ЭЛЕКТРОМОНТЕРА
М.Д. БоЯРЧЕНКОВ
А.В. ШиНЯНСКИЙ
Магнитные
УСИЛИТЕЛИ


С Э H E
БИБЛИОТЕКА ЭЛЕКТРОМОНТЕРА
Выпуск 30
М. А. БОЯРЧЕНКОВ и А. В. ШИНЯНСКИЙ
к МАГНИТНЫЕ
УСИЛИТЕЛИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА	i960	ЛЕНИНГРАД
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
Васильев Л. А., Долгов А. Н., Ежков В. В., Смирнов А. Д.
Устинов П. И.
ЭЭ-3-3
В брошюре рассматриваются принцип дей-
ствия и основные наиболее распространенные
схемы современных магнитных усилителей,
а также вопросы, связанные с их конструктив-
ными особенностями.
Брошюра предназначается для электро-.
монтеров, мастеров и техников, работающих
в области автоматизации промышленных пред-
приятий. Она рассчитана на читателя, знако-
мого с основными законами электротехники.
Авторы: Боярченков Михаил Александрович и Шинянский
Александр Викторович
МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Редактор Я- Б. Розман	Техн, редактор Н. И. Борунов
Сдано в набор 13/VII 1960 г.	Подписано к печати 6/IX 1960 г.
Т-11641 Бумага 84ХЮ81/,,	2,87 печ. л. Уч.-изд. л. 3,1
Тираж 25 000 экз. Цена 1 р. 10 к. (с 1/1 1961 г. цена II к.) Зак. 2361
Типография Госэнергоиздата. Москва, Шлюзовая наб., 10
ВВЕДЕНИЕ
Грандиозная программа развития народного хозяйства
нашей страны предусматривает широкое развитие автома-
тизации производственных процессов. Буквально с каждым
днем увеличивается число действующих автоматизирован-
ных установок. В связи с этим большое значение приобре-
тают вопросы ознакомления работников промышленных
предприятий с новой техникой.
Для большинства автоматических устройств характер-
но наличие в них усилительных элементов. Усилителем на-
зывается устройство, которое позволяет осуществить регу-
лирование мощности в нагрузке с помощью тока, напря-
жения или какого-либо другого управляющего сигнала, по-
лучаемых от источника значительно меньшей мощности.
Рассмотрим в качестве примера систему автоматиче-
ского регулирования напряжения генератора постоянного
тока (рис. 1). Задача регулятора состоит в ."ом, чтобы
поддержать величину' напряжения генератора UT неизмен-
ной при колебаниях тока нагрузки. Регулятор работает
следующим образом. Генератор Г приводится во враще-
ние с постоянной скоростью асинхронным двигателем АД.
Напряжение на зажимах генератора Ur пропорционально
намагничивающей силе, создаваемой двумя обмотками
возбуждения 0ВГ1 и ОВГ2. По обмотке ОВГ1 протекает
неизменный ток. По обмотке ОВГ2 ток протекает лишь
в том случае, когда напряжение генератора UT откло-
нится от заданного значения. С этой целью напряжение
на зажимах генератора сравнивается с напряжением U3,
величина которого равна заданному и поддерживается
постоянной с высокой точностью при помощи специального
устройства малой мощности В случае уменьшения напря-
жения Дг в обмотке ОВГ2 должен протекать ток, кото-
рый вызовет увеличение общей намагничивающей силы
3
обмоток возбуждения, что приведет к увеличению напря-
жения UT. Если напряжение Ur станет больше заданного,
то по обмотке ОВГ2 будет протекать ток, который вы-
зовет уменьшение напряжения генератора. Однако при не-
посредственном включении обмотки ОВГ2 на разность на-
пряжений Va— Ur не удается получить необходимое из-
Рис. 1. Схема автоматического регулятора на-
пряжения генератора постоянного тока.
менение тока в этой обмотке. В связи с этим обмотка
возбуждения включается через усилитель У. Усилитель
получает питание от независимого источника мощности
с напряжением Ut. Напряжение, равное разности £/3 — U
подается на зажимы, называемые входом усилителя. Это
напряжение называется управляющим или входным сиг-
налом. Обмотка возбуждения 0ВГ2 является нагрузкой
4
усилителя, а зажимы, к которым она подточена, назы-
ваются выходом усилителя.
Мощность независимого источника питания усилителя
должна быть несколько больше мощности, выделяемой
в нагрузке. Усилитель осуществляет именно регулирование
(изменение) мощности в нагрузке, получаемой от этого не-
зависимого источника питания. Это регулирование происхо-
дит в соответствии с величиной управляющего сигнала на
входе, причем мощность этого сигнала во много раз мень-
ше мощности нагрузки. Поэтому такое устройство и назы-
вают усилителем.
Для осуществления такого регулирования могут быть
использованы различные физические явления. На практике
нашли применение электронные, тиратронные, электрома-
шинные, пневматические, гидравлические усилители, уси-
лители на полупроводниковых триодах и магнитные усили-
тели.
Использование магнитных усилителей чрезвычайно раз-
нообразно. Они применяются как в точных измеритель-
ных устройствах мощностью в несколько долей ватта, так
и в схемах автоматического управления крупными произ-
водственными агрегатами, такими, например, как прокат-
ные станы, экскаваторы и т. п. Столь широкое и разнооб-
разное применение магнитных усилителей объясняется це-
лым рядом их свойств, выгодно отличающих эти усилите-
ли от других усилительных устройств Среди этих свойств
можно в первую очередь отметить следующие:
1.	Большой срок службы, большая степень надежности
и исключительно простая эксплуатация.
2.	Магнитные усилители могут быть выполнены на мощ-
ности от долей ватта до нескольких десятков киловатт.
3.	Готовность к работе сразу же после подачи напря-
жения питания в отличие от электронных усилителей.
4.	Возможность весьма просто суммировать на входе
несколько управляющих сигналов.
5.	Магнитные усилители могут относительно длительно
выдерживать большие перегрузки по току, надежно рабо-
тают в условиях вибраций; пожаро- и взрывобезопасны
6.	В процессе эксплуатации характеристики магнитных
усилителей остаются практически неизменными; они мало
изменяются также при изменениях окружающей температу-
ры и напряжения питания (± 10%).
7.	Магнитные усилители могут обладать незначительной
5
инерционностью при достаточно высоком значении коэффи-
циента усиления.
Применение магнитных усилителей позволяет создать
бесконтактные системы автоматического управления, отли-
чающиеся высокой надежностью.
В настоящей брошюре рассматриваются основные яв-
ления, наиболее важные с точки зрения понимания основ-
ных физических процессов, имеющих место в магнитных
усилителях. Наряду с изложением принципов действия рас-
сматриваются различные схемы магнитных усилителей, по-
лучившие наиболее широкое практическое применение,
в том числе многокаскадные схемы и схемы быстродей-
ствующих усилителей. С целью более подробного знаком-
ства читателя с магнитными усилителями излагается ма-
териал, посвященный основным вопросам их конструкций.
При изложении рассматриваемых вопросов использует-
ся методика, позволяющая создать единый подход при ана-
лизе как статических (ток на выходе не изменяется по
величине), так и динамических (ток на выходе изменяет-
ся во времени вследствие изменения управляющего сигна-
ла) режимов различньих схем магнитных усилителей. Сущ-
ность этой методики заключается в том, что магнитный
усилитель рассматривается как индуктивность, значение
которой высоко в течение одной части полупериода питаю-
щего напряжения и мало в течение остальной части этого
же полупериода. Такая методика облегчает усвоение изла-
гаемого материала и поможет читателю самостоятельно
разобраться в работе схем усилителей, не представленных
в брошюре.
1.	ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Кривая намагничивания и петля гистерезиса
Принцип действия магнитных усилителей основан на ис-
пользовании свойств ферромагнитных материалов. Напом-
ним эти свойства. Если по обмотке, расположенной на сер-
дечнике из ферромагнитного материала, пропускать элек-
трический ток, то в сердечнике возникает магнитное поле,
характеризующееся величи-
нами напряженности Н и
магнитного потока Ф. На-
пряженность магнитного по-
ля принято измерять в эр-
стедах (э) или в амперах
на сантиметр (а/см). Вели-
чина магнитного потока в
сердечнике определяется
числом магнитных силовых
линий и измеряется в макс-
веллах (мкс). Число маг-
нитных силовых линий,при-
ходящееся на единицу пло-
щади поперечного сечения
Рис. 2. Петля гистерезиса и кри-
вая намагничивания ферромагнит-
ного материала.
сердечника, носит название
магнитной, индукции В, измеряемой в гауссах (гс). При
увеличении тока в обмотке возрастают напряженность и
индукция магнитного поля в сердечнике. Кривая, характе-
ризующая зависимость магнитной индукции В от напря-
женности магнитного поля И, называется кривой намагни-
чивания материала (рис. 2).
Начиная с некоторого значения напряженности магнит-
ного поля и при дальнейшем ее увеличении, изменения
магнитной индукции практически не происходит. В этом
случае говорят, что магнитный материал достиг состояния
насыщения. Максимальная величина индукции в сердеч-
нике носит название индукции насыщения В .
Если напряженность поля, после того как она была
доведена до значения, соответствующего насыщению ма-
териала, уменьшать, то можно заметить, что изменение
магнитной индукции произойдет по новой кривой. При
этом индукция уменьшается медленнее, чем она возраста та
вначале. При уменьшении напряженности магнитного поля
до нуля индукция сохраняет значение Вг, называемое
остаточной индукцией. При увеличении напряженности
магнитного поля в обратном направлении индукция умень-
шается до нуля, а значение напряженности поля достигает
величины /7С, которая носит название коэрцитивной силы.
Дальнейшее изменение магнитной индукции с изменением
напряженности магнитного поля показано на рис. 2. Петля,
изображенная на рис. 2, называется петлей гистерезиса
магнитного материала. Обычно петля гистерезиса харак-
теризуется величинами Bs, Нс и отношением Br[Bs, на-
зываемым коэффициентом прямоугольности. Каждый маг-
нитный материал имеет присущую только ему специфи-
ческую петлю гистерезиса.
Даже у одного и того же материала петля гистерезиса
не остается всегда постоянной. Она сильно зависит от вида
намагничивающего поля (переменное или постоянное); от
конструктивных параметров испытуемого сердечника (его
формы, размеров, толщины материала), от технологии под-
готовки образца к испытаниям (качество изоляционного
покрытия пластин сердечника, отсутствие короткозамкну-
тых витков в обмотках и т. д.). Сложная форма петли ги-
стерезиса сердечника, показанная на рис. 2, значительно
затрудняет рассмотрение работы магнитных усилителей и
определение закономерностей происходящих в них процес-
сов. В связи с этим обычно принимают, что петля гисте-
резиса имеет вид ломаной линии, как это показано на
рис. 4, тем более, что целый ряд магнитных материалов
(см. § 5) действительно имеет форму петли гистерезиса,
близкую к указанной.
Обычно принято характеризовать магнитное состояние
сердечника положением рабочей точки на петле гистерези-
са, которому соответствуют определенные значения напря-
женности и индукции магнитного поля. При изменении
напряженности поля меняется положение рабочей точки
на петле.
