- •Исследование однотактного магнитного усилителя
- •ОбЩие сведения
- •Порядок выполнения работы
- •Оборудование стенда
- •Снятие характеристик однотактного магнитного усилителя без обратной связи
- •Снятие характеристик однотактного магнитного усилителя с внутренней обратной связью
- •Снятие релейных характеристик однотактного магнитного усилителя со смешанной обратной связью
- •Расчет экспериментальных коэффициентов усиления по току и построение графиков и
- •Требования к содержанию отчёта
- •Список рекомендуемой литературы
- •План 2009
- •Исследование однотактного магнитного усилителя
- •Напечатано в полном соответствии с авторским оригиналом
- •654007, Г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42 Издательский центр СибГиу
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Сибирский государственный индустриальный университет»
Кафедра автоматизированного электропривода и промышленной электроники
Исследование однотактного магнитного усилителя
Методический указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Электрические и электронные аппараты» для студентов специальности 140604 – «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» для всех форм обучения
Новокузнецк
2009
УДК 62-50 (03)
Рецензент:
Кандидат технических наук, доцент заведующий кафедрой электротехники и электрооборудования, СибГИУ
М.В. Кипервассер
Защита силового трансформатора: Метод. указ./ Сост.: А.В. Темников, О.А. Игнатенко: СибГИУ.- Новокузнецк, 2004.-26с., ил.
Излагаются некоторые теоретические сведения об однотактных магнитных усилителях при их работе без обратной связи и с обратной связью. Даются программа и порядок получения статических характеристик однотактных усилителей опытным путем, а также их характеристик в релейном режиме.
Предназначены для студентов специальностей 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» всех форм обучения.
ОбЩие сведения
Принцип действия МУ основан на использовании явления насыщения ферромагнитных материалов в магнитном поле.
а) б)
Рисунок 1 – Простейший дроссельный однотактный магнитный усилитель
а) зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н; б) схема усилителя
Входной цепью МУ (рисунок 1) является обмотка управления Wy, а выходной – рабочая обмотка Wp с последовательно включенным сопротивлением нагрузки Rн. Выходное напряжение Uвых снимается с нагрузки Rн.
Если ток в рабочей цепи I~ синусоидален, то он находится по формуле:
, (1)
где U~ – напряжение питания МУ;
R – полное активное сопротивление рабочей цепи;
хр – индуктивное сопротивление рабочей обмотки.
, (2)
где Rp – активное сопротивление рабочей обмотки;
Lp – индуктивность рабочей обмотки;
– угловая частота питающей сети;
Wp – число витков рабочей обмотки;
Sc – площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника;
– длина средней магнитной линии сердечника;
-магнитная проницаемость сердечника.
Для магнитных усилителей выбирается ферромагнетик с большой и малой коэрцитивной силой Hc, например, пермаллой. Такой магнитный материал имеет максимально возможную чувствительность к слабым изменениям магнитного поля. Вследствие нелинейности характеристики B = f (H) малое изменение H, связанное с постоянным током обмотки управления Wy, приводит к резкому увеличению B и уменьшению , что ведет к значительному уменьшению Lp и . Наблюдается резкое увеличение тока I~ в рабочей цепи.
Однотактные магнитные усилители относятся к нереверсивным: полярность выходного сигнала не зависит от полярности входного сигнала. Нагрузка Rн может быть включена последовательно или параллельно в сеть рабочей обмотки Wp. В первом случае МУ называют дроссельными, во втором – трансформаторными. Наиболее эффективным является построение МУ на двух одинаковых сердечниках.
а) б)
в)
Рисунок 2 – Однотактные МУ с параллельным (а) и последовательным (б) включением нагрузки и их статические характеристики (в)
Основной характеристикой МУ является статическая характеристика
Iн = f(Iy), (3)
где Iн– ток нагрузки,
Iy– ток управления.
Характеристика идеального МУ без обратной связи и смещения показан на рисунке 2. Для реального МУ ток холостого хода (Iн при Iy=0) отличен от нуля.
Коэффициенты усиления по току kI, напряжению kU, мощности kР находятся экспериментально по статическим характеристикам и теоретически по соотношениям:
(4)
(5)
, (6)
где Δ определяет малые приращения входных и выходных величин.
На характеристики Iн = f(Iy) значительно влияют начальное смещение (подмагничивание) и обратные связи. Начальное смещение вводится для того, чтобы увеличить коэффициент усиления для малых входных сигналов и выводе рабочей точки на линейный участок статической характеристики (рисунок 3).
Обратные связи могут быть положительными и отрицательными, внешними и внутренними. Внутренняя обратная связь организуется включением выпрямителя в рабочую обмотку Wp, поэтому число витков обмотки обратной связи Woc=Wp и коэффициент обратной связи koc ≤ 1. Рабочая обмотка Wp дополнительно выполняет функции обмотки обратной связи Woc. Схема однотактных МУ с внутренней обратной связью показана на рисунке 4, а статические характеристики – на рисунке 5.
а)
б)
Рисунок 3 – Дроссельный МУ
а – схема; б – статические характеристики
а) б)
Рисунок 4 – Однотактные МУ с внутренней обратной связью:
а) с выходом на переменном токе; б) с выходом на постоянном токе
Рисунок 5 – Статические характеристики МУ с внутренней ОС
Схема МУ с внешней обратной связью может обеспечить любое значение koc за счет соответствующего выбора числа витков Woc. Одна из схем показана на рисунке 6.
В этом случае коэффициенты усиления равны:
(7)
Рисунок 6 – МУ с внешней обратной связью
(8)
, (9)
где знак “–” соответствует положительной, а “+”- отрицательной обратной связи.
(10)
где .
Использование смешанной обратной связи, объединяющей внутреннюю и внешнюю обратные связи может привести релейным характеристикам (рисунок 7).
Рисунок 7 – Релейные характеристики МУ
Релейная характеристика в первом квадранте соответствует нормально разомкнутым, а во втором – нормально замкнутым контактам реле.
Инерционность МУ характеризуется постоянной времени τ.
, (11)
где – коэффициент полезного действия цепи переменного тока усилителя;
- частота питающей сети;
- индуктивность обмотки управления.
Для снижения инерционности используют введение положительной обратной связи при условии , замену однокаскадного МУ многокаскадным, шунтирование диодов внутренней обратной связи переменными сопротивлениями и другие методы.
Передаточная функция W(p) магнитного усилителя определяет его как апериодическое звено первого порядка
, (12)
где p – оператор Лапласа.