Файл: Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник.pdf

Как показывают эксперименты (cp. 1 п 2 рис. 3.13, а), вид стати­ ческих характеристик и коэффициенты усиления усилителей с внеш­ ней ОС и с самонасыщением достаточно близки.

Выражения для постоянных времени, характеризующие динами­ ческие свойства этих усилителей [ср. формулы (3.15) и (3.49)1, одина­ ковы, если учесть, что число витков рабочей обмотки усилителя с са­ монасыщением в два раза больше числа витков рабочей обмотки уси­ лителя с внешней обратной связью при прочих равных условиях

(см. § 3.1).

Преимуществом усилителей с самонасыщением является их способ­ ность отдавать в нагрузку примерно в полтора раза большую мощность

по сравнению с усилителем с внешней обратной связью тех же габа-

ритов. Так, в схеме рис. 3.12, а в режиме короткого замыкания ток нагрузки в каждый полупериод проходит по четырем обмоткам (две шр и две дап0С), в которых выделяется мощность 4P HRW, греющая об­ мотки усилителя, где Rw—сопротивление каждой из четырех обмо­ ток. В схеме же рис. 3.12, б в каждый полупериод ток течет лишь по двум из четырех обмоток. При одинаковой степени нагрева максималь­

ный ток нагрузки может быть увеличен в |/"2 раз; при этом мощность

2 (] f 2IH)2Rw, выделяющаяся в виде тепла в обмотках, сохраняется неизменной. Так как напряжение Ue в схеме рис. 3.12 одинаково,

ав режиме короткого замыкания оно практически целиком приложено

кнагрузке, очевидно, что во втором случае мощность в нагрузке воз­

растает в Y 2 раз. Это преимущество усилителей с самонасыщением при­ вело к широкому их применению.

Преимуществом усилителей в внешней обратной связью является их большая гибкость в построении схем. Например, при нагрузке пе­ ременного тока, выполнив внешнюю обратную связь по напряжению (см. § 3.1), в обмотку обратной связи можно подавать лишь небольшую часть общего тока нагрузки с использованием диодов небольшой мощ­ ности, в то время как в усилителях с самонасыщением диоды должны

78

пропускать весь ток нагрузки. Кроме того, внешняя обратная связь позволяет осуществить высокостабильные усилители с так называемой общей обратной связью (об этом см. в гл. IV).

§ 3.7. ОСНОВЫ РАСЧЕТА УСИЛИТЕЛЕЙ

Как отмечалось ранее, точный расчет магнитных усилителей из-за сложной нссинусоидальной формы токов и напряжений практически невозможен. Анали­ тический расчет усилителей по основной кривой намагничивания, аппроксими­ рованной с помощью показательных и гиперболических функций, сложен, свя­ зан с трудностью учета влияния потоков рассеяния, зазоров в магнитопроводах и т. п. и не дает требуемой точности.

Наиболее приемлемы в инженерной практике графоаналитические методы,

вкоторых используют метод подобия (см. § 2.3).

Влитературе имеются различные варианты метода подобия, позволяющие рассчитывать усилители на максимальную мощность, минимальный объем стали и г. д. [1.5] [1.6]. Однако эти расчеты связаны, как правило, с построением вспо­

могательных кривых, которые не показывают непосредственной связи между магнитными и электрическими величинами.

Рассмотренный в данном параграфе метод подобия подчеркивает такую связь и поэтому имеет преимущества по сравнению с другими, более сложными ва­ риантами. Метод представляет собой дальнейшее развитие методики, предло­ женной Б. С. Сотсковым [6]. Расчет ведется с допущениями, сформулированными в § 2.4, по нагрузочному эллипсу или нагрузочной прямой. Обычно, сравнив два-три варианта расчетов, можно установить лучший, с точки зрения, напри­ мер, веса и габаритов, усилитель.

При расчете магнитных усилителей важным является выбор магнитного ма­ териала.

Идеальным для сердечников магнитных усилителей был бы материал с пря­

териалов не обладает таким сочетанием свойств. Однако на основе характеристик магнитных материалов (см. § 1.4) можно рекомендовать тот или иной вид для конкретного магнитного усилителя, учитывая особенности его работы.

