Лабораторная работа № 6 Изучение и исследование устройств электроавтоматики на базе магнитных усилителеЙ

1. Цель работы

Изучение конструкции и принципов действия устройств электроавтоматики, построенных на базе магнитных усилителей, экспериментальное исследование электроприводов с магнитными усилителями (МУ) на примере привода серии ПМУ.

2. Некоторые сведения из теории магнитных усилителей

Электропривод с МУ представляет управляемый МУ, нагрузкой которого является электродвигатель переменного или, как правило, постоянного тока. Рассмотрим кратко принцип действия и особенности МУ.

В зависимости от места включения нагрузки и характера протекающего по рабочим обмоткам тока различают дроссельные МУ и МУ с самоподмагничиванием.

Дроссельные магнитные усилители (ДМУ)

ДМУ обычно состоит из двух дросселей насыщения Д_р1 и Д_р2 (рис. 6.1), каждый из которых выполнен на ферромагнитном сердечнике и имеет рабочую обмотку ω_р и обмотку управления ω_у, предназначенную для подмагничивания дросселя постоянным током.

Два дросселя используют для компенсации в управляющей цепи переменной составляющей напряжения основной частоты, трансформируемой из рабочей цепи. Для этого, как показано на рис. 6.1, в, рабочие обмотки включают согласно, а обмотки управления - встречно.

Действительно, легко видеть, что любой из полупериодов напряжения питания (при идентичных сердечниках) благодаря согласному включению рабочих (первичных) обмоток и встречному включению обмоток управления (вторичных) трансформируемые в цепи управления ЭДС основной частоты оказываются в противофазе и компенсируют друг друга (для примера на рис. 6.1, а, б полярности ЭДС, трансформируемых в положительный полупериод, отмечены на обмотках в кружочках).

При увеличении тока управления растет подмагничивание стальных сердечников. При этом вследствие насыщения сердечников уменьшаются магнитные потоки, созданные переменным током в рабочих обмотках ω_р. Поэтому уменьшаются индуктивности этих обмоток и их индуктивные сопротивления, т.е.

I_~= ,

где , S_ж - сечение железа; l_ж - средняя длина магнитной индукции; .

Выходная характеристика МУ I_H = f(I_y) имеет вид рис 6.1, г.

Статическими параметрами МУ являются:

- коэффициент полезного действия (без учета потерь в сердечнике, I_H = I_p) , где - мощность, выделяемая в нагрузке (полезная); - вся мощность, потребляемая от источника питания;

- отношение приращения тока в нагрузке к соответствующему приращению тока управления называется коэффициентом усиления по току К_I. Для рабочего режима ;

- коэффициент усиления по напряжению ;

- коэффициент усиления по мощности .

Определим некоторые динамические параметры идеального ДМУ.

С подачей управляющего сигнала Е_у новый режим работы МУ устанавливается не сразу.

Период времени с момента подачи управляющего сигнала до достижения одним из сердечников насыщенного состояния называется временем запаздывания (Т_З).

В дальнейшем, в переходном процессе, дроссели будут периодически насыщаться, а в цепи управления и в нагрузке будет появляться ток, возрастающий с каждым периодом.

Рис. 6.1. Схемы ДМУ: а) ДМУ с нагрузкой на переменном токе, б) ДМУ с нагрузкой на постоянном токе, в) конструктивная схема ДМУ, г) выходная характеристика МУ.

В случае длительность переходного процесса существенно превышает длительность полупериода изменения напряжения питания. Поэтому можно считать, что среднее значение токов i_y и i_н меняется не ступенчато от одного полупериода к другому, а непрерывно и цепь управления может рассматриваться как цепь из последовательно включенных активного сопротивления R_y и индуктивности L_y. Длительность переходного процесса в такой цепи определяется постоянной времени .

Магнитные усилители с самоподмагничиванием (МУС)

МУС при равных условиях выгодно отличаются от дроссельных усилителей более высокими коэффициентами усиления и динамической добротностью.

Отличительная особенность МУС состоит в том, что подмагничивание постоянным магнитным полем в них осуществляется как за счет сигнала управления, так и за счет постоянной составляющей тока рабочих обмоток. Подмагничивание от рабочих обмоток происходит в результате последовательного включения с каждой из этих обмоток вентиля, обеспечивающего протекание в них однополупериодного выпрямленного тока нагрузки. Так как подмагничивание имеет место и при отсутствии управляющего сигнала, подобные устройства получили название МУС.

Поскольку подмагничивание от рабочих обмоток пропорционально току нагрузки, то ее действие эквивалентно работе обратной связи. В связи МУС иногда называют МУ с внутренней обратной связью.

