Магнитные усилители

    Магнитный усилитель - усилитель электрических сигналов, основанный на использовании присущей ферромагнитным материалам нелинейной зависимости магнитной индукции от напряжённости магнитного поля.

   Управляемыми элементами в магнитном усилителе являются индуктивности катушки с ферромагнитными сердечниками, в которых действуют 2 переменных магнитных поля; одно изменяется с частотой источника питания, другое — с частотой усиливаемого сигнала.

Принцип работы
Достоинства и недостатки
Серии ТУМ и УМ
ТУМ-А1-11У3
ТУМ-В1-24-14У3

   Простейший магнитный усилитель состоит из 2 замкнутых магнитопроводов, обмотки которых W1 включены последовательно и питаются от источника переменного напряжения ~U. Вторичные обмотки W2 включаются последовательно и навстречу друг другу, поэтому замыкание обмоток W2 на небольшое сопротивление не вызывает какого-либо изменения силы тока в первичных обмотках. Если по обмоткам W2 пропустить постоянный ток, то вследствие нелинейного характера кривой намагничивания сердечников динамическая магнитная проницаемость уменьшается и соответственно уменьшается индуктивность первичных обмоток, при этом ток в обмотках возрастает.

   Такое устройство называется управляемым дросселем, который становится усилителем (см. рисунок), если последовательно с его обмотками W1 включить Rн, а вместо постоянного тока в обмотку W2 подать усиливаемый сигнал =U постоянного или медленно (по сравнению со скоростью изменения питающего напряжения) изменяющегося тока.

   Мощность постоянного тока в цепи обмотки управления намного меньше мощности переменного тока рабочих обмоток, включенных в цепь потребителя. Поэтому, затрачивая малую мощность в обмотке управления (слабый электрический сигнал), можно регулировать величину переменного тока в цепи потребителя большой мощности (преобразованный сигнал большой мощности).

   Магнитный усилитель принципиально отличается от лампового и транзисторного усилителей тем, что усиливаемый сигнал изменяет не внутреннего сопротивление лампы (транзистора), а индуктивность, включенную последовательно с нагрузкой Rн, в результате чего изменяется протекающий через нагрузку ток. Магнитный усилитель по существу является модулятором, в котором ток в нагрузке более высокой частоты модулируется по амплитуде усиливаемым сигналом (низкой частоты). Для получения на выходе магнитного усилителя сигнала той же формы, что и усиливаемый сигнал, устройство дополняют выпрямителем в цепи нагрузки, выполняющим роль детектора.

   Прежде всего нужно отметить, что все элементы, применяемые в магнитных усилителях, в том числе и полупроводниковые выпрямители, отличаются большим сроком службы, допускают значительные перегрузки и нечувствительны к вибрациям. Поэтому магнитные усилители отличаются высокой степенью надежности. Они не требуют периодического ухода и обслуживания и могут применяться в пожароопасных и взрывоопасных помещениях. В отличие от ламповых усилителей, магнитные усилители не нуждаются в предварительном разогреве и готовы к действию немедленно после включения источника литания. Поскольку изменение тока нагрузки осуществляется путем изменения индуктивности, в которой «расходуется» главным образом реактивная мощность, то магнитные усилители отличаются значительно более высоким КПД, чем электронные усилители, тем более, что в магнитных усилителях отсутствуют потери в цепях накала.
   Существенное достоинство магнитных усилителей состоит в том, что они могут питаться непосредственно от сети переменного тока.

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

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

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

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

   Серийное производство магнитных усилителей в СССР было начато в 1957 году. Наибольшее распространение они получили в 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.

   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.

   Частота источника питания магнитных усилителей, применяемых в цифровой технике, в отдельных случаях доходила до 10 МГц. Часто для таких усилителей использовали импульсные источники питания.

1 — активная нагрузка; 2 — индуктивная нагрузка; 3 — нагрузка шунтирована емкостью 70 мкФ

Усилители серий ТУМ и УМ

Одними из самых массовых отечественных магнитных усилителей были приборы серий ТУМ (первые отечественные магнитные усилители) и УМ.

Усилители серии ТУМ предназначены в основном для работы в системах автоматического регулирования в качестве входных усилителей, но пригодны также как бесконтактные реле и как выходные каскады для питания маломощных серводвигателей. Серия охватывает диапазон мощностей 2,36...45,3 Вт.

Магнитные усилители ТУМ разделяются в зависимости от условий применения на три группы:

а) для работы в общепромышленных условиях при температуре окружающей среды от —20 до +35° С и относительной влажности воздуха не более 70%;
б) для работы в условиях тропического климата при температуре окружающей среды от —40 до +45° С и относительной влажности воздуха до 95%;
в) для работы на судах при температуре окружающей среды от —40 до + 45° С и относительной влажности воздуха до 95%; усилители этой группы можно использовать в условиях вибрации и при наличии ударных нагрузок.

Обозначение типа усилителя складывается из букв и цифр. Первые три буквы (ТУМ) обозначают серию и расшифровываются как (Т)ороидальный (У)силитель (М)агнитный. Следующая буква определяет конструктивное исполнение: А — катушка смонтирована на клеммной панели из пластмассы; Б — усилитель залит термореактивным компаундом; В — катушка смонтирована на клеммной панели с центральным отверстием для проходных шин, заменяющих одну или несколько обмоток управления.

