Лабораторна робота № 2.7 дослідження магнітного підсилювача

Мета роботи

Вивчити будову, принцип дії магнітного підсилювача та експериментально дослідити його характеристики.

Основні теоретичні відомості

Магнітним підсилювачем (МП) називають електромагнітний пристрій, призначений для керування значною потужністю в навантаженні при незначній потужності в колі керування.

Найпростіший магнітний підсилювач (рисунок 7.1) являє собою дросель з підмагнічуванням (керована нелінійна індуктивність), що складається з двох обмоток – робочої W_р і керуючої W_к, розташованих на замкненому феромагнітному осерді. Робоча обмотка вмикається в коло змінного струму послідовно з навантаженням R_н. Керуюча обмотка живиться від джерела постійної напруги U₀ через котушку індуктивністі L₀ і регульований опір R₀.

Рисунок 7.1 – Найпростіший магнітний підсилювач

Дія магнітного підсилювача базується на залежності магнітної проникності  феромагнітного осердя від напруженості Н магнітного поля (рисунок 7.2).

Індуктивність дроселя залежить від магнітної проникності осердя і визначається за формулою:

,

де W_р - число витків робочої обмотки; S, l – площа поперечного перерізу і середня довжина магнітопроводу.

Рисунок. 7.2 – Залежність магнітної індукції B та магнітної проникності μ осердя від напруженості магнітного поля

Таким чином, змінюючи  осердя шляхом підмагнічування постійним струмом у керуючій обмотці, можна змінювати індуктивність робочої обмотки, а тим самим і струм у навантаженні

,

де U – напруга мережі живлення, – активний опір робочої обмотки і навантаження,  – кутова частота напруги живлення.

Для забезпечення нормальної роботи підсилювача – збільшення струму в робочому колі при збільшенні струму в колі керування, як це випливає з виразу струму І_р і залежності  =(Н), значення струму I_к повинно бути таким, щоб напруженість магнітного поля в осерді

,

де - напруженість магнітного поля в осерді при максимальнійй магнітній проникності.

Основним недоліком такого магнітного підсилювача є наявність змінної ЕРС у керуючій обмотці, наведеної змінним магнітним потоком Ф. Під дією цієї ЕРС у керуючому колі виникає змінний струм, який частково розмагнічує осердя. Для зменшення розмагнічуючого змінного струму в коло керування вмикають додаткову котушку з індуктивністю L₀. З метою повного усунення змінного струму в керуючому колі, магнітні підсилювачі виконують на двох однакових дроселях з підмагнічуванням. Робочі обмотки дроселів вмикають послідовно або паралельно в залежності від їх параметрів і напруги живлення, а керуючі обмотки вмикають послідовно і зустрічнo. При цьому змінні ЕРС у керуючих обмотках взаємно компенсуються.

Сімейство вольт-амперних характеристик магнітного підсилювача при різних значеннях керуючого струму наведені на рисунку 7.3.

Рисунок. 7.3 – Вольт-амперні характеристики магнітного підсилювача

Нехтуючи втратами в осердях і робочих обмотках МП можна вважати, що напруга U_p= I_рX _p випереджує за фазою напругу U_н= I_рR_н на кут 90°. У цьому випадку напруга живлення

.

При U = соnst, U² = U²_p+U²_н є рівнянням кола з радіусом U і центром в початку координат.

Якщо напругу U_p відкладено у масштабі m_u, а струм - у масштабі m_i=m_u/R_н, то точки перетину цього кола з вольт - амперними характеристиками дозволяють визначити значення напруги U_р= oam_u, напругу на навантаженні U_н= obm_u і струм в навантаженні I_р = оbm_i при різних значеннях струму керування І_к.

Відношення приросту потужності в навантаженні до приросту потужності в колі керування, називається коефіцієнтом підсилення МП за потужністю

де I_ро – струм у навантаженні при І_к= 0; R_к – опір керуючих обмоток.

Послідовність виконання роботи

1 Скласти електричне коло для дослідження магнітного підсилювача за схемою, зображеною на рисунку 7.4.

Рисунок 7.4 – Схема дослідження магнітного підсилювача

Робочі обмотки W_p обидвох дроселів з підмагнічуванням з'єднуються паралельно і живляться через ЛАТР від джерела синусоїдної напруги U = 30 В з частотою f = 50 Гц. Керуючі обмотки W_к з'єднуються послідовно зустрічно і живляться постійною регульованою напругою U₀ = (0 ÷ 20) B.

2 Закоротити вимикачем К навантаження R_н і змінюючи ЛАТРом напругу U_р, зняти вольт - амперні характеристики МП U_p= f(I_р) при різних значеннях струму керування I_к . Результати досліджень записати у таблицю 7.1.

Таблиця. 7.1 – Результати вимірювань

Ік, mА	Uр, В	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20
0	Ір, А
25
50

3 Розімкнути вимикач К. Встановити значення опору R_н = 10 Ом і напругу живлення U = соnst в межах 8 ÷ 14 В.

Змінюючи струм керування, зняти залежності I_p, U_p, U_н від струму I_к. Результати вимірювань записати у таблицю 7.2.

Таблиця. 7.2 – Результати вимірювань

Ік Iк	mА В В А	0	25	37,5	50	62,5	75
Up	В
Uн	В
Iр	А

4 Зняти залежність робочого струму I_р від керуючого струму I_к при різних значеннях напруги U_p= сопst (R_н= 0, ключ К замкнений). Результати вимірювань записати у таблицю 7.3.

Таблиця. 7.3 – Результати вимірювань

Up, B	Iк	mA	0	25	37,5	50	62,5	75
4	Iр	А
	Xp	Ом
	Lp	Гн
8	Iр	А
	Xp	Ом
	Lp	Гн
12	Iр	А
	Xp	Ом
	Lp	Гн

5 Виміряти значення опору керуючих обмоток R_к=R_к1+R_к2.

Опрацювання результатів досліджень

1 За даними досліджень п.2 побудувати сімейство вольт- амперних характеристик МП, відкладаючи струм I_р у масштабі m_i = m_u/R_н.

2 За даними досліджень п.З. побудувати залежності I_р, U_p, U_н = f(I_р) в одних координатних осях. На цьому ж рисунку побудувати ті самі залежності, отримані розрахунковим шляхом з сімейства характеристик п.2.

3 За даними п.4 визначити індуктивний oпір X_p і індуктивність L_p робочої обмотки МП, нехтуючи при цьому активним опором обмотки. Результати обчислень записати в таблицю 7.З. Побудувати графіки залежності I_р і L_p від струму I_к при різних значеннях U_p.

4 Визначити коефіцієнт підсилення МП за потужністю

,

де – струм в робочому колі при струмі керування ,

– струм в робочому колі при = 0.

5 Зробити висновки з виконаної роботи.

Контрольні запитання

1 Як змінюється µ_а, L_p дроселя при його підмагнічуванні постійним струмом?

2 В чому полягає принцип дії МП?

3 Як вмикаються робочі і керуючі обмотки МП?

4 Який вигляд мають вольт – амперні характеристики МП?

5 Як визначається коефіцієнт підсилення потужності МП?