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

При расчете второго каскада /н, принимается за максимальный ток управ­ ления второго каскада / У2тах-

Расчет первого каскада усилителя с общей ПОС ведется по методу, изложен­ ному в § 3.7, включая построение характеристики Н^ = f (#_) с помощью эл­

липса нагрузки или нагрузочной прямой для каждого усилителя каскада. Об­ мотку смещения рассчитывают так, чтобы создать напряженность # см, необхо­ димую для смещения характеристики одного усилителя на середину линейного

Ншах = /н шах

определяют Нос и Ну. По ним устанавливают число витков каждой из четырех обмоток

Яос I

“ ' п о с — , ' н ш а х

и число витков каждой из двух обмоток

Нуі

иѵ=*7------

' у m a x

Сечение провода обмоток управления определяют по формуле, обеспечиваю­ щей заданное RBX усилителя,

_ Р^у h

Явх/2 '

§ 4.5. СТАБИЛЬНОСТЬ МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Под стабильностью работы магнитного усилителя понимают с т а б и л ь н о с т ь нуля , т. е. отсутствие выходного напряжения пли тока в реверсивных усилителях при отсутствии сигнала на входе, и п о с т о я н с т в о к о э ф ф и ц и е н т а у с и л е н и я .

Магнитный гистерезис является одной из причин ухода нуля маг­ нитных усилителей и проявляется в том, что после действия сигнала большой величины наблюдается остаточное смещение нуля. Меньшее влияние гистерезиса достигается при использовании сплавов с низ­ кими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукции, напри­ мер, пермаллоев с содержанием 75—80% никеля. Важно также при­ менить такую конструкцию сердечников, при которой переменный магнитный поток, создающий размагничивающий эффект, проходил бы по всем участкам магнитопровода, где действует постоянное маг­ нитное поле. Толщина пластин или ленты должна быть выбрана из условия (1.11), которое обеспечивает отсутствие сколько-нибудь существенного поверхностного эффекта, потому что переменный поток размагничивает все сечение пластины.

Изменение магнитных характеристик сердечников во времени в результате механических деформаций при намотке или при измене­ нии температуры также способствует уходу нуля усилителя.

111

Изменение характеристик вентилей, особенно при изменении тем­ пературы, вызывает уход нуля и в значительной степени влияет на коэффициент усиления (ср. рис. 3.6, б). Поэтому целесообразно для диодов создавать облегченный режим (токи и напряжения значи­ тельно ниже допустимых), а также выбирать тип вентилей с большей температурной стабильностью (например, кремниевые, а не герма­

ниевые).

Токи четных гармоник отнаводимых в обмотках управления э. д. с., проходя через выпрямители предыдущих каскадов, подмагничивают сердечники этих каскадов и могут вызвать уход нуля. Э. д. с. четных гармоник значительно уменьшаются, если обмотка управления ревер­ сивного усилителя охватывает сразу четыре сердечника, как пока­ зано на рис. 4.16.

Рис. 4.16. Конструкция реверсивного усилителя с повышенной стабильностью нуля

Схемы с общей положительной обратной связью (см. рис. 4.14)

позволяют снизить уход нуля на порядок по сравнению со схемами с раз­ дельной связью. Это свойство можно пояснить следующим образом.

Если заменить изменение различных факторов (і/сети, температуры и т. п.), влияющих на величину тока нагрузки, некоторым приведен­ ным к обмотке управления изменением тока смещения на Д/см, то са­ мопроизвольное изменение тока нагрузки (уход нуля) выразим так:

Здесь цифры в индексах означают номера усилителей. Заменяя значения коэффициентов усиления усилителей с ПОС значениями из (3.4), получим

В схемах с раздельной связью при коэффициентах kcc, отличающих­ ся даже на небольшую величину, но близких к единице, разность, стоя-

111

бы принять установившееся значение, не зависящее от предыдущих

значений индукции.

Это условие проще всего выполнить двумя способами: созданием усилителя на одном сердечнике либо созданием усилителя без обмот­ ки управления (управление таким усилителем осуществляется, на­

пример, шунтированием вентилей).

