Принцип работы магнитного усилителя

Принципиально смещение в магнитных усилителях может осуществляться тремя способами: постоянным или выпрямленным током, переменным током, шунтированием выпрямителей в рабочей цепи сопротивлением. Наиболее широко применяется смещение постоянным током (Рисунок 9).

 

Рисунок 9 - Схема магнитного усилителя со смещением постоянным током

 

Обмотки смещения обычно выполняются так же, как и обмотки управления. Последовательно с обмотками смещения для регулирования тока в них включают дополнительное сопротивление.

 

1.4 Магнитные усилители с обратными связями

 

В магнитных усилителях с самонасыщением по рабочим обмоткам наряду с переменной протекает и постоянная составляющая напряжения, которая дополнительно подмагничивает сердечники. По этой причине их иногда называют магнитными усилителями с внутренней обратной связью. В таких усилителях большую часть подмагничивающего поля составляет именно магнитное поле обратной связи и лишь сравнительно небольшую часть - магнитное поле управляющего сигнала.

 

Рисунок 10 - Схема магнитного усилителя с внешней обратной связью

 

Магнитное поле обратной связи может быть создано, например, путем подачи тока нагрузки в специальную обмотку обратной связи wo.c (Рисунок 10), называемую внешней.

Использование внутренней обратной связи, особенно в мощных магнитных усилителях (по сравнению с магнитными усилителями с внешней обратной связью) существенно повышает их КПД и максимальную мощность.

Для достижения больших значений kо.с в схемы усилителей с внутренней обратной связью дополнительно вводится обмотка обратной связи (Рисунок 11).

 

Рисунок 11 - Схема магнитного усилителя со смешанной обратной связью

 

Поскольку в этом случае в усилителе действует как внутренняя, так и внешняя обратная связь, эту схему часто называют схемой со смешанной обратной связью. Статические характеристики усилителя при различных значениях kо.с даны на (Рисунок 12).

 

Рисунок 12 - Статические характеристики магнитного усилителя со смещено обратной связью

 

Динамические свойства магнитных усилителей с самонасыщением характеризуются постоянной времени:

 

      (5)

 

где kU - коэффициент усиления по напряжению, kU = ΔUH/ΔUy.

 

1.5 Двухтактные магнитные усилители

 

Двухтактным магнитным усилителем называется усилитель, обладающий статической характеристикой, при которой изменение полярности управляющего сигнала вызывает изменение полярности выходного напряжения или изменение фазы выходного напряжения на 180° (Рисунок 13).

Двухтактные схемы нередко применяют для повышения стабильности характеристик усилителя или снижения тока холостого хода, равного IHmin, и повышения коэффициента кратности тока нагрузки IHmax/IHmin даже в тех случаях, когда не требуется изменять фазу или полярность выходного напряжения.

Двухтактные магнитные усилители могут быть выполнены с обратной связью и без нее, а также по специальным быстродействующим схемам.

 

Рисунок 13 - Статическая характеристика двухтактного магнитного усилителя

 

Двухтактные магнитные усилители с выходом на несущей частоте применяются главным образом для управления двигателями переменного тока и их реверсирования, а также в качестве магнитных модуляторов.

Двухтактные магнитные усилители с выходом на постоянном токе используются для управления двигателями постоянного тока и их реверсирования, а также для управления полем генератора постоянного тока, поляризованными электромагнитами, реле, муфтами и т.д.

Простейшие двухтактные магнитные усилители обычно выполняются путем соединения двух однотактных усилителей по дифференциальной схеме (Рисунок 14).

 

Рисунок 14 - Дифференциальная схема двухтактного магнитного усилителя

 

Оба усилителя в этой схеме питаются от одного трансформатора Тр с двумя одинаковыми вторичными обмотками. Токи смещения Iс'м и Iсм'' поступающие в обмотки wсм, создают начальное подмагничивающее поле. Переменное сопротивление Rсм служит для балансирования (установки нуля) усилителя при отсутствии сигнала на его входе. Ток усиливаемого сигнала Iу поступает в обмотки wу и создает магнитное поле, совпадающее по направлению с полем смещения в одной паре сердечников и имеющее противоположное направление в другой паре. Поэтому ток I1 на выходе одного усилителя растет, а ток I2 на выходе другого усилителя уменьшается. Благодаря тому, что в нагрузке эти токи вычитаются, на выходе усилителя появляется ток нагрузки, значение которого Iн = I1 - I2. При отсутствии сигнала на входе усилителя I1 = I2 и ток нагрузки равен нулю. При изменении полярности управляющего сигнала ток I1 на выходе первого усилителя начинает уменьшаться, а ток I2 на выходе второго усилителя возрастает. При этом результирующий ток Iн изменит свою фазу на 180°.

