Называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования в качестве регулируемого и нерегулируемого индуктивного сопротивления

1   2   3   4

Способы улучшения характеристик феррорезонансных стабилизаторов напряжения

Для поліпшення характеристик використовується спеціально введені компенсуючіобмотки.

Компенсуюча обмотка дозволяє збільшити коефіцієнт стабілізації, але ускладнюєсхему.

Напряжение на выходе феррорезонансных стабилизаторов по форме кривой мгновенных значений «всегда отличается от синусоиды, что вытекает из самого принципа действия стабилизатора. В спектре высших гармоник преобладающими являются третья и пятая гармоники, действующие значения которых по отношению к действующему значению первой гармоники достигают соответственно 35 и 10% в зависимости от схемы и режима работы стабилизатора (при меньших нагрузках кривая напряжения искажается сильнее). B ряде встречающихся на практике случаев требуется, чтобы стабилизированное напряжение было практически синусоидальным. С этой целью в стабилизаторах используются фильтры высших гармоник (обычно третьей и пятой), включаемые параллельно нелинейному дросселю (рис. 5-6). При этом изменяется вид дифференциального уравнения, составленного для напряжения на выходе, и его общее решение выражается кривой, близкой к синусоиде.

В стабилизаторах с феррорезонансом токов для фильтров обычно используется основная емкость стабилизатора. При фильтрации третьей и пятой гармоник она разбивается на две части, равные либо пропорциональные процентному составу соответствующих гармоник, но так, чтобы сохранялось равенство С = С3+С5.

Последовательно с каждой из частей емкости включаются линейные индуктивности, образующие резонансные контуры, настроенные соответственно на третью и пятую гармоники. Таким образом, для каждого из фильтров должны быть выполнены условия



Из этого легко получить :

Следовательно, если известны значения С3 и С5, то легко подсчитать или измерить индуктивные сопротивления соответствующих линейных дросселей на частоте источника питания. Эти сопротивления должны быть соответственно в 9 и 25 раз меньше реактивных сопротивлений емкостей С3 и С5, измеренных па основной частоте питания стабилизатора.

При выполнении указанных условий на выходе стабилизатора можно получить практически синусоидальное стабилизированное напряжение. Необходимо отметить, что применение фильтров высших гармоник приводит к существенному, до (40—50) %, увеличению размеров и веса стабилизатора.

Магнитные усилители. Классификация. Основные параметры и характеристики.
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.).

Преимущества:
1) большой срок службы, высокая надежность, простотая эксплуатация;

2) широкий диапазон усиливаемых мощностей: от 10^-13... 10^-6 Вт до несколько десятков и даже сотен кВт; постоянная готовность к работе;

3) возможность суммировать на входе несколько управляющих сигналов;

4) значительная перегрузочная способность; пожаро- и взрывобезопасность;

5) стабильность характеристик в процессе эксплуатации.

Магнитные усилители различают по следующим признакам:

1)виду статической характеристики - однотактные (нереверсивные) и двухтактные (реверсивные);

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

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

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

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

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

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

Дроссельные

Рабочая обмотка (обмотка переменного тока) выполняет функцию дроссельной «заслонки», ограничивающей ток в нагрузке, включенной (обычно последовательно) в цепь рабочей обмотки.

Трансформаторные

Цепь нагрузки электрически не связана с цепью питания. Передача энергии из цепи питания в цепь нагрузки осуществляется за счет магнитной связи между ними. При этом, воздействуя на общий магнитный поток, сцепленный с витками обмоток цепей питания и нагрузки, можно менять мощность, передаваемую в цепь нагрузки.

Основные характеристики магнитного усилителя. 

1. Характеристика управления – это зависимость среднего значения тока нагрузки I_н.ср от магнитодвижущей силы F_у (рис.24), где м.д.с. определяется формулой –F_у = w_у I_у.

2. Коэффициент кратности тока загрузки k_i = I_max/I₀,

где I₀ – ток холостого хода, требуемый для перемагничивания сердечника.

3. Коэффициент усиления – характеризует усилительные свойства МУ; коэффициент усиления по мощности

k_Р = Р_н/Р_у,

где Р_н – мощность нагрузки; Р_{у –} мощность управления (т.е. потери в сопротивлении обмотки управленияr_у от тока управления I_у.ном, обеспечивающего номинальный ток нагрузки).