Рассмотрим работу усилителя на одном сердечнике (рис. 5.1, а), обладающем идеальной петлей гистерезиса (см. рис. 1.9, б). Для

Рис. 5.1. Процессы в быстродействующем усилителе при синусоидальном сигнале

упрощения пренебрежем ее расширением от вихревых токов и маг­ нитной вязкости. Работа схемы во многом напоминает работу схемы рис. 3.5, а. Основное отличие заключается в том, что исходным яв­ ляется не заданный ток управления, а напряжение управления. По­ этому усилитель работает не в режиме вынужденного (как усилитель рис. 3.5, а), а в режиме свободного намагничивания.

В схеме рис. 3.5, а при отсутствии сигнала управления напряже­ ние на нагрузке максимально (точка 1 на рис. 3.6, а). Для перемеще­ ния начальной рабочей точки по направлению к точке 2 необходимо ввести смещение. В схеме рис. 5.1, а оно осуществляется синусоидаль-

114

ным о п о р н ы м н а п р я ж е н и е м Uon, совпадающим по часто­ те и фазе с напряжением Uc:

При отсутствии сигнала опорное напряжение, приложенное к об­ мотке йУу через вентиль Д у, открытый в управляющий полупериод, «опускает» индукцию на Aßymax до значения —B s и, следовательно, обеспечивает UHmUv Возможна также подача опорного напряжения в специально намотанную обмотку смещения. Управляющее напря­

к рабочей цепи. При этом схему замещения усилителя можно пред­ ставить в виде рис. 5.1, б.

чисто активные. Знаки «+» и «—» с буквами у и р означают на рис. 5.1 полярность напряжений в управляющий и рабочий полупериоды.

Особенностью быстродействующих усилителей является возмоохность их применения для непосредственного усиления сигналов пере­ менного тока, имеющего частоту, равную частоте сети. Рассмотрим физические процессы именно для этого случая.

К началу управляющего полупериода сердечник насыщен и нахо­ дится в точке 0 (рис. 5.1, в). В управляющий полупериод напряжение мс запирает вентиль Д„, и ток по нагрузке не течет. В этот полупериод ис можно считать напряжением смещения, которое создает ток в цепи Ry — Д; — Дор. При наличии управляющего сигнала с полярностью, показанной на рис. 5. 1, <3, этот ток течет под действием разности (ис— Му), и рабочая точка перемещается в точку 1 к моменту u>t — од. На участке 1-2 индукция изменяется, создавая на обмотке падение нап­ ряжения Мр (рис. 5.1, ж), уравновешивающее большую часть разности (мс— Му); остальная часть уравновешивается падением напряжения на Ry от неизменного тока І'с (рис. 5.1, е). На участке 2-3 напряжения уменьшаются до нуля, и рабочая точка приходит в точку 3. На этом управляющий полупериод заканчивается.

В рабочий полупериод под действием мс появляется ток в цепи Эр — Дн — Ян, и рабочая точка перемещается в точку 4.

На участке 3-4 напряжение схемы уравновешивается только паде­ нием напряжения на сопротивлении R н от тока, возрастающего от

и падением на R tt от суммы токов / с и іу на участке 4-5 уравновеши­ вается падением напряжения мр на обмотке (рис. 5.1, ж).

115

С момента 5, когда индукция достигнет насыщения, все напряжение ис до конца рабочего полупериода прикладывается к нагрузке.

Как и при управлении постоянным током (ср. § 3.4), изменяя ве­ личину сигнала Uy, можно менять момент as скачка напряжения на нагрузке и величину среднего напряжения на ней.

