Уравнение электрического состояния рабочей цепи магнитного усилителя

§72. Магнитные усилители

Магнитным усилителем называют электромагнитный аппарат, служащий для плавного регулирования переменного тока, поступающего к нагрузке, путем изменения индуктивного сопротивления X_L катушки с ферромагнитным сердечником, включенной последовательно с нагрузкой. Принцип действия магнитного усилителя основан на изменении индуктивности катушки с ферромагнитным сердечником при подмагничивании ее постоянным током. С помощью такого аппарата можно регулировать большие токи посредством сравнительно слабых электрических сигналов. Магнитные усилители широко применяют на тепловозах для автоматического регулирования возбуждения главного генератора и на э. п. с. для регулирования напряжения источника служебного тока при зарядке аккумуляторных батарей, в стабилизаторах напряжения и для других целей. Существуют магнитные усилители с насыщающимися реакторами и с самонасыщением (с самопод-магничиванием).

Магнитные усилители с насыщающимися реакторами. В таком магнитном усилителе используют два насыщающихся реактора L1 и L2 (рис. 235, 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 I_v).

Рабочие обмотки 1 реакторов L1 и L2 включают согласованно, чтобы переменные э. д. с. е_L1 и е_L2, индуцированные в них, складывались, а обмотки управления 2 включают встречно, чтобы э. д. с. e_y1 и e_y2, индуцированные в них, были направлены навстречу друг другу и взаимно уничтожались.

Входом магнитного усилителя, на который подается управляющий сигнал U_у, являются зажимы а и b обмоток управления обоих реакторов. Выходом усилителя служат точки с и d, к которым подключают нагрузку R_н. 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. 235,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 R_н. Поэтому, затрачивая малую мощность в обмотке управления, можно регулировать значительно большую мощность, поступающую к нагрузке R_н. 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

Рис. 235. Схемы магнитных усилителей с насыщающимися реакторами с выходом на переменном (а) и постоянном (б) токе

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 U_у и ток управления I_у 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 U_н (выходное напряжение) будет также мало, так как большая часть напряжения питания U теряется в виде падения напряжения IX_L в рабочих обмотках. Следовательно, будет мала и мощность, поступающая к нагрузке от источника питания.

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

Для магнитного усилителя справедливо такое же уравнение магнитодвижущих сил, что и для трансформатора:

F_p = I?_p — м. д. с. рабочей обмотки;
F_y = I_y?_y — м. д. с. обмотки управления;
?_p, ?_y— число витков рабочей обмотки и обмотки управления.

Отсюда получаем зависимость тока I в цепи рабочих обмоток от тока управления I_у:

Приведенное соотношение справедливо только до тех пор, пока ток I_у не достигает значения I_{y max}, при котором сердечники реакторов будут насыщены в течение всего периода изменения питающего напряжения u. В этом случае индуктивное сопротивление рабочих обмоток станет равным нулю и магнитный усилитель теряет свои управляющие свойства.

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. 236, а), построенная по формуле (79), 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. 236, б) не имеет резкого перелома в точке, соответствующей I_{у max}.

Рис. 236. Характеристики управления идеализированного (а) и реального (б) магнитного усилителя

Рис. 237. Характеристики управления при наличии обмотки смещения (а) и положительной обратной связи (б)

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. 235, 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. 237, 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. 235), 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. 238, 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. 238,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. 239), 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,

Рис. 238. Схемы магнитного усилителя с насыщающимися реакторами со сдвоенным (а) и с трехстержневым (б) сердечниками

Рис. 239. Принципиальная схема магнитного усилителя с обмотками смещения и обратной связи

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. 239) 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. 238 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. 237,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. 240). 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 I_ос 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 I_у в обмотках управления 1 может быть существенно уменьшен.

В магнитном усилителе, показанном на рис. 241, а, в оба полупериода переменного питающее напряжения через рабочие обмотки реакторов L1 и L2 проходят попеременно пульсирующие токи i₁ и i₂, вызывая переменное насыщение их сердечников. При этом к нагрузке R_H приложено переменное напряжение u_н и через нее проходит переменный ток I. В усилителе, показанном на рис. 241,б, через рабочие обмотки также проходят попеременно токи i₁ и i₂, но через нагрузку R_н они проходят всегда в одном и том же направлении и к ней приложено постоянное напряжение U_н.

