Меню

Усилитель тока магнитным полем



Как работает простейший магнитный усилитель

В систему автоматического управления (САУ) электрической передачей современных тепловозов входят магнитные усилители. Магнитным усилителем (МУ) называется электромагнитный управляющий аппарат, обеспечивающий плавное изменение величины переменного тока в результате изменения индуктивного сопротивления катушки с ферромагнитным сердечником при подмаг-ничивании его постоянным током управляющих обмоток.

Простейший МУ имеет два сердечника (рис. 14), на которых смонтированы рабочие обмотки ОР1, ОР2 с равным числом витков дор, соединенные встречно друг другу. Они включены в цепь переменного тока с неизменным напряжением и. Обмотка управления ОУ с числом витков шу охватывает оба сердечника и получает питание от источника постоянного тока (тока управления).

Рассмотрим несколько упрощенно принцип действия МУ, полагая неизменной индуктивность его обмоток в течение периода напряжения питания (используя теорию линеаризованного магнитного усилителя). Переменный ток в рабочей обмотке зависит от общего сопротивления цепи 1, которое включает активное сопротивление цепи 1?„ и индуктивное сопротивление обмотки Хи. Ток по закону Ома для цепи пеоеменного тока

Появление индуктивного сопротивления в обмотке обусловливается электродвижущей силой (э. д. с.) самоиндукции Эта э. д. с. индуцируется в витках обмотки под действием изменяющегося магнитного потока, вызванного переменным током. Направлена э. д. с. самоиндукции всегда так, чтобы препятствовать изменению тока. Она тем больше, чем больше скорость изменения тока в витках или пронизывающего их магнитного потока. Эта скорость зависит от частоты переменного тока 1.

Обмотки в зависимости от числа витков, геометрических размеров, материала сердечника обладают различными свойствами с точки зрения индуцирования э. д. с. самоиндукции. Эти свойства характеризуются индуктивностью Ь. Индуктивное сопротивление (Ом) подсчитывается по формуле где Ца — абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м, 5С — площадь поперечного сечения сердечника, м2, 1с — средняя длина магнитных силовых линий в сердечнике, создаваемых током рабочей обмотки или обмотки управления, м

Абсолютная магнитная проницаемость ца характеризует магнитные свойства среды, т. е. различную способность создавать магнитный поток. Магнитная проницаемость вакуума цо. называемая магнитной

Схема простейшего магнитного усилителя

ОУ — обмотка управления, ОР1, ОР2 — рабочие обмотки, Ян — резистор в цепн рабочих обмоток, II ^ — напряжение пнтання рабочих обмоток, I, — ток в цепи рабочих обмоток постоянной, является важной физической константой и в СИ равна 0,000001257 Гн/м.

Характеристика управления про стейшего магнитного усилителя (без обратной связи)

Магнитная проницаемость материала Ц — безразмерная величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данного материала ца больше магнитной постоянной цо, т. е. ц.= = Ца/Н’0- Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов (железо, никель, кобальт и их сплавы) в тысячи раз больше, чем для вакуума. Магнитная проницаемость воздуха, а также неферромагнитных материалов близка к единице (ц = = 1)

При увеличении тока в обмотках управления МУ увеличивается напряженность магнитного поля (А/м),

где 1у — ток в обмотке управления, А

С увеличением напряженности магнитного поля Н возрастает магнитная индукция В до момента магнитного насыщения сердечника, после которого индукция В остается постоянной (рис. 15). При намагничивании сердечника магнитная проницаемость ц = В/(\10Н). После магнитного насыщения сердечника при его дальнейшем намагничивании \1 резко уменьшается и стремится к значению, близкому к единице. Магнитная проницаемость ц может служить показателем степени намагниченности сердечника. При большом намагничивании ферромагнитный сердечник по способности пропускать магнитный поток приближается к неферромагнитным материалам, и МУ в этом случае фактически неуправляем (это есть режим максимальной отдачи).

Таким образом, при увеличении тока управления (тока входа) 1у увеличивается напряженность магнитного поля Я, уменьшается магнитная проницаемость ц и абсолютная магнитная проницаемость ца. Это приводит к уменьшению индуктивности Ь и индуктивного сопротивления Х[, а следовательно, к увеличению рабочего тока (тока выхода) 1р. Индуктивность Ь, как известно, не зависит от направления тока управления 1у, поэтому характеристика управления МУ (рис. 16) симметрична относительно оси 1р

Когда ток управления равен нулю, сердечник МУ не намагничен н его рабочие обмоткн имеют большое индуктивное сопротивление. Поэтому рабочий ток будет мал; его называют током холостого хода МУ (/хх). Прн увеличении тока управления происходит подмагничи-вание сердечника, и рабочий ток МУ увеличивается. Средняя часть характеристики, близкая к прямолинейной, является рабочей. Даже небольшое изменение тока управления вызывает резкое изменение рабочего тока.

МУ имеет две рабочие обмотки для того, чтобы исключить индуцирование переменной э. д. с. в обмотках управления от рабочего тока. При встречном включении рабочих обмоток с равным числом витков индуцируемые в обмотках управления э. д. с. от каждой из рабочих обмоток будут компенсировать друг друга. Естественно, что каждая из рабочих обмоток должна быть смонтирована на отдельном сердечнике, так как при встречном включении рабочих обмоток с равным числом витков на общем сердечнике результирующая индуктивность МУ равнялась бы нулю.

Магнитный усилитель может иметь несколько обмоток управления, и тогда подмагничивание сердечника будет определяться результирующей магнитодвижущей силой (м. д. с.) этих обмоток 2/»у.

Изменение частоты переменного тока 1 меняет индуктивное сопротивление рабочих обмоток [см. формулу (2) ]. Поэтому применение в МУ переменного тока повышенной частоты позволяет при том же индуктивном сопротивлении XI иметь меньшую индуктивность Ь, т. е. меньшее число витков рабочей обмотки и площадь поперечного сечения сердечников. С другой стороны, для МУ повышение частоты питающего тока увеличивает крутизну наклона характеристики управления, так как в общем сопротивлении 1 = =д/ #н + (2л/1)2 увеличивается индуктивная составляющая. Повышение частоты переменного тока увеличивает быстродействие МУ.

Параметры МУ подбирают таким образом, чтобы его характеристики мало зависели от изменения в достаточно широких пределах питающего напряжения и сопротивлений нагрузочных резисторов. Так, у тепловозных МУ индуктивное сопротивление обмоток делают намного больше активного, поэтому характеристики тепловозных МУ мало зависят от позиции контроллера (от частоты вращения коленчатых валов дизеля). В этом можно убедиться, проанализировав формулы (1) — (3). Если Хь намного больше 1?н, то последним можно пренебречь и тогда формула (1) примет вид

Напряжение II и частота 1 пропорциональны частоте вращения ротора синхронного подвозбудителя, приводимого от вала дизеля. Поэтому ток 1 от частоты вращения ротора синхронного подвозбудителя не зависит, а полностью определяется индуктивностью обмоток: 1 = 1 1Ь.

Основными параметрами МУ являются его коэффициенты усиления: тока и мощности. Коэффициент усиления тока Кг представляет отношение изменения рабочего тока А/р к соответствующему изменению тока управления А/у. При работе простейшего МУ на прямолинейной части характеристики управления можно, пренебрегая весьма малым током холостого хода 1хх, коэффициент усиления тока рассматривать как отношение токов:

Коэффициент усиления мощности Кр представляет собой отношение выходной мощности в цепи рабочего тока Р„ых к мощности, потребляемой обмотками управления Рвх, т. е. КР =

= Рвых/Рвх- Коэффициенты уСИЛвНИЯ

простейших МУ находятся в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен единиц. Чем больше коэффициенты усиления, тем круче характеристика МУ.

Важным параметром МУ с точки зрения использования его в системах автоматического управления является кратность изменения рабочего тока:

Сердечники МУ выполняют из холоднокатаной электротехнической стали или из тонкой ленты пермаллоя (железоникелевый сплав с примесью молибдена, хрома, меди, и марганца). Эти материалы имеют узкую петлю гистерезиса и кривую намагничивания, близкую к прямоугольной, т. е. с резко выраженным насыщением. Желательно, чтобы насыщение наступало при возможно меньшей напряженности магнитного поля, так как это позволит достичь максимального тока в рабочей цепи при малом токе управления. При малой напряженности магнитного поля (слабых магнитных полях) магнитная проницаемость ц. должна быть возможно большей, ибо прн этом будет меньшим ток холостого хода.

