Магнитный усилитель с самоподмагничиванием

Магнитные усилители за счет подмагничивания их постоянным током позволяют в широких пределах изменять постоянный ток в регулируемой цепи.  Такие магнитные усилители с так называемым самоподмагничиванием обладают наиболее высоким коэффициентом усиления и быстродействия.

Принципиальная схема магнитного усилителя  с самоподмагничиванием изображена на рис. 5.6.  Как видно из рисунка, магнитный усилитель состоит из двух одинаковых сердечников 1 и 1¢, изготовленных из листовой электротехнической стали.

На каждом сердечнике расположена рабочая обмотка 2 и 2′ с числом витков w_p. Начала обмоток обозначены жирной точкой.

Обе обмотки вклю­чены параллельно и встречно.

Последо­вательно с каждой обмоткой включены полупроводниковые диоды Д₁ и Д₂. Схема может работать и без этих вентилей, однако они придают магнитному усилителю дополнительные  положительные качества – увеличивают коэффициент усиления

и быстродействие, поэтому современные магнитные уси­лители, как правило, собираются по этой схеме. Последовательно с магнитным усилителем в цепь переменного тока, питаемую напряжением U~, включена нагрузка R_н.

Обмотка управления 3 с числом витков w_у охватывает оба сердечника одновременно. Управляющий сигнал U_у подается на эту обмотку.

Если управ­ляющих сигналов несколько, то, соответственно, на сердечниках располагают и несколько обмоток управления. Работа магнитного усилителя поясняется кривыми на рис. 5.7.

Из-за вентилей Д₁ и Д₂ каждая рабочая обмотка может проводить ток только в течение одного полупериода питающего напряжения U~.

Поэтому, рассматривая работу усилителя в течение первого полупериода (интервал времени от 0 до p), ограничимся анализом процессов только в сердечнике 1. Предположим, что по обмотке управления протекает ток I_у, создающий МДС F_у= I_уw_у. Тогда к началу первого полупериода в сердеч­нике будет уже создан начальный поток Ф₀, определяемый по кривой намагничива­ния сердечника (рис. 5.7, а). Под действием напряжения питания, приложенного к рабочей обмотке первого сердечника, будет происходить дальнейшее перемагничивание сердечника, представленное кривой на рис. 5.7, в. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока сердечник не будет насыщен. Время, в течение которого происходит перемагничивание сердечника, называется интер­валом возбуждения и характеризуется углом насыщения a (рис. 5.7, б). В интервале возбуждения из-за большой индуктивности дросселя все напряже­ние питания практически прикладывается к дросселю, и в нагрузке протекает лишь небольшой намагничивающий ток  I_m (рис. 5.7, г).

Когда сердечник будет насыщен, наступит интервал насыщения, продол­жающийся до конца полупериода. В этом интервале поток сердечника не изменяется, поэтому индуктивность дросселя мала и все напряжение питания прикладывается к нагрузке. Ток в нагрузке резко возрастает до значения, определяемого сопротивлением нагрузки, и протекает в течение всего интер­вала насыщения, т.е. от момента насыщения сердечника, определяемого углом a, до конца полупериода, т. е. до угла p. В течение другого полупериода работает второй сердечник, причем процессы протекают совершенно аналогично.

Таким образом, роль дрос­селей сводится к задержке на­чала протекания тока в нагрузке. Длительность этой задержки определяется углом насыщения a, и, следовательно, среднее значение тока в на­грузке I_н.cp действительно будет зависеть от угла насыщения a.

В свою очередь, угол насы­щения a зависит от степени начального на-магничивания сер­дечника, т. е. от потока Ф₀. Действительно, изменение пото­ка DФ₁ в течение интервала возбуждения  пропорционально площади, ограниченной кривой напряжения в пределах интервала возбуждения (на рис. 5.7, б эта площадь заштрихована). Чем больше поток Ф₀ начального намагничивания, тем меньше разность DF₁=F_s—F₀, тем меньше угол a и больше ток нагрузки I_н.cp.

Таким образом, путём изменения начального подмагничивания дросселя можно регулировать ток в нагрузке. Зависимость среднего значения тока нагрузки от МДС обмотки управления реального усилителя представлена на рис. 5.8.  Как видно из рисунка, характер этой зависимости таков, что при отсутствии тока управления на выходе магнитного усилителя уже имеется значительный ток нагрузки (I₀₁ на рис. 5.8). Если требуется, чтобы при отсутствии сигнала управления ток на выходе усилителя (начальный ток нагрузки) был близок к нулю или имел какое-либо другое определенное зна­чение, то на сердечниках усилителя располагают дополнительную обмотку, называемую обмоткой смещения, питаемую от постороннего источника. В этой обмотке устанавливают необходимый ток смещения, который обеспечивает требуемое значение начального тока магнитного усилителя (I₀₂ на рис. 5.8).

Из характеристики на рис. 5.8 также видно, что с помощью магнитного усилителя нельзя полностью запереть цепь нагрузки, т. е. снизить ток нагрузки до нуля. Даже при большом отрицательном токе управления в цепи нагрузки протекает ток холостого хода, определяемый МДС, требуемой для перемагничивания сердечников. Поэтому одной из характеристик магнитного усилителя является кратность тока нагрузки, т. е. отношение максимального тока нагрузки в конце линейной части характеристики к току холостого  хода  k_i = I_max/I₀. В серийных усилителях значения этой величины лежат в пределах от  10 до 30.

Усилительные свойства магнитных усили­телей определяются их коэффициентами уси­ления   k_yc=P_н/P_y.

Мощность нагрузки P_н находится по фор­муле P_н = U_нI_н, где U_н и  I _н – номинальные напряжение и ток нагрузки усилителя.

Под мощностью управления P_у понимают  потери в сопротивлении обмотки управления r_у от тока управления I_у.н, обеспечивающего номинальный ток нагрузки     Р_у = r_уI_у.н². Коэффициент усиления зависит от конструктивных параметров магнитного усилителя, в частности от объема меди обмотки управления. Чем больше меди, тем больше k_ус.

Важным  параметром магнитных усилителей является также их быстро­действие, т. е. скорость установления выходного напряжения при подаче сигнала управления. Так как выходное напряжение и ток определяются значением угла насыщения a, а он зависит от начального потока Ф₀, то, в конечном итоге, быстродействие определяется скоростью установления потока Ф₀. Уста­новление потока Ф₀ происходит по экспо-ненциальному закону   Ф₀ = Ф_0уст (1-e^—t/T), где Ф_0уст — установившееся значение потока.

Скорость установления потока полностью характеризуется постоянной Т, причем полное время установления принимается равным 3Т. Постоянная вре­мени Т зависит от соотношения индуктивности и сопротивления обмотки управления, а также от параметров рабочих обмоток. Хотя точный анализ влияния конструктивных параметров магнитного усилителя на T очень сложен, можно считать, что увеличение сопротивления цепи управления уменьшает Т, а увеличение количества меди обмоток управления и рабочих обмоток приво­дит к увеличению Т. Так как коэффициент усиления также пропорционален количеству меди, то, следовательно, увеличение k_ус неизбежно приводит к увеличению Т, т. е. к уменьшению быстродействия усилителя. В реальных усилителях Т лежит в пределах от сотых до нескольких десятых долей секунды.