При включении обмотки смещения характеристика управления усилителя сдвигается влево (рис. 7, а) на величину Fсм/?y (здесь Fсм = Iсм?см — м. д. с. обмотки смещения). В этом случае при отсутствии тока в обмотке управления ток в цепи нагрузки имеет некоторое значение Iнач, которое будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от направления тока управления Iу. Введение начального подмагничивания одновременно повышает коэффициент усиления для малых токов Iу, 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. еу, 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 Uн 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 Iос в обмотке обратной связи будет пропорционален выходному напряжению Uн (обратная связь по напряжению), во втором—току Iн 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 Rн и обмотки положительной обратной связи по току включены через выпрямитель 6. Параллельно обмоткам 5 присоединен резистор 7, посредством которого можно регулировать ток Iос 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 Lос направлен так же, как и ток Iу) характеристика управления будет иметь большую крутизну (см. рис. 7,б). Следовательно, при этом увеличиваются коэффициенты усиления по току кi и по мощности кр.
При изменении направления тока Iос 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.
В магнитном усилителе, показанном на рис. 11,а, в оба полупериода переменного питающее напряжения через рабочие обмотки реакторов L1 и L2 проходят попеременно пульсирующие токи i1и i2, вызывая переменное насыщение их сердечников. При этом к нагрузке RH приложено переменное напряжение uн и через нее проходит переменный ток I. В усилителе, показанном на рис. 11,б, через рабочие обмотки также проходят попеременно токи i1 и i2, но через нагрузку Rн они проходят всегда в одном и том же направлении и к ней приложено постоянное напряжение Uн.
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. 12,а), у которых рабочие обмотки 1 соединены последовательно. Обмотки подмагничивания также соединяют последовательно 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 I2будет 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. 12,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 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.
Заключение.
Наибольшее распространение магнитные усилители получили в 50-60х годах. Затем, с развитием технологий, они уступили своё место полупроводниковым устройствам. Тем не менее, в ряде областей, прежде всего связанных с управлением большими токами и мощностями, они используются до сих пор. 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).
Хотя основной областью применения магнитных усилителей было усиление сигналов постоянного и относительно медленно изменяющегося токов, они также нашли значительное применения в области более высоких частот, особенно в вычислительной технике, что объясняется прежде всего их высокой надежностью. В качестве примера можно указать, что отечественная троичная цифровая вычислительная машина «Сетунь», созданная в вычислительном центре Московского государственного университета, была практически полностью построена на магнитных усилителях.