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 = F_y

где

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:

I = (?_y/?_p) I_у (79)

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 U₁постоянного тока. Рабочие обмотки 1 для повышения точности включают параллельно (в этом случае существенно снижаются