книги из ГПНТБ / Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник

Число витков рабочей обмотки

иір= ^ -~—j ki а —100 • 20-0,7 —1400 витков.

При допустимой плотности тока 4 а/мм2 необходим провод сечением q-p =»

= 0,083/4 = 0,02 мм2 (диаметр 0,16 мм).

Обмотка смещения должна обеспечить режим холостого хода при отсутствии

рис. 3.20). Следовательно, ее параметры совпадают с параметрами обмотки уп­ равления (см. пример 3.1).

Площадь окна для рабочей обмотки

где кяяп для провода диаметром 0,16 мм с изоляцией ПЭВ определен по рис. 3.17

РЕВЕРСИВНЫЕ И МНОГОКАСКАДНЫЕ МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

§ 4.1. РЕВЕРСИВНЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ВЫХОДОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ИХ РАСЧЕТ

Простейшие усилители, которые не реагируют на изменение поляр­ ности тока в обмотке управления (см. рис. 2.1), называют нейтраль­ ными. Усилители с ОС, реагирующие на положительную и отрица­

в нагрузке остается неизменным, а ток меняется лишь по величине. Поэтому их называют нереверсивными.

полярности управляющего сигнала изменяется полярность тока нагрузки*.

* Термины одно- и двухтактные, используемые в литературе для обозна­ чения соответственно нечувствительности и чувствительности усилителя к поляр­ ности сигнала, нельзя признать удачными, так как, например, в цифровых уст­ ройствах под этими терминами подразумевается иное содержание.

90

Для работы на электромагнитную нагрузку, реверс которой осу­ ществляется изменением направления постоянного магнитного потока на противоположное, реверсивный усилитель наиболее просто полу­ чить, объединив два поляризованных усилителя с внешней обратной связью, как на рис. 4.1, а или с самонасыщением по схемам рис. 3.9.

Примерами таких нагрузок (Дн1 и Rh2 на рис. 4.1) могут служить две встречно включенные обмотки возбуждения генератора или электромашинного усилителя постоянного тока, две обмотки поляризован­ ного реле или две обмотки управления последующего каскада магнит­ ных усилителей (см. рис. 4.14). Две нагрузки-обмотки указанных

Рис. 4.1. Схема реверсивного магнитного усилителя с нагрузкой в виде двух сопротивлений Ra\ и RB2 и его характеристика

устройств включают так, чтобы их результирующая н. с. была про­ порциональна условному току нагрузки, равному разности токов двух обмоток:

/н = /1 - h-

Напряженности смещения Нсм, перемещающие начальные рабочие точки каждого усилителя на середину линейного участка, регулиру­ ются с помощью потенциометра /7рег так, чтобы при отсутствии тока в обмотках управления токи Д и / 2 были равны и, следовательно, /„ = 0. Обмотки смещения и управления наматывают так, чтобы при наличии управляющего сигнала напряженности смещения и управле­ ния складывались в одном и вычитались в другом усилителе, как пока­ зано на рис. 4.1. Тогда ток нагрузки одного усилителя увеличится, а другого — уменьшится, и появится разность токов Д—/ 2, меняю­ щая знак, а значит, и направление результирующего магнитного по­ тока в нагрузке при изменении полярности управляющего сигнала. Предельная величина тока управления должна соответствовать точ­ кам а и Ь на характеристике рис. 4.1, б, так как при больших сигна­ лах ток в нагрузке начнет уменьшаться (в этом заключается согласо­ вание источника управляющего сигнала с усилителем).

Каждый поляризованный усилитель реверсивной схемы рассчитывают, как обычный усилитель (см. §3.7). Следует только за ток / н.тах принять наибольший

91

ток нагрузки, увеличенный на несколько процентов от заданного, чтобы учесть действие противоположно направленного тока холостого хода другого усилите­ ля при максимальном сигнале в обмотке управления. При расчете цепи управ­ ления и оценке коэффициента усиления необходимо помнить, что мощность на входе схемы делится поровну между двумя последовательно соединенными об­

мотками управления.

Постоянная времени реверсивного усилителя равна постоянной времени каждого усилителя, а его передаточная функция выражается такой же зависимостью, как и составляющих реверсивную схему уси­ лителей. Это объясняется тем, что увеличение вдвое крутизны участка ab статической характеристики реверсивной схемы (рис. 4.1) по сравнению с характеристиками усилителей, составляющих ее (и кажущееся увеличение вдвое коэффициента усиления), сопровож-

дается увеличением (тоже в два раза) напряжения и мощности, которые подаются к двум, последовательно соединенным обмоткам управ­ ления.

Часто на выходе реверсивного усилителя включают одно сопротив­ ление нагрузки, в котором ток должен менять полярность при изме­ нении полярности тока управления. В этом случае применяют схемы с балластными сопротивлениями.

На рис. 4.2 приведена одна из таких схем. В сопротивлении R H протекают направленные навстречу друг другу выпрямленные моста­ ми В1 и В2 выходные токи усилителей, создающие результирующий ток:

I н = I нх ^ н2*

Цепи смещения и управления работают аналогично схеме рис. 4.1, а, реверсируя ток /„ при изменении полярности тока управления.

