ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Глава шестая
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ УСТРОЙСТВА
В. МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ С  ПОСТОЯННОЙ И ПЕРЕМЕННОЙ МАГНИТОДВИЖУЩИМИ СИЛАМИ

6.23. ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В МУ

В настоящее время во многих электротехнических устройствах широко применяются обратные связи. Обратная связь — это такая связь, при которой воздействие от последующих звеньев системы передается какому-либо из ее предшествующих звеньев. Различают положительные и отрицательные обратные связи. При положительной обратной связи увеличение значения какой-либо величины на выходе последующего звена приводит к увеличению результирующего воздействия на входе предшествующего звена. При отрицательной обратной связи повышение выходной величины приводит к уменьшению результирующего воздействия на входе. Обратные связи именуются по роду той величины, в зависимости от изменения которой они оказывают воздействие на вход предшествующего звена. Так, существуют обратные связи по току, напряжению, скорости, ускорению и др.

Обратные связи дают возможность изменять свойства и характеристики устройства в желаемом направлении. В магнитных усилителях обратные связи служат, в частности, для увеличения коэффициентов усиления.

В магнитных усилителях различают внешнюю и внутреннюю обратные связи. Внешняя обратная связь осуществляется в  большинстве  случаев  с  помощью   специальной   обмотки обратной связи.

Рис. 6.45. Схема МУ с внешней обратной связью и с выходом на переменном токе

Рис. 6.46. К построению характеристики управления МУ с внешней обратной связью

На рис. 6.45 приведена схема МУ с внешней обратной связью по току, в которой постоянный по направлению ток io.c обмотки обратной связи ОС равен по абсолютному значению изменяющемуся по направлению току i приемника.

Магнитный усилитель показан на рис. 6.45 в виде его условного изображения. Здесь, как и в дальнейшем, будем считать, что все обмотки намотаны в одном направлении, а их начала обозначены точками.

Обмотки обратной связи ОС должны быть включены подобно обмоткам управления ОУ, т. е. встречно. Для изменения интенсивности действия обратной связи можно шунтировать обмотки ОС резистором.

Если приемник рассчитан на питание постоянным током, его следует включить за выпрямительным мостом, непосредственно в цепь обмоток ОС.

Если имеется характеристика управления Iср (Iу) МУ без обратной связи (рис. 6.46), то нетрудно построить характеристику управления Iср (I'у) МУ с обратной связью.

Действительно, для любого тока Iср МУ без обратной связи можно написать

где Fп.с — МДС, создаваемая постоянным током.

Для получения того же тока Iср усилителя с обратной связью необходимо иметь такую же МДС постоянного тока. Но в этом случае она создается двумя обмотками:

Приравнивая правые части (6.49) и (6.50) и решая относительно I'у, получим

Расчет характеристики Iср (I'у) можно произвести в следующем порядке. Задаемся током Iср и по характеристике Iср(Iу) находим ток Iу. Зная Iср и Iу, по формуле (6.51) подсчитываем ток I'у, соответствующий току Iср. Характеристика Iср (I'у) приведена на рис. 6.46.

Рис. 6.47. К пояснению релейного режима работы МУ

Характеристика Iср (I'у) в отличие от характеристики Iср (Iу) несимметрична. В области Iу > 0, соответствующей положительной обратной связи, угол наклона характеристики управления по отношению к оси абсцисс увеличивается, что приводит к повышению коэффициентов усиления МУ. В области Iу < 0, соответствующей отрицательной обратной связи, угол наклона характеристики и коэффициенты усиления уменьшаются. Можно так подобрать число витков wo.c, что участок ab характеристики Iср (I'у) будет перпендикулярен оси абсцисс и коэффициенты усиления возрастут до бесконечности. Однако при этом МУ станет неуправляемым. Практически можно получить коэффициент усиления по мощности до нескольких тысяч. При дальнейшем увеличении числа витков wо.с МУ будет иметь характеристику Iср (I'у), показанную на рис. 6.47, и будет работать в релейном режиме. Этот режим работы МУ характеризуется тем, что при плавном изменении тока управления происходит скачкообразное изменение тока приемника. В соответствии с характеристикой Iср (I'у), изображенной на рис. 6.47, скачкообразное изменение тока приемника будет происходить в случае уменьшения тока управления при I'у1, а в случае его увеличения — при I'у2. Магнитные усилители, работающие в релейном режиме, находят применение в устройствах автоматики.

Внутренняя обратная связь осуществляется с помощью диодов, включаемых в цепи обмоток МУ при их параллельном соединении.

На рис. 6.48 приведена схема МУ с внутренней обратной связью и с выходом на переменном токе. Дополнив электрическую цепь рис. 6.48 еще двумя диодами, получим МУ с выходом на постоянном токе (см. рис. 6.50).

Диоды Д1 и Д2 (рис. 6.48) включены так, что ток в каждой из рабочих обмоток может существовать лишь в различные полупериоды и может иметь только одно направление. Так, при
i > 0 ток направлен от начала к концу левой рабочей обмотки, при i < 0 — от конца к началу правой обмотки. В результате этого появляются постоянные составляющие тока i рабочих обмоток (см. гл. 5), которыми и подмагничиваются магнитопроводы.

Рис. 6.48. Схема МУ с внутренней обратной связью

Рис. 6.49. Характеристика управления МУ с внутренней обратной связью

Существенным в работе МУ с внутренней обратной связью является их способность к самонасыщению. Действительно, когда Iу = 0, магнитные потоки магнитопроводов могут изменяться лишь за счет токов рабочих обмоток. Если, например, ток i > 0 и уменьшается, то будет уменьшаться и магнитная индукция левого магнитопровода. Однако при i = 0 магнитная индукция становится равной индукции остаточного намагничивания Вr и далее уменьшаться не может. В случае применения ферромагнитных материалов с «прямоугольной» петлей гистерезиса индукция остаточного намагничивания примерно равна индукции насыщения: Вr ≈ Bs. Следовательно, магнитопроводы МУ оказываются насыщенными за счет тока рабочих обмоток, несмотря на то, что Iу = 0. Благодаря указанному свойству МУ с внутренней обратной связью называют часто усилителями с самонасыщением.

Насыщенному состоянию магнитопроводов при Iу = 0 соответствуют наибольшие значения тока, напряжения и мощности приемника. Для уменьшения степени насыщения сердечников необходимо пропускать по обмоткам управления размагничивающий ток Iу < 0. Характеристика управления МУ с внутренней обратной связью, магнитопроводы которого имеют идеализированную прямоугольную петлю гистерезиса, приведена на рис. 6.49.

Минимальный ток рабочей цепи Iср min и ток управления Iуl существенно зависят от коэрцитивной силы Нсд динамической петли гистерезиса.

Коэрцитивная сила Нсд у материалов с прямоугольной петлей гистерезиса невелика, поэтому токи Iср min и Iуl весьма малы. Коэффициент усиления по мощности МУ с внутренней обратной связью доходит до нескольких тысяч.

Следует обратить внимание на то, что угол наклона рабочей части ab характеристики Iср (Iу) МУ с внутренней обратной связью и, следовательно, его коэффициенты усиления в сильной степени зависят от вида динамического цикла гистерезиса и обратных сопротивлений диодов. В частности, отличие цикла гистерезиса от прямоугольного или применение диодов с относительно небольшим обратным сопротивлением приводит к тому, что полное насыщение сердечников наступает не при Iу = 0. а при некотором значении Iу > 0.