Для маломощных усилителей с большими коэффициентами усиления по мощ­ ности целесообразно применять железоникелевые сплавы 79НМ и 80НХС. Дан­ ные сплавы обладают узкой петлей гистерезиса и большим значением начальной проницаемости, что позволяет создавать высокочувствительные магнитные уси­ лители. Но так как эти сплавы сравнительно дороги и имеют невысокую индук­ цию насыщения, их обычно применяют для усилителей, рассчитанных на мощ­ ности в нагрузке, не превышающие доли ватта при частоте 50 гц и нескольких ватт при более высоких частотах.

Меньший вес и объем сердечников мощных магнитных усилителей можно получить при изготовлении из электротехнических сталей, индукция насыщения которых наиболее высока. Наилучшим материалом этой группы являются хо­ лоднокатаные, текстурованные стали (Э310, Э320 и т. п.). Вес сердечников из этих сталей по сравнению с сердечниками из обычных трансформаторных ста­ лей меньше на 30—50%.

Однако высокой индукцией насыщения исчерпываются преимущества ста­ лей в сравнении с пермаллоями. Относительно низкая магнитная проницаемость и далекая от прямоугольной кривая намагничивания сердечников из стали при­ водят к тому, что характеристика вход—выход усилителей не отличается линей­ ностью и для управления усилителем требуется мощность, значительно большая, чем в случае пермаллоевых сердечников. Поэтому электротехнические стали целе­ сообразно использовать для усилителей при мощностях в нагрузке от нескольких ватт до киловатт и выше.

Для мощностей в нагрузке от долей ватта до десятков и сотен ватт и при вы­ соких требованиях к характеристике вход—выход (линейность, высокий коэф­

79

фициент усиления) изготавливать сердечники целесообразно из пермаллоев, обладающих прямоугольной петлей гистерезиса, 50НП и 65НП. Высокие свойст­

степени ухудшающих магнитные свойства материала, важно правильно выбирать

его толщину.

Допустимую толщину листа для пермаллоев можно определить по формуле (1.11), приведенной к виду

d, мм k/~\/f I

где I — частота, гц\ k — постоянный коэффициент.

Значения коэффициента k для различных марок

Рассмотрим метод расчета усилителя с обратной связью, выполненного на двух Ф-или Ш-образных сердечниках, набираемых из пластин (пакетов), или на двух кольцевых сердечниках. Из дальнейшего очевидно, что таким же образом можно рассчитывать и усилители на сердечниках О-образной формы, если счи-

Рекомендуется коэффициенты къ и ki брать равными тем значениям, которые имелись у исходного усилителя при снятии семейства кривых намагничивания.

Разделим и умножим правую часть формулы

Ос— 2 • 4 ,4 4 0 ,’р [ ь В с т

80

на I и выразим sh I через размер а:

Величины, входящие в формулу, находят следующим образом. Перед нача­ лом расчета обычно известны максимальная мощность управления Ру тах, мак­ симальная мощность Рц max или ток в нагрузке / н max. минимально допустимая мощность Рнтіп или ток в нагрузке /н. хх, частота и напряжение источника пи­ тания, активное сопротивление нагрузки. Предположим, что усилитель выпол­ нен по схеме рис. 3.3, а.

Прежде всего определяется напряжение Ua, которое надо подать на схему

Uc, которая остается приложенной к рабочим обмоткам усилителя и к выпря­ мителю при максимальном токе нагрузки.

Для снижения габаритов мощных усилителей целесообразно брать нижний предел этого коэффициента. Если на рабочем участке нужно получить высокую линейность характеристики, этот коэффициент правильно брать ближе к верхне­ му пределу, хотя в этом случае/н тах будет далек от тока короткого замыкания и габариты усилителя окажутся повышенными. Необходимый коэффициент трансформации питающего трансформатора определяется отношением напряже­ ния источника питания к напряжению Uc.

Габариты и вес усилителя, а также линейность характеристики вход—выход во многом зависят от расположения эллипса нагрузки на семействе кривых на­ магничивания, т. е. от выбора его полуосей Вс и Якз.

Чтобы вес и габариты усилителя были небольшими, индукцию Вс нужно

нейности характеристики вход—выход.

Если кратность изменения тока в нагрузке должна быть не меньше задан­

очевидное из пропорциональности токов и напряженностей.

Рабочую точку режима //тах Для мощных усилителей следует выбирать вбли­ зи нижнего «колена» кривой намагничивания (рис. 3.15, а). В этом заключается согласование усилителя с нагрузкой, обеспечивающее режим максимальной отда­

расположить возможно ближе к точкам, обозначенным на рис. 3.15, 6 крестика­ ми (в этих точках равенство Н^ср = //„ выполняется точно).

81