Магнитные усилители с самонасыщением используют в качестве регуляторов системы возбуждения генераторов на некоторых тепловозах. Если требуется регулировать электрические установки
большой мощности, то применяют трехфазные магнитные усилители.

Трансформаторы постоянного тока и напряжения. С помощью магнитных усилителей можно создать трансформаторы постоянного тока и напряжения. Трансформатор постоянного тока представляет собой однофазный магнитный усилитель, состоящий из двух реакторов L1 и L2 (рис. 242,а), у которых рабочие обмотки 1 соединены последовательно. Обмотки подмагничивания также соединяют последо-

Рис. 240. Схема магнитного усилителя с самонасыщением

Рис. 241. Принципиальные схемы магнитных усилителей с самонасыщением с выходом на переменном (а) и постоянном (б) токе: 1 — обмотка управления; 2 — рабочая обмотка; 3 — сердечники; 4 — полупроводниковые вентили

вательно и встречно или их роль выполняет кабель 2, пропущенный через окна сердечников обоих реакторов. При изменении постоянного тока I₁, проходящего по цепи подмагничивающей обмотки или по кабелю 2, изменяется насыщение сердечников, а следовательно, и переменный ток I₂ в цепи рабочих обмоток. При работе усилителя на прямолинейной части характеристики управления ток I₂ будет изменяться пропорционально току I₁. С помощью выпрямителя 3 переменный ток I₂ можно преобразовать в постоянный I’₂, который также будет пропорционален току I₁.

Трансформатор постоянного напряжения (рис. 242,б) выполняется так же, как и трансформатор постоянного тока, но его подмагничивающие обмотки 2 подключают через добавочный резистор к двум точкам, между которыми действует напряжение U₁ постоянного тока. Рабочие обмотки 1 для повышения точности включают параллельно (в этом случае существенно снижаются

Рис. 242. Схемы трансформаторов постоянного тока (а) и постоянного напряжения (б)

э. д. с. четных гармоник, индуцируемых в обмотках 2). При изменении напряжения U₁ изменяется ток подмагничивания I₁, а следовательно, и ток I₂ в цепи рабочих обмоток. При работе усилителя на линейной части характеристики токи I₂, I’₂ и выпрямленное напряжение U₂ будут пропорциональны напряжению U₁.

Магнитный усилитель — схема, принцип действия, особенности работы, устройство. Как устроен и работает.

Как устроен и работает магнитный усилитель. Схема. (10+)

Магнитный усилитель позволяет управлять переменным током, проходящим через него, путем пропускания небольшого управляющего постоянного тока через управляющую обмотку.

Принцип действия магнитного усилителя

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

[Индуктивность, Гн] = 1.257E-9 * [Магнитная проницаемость сердечника] * [Площадь сечения магнитопровода, кв. мм] * [количество витков]^2 / [Длина средней магнитной линии сердечника, мм]

Принцип действия магнитного усилителя основан на интересном свойстве ферромагнитных материалов. Этим материалам свойственно насыщение. Это означает, что в ненамагниченном состоянии магнитная проницаемость может быть несколько тысяч или несколько десятков тысяч (для трансформаторного железа). При такой высокой магнитной проницаемости индуктивность катушки, намотанной на сердечнике, будет большой. Большим будет и модуль сопротивления переменному току. Путь переменному току будет практически перекрыт. Магнитный усилитель закрыт.

Но все меняется, если достаточно сильно (до насыщения) намагнитить сердечник. При этом его магнитная проницаемость приблизится к единице. Индуктивность, а значит модуль сопротивления, уменьшится в тысячи или десятки тысяч раз. Магнитный усилитель откроется.

Рисунок иллюстрирует описанный процесс. Магнитная индукция, характеризующая интенсивность магнитного поля, отложена по вертикальной оси. Сначала она быстро нарастает при небольшом росте электрического тока. Потом происходит перелом графика. Индукция уже растет намного медленнее по отношению к силе тока. Когда магнитный усилитель закрыт, сила тока располагается между точками 1 — 2. Сила тока через открытый магнитный усилитель находится между точками 3 — 4.

На этом рисунке мы видим график тока через магнитный усилитель в его разных режимах. A1 — усилитель открыт. A2 — усилитель закрыт. A3 — промежуточное состояние. Мы видим, что в открытом или закрытом состоянии магнитный усилитель практически не искажает сигнал. Но вот в промежуточном состоянии искажения очень существенные. Кроме того в промежуточном состоянии достаточно высоки потери на перемагничивание сердечника. В таком режиме магнитный усилитель используется только, если нагрузка не чувствительна к искажению формы сигнала или происходит последующая фильтрация. Замечу, что искажения, вносимые магнитным усилителем, довольно безобидные. В выходном сигнале нет высших гармоник.

Устройство, схема

Типичный магнитный усилитель состоит из двух совершенно одинаковых дросселей с двумя обмотками, соединенных, как показано на схеме.

Силовые обмотки L2 и L3 соединены параллельно. Выводы 1 — 2 предназначены для подвода переменного тока, которым мы хотим управлять. Они включаются последовательно с нагрузкой. Управляющие обмотки соединены последовательно навстречу друг другу, чтобы напряжение на одной равнялось минус напряжению на другой.

Очень важно, чтобы дроссели были максимально идентичными. Напряжение на обмотке L1, наводимое с обмотки L2, должно быть в точности равно напряжению на обмотке L4, наводимому с обмотки L3. Тогда на выводах 3 — 4 вообще не будет напряжения, что необходимо для правильной работы устройства.

Возможным вариантом является намотка обоих дросселей на одном Ш — образном сердечнике.

Здесь обмотка L1 подмагничивает оба дросселя. В обмотке L4 нет необходимости. Ниже мы рассчитаем количество витков для управляющих обмоток. Число витков обмотки L1 во втором исполнении равно числу витков обмотки L1 в первом исполнении. Может показаться, что второе исполнение экономит медь, ведь не нужно мотать вторую управляющую обмотку. Но на самом деле. Длина витка L1 во втором исполнении значительно больше, чем в первом. Экономия меди есть, но не очень большая.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Здравствуйте. Измерение постоянного тока. Токовые клещи Вы пробовали делать или это теоретические разработки? Если делали можно рабочую схему с данными. Хотелось ее сделать. Читать ответ.

Тиристорное переключение нагрузки, коммутация (включение / выключение).
Применение тиристоров в качестве реле (переключателей) напряжения переменного то.

Прямоходовый импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, .
Как работает прямоходовый стабилизатор напряжения. Описание принципа действия. П.

Бестрансформаторные источники питания, преобразователи напряжения без .
Расчет онлайн гасящего конденсатора бестрансформаторного источника питания.

Использование переключающихся конденсаторов в бестрансформаторном исто.
Вариант бестрансформаторной схемы источника питания с переключением конденсаторо.

Магнитные усилители — между лампами и транзисторами

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Действие магнитного усилителя основано на том, что индуктивное сопротивление рабочей обмотки с железным сердечником можно изменить за счет приложения постоянного магнитного поля, создаваемого другой, управляющей обмоткой. Магнитные усилители появились в США в начале ХХ в., однако широко применять их начали только после Второй мировой войны, когда было обнаружено, что системы управления ракетами «Фау-2», обстреливавшими Лондон, а также трофейными немецкими танками в СССР не содержали электронных ламп, а были построены на «трансформаторах».

Способность железных предметов намагничиваться в магнитном поле была известна еще в Древнем мире, однако только великий Ампер смог объяснить это явление гипотезой о вращающихся магнитных доменах, подтвержденной теоретическими работами Максвелла [1]. Согласно этой гипотезе железный сердечник (рис. 1) содержит мельчайшие намагниченные образования (домены), в каждом из которых вдоль продольной оси циркулирует ток, создающий магнитный микропоток.

В размагниченном железе (рис. 1а) все домены расположены хаотично, поэтому его суммарный магнитный поток равен нулю. При приложении магнитного поля, например с помощью намотанной на сердечник катушки, по мере увеличения этого поля часть доменов начинает разворачиваться — до тех пор, пока все домены не расположатся вдоль оси сердечника (рис. 1б), доведя его магнитный поток до максимума. Такое состояние сердечника называется насыщением. По современным представлениям микропоток домена создается не циркулярным током, а вращением электрона вокруг своей оси и вокруг ядра атома. Из гипотезы Ампера следуют два важных вывода. Во-первых, магнитный поток сердечника до зоны насыщения растет по мере увеличения магнитного поля. Во-вторых, в зоне насыщения магнитный поток постоянен вне зависимости от изменения внешнего магнитного поля — аналогично катушке с воздушным сердечником.

Рис. 1. Домены в железе:
а) размагниченном;
б) намагниченном

Эти рассуждения были подтверждены исследованиями великого русского физика Столетова [2]. Александр Григорьевич Столетов родился в 1839 г. во Владимире в купеческой семье и после окончания гимназии в 1856 г. поступил в Московский университет, который закончил с отличием. Был оставлен для приготовления к профессорскому званию и направлен на стажировку в немецкие университеты, где проводил экспериментальные исследования под руководством знаменитого физика Кирхгофа. По возвращении в Москву в 1872 г. защитил докторскую диссертацию на тему «Исследование функции намагничения мягкого железа». Эта функция (или кривая) Столетова (рис. 2) представляет собой зависимость индукции в сердечнике B от напряженности магнитного поля H, создаваемого в нем катушкой, где B_S — индукция насыщения [1].

Рис. 2. Кривая Столетова

Профессор Столетов известен также своими исследованиями фотоэффекта и электрического разряда. Он создал знаменитую физическую лабораторию и вел активную общественную и международную деятельность. В 1893 г. был выдвинут кандидатом в РАН, однако ее президент, Великий князь Константин, не допустил его избрания из-за независимого характера. В том же году в связи с истечением 30-летнего срока службы в университете Столетов был освобожден от всех своих обязанностей, что весьма негативно отразилось на его самочувствии, и в 1896 г. он скончался.

По кривой Столетова ведутся расчеты каждой электрической машины, трансформаторов, а также магнитных усилителей, первые схемы которых представили в 1901 г. американские изобретатели Чарльз Бургесс (Сharles Burgess) и Будд Франкенфилд (Budd Frankenfield) (рис. 3) [1, 3].

Рис. 3. Первый магнитный усилитель

Магнитный усилитель с железным сердечником (1) и двумя обмотками — рабочей (2) и управляющей (3) — включен последовательно с нагрузкой, например осветительной сетью (4), подключенной к генератору (или сети) переменного тока (5). Ток в управляющей обмотке (3) от генератора (6) или другого источника постоянного тока регулируется реостатом (7).

Сопротивление R_L рабочей обмотки с индуктивностью L на частоте w определяется формулой R_L = wL [1]. Для катушки с сердечником L = k_рm, где k_р — конструктивный параметр рабочей обмотки, определяемый ее числом витков, сечением и длиной сердечника, а m — магнитная проницаемость сердечника, равная тангенсу угла наклона касательной к кривой Столетова (рис. 2). Тогда R_L = k_рwm будет пропорционально магнитной проницаемости сердечника, которую, в соответствии с кривой Столетова, можно регулировать током i_у управляющей обмотки, создающим напряженность магнитного поля H = k_уi_у, где k_у — конструктивный параметр управляющей обмотки, определяемый числом ее витков и длиной.

Таким образом, если в осветительной системе на рис. 3 ток в управляющей обмотке достаточно мал, то сопротивление рабочей обмотки очень большое и лампы не светятся, но по мере роста управляющего тока лампы разгораются, поскольку сопротивление рабочей обмотки падает, пока не станет ничтожно малым при насыщении сердечника, что сопровождается достижением максимальной яркости всех ламп.

Рис. 4. Эрнст Александерсон (1878–1975)

В начале ХХ в. подобные магнитные усилители применялись для освещения театров, регулирования температуры в помещении и в других случаях, требующих больших токов управления [1, 4, 5]. Однако как элемент автоматики эти устройства получили признание лишь после работ знаменитого американского электротехника Александерсона.

Эрнст Александерсон (Ernst Alexanderson) (рис. 4) родился в 1878 г. в Швеции в семье профессора лингвистики [6, 7].

Получил хорошее инженерное образование в Королевском технологическом институте в Стокгольме, а затем и в Берлинском техническом университете, где увлекся работами знаменитого американского электротехника Чарльза Протеуса Штейнмеца (Charles Proteus Steinmetz), который предложил рассчитывать электрические машины не привычными графическими методами, а чисто аналитически — с помощью комплексных переменных. Это и послужило причиной эмиграции Александерсона в США в 1901 г., где по рекомендации Штейнмеца он был принят чертежником в отдел электрогенераторов компании General Electric. Однако очень скоро молодому эмигранту стали поручать и проектные работы, среди которых одной из первых стал высокочастотный машинный генератор радиопередатчика [6, 8].

К тому времени радио, созданное стараниями Попова и Маркони в 1895–1897 гг., уже широко использовалось для передачи телеграфных сообщений с помощью искрового или дугового генератора [9]. Однако искровой разряд было невозможно модулировать для передачи речи или музыки, поэтому многие изобретатели, начиная с Теслы и Сименса, пытались заменить искровой генератор электромашинным, позволяющим излучать стабильную несущую частоту, которая, однако, не превышала 20 кГц и была непригодна для радиосвязи. Известный американский радиоинженер Реджинальд Фессенден (Reginald Fessenden) в 1904 г. обратился в General Electric с просьбой создать электрогенератор на 100 кГц, за который и взялся Александерсон. Ему предстояло решить три труднейшие проблемы: спроектировать быстроходный генератор, создать модулятор высокочастотного сигнала от микрофона и разработать систему стабилизации несущей частоты радиопередатчика [5, 8, 10].

Первая задача была решена с помощью уникального индукторного генератора на 2 кВт, имевшего 300 зубцов ротора и вращавшегося с такой высокой скоростью (20 тыс. об/мин), что при его испытаниях в лаборатории использовалось укрытие из песка. Модуляция сигнала радиопередатчика выполнялась магнитным усилителем (1) (рис. 5), рабочая обмотка которого (2) шунтировала генератор (3), соединенный с антенной (4). Управляющая обмотка (5) запитывалась от батареи (6) через переменный резистор (7) в виде микрофона (при передаче речи) или ключа (для телеграфного сообщения) [10].

Рис. 5. Радиопередатчик

Стабилизация несущей частоты радиопередатчика выполнялась замкнутой системой регулирования скорости электродвигателя, вращающего генератор, также с магнитным усилителем.

Первая в истории передача по радио речи и музыки с помощью данного передатчика проводилась Фессенденом в канун Рождества 1906 г. [6, 7, 8]. Радисты кораблей, находившихся за сотни километров от берега, с изумлением услышали после обычной морзянки чтение библии, пение и игру на скрипке. После этого было построено много аналогичных радиостанций как в США, так и в Европе, и радиовещание постепенно стало частью повсе­дневной жизни. Когда в 1923 г. был похищен 6-летний сын Александерсона, все радиостанции США передали описание мальчика, который был вскоре освобожден. Злоумышленники были схвачены. Последний такой действующий машинный передатчик сохранился в Швеции. До сих пор низкие частоты передатчика Александерсона используются для дальней радиосвязи с подводными лодками.

Всю свою жизнь, вплоть до кончины в 97 лет, Александерсон проработал в компании General Electric и созданной на ее основе крупнейшей Radio Corporation of Ameriсa, последние годы в качестве консультанта [6, 7]. Был одним из создателей телевидения: первым передал в 1924 г. по радио факсимильное изображение, в 1927 г. начал домашнее телевещание, создал стандарт цветного телевидения. Помимо магнитных усилителей, Александерсон разработал множество электротехнических устройств и систем, в том числе первый вентильный двигатель на тиратронах (1934 г.) [11], электромашинный усилитель (амплидин) для систем орудийной наводки и др. Получил 344 патента, последний в возрасте 89 лет.

