МУ являются ферромагнитными устройствами, предназначенными для увеличения мощности нагрузки при относительно малой мощности управления. МУ отличаются от других типов электрических усилителей своей надежностью, большой механической прочностью, простотой конструкции, удобством эксплуатации и практически неограниченным сроком службы. Благодаря своим положительным качествам МУ получили широкое распространение в приборах и устройствах автоматики, телемеханики и вычислительной техники. Особое значение МУ имеют при использовании в бортовых устройствах летательных аппаратов и кораблей.
В отличие от электронных усилителей, у которых управляемыми элементами служат электровакуумные или полупроводниковые приборы, в МУ роль управляемых элементов выполняют катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками (wр). Изменение индуктивности катушки зависит от величины подмагничиващего тока, создаваемого управляющим сигналом.
Схема простейшего МУ (дроссель с подмагничиванием) показана на рис.1а. Здесь на ферромагнитном сердечнике имеются две обмотки; – управляющая обмотка; wр – рабочая обмотка или обмотка переменного тока.
Рис. 1. Принцип действия магнитного усилителя.
На wу подается управляющий сигнал Iр, подлежащий усилию. Последовательно с wр включена нагрузка (Rн), которая является выходом МУ – напряжение нагрузки (Uн). wр питается от источника напряжения переменного тока, например, 50 Гц, 400 Гц. Дроссель (Ly) с большим индуктивным сопротивлением, включенный последовательно с wудля устранения переменного тока от ЭДС, трансформируемой в wу из wр.
Ток в рабочей цепи (цепи нагрузки):
,
где R = Rн + Rp – полное активное сопротивление нагрузки (Rн) и сопротивление рабочей обмотки (Rp);
Хp – индуктивное сопротивление wр.
,
где w = 2pf – угловая частота питания рабочей сети;
L - индуктивность wр;
Sc – площадь поперечного сечения сердечника, м 2;
lср – средняя длина пути магнитного потока в сердечнике, м;
m – динамическая магнитная проницаемость материала сердечника, Гн/м.
Так как wр, Sc, lср – величины, постоянные для данного МУ, то очевидно изменять значение lср а следовательно, и Хр можно лишь путем изменения динамической проницаемости материала сердечника.
В качестве материалов для сердечников в МУ применяются сплавы железо-кремниевые, железо-никелевые и оксидные ферромагнетики (ферриты). В таких материалах m в сильной степени зависит от величины напряженности магнитного поля Н1, подмагничивающего поля Н2 (рис. 1б). Таким образом, подмагничивая сердечник постоянным током, можно управлять Lp или Хр, а, следовательно, и переменным током в этой цепи.
Так как изменение мощности в нагрузке значительно превышает соответствующее изменение мощности в цепи управления DРу, то рассмотренная схема представляет собой простейший МУ мощности. Подмагничивать (управлять) можно и переменным током, но при этом необходимо соблюдать условие fу £ 20% f~, т.е. током малой частоты.
Рассмотренная простейшая схема МУ на одном сердечникеимеет серьезные недостатки:
1. В wу индуктируется большая ЭДС, наводимая из wр.
2. Искажается форма кривой тока в нагрузке (наличие четных и нечетных гармоник).
Первый недостаток можно частично устранить, если в цепь включить большую индуктивность Lу (см. рис. 1а). Однако второй недостаток останется. Кроме того, возрастает инерционность МУ и уменьшается коэффициент усиления. Поэтому МУ, выполненные на одном сердечнике, имеют очень малое применение.
Для устранения вышеуказанных недостатков применяется схема МУ на двух сердечниках (рис. 2). Здесь рабочие обмотки имеют одинаковое число витков и намотаны каждая на свой сердечник, а обмотка управления (wу) охватывает оба сердечника. Рабочие обмотки (wр1 и wр2) должны быть соединены так, чтобы создаваемые ими магнитные потоки Фр1 и Фр2 были направлены встречно в сердечнике, охватываемом в каждом полупериоде.
Рис. 2. Схема МУ на двух сердечниках: а) Фр1 и Фр2, создаваемые wр1 и wр2 на стержне показаны для одного полупериода; б) схема МУ в ЕСКД.
МУ конструктивно могут выполняться в различных вариантах, например, рабочие обмотки включают параллельно (при большой величине нагрузочного сопротивления) или последовательно-встречно, а обмотки управления – согласно. В ряде случаев применяются МУ, выполненные на трехстержневом Ш-образном сердечнике с утолщенным среднем стержнем.
В этом случае wу расположена на среднем стержне, одна половина намотана на одном крайнем стержне сердечника, другая – на другом. Переменный магнитный поток Ф~, создаваемый переменным магнитным полем, проходит по наружному контуру, почтя не заходя в средний стержень, который поэтому не подвергается систематическому перемагничиванию. После снятия управляющего сигнала Iу в среднем стержне остается остаточный магнетизм, создающий некоторый постоянный магнитный поток, и, следовательно, ток в нагрузке имеет минимальное значение, но несколько превышает ток холостого хода Iн(хх) (завышенный ток холостого хода).
Если необходимо питать нагрузку постоянным током, то в нагрузочную цепь (на месте Rн рис.2) МУ вводят мостовой выпрямитель, нагрузка включается в диагональ выпрямительного моста.
Промышленная серия МУ.
В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются МУ серии ТУМ и УМ. Серия ТУМ (тороидальный) предназначена для работы в системах автоматического регулирования в качестве входных усилителей, обеспечивающих усиление и суммирование нескольких управляющих сигналов. Суммирование сигналов осуществляется с помощью семи управляющих обмоток (1н-1к, 2н-2к, … 7н-7к). (на рис. 2 показана одна wу). ТУМ могут применяться также в качестве бесконтактных реле и выходных каскадов для питания маломощных серводвигателей. МУ серии ТУМ изготавливаются пяти габаритов в зависимости от размеров сердечника – ТУМ-А1,... ТУМ-А5. Все усилители этой серии выполняются на двух ленточных кольцевых сердечниках, изготовленных из холоднокатанной текстурованной электротехнической стали. На каждом сердечнике имеется по две рабочие обмотки с самостоятельными выводами, которые могут соединяться последовательно или параллельно. Семь обмоток (управления охватывают оба сердечника.
МУ серии ТУМ выпускаются на четыре напряжения переменного тока 36, 100, 127, 220 В.
Усилители серии УМ предназначены для использования в качестве силовых МУ в различных схемах автоматического электропривода. Диапазон мощностей УМ (0,07…25кВт) и подразделяются на однофазные (УМ-1П) и трехфазные (УМ-ЗП). Выпускаются на три основных напряжения 127, 220 и380В, а также на напряжение 63, 110 и 190В.