Свойство МУС самонасыщаться при отсутствии управляющего сигнала позволяет называть их также МУ с самонасыщением.

МУС представляет собой особый класс МУ, в которых осуществляется диодное разделение рабочих и управляющих интервалов. Физические процессы в них отличаются от процессов в ДМУ и предопределяются прежде всего характером динамического цикла перемагничивания сердечника за период изменения питающего напряжения.

На рис. 6.2, а приведена схема простейшего МУС на одном сердечнике с однополупериодным выходом. Индуктивность L в цепь управления включена для того, чтобы погасить в ней ток трансформации от рабочей обмотки.

МУС с однополупериодным выходом находят весьма ограниченное применение, так как ток в нагрузке такого усилителя протекает лишь в течение одного полупериода и всегда содержит постоянную составляющую, кроме того, индуктивность L обуславливает значительную инерционность усилителя.

Рис. 6.2. Схемы МУС: а) однополупериодная, б) двухпериодная трансформаторная, в) двухполупериодная мостовая, г) двухполупериодная с выходом на переменном токе

Как уже отмечалось, из-за ряда недостатков однополупериодные схемы МУС находят ограниченное применение. Этих недостатков лишены двухполупериодные МУС, схемы которых приведены на рис. 6.2, б, г. Схемы рис. 6. 2, б, г компонуются из двух одинаковых в магнитном и электрическом отношении типовых элементов, включенных на общую нагрузку R_Н. Балластную индуктивность L в данном случая включать в цепь управления не требуется.

Рабочие ω_р и управляющие ω_у обмотки необходимо включать таким образом, чтобы взаимное направление напряженностей в рабочие полупериоды от них в каждом из дросселей было одинаковым. Другими словами, напряженность от тока управления в обоих дросселях должна всегда оказывать на сердечники одинаковое воздействие - или их намагничивать, или, наоборот, размагничивать.

В соответствии с этим требованием на схемах произведена маркировка обмоток: начало обмоток отмечены точками. Первый полупериод питающего напряжения («+», «-» - без скобок) будет рабочим для дросселя Д_р1, в то время, как для дросселя Д_р2 он является управляющим. В последующий полупериод («+», «-») режимы работы дросселей меняются местами. Таким образом, дроссели Д_р1 и Д_р2 рис. 6.2, б работают поочередно со сдвигом в один полупериод, обеспечивая протекание в ней двухполупериодного тока. В рабочих обмотках каждого дросселя при этом протекает однополупериодный ток.

По сравнению со схемой рис. 6.2, а в двухполупериодных МУС ток в нагрузке удваивается.

В двухполупериодных схемах МУС отношение сопротивления нагрузки к общему активному сопротивлению рабочей цепи ( ) определяет коэффициент полезного действия усилителя. В общем случае под КПД МУС принято понимать отношение мощности P_H выделяемой в нагрузке к активной мощности Р, потребляемой рабочей цепью от источника питания.

К статическим параметрам МУС относятся коэффициенты усиления: по току, напряжению, мощности, а также коэффициент кратности изменения нагрузочного тока, характеризующий регулировочную способность усилителя. Коэффициенты усиления МУС сравнительно легко определяются через конструктивные параметры усилителя и характеристику вход-выход, построенную в координатах U_H(I_y) при U_~=const, R_H=const.

Коэффициент усиления по току:

, где .

Коэффициент усиления по напряжению:

, здесь r_y - омическое сопротивление обмотки управления.

Коэффициент усиления по мощности:

.

Крутизну K_R можно определить по кривой . Однако удобнее ее находить непосредственно по характеристике U_H(I_y), рассчитываемой обычно в ходе проектирования МУС (кратность изменения нагрузочного тока) определяется отношением тока нагрузки в режиме максимальной отдачи к току холостого хода:

.

Постоянная времени МУС определяется:

.

Обратные связи (ОС) в МУ

Под обратной связью принято понимать вводимую в магнитный усилитель цепь, по которой осуществляется дополнительное подмагничивание дросселей напряженностью магнитного поля, пропорционально сигналу выхода или скорости его изменения.

ОС называют жесткими, если подмагничивание пропорционально величине выходного сигнала, и гибкими, если оно определяется скоростью изменения сигнала на выходе.

ОС называют положительной, когда напряженности от цепи управления и ОС по знаку совпадают и отрицательной, если эти напряженности действуют встречно.

По способу введения на вход МУ ОС связи подразделяют на гальванические и магнитные. В гальванических ОС сигнал с входа усилителя и сигнал управления суммируются электрически.

