Магнитные усилители

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 
 

Институт  — Неразрушающего контроля

Направление — Электроника и наноэлектроника

Кафедра — Промышленной и медицинской электроники 
 
 
 
 

МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ 
Реферат по учебно-исследовательской работе 
 
 
 
 
 
 

Студент группы 1А82                                                                  Лю Д. С.

                                                                          (подпись)  

                                                                                                  

                 (дата)  

Руководитель: Доцент кафедры ЭМКМ                                     Рапопорт О. Л.

                                                                          (подпись)  

                                                                                               

                 (дата)  
 
 

    Томск 2011

Содержание: 

1. Историческая справка………………………………………………………….2

2. Исходные положения…………………………………………………………..2

3. Магнитный усилитель…………………………………………………...……..5

4. Магнитные усилители с насыщающимися реакторами……………………...8

5. Обратные связи в магнитных усилителях……………………………………10

6. Магнитные усилители с самонасыщением…………………………………...11

7. Трансформаторы постоянного тока и напряжения…………………...……..12

8.Заключение……………………………………………………………………...13

9. Источники……………………………………………………………………....14

10.Приложение…………………………………………………………………....15 
Историческая справка. 

     На  ускоренное развитие магнитных усилителей  в 1950–1960 гг. повлияло, по крайней мере, два обстоятельства: первое — это  появление оригинальных ферросплавов для получения новых ферромагнитных свойств магнитопроводов, например, для снижения потерь в трансформаторах и дросселях, второе — стремление разработчиков повысить частоту преобразования от 100 Гц в электромагнитных прерывателях  до устройств с частотами преобразования 400–2000 Гц, работающих на тиратронах.

     Например, в регуляторах и стабилизаторах напряжения большой мощности в качестве силовых ключей широко использовались магнитные ключи, выполненные на ленточных сердечниках. Эти сердечники формировались из тонколистовых сплавов железо-никель-кобальт (пермаллои) с толщиной ленты 0,01–0,1 мм. Такие сердечники имели индукцию насыщения от 0,75 до 1,5 Тл в зависимости от марки сплава.

     Именно  на этих магнитопроводах работали различные  ключевые устройства, например магнитные  усилители, достаточно распространенные в то время, в том числе для мощных систем автоматического управления.

     Стабилизатор  на магнитных силовых ключах по своей  структуре практически аналогичен импульсному стабилизатору напряжения.

     В период 1959-1965 гг. в мощных (150–400 Вт и более) источниках вторичной энергии стали широко использоваться регуляторы в сетях переменного тока, выполненные на магнитных ключевых элементах, которые могли коммутировать напряжения в десятки – сотни вольт и токи в единицы – десятки ампер. Эти блоки питания имели удельные массогабаритные характеристики Pv порядка 25–40 Вт/дм3.

Исходные  положения

     Магнитное тело представляет собою совокупность особых элементарных частиц, каждая из которых является как бы элементарным постоянным магнитом, так как она обладает противоположными полярностями на двух противоположных сторонах. Эти элементарные магниты подвижны около своих центров. Пока тело не подвержено намагничивающей силе, элементарные частицы своими магнитными осями расположены в теле по всевозможным и самым разнообразным направлениям. Вследствие такого хаотического распределения магнитных осей частиц тела, последнее, без особых внешних воздействий, само по себе не обнаруживает никаких магнитных свойств.

     Поэтому вся масса данного магнитного тела, например, куска железа, вся  эта сложная комбинация отдельных магнитных групп не обнаруживает видимого внешнего действия. Но стоит, однако, подвергнуть железо воздействию магнитного поля, создаваемого какою-либо внешнею причиною, как первоначальное хаотическое расположение элементарных магнитов тотчас же нарушается. Под влиянием поля магниты будут повертываться вокруг своих центров, стремясь расположиться по направлению магнитного поля. Поворот этот происходит так, что частицы располагаются, обращаясь одноименными концами их магнитных осей в одну и ту же сторону. Чем больше приближаются к параллельности между собою оси элементарных магнитов, и чем ближе их направление к направлению поля, тем магнитные свойства тела начинают выявляться все сильнее и сильнее, тем сильнее „намагниченным" оказывается это тело.

     Интенсивность намагничивания вещества  нельзя увеличивать беспредельно, так как, когда все элементарные магниты расположатся в направлении магнитной силы, дальнейшее увеличение этой магнитной силы уже не повлечет за собой никакого изменения в магнитном состоянии вещества. Таким образом, имеет некоторый естественный предел Imax, при достижении которого мы будем иметь:

 

Следовательно, для больших значений Н получаем:

При увеличении Н магнитная проницаемость стремится к пределу μ0, численно равному единице.

Рис.1 кривая μ=f(B) для некоторого сорта железа.

Если  мы обратимся к кривой, показанной на рис.2, то увидим, что μ, сначала возрастая до некоторого предела, начинает затем падать. Полученный результат показывает, что пределом этого падения будет: μ0=1.

Рис.2 рядом кривых показана зависимость между m и В для разных материалов по мере приближения к насыщению.  

Здесь (1) — кованое железо, (2) — сталь, (3) — кобальт, (4) — чугун,

(5) и  (6) — никель, (7) — марганцевая  сталь.  