4. Скорость установления выходного напряжения – характеризует быстродействие МУ, которое определяет скорость установления потока F₀. Поток F₀ изменяется по закону

F₀ = F_{0 уст} (1 – е^-t/T)_,

где F_0уст – установившееся значение потока, которое практически достигается за 3Т; Т – постоянная времени.

Простейший магнитный усилитель. Работа. Достоинства и недостатки

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.). 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 Iупоступает в управляющие обмотки wy трансформаторов и вследствие нелинейного характера кривой намагничивания сердечников вызывает уменьшение их магнитной проницаемости и пропорциональное уменьшение индуктивности L1 рабочих обмоток. Токи I1 и I2, 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 I2 = 0 и I1 = Iμ. В этом режиме среднее значение тока нагрузки имеет минимально возможное значение, равное току холостого хода трансформатора Iхх. При наличии существенного сигнала Iу на входе усилителя обычно можно пренебречь слагающей Iμωр 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/4ηf, 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).

Преимущества:
1) большой срок службы, высокая надежность, простотая эксплуатация;

2) широкий диапазон усиливаемых мощностей: от 10^-13... 10^-6 Вт до несколько десятков и даже сотен кВт; постоянная готовность к работе;

3) возможность суммировать на входе несколько управляющих сигналов;

4) значительная перегрузочная способность; пожаро- и взрывобезопасность;

5) стабильность характеристик в процессе эксплуатации.

Простейший магнитный усилитель. Методы улучшения свойств

Магнітний підсилювач - це регулятор, який забезпечує регулювання вихідної потужності навантаження змінного струму за допомогою постійного струму керування.

Магнітні підсилювачі використовуються в різних областях техніки. На їх основі роблять регулятори потужності, магнітні реле, операційні підсилювачі.

Для характеристики властивостей магнітних підсилювачів використовують наступні статичні електричні параметри:

• 
  номінальну потужність навантаження;
  
• 
  величину напруги живлення;
  
• 
  номінальний струм навантаження;
  
• 
  номінальну напруга на виході підсилювача;
  

• 
  кратність регулювання струму навантаження (відношення максимального струму навантаження до мінімального);
  
• 
  номінальний струм керування.
  

Основною характеристикою магнітного підсилювача є характеристика керування - залежність струму робочої обмотки від струму керування I_р=f (I_кер). Найбільш вживана класифікація магнітних підсилювачів надається саме за виглядом цієї характеристики. Також широко використовується характеристика навантаження магнітного підсилювача – залежність діючого, або середнього значення напруги навантаження в залежності від струму навантаження U_р=f (I_р). Ця характеристика дозволяє оцінити коєфіцієнт корисної дії підсилювача, та визначити внутрішній опір кола робочих обмоток.

Магнітний підсилювач складається з одного осердя та двох обмоток.

Принцип його дії оснований на зміні ступіні насичення осердя, за рахунок підмагнічування постійним магнітним потоком який викликаний струмом керування.

U_кер

U_~

I_кер

I_Р

R_Н

L

W_Р

W_кер

Рис. 1

На рис. 1 зображено схему найпростішого магнітного підсилювача, де: W_к - обмотка керування, W_р - робоча обмотка, R_н - резистор навантаження, L – лінійний дросель в колі керування, який стримує коливання напруги,

що наводяться на обмотці керування. В обмотку керування подається постійний струм, значення якого можна регулювати. На робочу обмотку подається змінна синусоїдальна напруга.

На основі закону повного струму можливо записати вираз, який зв`язує струми в робочому колі і колі керування:

Цей вираз називають основним законом магнітного підсилювача. Якщо зробити обмотку керування з числом витків, яке в кілька разів перевищує число витків робочої обмотки, то можна одержати ефект підсилення по струму.

З точки зору теорії електричних кіл обмотка керування і робоча обмотка є магнітно-зв`язаними котушками, а керування струмом робочої обмотки здійснюється шляхом зміни індуктивності робочої обмотки, так як індуктивність пропорційна тангенсу кута нахилу дотичної до кривої намагнічування. Коли струм керування досягає значення, при якому наступає насичення осердя, то індуктивність робочої обмотки зменшується, а отже, зменшується і її повний опір. При цьому сумарний опір робочого кола теж зменшується, а отже, збільшується величина робочого струму.

Електрорушійна сила, що наводиться в обмотці керування під впливом робочого магнітного потоку, є небажаною. Вона впливає на кола керування та приводить до зміни величини струму керування. Тому в найпростішому випадку в обмотці розміщують дросель, який стримує коливання струму керування. Але таке рішення приводить до збільшення інерційності підсилювача.

