Магнитный усилитель принцип работы кратко
Обновлено: 07.07.2024
Магнитные усилители похожи на трансформаторы, но они могут регулировать электрический ток в случаях, когда ни электронные лампы, ни транзисторы этого делать не в состоянии.
Способность железных предметов намагничиваться в магнитном поле была известна еще в Древнем мире, однако только великий Ампер смог объяснить это явление гипотезой о вращающихся магнитных доменах, подтвержденной теоретическими работами Максвелла [1]. Согласно этой гипотезе железный сердечник (рис. 1) содержит мельчайшие намагниченные образования (домены), в каждом из которых вдоль продольной оси циркулирует ток, создающий магнитный микропоток.
В размагниченном железе (рис. 1а) все домены расположены хаотично, поэтому его суммарный магнитный поток равен нулю. При приложении магнитного поля, например с помощью намотанной на сердечник катушки, по мере увеличения этого поля часть доменов начинает разворачиваться — до тех пор, пока все домены не расположатся вдоль оси сердечника (рис. 1б), доведя его магнитный поток до максимума. Такое состояние сердечника называется насыщением. По современным представлениям микропоток домена создается не циркулярным током, а вращением электрона вокруг своей оси и вокруг ядра атома. Из гипотезы Ампера следуют два важных вывода. Во-первых, магнитный поток сердечника до зоны насыщения растет по мере увеличения магнитного поля. Во-вторых, в зоне насыщения магнитный поток постоянен вне зависимости от изменения внешнего магнитного поля — аналогично катушке с воздушным сердечником.
Рис. 1. Домены в железе:
а) размагниченном;
б) намагниченном
Рис. 2. Кривая Столетова
Профессор Столетов известен также своими исследованиями фотоэффекта и электрического разряда. Он создал знаменитую физическую лабораторию и вел активную общественную и международную деятельность. В 1893 г. был выдвинут кандидатом в РАН, однако ее президент, Великий князь Константин, не допустил его избрания из-за независимого характера. В том же году в связи с истечением 30-летнего срока службы в университете Столетов был освобожден от всех своих обязанностей, что весьма негативно отразилось на его самочувствии, и в 1896 г. он скончался.
По кривой Столетова ведутся расчеты каждой электрической машины, трансформаторов, а также магнитных усилителей, первые схемы которых представили в 1901 г. американские изобретатели Чарльз Бургесс (Сharles Burgess) и Будд Франкенфилд (Budd Frankenfield) (рис. 3) [1, 3].
Рис. 3. Первый магнитный усилитель
Магнитный усилитель с железным сердечником (1) и двумя обмотками — рабочей (2) и управляющей (3) — включен последовательно с нагрузкой, например осветительной сетью (4), подключенной к генератору (или сети) переменного тока (5). Ток в управляющей обмотке (3) от генератора (6) или другого источника постоянного тока регулируется реостатом (7).
Сопротивление RL рабочей обмотки с индуктивностью L на частоте w определяется формулой RL = wL [1]. Для катушки с сердечником L = kрm, где kр — конструктивный параметр рабочей обмотки, определяемый ее числом витков, сечением и длиной сердечника, а m — магнитная проницаемость сердечника, равная тангенсу угла наклона касательной к кривой Столетова (рис. 2). Тогда RL = kрwm будет пропорционально магнитной проницаемости сердечника, которую, в соответствии с кривой Столетова, можно регулировать током iу управляющей обмотки, создающим напряженность магнитного поля H = kуiу, где kу — конструктивный параметр управляющей обмотки, определяемый числом ее витков и длиной.
Таким образом, если в осветительной системе на рис. 3 ток в управляющей обмотке достаточно мал, то сопротивление рабочей обмотки очень большое и лампы не светятся, но по мере роста управляющего тока лампы разгораются, поскольку сопротивление рабочей обмотки падает, пока не станет ничтожно малым при насыщении сердечника, что сопровождается достижением максимальной яркости всех ламп.
Рис. 4. Эрнст Александерсон (1878–1975)
В начале ХХ в. подобные магнитные усилители применялись для освещения театров, регулирования температуры в помещении и в других случаях, требующих больших токов управления [1, 4, 5]. Однако как элемент автоматики эти устройства получили признание лишь после работ знаменитого американского электротехника Александерсона.