При магнитных ОС сигнал ОС поступает на отдельную обмотку - обмотку ОС, а суммирование с управляющим сигналом осуществляется путем сложения магнитных напряженностей их полей. При гальванических ОС входная цепь МУ и цепь нагрузки электрически связаны, что с практической точки зрения делает ее не всегда удобной.

ОС называют связью по напряжению, если она вводится в функции напряжения на нагрузке и связью по току, если подмагничивание осуществляется током нагрузки.

Магнитные ОС получили преимущественное применение. Обмотка ОС, так же, как и обмотка управления, при этом располагается на сердечниках усилителя.

Так как в МУС сердечники подмагничиваются также и постоянной составляющей тока рабочих обмоток, это подмагничивание нередко рассматривают как жесткую ОС по току и называют внутренней ОС.

Жесткая ОС чаще всего используется для изменения статических параметров усилителя. Гибкая ОС функционирует лишь в переходных режимах и применяется в тех случаях, когда требуется при сохранении коэффициентов усиления существенно изменить инерционность усилителя. В частности, за счет введения положительной гибкой ОС представляется возможным уменьшить инерционность МУ в 5-15 раз.

Эффективность действия жесткой ОС принято характеризовать коэффициентом ОС. Это коэффициент пропорциональности, связывающий сигнал на выходе усилителя с величиной создаваемой им напряженности подмагничивания. Так как сигнал на выходе и создаваемое им подмагничивание измеряются в различных единицах, то при введении коэффициента ОС величины эти приводятся к одному параметру. В качестве параметра приведения весьма удобным является напряженность магнитного поля.

Под коэффициентом ОС принято понимать отношение напряженности подмагничивания, создаваемой обмоткой ОС к напряженности от рабочей обмотки, определяемой через среднее значение тока.

,

где - напряженность подмагничивания, создаваемая обмоткой ОС; - напряженность намагничивания, создаваемая рабочей обмоткой, выраженная через среднее значение тока.

Жесткие ОС в ДМУ

На рис. 6.3, а, б приведены схемы ДМУ с жесткими ОС по току. Маркировка обмоток в этих схемах дана применительно к случаю, когда ОС являются положительными. Из определения коэффициента ОС следует:

, где I_H - приращение тока в рабочей обмотке (в нагрузке) в средних значениях; - число витков обмотки ОС; l_OC, l_OC - длина средней силовой линии для магнитного потока соответственно от рабочей обмотки и обмотки ОС.

Если учесть, что в схеме рис. 6.3, а , а в схеме рис. 6.3, б , где - коэффициент формы тока, то для этих схем не трудно установить, что , здесь К_В - коэффициент выпрямления. Он может быть найден по прямому и обратному току выпрямителя:

.

В большинстве случаев исполнения МУ и тогда .

Выражения для К_ОС при других видах жесткой ОС записываются аналогично.

Жесткие ОС в МУС

Коэффициент внутренней ОС. Самоподмагничивание в МУС эквивалентно действию жесткой ОС связи по току и поэтому может характеризоваться коэффициентом внутренней ОС:

,

где - магнитная напряженность подмагничивания сердечников, создаваемая рабочими обмотками; - приведенный к магнитной напряженности выходной сигнал выхода в средних значениях.

а) б)

в) г)

Рис. 6.3. Схемы МУ с обратной связью. а - ДМУ с выходом на переменном токе; б - ДМУ с выходом на постоянном токе; в, г - МУС

Так как , где - постоянная составляющая тока в рабочей обмотке за период питающего напряжения; - ток выхода в средних значениях, то .

Если пренебречь активным сопротивлением вторичной полуобмотки трансформатора, то

.

Из этого выражения следует, что если сопротивление нагрузки соизмеримо с обратными сопротивлениями вентилей, то заметно снижается.

Выражение для записано в предположении, что прямое и обратное сопротивления вентилей являются величинами постоянными. Это обстоятельство, а также принятая идеализация процессов в МУС, приводит при численном нахождении к значительным погрешностям.

Коэффициент внешней ОС в МУС

Необходимость во внешней жесткой ОС в МУС возникает в тех случаях, когда требуется существенно уменьшить крутизну характеристики вход-выход или, наоборот, перевести усилитель в релейный режим работы. Примеры исполнения внешней ОС в схемах МУС приведены на рис. 6.3, в,г.

Коэффициент внешней ОС в МУС

Полагая, что характеристики вентилей, используемых в усилителе одинаковые, значения ω_Р, ω_Р и l_С известными для мостовой схемы (рис. 6.3, в) в которой и коэффициент внешней ОС находят из выражения

Коэффициенты ОС по току, напряжению и мощности, постоянная времени и добротность соответственно определяются:

,

,

,

,