Однако в 1920-х гг. магнитные усилители начали вытесняться ламповыми во всех странах, кроме Германии, где лихорадочная подготовка к войне заставила ученых обратить внимание на такие уникальные свойства магнитных усилителей, как надежность и долговечность при воздействии сильнейших вибраций, ударов, взрывов и даже ядерной радиации, температуры до +500 °С, большую выходную мощность до 500 МВт и высокий коэффициент усиления (до миллиона без прогрева) [1, 4, 5]. В результате магнитные усилители были применены в системах управления ракетами «Фау-2», приводах наведения корабельных орудий, локомотивах, танках и другом оборудовании немецкой армии.

После войны и вплоть до широкого внедрения транзисторов в 1960-х гг. начался бурный ренессанс магнитных усилителей, которые стали широко использовать в наземных и авиационных электроприводах, электро­генераторах, системах регулирования ядерных реакторов и других объектов [1, 4, 5]. Примером может служить схема управления электродвигателем, запатентованная самим Александерсоном в 1954 г. (рис. 6) [12].

Рис. 6. Управляемый электродвигатель

Цепи якоря (Я) электродвигателя и секции В1 и В2 обмотки возбуждения подключаются к сети переменного тока напряжением U_с через резистор R и последовательно соединенные диоды (Д1–Д3) и рабочие обмотки трех магнитных усилителей (T1–T3), являющиеся управляемыми сопротивлениями. Входное напряжение постоянного тока U_у, подаваемое на управляющие обмотки Т1 и Т2, увеличивает напряжение на одной из секций (В1 или В2) обмотки возбуждения и уменьшает его на ту же величину в другой секции в зависимости от знака и величины управляющего напряжения. Таким образом регулируются величина и знак напряжения возбуждения. Одновременно увеличивается подмагничивающее напряжение, приложенное к магнитному усилителю Т3, что увеличивает ток якорной цепи.

В 1949 г. магнитные усилители нашли неожиданное применение в первых ЦВМ, когда Ань Ван (An Wang) из Гарвардского университета (столетие которого отмечается в этом году) получил патент на магнитную ячейку памяти (рис. 7), купленный компанией IBM за $500 тыс. [13, 14].

Рис. 7. Ячейка памяти

Ячейка содержит сердечник (1) в виде колечка из материала с узкой петлей гистерезиса, который находится в состоянии насыщения с двумя направлениями намагниченности — положительным +B (цифровой 0) или отрицательным –B (цифровая 1), и три обмотки: записи (2), считывания (3) и выходную (4), подключенную к приемнику (5) через диод (6). При записи отрицательным импульсом на обмотку (2) сердечник принимает состояние –B. При поступлении положительного импульса считывания на обмотку (3) сердечник перемагничивается с –B на +B, что вызывает положительный импульс в выходной обмотке (4), проходящий в приемник (цифровая 1). Если же первоначально сердечник был в состоянии +B, то импульс считывания не вызывает перемагничивания сердечника и импульс в приемник (5) не поступает (цифровой 0). После каждого считывания состояние сердечника восстанавливается импульсом записи.

Благодаря преимуществам магнитных усилителей их продолжают применять в мощных электроприводах, например прокатных станов и тепловозов, электрогенераторах, ядерных реакторах и измерительных усилителях, особенно специального применения [5].

• Действие магнитных усилителей основано на изменении реактивного сопротивления катушки с железным сердечником под действием постоянного магнитного поля.
• Были впервые применены в США в начале ХХ в. для регулирования освещения, а также в машинном высокочастотном генераторе Александерсона для первой передачи по радио речи и музыки в 1906 г.
• В этом генераторе магнитные усилители выполняли модуляцию несущей частоты, а также поддерживали ее стабильность, регулируя скорости вращения генератора.
• В 1930-х гг. электронные лампы оттеснили магнитные усилители в большинстве систем управления за исключением корабельного, авиационного и танкового оборудования Германии времен войны.
• Это послужило толчком к возрождению магнитных усилителей в автоматике вплоть до доминирования транзисторов с начала 1960-х гг., хотя и до настоящего времени они незаменимы в силовом оборудовании для экстремальных условий.