 

1.6 Виды магнитных усилителей по ГОСТ 17561-84

 

.Магнитный усилитель (Transductor).

Устройство, состоящее из одного или нескольких магнитопроводов с обмотками, с помощью которого в электрической цепи, питаемой от источника переменного напряжения или тока, может изменяться ток или напряжение по величине, основанное на использовании явления насыщения ферромагнетика при действии постоянного подмагничивающего поля.

2. МУ( Auto self-excited transductor).

Магнитный усилитель, в котором подмагничивание достигается с помощью выпрямителей, соединенных последовательно с рабочей обмоткой каждого магнитопровода.

.МУ с магнитной обратной связью.

Магнитный усилитель с отдельными обмотками управления для цепей обратных связей.

.МУ с электрической обратной связью.

Магнитный усилитель с обмотками управления, общими для входных цепей и цепей обратных связей

.МУ с последовательным соединением рабочих обмоток (Series transductor)

Магнитный усилитель, в котором соответствующие рабочие обмотки магнитопроводов, принадлежащих одной фазе, соединены последовательно.

.Магнитный усилитель с параллельным соединением рабочих обмоток (Parallel transductor)

Магнитный усилитель, в котором соответствующие рабочие обмотки магнитопроводов, принадлежащие одной фазе, соединены параллельно.

. Магнитный усилитель с совмещенными обмотками (Auto-transductor)

Магнитный усилитель, в котором одни и те же обмотки используются в качестве рабочих обмоток и обмоток управления.

 

1.7 Применение магнитных усилителей

 

Магнитные усилители широко применяются на отечественных тепловозах в системах регулирования мощности дизель-генераторов и в других устройствах автоматики.

На тепловозах 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В и ТЭП60 однофазные амплистаты применены в качестве основного аппарата управления мощностью тягового генератора.

 

Рисунок 15 - Амплистат возбуждения тепловоза 2ТЭ10Л

а) общий вид; б) электрическая схема

 

Амплистат выполнен с двумя магнитными сердечниками (магнитопро-водами), набранными из листов электротехнической стали толщиной 0,35 мм (Рисунок 15). На каждом сердечнике расположено по одной катушке Н1-К1 и Н2-К2 рабочей обмотки. Четыре обмотки подмагничивания (управления) - задающая, управляющая, регулировочная и стабилизирующая-охватывают оба сердечника. Рабочая обмотка амплнста-та включена последовательно с выпрямителем в цепь питания обмотки независимого возбуждения от подвоз-будителя переменного тока. Обмотки подмагничивания питаются постоянным током от источников:

задающая обмотка НЗ - КЗ - от бесконтактного тахометрического блока или тахогенератвра на тепловозах первых лет постройки;

управляющая обмотка НУ - КУ-от распределительного трансформатора через трансформаторы постоянного тока и напряжения и селективный узел электрической схемы;

регулировочная обмотка HP - КР - от распределительного трансформатора через индуктивный датчик объединенного регулятора и выпрямитель;

стабилизирующая обмотка НС - КС - от стабилизирующего трансформатора через выпрямитель.

При этом задающая обмотка создает основную положительную магнитодвижущую силу подмагничивания - Регулировочная обмотка усиливает подмагничивание амплистата. Магнитодвижущая сила управляющей обмотки направлена встречно магнитодвижущей силе задающей и регулировочной обмоток, поэтому управляющая обмотка размагничивает амплистат. Стабилизирующая обмотка получает питание только при переходных процессах возбудителя для сглаживания этих процессов и повышения устойчивости работы схемы.

Следовательно, рабочие обмотки амплистата являются регулируемым индуктивным сопротивлением в цепи возбуждения возбудителя. Величина сопротивления изменяется в результате совместного действия четырех обмоток управления. Чем больше ток в задающей и регулировочной обмотках (ток уставки), тем значительнее выходной ток амплистата и выше» напряжение возбудителя и тягового генератора. С увеличением тока в управляющей обмотке вследствие ее размагничивающего действия уменьшается выходной ток амплистата, соответственно снижается напряжение возбудителя и тягового генератора.

При работе дизеля с заданной частотой вращения коленчатого вала напряжение тахометрического блока сохраняется постоянным, поэтому остается постоянной и магнитодвижущая сила задающей обмотки.

