Простейший МУ на одном сердечнике

Лабораторная работа №4

по курсу

«Электрические аппараты»

Тема: « Изучение и снятие нагрузочных характеристик

магнитных усилителей. »

Минск

Цель работы: Изучить назначение, конструкцию, принцип действия магнит­ного усилителя (МУ). Снять нагрузочные характеристики I_н = f(I_у) (I_н – ток нагрузки;I_у – ток управления):

а) при отсутствии обратных связей (ОС);

б) с внешней параллельной ОС (ОС по напряжению);

в) с внутренней ОС (МУ с самонасыщением);

г) определить коэффициент усиления по мощности и коэффи­циент кратности тока.

Общие сведения

Простейший МУ на одном сердечнике.

МУ являются ферромагнитными устройствами, предназначенными для увеличения мощности нагрузки при относительно малой мощности управления. МУ отличаются от других типов электрических усилителей своей надежностью, большой механической прочностью, простотой конструкции, удобством эксплуатации и практически неограниченным сроком службы. Благодаря своим положительным качествам МУ получили широкое распространение в приборах и устройствах автоматики, телемеханики и вычислительной техники. Особое значение МУ имеют при использовании в бортовых устройствах летательных аппаратов и кораблей.

В отличие от электронных усилителей, у которых управляемыми элементами служат электровакуумные или полупроводниковые приборы, в МУ роль управляемых элементов выполняют катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками (w_р). Изменение индуктивности катушки зависит от величины подмагничиващего тока, создаваемого управляющим сигналом.

Схема простейшего МУ (дроссель с подмагничиванием) показана на рис.1а. Здесь на ферромагнитном сердечнике имеются две обмотки; – управляющая обмотка; w_р – рабочая обмотка или обмотка переменного тока.

Рис. 1. Принцип действия магнитного усилителя.

На w_у подается управляющий сигнал I_р, подлежащий усилию. Последовательно с w_р включена нагрузка (R_н), которая является выходом МУ – напряжение нагрузки (U_н). w_р питается от источника напряжения переменного тока, например, 50 Гц, 400 Гц. Дроссель (L_y) с большим индуктивным сопротивлением, включенный последовательно с w_удля устранения переменного тока от ЭДС, трансформируемой в w_у из w_р.

Ток в рабочей цепи (цепи нагрузки):

,

где R = R_н + R_p – полное активное сопротивление нагрузки (R_н) и сопротивление рабочей обмотки (R_p);

Х_p – индуктивное сопротивление w_р.

,

где w = 2pf – угловая частота питания рабочей сети;

L - индуктивность w_р;

S_c – площадь поперечного сечения сердечника, м ²;

l_ср – средняя длина пути магнитного потока в сердечнике, м;

m – динамическая магнитная проницаемость материала сердечника, Гн/м.

Так как w_р, S_c, l_ср – величины, постоянные для данного МУ, то очевидно изменять значение l_ср а следовательно, и Х_р можно лишь путем изменения динамической проницаемости материала сердечника.

В качестве материалов для сердечников в МУ применяются сплавы железо-кремниевые, железо-никелевые и оксидные ферромагнетики (ферриты). В таких материалах m в сильной степени зависит от величины напряженности магнитного поля Н₁, подмагничивающего поля Н₂ (рис. 1б). Таким образом, подмагничивая сердечник постоянным током, можно управлять L_p или Х_р, а, следовательно, и переменным током в этой цепи.

Так как изменение мощности в нагрузке значительно превышает соответствующее изменение мощности в цепи управления DР_у, то рассмотренная схема представляет собой простейший МУ мощности. Подмагничивать (управлять) можно и переменным током, но при этом необходимо соблюдать условие f_у £ 20% f_~, т.е. током малой частоты.

Рассмотренная простейшая схема МУ на одном сердечникеимеет серьезные недостатки:

1. В w_у индуктируется большая ЭДС, наводимая из w_р.

2. Искажается форма кривой тока в нагрузке (наличие четных и нечетных гармоник).

Первый недостаток можно частично устранить, если в цепь включить большую индуктивность L_у (см. рис. 1а). Однако второй недостаток останется. Кроме того, возрастает инерционность МУ и уменьшается коэффициент усиления. Поэтому МУ, выполненные на одном сердечнике, имеют очень малое применение.

Для устранения вышеуказанных недостатков применяется схема МУ на двух сердечниках (рис. 2). Здесь рабочие обмотки имеют одинаковое число витков и намотаны каждая на свой сердечник, а обмотка управления (w_у) охватывает оба сердечника. Рабочие обмотки (w_р1 и w_р2) должны быть соединены так, чтобы создаваемые ими магнитные потоки Ф_р1 и Ф_р2 были направлены встречно в сердечнике, охватываемом в каждом полупериоде.

Рис. 2. Схема МУ на двух сердечниках: а) Ф_р1 и Ф_р2, создаваемые w_р1 и w_р2 на стержне показаны для одного полупериода; б) схема МУ в ЕСКД.

МУ конструктивно могут выполняться в различных вариантах, например, рабочие обмотки включают параллельно (при большой величине нагрузочного сопротивления) или последовательно-встречно, а обмотки управления – согласно. В ряде случаев применяются МУ, выполненные на трехстержневом Ш-образном сердечнике с утолщенным среднем стержнем.

В этом случае w_у расположена на среднем стержне, одна половина намотана на одном крайнем стержне сердечника, другая – на другом. Переменный магнитный поток Ф_~, создаваемый переменным магнитным полем, проходит по наружному контуру, почтя не заходя в средний стержень, который поэтому не подвергается систематическому перемагничиванию. После снятия управляющего сигнала I_у в среднем стержне остается остаточный магнетизм, создающий некоторый постоянный магнитный поток, и, следовательно, ток в нагрузке имеет минимальное значение, но несколько превышает ток холостого хода I_н(хх) (завышенный ток холостого хода).

Если необходимо питать нагрузку постоянным током, то в нагрузочную цепь (на месте R_н рис.2) МУ вводят мостовой выпрямитель, нагрузка включается в диагональ выпрямительного моста.