5. ДВУХТАКТНЫЕ МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ВЫХОДОМ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Двухтактные (реверсивные) магнитные усилители отличаются тем, что при изменении полярности усиливаемого сигнала изменяется полярность выходного напряжения. Для усилителя с выходом на переменном токе изменяется фаза выходного напряжения на 180°. Двухтактные МУ обычно состоят из двух однотактных усилителей и применяются главным образом для управления и реверсирования электродвигателями переменного тока, а также в качестве балансных магнитных модуляторов

Рис. V.22. Двухтактные магнитные усилители, выполненные: а — по дифференциальной схеме; б — по дифференциальной трансформаторной схеме

Двухтактные МУ, образованные по дифференциальной схеме, приведены на рис. V.22. В схеме рис. V.22, а дроссельные усилители питаются от трансформатора с двумя одинаковыми вторичными обмотками. Токи смещения в обмотках создают начальное подмагничивающее поле, сопротивление служит для установки нуля усилителя при отсутствии входного сигнала. Ток управления в обмотках управления создает поле, совпадающее по направлению с полем смещения в одной паре сердечников и противоположное в другой паре. Поэтому ток в обмотках одного однотактного усилителя растет, а ток в обмотках Другого усилителя падает. На выходе усилителя появляется ток нагрузки, мгновенное значение которого При отсутствии входного сигнала и ток нагрузки равен нулю.

На рис. V.23 показан характер зависимости тока на выходе и токов и от тока управления. Переход характеристики через нуль означает, что при изменении полярности усиливаемого сигнала переменный ток нагрузки меняет фазу на 180°. Заметим, что в общем случае токи могут быть сдвинуты по фазе и поэтому ток не представляет собой алгебраической разности При некотором значении входного сигнала, несколько превышающем величину -ток нагрузки достигает максимального значения, а затем, при дальнейшем повышении управляющего тока, уменьшается. Это происходит потому, что ток на выходе однотактного усилителя, у которого имеют противоположные напряжения, начинает увеличиваться пропорционально абсолютной величине

Рис. V.23. Характеристика двухтактного магнитного усилителя

Штриховая кривая на рис. V.23 представляет характеристику одного однотактного усилителя (см. рис. V.22, а), полученную при тех же значениях напряжения питания, тока смещения и сопротивлений нагрузки, как и в двухтактной схеме. Уменьшение крутизны характеристики и повышение тока однотактного усилителя после включения в дифференциальную схему объясняется тем, что по мере повышения тока на выходе одного усилителя (например, растет напряжение на зажимах обмоток другого усилителя, которое равно геометрической сумме напряжений питания и напряжения на нагрузке Если при можно пренебречь падением напряжения на обмотках усилителя, для которого поля смещения и управления совпадают по направлению, то к обмоткам другого усилителя окажется приложенным удвоенное напряжение источника питания Это обстоятельство ограничивает величину переменной составляющей индукции при отсутствии сигнала, которая может быть выбрана для двухтактных усилителей с выходом на переменном токе.

Дифференциальный трансформатор может быть также включен со стороны нагрузки (см. рис. V.22, б). В этом случае мгновенное значение тока нагрузки где — числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

В некоторых случаях на выходе МУ включается нагрузка, представляющая какое-либо электромагнитное устройство или

электродвигатель с двумя одинаковыми обмотками. Включая эти обмотки вместо первичных обмоток трансформатора Тр (см. рис. V.22, б), получим двухтактный дифференциальный МУ без силового трансформатора.

Существенным недостатком двухтактных магнитных усилителей (см. рис. V.22) является наличие в них трансформатора От этого недостатка свободен двухтактный усилитель, выполненный по мосто вой схеме рис. V.24.

Схема состоит из четырех сердечников, обмотки которых соединяются по мостовой схеме. К двум противоположным вершинам моста подключается питающее напряжение а к двум другим — нагрузка

Рис. V.24. Двухтактный МУ, выполненный по мостовой схеме

Рис. V.25. Двухтактный усилитель с самонасыщением и выходом на переменном токе

Соединение рабочих обмоток производится таким образом, чтобы парные сердечники (имеющие общие обмотки смещения и управления) включались в противоположные плечи моста. При отсутствии входного сигнала индуктивности всех обмоток одинаковы и мост уравновешен. Поэтому напряжение между вершинами А и Б моста равно нулю. При наличии сигнала создающего поле, совпадающее с полем смещения в одной паре сердечников и противоположное в другой паре, индуктивность обмоток пары сердечников, где поля складываются, уменьшается, а индуктивность другой пары возрастает. Так как обмотки включены в противоположные плечи моста, то равновесие моста нарушается и на нагрузке появляется напряжение. Изменение полярности сигнала управления вызывает изменение фазь выходного напряжения на 180°.

Двухтактные МУ с самонасыщением осуществляются дифференциальным включением двух однотактных усилителей, подобно двухтактному усилителю дроссельного типа (см. рис. V.22, а). На рис. V.25 приведена типичная схема МУ, состоящая из двух однотактных усилителей с самонасыщением (см. рис. V.12, б). Ток нагрузки равен разности токов на выходе однотактных

усилителей. Равенство токов при отсутствии сигнала устанавливается с помощью переменного сопротивления в цепи смещения. При наличии сигнала ток растет, а ток снижается; ток нагрузки Перемена полярности входного сигнала вызывает изменение на 180° фазы тока нагрузки. На рис. V.26 показаны зависимости то коз в плечах и нагрузке при изменении тока смещения.

При отсутствии смещения (рис. V.26, а) начальные значения токов близки к своим максимальным значениям, что вызывает излишний нагрев усилителей, и образуется зона малой чувствительности в области слабых сигналов.

Рис. V.26. Характеристики двухтактных магнитных усилителей при различных значениях тока смещения

Наименьший нагрев имеет место, когда начальные токи каждого усилителя минимальны (рис. V.26, б). Недостатком этого режима является то, что фаза выходного напряжения (или тока), так же как и в случае отсутствия смещения (рис. V.26, а) изменяется в очень широких пределах при изменении усиливаемого сигнала.

Наибольшее усиление достигается при начальных токах равных примерно половине максимальной величины этих токов (рис. V.26, в). При этом режиме фаза выходного напряжения меньше всего изменяется при изменении входного сигнала, что часто имеет решающее значение при выборе величины тока смещения.

Основное достоинство мостовой схемы состоит в том, что последняя не требует питающего трансформатора. Она имеет те же недостатки, что и дифференциальная схема. Их можно устранить, выбрав соответствующее смещение подобно тому, как это делается в дифференциальной схеме. Уменьшение начальных токов в мостовой схеме возможно включением балластного сопротивления в цепь питания [7].

При выборе величины напряжения питания необходимо учитывать, что в схеме двухтактного МУ после насыщения одного из

однотактных усилителей к рабочим обмоткам другого прикладывается удвоенное напряжение питания Поэтому если не снизить вдвое, то это удвоенное напряжение вызовет насыщение сердечников второго усилителя и появление значительного тока на его выходе даже в том случае, когда магнитное поле смещения полностью скомпенсировано полем сигнала. Это приведет к существенному снижению тока и на выходе двухтактного усилителя [6].

С учетом влияния падения напряжения на активном сопротивлении обмоток одного из однотактных усилителей максимально допустимое значение переменной составляющей индукции для двухтактного усилителя с сердечниками, имеющими идеальную кривую намагничивания, равно

На участке характеристики вход — выход до величины, когда ток на выходе, например, первого однотактного усилителя достигает своего максимального значения, определяемого по формуле, аналогичной выражению (V.15), применимо уравнение идеального магнитного усилителя для среднего значения тока нагрузки

Полагая находим

Выражение, связывающее оптимальное сопротивление нагрузки с величиной тока смещения или максимального сигнала, имеет вид

Так как для второго однотактного усилителя , то при соблюдении условия (V.85) для всего диапазона изменения сигнала имеем

и

Коэффициенты усиления тока и мощности вычислены по средним значениям тока.

Для действующего значения тока нагрузки, когда последний изменяется по синусоидальному закону,

а коэффициенты усиления тока и мощности, вычисленные по действующему значению тока нагрузки при максимальной отдаче, соответственно определяются по формулам

При из выражений (V.85) и (V.88) находим для максимальной мощности на выходе усилителя

Добротность идеального двухтактного усилителя определяется формулой

где цепи нагрузки.

Величина добротности двухтактного МУ практически совпадает с добротностью однотактного усилителя, поскольку при последовательном соединении обмоток управления двух однотактных усилителей практически не изменяется их суммарная постоянная времени а коэффициент усиления мощности двухтактного усилителя примерно такой же, как у однотактного.

Для магнитных усилителей с самонасыщением, до насыщения сердечников, через обмотки протекают небольшие токи и падения напряжения на обмотках примерно равны питающему напряжению После насыщения одного из сердечников каждого однотактного МУ при через соответствующие обмотки в интервале а протекает одинаковый ток

где и — сопротивление рабочей обмотки и диода (выпрямителя). При этом ток нагрузки

Отличительной особенностью работы однотактных МУ в двухтактной схеме является то, что при одновременном насыщении сердечников обоих усилителей их рабочие обмотки и вентили образуют короткозамкнутую цепь, к которой приложено удвоенное напряжение питания. Поэтому через рабочие обмотки и диоды могут протекать токи значительно превышающие по величине максимальное значение тока нагрузки.

При наличии сигнала угол насыщения сердечников одного усилителя уменьшается, а другого увеличивается. При включенном на выходе активном сопротивлении для тока нагрузки в интервале когда сердечники одного усилителя насыщены, а другого ненасыщены, находим

Максимальное значение тока нагрузки достигается в том случае, когда сердечник одного из однотактных МУ насыщается при а другого при т. е. когда сердечник первого усилителя насыщен в течение всего рабочего полупериода, а сердечник второго усилителя практически не успевает насыщаться. В этом случае для среднего значения тока имеем

С учетом конечной величины тока среднее значение которого равно ток нагрузки

где — кратность изменения тока однотактного усилителя.

Действующее значение тока нагрузки

При максимальном токе нагрузки в течение всего рабочего полупериода к обмотке второго однотактного МУ приложено повышенное напряжение [5, 7]. Для того чтобы сердечник этого усилителя не насыщался при значениях необходимо, чтобы максимальное изменение индукции за полупериод не превышало условие выполняется, если амплитудные значения питающего напряжения выбрать в соответствии

Обычно максимально допустимое значение тока в обмотках усилителя определяется из условия допустимого нагрева.

Для иллюстрации возможностей двухтактных магнитных усилителей на несущей частоте ниже приводится описание двухкаскадного МУ для силового следящего привода (рис. V.27) на электродвигателе типа с полым ротором, имеющим следующие номинальные данные: выходная мощность пусковой момент напряжение возбуждения 127 В, ток возбуждения 2,6 А, напряжение управления 150 В, ток управления 4,2 А, скорость вращения 2960 об/мин, частота 50 Гц. К фазам А и В подключается усилитель, к фазе С и О — обмотка возбуждения электродвигателя Такое включение обеспечивает сдвиг фаз между напряжениями на обмотке электродвигателя, близкий к 90°, без конденсатора.

Выходной магнитный каскад выполнен по схеме двойного моста. Это дало возможность исключить трансформатор питания. Питание

осуществляется непосредственно от сети переменного тока 220 В, 50 Гц.

В усилителе использовались витые тороидальные сердечники из холоднокатаной стали толщиной 0,08 мм, с оксидной межвитковой изоляцией, полученной в процессе отжига.

Рис. V.27. Блок-схема МУ для силового следящего привода: ТУПТ — транзисторный усилитель переменного тока; ФЧВ — фазочувствительный выпрямитель; МУ — магнитный усилитель; Д — двухфазный электродвигатель; ОВ — обмотки возбуждения электродвигателя; ОУ — обмотка управления; ТГ — тахогенератор

Рабочие обмотки каждого сердечника разделены на две одинаковые секции и содержат 360 витков провода ПЭВ-1,5. Обмотки управления всех четырех сердечников соединены последовательно и включены на выход предварительного каскада усиления.

Рис. V.28. Характеристика вход — выход магнитного усилителя, выполненного по мостовой схеме

Рис. V.29. Схема выходного каскада транзисторного усилителя

Для снижения начальных токов в плечах моста и для выбора оптимального режима работы, в усилителе применяется начальное смещение переменным током.

На рис. V.28 показана характеристика вход — выход МУ при активном сопротивлении нагрузки Ом. При мА выходная мощность достигает при к. п. д.

При увеличении тока управления выходная мощность может быть увеличена, однако допустимая мощность из условий нагрева усилителя при длительной работе не превышает 1 кВт.

Входным каскадом усилителя может быть двухтактный МУ с выходом на постоянном токе. Однако в случае электромеханической следящей системы (рис. V.27) с входным сигналом переменного тока, сигнал рассогласования, поступающий на обмотки управления входного магнитного усилителя, должен быть предварительно выпрямлен фазочувствительным выпрямителем, что значительно усложняет схему. Кроме того, МУ внесет в тракт усиления дополнительное запаздывание, ухудшающее динамические характеристики системы. Поэтому более рациональным в качестве входного усилителя использовать транзисторный усилитель переменного тока с фазочувствительным выпрямителем на выходе.

На рис. V.29 приведена схема выходного каскада транзисторного усилителя (каскады предварительного усиления выполнены по обычной схеме) и диодного фазочувствительного выпрямителя, отличающегося повышенным к. п. д. передачи входного сигнала и высокой стабильностью нуля.

Применение транзисторов типа в схеме позволяет получить коэффициент усиления по мощности порядка 100 и ток нагрузки более 300 мА при отклонении характеристики вход — выход от линейной зависимости в результате повышения напряжения, прикладываемого к цепи эмиттер-коллектор, которое может возникнуть на обмотке управления при воздействии больших входных сигналов, обмотка управления шунтируется конденсатором емкостью

С целью уменьшения запаздывания МУ при отключении входного сигнала, в схеме усилителя (рис. V.29) включены сопротивления (показаны штриховыми линиями), препятствующие образованию замкнутого контура в переходном режиме. При включении дополнительных сопротивлений Ом длительность переходного процесса удается снизить до 0,05 с (примерно два периода питающего напряжения). При этом максимальные значения к. п. д. и мощности усилителя уменьшаются незначительно.

Выходное напряжение магнитного усилителя (на обмотке ОУ электродвигателя) достигает 180 В, что обеспечивает необходимую форсировку при отработке сигнала. Время полного реверса составляет примерно