С увеличением частоты вращения вала дизеля по позициям контроллера пропорционально повышаются выходное напряжение тахометрического блока, ток в задающей обмотке амплистата, ток возбуждения возбудителя, его напряжение и напряжение тягового генератора. Схема питания управляющей обмотки обеспечивает регулирование тока в ней в зависимости от силы тока и напряжения тягового генератора с целью получения его селективной характеристики.

Ток в регулировочной обмотке амплистата изменяется с помощью индуктивного датчика объединенного регулятора частоты вращения и мощности дизеля таким образом, чтобы мощность тягового генератора сохранялась постоянной на гиперболическом участке его внешней характеристики. Следовательно, магнитный поток регулировочной обмотки корректирует суммарное подмагничивание сердечника амплистата, преобразуя линейный участок селективной характеристики тягового генератора и гиперболический.

Рабочая обмотка амплистата выполнена из 236 витков медного провода диаметром 1,35 мм. Номинальная величина напряжения питания цепи рабочей обмотки равна 60 В, ток продолжительного режима достигает 8,5 А. Обмотки управления рассчитаны на номинальный ток до 1,4 - 1,5 А, изготовлены из более тонкого медного провода диаметром 0,8 мм. Число витков задающей- и управляющей обмоток равняется 500, а корректирующей регулировочной - 200. В рабочей части характеристики (Рисунок 16) внешний ток амплистата изменяется от 0,2 до 9 А, т.е. кратность выходного тока равна 45 и является вполне достаточной для регулирования возбуждения тягового генератора в необходимых пределах.

 

Рисунок 16 - Характеристика аплистата возбуждения

 

2. РАСЧЕТ МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

 

2.1 Теория расчета магнитных усилителей

 

Допустим, требуется создать однотактный магнитный усилитель с обратной связью, например по схеме Рис.17.

 

Рисунок 17 - Магнитный усилитель с регулировкой коэффициента обратной связи и смещения

 

При этом для усилителя заданы: минимальное значение тока нагрузки Imin= Ix,x,максимальное значение тока нагрузки Imax,сопротивление нагрузки RH,сопротивление обмоток управления RY,частота источника питания f, коэффициент усиления по мощности KP и постоянная времени усилителя τY.

Известно, что при применение для усилителя пермаллоевых сердечников высокой проницаемости или с прямоугольной петлей гистерезиса можно получить:

,      (6)

 

поэтому если для проектируемого усилителя отношение не превышает 400 f ,можно ограничиться одним каскадом. При больших значениях этого отношения следует переходить к многокаскадному усилителю. Ограничимся расчетом одного каскада.

При отсутствии сигнала на входе усилителя т компенсации магнитного поля обратной связи полем смещения выбрав ток смещения согласно формуле, ток на выходе усилителя достигает своего минимального значения Imin. При применение сердечников высокой проницаемости величина этого тока определяется практически лишь индуктивностью L обмоток ώ~:

 

,      (7)

 

где

 

,     (8)

.      (9)

 

Здесь -начальное значение переменной составляющей магнитной индукции и -динамическая магнитная проницаемость сердечников при переменной составляющей индукции, равной , и отсутствие подмагничивания постоянным током. Зависимость от для некоторых магнитных сплавов высокой проницаемости при толщине пластин 0,1 мм и частоте 500 Гс приведена на (Рисунок 18).

 

Рисунок 18 - Зависимость от для некоторых магнитных сплавов высокой проницаемости

 

Максимально значение тока нагрузки Imax практически определяется лишь активным сопротивлением цепи нагрузки, так как сердечники высокойпроницаемости полностью насыщаются уже в слабых магнитных полях и можно пренебречь остаточным индуктивным сопротивлением цепи нагрузки. Поэтому для максимального значения тока нагрузки:

 

,     (10)

 

где и - сопротивление обмоток переменного тока и обратной связи, а -сопротивление выпрямителя.

В первом приближении можно выбрать .

Величина ориентировочно может быть определена следующим образом. Прежде всего исходя из заданного значения Imax,выбирают диаметр селеновых вентилей, а по максимальному значению выпрямленного напряжения:

 

.     (11)

 

Определяют n- число вентилей, включаемых последовательно в каждом плече выпрямительного моста (см.Таблицу 1)При номинальном значении выпрямленного тока падение напряжения на каждом селеновом вентиле оставляет в среднем примерно 0,55 в.При этом относительно большие изменения величины выпрямленного тока вызывают небольшие изменения падения напряжения на вентиле. Поэтому для сопротивления выпрямительного моста можно приближенно принять: