 |
Некоторые сведения из теории магнитных усилителей
|
|
|
|
Электропривод с МУ представляет управляемый МУ, нагрузкой которого является электродвигатель переменного или, как правило, постоянного тока. Рассмотрим кратко принцип действия и особенности МУ.
В зависимости от места включения нагрузки и характера протекающего по рабочим обмоткам тока различают дроссельные МУ и МУ с самоподмагничиванием.
Дроссельные магнитные усилители (ДМУ)
ДМУ обычно состоит из двух дросселей насыщения Др1 и Др2 (рис. 6.1), каждый из которых выполнен на ферромагнитном сердечнике и имеет рабочую обмотку ω р и обмотку управления ω у, предназначенную для подмагничивания дросселя постоянным током.
Два дросселя используют для компенсации в управляющей цепи переменной составляющей напряжения основной частоты, трансформируемой из рабочей цепи. Для этого, как показано на рис. 6.1, в, рабочие обмотки включают согласно, а обмотки управления - встречно.
Действительно, легко видеть, что любой из полупериодов напряжения питания (при идентичных сердечниках) благодаря согласному включению рабочих (первичных) обмоток и встречному включению обмоток управления (вторичных) трансформируемые в цепи управления ЭДС основной частоты оказываются в противофазе и компенсируют друг друга (для примера на рис. 6.1, а, б полярности ЭДС, трансформируемых в положительный полупериод, отмечены на обмотках в кружочках).
При увеличении тока управления растет подмагничивание стальных сердечников. При этом вследствие насыщения сердечников уменьшаются магнитные потоки, созданные переменным током в рабочих обмотках ω р. Поэтому уменьшаются индуктивности этих обмоток и их индуктивные сопротивления, т.е.
I~ = 
,
|
|
|
где 
, S ж - сечение железа; l ж - средняя длина магнитной индукции; 
.
Выходная характеристика МУ I H = f (I y) имеет вид рис 6.1, г.
Статическими параметрами МУ являются:
- коэффициент полезного действия (без учета потерь в сердечнике, I H = I p) 
, где 
- мощность, выделяемая в нагрузке (полезная); 
- вся мощность, потребляемая от источника питания;
- отношение приращения тока в нагрузке 
к соответствующему приращению тока управления 
называется коэффициентом усиления по току КI. Для рабочего режима 
;
- коэффициент усиления по напряжению 
;
- коэффициент усиления по мощности 
.
Определим некоторые динамические параметры идеального ДМУ.
С подачей управляющего сигнала Е у новый режим работы МУ устанавливается не сразу.
Период времени с момента подачи управляющего сигнала до достижения одним из сердечников насыщенного состояния называется временем запаздывания (Т З).
В дальнейшем, в переходном процессе, дроссели будут периодически насыщаться, а в цепи управления и в нагрузке будет появляться ток, возрастающий с каждым периодом.
Рис. 6.1. Схемы ДМУ: а) ДМУ с нагрузкой на переменном токе, б) ДМУ с нагрузкой на постоянном токе, в) конструктивная схема ДМУ, г) выходная характеристика МУ.
В случае 
длительность переходного процесса существенно превышает длительность полупериода изменения напряжения питания. Поэтому можно считать, что среднее значение токов i y и i н меняется не ступенчато от одного полупериода к другому, а непрерывно и цепь управления может рассматриваться как цепь из последовательно включенных активного сопротивления R y и индуктивности L y. Длительность переходного процесса в такой цепи определяется постоянной времени 
.
Магнитные усилители с самоподмагничиванием (МУС)
МУС при равных условиях выгодно отличаются от дроссельных усилителей более высокими коэффициентами усиления и динамической добротностью.
|
|
|
Отличительная особенность МУС состоит в том, что подмагничивание постоянным магнитным полем в них осуществляется как за счет сигнала управления, так и за счет постоянной составляющей тока рабочих обмоток. Подмагничивание от рабочих обмоток происходит в результате последовательного включения с каждой из этих обмоток вентиля, обеспечивающего протекание в них однополупериодного выпрямленного тока нагрузки. Так как подмагничивание имеет место и при отсутствии управляющего сигнала, подобные устройства получили название МУС.
Поскольку подмагничивание от рабочих обмоток пропорционально току нагрузки, то ее действие эквивалентно работе обратной связи. В связи МУС иногда называют МУ с внутренней обратной связью.
Свойство МУС самонасыщаться при отсутствии управляющего сигнала позволяет называть их также МУ с самонасыщением.
МУС представляет собой особый класс МУ, в которых осуществляется диодное разделение рабочих и управляющих интервалов. Физические процессы в них отличаются от процессов в ДМУ и предопределяются прежде всего характером динамического цикла перемагничивания сердечника за период изменения питающего напряжения.
На рис. 6.2, а приведена схема простейшего МУС на одном сердечнике с однополупериодным выходом. Индуктивность L в цепь управления включена для того, чтобы погасить в ней ток трансформации от рабочей обмотки.
МУС с однополупериодным выходом находят весьма ограниченное применение, так как ток в нагрузке такого усилителя протекает лишь в течение одного полупериода и всегда содержит постоянную составляющую, кроме того, индуктивность L обуславливает значительную инерционность усилителя.
Рис. 6.2. Схемы МУС: а) однополупериодная, б) двухпериодная трансформаторная, в) двухполупериодная мостовая, г) двухполупериодная с выходом на переменном токе
Как уже отмечалось, из-за ряда недостатков однополупериодные схемы МУС находят ограниченное применение. Этих недостатков лишены двухполупериодные МУС, схемы которых приведены на рис. 6.2, б, г. Схемы рис. 6. 2, б, г компонуются из двух одинаковых в магнитном и электрическом отношении типовых элементов, включенных на общую нагрузку R Н. Балластную индуктивность L в данном случая включать в цепь управления не требуется.
|
|
|
Рабочие ω р и управляющие ω у обмотки необходимо включать таким образом, чтобы взаимное направление напряженностей в рабочие полупериоды от них в каждом из дросселей было одинаковым. Другими словами, напряженность от тока управления в обоих дросселях должна всегда оказывать на сердечники одинаковое воздействие - или их намагничивать, или, наоборот, размагничивать.
В соответствии с этим требованием на схемах произведена маркировка обмоток: начало обмоток отмечены точками. Первый полупериод питающего напряжения («+», «-» - без скобок) будет рабочим для дросселя Др1, в то время, как для дросселя Др2 он является управляющим. В последующий полупериод («+», «-») режимы работы дросселей меняются местами. Таким образом, дроссели Др1 и Др2 рис. 6.2, б работают поочередно со сдвигом в один полупериод, обеспечивая протекание в ней двухполупериодного тока. В рабочих обмотках каждого дросселя при этом протекает однополупериодный ток.
По сравнению со схемой рис. 6.2, а в двухполупериодных МУС ток в нагрузке удваивается.
В двухполупериодных схемах МУС отношение сопротивления нагрузки к общему активному сопротивлению рабочей цепи (
) определяет коэффициент полезного действия усилителя. В общем случае под КПД МУС принято понимать отношение мощности P H выделяемой в нагрузке к активной мощности Р, потребляемой рабочей цепью от источника питания.
К статическим параметрам МУС относятся коэффициенты усиления: по току, напряжению, мощности, а также коэффициент кратности изменения нагрузочного тока, характеризующий регулировочную способность усилителя. Коэффициенты усиления МУС сравнительно легко определяются через конструктивные параметры усилителя и характеристику вход-выход, построенную в координатах U H(I y) при U ~= const, R H= const.
Коэффициент усиления по току:
, где 
.
Коэффициент усиления по напряжению:
, здесь r y - омическое сопротивление обмотки управления.
Коэффициент усиления по мощности:
.
Крутизну KR можно определить по кривой 
. Однако удобнее ее находить непосредственно по характеристике U H(I y), рассчитываемой обычно в ходе проектирования МУС (кратность изменения нагрузочного тока) определяется отношением тока нагрузки в режиме максимальной отдачи к току холостого хода:
|
|
|
.
Постоянная времени МУС определяется:
.
Обратные связи (ОС) в МУ
Под обратной связью принято понимать вводимую в магнитный усилитель цепь, по которой осуществляется дополнительное подмагничивание дросселей напряженностью магнитного поля, пропорционально сигналу выхода или скорости его изменения.
ОС называют жесткими, если подмагничивание пропорционально величине выходного сигнала, и гибкими, если оно определяется скоростью изменения сигнала на выходе.
ОС называют положительной, когда напряженности от цепи управления и ОС по знаку совпадают и отрицательной, если эти напряженности действуют встречно.
По способу введения на вход МУ ОС связи подразделяют на гальванические и магнитные. В гальванических ОС сигнал с входа усилителя и сигнал управления суммируются электрически.
При магнитных ОС сигнал ОС поступает на отдельную обмотку - обмотку ОС, а суммирование с управляющим сигналом осуществляется путем сложения магнитных напряженностей их полей. При гальванических ОС входная цепь МУ и цепь нагрузки электрически связаны, что с практической точки зрения делает ее не всегда удобной.
ОС называют связью по напряжению, если она вводится в функции напряжения на нагрузке и связью по току, если подмагничивание осуществляется током нагрузки.
Магнитные ОС получили преимущественное применение. Обмотка ОС, так же, как и обмотка управления, при этом располагается на сердечниках усилителя.
Так как в МУС сердечники подмагничиваются также и постоянной составляющей тока рабочих обмоток, это подмагничивание нередко рассматривают как жесткую ОС по току и называют внутренней ОС.
Жесткая ОС чаще всего используется для изменения статических параметров усилителя. Гибкая ОС функционирует лишь в переходных режимах и применяется в тех случаях, когда требуется при сохранении коэффициентов усиления существенно изменить инерционность усилителя. В частности, за счет введения положительной гибкой ОС представляется возможным уменьшить инерционность МУ в 5-15 раз.
Эффективность действия жесткой ОС принято характеризовать коэффициентом ОС. Это коэффициент пропорциональности, связывающий сигнал на выходе усилителя с величиной создаваемой им напряженности подмагничивания. Так как сигнал на выходе и создаваемое им подмагничивание измеряются в различных единицах, то при введении коэффициента ОС величины эти приводятся к одному параметру. В качестве параметра приведения весьма удобным является напряженность магнитного поля.
|
|
|
Под коэффициентом ОС принято понимать отношение напряженности подмагничивания, создаваемой обмоткой ОС к напряженности от рабочей обмотки, определяемой через среднее значение тока.
,
где 
- напряженность подмагничивания, создаваемая обмоткой ОС; 
- напряженность намагничивания, создаваемая рабочей обмоткой, выраженная через среднее значение тока.
Жесткие ОС в ДМУ
На рис. 6.3, а, б приведены схемы ДМУ с жесткими ОС по току. Маркировка обмоток в этих схемах дана применительно к случаю, когда ОС являются положительными. Из определения коэффициента ОС следует:
, где I H - приращение тока в рабочей обмотке (в нагрузке) в средних значениях; 
- число витков обмотки ОС; l OC, l OC - длина средней силовой линии для магнитного потока соответственно от рабочей обмотки и обмотки ОС.
Если учесть, что в схеме рис. 6.3, а 
, а в схеме рис. 6.3, б 
, где 
- коэффициент формы тока, то для этих схем не трудно установить, что 
, здесь К В - коэффициент выпрямления. Он может быть найден по прямому и обратному току выпрямителя:
.
В большинстве случаев исполнения МУ 
и тогда 
.
Выражения для К ОС при других видах жесткой ОС записываются аналогично.
Жесткие ОС в МУС
Коэффициент внутренней ОС. Самоподмагничивание в МУС эквивалентно действию жесткой ОС связи по току и поэтому может характеризоваться коэффициентом внутренней ОС:
,
где 
- магнитная напряженность подмагничивания сердечников, создаваемая рабочими обмотками; - приведенный к магнитной напряженности выходной сигнал выхода в средних значениях.
а) б)
в) г)
Рис. 6.3. Схемы МУ с обратной связью. а - ДМУ с выходом на переменном токе; б - ДМУ с выходом на постоянном токе; в, г - МУС
Так как 
, где 
- постоянная составляющая тока в рабочей обмотке за период питающего напряжения; 
- ток выхода в средних значениях, то 
.
Если пренебречь активным сопротивлением вторичной полуобмотки трансформатора, то
.
Из этого выражения следует, что если сопротивление нагрузки соизмеримо с обратными сопротивлениями вентилей, то 
заметно снижается.
Выражение для записано в предположении, что прямое и обратное сопротивления вентилей являются величинами постоянными. Это обстоятельство, а также принятая идеализация процессов в МУС, приводит при численном нахождении к значительным погрешностям.
Коэффициент внешней ОС в МУС
Необходимость во внешней жесткой ОС в МУС возникает в тех случаях, когда требуется существенно уменьшить крутизну характеристики вход-выход или, наоборот, перевести усилитель в релейный режим работы. Примеры исполнения внешней ОС в схемах МУС приведены на рис. 6.3, в,г.
Коэффициент внешней ОС в МУС
Полагая, что характеристики вентилей, используемых в усилителе одинаковые, значения ω Р, ω Р и l С известными для мостовой схемы (рис. 6.3, в) в которой 
и 
коэффициент внешней ОС находят из выражения
Коэффициенты ОС по току, напряжению и мощности, постоянная времени и добротность соответственно определяются:
,
,
,
,
Приводы серии ПМУ
Приводы серии ПМУ предназначены для стационарной установки в закрытых помещениях на высоте до 1000м над уровнем моря, при температуре окружающего воздуха от +5 до +40˚ С и относительной влажности воздуха до 80%, в условиях свободного теплообмена с окружающим воздухом. Приводы рассчитаны для работы от сети от сети переменного тока частотой 50 Гц стандартного напряжения 220 В или 380 В. Допустимое отклонение напряжения от номинального – до +5, - 15%.
|
|
|