Эрнст Александерсон (Ernst Alexanderson) (рис. 4) родился в 1878 г. в Швеции в семье профессора лингвистики [6, 7].
Получил хорошее инженерное образование в Королевском технологическом институте в Стокгольме, а затем и в Берлинском техническом университете, где увлекся работами знаменитого американского электротехника Чарльза Протеуса Штейнмеца (Charles Proteus Steinmetz), который предложил рассчитывать электрические машины не привычными графическими методами, а чисто аналитически — с помощью комплексных переменных. Это и послужило причиной эмиграции Александерсона в США в 1901 г., где по рекомендации Штейнмеца он был принят чертежником в отдел электрогенераторов компании General Electric. Однако очень скоро молодому эмигранту стали поручать и проектные работы, среди которых одной из первых стал высокочастотный машинный генератор радиопередатчика [6, 8].
Рис. 5. Радиопередатчик
Стабилизация несущей частоты радиопередатчика выполнялась замкнутой системой регулирования скорости электродвигателя, вращающего генератор, также с магнитным усилителем.
Первая в истории передача по радио речи и музыки с помощью данного передатчика проводилась Фессенденом в канун Рождества 1906 г. [6, 7, 8]. Радисты кораблей, находившихся за сотни километров от берега, с изумлением услышали после обычной морзянки чтение библии, пение и игру на скрипке. После этого было построено много аналогичных радиостанций как в США, так и в Европе, и радиовещание постепенно стало частью повседневной жизни. Когда в 1923 г. был похищен 6-летний сын Александерсона, все радиостанции США передали описание мальчика, который был вскоре освобожден. Злоумышленники были схвачены. Последний такой действующий машинный передатчик сохранился в Швеции. До сих пор низкие частоты передатчика Александерсона используются для дальней радиосвязи с подводными лодками.
Всю свою жизнь, вплоть до кончины в 97 лет, Александерсон проработал в компании General Electric и созданной на ее основе крупнейшей Radio Corporation of Ameriсa, последние годы в качестве консультанта [6, 7]. Был одним из создателей телевидения: первым передал в 1924 г. по радио факсимильное изображение, в 1927 г. начал домашнее телевещание, создал стандарт цветного телевидения. Помимо магнитных усилителей, Александерсон разработал множество электротехнических устройств и систем, в том числе первый вентильный двигатель на тиратронах (1934 г.) [11], электромашинный усилитель (амплидин) для систем орудийной наводки и др. Получил 344 патента, последний в возрасте 89 лет.
После войны и вплоть до широкого внедрения транзисторов в 1960-х гг. начался бурный ренессанс магнитных усилителей, которые стали широко использовать в наземных и авиационных электроприводах, электрогенераторах, системах регулирования ядерных реакторов и других объектов [1, 4, 5]. Примером может служить схема управления электродвигателем, запатентованная самим Александерсоном в 1954 г. (рис. 6) [12].
Рис. 6. Управляемый электродвигатель
В 1949 г. магнитные усилители нашли неожиданное применение в первых ЦВМ, когда Ань Ван (An Wang) из Гарвардского университета (столетие которого отмечается в этом году) получил патент на магнитную ячейку памяти (рис. 7), купленный компанией IBM за $500 тыс. [13, 14].
Рис. 7. Ячейка памяти
Ячейка содержит сердечник (1) в виде колечка из материала с узкой петлей гистерезиса, который находится в состоянии насыщения с двумя направлениями намагниченности — положительным +B (цифровой 0) или отрицательным –B (цифровая 1), и три обмотки: записи (2), считывания (3) и выходную (4), подключенную к приемнику (5) через диод (6). При записи отрицательным импульсом на обмотку (2) сердечник принимает состояние –B. При поступлении положительного импульса считывания на обмотку (3) сердечник перемагничивается с –B на +B, что вызывает положительный импульс в выходной обмотке (4), проходящий в приемник (цифровая 1). Если же первоначально сердечник был в состоянии +B, то импульс считывания не вызывает перемагничивания сердечника и импульс в приемник (5) не поступает (цифровой 0). После каждого считывания состояние сердечника восстанавливается импульсом записи.
