Что такое магнитный усилитель?

Магнитный усилитель (МУ) представляет собой статический электромагнитный аппарат, позволяющий при помощи управляющего сигнала постоянного тока небольшой мощности управлять значительными мощностями в цепи переменного тока. Благодаря простоте конструкции, высокой надежности в работе и другим достоинствам, по сравнению с электронными и электромашинными усилителями, магнитные усилители нашли довольно широкое применение в различных судовых системах автоматического регулирования.

По конструкции МУ напоминает трансформатор, у которого одна обмотка (управляющая ОУ) получает питание от источника постоянного тока, а другая (рабочая ОР) включена последовательно с нагрузкой R_н в цепь переменного тока.

Простейшим МУ является дроссель насыщения (рис. 1,а,б), работа которого заключается в следующем.

Рис. 1. Принцип действия магнитного усилителя: 1 — зона насыщения; 2 — зона холостого хода

При включении обмотки ОР последовательно с нагрузкой R_н на напряжение U сети переменного тока по цепи потечет ток нагрузки:

где R_p, Х_p — активное и индуктивное сопротивления обмотки ОР.

Если теперь включить обмотку ОУ на напряжение U_у источника постоянного тока и с помощью резистора увеличивать ток управления I_у, то одновременно будет увеличиваться и ток в рабочей обмотке I_н. Увеличение тока в обмотке ОР объясняется тем, что при прохождении по обмотке ОУ постоянного тока I_у возникает магнитный поток Ф_у, изменяющий насыщение сердечника дросселя.

На рис. 1, б показана электрическая схема магнитного усилителя. От степени насыщения сердечника зависит магнитная проницаемость μ стали, которая резко уменьшается при насыщении (рис. 1,в). Магнитная проницаемость непосредственно влияет на индуктивность рабочей обмотки:

где k— постоянный коэффициент,

а следовательно, и на ее индуктивное сопротивление:

Таким образом, увеличение тока I_у и потока Ф_у приводит к уменьшению магнитной проницаемости μ сердечника (происходит вытеснение переменного потока рабочей обмотки из сердечника), уменьшению индуктивного сопротивления рабочей обмотки Х_р и к увеличению тока нагрузки I_н. Увеличение тока нагрузки будет происходить с увеличением тока управления до насыщения сердечника. С насыщением стали дальнейшее увеличение тока управления практически не изменяет ток нагрузки.

Зависимость тока нагрузки МУ от тока управления называется статической нагрузочной характеристикой (рис. 1,г). Из характеристики видно, что изменение тока нагрузки не зависит от полярности входного сигнала.

Переменный ток рабочей обмотки создает в сердечнике переменный магнитный поток, который наводит в обмотке управления переменную э. д. с., в результате чего работа дросселя насыщения в режиме МУ будет неустойчива.

Реальный МУ состоит из двух дросселей насыщения, обмотки которых соединены между собой таким образом, что устраняется вредное влияние переменной э. д. с.

На рис. 2 показан МУ с встречно-последовательным включением рабочих обмоток ОР1 и ОР2 и общей обмоткой управления ОУ, размещенных на двух Ш-образных сердечниках. Встречное включение рабочих обмоток позволяет скомпенсировать переменные э. д. с., наводимыми в обмотке ОУ. Существуют и другие схемы соединения обмоток МУ.

Степень усиления МУ характеризуется коэффициентами усиления, которые относятся к числу основных показателей МУ. Коэффициент усиления по мощности представляет собой отношение мощности на выходе Р_н к мощности на входе Р_у, т. е.:

Для увеличения коэффициента усиления применяются МУ с положительными внутренними или внешними обратными связями.

Внутренняя обратная связь получается за счет намагничивания сердечника постоянной составляющей тока нагрузки при включении рабочей обмотки через выпрямитель. Внешняя обратная связь получается за счет применения в МУ дополнительной обмотки управления, подключаемой на выпрямленное напряжение, пропорциональное току нагрузки. Применяют также отрицательные обратные связи, уменьшающие коэффициент усиления. Для изменения коэффициента усиления и пределов регулирования в МУ часто применяют положительное и отрицательное смещения.

В схемах, где требуется изменение полярности выходного сигнала с изменением полярности сигнала управления, применяют реверсивные (двухтактные) МУ. Реверсивный МУ состоит из двух простых МУ, выходы которых включены на общую нагрузку встречно. При положительном сигнале управления преобладает выход одного МУ, а при отрицательном — другого. Результирующий выход реверсивного МУ определяют суммированием сигналов выхода простых МУ; при отсутствии управляющего сигнала он равен нулю.

Рис. 2. Устройство (а) и схема включения (б) магнитного усилителя:

1,4 — рабочие обмотки ОР1 и ОР2; 2 — Ш-образный сердечник: 3 — обмотка управления ОУ; (•) — начала обмоток

В силовых цепях судовых электроприводов применяют МУ типов УМП и УСО, а в цепях управления — типов ТУМ и УМП. В зависимости от сортов стали сердечников и схем включения МУ коэффициент усиления kp = 10 — 10000.