8
Основы действия магнитных усилителей
Рассмотрим процессы, происходящие в сердечнике при
приложении к его обмотке (рис. 3) синусоидального на-
пряжения u — Um sin t, где и— мгновенное значение напря-
жения; Um—амплитудное (максимальное) значение напря-
жения; t — текущее значение времени. Под действием
этого напряжения в сердечнике
происходит изменение магнитного
потока (индукции), сопровождаю-
щееся и одновременным изменени-
ем напряженности.
Связь между электрическими и
магнитными величинами определя-
ется на основании закона полного
тока и закона электромагнитной ин-
дукции. Согласно закону полного
тока величина напряженности маг-
нитного поля Н в сердечнике про-
порциональна величине тока в об-
мотке, числу витков этой обмотки и
обратно пропорциональна средней
длине магнитной силовой линии.
В соответствии с законом элек-
тромагнитной индукции при изме-
нении магнитного потока в обмотке
Рис. 3. Тороидальный
(кольцевой) сердечник с
обмоткой.
индуктируется электродвижущая сила (э. д. с.) е, величина
которой пропорциональна числу витков обмотки и скорости
изменения магнитного потока.
Приложенное к обмотке переменнее напряжение и, под
действием которого и происходит изменение магнитной ин-
дукции, уравновешивается падением напряжения на ее ак-
тивном сопротивлении ir и величиной э д. с. е, индуктируе-
мой в обмотке,
и = ir-j- е.
Обычно величина ir значительно меньше значения е, бла-
годаря чему ею можно пренебречь. Тогда напряжение на
зажимах этой обмотки u = Um sin t будет уравновеши-
ваться только индуктиро.игпюл в ней э. д. с., т. е.
и = е.
Можно показать, что изменение индукции в сердечни-
ке зависит как от величины напряжения, так и от времени,
9
в течение которого эго напряжение приложено к обмотке.
Как уже упоминалось, при изменении индукции рабочая
точка, характеризующая магнитное состояние сердечника,
будет перемещаться по петле гистерезиса.
Обычно для магнитных усилителей величину напряже-
ния, приложенного к обмотке, выбирают таким образом,
чтобы за время, равное полупериоду питающего напряже-
ния ’ изменение индукции было бы равно удвоенному
значению индукции насыщения (2Bs). Другими словами,
Рис. 4. Идеализированная петля гисте-
резиса ферромагнитного материала
(Wc=0; Д/^=1).
если, например, к началу полупериода (/ = 0) магнитное
состояние сердечника характеризовалось точкой 1 на петле
гистерезиса (рис. 4), то лишь в самом конце полупериода
рабочей точкой станет точка 3.
Рабочую точку, характеризующую магнитное состоя-
ние сердечника в момент включения напряжения (£ = 0),
будем называть исходной рабочей точкой. Если исходной
рабочей точкой будет, например, не точка 1, а точка 2
(рис. 4), то сердечник насытится не к концу полупериода,
а несколько раньше. После насыщения сердечника в его
обмотке больше не будет индуктироваться э. д. с., так как
изменения магнитного потока не происходит. Поэтому
в оставшуюся часть полупериода ток i в_ обмотке будет оп-
ределяться значением напряжения питания и и величиной
10
активного сопротивления г обмотки, т. е. I — -у-.Очевидно,
что чем выше будет находиться исходная рабочая точка
на петле гистерезиса, а следовательно, чем раньше про-
изойдет насыщение сердечника, тем больше будет величина
тока в обмотке в течение полупериода. Таким образом, изме-
няя положение исходной рабочей точки на петле гистерезиса,
можно регулировать величину тока в цепи обмотки сердеч-
ника. Если последовательно с этой обмоткой включить на-
грузку, то очевидно, что указанным выше способом можно
регулировать ток, а следовательно, и мощность в нагрузке.
Этот принцип и положен в основу работы различных схем
магнитных усилителей.
Для изменения положения исходной рабочей точки мо-
жет быть использована дополнительная обмотка, распо-
ложенная на том же сердечнике. Эта обмотка называется
обмоткой управления. Мощность, необходимая для изме-
нения положения исходной рабочей точки, или, другими
словами, управляющая мощность Р значительно меньше
мощности Рн, выделяемой в нагрузке. Поэтому такое уст-
ройство является усилителем.
Выходной величиной магнитного усилителя является
мощность нагрузки, а входной — мощность обмотки управ-
Рн
ления. Отношение р—=k называется коэффициен-
ту
том усиления по мощности магнитного усилителя.
2.	ТЕОРИЯ РАБОТЫ ИДЕАЛИЗИРОВАННЫХ
МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ.
Идеализированный магнитный усилитель с большим
сопротивлением цепи управления
Рассмотрим работу простейшего магнитного усилителя
(рис. 5), на базе которого строятся более сложные схемы
усилителей. С целью упрощения рассмотрения работы уси-
лителя и происходящих в нем процессов будем считать, что
петля гистерезиса его сердечника имеет вид, показанный на
рис. 4, а выпрямитель В имеет нулевое сопротивление
в проводящем направлении и бесконечно большое — в об-
ратном. Сопротивление нагрузки —чисто активное и
11
неизменное по величине. Такой усилитель принято назы-
вать идеализированным.
Назовем обмотку усилителя, последовательно с кото-
рой включена нагрузка /?н, рабочей обмоткой. Вследствие
наличия выпрямителя В в цепи рабочей обмотки юр на-
пряжение питания и приложено к этой обмотке и к нагрузке
лишь в течение проводящего для выпрямителя полу-
периода. Назовем его рабочим полупериодом. Измене-
ние индукции в сердечнике в этот полупериод происходит
только под действием напряжения питания в соответ-
ствии с законом электромагнитной индукции.
В следующий полупериод изменение индукции в сер-
дечнике происходит под действием управляющего напря-
жения zzy, приложенного к обмотке управления wy. Назо-
вем этот полупериод управляющим. Такое разделение на
полупериоды—рабочий и управляющий — полностью соот-
ветствует физике работы усилителя и облегчает рассмот-
рение его работы.
Вначале рассмотрим случай, при котором ток в цепи
управления определяется только величиной управляющего
напряжения. Для обеспечения этого условия в цепь управ-
ления включается дроссель Др с большим индуктивным
сопротивлением (рис. 5). Будем считать, что магнитное
состояние сердечника в управляющий полупериод опре-
деляется величиной напряженности поля // , создаваемой
управляющим сигналом, и соответствующим ей значением
индукции Ву (точка а на рис. 4). Тогда в рабочий полу-
период под действием напряжения питания (рис. 6,а) ра-
бочая точка, характеризующая магнитное состояние сер-
дечника, перемещается по петле гистерезиса от точки а
в направлении к точке 3 (участок / на рис. 4 и 6,6). При
этом индукция в сердечнике изменяется от значения Ву
до значения Bs. Здесь важно подчеркнуть, что значение
индукции не определяется только мгновенным значением
напряжения ццтания. Величина изменения индукции, как
уже говорилось^выше, определяется напряжением и вре-
менем, в течение^которого это напряжение приложено к
обмотке. Так, если напряжение приложено к обмотке
в течение времени от t = 0 до t — то изменение ин-
дукции в сердечнике будет пропорционально площади
заштрихованной фигуры на рис. 6,а. При изменении ин-
дукции от Ву до Bs по цепи рабочей обмотки протекает
12
незначительный по величине намагничивающий ток сер-
дечника. Величина намагничивающего тока зависит от
наклона петли гистерезиса. В момент времени t = tH (рис. 6),
когда индукция в сердечнике достигает значения насы-
щения (точка 3 на рис. 4), величина э. д. с., индуктируе-
Рис. 5. Схема про-
стейшего магнит-
ного усилителя.
мои в рабочей обмотке,
становится равной пулю.
В связи с этим напряже-
ние питания оказывается
полностью приложенным
к сопротивлению нагруз-
ки /?п, ток в ней скачком
Рис. 6. К принципу работы про-
стейшего магнитного усилителя
по схеме рис. 5. Диаграммы
изменения:
а—напряжения питания «; б — ин-
дукции в сердечнике В; в—тока на-
грузки iH ; г—тока в обмотке управ-
ления iy9
вырастает до величины
и sin t
l =----5--- (РИС. 6,в) И
''н
соответственно напряжен-
ность поля—до крайней
точки зоны II, так как согласно закону полного тока значе-
ние напряженности поля в сердечнике определяется мгно-
венным значением тока в обмотке. Будем называть момент
времени tu моментом насыщения. Начиная с момента вре-
мени tn, ток в нагрузке и напряженность поля в сердеч-
нике до конца рабочего полупериода Т/2 (участок // на
3 Магнитные усилители
13
рис. 4 и 6,в) будут изменяться по синусоидальному закону.
Индукция в это время, как хорошо видно из рис. 4 и 6,6,
не изменяется и остается равной индукции насыщения, так
как рабочая точка при этом перемещается по горизонталь-
ному участку петли гистерезиса. К концу рабочего полупе-
риода питающее напряжение становится равным нулю, а
магнитное состояние сердечника будет снова характеризо-
ваться точкой 3. Однако напряжение в цепи управления,
которое в этот момент определяет магнитное состояние сер-
дечника, соответствует не точке 3, а точке а (рис. 4).
В связи с этим индукция в сердечнике изменяется от зна-
чения Bs до значения Ву (участок /// на рис. 4 и 6,6).
В результате изменения индукции в рабочей обмотке на-
водится э. д. с., направленная встречно действующему в дан-
ный момент времени напряжению питания. Скорость из-
менения индукции такова, что наводимая в рабочей об-
мотке э. д. с. будет больше мгновенного значения напря-
жения питания. Благодаря этому в начале управляющего
полупериода суммарное значение напряжения в рабочей
цепи будет иметь тот же знак, что и в течение рабочего
полупериода.
Благодаря этому выпрямитель в цепи рабочей обмотки
открыт и по ней потечет ток до тех пор, пока величина
индукции не достигнет значения Ву (точка а на рис. 4).
Очевидно, что время, необходимое для перемещения рабо-
чей точки из 3 в а, будет равно времени перемещения в об-
ратном направлении, т. е. ta
Следующий этап работы усилителя на отрезке от
Г
+ до Т характеризуется постоянным значением ин-
дукции В~Ву (участок IV на рис. 4 и 5). Поскольку на
этом этапе работы усилителя отсутствует индуктируе-
мая э. д. с. и напряжение питания действует в непрово-
дящем направлении выпрямителя, то ток в цепи рабочей
обмотки отсутствует (рис. 5). Начиная с момента вре-
мени t = T, индукция в сердечнике снова возрастает, и
при /=7’4~1'н сердечник вновь насыщается. Дальнейшая
работа усилителя аналогична рассмотренной ранее.
В том случае, когда управляющее напряжение равно
нулю, изменения положения рабочей точки в управляю-
щий полупериод не происходит, и она остается в точке 3.
Следовательно, в течение всего рабочего полупериода
14
ток в нагрузке будет максимальным/ , так как будет
определяться только сопротивлением нагрузки.
Чем больше управляющее напряжение, тем ниже по
петле гистерезиса опустится рабочая точка в управляющий
полупериод (рис. 4). Это приведет к тому, что в рабочий
полупериод сердечник позднее насытится и к нагрузке бу-
дет приложено меньшее напряжение. При максимальном
управляющем напряжении, при котором исходной рабочей
точкой на петле гистерезиса будет точка /, по нагрузке в
течение всего рабочего полупериода протекает только на-
магничивающий ток /нмин-
Зависимость тока нагрузки от тока в обмотке управ-
ления представлена на рис. 7 и называется статической ха-
рактеристикой магнитного усилителя. Особенностью этой
характеристики является то, что при изменении полярности
управляющего сигнала ток в нагрузке, изменяясь по вели-
чине, остается все время положительным.
Магнитные усилители, обладающие такой статической
характеристикой, называются однотактными магнитными
усилителями. Участок аб статической характеристики на-
зывается рабочим участком. Ему соответствует изменение
положения исходной рабочей точки в управляющий полу-
период от точки 3 до точки 1 (рис. 4). Участки ав и бг
статической характеристики являются нерабочими участ-
ками. В настоящей брошюре работа магнитных усилителей
на этих участках не рассматривается. Подробно материал
по этому вопросу изложен в [Л. 1].
Схема, изображенная на рис. 5, редко используется
самостоятельно. Эта схема, как уже говорилось выше, слу-
жит типовым элементом для построения более сложных
схем магнитных усилителей. На практике для нагрузки
переменного тока используется обычно схема, представ-
ленная на рис. 8, а для нагрузки постоянного тока — схе-
мы рис. 9,а б, составленные, как легко видеть, из схемы
рис. 5.
На схемах рис. 8 и 9 показаны направления токов в ра-
бочих обмотках и в нагрузке сплошными стрелками в те-
чение одного пслупериода (например, рабочего полуперио-
да для сердечника /), а пунктирными — в течение следую-
щего полупериода. Нетрудно увидеть, что в схеме на рис. 8
по нагрузке протекает переменный ток, а в схемах рис. 9,а,
б — постоянный. Рассмотрим работу схемы рис. 8 при тех
же допущениях и условиях, что и для схемы рис. 5. Так
как при этих допущениях ток в цепи управления опреде-
3*	15
пяется только управляющим напряжением и не зависит от
э. д. с., индуктируемой из рабочей обмотки в обмотку уп-
равления, то очевидно, что каждый сердечник усилителя
схемы рис. 8 будет работать в точно таких же условиях.
Рис. 7. Статическая ха-
рактеристика магнитного
усилителя.
Рис. 8. Схема магнитного
усилителя с выходом на
переменном токе.
Рис. 9. Схемы магнитных усилителей с выходом на постоянном токе.
а — с трансформатором; б—без трансформатора.
16
как и в схеме рис. 5. Схема рис. 8 построена таким обра-
зом, что если для сердечника / наступает рабочий полупе-
риод, то в сердечнике 11 имеет место управляющий полу-
период, и наоборот. При этом первый этап изменения тока
(рис. 5) в рабочей обмотке сердечника I совпадает по
времени с третьим этапом изменения тока в рабочей об-
мотке сердечника //.
Пусть в сердечнике / индукция Вх (рис. 10,6) изме-
няется от значения Ву} до значения Bs, а индукция Вп
в сердечнике // уменьшается от значения Bs до значе-
ния 5}|1. По нагрузке Rn (рис. 8) токи рабочих обмо-
ток ipi и f п (рис. 10,г, д) протекают в противоположных
направлениях. Так как за время от 1 = 0 до t—tK оба
выпрямителя пропускают ток, то в нагрузке ток ia будет
определяться как алгебраическая сумма токов ipI и ipII
(рис. Ю.е).
В течение следующего этапа сердечник / остается на-
сыщенным (£?! = /?.). Индукция в сердечнике // также
Ч1еет неизменное значение Btl = B	(рис. 10,6, в). По-
скольку сердечник / насыщен, то ток в его рабочей
Uт sin /
Ьбмотке wpl определяется выражением *’р1 = —--------
(рис. 10,г). В это же время ток Z п в рабочей обмотке г»р|)
равен нулю (рис. 10,6). Следовательно, ток в нагрузке на
этом этапе равен только току «р1 (рис. 10,г, е).
В следующий полупериод сердечник / будет находиться
в управляющем полупериоде, а сердечник И — в рабочем.
При этом работа усилителя на третьем этапе (рис. 10) бу-
дет аналогична работе на первом этапе с той лишь разни-
цей, что сердечники поменялись местами. В течение чет-
вертого этапа ток в нагрузке определяется только то-
ком ipI1.
Для сравнения рассмотрим работу схем рис. 9,а, б с на-
грузкой постоянного тока. По существу эти схемы также
представляют собой соединение двух схем рис. 5.
Пусть для сердечника 1 в момент / = 0 начинается ра-
бочий полупериод, а для сердечника 11 — управляющий.
Если по рабочей обмотке сердечника 1 протекает его на-
магничивающий ток, то в это же время по рабочей обмот-
ке сердечника II протекает ток третьего этапа (рис. 6 и 10).
17
Рис. 10. К принципу работы магнитных усилителей
по схемам рис. 8 и 9. Диаграммы изменения;
а—питающего напряжения U; б. е—индукции В] и Bjj в сердеч-
никах I и II; г. б—токов ipi и 1рц в рабочих обмотках сердечников
I и II; е—тока iH в нагрузке для усилителя по схеме рис. 8; ж—
тока в нагрузке для усилителя по схеме рис. 9,6.
18
Схема построена таким образом, что на всех этапах в на-
грузке складываются токи рабочих обмоток обоих сердеч-
ников (рис. 9,а и 10,ж).
Схема рис. 9,6 работает аналогично схеме рис. 8,а. Од-
нако благодаря наличию выпрямителей В2 и Bt по нагруз-
ке /?н в течение обоих полупериодов ток протекает в од-
ном направлении Направления тока указаны стрелками на
рис. 9,6. Таким образом, усилитель, выполненный по схеме
рис. 9,6, является усилителем с выходом на постоянном то-
ке. От схемы рис. 9,а данный усилитель выгодно отличает-
ся отсутствием трансформатора 7'р, что позволяет умень-
шить вес и размеры установки
Идеализированный магнитный усилитель с малым
сопротивлением цепи управления
Рассмотрим работу схемы рис. 8 при малом сопротивле-
нии цепи управления, когда нельзя пренебречь влиянием
э. д. с., индуктируемой из рабочей обмотки, например сер-
дечника / на изменение индукции сердечника II в управ-
ляющий полупериод.
Пусть сердечник I находится в рабочем, а сердеч-
ник // в управляющем полупериодах. Напряжение пи-
тания усилителя через выпрямитель Bt приложено к ра-
бочей обмотке сердечника I. Под действием этого на-
пряжения (рис. 10,6) индукция в сердечнике / изменяется
от значения Ву} до индукции насыщения Bs, после чего
сердечник насыщается и ток в нагрузке определяется
только активным сопротивлением цепи.
Одновременно в обмотке управления nyvl сердечника /
в результате изменения индукции наводится э. д. с. По-
скольку сопротивление всей цепи управления принято
малым, то эта э. д. с. оказывается в основном приложен-
ной к обмотке управления сердечника II. Под действием
этой э. д. с. и управляющего напряжения рабочая точка,
характеризующая магнитное состояние сердечника II
в управляющий полуперпод, будет перемещаться по петле
гистерезиса от индукции насыщения Bs в направлении
индукции Ву11. В момент времени tn, когда сердечник I
насыщается и э. д. с. еу1 = 0, обмотка управления сер-
дечника II практически оказывается закороченной, так как
сопротивление общей цепи управления мало. При таких
условиях изменение индукции в сердечнике II прекра-
19
щается ввиду того что в закороченной обмотке по за-
кону Ленца наводится такая э. д. с., которая препятствует
изменению индукции в сердечнике. Поэтому в интервале
т
от t=t до t = когда сердечник / остается насыщен-
ным, индукция в сердечнике II практически не изменяется.
Можно показать, что индукция в сердечнике II успеет
за время от t = 0 до t = tu измениться от значения Bs
до Ву.
В следующий полупериод, который начнется в момент
t = для сердечника II начнется рабочий, а для сердеч-
ника I — управляющий полупериоды. Значение индук-
ции Ву в конце управляющего полупериода определяется
величиной сигнала на входе усилителя. Таким образом,
в магнитных усилителях с малым сопротивлением цепи
управления изменение индукции в управляющий полупе-
риод происходит под действием не только управляющего
сигнала, но и под действием э. д. с., наводимой из рабочей
обмотки в обмотку управления. Влияние этой э. д. с. на ра-
боту усилителя в управляющий полупериод существен-
но изменяет характер переходных процессов (см. ниже
«Быстродействие магнитных усилителей»).
Смещение в магнитных усилителях
В рассмотренных усилителях при отсутствии управляю-
щего сигнала значение тока нагрузки разно максимальной
величине (рис. 7). В большинстве случаев желательно при
отсутствии сигнала на входе усилителя получить мини-
мальный ток в нагрузке. Поэтому в магнитных усилителях
часто предусматривается смещение или, как его иногда
называют, начальное подмагничивание. Введение смешения
в усилитель равноценно включению дополнительного посто-
янного управляющего напряжения. Под действием напря-
жения смещения (рис. 4) рабочая точка в управляющий
полупериод перемещается вниз по петле гистерезиса от точ-
ки 3 даже при отсутствии управляющего напряжения. Чем
больше напряжение смещения, тем ниже по петле гистере-
зиса переместится рабочая точка. В том случае, когда
на вход подается еще управляющее напряжение, переме-
щение рабочей точки в управляющий полупериод опреде-
ляется суммой напряженностей, создаваемых сигналами
20
смещения и управления (если эти сигналы вызывают из-
менение магнитного состояния сердечника в одном направ-
лении) или разностью (если действие сигналов противопо-
ложно).
Введение начального подмагничивания дает возмож-
ность как бы перемещать статическую характеристку
усилителя вдоль горизо ггалыюй оси в зависимости от
величины тока смещения (рис. 11). Как видно из рис. 11,
при изменении тока смещения 7сч ток на выходе усили-
теля 7и при отсутствии управтяющего сигнала 7у = 0 мо-
жет принимать различные
При работе на статичес-
кой характеристике, со-
ответствующей /см=о,
управляющий сигнал дол-
жен быть отрицательным.
При работе со смещени-
ем /см = /см! полярность
управляющего сигнала
должна измениться на
противоположную. Прин-
ципиально смещение в
усилителе может быть
значения от 7 до 7
и. макс **	и. мин
Рис. 11. Статические характеристики
магнитного усилителя при различных
значениях тока смещения.
осуществлено тремя спо-
собами: постоянным или
выпрямленным током, пе-
ременным током, а так-
же шунтированием сопротивлением выпрямителей в рабо-
чей цепи.