Читайте также:  Постоянный ток через трансформатор напряжения

При высоком качестве материала сердечника и диодов рабочая часть характеристики управления МУ с самоподмагничиванием (см. п. 2.2) имеет большую крутизну (больший коэффициент усиления) и близка к прямолинейной. При большой индуктивности нагрузки форма характеристики МУ может несколько искажаться.

Источник

Магнитный усилитель забытая схемотехника.

Магнитный усилитель совершенно забыт в 21 первом веке усилиями производителей радиодеталей. И напрасно.

Магнитный усилитель, это простота и красота схемотехники. С применением управляемых дросселей насыщения, можно упрощением схемы обойтись без целого огорода ламп и полупроводников.

Перед применением магнитных усилителей нужно отдельно разобраться с его работой в конкретном устройстве для конкретных режимов. Это узел, который плохо поддается расчетам.

Регулирующий дроссель это:

Количество витков силовой обмотки.

Количество витков обмотки управления.

Из этого следует, что для нормальной работы магнитного регулятора нужно всего лишь правильно подобрать количество витков в обмотках.

Сначала выбирается количество витков в силовой обмотке для данного железа. Силовая обмотка должна садить проходящее через нее напряжение требуемого тока, на величину предела регулировки, это без подачи управляющего напряжения на обмотку управления. Чем больший проходящий через обмотку ток, тем меньше КПД магнитного регулятора.

Теперь нужно подобрать число витков в управляющей обмотке для заданного тока, регулирующего напряжения.

Число витков в управляющей обмотке должно быть достаточным для полной компенсации падения напряжения на силовой обмотке, заданным током регулирующего напряжения. Магнитная индукция обмотки управления определяется числом витков на Вольт. Чем больше витков, тем меньший ток управления, но больше напряжение.

Пропорция витков в обмотках магнитного регулятора, или коэффициент трансформации, должен быть такой, чтобы силовая обмотка не влияла на обмотку управления больше, чем может компенсировать управляющее напряжение и ток схемы управления.

Это все быстро и легко подгоняется экспериментально.

Несколько закономерностей для магнитных ключей.

Чем больше токи протекают через силовую обмотку, тем меньше КПД магнитных ключей.

Магнитные ключи, это устройства, работающие без запасов, путем тщательного подбора под конкретный режим.

Чем шире диапазон регулирования, тем меньший КПД магнитного ключа.

Вот, для примера, несколько схем 1961 года, армейских и бытовых.

1. Стабилизатор анодного напряжения 5000 вольт лампы ГИ-19Б, применяемой в РЛС П-12, 1961г.

Схема была настолько засекречена, что описания принципа ее работы не было даже в сопутствующей документации.

Принцип ее работы основан на балансном мосте, выполненном на лампе 6Н1П. Чем больше положительное напряжение на 2й ножке — сетке регулирующей лампы 6Н1П, тем меньше напряжение на 7й ножке управляющей лапы 6П1П. Следовательно, меньше напряжение на управляющей обмотке магнитного ключа и меньше выходное напряжение.

2. Схема стабилизатора 7,5В, 35А для накала лампы ГИ-19Б, применяемой в РЛС П-12, 1961г.

Особенность этой схемы, применение 2П1Л в качестве управляющей радиолампы.

2П1Л, это низковольтный лучевой тетрод прямого накала, предназначен для усиления звуковой частоты с напряжением накала 2В и конструктивно, с замком в ключе. Лампа для батарейных ламповых приемников. 2П1Л позже стала 2П1П — такая же, только пальчиковая.

Стабилизация напряжения в этом стабилизаторе осуществляется изменением накала лампы 2П1Л. В лампах прямого накала реакция на колебание накального напряжения намного быстрее, чем в лампах с косвенным накалом.

Вот фото магнитного ключа — стабилизатора накала лампы ГИ-19Б, в РЛС П-12.

Если в трансформаторе, через магнитный шунт, вместо обмотки управления сделать насыщенный резонансный контур 50Гц х 220В, то этот контур будет держать стабильное напряжение в некоторых пределах изменения входного напряжения и выходной нагрузки. Это уже будет феррорезонансный стабилизатор.

