Как работает простейший магнитный усилитель

Как работает простейший магнитный усилитель

В систему автоматического управления (САУ) электрической передачей современных тепловозов входят магнитные усилители. Магнитным усилителем (МУ) называется электромагнитный управляющий аппарат, обеспечивающий плавное изменение величины переменного тока в результате изменения индуктивного сопротивления катушки с ферромагнитным сердечником при подмаг-ничивании его постоянным током управляющих обмоток.

Простейший МУ имеет два сердечника (рис. 14), на которых смонтированы рабочие обмотки ОР1, ОР2 с равным числом витков дор, соединенные встречно друг другу. Они включены в цепь переменного тока с неизменным напряжением и. Обмотка управления ОУ с числом витков шу охватывает оба сердечника и получает питание от источника постоянного тока (тока управления).

Рассмотрим несколько упрощенно принцип действия МУ, полагая неизменной индуктивность его обмоток в течение периода напряжения питания (используя теорию линеаризованного магнитного усилителя). Переменный ток в рабочей обмотке зависит от общего сопротивления цепи 1, которое включает активное сопротивление цепи 1?„ и индуктивное сопротивление обмотки Хи. Ток по закону Ома для цепи пеоеменного тока

Появление индуктивного сопротивления в обмотке обусловливается электродвижущей силой (э. д. с.) самоиндукции Эта э. д. с. индуцируется в витках обмотки под действием изменяющегося магнитного потока, вызванного переменным током. Направлена э. д. с. самоиндукции всегда так, чтобы препятствовать изменению тока. Она тем больше, чем больше скорость изменения тока в витках или пронизывающего их магнитного потока. Эта скорость зависит от частоты переменного тока 1.

Обмотки в зависимости от числа витков, геометрических размеров, материала сердечника обладают различными свойствами с точки зрения индуцирования э. д. с. самоиндукции. Эти свойства характеризуются индуктивностью Ь. Индуктивное сопротивление (Ом) подсчитывается по формуле где Ца - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м, 5С - площадь поперечного сечения сердечника, м2, 1с - средняя длина магнитных силовых линий в сердечнике, создаваемых током рабочей обмотки или обмотки управления, м

Абсолютная магнитная проницаемость ца характеризует магнитные свойства среды, т. е. различную способность создавать магнитный поток. Магнитная проницаемость вакуума цо. называемая магнитной

Схема простейшего магнитного усилителя
Рис 14 Схема простейшего магнитного усилителя

ОУ - обмотка управления, ОР1, ОР2 - рабочие обмотки, Ян - резистор в цепн рабочих обмоток, II ^ - напряжение пнтання рабочих обмоток, I, - ток в цепи рабочих обмоток постоянной, является важной физической константой и в СИ равна 0,000001257 Гн/м.

Характеристика управления про стейшего магнитного усилителя (без обратной связи)
Рис 16 Характеристика управления про стейшего магнитного усилителя (без обратной связи)

Магнитная проницаемость материала Ц - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данного материала ца больше магнитной постоянной цо, т. е. ц.= = Ца/Н'0- Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов (железо, никель, кобальт и их сплавы) в тысячи раз больше, чем для вакуума. Магнитная проницаемость воздуха, а также неферромагнитных материалов близка к единице (ц = = 1)

При увеличении тока в обмотках управления МУ увеличивается напряженность магнитного поля (А/м),

где 1у - ток в обмотке управления, А

С увеличением напряженности магнитного поля Н возрастает магнитная индукция В до момента магнитного насыщения сердечника, после которого индукция В остается постоянной (рис. 15). При намагничивании сердечника магнитная проницаемость ц = В/(\10Н). После магнитного насыщения сердечника при его дальнейшем намагничивании \1 резко уменьшается и стремится к значению, близкому к единице. Магнитная проницаемость ц может служить показателем степени намагниченности сердечника. При большом намагничивании ферромагнитный сердечник по способности пропускать магнитный поток приближается к неферромагнитным материалам, и МУ в этом случае фактически неуправляем (это есть режим максимальной отдачи).

Таким образом, при увеличении тока управления (тока входа) 1у увеличивается напряженность магнитного поля Я, уменьшается магнитная проницаемость ц и абсолютная магнитная проницаемость ца. Это приводит к уменьшению индуктивности Ь и индуктивного сопротивления Х[, а следовательно, к увеличению рабочего тока (тока выхода) 1р. Индуктивность Ь, как известно, не зависит от направления тока управления 1у, поэтому характеристика управления МУ (рис. 16) симметрична относительно оси 1р

Когда ток управления равен нулю, сердечник МУ не намагничен н его рабочие обмоткн имеют большое индуктивное сопротивление. Поэтому рабочий ток будет мал; его называют током холостого хода МУ (/хх). Прн увеличении тока управления происходит подмагничи-вание сердечника, и рабочий ток МУ увеличивается. Средняя часть характеристики, близкая к прямолинейной, является рабочей. Даже небольшое изменение тока управления вызывает резкое изменение рабочего тока.