Благодаря преимуществам магнитных усилителей их продолжают применять в мощных электроприводах, например прокатных станов и тепловозов, электрогенераторах, ядерных реакторах и измерительных усилителях, особенно специального применения [5].
Магнитный усилитель позволяет управлять переменным током, проходящим через него, путем пропускания небольшого управляющего постоянного тока через управляющую обмотку.
Принцип действия магнитного усилителя
Вашему вниманию подборка материалов:
Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
[Индуктивность, Гн] = 1.257E-9 * [Магнитная проницаемость сердечника] * [Площадь сечения магнитопровода, кв. мм] * [количество витков]^2 / [Длина средней магнитной линии сердечника, мм]
Принцип действия магнитного усилителя основан на интересном свойстве ферромагнитных материалов. Этим материалам свойственно насыщение. Это означает, что в ненамагниченном состоянии магнитная проницаемость может быть несколько тысяч или несколько десятков тысяч (для трансформаторного железа). При такой высокой магнитной проницаемости индуктивность катушки, намотанной на сердечнике, будет большой. Большим будет и модуль сопротивления переменному току. Путь переменному току будет практически перекрыт. Магнитный усилитель закрыт.
Но все меняется, если достаточно сильно (до насыщения) намагнитить сердечник. При этом его магнитная проницаемость приблизится к единице. Индуктивность, а значит модуль сопротивления, уменьшится в тысячи или десятки тысяч раз. Магнитный усилитель откроется.
Рисунок иллюстрирует описанный процесс. Магнитная индукция, характеризующая интенсивность магнитного поля, отложена по вертикальной оси. Сначала она быстро нарастает при небольшом росте электрического тока. Потом происходит перелом графика. Индукция уже растет намного медленнее по отношению к силе тока. Когда магнитный усилитель закрыт, сила тока располагается между точками 1 - 2. Сила тока через открытый магнитный усилитель находится между точками 3 - 4.
На этом рисунке мы видим график тока через магнитный усилитель в его разных режимах. A1 - усилитель открыт. A2 - усилитель закрыт. A3 - промежуточное состояние. Мы видим, что в открытом или закрытом состоянии магнитный усилитель практически не искажает сигнал. Но вот в промежуточном состоянии искажения очень существенные. Кроме того в промежуточном состоянии достаточно высоки потери на перемагничивание сердечника. В таком режиме магнитный усилитель используется только, если нагрузка не чувствительна к искажению формы сигнала или происходит последующая фильтрация. Замечу, что искажения, вносимые магнитным усилителем, довольно безобидные. В выходном сигнале нет высших гармоник.
Устройство, схема
Типичный магнитный усилитель состоит из двух совершенно одинаковых дросселей с двумя обмотками, соединенных, как показано на схеме.
Силовые обмотки L2 и L3 соединены параллельно. Выводы 1 - 2 предназначены для подвода переменного тока, которым мы хотим управлять. Они включаются последовательно с нагрузкой. Управляющие обмотки соединены последовательно навстречу друг другу, чтобы напряжение на одной равнялось минус напряжению на другой.
Очень важно, чтобы дроссели были максимально идентичными. Напряжение на обмотке L1, наводимое с обмотки L2, должно быть в точности равно напряжению на обмотке L4, наводимому с обмотки L3. Тогда на выводах 3 - 4 вообще не будет напряжения, что необходимо для правильной работы устройства.
Возможным вариантом является намотка обоих дросселей на одном Ш - образном сердечнике.
Здесь обмотка L1 подмагничивает оба дросселя. В обмотке L4 нет необходимости. Ниже мы рассчитаем количество витков для управляющих обмоток. Число витков обмотки L1 во втором исполнении равно числу витков обмотки L1 в первом исполнении. Может показаться, что второе исполнение экономит медь, ведь не нужно мотать вторую управляющую обмотку. Но на самом деле. Длина витка L1 во втором исполнении значительно больше, чем в первом. Экономия меди есть, но не очень большая.
Здравствуйте. Измерение постоянного тока. Токовые клещи Вы пробовали делать или это теоретические разработки? Если делали можно рабочую схему с данными. Хотелось ее сделать. Читать ответ.