Режим свободного намагничивания магнитного усилителя

Для нереверсивного усилителя характерны два режима работы: режим свободного намагничивания и режим вынужденного намагничивания. Если сопротивлением током четных гармоник всей цепи магнитного усилителя, где они могут возникнуть, бесконечно велики и, следовательно, четных гармоник напряжений нет, то это режим вынужденного намагничивания. Процесс работы магнитного усилителя для режима свободного намагничивания можно пояснить, используя графики, приведенные на рис.1. Режим свободного намагничивания – это режим, при котором сопротивление током четных гармоник всех цепей магнитного усилителя, где они могут протекать равны нулю и, следовательно, напряженности четных гармоник при прочих равных условиях максимальны. Ввиду приведенного выше определения можно записать для четных гармоник следующее выражение: (1)

где U_m – амплитуда синусоиды питающего напряжения.

Если ток управления I_вх равен нулю и амплитуда косинусоиды B_ms, то ток через нагрузку также равен нулю. В соответствии с идеальной кривой намагничивания магнитная проницаемость μ=∞. В этом случае рабочую цепь можно рассматривать, как двух плечевой делитель напряжения с одинаковыми и равными бесконечности индуктивными сопротивлениями обмоток , поэтому из выражения (1) можно получить выражение для индукции:,

где ω – частота питающего напряжения; S – площадь поперечного сечения сердечника.

Предположим, что входной сигнал отсутствует (U_вх=0). Тогда под действием переменного напряжения источника питания цепи нагрузки материал сердечника будет перемагничиваться, причем можно так подобрать параметры усилителя (ω_вых, U_п~,S и др.), что ни в один из моментов времени индукция в сердечнике не будет достигать индукции насыщения, т.е. |B|<|B_s| (пунктирная кривая на рис. 1,б).

В первоначальный момент времени при появлении тока управления за счет положительной составляющей индукции одного дросселя и постоянной индукции в другом дросселе: В_л0>В_m и В_п0=-В_sm (рис. 1,б). По закону косинуса магнитная индукция начинает возрастать и значения индукции определяется как

В_л=В_л0+ΔВ; (3)

В_п=В_п0+ΔВ, (тоже 3)

где ΔВ=В_m(1-cos(ωt))

При наличии входного сигнала U_вх в зависимости от его полярности в одном из сердечников (допустим левом) постоянная и переменная составляющие индукции в течение одного полупериода складываются, а в другом вычитаются. Тогда согласно выражениям (3) обе индукции возрастают до некоторого момента времени (φ_нас= ωt_нас), а в этот момент времени индукция в левом сердечнике достигнет индукции насыщения и, следовательно, .

После момента времени φ_нас дроссель насыщается и рабочий ток возрастает скачком.

Вследствие этого второй (правый) ненасыщенный сердечник будет попадать в режим, близкий к режиму короткого замыкания. Его входная обмотка, которая является вторичной обмоткой, окажется замкнутой накоротко. Поэтому с момента насыщения первого сердечника (левого) индукция во втором сердечнике (правом) изменяться не будет , т.е. ЭДС в обмотках не будет наводиться, и напряжение источника питания будет уравновешиваться падением напряжения на нагрузке.

В следующий полупериод будет осуществляться насыщение правого сердечника, а ненасыщенный левый сердечник окажется в режиме, близком к режиму короткого замыкания.

Чем больше величина входного сигнала, тем больше длительность импульса тока в выходной цепи (см. рис. 1).

Основным законом магнитных усилителей является закон магнитодвижущих сил, который говорит о том, что в любом из полупериодов один из дросселей не насыщен, поэтому суммарная напряженность равна нулю в ненасыщенном дросселе в соответствии с идеальной кривой намагничивания.

Как следует из рис.1, у идеального магнитного усилителя напряжение источника питания в одни моменты оказывается полностью приложенным к дросселям, а в другие – к нагрузке.

Режим вынужденного намагничивания магнитного усилителя.

