:

. (2.1.18)

Коефіцієнт підсилення за потужністю:

. (2.1.19)

Оскільки статична характеристика магнітного підсилювача нелінійна, коефіцієнти підсилення за струмом, напругою і потужністю не є постійними величинами. Тому розрізняють максимальні значення k_I, k_U, k_P і їх значення, що відповідають заданій вихідній потужності підсилювача.

При великому значенні коефіцієнта кратності струму k, коли струм холостого ходу у порівнянні з максимальним струмом навантаження малий, можна з достатньою точністю вважати, що ; ;. Наприклад, вже при К=5 помилка від неврахування струму холостого ходу не перевищує 4%.

Чутливість P_ymin – мінімальна потужність вхідного сигналу, починаючи з якого пропорційно змінюється струм навантаження. Максимальна потужність в навантаженні:

. (2.1.20)

Коефіцієнт корисної дії робочого кола:

, (2.1.21)

де R-повний активний опір робочого кола.

Постійна часу Т характеризує швидкодію підсилювача і визначається відношенням індуктивності і активного опору обмотки управління T = L_y / R_y.

Добротність є універсальним параметром, який враховує і коефіцієнт підсилення і швидкодію:

D = k_p / T. (2.1.22)

Магнітні підсилювачі у порівнянні з іншими типами підсилювачів мають таку істотну перевагу, як висока стабільність в часі параметрів і статичної характеристики. Маючи практично необмежений термін служби, магнітні підсилювачі не вимагають регламентних робіт і можуть використовуватися в вибухово або пожежонебезпечних умовах, а також за наявності радіоактивного випромінювання.

Максимальна потужність магнітних підсилювачів досягає сотень кіловат. Відомі магнітні підсилювачі потужністю 800 кВт для автоматичного регулювання частоти обертання потужного асинхронного двигуна. Коефіцієнт підсилення за потужністю 100-ватного магнітного підсилювача при частоті живлення 50 Гц зазвичай складає 50-200. Для більш потужних підсилювачів цей коефіцієнт збільшується.

ККД найпростіших нереверсивних магнітних підсилювачів зазвичай лежить в межах від 0,6 до 0,98. Коефіцієнт кратності магнітних підсилювачів в значній мірі залежить від матеріалу осердя. Для магнітних підсилювачів з осердями з трансформаторної сталі К = 5 – 40, а з осердями із сплавів високої магнітної проникності К =100 – 200.

Мінімальне значення потужності, яка підсилюється, складає

10^-4 – 10^-1 Вт для осердь з трансформаторної сталі і 10^-8 – 10^-6 Вт для осердь зі сплавів високої проникності. Статична характеристика вхід-вихід магнітних підсилювачів з паралельним включенням навантаження (по рис. 2.1.11) має вигляд, показаний на рис. 2.1.15, б. Вона зворотна характеристиці підсилювача з послідовним навантаженням. Справді, при сигналі І_у=0 індуктивність L_p робочої обмотки буде максимальною і, отже, струм в навантаженні І_н буде мати найбільше значення. Із зростанням вхідного сигналу струм в навантаженні І_н зменшується, оскільки все більша частина струму живлення відгалужується в робочу обмотку, індуктивний опір якої зменшується.

Васюра А.С. – книга “Елементи та пристрої систем управління автоматики”