Наиболее широко применяется смещение постоянным
током. Типичная схема смещения постоянным током при-
ведена на рис. 9,6. Обмотки смещения обычно выполняют-
ся так же, как и обмотки управления. Последователь"о
с обмотками смещения для регулирования тока в них вклю-
чают регулировочное сопротивление.
Смещение выпрямленным током целесообразно осуще-
ствлять от общего источника питания переменного тока
В этом случае удается несколько уменьшить влияние коле-
баний напряжения источника питания на статическую ха-
рактеристику усилителя. Действительно, при неизменном
токе смещения, повышение напряжения питания приводит
21
к росту тока на выходе усилителя при одном и том же сиг-
нале на входе. Если же цепь смещения питается от того
же источника, что и магнитный усилитель, то с повы-
шением напряжения питания растет и ток смещения, что
вызывает уменьшение тока нагрузки. На рис. 12,а приведе-
ны статические характеристики усилителя при изменении
напряжения питания и неизменном по величине токе сме-
щения, а на рис. 12,6 те же характеристики, но с питанием
цепи смещения от общего
Рис. 12. Статические характери-
стики магнитного усилителя при
изменении напряжения питания.
а—при питании обмотки смещения от
независимого источника; б—при питании
обмотки смещения от источника питания
усилителя-
источника переменного на-
пряжения. В последнем слу-
чае колебания напряжения
в пределах ±10% мало
влияют на рабочий участок
статической характеристики.
Смещение переменным
током нашло применение
лишь в двухтактных магнит-
ных усилителях (см. § 3).
Смещение шунтированием
выпрямителей рабочей цепи
применяется главным обра-
зом в так называемых «бы-
стродействующих» усилите-
лях (см. § 3). При этом в
управляющий полупериод,
когда выпрямитель заперт,
по рабочей обмотке будет
протекать ток, величина ко-
торого определяется величи-
ной шунтирующего сопротивления. Под действием напря-
женности поля, соответствующей этому току, рабочая точ-
ка будет перемешаться вниз по петле гистерезиса. Чем
меньше величина шунтирующего сопротивления, тем боль-
ше ток и тем ниже по петле будет перемещаться рабочая
точка. В рабочий полупериод шунтирующее сопротивление
оказывается закороченным выпрямителем и не оказывает
влияния на процессы, происходящие в усилителе.
Смещение шунтированием выпрямителей выгодно отли-
чается отсутствием дополнительных обмоток на сердечни-
ках, но приводит к искривлению статической характеристи-
ки, а также к снижению коэффициента усиления.

Быстродействие магнитных усилителей
Магнитные усилители обладают определенной инерцион-
ностью, выражающейся в том, что при изменении управ-
ляющего сигнала, изменение выходного напряжения (то-
ка) осуществляется не мгновенно, а через некоторый про-
межуток времени, т. е. с некоторым запаздыванием. В тече-
ние этого промежутка времени в магнитно,м усилителе
имеет место переходный процесс, в результате которого
индукция Ву, постепенно изменяясь, приближается к зна-
чению, определяемому новой величиной управляющего сиг-
нала. В системах автоматического управления инерцион-
ность входящих в них элементов имеет первостепенное
значение, так как от нее часто зависит качество всей систе-
мы. В связи с этим при использовании магнитных усили-
телей принимаются меры для снижения их инерционности
Из рассмотрения работы магнитных усилителй (на-
пример, схемы рис. 8) было видно, что при неизменной
величине управляющего сигнала изменения индукции
в сердечнике в рабочий и управляющий полупериоды
равны ДВр—Д7?у (рис. 4).
Рассмотрим работу магнитного усилителя, например,
схемы рис. 9,6 при внезапном появлении (изменении) уп-
равляющего сигнала. Будем по-прежнему считать, что
в сердечнике 7 имеет место рабочий полупериод, а в
сердечнике 77 — управляющий. При изменении индукции
в сердечнике 7 в его обмотке управления шу1 наводится
э. д. с. из рабочей обмотки шр1, которая оказывается
приложенной к обмотке шу11. Эта э. д. с., а также на-
чальное подмагничивание и вызывают изменение индук-
ции в управляемом сердечнике 77 от значения Bs до
— Bs в отсутствии управляющего сигна ia. Если в на-
чале полупериода на вход усилителя подается управ-
ляющий сигнал, направленный встречно этой э. д. с.,
то изменение индукции в сердечнике II в управляющий
полупериод уменьшится. Поэтому в следующий (рабочий)
полупернод сердечник II придет к насыщению раньше,
благодаря чему увеличится выходное напряжение уси-
лителя.
Поскольку изменение индукции в сердечнике 77 проис-
ходит лишь в течение части полупериода, то уменьшится
и среднее значение э. д. с., трансформируемой в обмотку
шу2, от которой зависит изменение магнитной индукции в
23
сердечнике 1 в его управляющий полупериод. Поэтому
в следующий полупериод сердечник / насытится еще рань-
ше, чем сердечник //в предыдущий полупериод. Выходное
напряжение еще несколько увеличится и т. д. Среднее зна-
чение э. д. с., индуктируемой в цепь управления, зависит
от момента насыщения рабочего сердечника, а следова-
тельно, и от величины выходного напряжения. Другими
словами, выходное напряжение влияет на величину изме-
нения индукции ДВу в сердечнике в течение управляющего
полупериода и вызывает переходный процесс. Можно пока-
зать, что при некотором значении сопротивления цепи
управления наступит такой момент, когда изменения
индукции в рабочий и управляющий полупериоды снова
станут равными друг другу при какой-то вполне опреде-
ленной величине выходного напряжения. В этот момент
переходный процесс прекратится.
Таким образом, можно сделать вывод, что переходный
процесс в магнитных усилителях возникает в тех случаях,
когда изменение индукции сердечника в управляющем по-
лупериоде происходит не только под действием управляю-
щего напряжения, но и под действием изменяющейся по
величине э. д. с., индуктируемой из рабочих обмоток.
Минимальное запаздывание, которое может быть до-
стигнуто в магнитных усилителях, определяется длитель-
ностью управляющего полупериода, т. е. полупериода на-
Т
пряжения питания-g-. 1ак, например, при питании маг-
нитного усилителя от сети промышленной частоты 50 гц
не может быть получено запаздывание менее 0,01 сек. Для
обеспечения минимального запаздывания необходимо, что-
бы изменение индукции в сердечнике в течение управляю-
щего полупериода зависело только от величины управляю-
щего напряжения и всегда начиналось со значения В .
Обычно последнее достигается тем, что к концу рабочего
полупериода «рабочий» сердечник обязательно насыщается.
Однако это минимальное запаздывание может колебаться
от полупериода напряжения питания до периода в зависи-
мости от момента подачи управляющего сигнала. Магнит-
ные усилители, обладающие таким запаздыванием, называ-
ются быстродействующими.
Схемы рис. 8 и 9 по своей природе являются быстро-
действующими при большом сопротивлении цепи управле-
ния. Действительно, изменение индукции в управляющем
24
Вход
Рис. 13. Схема быстродей-
ствующего магнитного
усилителя
полупериоде в этих схемах всегда начинается с индукции
насыщения Bs, а величина индуктируемой в цепь управ-
ления э. д. с. не влияет на изменение индукции в управляе-
мом сердечнике.
Рассмотрим ряд способов получения минимального за-
паздывания без включения большого сопротивления в цепь
управления.
Влияния переменной по величине э. д. с., индуктируемой
в цепь управления из рабочих обмоток, можно избежать,
если в цепь управления подавать дополнительное напряже-
ние с сопротивления /?о, вклю-
ченного последовательно с на-
грузкой /?н (рис. 13). Мгновенное
значение этого напряжения близ-
ко к нулю до момента насыщения
одного из сердечников, так как
по нагрузке в это время проте-
кает незначительный намагничи-
вающий ток. После насыщения
одною из сердечников это напря-
жение равно величине э. д. с.,
индуктируемой в цепь управ-
ления, что достигается подбо-
ром величины Rq. Таким образом,
оно начинает действовать после
насыщения сердечника, когда
9. д. с. становится равной нулю.
В первый полупериод пос-
ле поступления сигнала изме-
нение выходного напряжения
будет равно нулю, так как
появление сигнала влияет только
в управляемом сердечнике. Во второй полупериод измене-
ние выходного напряжения будет соответствовать появив-
шемуся управляющему сигналу, но нового изменения Д/?у
(в отличие от схемы обычного магнитного усилителя с ма-
лым сопротивлением цепи управления) уже нс будет про-
исходить, так как напряжение, снимаемое с /?с, устраняет
влияние изменившейся величины индуктируемой э. д. с. Та-
ким образом, уже через полпериода изменения индукции
в рабочем и управляемом сердечниках будут равны Д£?п =
= Д£?у п напряжение на нагрузке будет соответствовать
измененному управляющему сигналу.
на изменение
25
Рассмотрим работу схемы, положенной в основу мно-
гих быстродействующих усилителей. На рис. 14,а представ-
лена схема простейшего однополупериодного быстродей-
ствующего усилителя. Характерная особенность этой схемы
заключается в том, что в цепь управления также включен
источник переменного напряжения U ~ (помимо источника
управляющего сигнала). Наличие двух источников пере-
менного напряжения	а также выпрямителей позво-
а)
Рис. 14. Схемы быстродействующих магнитных усилителей.
а — однополупериодного; б —двухпол у периодного.
ляет разделить во времени работу рабочей и управляющей
цепей схемы. Напомним, что полупериод, в течение кото-
рого проводит выпрямитель рабочей цепи и изменение
индукции в сердечнике происходит под действием напря-
жения питания этой цепи, также называется рабочим полу-
периодом. На рис. 14,а показана мгновенная полярность
напряжений в течение этого полупериода. Работа усилите-
ля в этом полупериоде полностью аналогична работе уси-
лителей по схеме рис. 5 в рабочий полупериод.
Важно подчеркнуть, что при любом значении индукции
в начале рабочего полупериода к концу рабочего полупе-
риода индукция всегда достигает величины, соответствую-
щей положительному насыщению. Поэтому следующий,
26
так называемый управляющий полупериод всегда начи-
нается при одном и том же значении индукции в сердечни-
ке, равном + В&.
Напряжение питания управляющей цепи Uчасто
называемое опорным напряжением, в рабочий полупе-
риод запирает выпрямитель Ву. Поэтому в этот полу-
период ток по цепи управления не протекает, так как
напряжение, трансформируемое из рабочей цепи, мень-
ше напряжения питания цепи управления и не может
открыть выпрямитель В?. В управляющий полупериод
под действием опорного напряжения U~ выпрямитель
Ву открывается, а выпрямитель запирается напряже-
нием U~. Теперь уже по рабочей цепи ток не проте-
кает, а напряжение питания цепи управления U~ начи-
нает размагничивать сердечник. Если управляющего
сигнала нет, то при правильном выборе величины U_
индукция в сердечнике изменяется от до —Bs,
и в следующий рабочий полупериод тока в цепи на-
грузки не будет (током намагничивания пренебрегаем).
При наличии управляющего сигнала U , противополож-
ного по знаку напряжению питания {/_, величина из
менения индукции в течение управляющего полупериода
уменьшается. Очевидно, чем больше С7у, тем меньше
ЬВу, т. е. тем выше будет рабочая точка на петле
гистерезиса (рис. 14) к концу управляющего полуперио-
да, тем больше будет ток в рабочий полупериод.
Подчеркнем особенности работы рассмотренной схемы,
свойственные быстродействующим усилителям и отличаю-
щие ее от схем обычных магнитных усилителей. В рабочий
полупериод цепь управления не действует, и величина вы-
ходного тока определяется только напряжением питания U__
и величиной индукции в сердечнике в конце предыдущего
(управляющего) полупериода. Величина магнитной индук-
ции в конце управляющего полупериода определяется только
величиной напряжения сигнала и опорного напряжения U ~
и не зависит от тока нагрузки. Благодаря этим особенно-
стям не позднее чем через период после изменения управ-
ляющего сигнала выходной ток достигнет установившегося
значения.
27
Двухполупериодная схема (рис 14,6) представляет со-
бой просто сумму двух однополупериодных схем, реаги-
рующих на управляющий сигнал одной и той же полярно-
сти. Их рабочие и управляющие полупериоды смещены во
времени на половину периода, так что когда одна половина
схемы (рис. 14,6) находится в рабочем полупериоде, дру-
гая— в управляющем, и наоборот. На рис. 14,6 стрелками
указаны направления токов в рабочей и управляющей це-
пях для одного полупериода. Эта схема имеет то же бы-
стродействие, что и однополупериодная.
На основе принципов, используемых в рассмотренных
выше усилителях, может быть создан целый ряд схем бы-
стродействующих магнитных усилителей, некоторые из ко-
торых приведены в разделе, посвященном двухтактным
магнитным усилителям.
3.	ДВУХТАКТНЫЕ МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
В предыдущих параграфах рассматривалась работа так
называемых однотактных магнитных усилителей (см.
стр. 15).
Существует целый ряд областей в технике, где требу-
ются усилительные элементы, имеющие такую статическую
характеристику, при которой изменение полярности управ-
ляющего сигнала вызывает изменение полярности выходно-
го напряжения или изменение фазы выходного напряже-
ния на 180°. Усилители, обладающие такой статической ха-
рактеристикой, называются двухтактными магнитными уси-
лителями.
Простейшие двухтактные магнитные усилители обычно
выполняются путем соответствующего соединения двух од-
нотактных усилителей, рассмотренных выше
Двухтактные магнитные усилители с выходом
на переменном токе
На рис. 15 представлена схема двухтактного магнитно-
го усилителя с выходом на переменном токе. Такая схема,
как правило, используется для управления двухфазными
асинхронными двигателями, которые применяются в уст-
ройствах автоматического управления небольшой мощно-
сти (до 1 кет). Каждая половина этой схемы представляет
собой простейший однотактный магнитный усилитель, схе-
ма которого приведена на рис. 8. В один полупериод пита-
28
ющсго напряжения работают сердечники / и ///, а сердеч-
ники // и IV находятся в это время в режиме управления.
Следующий полупериод для сердечников / и III будет уп-
равляющим, а для сердечников II и IV — рабочим. Управ-
ляющий сигнал вызывает увеличение тока па выходе од-
ного однотактного усилителя (например, о) и уменьшение
тока на выходе другого (ток i2). Диаграммы изменения
токов в отдельных половинах схемы! и в нагрузке шоказа-
ны на рис. 16,а, б, в. По нагрузке эти токи 6 и i‘2 протека-
ют одновременно в противоположных направлениях. При
Рис. 15. Схема двухтактного магнитного усилителя
с выходом на переменном токе.
изменении полярности управляющего сигнала ток i\ на вы-
ходе первого усилителя начинает уменьшаться, а у второ-
го ток i2 возрастает, при этом результирующий ток г'н из-
менит свою фазу на 180° (рис. 16,а). При отсутствии уп-
равляющего сигнала токи обоих однотактных усилителей
равны между собой, и ток в нагрузке равен нулю.
Как уже указывалось ранее, двухтактные магнитные
усилители представляют собой соединение двух одно-
тактных усилителей, токи которых по нагрузке про-
текают в противопо тожных направлениях. На рис. 17
эго обстоятельство учитывается тем, что статические
характеристики однотактных усилителей (Д и Б) распо-
ложены по разные стороны от оси. Чтобы получить
2 J
УI
на-
определяется
из отрезка
изменения токов:
а — на выходе первого усилителя б — на
выходе второго усилителя /а; в—в нагрузке
i[f при положительном сигнале на входе;
г — в нагрузке при отрицательном сигнале
на входе.
статическую характеристику двухтактного усилителя
(5), нужно для ряда значений управляющего сигнала
определить разность соответствующих токов однотакт-
ных усилителей. Например, току управления 7=7
(рис. 17,а) соответствуют токи 7П и 721 на выходе од-
нотактых усилителей. При этом значение тока в
грузке 7Н,
вычитанием
7„ отрезка 721.
Особенностью полу-
ченной статической ха-
рактеристики является на-
личие зоны нечувстви-
тельности (участок де).
В ©той зоне работы при
изменении управляющего
сигнала в пределах вели-
чин ое или од ток в на-
грузке усилителя практи-
чески равен нулю. Кроме
того, при работе усилите-
ля с такой статической
характеристикой по об-
моткам усилителя при
малых управляющих сиг-
налах протекают значи-
тельные токи, что вызы
вает их дополнительный
нагрев. Этих недостатков
можно избежать, если ис-
пользовать в усилителе
смещение. Действительно,
применяя начальное под-
магничивание (см. стр. 21),
можно переместить ха-
рактеристику А вправо, а
этом зона нечувствитель-
характеристику Б — влево. При
ности в статической характеристике двухтактного усили-
теля исчезнет (рис. 17,6). Изменяя величину смещения,
можно регулировать наклон этой характеристики, которым
определяется коэффициент усиления магнитного усилителя
по току.
В усилителе невозможно обеспечить с большой точно-
стью идентичность сердечников, выпрямителей и обмоток.
30
Поэтому выходной ток трудно сЬести к нулю при отсу!
ствии управляющего сигнала. Указанный недостаток мож-
но устранить при помощи смещения. Для этого в цепь сме-
щения включают регулировочное сопротивление, как по-
казано на рис. 15. Изменяя соотношение токов смещения
в обеих половинах схемы, а следовательно, и токов в ра-
бочих обмотках, можно добиться нулевого тока в нагруз-
ке при отсутствии управляющего сигнала.
На рис. 18,а представлена более сложная схема двух-
тактного магнитного усилителя с выходом на переменном
Рис. 17. Статические
магнитного усилителя
характеристики двухтактного
при различных значениях тока
смещения.
токе, получившая название двойной мостовой схемы. На
рис. 18,6 представлена в другом виде схема соединения
рабочих обмоток этого же усилителя, облегчающая пони-
мание его работы. Основное достоинство этой схемы —
отсутствие питающего трансформатора, что часто позволя-
ет существенно уменьшить вес и габариты установки. На
каждом сердечнике усилителя намотано по две рабочих
обмотки (а и 6), включенных в противоположные плечи
моста последовательно с выпрямителями. Несмотря на
внешнюю сложность, эта схема по существу состоит из та-
ких же однотактных усилителей, как и схема рис. 15. При по-
лярности питающего напряжения, указанной на рис. 18,
31
Сердечники 1 й IV находятся в своем рабочем, а сердеч-
ники II и /// — в управляющем полупериодах. Ровно через
полпериода полярность питающего напряжения станет об-
ратной, и сердечники II и III будут находиться в рабочем
Рис. 18. Двойная мостовая схема двухтактного маг-
нитного усилителя с выходом на переменном
токе (о, б).
полупериоде, а сердечники / и IV— в управляющем. Пусть
при одной полярности напряжения управляющего сигнала
возникает увеличение тока в рабочих обмотках сердечни-
ков / и И и уменьшение в обмотках сердечников III и IV.
При другой полярности — наоборот. По нагрузке всег-
да протекает разность этих токов. Таким образом, рабо-
32
та этом схемы во многом аналогична работе схемы на
рис. 15.
На рис. 15 и 18 для образования двухтактных магнит-
ных усилителей были использованы схемы однотактных
магнитны? усилителей с двумя сердечниками. Принципи-
ально для построения двухтактных усилителей может быть
использована и схема рис. 5. На рис. 19 представлена такая
схема. Она выполнена таким образом, что в течение одного
Рис. 19. Схема двухтактного магнитного
усилителя с выходом на переменном то-
ке, выполненного на двух сердечниках.
полупериода работает одна ее половина, в течение следую-
щего полупериода—другая.
Характерной особенностью этой схемы является то, что
при отсутствии управляющего сигнала через нагрузку про-
текает пульсирующий ток, который содержит постоянную
и переменную составляющие. Величину постоянной состав-
ляющей этого тока можно менять при помощи смещения,
изменяя момент насыщения tn (обычно последний выби
7'\ „
рают равным — I. Переменная составляющая не содержит
напряжения частоты источника питания магнитного усилите-
ля. Однако при подаче управляющего сигнала в выходном
напряжении появляется напряжение частоты источника пи
тания, причем постоянная составляющая остается неизмен-
ной. по величине (рис 20,6). При изменении полярности
33
управляющего сигнала фаза переменной составляющей ча-
стоты питающей сети изменится на 180° (рис. 20,в). Такие
схемы используются чаще всего для управления двухфаз-
ными асинхронными двигателями. Переменная составляю-
щая создает вращающий момент, а постоянная составляю-
Рис. 20. Диаграммы изменения на-
пряжения на нагрузке в усилителе по
схеме рис. 19.
а—при отсутствии управляющего напряже -
ния; б—при положительном управляю-
щем напряжении; в—при отрицательном
напряжении.
щая осуществляет эффективное динамическое торможение
при снятии управляющего сигнала.
Основное достоинство таких схем (их можно построить
несколько) на двух сердечниках заключается в их просто-
те и небольшом числе элементов (сердечников и выпрями-
телей). Но этим схемам присущ целый ряд существенных
недостатков, основным из которых является более низкий
коэффициент усиления, чем в схемах на четырех сердечни-
ках.
Двухтактные магнитные усилители с выходом
на постоянном токе
Построить двухтактный магнитный усилитель с выходом
на постоянном токе простым соединением двух однотакт-
ных усилителей с выходом постоянного тока невозможно
без дополнительных изменений в схеме. Для пояснения
34
этого положения рассмотрим схему двухтактного магнитно-
го усилителя (рис. 21) с выходом на постоянном токе.
При отсутствии управляющего сигнала на входе уси-
лителя выпрямленные токи и /2 равны друг другу.
Поэтому ток нагрузки 7н =/2— /2=0. При наличии
управляющего сигнала ток на выходе, например, одно-
тактного усилителя / увеличивается, а на выходе уси-
лителя // — уменьшается и по нагрузке /?н протекает
ток, равный разности токов ^ = 7,— /2. При отсутствии
балластных сопротивлений /?б постоянный ток /, может
частично замыкаться через второй усилитель, не прохо-
Рис. 21. Схема двухтактного магнитного усилителя
с выходом на постоянном токе.