зупинимося на випадку, коли , що досягається включенням в ланцюг керування достатньо великої індуктивності . При цьому змінні складові струму не можуть протікати по обмотці навіть при наявності в ній змінної ЕРС, і постійний струм створює незмінну в часі напруженість Н_ підмагнічуючого поля. Такий режим роботи називають режимом вимушеного (або примусового) намагнічування, а також режимом з подавленими парними гармоніками струму. Припустимо, що прикладена до робочих обмоткам напруга U~ змінюється по косинусоїді. Якщо активний опір обмоток дуже малий, то напруга врівноважується тільки ЕРС, для чого індукція в сердечниках повинна змінюватися по синусоїді, тобто повинна бути зміщена по фазі на чверть періоду відносно прикладеної напруги в бік запізнювання. З'ясуємо, яким чином індукція в сердечниках підсилювача може змінюватися за синусоїдальним законом.Нехай сердечники мають ідеальну криву намагнічування, що зв'язує миттєві значення індукції і напруженості, тобто знехтуємо гістерезисом, вихровими струмами і магнітною в'язкістю. За рахунок напруженості H_ робочі точки сердечників зміщені в області насичення так, що індукція першого сердечника дорівнює +В_S, а другого -В_S (вихідні точки на рис. 1.4, б і в позначені 0).

Рис 1.4. Процеси в магнітному підсилювачі при великому опорі ланцюга управлінняРозглянемо позитивний півперіод змінного струму. Створювана ним напруженість Н_ в першому сердечнику (рис. 1.4, в) складається з напруженістю H_. У цей півперіод робоча точку першого сердечника переміщається вправо від початкової точки 0 по горизонтальній гілці кривої намагнічування (точки 1, 2, 3 на рис. 1.4, в), та індукція В₁ змінюватися не може, тому що вона залишається рівною індукції насичення +В_S (рис. 1.4, в і д). Отже, робоча обмотка першого сердечника в позитивний півперіод ЕРС не створює.У другому сердечнику в цей же півперіод з напруженості H_ віднімається H~ (рис. 1.4, б), робоча точці другого сердечника, переміщаючись вправо від точки 0, досягає вертикального ділянки кривої намагнічування, тому індукція В₂, може змінюватися. Вона змінюється по шляху 1-2-3-2-1 (рис. 1.4, б, д) так, що в робочій обмотці другого сердечника наводиться ЕРС, що урівноважує прикладена до робочих обмоткам напруга U~.У наступний, негативний півперіод змінного струму сердечники міняються ролями, як видно з рис. 1.4, в і д, де точки 4-5-6-5-4 показують зміну індукції першого сердечника. Таким чином напруга, прикладена до підсилювача, урівноважується почергово то першою, то другої робочої обмоткою.З рис. 1.4, д видно, що найбільше значення амплітуди, яке може мати індукція, рівне 2В_s. Отже, гранично допустима напруга, що може бути прикладена до підсилювача, (6.1)

Криву напруженості Н~ описаного процесу можна побудувати по точках. Криві напруженості H~, а значить, і струму в робочих обмотках мають прямокутну форму (рис. 1.4, е). Така форма пояснюється тим, що стрибок напруженості Н~ повинен «повернути» робочу точку того чи іншого сердечника на вертикальний ділянку кривої намагнічування, де тільки й може змінюватися індукція, створюючи ЕРС. Перехід від негативного півперіоду напруженості до позитивного в цих умовах з прийнятими допущеннями відбувається миттєво, тому що в противному випадку робочі точки обох сердечників в кінці одного і початку іншого півперіоду одночасно перебували б на горизонтальних ділянках кривих намагнічування і ЕРС не наводилися б ні в першій, ні в другій робочій обмотці. Напруга U~, не врівноважена ЕРС, змушує струм стрибком переходити від одного півперіоду до іншого.З рис. 1.4, б і в очевидно, що величина стрибка напруженості H~, характеризується середнім за півперіод значенням напруженості змінного поля, визначається величиною напруженості постійного поля: H~= H_ (6.2)Враховуючи однакову довжину шляху для змінного і постійного магнітних потоків в більшості конструкцій сердечників, рівність (6.2) можна представити у вигляді рівності намагнічуючих сил змінного і постійного струмів:

, (6.3)яке можна назвати основним законом ідеального магнітного

Обратные связи в магнитных усилителях. Параметры и характеристики усилителей с обратными связями

Розглянемо побудову та принцип дії магнітного підсилювача з зовнішнім зворотним зв’язком. Схему такого підсилювача зображено на рис. 2. Підсилювач виконано з навантаженням R_Н на змінному струмі на двох сердечниках, з двома робочими обмотками W_Р та двома обмотками керування W_К. Така схема усуває недоліки найпростішого магнітного підсилювача, забезпечуючи компенсацію змінної складової напруги, що індуктується в ланцюгові керування.

1   2   3   4

При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua