Реверсивные магнитные усилители с выходом переменного тока. Конструкция, принцип действия, применение

Мордовский  государственный университет им. Н.П. Огарёва 

Факультет электронной техники 
 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа  

Вариант №2 

«Реверсивные магнитные усилители с выходом переменного тока. Конструкция, принцип действия, применение» 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                              Выполнил: студент 312 группы

                                                                                Байков Д.В.

                                                                              Проверил: Тетюшкин В. С. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Саранск 2010 

     Реверсивными  усилителями с  выходом переменного  тока называют усилители, изменяющие на 180⁰ фазу тока в нагрузке при изменении полярности тока управления. Такое изменение фазы необходимо при реверсе двухфазных двигателей, работающих в следящих системах, и т.п.

     Существует  три основных вида схем реверсивных  усилителей этого типа:

     1) Дифференциальная схема – нагрузку включают между средней точкой вторичных обмоток питающего трансформатора и общей точкой соединения двух одинаковых нереверсивных усилителей. Обмотки смещения и управления намотаны и взаимодействуют точно так же, как в реверсивных схемах с выходом постоянного тока. При отсутствии тока управления сердечники обоих усилителей подмагничены в одинаковой степени и выходные токи I₁ и I₂ усилители равны. Разность этих токов в нагрузке близка к нулю (обычно в нагрузке в этом режиме продолжают проходить токи высших гармоник). При подаче сигнала в обмотки управления в нагрузке появляется ток, равный разности токов İ₁-İ₂, основная гармоника которого меняет фазу на 180⁰ при перемене полярности тока I_у  (рис. 1,а). 
 

           б) 
Рис. 1. Дифференциальные схемы реверсивных магнитных усилителей с выходом переменного тока:

     а) без обратной связи;   б) с самонасыщением 

     Аналогично работает схема с самонасыщением (рис.1,б), выгодно отличающаяся от предыдущей на один-два порядка большим коэффициентом усиления. Выпрямляя токи I₁ и I₂ мостовыми выпрямителями, можно получить схемы с комбинированной (внешней и внутренней) обратной связью, релейный режим и т.п.

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

     I₁₌

Где İ_н=İ₁-İ₂ – ток нагрузки; R_н+j𝝎L_н=Z_н – сопротивление нагрузки;

L₁ и L₂ – индуктивности рабочих обмоток усилителей (активными сопротивлениями этих обмоток пренебрегаем).

             Из (1) действующее значение основной  гармоники тока нагрузки: 

I_н=

     Сдвиг фаз между током I_н и напряжением U_c вторичных обмоток трансформатора определяется выражением:

     tgφ=

             В идеальном случае при полном  размагничивании одного усилителя        (когда Н_см-Н_у=0) его индуктивность L₁→бесконечности, а индуктивность другого усилителя L₂→0 и к нагрузке будет приложено все напряжение U_c. В реальных усилителях всегда U_{н max}<U_c. 

            2) Мостовая схема – рабочие обмотки одного 𝝎_1а и 𝝎_1б и рабочие обмотки другого 𝝎_2а и 𝝎_2б нереверсивного усилителя (рис.2,а) образуют четыре плеча моста, в одну диагональ которого включают нагрузку, а к другой подводят напряжение (рис.2,б). Цепи управления и смещения (не показанные на рисунке) осуществлены так же, как в дифференциальной схеме. При отсутствии тока управления индуктивности всех обмоток 𝝎_р одинаковы ,мост уравновешен и ток в нагрузке равен нулю. При подаче тока управления индуктивность уменьшается у той пары рабочих, в сердечниках которой напряженности смещения и управления складываются, и увеличивается у двух других обмоток 𝝎_р. Так как рабочие обмотки одного нереверсивного усилителя находятся в противоположных плечах моста, мост выходит из равновесия и по нагрузке идет ток, фаза которого меняется на 180⁰ при изменении полярности тока управления 

                   
Рис.2. Мостовая схема реверсивного магнитного усилителя с выходом переменного тока без обратной связи:

а) сердечники с обмотками;  б) схема соединений рабочих обмоток ( стрелки означают переходные     э.д.с., повышающие инерционность, снизить которую можно поменяв начала и концы 𝝎₁ или 𝝎₂)

     Мостовая  схема реверсивного усилителя может  быть выполнена и на усилителях с самонасыщением (рис. 3):

           а)     б)

                                      Рис. 3. Мостовая схема реверсивного  усилителя с выходом переменного 

                                                  тока  с самонасыщением:

                                      а) сердечники с обмотками;      б) схема соединение рабочих обмоток 
 
 
 

                3) Трансформаторная схема реверсивного усилителя также состоит из двух нереверсивных усилителей (рис. 4.). Трансформаторные усилители помимо обычных рабочих обмоток, роль которых выполняют первичные обмотки 𝝎_р1, имеют вторичные обмотки 𝝎_р2, э.д.с. которых связана с напряжением, приложенным к первичным рабочим обмоткам, коэффициентом трансформации. В реверсивной схеме обмотки 𝝎_р1 обоих усилителей включены последовательно с источником питания. Включенные встречно вторичные обмотки замкнуты на сопротивление нагрузки. Обмотки управления и смещения усилителей включены, как в двух предыдущих схемах (см. рис.1).

      Рис. 4. Трансформаторная схема реверсивного

        усилителя с выходом переменного  тока

            При отсутствии тока управления сердечники обоих усилителей подмагничены обмотками смещения в одинаковой степени, индуктивности всех обмоток 𝝎_р1 одинаковы и напряжение источника питания поровну 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 𝝎_р1, в сердечниках которой напряженности управления и смещения складываются; индуктивность другой пары обмоток увеличивается. Напряжение U₁ перераспределяется соответственно сопротивлениям первичных обмоток, вместе с ним изменяются вторичные напряжения. На нагрузке появляется разность вторичных напряжений, которая изменяет фазу на 180° при изменении полярности управляющего сигнала.

     Путем соответствующего выбора коэффициента трансформации можно получить любую величину напряжения на нагрузке, независимо от напряжения источника питания. Таким образом, схема рис 4 совмещает функции усилителя и трансформатора.

     Характеристики всех трех схем практически совпадают, если усилители выполнены на одних и тех же сердечниках, работающих в одинаковом режиме. Однако каждая схема имеет свои особенности, определяющие 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) B обладающая меньшими потерями в обмотках по сравнению с трансформаторной схемой. Последнее объясняется тем, что в трансформаторной схеме максимальный ток нагрузки идет по всем четырем вторичным обмоткам, а с учетом коэффициента трансформации и по всем четырем первичным. В мостовой же схеме этот ток проходит по двум обмоткам из четырех, расположенных в противоположных плечах моста. Однако мостовую схему можно применять только в том случае, если максимальное напряжение на нагрузке не превышает 65—75% напряжения источника питания, так как достигнуть идеального случая, U_{н max}=U_c, нельзя.

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

     Из схем с самонасыщением наиболее проста дифференциальная схема, благодаря чему она нашла широкое применение. Питающий ее трансформатор со средней точкой обычно объединяется с общим силовым трансформатором, питающим предыдущий каскад усилителя, цепи смещения и т. п.