Принцип действия дроссельного магнитного усилителя

Принцип действия магнитных усилителей основан на нелинейных свойствах ферромагнитных материалов. Анализ процессов в магнитных усилителях весьма затруднен из-за нелинейности магнитных цепей, наличия вентилей в цепях обмоток.

Простейший магнитный усилитель может быть выполнен на одном сердечнике, имеющем две обмотки: рабочую w_р и управляющую w_у

(рис. 10.1,а). Рабочая обмотка включена в сеть переменного тока через сопротивление нагрузки R_н. Последовательно с обмоткой управления включен дроссель Др, служащий для подавления в цепи управления переменной со-

переменной составляющей тока. Для упрощения рассмотрения предпо-лагаем, что материал сердечника имеет идеальную кривую намагни-чивания, представленную на рис. 10.1, б. Далее, считаем, что переменное напряжение имеет прямоугольную форму (рис. 10.2), и выбираем такую его амплитуду Um, чтобы осуществлялось перемаг-ничивание от +Вs до – Вs:

а б Рис. 10.1. Схема простейшего магнитного усилителя (а); идеальная кривая намагничивания (б)

U_m =4 ,

где f₀ – частота питающего напряжения переменного тока;

S – сечение сердечника.

Напряженность магнитного поля в сердечнике можно представить в виде

H = H_р + H_у

где H_р= ; H_у = .

При H_у = 0, I_у = 0, H = 0, так как рабочая точка не выходит в зону насыщения. Значит, H_р = 0, I_р = 0, и всё напряжение приложено к w_р. При подаче I_упоявляется составляющая H_у и траектория рабочей точки смещается и заходит в область насыщения (рис. 10.3). При этом возникает возможность

Рис. 10.2. Изменение напряжения, индукции тока и напряженности магнитного поля

протекания рабочего тока. В зоне насыщения μ= 0, поэтому, если пренебречь активным сопротивлением обмотки w_р , получим i_р = U_m / R. На ненасыщенном участке Н = 0, поэтому Н_р = - Н_у и тогда

i_р w_р = - i_у w_у .

По теореме идеального трансформатора при равенстве мгновенных значений МДС равны их средние значения, следовательно

I_р = I_у

На участках намагничивания и размагничивания МДС различна, поэтому темп изменения индукции разный. Угол насыщения β зависит от величины I_у: чем больше ток управления, тем насыщение наступает раньше (βменьше). В пределе при I_у = I_уmax, β = 0. Выходным параметром является среднее за полупериод напряжение на нагрузке:

U_{н. ср} = d t = .

Отсюда ясно, что при I_у = 0 , β = π; при I_уmax= , β = 0, U_н = U_m.

Рис.10.3. Траектория рабочей точки при подаче тока управления

Рис. 10.4. Характеристика «вход-выход» магнитного усилителя

Характеристикой магнитного усилителя является зависимость среднего рабочего тока от среднего тока управления, представленная на рис. 10.4. Следует отметить, что в реальных устройствах обмотки размещают на двух сердечниках таким образом, что рабочие обмотки соединены согласно последовательно, а обмотки управления – последовательно встречно. Это позволяет исключить необходимость использования дополнительного дросселя в цепи управления. Схема такого соединения приведена на рис. 10.5.

а б

Рис. 10.5. Схемы магнитных усилителей при использовании двух сердечников: нагрузка переменного тока (а);

нагрузка постоянного тока (б)

На рис.10.5, а показана схема с нагрузкой на переменном токе, на рис. 10.5, б – с нагрузкой на постоянном токе. Приведенная схема отличается низким коэффициентом усиления и может быть использована как датчик постоянного тока.