дя через нагрузку (см. пунктирную стрелку на рис. 21).
Аналогичным образом выпрямленный ток /2 может за-
мыкаться через первый усилитель. Поэтому при R6 — 0
ток нагрузки может быть гораздо меньше разности сред-
них значений токов в рабочих обмотках усилителей.
Чтобы устранить этот недостаток, в цепи соответствую-
щих однотактных усилителей включают балластные сопро-
тивления R-, величина которых в несколько раз боль-
ше сопротивления нагрузки /?н. Благодаря этому ток
/, протекает главным образом через нагрузку, не ответ-
вляясь во второй усилитель. По той же причине ток /2
не будет ответвляться в первый усилитель. Благодаря
этому ток в нагрузке значительно возрастет. Однако
35
ток 7j протекает не только по сопротивлению нагрузки
7?н, но и по 7?б|, а ток /2 соответственно по R62. В свя-
зи с этим в балластных сопротивлениях выделяется
значительная мощность. Поскольку эта мощность вы-
деляется не в нагрузке, то коэффициент полезного
действия (к. п. д.) такого усилителя очень мал.
Как показывают расчеты, при таком включении балла-
стных сопротивлении к. п. д. усилителя не может быть вы-
н/\Дк	нЛ/У	кДЛн	кЛЛ*
u>yt	Wyl'	U>y2	Wy2’
-0 = 0-
Вход
Рис. 22. Схема двухтактного магнитного
усилителя с выходом на постоянном
токе при повышенном к. п. д.
ше 17%. Последнее обстоятельство ограничивает область
применения рассмотренных усилителей (рис. 21). Они мо-
гут быть использованы лишь при малых значениях мощ-
ности, когда к. п. д. не имеет существенного значения,
главным образом в измерительной технике.
Для повышения к. п. д. двухтактных усилителей с вы-
ходом на постоянном токе применяется схема, представ-
ленная на рис. 22.
Схема усилителя построена на четырех сердечниках
(/, //, /// и /V), на каждом из которых намотано по две
36
рабочих обмотки. Одинаковыми индексами помечены об*
мотки, находящиеся на одном сердечнике (рис. 22). Пита-
ние усилителя.осуществляется от трансформатора с двумя
вторичными обмотками, имеющими средние точки. В одни
полупериод работают сердечники / и III, а в другой — //
и IV. На рис. 22 полярность питающего напряжения ука-
зана для того полупериода, когда сердечники / и /// нахо-
дятся в своем рабочем полупериоде, а сердечники // и /Г—
в управляющем полупериоде. В каждый полупериод по
нагрузке протекает разность токов рабочих обмоток сер-
дечников / и /// либо // и IV. Для правильной работы схе-
мы величина балластного сопротивления выбирается рав-
ной сопротивлению нагрузки /?н = /?6. Если пренебречь по-
терями в выпрямителях и в рабочих обмотках, то к. п. д
схемы окажется равным 50%, так как половина мощности
теряется в балластном сопротивлении. Практически это
значение не превышает 30—40%. Более подробно работа
двухтактных магнитных усилителей с повышенным к. п. д
изложена в [Л. 1].
Быстродействующие двухтактные магнитные усилители
Используя принципы построения быстродействующих
однотактных усилителей, изложенные ранее (см. § 2),
можно построить двухтактные быстродействующие магнит-
ные усилители (рис. 23).
Усилитель, представленный на рис. 23, выполнен на че-
тырех сердечниках. Рабочие цепи получают питание от
трансформатора с двумя вторичными обмотками Тр. Эти
цепи содержат выпрямители, включенные так, что при
указанной полярности сердечники // и IV находятся
в своем рабочем полупериоде, а сердечники / и III—
в управляющем. Цепь рабочей обмотки, например сердеч-
ника //, в этот полупериод образуется следующим обра
зом: с, В2, wpll, /?Г1,щи0.
Нагрузка в этом усилителе включена по трансфор-
маторной схеме. Смещение в усилителе осуществляется
путем шунтирования выпрямителей рабочих цепей. Со-
противления Riu, шунтирующие выпрямители, выбираются
таким образом, чтобы при отсутствии управляющего
сигнала магнитные индукции в сердечниках за время
управляющего полупериода уменьшились до нуля, тогда
время насыщения /н этих сердечников в рабочий полу-
37
Период будет равно —. Таким образом, если напряже-
ние управляющего сигнала отсутствует, то в любой
полупериод „рабочие" сердечники (II и IV или / и III)
т
насытятся одновременно при t — — и по обмоткам
си, трансформатора Тр2 потекут равные токи в противо-
положных направлениях, и напряжение в обмотке
Рис. 23. Схема быстродействующего
двухтактного магнитного усилителя с вы-
ходом на переменном токе.
будет равно нулю. Обмотки управления включаются
так, чтобы при отсутствии управляющего сигнала транс-
формируемые в цепь управления из рабочих обмоток
э. д. с. взаимно уравновешивались и не вызывали до-
полнительных изменений магнитных индукций в сердеч-
никах, находящихся в управляющем потупериоде. Без
управляющего сигнала изменение индукции в этих сер-
38
дечниках происходит только за счет рабочих цепей
благодаря шунтирующему сопротивлению 7?ш. Цепь ра-
бочей обмотки сердечника, находящегося в управляю-
щем полупериоде, например /, образуется следующим
образом: О, wt, /?6, wpI, /?ш, к.
При появлении управляющего сигнала изменение ин-
дукции в сердечнике (например, II) происходит на мень-
шую величину, а в другом (IV) — на большую величину.
Поэтому в следующий рабочий полупериод сердеч-
ник II насытится раньше. После его насыщения к на-
грузке прикладывается напряжение. После насыщения
сердечника IV напряжение на нагрузке снова становится
равным нулю. Таким образом, выходное напряжение на
нагрузке будет иметь вид импульса, длительность которо-
го зависит от величины управляющего сигнала (рис. 16,в).
При изменении фазы управляющего напряжения на 180°
фаза выходного напряжения изменяется также на 180°
(рис. 16,г).
При наличии управляющего сигнала напряжения на
управляющих обмотках «рабочих» сердечников больше не
уравновешивают друг друга (сердечники трансформируют
э. д. с. в цепь управления в течение разного времени) и
могут влиять на изменение индукции в управляемых
сердечниках. В связи с этим в цепь управления вводится
дополнительное напряжение, снимаемое с обмотки w2
трансформатора Тр2. Это напряжение аналогично напря-
жению, вводимому в однотактном усилителе по схеме
рис. 12. До момента насыщения одного из сердечников на-
пряжение на обмотке w2 равно нулю. После насыщения,
например, сердечника II появляется импульс напряжения
на одной половине первичной обмотки трансформатора
Тр2, следовательно, и напряжение на обмотке ьу2 того же
трансформатора. Это напряжение имеет такую величину и
фазу, что полностью уравновешивает разность напряже-
ний, трансформируемых в цепь управления, и предотвра-
щает влияние выходного напряжения на изменение индук-
ции в управляемых сердечниках.
Примером другого двухтактного быстродействующего
усилителя является схема мостового усилителя с однопо-
лупериодным выходом (рис. 24). Вследствие своей неслож-
ности эта схема получила сравнительно широкое распро-
странение.
Рабочие обмотки двух сердечников включены последо-
вательно с выпрямителями по мостовой схеме.
за
Обмотки w j и u> являются рабочими обмотками
одного сердечника, a wр11 и wр11— рабочими обмотками
другого сердечника. Обмотки 1Гс1 и н являются об-
мотками смещения первого и второго сердечников (сме-
щение может быть осуществлено и шунтированием вы-
прямителей). В цепи обмоток смещения включаются
добавочные сопротивления /?с ( и /?с.„ при помощи кото-
рых устанавливается необходимая величина смещения.
+ и	Обычно последняя выбирается
такой, чтобы при отсутствии
управляющего сигнала в уп-
равляющий полупериод из-
менение магнитной индукции
в обоих сердечниках было
одинаковым и равным Bs. В
этом случае время насыще-
ния сердечников в рабочий
Т
пол у период оудет равно ~4 •
Обмотки ш , и п являются об-
мотками управления соответ-
ственно тех же сердечников.
Управляющий сигнал вызы-
вает увеличение времени на-
сыщения в одном из сердечни-
ков, а в другом—его умень-
шение. В рабочий полупериод
(мгновенная полярность для
которого указана на рис. 24)
проводят все рабочие выпря-
:ердечники не насыщены, мост
Втпд
Рис. 24. Схема быстродействую-
щего двухтактного магнитного
усилителя, выполненного на
двух сердечниках.
мители 1, 2, 3, 4, и пока
находится в равновесии. Ток через нагрузку не протекает.
После насыщения одного из сердечников мост выходит из
состояния равновесия, и через нагрузку течет рабочий ток.
После насыщения второго сердечника мост снова уравно-
вешивается. При этом прекращается ток через нагрузку.
При насыщении обоих сердечников ток через рабочие об-
мотки может значительно возрасти. Поэтому в схеме вклю-
чено дополнительное сопротивление R6, величину которого
выбирают равной сопротивлению нагрузки. Среднее значе-
ние тока нагрузки тем больше, чем больше разность между
моментами насыщения первого и второго сердечников, т. е.
40
чем больше управляющий сигнал. Направление тока на-
грузки определяется очередностью насыщения сердечни-
ков, т. е. полярностью управляющего сигнала. Схема ра-
ботает аналогичным образом и при управлении перемен-
ным током той же частоты, что и частота напряжения пи-
тания. Время запаздывания в таком усилителе колеблется
от полупериола до периода в зависимости от момента из-
менения управляющего сигнала.
4.	МНОГОКАСКАДНЫЕ МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
В практике использования магнитных усилителей очень
часто могут возникнуть случаи, когда поставленные тех-
нические условия не могут быть выполнены с помощью
одного магнитного усилителя. В этом случае часто напря-
жение, снимаемое с выхода одного усилителя, подается на
вход другого усилителя Такое последовательное соедине-
ние усилителей называется каскадным соединением, а от-
дельные магнитные усилители носят название каскадов.
Многокаскадные усилители применяются главным образом
в тех случаях, когда нельзя достигнуть необходимого уси-
ления с помощью однокаскадного усилителя или необхо-
димо резко уменьшить инерционность усилителя при за-
данном коэффициенте усиления.
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя ра-
вен произведению коэффициентов усиления отдельных кас-
кадов, а общее запаздывание равно сумме запаздываний
каждого каскада. Поэтому при многокаскадном включе-
нии можно значительно увеличить коэффициент усиления
при сравнительно небольшой инерционности.
Если не требуется изменение полярности выходного
напряжения при изменении полярности сигнала на входе
усилителя, то для всех каскадов могут быть использованы
однотактные усилители. На рис. 25 изображен двухкас-
кадный магнитный усилитель. В качестве отдельных кас-
кадов использованы усилители по схеме рис. 9, б. Выход
первого каскада зашуптирован конденсатором С. При от-
сутствии указанного конденсатора э. д. с., индуктируемая
в цепи управления второго каскада, может выпрямляться
выпрямителями первого каскада, что приведет к наруше-
нию работы усилителя. При наличии конденсатора эта
э. д. с. замыкается через него.
В целом ряде случаев в многокаскадных усилителях
требуется изменение полярности (или фазы) выходного
41
напряжения при изменении полярности управляющего на-
пряжения.
При малых мощностях (до десятков ватт) для этой це-
ли целесообразно использовать однополупериодные бы-
стродействующие магнитные усилители (рис. 24). Таким
усилителям присущ целый ряд достоинств: малое время
запаздывания, легкость каскадного соединения, простота
наладки и т. д. Схема вклю-
чения усилителя такова, что
обмотка управления второго
каскада включается в каче-
стве нагрузки предыдущего
каскада без каких-либо до-
полнительных элементов.
Для нормальной работы
схемы необходимо, чтобы
рабочий полупериод преды-
дущего каскада являлся уп-
равляющим полупериодом
последующего каскада.
Простота многокаскадного
включения рассматривае-
мой схемы позволяет уже
при трех-четырех каскадах
создать усилители с коэффи-
циентом усиления по мощ-
ности до миллиона и выше
при времени запаздывания
лишь в несколько полупери-
одов питающего напряже-
Рис. 25. Схема двухкаскадного
магнитного усилителя.	При выборе схемы двух-
тактных многокаскадных
усилителей мощностью более 100 вт чаще всего останавли-
ваются на схеме рис. 26. В этой схеме в первом каскаде
вместо двухтактных магнитных усилителей с балластными
сопротивлениями используются однотактные ма1нитные
усилители, работающие на две раздельные обмотки управ-
ления второго каскада. Однотактные магнитные усилители
последующих каскадов имеют по дзе обмотки управления.
одна из которых питается от однотактного магнитного уси-
лителя одного канала, а другая — от второго. При отсут-
ствии входного сигнала первого каскада токи в обеих об-
мотках равны между собой и противоположны по направ-
42
Лению. Поэтому результирующий управляющий сигнал
следующего каскада усиления равен нулю. При подаче
входного сигнала появляется различие в величине этих то-
ков, что приводит к возникновению управляющего сигнала
в обмотке управления последующего каскада. Направле-
-0=0-
ВхсЗ
Рис. 26. Схема двухкаскадного двухтактного
магнитного усилителя.
пне этого сигнала определяется полярностью напряжения
сигнала на входе первого каскада. Схемы выходных каска-
дов в таких усилителях могут быть самыми различными
и определяются требованиями нагрузки. При использова-
нии такой схемы к. п. д. всего устройства получается бо-
лее высоким, чем при схеме, целиком состоящей из двух-
тактных усилителей с выходом ча постоянном токе.
43
5.	НЕКОТОРЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Магнитные материалы
Существует целый ряд факторов, которые определяют
выбор магнитного материала для сердечников магнитных
усилителей: мощность нагрузки, мощность входного сигна-
ла, требуемые значения коэффициентов усиления и крат-
ности регулирования тока, стоимость материалов, техно-
логия обработки, условия работы усилителя, количество
выпускаемых усилителей и т д. Промышленность выпу-
скает большое количество магнитно-мягких материалов,
которые могут быть использованы в магнитных усилителях
различного типа. Идеальным материалом для сердечников
магнитных усилителей можно считать материал, обладаю-
щий прямоугольной петлей гистерезиса и имеющий беско-
нечно малую коэрцитивную силу (рис. 27).
Магнитные материалы могут иметь различную способ-
ность намагничиваться в разных направлениях. У некото-
рых из них существуют так называемые направления
легкого и трудного намагничивания. Это свойство приобре-
тается в результате специальной обработки. Такие мате-
риалы называются текстурованными магнитными материа-
лами. Приобретение текстуры положительно сказывается
на магнитных свойствах материала: увеличивается индук-
ция насыщения, снижается коэрцитивная сила и г. д. Так.
например, на рис. 28 изображены петли гистерезиса тек-
стурованного 1 и нетекстурованного 2 сплава типа 50НП.
Для полного использования свойств текстурованного ма-
териала сердечники должны быть изготовлены таким об-
разом, чтобы направление магнитного потока совпадало
с направлением легкого намагничивания.
С точки зрения химического состава магнитные мате-
риалы, применяемые в усилителях, можно разделить на
две основные группы: железокремниевые сплавы (Э41—Э48;
3310—Э370) и железоникелевые сплавы (50НП—65НП),
содержащие в отдельных случаях легирующие добавки
хрома (80НХС), молибдена (79НМ, 79НМА) и других
элементов. В литературе железоникелевые сплавы назы-
ваются иногда пермаллоями Основные параметры некото-
рых отечественных магнитных материалов указаны в таб-
лице.
44
Марка сплава	Индук- ция насы- щения, гс	Максима ль ная прони- цаемость, гс/э	Удельное электриче- ское сопро- тивление, ОМ ‘ММ^/М	Коэрци- тивная сила, в	Коэф |)ициент прямоуголь- ности
Э-41	14 000	6 000	0,58	0,45—0,5		
Э-310—Э-370	17 000	25 000	0,5	0,15—0,2	—
50НП	15 000	30 000	0,45	0,15	0,85
65НП	13 000	100 000	0,3	0,1	0,9
80НХС	7 000	120 000	0,65	0,02	0,5
79НМ	7 500	100 000	0,55	0,03	—
79НМА	7 500	200 000	0,56	0,02	—
Электротехнические стали (Э) наиболее часто исполь-
зуются для мощных магнитных усилителей, поскольку они
характеризуются большими значениями индукции насыще-
ния. Применение холоднокатаных электротехнических ста-
Рис. 27. Петля
гистерезиса
идеального маг-
нитного мате-
риала.
Рис. 2S. Петли гистерезиса тек-
стурованного (7) и нетекстурован-
ного (2) железоникелевого сплава
.50НП.
лей Э-310—Э-370, имеющих направление легкого намагни-
чивания вдоль прокатки, позволяет уменьшить вес маг-
нитного усилителя на 30—50% по сравнению с такими же
усилителями, но с сердечниками из обычной электротехни-
ческой стали.
Сплав 50НП относится к группе кристаллически тек-
стурованных сплавов (текстура приобретается сплавом
45
в результате большой степени обжатия при холодной про-
катке). Этот сплав, имеющий прямоугольную петлю гисте-
резиса, обладает тем свойством, что в плоскости полосы
располагаются два направления легкого намагничивания:
одно — параллельно, а второе — перпендикулярно направ-
лению прокатки.
Текстура сплава 65НП, имеющего также прямоугольную
петлю гистерезиса, создается путем специальной термиче-
ской обработки в магнитном поле. Направление легкого
намагничивания определяется направлением магнитного
поля. Сердечники из сплавов 50НП и 65НП применяются
в усилителях мощностью до нескольких сотен ватт при вы-
соких требованиях, предъявляемых к характеристикам уси-
лителя.
Сплавы 801 iXC, 79НМ и 79НМА находят применение
в магнитных усилителях малой мощности при больших
значениях коэффициента усиления. Не всегда можно дать
однозначный ответ в отношении выбора магнитного мате-
риала для того или иного типа усилителя. Поэтому при вы-
боре сплава, кроме технических данных, следует учитывать
и экономические показатели.
Конструкции сердечников магнитных усилителей
Существует большое разнообразие типов сердечников,
применяемых для магнитных усилителей, наиболее распро-
страненными из которых являются следующш: торондаль-
Рис. 29. Основные конструкции сердечников магнитных усилителей,
а —тороидальный (витой или наборный из пластин); б—Ш-образный с перекрышкоЙ;
в — Ш-образный с просечкой на среднем стержне; в — П-образный.
ные (наборные из штампованных пластин или витые из
ленты, рис. 29,а); Ш образные (с перекрывающей пласти-
ной, рис. 29,6 и с просечкой на среднем стержне, рис. 29,в);
П-образные (рис. 29,г).
46
Конструкция сердечников магнитного усилителя должна
обеспечивать полное использование магнитных свойств при-
меняемых материалов, минимальную стоимость усилителя,
высокую технологичность в производстве и т. д.
Основными факторами, которые вызывают существенное
ухудшение магнитных свойств сердечников по сравнению со
свойствами материалов, являются: наличие воздушных за-
зоров в магнитопроводе, неравномерное намагничивание
отдельных участков магнитопровода; возникновение меха-
нических напряжений в сердечнике при его сборке и экс-
плуатации; наличие значительного угла между направле-
нием легкого намагничивания и направлением магнитного
потока на отдельных участках магнитопровода.
Наличие воздушных зазоров существенно снижает маг-
нитные свойства сердечников, и особенно сердечников не-
больших размеров, выполненных из высококачественных
материалов. Наилучшими конструкциями сердечников
с этой точки зрения являются тороид, набранный из штам-
пованных пластин, и витой тороид, имеющий всего один
воздушный промежуток, который практически мало влияет
на магнитные свойства сердечника.
Наборные тороидальные сердечники обладают рядом
существенных недостатков, основным из которых является
их малая технологичность в производстве (большие отходы^
материала при штамповке колец, трудность автоматическо-
го нанесения изоляш-.онного покрытия перед отжигом, тру-
доемкая сборка). Материалом для таких сердечников мо-
гут служить либо сплав 65НП, либо негекстурованные
материалы. При массовом производстве наиболее экономич-
ными являются витые тороидальные сердечники. Наиболее
широко они применяются в магнитных усилителях, пред-
назначенных для усиления слабых сигналов. Для сердеч-
ников этих устройств применяются железоникелевые спла-
вы, весьма чувствительные к механическим напряжениям.
В связи с этим сердечники помещаются в защитные карка-
сы. Если усилитель работает в условиях вибраций, то сер-
дечники в каркасах заливают специальной массой.
Однако не всегда целесообразно применять витые торои-
дальные сердечники. Например, при изготовлении мощных
усилителей, когда рабочая обмотка выполняется из провода
большого сечения, применение станков для намотки торои-
дов затруднительно, и в этом случае необходимо перейти
к П п Ш-образным конструкциям сердечников. П- и Ш-
образные конструкции сердечников магнитных усилителей
47
получили широкое распространение, несмотря на то, что
технология изготовления усилителей на них имеет целый
ряд недостатков и плохо поддается автоматизации. При
использовании III- и П-образных сердечников сборка пла-
стин производится внахлестку, при которой каждый стык
располагается между соседними пластинами, не имеющими
в этом месте зазора. Благодаря этому значительная част!,
магнитного потока проходит по пластинам, а не через за-
зор. Это уменьшает влияние зазора на магнитные свойства
сердечника. Однако характеристики таких сердечников вес
же уступают характеристикам тороидальных сердечников
из-за более раннего насыщения соседних к стыку пластин.
Устранение этого недостатка может быть достигнуто при-
менением Ш- и П-образных пластин с утолщенным ярмом
Обычно в этих случаях целесообразно высоту ярма
(рис. 29,6, г) выбрать равной двойной ширине (а) крайних
стержней.