Тиристорное переключение нагрузки, коммутация (включение / выключение).
Применение тиристоров в качестве реле (переключателей) напряжения переменного то.
Бестрансформаторные источники питания, преобразователи напряжения без .
Расчет онлайн гасящего конденсатора бестрансформаторного источника питания.
Прямоходовый импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, .
Как работает прямоходовый стабилизатор напряжения. Описание принципа действия. П.
Использование переключающихся конденсаторов в бестрансформаторном исто.
Вариант бестрансформаторной схемы источника питания с переключением конденсаторо.
Магнитные усилители в металлообрабатывающих станках
Магнитный усилитель коммутирует электрическую цепь тока изменением в широких пределах своего индуктивного электрического сопротивления, величина которого зависит от степени насыщения магнитопровода.
Магнитные усилители нашли широкое применение в электроприводах металлорежущих станков из-за их надежности и большого срока службы (он считается одним из самых надежных элементов систем автоматики), отсутствия подвижных частей, возможности исполнения магнитных усилителей мощностью от долей ватта до сотен киловатт, большой прочности и стойкости по отношению к вибрациям и ударной нагрузке. Кроме этого у благодаря магнитным усилителям можно легко осуществить суммирование сигналов. Они имеют большой коэффициент усиления. В магнитных усилителях отсутствует электрическая связь между входными и выходными цепями.
Принцип действия магнитного усилителя основан на использовании нелинейности кривой намагничивания ферромагнитного материала. При намагничивании постоянным током сердечник усилителя насыщается и индуктивность рабочих обмоток переменного тока усилителя уменьшается. Рабочие обмотки обычно включаются последовательно с нагрузкой. Поэтому напряжение, которое до насыщения сердечника было приложено к рабочим обмоткам усилителя в момент насыщения, прикладывается к нагрузке.
Ток нагрузки регулируют изменением тока в обмотке подмагничивания магнитного усилителя. Обмотка смещения служит для создания начального подмагничивания, необходимого для того чтобы ток в нагрузке изменялся различным образом в зависимости от знака полярности сигнала управления, а также для выбора точки на прямолинейном участке характеристики. Обмотка обратной связи предназначена для получения требуемой формы выходных характеристик.
Конструктивно магнитный усилитель представляет собой сердечник из листового ферромагнитного материала, на который намотаны обмотки переменного и постоянного тока. Для устранения наводок э. д. с. переменного тока цепи обмоток постоянного тока обмотки переменного ока намотаны отдельно на сердечниках, а обмотки постоянного тока охватывают оба сердечника.
Схема простейшего магнитного усилителя
Магнитный усилитель может иметь несколько обмоток управления. В этом случае в рабочем режиме ток в нагрузке будет определяться суммарным током управления. То есть он может быть использован как сумматор электрических сигналов не связанных между собой (суммируются постоянные сигналы).
Магнитные усилители могут быть как нереверсивные, так и реверсивные. В нереверсивных магнитных усилителях изменение полярности сигнала управления не вызывает изменения фазы и знака тока нагрузки.
Сердечники магнитных усилителей изготовляют как из трансформаторной стали, так и из пермаллоя, причем трансформаторную сталь применяют при мощности магнитного усилителя, большей 1 Вт. Величина магнитной индукции в сердечнике из трансформаторной стали достигает 0,8 - 1,0 Т. Коэффициент усиления таких магнитных усилителей составляет от 10 до 1000.
Пермаллой применяют в магнитных усилителях, мощность которых меньше 1 В. Прямоугольный характер петли гистерезиса для пермаллоя позволяет получить коэффициент усиления от 1000 до 10 000 и выше.
Сердечник магнитного усилителя шихтуют из отдельных пластин, как сердечники дросселей или трансформаторов. Широкое распространение получили магнитные усилители на тороидальных сердечниках, которые, несмотря на технологические трудности их изготовления, обладают целым рядом преимуществ и первое из них - отсутствие воздушных зазоров, что улучшает характеристики магнитного усилителя.
Широко распространены следующие схемы магнитных усилителей: однотактные и двухтактные, реверсивные и нереверсивные, однофазные и многофазные.
