Магнитный усилитель с самонасыщением

Магнитный усилитель с самонасыщением

Включение в цепь выходной обмотки полупроводниковых вентилей — диодов приводит к насыщению сердечника, поскольку по обмоткам будет протекать ток одного направления, а в моменты спадания намагничивающего тока в сердечнике будет присутствовать остаточная намагниченность. Управляющая обмотка создаёт поле, которое размагничивает сердечник.

Характеристики

Характеристика	Магнитный усилитель
Управляемый ток	переменный
Управляющий ток	постоянный или медленно изменяющийся
Чувствительность	10^{− 19} Вт
Выходная мощность	до 500 МВА
Коэффициент усиления одного каскада	до 10⁶
Рабочая температура	от 0 К до 500 °С
Рабочее напряжение	не ограничено

Применение

Основное назначение — управление силовым электроприводом (распространены в строительной технике), также применялись в бытовых стабилизаторах переменного тока, бесконтактных реле, для модуляции сигналов, для удвоения частоты, в регуляторах яркости осветительных приборов киноконцертных залов, в двоичной ЭВМ ЛЭМ-1 Л. И. Гутенмахера и в троичных ЭВМ «Сетунь» и «Сетунь-70» Н. П. Брусенцова, управлении мощными электродвигателями, например в прокатных станах, в цепях управления тепловоза^[4]^[5]^[6]. Магнитные усилители во многом во многих областях электротехники и электроники были вытеснены активнымиполупроводниковыми приборами, но и сейчас они применяются в ряде областей.

По-прежнему магнитные усилители используются в системах усиления постоянных токов от тензодатчиковов. Гибридные устройства, включающие миниатюрный магнитный усилитель и полупроводниковый усилитель, обладают малым дрейфом нуля и высокой точностью.

Магнитный усилитель позволяет бесконтактно измерять постоянные токи в линиях электропередач. В последнее время для этого всё чаще применяют более компактные датчики Холла.

Принцип действия магнитного усилителя

Вспомним формулу:

[ Индуктивность, Гн ] = 1. 257E-9 * [ Магнитная проницаемость сердечника ] * [ Площадь сечения магнитопровода, кв. мм ] * [ количество витков ]^2 / [ Длина средней магнитной линии сердечника, мм ]

Принцип действия магнитного усилителя основан на интересном свойстве ферромагнитных материалов. Этим материалам свойственно насыщение. Это означает, что в ненамагниченном состоянии магнитная проницаемость может быть несколько тысяч или несколько десятков тысяч (для трансформаторного железа). При такой высокой магнитной проницаемости индуктивность катушки, намотанной на сердечнике, будет большой. Большим будет и модуль сопротивления переменному току. Путь переменному току будет практически перекрыт. Магнитный усилитель закрыт.

Но все меняется, если достаточно сильно (до насыщения) намагнитить сердечник. При этом его магнитная проницаемость приблизится к единице. Индуктивность, а значит модуль сопротивления, уменьшится в тысячи или десятки тысяч раз. Магнитный усилитель откроется.

Рисунок иллюстрирует описанный процесс. Магнитная индукция, характеризующая интенсивность магнитного поля, отложена по вертикальной оси. Сначала она быстро нарастает при небольшом росте электрического тока. Потом происходит перелом графика. Индукция уже растет намного медленнее по отношению к силе тока. Когда магнитный усилитель закрыт, сила тока располагается между точками 1 - 2. Сила тока через открытый магнитный усилитель находится между точками 3 - 4.

На этом рисунке мы видим график тока через магнитный усилитель в его разных режимах. A1 - усилитель открыт. A2 - усилитель закрыт. A3 - промежуточное состояние. Мы видим, что в открытом или закрытом состоянии магнитный усилитель практически не искажает сигнал. Но вот в промежуточном состоянии искажения очень существенные. Кроме того в промежуточном состоянии достаточно высоки потери на перемагничивание сердечника. В таком режиме магнитный усилитель используется только, если нагрузка не чувствительна к искажению формы сигнала или происходит последующая фильтрация. Замечу, что искажения, вносимые магнитным усилителем, довольно безобидные. В выходном сигнале нет высших гармоник.

Устройство, схема

Типичный магнитный усилитель состоит из двух совершенно одинаковых дросселей с двумя обмотками, соединенных, как показано на схеме.

Силовые обмотки L2 и L3 соединены параллельно. Выводы 1 - 2 предназначены для подвода переменного тока, которым мы хотим управлять. Они включаются последовательно с нагрузкой. Управляющие обмотки соединены последовательно навстречу друг другу, чтобы напряжение на одной равнялось минус напряжению на другой.

Очень важно, чтобы дроссели были максимально идентичными. Напряжение на обмотке L1, наводимое с обмотки L2, должно быть в точности равно напряжению на обмотке L4, наводимому с обмотки L3. Тогда на выводах 3 - 4 вообще не будет напряжения, что необходимо для правильной работы устройства.

Возможным вариантом является намотка обоих дросселей на одном Ш - образном сердечнике.

Здесь обмотка L1 подмагничивает оба дросселя. В обмотке L4 нет необходимости. Ниже мы рассчитаем количество витков для управляющих обмоток. Число витков обмотки L1 во втором исполнении равно числу витков обмотки L1 в первом исполнении. Может показаться, что второе исполнение экономит медь, ведь не нужно мотать вторую управляющую обмотку. Но на самом деле. Длина витка L1 во втором исполнении значительно больше, чем в первом. Экономия меди есть, но не очень большая.

⇐ Предыдущая 12