     В ферромагнитном материале, имеющем доменную структуру, при воздействии на него встречных магнитных потоков с напряженностями поля Н1 и Н2 магнитное поле в нем будет определяться значением:

     В = µ1Н1 + µ2Н2

     Таким образом, воздействуя на ферромагнетик  двумя встречно направленными магнитными полями, его можно вводить в глубокое насыщение с изменением магнитной проницаемости от максимального ее значения, почти до единицы.

     Принцип действия магнитного  основан на явлении насыщения магнитной  восприимчивости магнитных материалов.

     Магнетики – вещества, в которых при помещение во внешнее магнитное поле Н происходит упорядочивание хаотических микроскопических вихревых токов – магнитная поляризация.  Возникающие микроскопические вихревой ток порождает дополнительное магнитное поле (поле намагничивания).

     ∆Н=М=Х*Н

     М – намагниченность.

          Х – магнитная восприимчивость.

Индукция  магнитного поля В:

В=μ0(Н+М)=μ*μ0*Н

     Намагничивание  ферромагнетика имеет предел Bs, который достигается, когда элементарные вихревые токи одинаково ориентированны и дальнейшая поляризация невозможна. Величина магнитной индукции, при которой это происходит, называется индукцией насыщения.

     При насыщение магнитная проницаемость  вещества падает от очень больших  значений практически до единицы. 

Рис.3 Петля гистерезиса ферромагнитного

Материала

1 –  намагничивания

2 –  первоначального намагничивания

3 –  размагничивания.

 
 

Магнитные усилители. 

     Простейший магнитный усилитель состоит из 2 замкнутых магнитопроводов, обмотки которых W1 включены последовательно и питаются от источника переменного напряжения ~U. Вторичные обмотки W2 включаются последовательно и навстречу друг другу, поэтому замыкание обмоток W2 на небольшое сопротивление не вызывает какого-либо изменения силы тока в первичных обмотках. Если по обмоткам W2 пропустить постоянный ток, то вследствие нелинейного характера кривой намагничивания сердечников динамическая магнитная проницаемость уменьшается и соответственно уменьшается индуктивность первичных обмоток, при этом ток в обмотках возрастает.

    Такое устройство называется управляемым дросселем, который становится усилителем (см. рисунок), если последовательно с его обмотками W1 включить Rн, а вместо постоянного тока в обмотку W2 подать усиливаемый сигнал =U постоянного или медленно (по сравнению со скоростью изменения питающего напряжения) изменяющегося тока.

    Мощность постоянного тока в цепи обмотки управления намного меньше мощности переменного тока рабочих обмоток, включенных в цепь потребителя. Поэтому, затрачивая малую мощность в обмотке управления (слабый электрический сигнал), можно регулировать величину переменного тока в цепи потребителя большой мощности (преобразованный сигнал большой мощности).

    Магнитный усилитель принципиально отличается от лампового и транзисторного усилителей тем, что усиливаемый сигнал изменяет не внутреннего сопротивление лампы (транзистора), а индуктивность, включенную последовательно с нагрузкой Rн, в результате чего изменяется протекающий через нагрузку ток. Магнитный усилитель по существу является модулятором, в котором ток в нагрузке более высокой частоты модулируется по амплитуде усиливаемым сигналом (низкой частоты). Для получения на выходе магнитного усилителя сигнала той же формы, что и усиливаемый сигнал, устройство дополняют выпрямителем в цепи нагрузки, выполняющим роль детектора.

    Существуют  сотни модификаций схем и конструкций  магнитных усилителей, отличающихся видом нагрузочной характеристики, способом осуществления обратной связи, числом и формой сердечников, видом  усиливаемых сигналов, системой смещения, режимом работы.

Рис.4 Схема включения а) для нагрузки переменного тока, б) постоянного 

    Магнитные усилители могут быть выполнены  с обратной связью, многокаскадными  и по двухтактным схемам.

Если  предусмотреть несколько обмоток  управления, то получится магнитный усилитель, который эквивалентен многоэлектродной электронной лампе. При этом число обмоток управления у магнитных усилителей может значительно превышать число сеток у электронных ламп и для некоторых магнитных усилителей достигает 10—20. Такие магнитные усилители могут быть использованы для суммирования различных сигналов

    Прежде  всего нужно отметить, что все  элементы, применяемые в магнитных  усилителях, в том числе и полупроводниковые  выпрямители, отличаются большим сроком службы, допускают значительные перегрузки и нечувствительны к вибрациям. Поэтому магнитные усилители отличаются высокой степенью надежности. Они не требуют периодического ухода и обслуживания и могут применяться в пожароопасных и взрывоопасных помещениях. В отличие от ламповых усилителей, магнитные усилители не нуждаются в предварительном разогреве и готовы к действию немедленно после включения источника литания. Поскольку изменение тока нагрузки осуществляется путем изменения индуктивности, в которой «расходуется» главным образом реактивная мощность, то магнитные усилители отличаются значительно более высоким КПД, чем электронные усилители, тем более, что в магнитных усилителях отсутствуют потери в цепях накала.