4. Схема стабилизатора напряжения СНФ-200 для телевизоров 1961г.

Работа схемы стабилизатора напряжения СНФ-200, заключается в следующем.

На толстой части керна мотается сетевая, ненасыщающаяся обмотка, которая подключается к сети 220В. Толщина керна не позволяет железу входить в насыщение в пределах допустимых нагрузок.

После магнитного шунта, толщина керна значительно меньше и в диапазоне нагрузок, на 10-15 процентов ниже максимальной мощности, железо входит в насыщение.

Напряжение на насыщенной обмотке при стабильной нагрузке, почти не меняется, при колебаниях сети 220В.

Расширить участок стабилизации до 20-30 процентов, можно компенсировав гистерезис железа, намотав некоторое количество витков на ненасыщенной части керна, в противоположную сторону. Таким образом, увеличение входного напряжения будет компенсировать неизбежный рост выходного напряжения, компенсируя гистерезис железа.

Количество витков компенсирующей обмотки зависит от ширины петли гистерезиса железа, пропорций количества витков в обмотках и диаметра провода.

Чем больше гистерезис железа, тем большие колебания выходного напряжения будут вызывать нестабильность нагрузки и нестабильность входного напряжения.

Уменьшение габаритов достигается применением резонансных конденсаторов в насыщающейся цепи, применением железа с малыми потерями и малой толщиной пластин.

Улучшение синусоиды на выходе, достигается применением резонансных дросселей в насыщающейся цепи.

Феррорезонансные стабилизаторы, кроме большого веса, габаритов, сильного гудения, имеют большую потребляемую мощность. Например, описываемый стабилизатор СНФ-200, являлся одним из лучших, и при этом его потребляемая мощность была 80Вт, при выходной мощности 160Вт.

Теперь можно привести примеры современных методов стабилизации переменного напряжения на основе магнитных регуляторов.

5. Вот простая схема эффективного стабилизатора напряжения на основе магнитного усилителя.

Выходное переменное напряжение стабилизируется магнитным усилителем, управляемым напряжением компенсации, получаемым от изменения накала дампового диода. Чем больше напряжение накала, тем больше компенсационное напряжение, и наоборот.

6. И напоследок схема регулировки сварочной дуги стационарной дуговой сварки ВДГ-303-3.

Напряжение дуги регулируется и стабилизируется управляющим, компенсирующим колебания сети 380В, напряжением 0+5В.

Вот фото магнитных ключей, стабилизаторов сварочного напряжения.

Спасибо за внимание.

С ув. Белецкий А. И. 15.01.2018г. Кубань Краснодар.

Источник

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.

Читайте также:  Угловая частота синусоидального тока это

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.

Измерение действующего (эффективного) значения напряжения, силы тока. .
Схема прибора для измерения действующего значения напряжения / силы тока.

Изготовление и наладка силового резонансного фильтра гармоник.
Изготовление и наладка силового фильтра гармоник на 50Гц для подключения к инвер.

Источник

Магнитные усилители — между лампами и транзисторами

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

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.

Домены в железе, размагниченном и намагниченном

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 BS индукция насыщения [1].

Кривая Столетова

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].

Первый магнитный усилитель

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 RL рабочей обмотки с индуктивностью L на частоте w определяется формулой RL = wL [1]. Для катушки с сердечником L = kрm, где kр 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 RL = kрwm будет пропорционально магнитной проницаемости сердечника, которую, в соответствии с кривой Столетова, можно регулировать током iу управляющей обмотки, создающим напряженность магнитного поля H = kуiу, где kу — 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.

Эрнст Александерсон (1878–1975)

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.

Читайте также:  Что такое бросок намагничивающего тока

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].

Радиопередатчик

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].

Управляемый электродвигатель

Рис. 6. Управляемый электродвигатель

Цепи якоря (Я) электродвигателя и секции В1 и В2 обмотки возбуждения подключаются к сети переменного тока напряжением Uс через резистор R и последовательно соединенные диоды (Д1–Д3) и рабочие обмотки трех магнитных усилителей (T1–T3), являющиеся управляемыми сопротивлениями. Входное напряжение постоянного тока Uу, 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].

магнитная ячейка памяти

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.

Источник