Тема 2.2.2. Конструкция, схема и принцип работы магнитного усилителя без начального подмагничивания.

Магнитные усилители используются в системах автоматики в качестве усилителей мощности (для управления исполнительными двигателя, в качестве бесконтактных реле и датчиков тока).

Конструктивно магнитный усилитель состоит из магнитопровода (пакет пластин электротехнической стали), на среднем стержне которого намотана входная управляющая обмотка (подмагничивающая обмотка). На двух крайних стержнях располагаются две одинаковые выходные рабочие обмотки. Рабочие обмотки соединены между собой последовательно – согласно и к ним через сопротивление нагрузки R_н подключен источник питания U_~.

На управляющую обмотку подается входной сигнал усилителя – управляющее напряжение U_у. Этот сигнал может поступать, например, с выхода тахогенераторного датчика или термопары. Выходным сигналом U_вых (усиленным) является падение напряжения на сопротивлении нагрузки R_н:

U_вых = I_вых·R_н.

В исходном состоянии при отсутствии входного сигнала (U_у = 0 В) ток I_упо обмотке управления не течет (I_у = 0 А).

Источник переменного питающего напряжения ~U подключен, поэтому по рабочим обмоткам и сопротивлению нагрузки течет начальный ток I_вых0, который имеет не- значительную величину I_вых0 =1÷10 мА.

В результате этого на сопротивлении нагрузки R_н выделяется начальная выходная мощность P₀ = I_вых0² · Rн или P₀ = I_вых0 · U_вых0.

Эта мощность также имеет небольшое значение (0,01÷ 0,1 Вт).

В результате прохождение тока I_вых0 по рабочим обмоткам в магнитопроводе создаются два переменных магнитных потока Ф_~1 и Ф_~2. Эти магнитные потоки циркулируют по крайним и среднему стержням.

При подаче на обмотку управления входного сигнала U_вх= U_у по обмотке потечет постоянный ток управления I_у, в результате во входной цепи образуется входная мощность

P_вх = Р_у= I_у·U_у.

Ток управления I_у, протекая по обмотке управления, создает постоянный магнитный поток в среднем стержне, намагничиваяего. В результате магнитная проницаемость μсреднего стержня уменьшается, а, значит, уменьшится индуктивность обоих рабочих обмоток:

,

где w – количество витков рабочей обмотки,

S– площадь поперечного сечения крайних стержней,

ℓ– длина одного витка рабочей обмотки.

Следовательно, уменьшится индуктивное сопротивление этих обмоток:

¯X_L = 2π∙ f ∙ L¯.

В результате ток, протекающий по рабочим обмоткам (выходной ток), резко увеличится:

.

Этот ток уже имеет большое значение - единиц и десятков ампер. Поскольку ток I_вых увеличился, то и выходная мощность усилителя резко увеличится:

↑P_вых = ↑I_вых² · Rн .

Эта мощность может составлять единицы, десятки и сотни ватт.

Коэффициент усиления по мощности этого усилителя определяется по формуле:

, где

P_вых = I_вых² · Rн - выходная мощность;

P₀ = I_вых0² · Rн или P₀ = I_вых0 · U_вых -начальная выходная мощность;

P_вх = Р_у= I_у·U_у - входная мощность.

Процесс усиления мощности можно описать следующей логической последовательностью:

Изменение полярности управляющего напряжения не влияет на усилительные свойства таких усилителей (смотри график).

На электрических принципиальных схемах магнитные усилители изображаются следующим образом:

СР

Достоинства и недостатки магнитных усилителей (Поспелов, с. 57-58)

Достоинства: высокая надежность при постоянной готовности к работе, простота обслуживания с неограниченным сроком службы; высокая перегрузочная способность характеристик в неблагоприятных условиях (вибрация, тряска, большие перепады температуры, пыль, грязь, влажность и др); широкий диапазон мощностей; высокий коэффициент усиления и возможность усиления весьма малых сигналов.

Недостатки: сравнительно высокая инерционность, большие размеры и масса при частоте 50 Гц.