В металлорежущих (и не только металлорежущих) станках можно встретить очень большое разнообразие конструкций магнитных усилителей: однофазные серии УМ-1П, трехфазные серии УМ-ЗП, собранные на шести П-образных сердечниках из стали марки Э310, однофазные серии ТУМ на тороидальном сердечнике, блоки магнитных усилителей серии БД, содержащие, кроме магнитных усилителей, понижающие трансформаторы, диоды и резисторы, собранные на одной панели. Системы электропривода могут быть построены на любых усилителях из этих серий.
Обмоточная схема магнитного усилителя УМ-1П
Кроме этого часто на различных станках применяются комплектные приводы с магнитными усилителями и двигателями постоянного тока, например очень распространенный привод с магнитными усилителями ПМУ. Но об этом мы обязательно поговорим следующий раз. Кроме этого, в следующем посте остановимся на методах наладки магнитных усилителей, затронем и ряд других вопросов, интересных всем кто постоянно сталкивается или собирается в будущем столкнуться в работе с магнитными усилителями.
Комплектные электроприводы с магнитными усилителями
Несмотря на то, что в современном электроприводе с успехом используются статические преобразователи (тиристоры, силовые транзисторы, IGBT-модули), на наших промышленных предприятиях все еще очень часто можно встретить электродвигатели и генераторы постоянного тока, работающие в комплекте с магнитными усилителями.
Магнитные усилители самое широкое распространение получили в промышленном оборудовании еще в 50-х годах. В целом, в эпоху дополупроводниковой техники существовала следующая тенденция – асинхронный и синхронный (для больших мощностей) привод применялся в нерегулируемом электроприводе и привод постоянного тока с электромашинным или статическим (тиритронный или ртутный выпрямители, магнитный усилитель) для регулируемого.
В настоящее время наиболее часто можно на отечественных предприятиях в схемах электрооборудования станков, машин и установок можно встретить комплектные электроприводы постоянного тока с магнитными усилителями серии ПМУ.
ПМУ - привод с магнитными усилителями и селеновыми выпрямителями. Диапазон регулирования скорости двигателя 10:1. Регулирование производится изменением напряжения на якоре вниз от номинальной частоты вращения двигателя. Система регулирования автоматическая с обратной связью по э. д с. двигателя, без тахогенератора и промежуточного усилителя. Мощность привода от 0,1 до 2 кВт. Привод предназначен для выпрямленное напряжение на выходе моста составляет от 340 до 380 В. Для получения достаточно жестких характеристик привода в схему введены отрицательные обратные связи по току и напряжению.
Каждый привод серии ПМУ представляет собой комплект, состоящий из блока питания, выпрямителей, магнитных усилителей, двигателя постоянного тока и задатчика скорости.
Привод работает следующим образом. Напряжение, подводимое к двигателю, автоматически следует за сигналом, зависящим от изменения его частоты вращения. При снижении частоты вращения двигателя напряжение возрастает и наоборот: напряжение поддерживает с заданной точностью величину частоты вращения независимо от изменения нагрузки и других возмущающих факторов.
Влияние различных возмущающих факторов на частоту вращения компенсирует реактивное сопротивление рабочей обмотки магнитного усилителя: при возрастании нагрузки ток в цепи якоря увеличивается, что вызывает уменьшение сопротивления рабочей обмотки магнитного усилителя. Вследствие снижения сопротивления рабочей обмотки напряжение на якоре двигателя возрастает, ток в обмотках увеличивается, что еще больше уменьшает полное сопротивление рабочих обмоток усилителя. В результате суммарного снижения сопротивления рабочей обмотки напряжение на якоре двигателя возрастает, что компенсирует снижение частоты вращения двигателя. Необходимая частота вращения двигателя устанавливается с помощью задатчика Р и резисторов R1 - R4.
ПМУ-М аналогична серии ПМУ, но магнитные усилители собраны на П-образных сердечниках. Мощность привода ПМУ-М от 0,1 до 7 кВт.
