I. Снятие семейства вольтамперных характеристик

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО
УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

Цель работы: изучение работы магнитного усилителя мощности, снятие характеристик.

Общие сведения

Магнитным усилителем называется электромагнитное устройство, при помощи которого осуществляется усиление (увеличение) значения напряжения, тока или мощности.

На схеме рис.1 показан магнитный усилитель, состоящий из ферромагнитного сердечника, на котором имеются рабочая обмотка, разделенная на две равные части, и обмотка усиления.

Рабочая обмотка питается переменным током, а обмотка управления - постоянным. В цепь рабочей обмотки включается приемник. При изменении тока в цепи управления будет изменя­ться степень насыщения сердечника, а, следовательно, и индук­тивное сопротивление рабочей обмотки. При неизменном по действующему значении напряжений на зажимах рабочей цепи и постоянной частоте изменение сопротивления в рабочей цепи повлечет за собой изменение тока в ней. При исследовании маг­нитного усилителя необходимо прежде всего построить семейство его вольтамперных характеристик , где U_p и I – действующие значения соответственно напряжения на рабочей обметке и тока в ней.

Для разных значений тока, управления I_y кривые зависимости напряжения от тока занимают на плоскости различные положения (рис.2). Из кривых видно, что чем больше ток управления I_y тем больше при том же напряжении U_p ток I в рабочей цепи. Пренебрегая высшими гармониками, которые возникают в цепи с ферромагнитными материалами при работе их в режимах, близких к насыщению и считая, что ток I отстаёт от напряжения U_p на 90° (пренебрегаем активным сопротивлением рабочей обмотки), действующее значение тока можно определить как

где U – действующее значение напряжения источника в рабочей цепи; – полное сопротивление рабочей цепи.

Активная мощность, выделяющаяся в сопротивлении нагрузки R_н, . Если ток управления I_y будет мал, то индуктивное сопротивление рабочей обмотки X_р будет относитель­но большим, а ток I и мощность Р_н относительно малыми. При увеличении тока управления I_y сопротивление Х_р умень­шается, а ток I и мощность Р_н возрастают. Таким образом, путем изменения величины тока управления можно управлять величиной активной мощности, выделяющейся в сопротивлении R_н. Если сопротивление цепи управления сделать достаточно малым, то активная мощность , выделяющаяся в цепи управления и затрачиваемая на управление режимом работы магнитного усилителя, будет гораздо меньше мощности P_н нагрузки.

Весной характеристикой магнитного усилителя является, коэффициент усиления по мощности, который равен отношению приращения мощности в нагрузке R_н к соответствующему приращению мощности в цепи управления

или

где I ₀ – ток в рабочей цепи при ; R_y – сопротивление цепи управления.

Изменяя ток в обмотке управления при постоянном по действующему значению напряжения источнике питания рабочей цепи, можно получить зависимость между током нагрузки I и током цепи управления I_y или характеристику вход - выход (рис.3). Особый интерес представляет оптимальное сопротивление R_опт нагрузки магнитного усилителя при заданном токе I.

R_опт – это такое сопротивление нагрузки, при котором мощность в ней будет максимальна при определенном токе управления I_y и неизменном по действующему значению напряжения в рабо­чей цепи. В настоящей работе требуется определить R_опт при за­данном токе I_y и напряжение рабочей цепи U. Пренебрегая высшими гармониками и активным сопротивлением рабочей обмотки, при активной нагрузке имеем . Здесь U_p – действующее значение напряжения на рабочей обмотке.

Если построить вольтамперную характеристику магнитного усилителя для заданного тока I_y и провести окружность радиусом ОА, равным в масштабе напряжений U, с центром в начале координат, то искомое оптимальное сопротивление нагрузки можно определить графоаналитическим способом. Задаются произвольным значением тока (отрезок ОА на рис.4). Из точки О проводят перпендикуляр к оси абсцисс до пересечения в точке b с вольтамперной характеристикой. Отрезок ab в масштабе напряжений будет определять напряжение U_p при выбранном значении тока. Проводят параллельно от абсцисс отрезок bc и проектируют точку с на ось абсцисс. Отрезок Od в масштабе напряжений определяет напряжение U_н=IR_н при выбранном токе I. Действительно, где of=ab, cf=od. С учетом масштаба напряжений . Затем задаются другим произвольным значением тока I (отрезок Ok на рис.4). Определяют соответствующее этому току напряжение U_p (отре­зок km), проводят отрезок (mn) до пересечения с окружностью, находят точку р, как проекцию точки n на ось абсцисс. От­резок Op в масштабе напряжений определяет напряжение на нагрузке U_н для выбранного значения тока. Таким же образом на­ходим значения напряжения на нагрузке для целого ряда произ­вольных значений тока, лежащих в пределах отрезка Oе. Длякаждого значения тока проеделяем мощность нагрузки Р_н. Очевидно, существует такой ток I_x, при котором . Погрешность, с которой определяется ток I_x, тем меньше, чем больше произвольных точек выбирают на оси абсцисс. Так как

то Ом.

Подготовка к работе

1. Рассчитать максимальное значение тока, которое можно получить для данного значения R_н.

2. Для заданных значений сопротивлений нагрузки R_н =37 Ом и обмотки управления R_y =10 Ом определить коэффициент усиления по мощности.

3. Определить расчетным путем оптимальное сопротивление R_{опт т}.

Порядок выполнения работы

I. Снятие семейства вольтамперных характеристик

1. Собрать цепь по схеме рис.4 и получить разрешение на включение. Перед включением установить все тумблеры лампового реостата в нижние положения, рукоятку регулятора напряжения PH поставить на нуль.

2. Включить рубильник переменного тока. Изменяя напряжение пе­ременного тока в цепи рабочей обмотки с помощью регулятора напряжения PH от нуля до 30 В, измерить ток в рабочей об­мотке и напряжение на ее зажимах. Данные измерений записать в табл.1 при I_у =0,05 А.

Таблица 1

3. Снять семейство вольтамперных характеристик для значений тока в обмотке управления, указанных в табл.1. Регулирование тока управления производить путём включения тумблеров лампового реостата. Регулирование напряжения переменного тока производить в пределах, при которых переменный ток не превышает 0,5 А. Данные измерений занести в табл.1.

4. По данным табл.1 построить семейство вольтамперных характеристик.

II. Снятие характеристики вход-выход
магнитного усилителя

1. Регулятором напряжения РН установить общее напряжение

U=25 В (см.рис.4), тумблеры лампового реостата уста­новить в нижнее положение.

2. Включая поочередно тумблеры лампового реостата, измерить ток управления и переменный ток. Результаты измерений записать в табл.2.

Таблица 2

3. По данным табл.2 построить характеристику зависимости тока в рабочей цепи от тока управления (характеристика вход-выход).

III. Определение оптимального сопротивления
нагрузки и коэффициента усиления по мощности

1. Определить оптимальное сопротивление нагрузки при U =25 В и токе управления I_у =0,1 А.

2. Вычислить коэффициент усиления по мощности для двух случаев:

а) при I_у =0,1 А и найденном R_опт нагрузки для этого тока;

б) при I_у =0,1 А и R_н =30 Ом по данным табл.2. При рас­чете принять R_y= 10 Ом.

Контрольные вопросы

1. Что называется магнитным усилителем (МУ)? Описать принцип его работы.

2. Назовите важнейшие характеристики МУ?

3. Как графоаналитическим способом определить оптимальное сопротивление нагрузки МУ?

4. Что называют потоком подмагничивания, характеристикой управления.

5. Не противоречит ли действие магнитного усилителя закону сох­ранения энергии?

Рис 1.