Однако в нагрузку течет только одна часть / н1 выпрямленного тока усилителя; вторая часть /ш1, как показано стрелками для тока первого усилителя, может ответвляться в балластное сопротивление

92

Re, когда все четыре вентиля выпрямителя В 2 открыты. При отсутст­ вии Re и малом прямом сопротивлении вентилей эта цепь целиком бы шунтировала нагрузку. Сделать Re -> оо нельзя, так как цепь для вы­ ходного тока второго усилителя оказалась бы разорванной. Сущест­ вует некоторое оптимальное значение Re-

Ha рис. 4.3 показана другая схема с балластными сопротивлениями, работа которой подобна рассмотренной. При отсутствии сигнала токи Re и / 2б в балластных сопротивлениях одинаковы, а следовательно, равны и падения напряжения на них. Разность потенциалов между точками а и b отсутствует, и ток в нагрузке равен нулю. При появле­ нии положительного тока управления ток Re растет, ток R е падает, и на нагрузке появляется разность потенциалов с полярностью, обозначенной на рисунке. При отрицательном токе управления нап­ ряжение и ток нагрузки меняют полярность.

Реверсивные схемы рис. 4.2 и 4.3 состоят из усилителей с внешней ПОС, вместо которых можно также применять усилители с самонасыщением и с комбинированной обратной связью.

Расчет каждого усилителя реверсивной схемы с балластными со­ противлениями тоже можно свести к расчету простейшего усилителя

При максимальном токе управления усилитель, в котором напряжен­ ности смещения и управления складываются, находится в режиме Я ^ юаі, а усилитель, в котором напряженности Нсш и Яу вычитаются, близок к режиму холостого хода. Последнее означает, что током на выходе второго усилителя можно пренебречь, а схемы рис. 4.2 и 4.3

Считая сопротивление рабочих обмоток первого усилителя чисто индуктивным и обозначив его через Х ъ получим среднее значение выходного тока этого усилителя

где Ucv — среднее напряжение каждой вторичной обмотки пита­ ющего трансформатора (см. рис. 4.2).

Ток нагрузки связан с током R соотношением

а мощность в нагрузке с учетом (4.2)

93

Приравняв нулю частные производные d P jd R Hи dPJdRa, можно найти оптимальные значения R H и Ra:

Подставляя второе равенство (4.5) в (4.3) и (4.1), найдем эквивалент­ ное сопротивление и выходной ток, на которые следует рассчитывать

Рис. 4.4. Схемы замещения для расчета реверсивных магнит­ ных усилителей с выходом постоянного тока

составит лишь 17,5% от выходной мощности соответствующего нере­ версивного усилителя; остальная мощность выделяется в балластных сопротивлениях Ra.

94

Как и в предыдущем случае, только 17,5% мощности, на которую по данным (4.8) рассчитан каждый усилитель, будет отдаваться в на­ грузку; остальная мощность выделяется в R^.

Таким образом, обе схемы одинаково неэкономичны. Схему рис. 4.2 удобнее согласовать с малыми сопротивлениями нагрузки, так как

Рассчитывать усилители можно по методу, рассмотренному в § 3.7, исполь­ зуя соотношения (4.6) или (4.8). При оценке коэффициента усиления по мощности каждого усилителя необходимо учитывать выражение (4.7) и то, что мощность, выделяющаяся в обмотке управления каждого усилителя, равна половине мощ­ ности, поступающей на вход схемы, благодаря последовательному соединению

ОбмОТОК ДОу.

Решение. При заданном значении RH целесообразна схема рис. 4.2. Расчет каждого плеча такой схемы усилителя производят на следующие эквивалентные

к расчету примера 3.1 (в § 3.7), если учесть, что сопротивление каждой из двух последовательно соединенных обмоток управления должно быть равно 500 ом

§ 4.2. РЕВЕРСИВНЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ВЫХОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Р е в е р с и в н ы м и у с и л и т е л я м и с в ы х о д о м пе ­ р е м е н н о г о т о к а называют усилители, изменяющие на 180° фазу тока в нагрузке при изменении полярности тока управления. Такое изменение фазы необходимо при реверсе двухфазных двигате­ лей, работающих в следящих системах и т. п.

Существует три основных вида схем реверсивных усилителей этого типа: дифференциальная, мостовая и трансформаторная.

В д и ф ф е р е н ц и а л ь н о й с х е ме (рис. 4.5, а) нагрузку включа­ ют между средней точкой вторичных обмоток питающего трансформато­ ра и общей точкой соединения двух одинаковых нереверсивных усили­ телей. Обмотки смещения и управления намотаны и взаимодействуют точно так же, как в реверсивных схемах с выходом постоянного тока (см. рис. 4.2, 4.3). При отсутствии тока управления сердечники обоих усилителей подмагничены в одинаковой степени и выходные токи Іх и / 2 усилителей равны. Разность этих токов в нагрузке близка к нулю (обычно в нагрузке в этом режиме продолжают течь токи высших гармоник). При подаче сигнала в обмотки управления в нагрузке по­ является ток, равный разности токов !х — / 2, основная гармоника ко­ торого меняет фазу на 180° при перемене полярности тока / у.