МУ имеет две рабочие обмотки для того, чтобы исключить индуцирование переменной э. д. с. в обмотках управления от рабочего тока. При встречном включении рабочих обмоток с равным числом витков индуцируемые в обмотках управления э. д. с. от каждой из рабочих обмоток будут компенсировать друг друга. Естественно, что каждая из рабочих обмоток должна быть смонтирована на отдельном сердечнике, так как при встречном включении рабочих обмоток с равным числом витков на общем сердечнике результирующая индуктивность МУ равнялась бы нулю.

Магнитный усилитель может иметь несколько обмоток управления, и тогда подмагничивание сердечника будет определяться результирующей магнитодвижущей силой (м. д. с.) этих обмоток 2/''у.

Изменение частоты переменного тока 1 меняет индуктивное сопротивление рабочих обмоток [см. формулу (2) ]. Поэтому применение в МУ переменного тока повышенной частоты позволяет при том же индуктивном сопротивлении XI иметь меньшую индуктивность Ь, т. е. меньшее число витков рабочей обмотки и площадь поперечного сечения сердечников. С другой стороны, для МУ повышение частоты питающего тока увеличивает крутизну наклона характеристики управления, так как в общем сопротивлении 1 = =д/ #н + (2л/1)2 увеличивается индуктивная составляющая. Повышение частоты переменного тока увеличивает быстродействие МУ.

Параметры МУ подбирают таким образом, чтобы его характеристики мало зависели от изменения в достаточно широких пределах питающего напряжения и сопротивлений нагрузочных резисторов. Так, у тепловозных МУ индуктивное сопротивление обмоток делают намного больше активного, поэтому характеристики тепловозных МУ мало зависят от позиции контроллера (от частоты вращения коленчатых валов дизеля). В этом можно убедиться, проанализировав формулы (1) - (3). Если Хь намного больше 1?н, то последним можно пренебречь и тогда формула (1) примет вид

(5)

Напряжение II и частота 1 пропорциональны частоте вращения ротора синхронного подвозбудителя, приводимого от вала дизеля. Поэтому ток 1 от частоты вращения ротора синхронного подвозбудителя не зависит, а полностью определяется индуктивностью обмоток: 1 = 1 1Ь.

Основными параметрами МУ являются его коэффициенты усиления: тока и мощности. Коэффициент усиления тока Кг представляет отношение изменения рабочего тока А/р к соответствующему изменению тока управления А/у. При работе простейшего МУ на прямолинейной части характеристики управления можно, пренебрегая весьма малым током холостого хода 1хх, коэффициент усиления тока рассматривать как отношение токов:

(6)

Коэффициент усиления мощности Кр представляет собой отношение выходной мощности в цепи рабочего тока Р„ых к мощности, потребляемой обмотками управления Рвх, т. е. КР =

= Рвых/Рвх- Коэффициенты уСИЛвНИЯ

простейших МУ находятся в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен единиц. Чем больше коэффициенты усиления, тем круче характеристика МУ.

Важным параметром МУ с точки зрения использования его в системах автоматического управления является кратность изменения рабочего тока:

К=%'х//Г (7)

Сердечники МУ выполняют из холоднокатаной электротехнической стали или из тонкой ленты пермаллоя (железоникелевый сплав с примесью молибдена, хрома, меди, и марганца). Эти материалы имеют узкую петлю гистерезиса и кривую намагничивания, близкую к прямоугольной, т. е. с резко выраженным насыщением. Желательно, чтобы насыщение наступало при возможно меньшей напряженности магнитного поля, так как это позволит достичь максимального тока в рабочей цепи при малом токе управления. При малой напряженности магнитного поля (слабых магнитных полях) магнитная проницаемость ц. должна быть возможно большей, ибо прн этом будет меньшим ток холостого хода.

При высоком качестве материала сердечника и диодов рабочая часть характеристики управления МУ с самоподмагничиванием (см. п. 2.2) имеет большую крутизну (больший коэффициент усиления) и близка к прямолинейной. При большой индуктивности нагрузки форма характеристики МУ может несколько искажаться.

Предыдущая Оглавление Следующая