В приводах серии ПМУ-М применена система автоматического регулирования частоты вращения с обратными связями по напряжению и току якоря двигателя. Магнитный усилитель имеет две группы обмоток управления. По одной из них протекает ток управления, являющийся алгебраической суммой тока задатчика и токов обратных связей, другая (обмотка смещения) - служит для выбора рабочей точки на прямолинейном участке характеристики магнитного усилителя.
Для защиты от недопустимо больших значений тока якоря приводы ПМУ-М габаритов с 8 по 11 снабжены узлом ограничения тока. При превышении током якоря допустимых значений срабатывает реле максимального тока, его размыкающий контакт размыкается и обрывает цепь питания обмотки управления. Так как обмотка смещения остается замкнутой, то магнитный усилитель запирается и ток якоря снижается. Действие схемы привода ПМУ-М аналогично действию схемы привода ПМУ.
ПМУ-П — приводы повышенной точности и расширенного диапазона регулирования 100 : 1. Система регулирования автоматическая с обратной связью по частоте вращения, которая осуществляется с помощью тахогенератора и промежуточного полупроводникового усилителя. Частота вращения двигателя регулируется изменением напряжения на якоре.
Кстати, магнитные усилители могут быть также использованы для регулирования напряжения на зажимах асинхронного двигателя, а также в качестве бесконтактных пускателей.
Магнитный усилитель — это статический аппарат, предназначенный для управления величиной переменного тока посредством слабого постоянного тока. Применяется в схемах автоматического регулирования электродвигателей переменного тока.
Содержание
Принцип действия
Работа магнитного усилителя основана на нелинейности характеристики намагничивания магнитопровода. На крайних стержнях магнитного усилителя находится рабочая обмотка, которая состоит из двух катушек, соединённых последовательно. На среднем стержне размещается обмотка управления из большого количества витков W=. Если ток в неё не подаётся, а к рабочей обмотке, соединённой последовательно с нагрузкой, подведено переменное напряжение U~, то из-за малого количества витков W~ магнитопровод не насыщается, и почти всё напряжение падает на реактивном сопротивлении рабочих обмоток Z~. На нагрузке в этом случае выделяется малая мощность.
Если теперь пропустить по обмотке управления ток Iу, то даже при небольшом его значении (из-за большого W=), возникает насыщение магнитопровода. В результате реактивное сопротивление рабочей обмотки резко уменьшается, а величина тока в цепи — увеличивается. Таким образом, посредством малых сигналов в обмотке управления можно управлять значительной величиной мощности в рабочей цепи магнитного усилителя.
В простейшем случае магнитный усилитель — это управляемая постоянным током индуктивность, которая включается в цепь переменного тока последовательно с нагрузкой. При большой индуктивности ток в последовательной цепи и в нагрузке маленький, при малой индуктивности ток в последовательной цепи и в нагрузке большой. Существует целый ряд разработок, в которых магнитный усилитель используется для удвоения частоты, бесконтактного переключения токов (бесконтактные реле), для стабилизации напряжения питания, для модуляции сигналов ВЧ сигналами НЧ.
В последнее время магнитный усилитель был частично потеснён полупроводниковыми приборами, но в ряде применений по-прежнему не имеет конкурентов.
| Характеристика | Магнитный усилитель | Полупроводниковый усилитель |
|---|---|---|
| Управляемый ток | ВЧ | постоянный |
| Управляющий ток | постоянный или НЧ | ВЧ |
| Чувствительность | 10 −19 Вт | ? |
| Освоенная мощность | до 500 МВА | свыше 10 МВА |
| К-т усиления 1 каскада | до 10 6 | до 10 6 |
| Рабочая температура | от 0К до 500°С | (от −40 до +80)°С, расширение диапазона требует научных исследований и создания новых материалов и технологий |
| Рабочее напряжение | не ограничено | около 3 кВ |
Применение
По-прежнему магнитные усилители используются в системах, измеряющих постоянные токи от тензодатчиков. Гибридные схемы, сочетающие в себе миниатюрный магнитный усилитель с полупроводниковым, легко решают проблему дрейфа нуля и обладают высокой точностью.
Магнитный усилитель позволяет бесконтактно измерять постоянные токи в линиях электропередач. В последнее время для этого всё чаще применяют более компактные датчики Холла.
Читайте также: