Магнитные усилители

    Существенное  достоинство магнитных усилителей состоит в том, что они могут питаться непосредственно от сети переменного тока.

    Магнитные усилители отличаются высокой стабильностью  и могут устойчиво работать при  колебаниях напряжения и частоты  источника питания в пределах ±20...40% номинала. Они могут обеспечить получение значительного усиления мощности, достигающего 103...106 в одном каскаде. Специальные магнитные усилители напряжения (магнитные модуляторы) могут быть использованы для усиления весьма слабых сигналов постоянного тока, мощность которых составляет лишь 10-19...10-17 Вт.

    Основными конкурентами магнитных усилителей были полупроводниковые усилители, которые обладают лучшими динамическими  свойствами, меньшими габаритами, высоким  КПД и при относительно высокой  надежности часто оказываются более  дешевыми, чем магнитные усилители. Однако магнитные усилители смогли конкурировать в области усиления и суммирования сигналов постоянного и медленно изменяющихся токов, они обладали более высокой надежностью и перегрузочной способностью, могли быть выполнены на большую мощность и были значительно менее чувствительны к большим изменениям температуры и к радиоактивным излучениям, чем полупроводниковые усилители. Были созданы, например, магнитные усилители, способные работать при температуре окружающей среды +500° С. Максимальная мощность магнитных усилителей практически ничем не ограничена. Известны, например, магнитные усилители (дроссели насыщения), предназначенные для управления реактивной мощностью до 100 000 кВА, и быстродействующий магнитный усилитель для управления током в 160 000 А.

            Перечисленные достоинства магнитных усилителей привели к их применению прежде всего в устройствах автоматического регулирования, управления и контроля. Они использовались в регуляторах напряжения, частоты, числа оборотов, температуры, давления и др., а также в измерительной технике — в схемах автоматической компенсации измеряемой величины, для усиления слабых термоэлектродвижущих сил (термоЭДС), фототоков и сигналов от тензометрических датчиков, в качестве нуль-индикаторов и т. п. Магнитные усилители применялись для управления двигателями постоянного и переменного токов в следящих системах, углом зажигания тиратронов, твердыми выпрямителями, вращающимися генераторами. Они использовались в схемах релейной защиты и сигнализации, сортировочных автоматах, вычислительных машинах и счетно-решающих приборах, автопилотах, системах автоматического управления мощными производственными агрегатами (прокатными станами, экскаваторами и т.п.) и других устройствах. Также магнитные усилители широко применялись для осуществления стабилизаторов напряжения, используемых, в частности, для питания электронных устройств.

    Самым существенным недостатком магнитных  усилителей являлась значительная постоянная времени (инерционность) по сравнению  с электронными и полупроводниковыми усилителями, обусловленная индуктивностью обмоток управления. 

Магнитные усилители с насыщающимися реакторами.  

    В таком магнитном усилителе используют два насыщающихся реактора L1 и L2 (рис. 5,а). Каждый из них выполнен в виде катушки 1 (рабочей обмотки) с ферромагнитным сердечником 3 и подмагничивающей обмоткой 2, по которой проходит постоянный ток (ток управления Iv).

    Рабочие обмотки 1 реакторов L1 и L2 включают согласованно, чтобы переменные э. д. с. еL1 и еL2, индуцированные в них, складывались, а обмотки управления 2 включают встречно, чтобы э. д. с. ey1и ey2, индуцированные в них, были направлены навстречу друг другу и взаимно уничтожались.

    Входом  магнитного усилителя, на который подается управляющий сигнал Uу, являются зажимы а и b обмоток управления обоих реакторов. Выходом усилителя служат точки с и d, к которым подключают нагрузку Rн. Если нагрузка питается переменным током, то она включается последовательно с рабочими обмотками реакторов L1 и L2. Такой магнитный усилитель называют усилителем с выходом на переменном токе. Если нагрузка Rн рассчитана на питание постоянным током, то ее включают через выпрямитель В (рис. 5,б). Магнитный усилитель в этом случае называют усилителем с выходом на постоянном токе.

    Источником  питания магнитного усилителя служит сеть переменного тока или трансформатор, подключенный к питающей сети (когда напряжение питания отличается от напряжения сети).

Магнитный усилитель обладает способностью усиливать  электрические сигналы. Это объясняется  тем, что мощность, потребляемая обмоткой управления и расходуемая на ее нагрев, во много раз меньше мощности, передаваемой нагрузке Rн. Поэтому, затрачивая малую мощность в обмотке управления, можно регулировать значительно большую мощность, поступающую к нагрузке Rн. При работе усилителя не происходит какого-либо нарушения закона сохранения энергии. В данном случае передача мощности нагрузке производится не от цепи управления, а от источника питания переменного тока. Управляющий сигнал Uy постоянного тока позволяет лишь изменять значение этой мощности. 

    Магнитный усилитель работает следующим образом. Когда на вход усилителя не подается управляющий сигнал (напряжение на входе усилителя Uу и ток управления Iу равны нулю), сердечники реакторов не насыщены и рабочие обмотки 1 имеют большое индуктивное сопротивление. Поэтому ток в цепи нагрузки будет мал. Его называют начальным, или током холостого хода усилителя. Напряжение на нагрузке Uн (выходное напряжение) будет также мало, так как большая часть напряжения питания U теряется в виде падения напряжения IXL в рабочих обмотках. Следовательно, будет мала и мощность, поступающая к нагрузке от источника питания. 
 

    При подаче в обмотки управления 2 тока управления Iу сердечники реакторов подмагничиваются и индуктивное сопротивление XL рабочих обмоток 1 уменьшается. При этом растут ток в цепи нагрузки и поступающая к ней мощность.

    Зависимость тока 1 в цепи рабочих обмоток от тока управления I_у при постоянном напряжении U источника питания называется характеристикой управления магнитного усилителя. Характеристика управления для идеализированного магнитного усилителя (рис. 6, а), симметрична относительно оси тока I, так как при изменении направления под-магничивающего тока I_у электромагнитные процессы в усилителе не изменяются.

    У реального магнитного усилителя  при I_у = 0 существует небольшой ток холостого хода I₀ (усилитель имеет некоторое конечное индуктивное сопротивление X_L) и характеристика управления (рис. 6, б) не имеет резкого перелома в точке, соответствующей I_{у max}.

    Крутизна  характеристики управления определяет коэффициенты усиления по току к_i, и по мощности к_р. Коэффициент усиления по току представляет собой отношение тока I в цепи нагрузки к току I_y в цепи управления, коэффициент усиления по мощности — отношение мощности Р_н, передаваемой нагрузке, к мощности Р_у, потребляемой обмоткой управления.

    Для того чтобы ток холостого хода был по возможности мал, а рабочие  участки характеристики имели большую крутизну с целью увеличения коэффициентов усиления по току и по мощности, магнитную систему реакторов L1 и L2 выполняют на тороидальных сердечниках из пермаллоя. Часто применяют сердечники, навитые из холоднокатаной стальной ленты, так же как и в трансформаторах малой мощности. Усилители большой мощности изготовляют из листовой электротехнической стали на П- или Ш-образных сердечниках. Сердечники собирают весьма тщательно. Воздушные зазоры в стыках пластин должны быть по возможности малы. При возникновении зазоров свойства усилителя ухудшаются, так как его индуктивное сопротивление меньше зависит от тока управления. Следовательно, характеристика усилителя становится более пологой — уменьшаются коэффициенты усиления по току к по мощности. Современные магнитные усилители позволяют получать коэффициенты усиления k_i =100 и k_p = 1000.

    Магнитный усилитель, выполненный по схемам рис. 5, имеет симметричную характеристику управления, т. е. одинаково реагирует на то или иное направление тока управления. В ряде случаев требуется, чтобы ток нагрузки изменялся различным образом в зависимости от полярности сигнала управления. Для этой цели в усилителе создают некоторое начальное подмагничивание при помощи специальной обмотки, обтекаемой постоянным током Iсм. Она называется обмоткой смещения и располагается на сердечнике так же, как и обмотка управления (при наличии нескольких обмоток управления одну из них обычно используют в качестве обмотки смещения). 
 

    При включении обмотки смещения характеристика управления усилителя сдвигается влево (рис. 7, а) на величину F_см/?_y (здесь F_см = I_см?_см — м. д. с. обмотки смещения). В этом случае при отсутствии тока в обмотке управления ток в цепи нагрузки имеет некоторое значение I_нач, которое будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от направления тока управления I_у. Введение начального подмагничивания одновременно повышает коэффициент усиления для малых токов I_у, поскольку при этом повышается крутизна характеристики управления.

    В магнитном усилителе, составленном из двух отдельных реакторов (см. рис. 5), в каждой из обмоток управления могут индуцироваться значительные э. д. с. е_у, что заставляет выполнять их с усиленной изоляцией. Поэтому часто оба реактора конструктивно объединяют в один аппарат, который имеет обмотку управления 2, общую для двух реакторов (рис. 8, а). При таком выполнении результирующий магнитный поток, пронизывающий обмотку управления, будет мал и в ней практически не будет индуцироваться э.д.с. Сердечники разделяют немагнитной прокладкой 3, при этом по каждому из стержней, охватываемых обмоткой управления, проходит переменный магнитный поток, который интенсивно перемагничивает сердечники (снимает остаточную индукцию, возникающую при изменении тока управления) и уменьшает тем самым влияние остаточного магнетизма на характеристику усилителя. В некоторых случаях магнитный усилитель выполняют на трехстержневом сердечнике (рис. 7,б).

Обычно  магнитные усилители имеют не одну, а несколько обмоток управления, которые позволяют изменять выходное напряжение U_н и ток нагрузки I в зависимости от различных факторов. Например, магнитные усилители, устанавливаемые на некоторых тепловозах, имеют четыре обмотки управления. 

Обратные связи в магнитных усилителях.  

    Магнитные усилители обычно выполняют с обратными связями, которые обеспечивают увеличение стабильности работы усилителя и повышение его коэффициента усиления.

    Обратной связью в усилителе называется воздействие выходного тока или напряжения на его вход. Она может быть внешней и внутренней. Для создания внешней обратной связи в усилителях предусматривают специальную обмотку (рис. 9), которая дополнительно подмагничивает или размагничивает сердечник. Она располагается на сердечнике так же, как и обмотки управления и смещения, и питается выпрямленным током, пропорциональным току нагрузки или напряжению на нагрузке. Обратная связь может быть положительной и отрицательной. Если при возрастании тока нагрузки или напряжения на нагрузке обмотка обратной связи усиливает действие входного сигнала, то обратная связь называется положительной. Ее используют для повышения коэффициента усиления. Если же при возрастании тока или напряжения на нагрузке обмотка обратной связи ослабляет действие входного сигнала, то связь называется отрицательной. Такую связь вводят в системы автоматического регулирования для повышения устойчивости их работы.

    Обычно  обмотку обратной связи включают через выпрямитель, который присоединяют параллельно или последовательно нагрузке. В первом случае ток I_ос в обмотке обратной связи будет пропорционален выходному напряжению U_н (обратная связь по напряжению), во втором—току I_н в цепи нагрузки (обратная связь по току). Если нагрузка питается выпрямленным током, то можно использовать один общий выпрямитель для питания нагрузки и создания обратной связи.

    В магнитном усилителе с выходом  на постоянном токе (см. рис. 9) имеются два реактора L1 и L2 с сердечниками 1, на каждом из которых намотаны рабочие обмотки 2, обмотки управления 3, смещения 4 и положительной обратной связи по току 5. Нагрузка R_н и обмотки положительной обратной связи по току включены через выпрямитель 6. Параллельно обмоткам 5 присоединен резистор 7, посредством которого можно регулировать ток I_ос в этих обмотках. Обмотки 3, 4 и 5, расположенные на сердечниках двух реакторов L1 и L2, включены встречно, чтобы индуцируемые в них переменные э. д. с. взаимно уничтожались. Начала всех обмоток обозначены точками (при этом принимается, что все обмотки намотаны в одном направлении). Обмотки смещения 4 создают м. д. с, направленную против м. д. с. обмоток 3 и 5. Вместо двух обмоток обратной связи и смещения можно применить по одной, охватывающей стержни обоих реакторов, как это показано на рис. 8 для обмоток управления.

    При наличии положительной обратной связи (когда ток L_ос направлен так же, как и ток I_у) характеристика управления будет иметь большую крутизну (см. рис. 7,б). Следовательно, при этом увеличиваются коэффициенты усиления по току к_i и по мощности к_р.

    При изменении направления тока I_ос обратная связь становится отрицательной (обмотка обратной связи будет создавать м. д. с. направленную противоположно м. д. с. обмотки управления). Крутизна рабочего участка характеристики управления, а также коэффициенты усиления по току и мощности в этом случае уменьшаются. 

Магнитные усилители с самонасыщением.

    Положительную обратную связь можно обеспечить и без специальной обмотки  обратной связи. Для этого последовательно  с каждой рабочей обмоткой 2 реактора включают полупроводниковые вентили 4 (рис. 10). При таком включении по рабочим обмоткам реакторов L1 и L2 протекает выпрямленный пульсирующий ток (в один полупериод — ток i2 в другой полупериод — ток i2), постоянная составляющая которого обеспечивает дополнительное подмагничивание их сердечников 3. Следовательно в этом усилителе рабочие обмотки являются одновременно и подмагничивающими, т. е. имеет место внутренняя положительная обратная связь, при которой роль тока Iос обратной связи выполняет постоянная составляющая тока нагрузки. Коэффициент усиления по мощности такого усилителя весьма высок, так как большая часть мощности, необходимой для подмагничивания сердечников, забирается из цепи переменного тока и ток Iу в обмотках управления 1 может быть существенно уменьшен.