Аналогично работает схема с самонасыщением (рис. 4.5, б), вы­ годно отличающаяся от предыдущей на один-два порядка большим коэффициентом усиления. Выпрямляя токи Іх и / 2 мостовыми выпрями­ телями, можно получить схемы с внешней или комбинированной об­ ратной связью, ввести усилитель в релейный режим и т. п.

95

Оперируя с основными гармониками токов и напряжений, можно для вьг ходных токов усилителей записать выражения:

Рис. 4.5. Дифференциальные схемы реверсивных магнитных уси­ лителей с выходом переменного тока:

а — без обратной связи; б — с самонасышением

Из (4.9) действующее значение основной гармоники тока нагрузки

96

(рис. 4.6, а) образуют четыре плеча моста, в одну диагональ которого включается нагрузка, а к другой подводится напряжение Uc (рис. 4.6, б). Цепи управления и смещения (не показанные на рисунке) осуществлены так же, как в дифференциальной схеме. При отсутствии тока управления индуктивности всех обмоток wp одинаковы, мост уравновешен и ток в нагрузке равен нулю. При подаче тока управле­ ния индуктивность уменьшается у той пары рабочих обмоток, в сер­ дечниках которой напряженности смещения и управления складыва­ ются, и увеличивается у двух других обмоток wp. Так как рабочие об­ мотки одного нереверсивного усилителя находятся в противополож­

ат

Рис. 4.6. Мостовая схема реверсивного магнитного уси­ лителя с выходом переменного тока без обратной связи:

а — сердечники с обмотками; 6 — схема соединений рабочих обмоток (стрелки означают переходные э. д. с., повышающие,

как в схеме рис. 2,2, д, инерционность, снизить которую мож­ но, поменяв начала и концы wj или w2)

ных плечах моста, мост выходит из равновесия и по нагрузке течет ток, фаза которого меняется на 180° при изменении полярности тока управления.

Мостовая схема реверсивного усилителя может быть выполнена и на усилителях с самонасыщением (рис. 4.7).

Т р а н с ф о р м а т о р н а я с х е ма реверсивного усилителя также состоит из двух нереверсивных усилителей (рис.4.8). Трансформаторные усилители помимо обычных рабочих обмоток, роль которых выполняют первичные обмотки wpl, имеют вторичные обмотки а>Р2, э. д. с. которых связана с напряжением, приложенным к первичным рабочим обмот­ кам, коэффициентом трансформации. В реверсивной схеме обмотки wpl обоих усилителей включены последовательно с источником пита­ ния. Включенные встречно вторичные обмотки замкнуты на сопротив­ ление нагрузки. Обмотки управления и смещения усилителей включе­ ны, как в двух предыдущих схемах (см. рис. 4.5).

При отсутствии тока управления сердечники обоих усилителей под­ магничены обмотками смещения в одинаковой степени, индуктивности всех обмоток о>р1 одинаковы, и напряжение источника питания по­ ровну делится между двумя усилителями. Вторичные э. д. с. равны, и их разность, приложенная к нагрузке, равна нулю.

При подаче тока в обмотки управления уменьшается индуктивность той пары обмоток шр1, в сердечниках которой напряженности управле-

ния и смещения складываются; индуктивность другой пары обмоток увеличивается. Напряжение Ѵх перераспределяется соответственно сопротивлениям первичных обмоток, вместе с ним изменяются вто­ ричные напряжения. На нагрузке появляется разность вторичных напряжений, которая изменяет фазу на 180° при изменении полярно­ сти управляющего сигнала.

Путем соответствующего выбора коэффициента трансформации можно получить любую величину напряжения на нагрузке, независи­ мо от напряжения источника питания. Таким образом, схема рис. 4.8 совмещает функции усилителя и трансформатора.

Характеристики всех грех схем практически совпадают, если уси­ лители выполнены на одних к тех же сердечниках, работающих в оди­ наковом режиме. Однако каждая схема имеет свои особенности, опре­ деляющие область ее применения.

Из схем без обратной связи (как внешней, так и внутренней, т. е. без самонасыщения) наиболее проста мостовая схема, не имеющая трансформатора (как дифференциальная схема) и обладающая мень­ шими потерями в обмотках по сравнению с трансформаторной схемой. Последнее объясняется тем, что в трансформаторной схеме максималь­ ный ток нагрузки течет по всем четырем вторичным обмоткам, а с уче­ том коэффициента трансформации и по всем четырем первичным. В мостовой же схеме этот ток протекает по двум обмоткам из четырех, расположенных в противоположных плечах моста. Однако мостовую схему можно применять только в случае, если максимальное напря­ жение на нагрузке не превышает 65—75% напряжения источника пита­ ния, так как достигнуть идеального случая, т. е. £/н max= t/c, нельзя.

Трансформаторную схему удобно применять тогда, когда макси­ мальное напряжение на нагрузке должно быть выше или намного ниже напряжения источника питания.

93