Первая цифра соответствует номеру габарита, последние две цифры — порядковому номеру исполнения обмоток.

Для типа В, имеющего центральное проходное отверстие, между номером габарита и порядковыми номерами обмоток вставляют двухзначную цифру, соответствующую диаметру проходного отверстия в миллиметрах.

Буква Т или М в конце обозначения указывает на то, что усилитель предназначен для работы в условиях тропического климата (Т) или на судах (М).

Магнитные усилители серии ТУМ обычно используются для работы в схемах с внутренней обратной связью (с самонасыщением). В ряде исполнений предусмотрена обмотка управления, рассчитанная на длительную работу при токе, равном номинальному значению тока нагрузки, и могущая быть использована как обмотка внешней обратной связи. Это позволяет изменять величину коэффициента обратной связи и получать релейную характеристику.

Усилители выполняются на двух ленточных сердечниках тороидальной формы из холоднокатаной электротехнической текстурованной стали марки Э310 толщиной 0,35 мм. В нормальном исполнении усилитель имеет два комплекта рабочих обмоток (по две обмотки на каждом сердечнике, соединенные последовательно или параллельно) и не более семи обмоток управления, охватывающих оба сердечника. Усилитель специального исполнения может иметь либо один комплект рабочих обмоток, либо обмотки управления, расположенные на каждом сердечнике. Обозначения рабочих обмоток: А1-Х1; А2-Х2 и B1-Y1, B2-Y2; обозначения обмоток управления: 1Н-1К; 2Н-2К и т. д.

Усилители серии УМ предназначены для использования в качестве силовых магнитных усилителей в различных схемах автоматического электропривода. Они имеют шихтованные сердечники из П-образных пластин холоднокатаной стали марки Э310. Усилители этой серии выпускаются на диапазон мощностей от 0,25 до 22 кВт как в однофазном, так и в трехфазном исполнении.

Обозначение типа усилителя складывается так же, как и в серии ТУМ, из букв и цифр, расшифровка которых пояснена на примере усилителя УМ-3П-15-30-2-3, где УМ — обозначение серии (усилитель магнитный); 3 — количество фаз; П — форма пластин; 15 — размер пластин (штамп стали); 30 — толщина пакета магнитопровода; 2 — вариант напряжения питания; 3 — вариант исполнения обмоток управления.

ТУМ-А1-11У3

Вот один из образцов таких приборов, (Т)ороидальный (У)силитель (М)агнитный 1-го габарита, 1-го номера исполнения нагрузочных обмоток, 1-го (основного) исполнения обмоток управления.

Усилитель имеет семь обмоток управления. Обмотки управления № 4, 5, 6, 7 имеют изоляцию, которая допускает в процессе эксплуатации амплитуду напряжения по отношению к местам крепления и между собой не более 1250 в, а обмотки № 1, 2, 3 — не более 350 в.

Прибор собой двухполупериодный нереверсивный магнитный усилитель и относится к так называемым "обычным" усилителям. Основные параметры: напряжение питания 36 В, ток нагрузки 0,15 А, сопротивление нагрузки 105 Ом, коэффициент кратности тока 20, добротность 3500 1/с.

ТУМ-В1-24-14У3

Еще один из образцов таких приборов, (Т)ороидальный (У)силитель (М)агнитный 1-го габарита. Конструктивно весьма схож с предыдущим образцом, но имеет проходную трубу для проводов или шин. Усилители ТУМ-В предназначены для работы в качестве датчиков постоянного тока. 

Основные параметры: напряжение питания 36 В, ток нагрузки 0,15 А, сопротивление нагрузки 105 Ом, коэффициент кратности тока 20, добротность 3500 1/с.

Источники:

1. В.М. Шляндин. Элементы автоматики и телемеханики. Издание 2-е переработанное. Государственное издательство оборонной промышленности. Москва 1954.
2. Ройзен С.С. и Медникова И.И. Применение магнитных усилителей в автоматизированном электроприводе постоянного тока, М.-Л., Госэнергоиздат, 1961 («Библиотека по автоматике», выпуск 24)
3. Розенблат М.А. Магнитные усилители и модуляторы, М.-Л., Госэнергоиздат, 1963 («Библиотека по автоматике», выпуск 74)
4. Соболевский А.Г. Магнитный усилитель – что это такое? М.-Л., Госэнергоиздат, 1963 (Массовая радиобиблиотека. Вып. 482).
5. Розенблат М.А. Магнитные усилители с самонасыщением, М.-Л., Госэнергоиздат, 1963 («Библиотека по автоматике», выпуск 75)
6. Глазенко Т.А. Импульсные полупроводниковые усилители в электроприводах. М.-Л., издательство «Энергия», 1965. («Библиотека по автоматике» выпуск 134).
7. Аранович Б.И., Шамрай Б.В. Электромагнитные устройства автоматики. М.-Л., издательство «Энергия», 1965.
8. Писарев А.Л. и др. Выходные устройства бесконтактных систем автоматики. М., "Энергия", 1969 (Б-ка по автоматике. Вып. 360).
9. Ройзен С.С., Стефанович Т.Х. Магнитные усилители в электроприводе и автоматике, М., "Энергия", 1970.

домой