Электромеханические и магнитные усилители

В электромеханических усилителях усиление слабых входных электрических сигналов происходит за счет механического перемещения групп контактов, коммутирующих более мощные электрические цепи, или путем преобразования энергии источника с помощью входного сигнала, где также применяется механическая энергия.

К электромеханическим усилителям относят электро-магнитные реле, магнитные контакторы, командоаппараты, электромагнитные усилители.

Электромагнитное реле – это электромеханическое устройство, состоящее из электромагнита и группы электрических контактов, замыкающихся или размыкающихся в зависимости от тока (напряжения), питающего электромагнит.

На рис. 11.1 приведено графическое изображение электромагнитного реле и его статическая характеристика, которая, по форме, является релейной.

Рис 11.1 – Электромагнитное реле и его статическая характеристика: KV – катушка реле; IВХ, IВЫХ, – входной и выходной токи; RН – сопротивление нагрузки; UВХ, UП, – входное напряжение и напряжение питания; IСР, IВЗ, – ток срабатывания и ток возврата

Очевидно, чувствительность реле определяется его током срабатывания. Коэффициент усиления по току

Аналогичным образом можно представить и другие усилительные элементы данного вида (электромагнитные контакторы, командоаппараты).

Достоинствами электромеханических усилителей являются простота устройства, относительно невысокая стоимость, широкие пределы по входным и выходным величинам. Недостатки – наличие контактов и механических подвижных деталей, нелинейность характеристик, низкая чувствительность.

Магнитные усилители относятся к параметрическим усилителям, действующим на основе использования нелинейных свойств катушек индуктивности с сердечниками.

Конструктивно магнитный усилитель может выполняться в виде двух одинаковых трансформаторов с ферромагнитными сердечниками, обладающими высоким значением магнитной проницаемости (m>>1).

Устройство магнитного усилителя поясняется рис. 11.2. Катушки w₁ являются первичными, к ним подключается входное воздействие U_ВХ (постоянное напряжение), вызывающее ток I₁. Вторичные обмотки w₂ соединены последовательно с нагрузкой и питаются переменным напряжением U_П . Первичные обмотки включаются встречно по отношению к вторичным, что исключает наведение в них тока за счет вторичных катушек.

Рис. 11.2 – Магнитный усилитель и его статическая характеристика: w1 – первичные катушки; w2 – вторичные катушки; UВХ, I1 – входные величины; I2, U2 – выходные величины; UП – напряжение питания; I0 – ток холостого хода

При увеличении постоянного тока I₁ увеличивается насыщение сердечников, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления катушек w₂, в результате ток I₂ возрастает (см. зависимость I₂ = f( I₁ ) на рис.4.2.). Коэффициент усиления по току

Магнитные усилители обеспечивают усиление по току в десятки и сотни раз и по мощности в сотни и тысячи раз. К тому же они надежны и находят достаточно широкое применение в системах автоматики. Недостатками магнитных усилителей являются малое быстродействие и большие габариты и вес.

Электромашинные усилители функционируют на основе эффекта усиления электрического сигнала в генераторах при использовании механической энергии приводного двигателя. При этом входной электрический сигнал подается на обмотки возбуждения генератора постоянного тока, который, потребляя механическую энергию от приводного двигателя, будет вырабатывать выходное напряжение U_ВЫХ, пропорциональное входному напряжению U_ВХ. Обычно в качестве приводного двигателя используют трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (Рис. 11.3).

Рис. 11.3 – Схема электромашинного усилителя и его статическая характеристика; UВХ, IВХ – входные электрические величины; UВЫХ, IВЫХ – выходные величины; ОВ – обмотка возбуждения; Г – генератор постоянного тока; М – приводной электродвигатель; RВ – активное сопротивление обмотки возбуждения; RН – сопротивление нагрузки

Для линейности статической характеристики в рабочем диапазоне магнитопровод системы возбуждения генератора до насыщения не доводят.

В качестве нагрузки (R_Н) усилителя чаще всего используют электродвигатель постоянного тока, хотя возможны и другие виды нагрузок, для питания которых необходим постоянный ток. Электромагнитные усилители нашли широкое применение в системах автоматического регулирования электроприводами подъемно-транспортных машин и др.