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.

Существуют сотни модификаций схем и конструкций магнитных усилителей, отличающихся видом нагрузочной характеристики, способом осуществления обратной связи, числом и формой сердечников, видом усиливаемых сигналов, системой смещения, режимом работы.

Магнитные усилители могут быть выполнены с обратной связью, многокаскадными и по двухтактным схемам.

Если предусмотреть несколько обмоток управления, то получится магнитный усилитель, который эквивалентен многоэлектродной электронной лампе. При этом число обмоток управления у магнитных усилителей может значительно превышать число сеток у электронных ламп и для некоторых магнитных усилителей достигает 10—20. Такие магнитные усилители могут быть использованы для суммирования различных сигналов

схема включения а) для нагрузки переменного тока, б) постоянного

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.

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.

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 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.

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. 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 использовання в качестве силовых магнитных усилителей в различных схемах автоматического электропривода. 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 магпитопровода; 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.

Представляет собой двухполупериодный нереверсивный магнитный усилитель, относится к так называемым "обычным" усилителям. Усилители серии ТУМ имеют тороидальные сердечники из холоднокатаной стали Э-310 и рассчитаны на нагрузку мощностью 2,3-45 Вт.

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

Производитель - Калининский (затем Тверской) завод электроаппаратуры, ныне "Элтор".

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.

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

Производитель - Калининский (затем Тверской) завод электроаппаратуры, ныне "Элтор".

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).

домой