Заметим, что величина среднего значения напряжения Ѵѵ на обмот­ ке в управляющий и рабочий полупериоды (заштрихованы) равны по абсолютной величине, так как определяются равными по величине изменениями индукций | A ßy| = |A ß p| (рис. 5.1, в). Поэтому выра­ жение (3.27) сохраняет силу для быстродействующих усилителей, управляемых сигналом переменного тока. Рассмотренная схема яв­ ляется однополупериодной.*

*

На рис. 5.2, а приведена схема двухполупериодного быстродейст­ вующего усилителя. Цепь нагрузки такого усилителя (рис. 5.2, а) ничем не отличается от цепи нагрузки обычного усилителя с самонасыщением (ср. рис. 3.1, в и 3.8, а). Устранение влияния одного сер­ дечника на другой достигается тем, что опорное напряжение трансфор­

матора, равное Uon = , запирает поочередно один из двух вен­

тилей Д у1 или Д у2 и тем самым «отключает» ту обмотку управления, сердечник которой находится в рабочем полупериоде. Под действием разности (£/оп—Uу), приложенной к «включенной» обмотке, индукция сердечника, находящегося в управляющем полупериоде, изменяется

В следующий полупериод при запертом вентиле Д п ток потечет по цепи

^ о а ~ Д у г — ^ у2— и у — и оп. Схема управляется сигналом V у как постоянного, так и переменного тока.

Вторичное напряжение трансформатора наряду с переключением

вентилей выполняет роль напряжения смещения, как и в однополупе­ риодной схеме.

116

Как указывалось, другой способ выполнения условия быстродей­ ствия заключается в создании усилителей без обмоток управления

(рис. 5.2, б).

В таких схемах в управляющий полупериод сердечник размагни­ чивается током, протекающим через управляемое сопротивление Rm. По мере уменьшения Rm размагничивание, т. е. АВ у, увеличивается, растет падение напряжения Uv на обмотках в рабочий полупериод, а напряжение на нагрузке понижается.

Сопротивления Rm могут быть заменены транзисторами Т или тиристорами (управляемыми вентилями) ТТ, как показано пункти­ ром на рис. 5.2, б.

Изменяя сопротивление транзистора путем подачи Uу на его базу или изменяя фазу отпирания тиристора путем изменения момента по­ дачи импульса Uу на его управляющий электрод УЭ, регулируют ве­ личину Aß у и напряжения на нагрузке, мощность которой при управ­ лении тиристорами может достигать десятков киловатт.

Процесс управления усилителем с помощью изменения сопротив­ лений, шунтирующих вентили, может быть также пояснен схемой

ІeR в-

Во всех приведенных схемах удовлетворяется условие быстродей­ ствия: в ближайший управляющий полупериод после подачи сигнала Uу или после изменения сопротивления Rm изменение индукции АВ у приобретает установившееся значение, и в ближайший за управляющим рабочий полупериод к нагрузке прикладывается новое установившееся значение напряжения. Таким образом, в отличие от «обычных» уси­ лителей, где ток и напряжение нагрузки в переходном режиме возра­ стают по экспоненте, в быстродействующих усилителях наблюдается лишь запаздывание (задержка) т момента изменения напряжения на нагрузке от момента подачи сигнала. Эта задержка меняется в преде­ лах от половины периода питающей сети, если момент подачи сигнала совпал с началом управляющего полупериода, до целого периода, если этот момент совпал с началом рабочего полупериода.

§5.2. СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Вобмотке управления быстродействующих усилителей в отличие от «обычных» не происходит компенсации переменных э. д. с. основной гармоники, что обусловливает ряд особенностей.

Вычислим коэффициент усиления по напряжению при максималь­

ном сигнале, когда напряжение на нагрузке наибольшее. В этом случае

117

жение на нагрузке достигнет наибольшего значения, равного г]UC, где г| — к. п. д. рабочей цепи. Среднее за период значение напряже­ ния на нагрузке

IС = H J I W y

и увеличению падения напряжения I cR r, в результате чего падение на­ пряжения на рабочей обмотке (заштриховано на рис. 5.1, ж) умень­ шается, а напряжение на нагрузке возрастает.

На рис. 5.3 приведены характеристики вход—выход быстродейст­ вующего усилителя в относительных единицах [3]:

рис. 5.3, влечет за собой уменьшение диапазона изменения напряже­ ния на нагрузке и увеличение нелинейности характеристики. Для

снижения / с можно было бы уменьшить R y. Однако R y представляет собой в основном внутреннее сопротивление датчика усиливаемого сигнала и с его уменьшением связано увеличение так называемой по­ тенциальной мощности датчика и падение усиления по мощности.

118