Магнитные усилители, собранные на Ш- и П образных
сердечниках, дают удовлетворительные результаты при при-
менении либо нетекстурованного материала или текстуро-
ванного с двумя взаимно-перпендикулярными направле-
ниями легкого намагничивания в плоскости пластин (сплав
50НП). В случае использования материала с одним на-
правлением легкого намагничивания необходимо принять
меры к тому, чтобы направление прокатки в перекрываю-
щей пластине совпадало с направлением магнитного по-
тока.
Выполнение обмоток магнитных усилителей
Схема соединений и размещение обмоток на сердечнике
оказывают влияние не только на характеристики магнит-
ного усилителя, но и на некоторые его конструктивные па-
раметры.
При любой схеме соединения рабочих обмоток они со-
единяются, как правило, между собой таким образом, что-
бы в обмотку управления не наводилась э. д. с. основной
частоты.
В усилителе с двумя сердечниками выполнение этого
условия достигается тем, что переменные магнитные потоки
сердечников, сцепленные с обмоткой управления, равны
по величине и противоположны по направлению (рис. 30).
В конструкции магнитного усилителя с двумя сердечни-
ками Ш-образной формы рабочие обмотки располагаются
на средних стержнях, а обмотки управления и смещения
48
охватывают оба средних стержня (рис. 31,а). В случае
использования двух сердечников П-образной формы обмот-
ки на сердечниках обычно располагаются, как показано на
рис. 31,6.
Применение общих обмоток уп-
равления, охватывающих оба сер-
дечника, позволяет уменьшить габа-
риты и вес усилителя, расход меди
и потери в этих обмотках. Кроме
того, при этом значительно снижа-
ются требования к качеству изоля-
ции обмоток. При выполнении обмо
ток управления на каждом сердеч-
нике э. д. с., индуктируемая в об-
мотке управления, может достиг-
нуть большой величины (до несколь-
ких сотен вольт), что потребует
улучшенного качества изоляции об-
моток. В мощных усилителях чаще
0=и
Вход
Рис. 30. Схема магнит
ного усилителя с общей
обмоткой управления.
применяются раздельные обмотки управления, гак как при
общих обмотках ухудшаются условия теплоотдачи усили-
теля. В этих случаях для уменьшения э. д. с., индуктируе-
мой в обмотке управления, последнюю можно секциониро-
Рис. 31. Расположение обмогок магнитного
усилителя (вид сверху).
а—на Ш-образных сердечниках; б — иа П-образных сердечниках.
вать, как показано на рис. 32. При таком включении
удается снизить максимальное напряжение на каждой сек-
ции обмотки в п раз, где п—число секций, на которые раз-
делена каждая обмотка управления.
4 Магнитные усилители	49
Рис. 32, Секционирование
обмоток управления.
ных работ необходимо
Качество выполнения обмоток оказывает существенное
влияние на работу магнитные усилителей. Нарушение изо-
ляции обмоток 'приводит к возникновению в них ко-
роткозамкнутых витков, которые могут вызывать увеличе-
ние нагрева усилителя, его инерционности и т. д. По этой
причине не рекомендуется выполнять обмотки тороидаль-
ных сердечников эмалированным проводом марки ПЭЛ,
так как в результате многократных перегибов увеличи-
вается число точечных повреждений эмалевой изоляции
и возрастает вероятность образования короткозамкнутых
витков. Такие обмотки следует
выполнять проводом марок
ПЭЛШО, ПБД и в некоторых
случаях ПЭВ, так как винифлек-
совая изоляция прочнее и эла-
стичнее эмалевой. При выполне-
нии обмоток на каркасах для Ш-
и П-образных сердечников жела-
тельно применять провод марки
ПЭЛ и ПЭВ, так как в данном
случае возможность нарушения
изоляции уменьшается, и за счет
малой толщины изоляции увели-
чивается заполнение обмоточного
пространства.
После выполнения обмоточ-
всегда осуществить проверку на
наличие короткозамкнутых витков в обмотках. При выяв-
лении последних катушки или сердечники с обмотками
должны быть забракованы.
Рабочие обмотки магнитного усилителя должны харак-
теризоваться одинаковыми значениями числа витков, со-
противления и т. д. В связи с этим при выполнении опера-
ции намотки необходимо обеспечить равномерное распре-
деление витков по длине магнитопровода. Витки следует
располагать в плоскости, перпендикулярной оси магнито-
провода, а в тороидальных сердечниках — в радиальном
направлении.
После намотки выводные концы обмогок должны быть
промаркированы для правильного их включения в соответ-
ствии со схемой усилителя.
>"
6.	ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВКАХ
В объеме настоящей брошюры не представляется воз
можным рассмотреть многие вопросы использования маг-
нитных усилителей в различных промышленных установ-
ках. В данном параграфе рассматриваются лишь некото-
рые примеры промышленного применения магнитных уси-
лителен, предназначенных для регулирования скорости
электрических двигателей.
На рис..33 показана упрощенная схема электропривода
серии ПМУ, используемого на металлорежущих станках.
В данном приводе электродвигатель постоянного тока Д
Рис. 33 Упрощенная схема привода
серии ПМУ.
получает питание от магнитного усилителя МУ, выполнен-
ного по схеме рис. 9,6. Регулирование скорости осуще-
ствляется вручную перемещением движка потенциометра/7.
Магнитный усилитель позволяет регулировать на-
пряжение на зажимах якоря двигателя, благодаря чему
осуществляется регулирование скорости вращения. 05-
мотка возбуждения двигателя ОВД получает питание
от сети переменного тока через выпрямительное уст-
ройство Вл. К нему также подключен потенциометр П,
с которого снимается напряжение сигнала управления
t/ . При крайнем правом положении движка потенцио-
метра (точка а) эго напряжение равно нулю, а при крайнем
левом положении (точка б) — равно полному напряже-
нию выпрямителя Вг. Из схемы на рис. 33 видно, чго
ток в обмотке управления ОУ магнитного усилителя
определяется разностью между управляющим напряжг-
«• >1
iiiiOM и напряжением на зажимах якоря двигателя
Uy—U Такое включение обмогки управления приво-
дит к тому, что при увеличении нагрузки на ва ту дви-
гателя, когда падает напряжение £/ вследствие увели-
чения тока якоря, будет• возрастать разность Uy — U
Это приведет в свою очередь к увеличению тока в ОУ,
а следовательно, и напряжения на выходе МУ (на за-
жимах якоря). Благодаря такой схеме включения об-
могки управления скорость вращения двигателя автома-
тически поддерживается почти постоянной в соответ-
ствии с величиной управляющего напряжения Uv.
Такого типа электроприводы с некоторыми дополнения-
ми выпускаются на мощность от 100 вт до 4,5 кет и до-
пускают изменение скорости в 10 раз.
Для создания регулируемого реверсивного привода,
г. е. привода, в котором, кроме регулирования скорости,
осуществляется и изменение направления его вращения
(реверс), могут быть использованы двухтактные магнитные
усилители с выходом на постоянном токе. Как уже указы-
валось выше, в этих усилителях возникает необходимость
включения балластных сопротивлений, что резко снижает
их к. п. д. Поэтому применение двухтактных магнитных
усилителей для питания якоря двигателя ограничивается
небольшой мощностью (до 0,5 кет). Коэффициент полезного
действия привода можно значительно улучшить, используя
для реверсирования двигателя изменение направления то-
ка в обмотке возбуждения при неизменной полярности на
якоре. Мощность обмотки возбуждения обычно не превы-
шает 3—5% от мощности двигателя. Поэтому использова-
ние для питания обмотки возбуждения двухтактного маг-
нитного усилителя не приводит к заметному снижению
к. п. д. привода. На рис. 34 показана принципиальная
схема такого привода. Цепь якоря двигателя получает пи-
тание от обычного однотактного магнитного усилителя
(рис, 9). Управляющее напряжение подается на обмотку
управления однотактного усилителя через выпрямительный
мост, благодаря чему направление тока в ней при измене-
нии полярности управляющего напряжения остается не-
изменным, тогда как ток в обмотках управления усилителя
цепи возбуждения изменяет свое направление. В рассмат-
риваемой схеме двухтактный магнитный усилитель факти-
чески выполняет роль бесконтактного переключателя тока
возбуждения, а регулирование скорости достигается за
52
счет изменения напряжения на зажимах якоря двигателя
с помощью однотактного магнитного усилителя.
На вход силового магнитного усилителя, кроме управ-
ляющего напряжения, подается напряжение, снимаемое
с якоря двигателя. В отличие от предыдущей схемы в дан-
ном случае это напряжение подается на отдельную обмот-
ку управления ОУ2. Суммарное действие обеих обмоток
управления ОУ1 и ОУ2 аналогично действию обмотки ОУ
в предыдущей схеме. Такого типа приводы могут быть ре-

Рис. 34. Схема реверсивного электропривода
постоянного тока, регулируемого при помощи
магнитных усилителей.
комендованы до мощности 15 кет и позволяют изменять
скорость в 10—12 раз.
В последние годы магнитные усилители начали приме-
няться для регулирования скорости асинхронных двигате-
лей небольшой мощности. На рис. 35 показана схема
включения магнитного трехфазного усилителя последова-
тельно в цепи статора асинхронного двигателя Последова-
тельно с каждой фазой обмотки статора двигателя вклю-
чен магнитный усилитель, выполненный по схеме рис. 8.
Нагрузкой усилителя в данном случае является обмотка
статора двигателя. Так, например, для усилителя 1, вклю-
ченного в фазе А, нагрузкой является обмотка С\—С4.
Рабочая цепь усилителя включается на фазное напряже-
53
ние f/ф питающей сети. Магнитный усилитель позволяет
регулировать напряжение на зажимах статора, благодаря
чему появляется возможность осуществить регулирование
скорости двигателя. При уменьшении напряжения на дви-
гателе снижается скорость вращения, и, наоборот, с увели-
чением напряжения скорость будет возрастать. Таким обра-
зом, изменение управляющего сигнала на входе усилителя
приведет к изменению скорости вращения.
Рис. 35. Схема регулирования ско-
рости асинхронного электродвигателя
с помощью магнитных усилителей.
Однако при регули-
ровании скорости асин-
хронного двигателя пу-
тем изменения напря-
жения на его зажимах
в случае снижения ско-
рости значительно воз-
растают потери мощ-
ности в роторе двига-
теля. Это может при-
вести к чрезмерному
нагреву двигателя и
выходу его из строя.
В связи с этим прихо-
дится устанавливать
двигатели большей
мощности, чем это не-
обходимо для нерегу-
лируемого электропри-
вода. Этот недостаток
рассматриваемой схе-
мы ограничивает об-
ласть ее применения.
Для двигателей с ко-
роткозамкнутым рото-
ром не следует ее при-
менять при значениях мощности свыше 10—15 кет, за исклю-
чением крановых установок, где предел мощности может
быть увеличен до 30 кет, так как крановые двигатели ра-
ботают на пониженных скоростях не все время, а лишь
часть рабочего цикла. Для двигателей с контактными
кольцами при включении в цепи ротора добавочных сопро-
тивлений эта схема может использоваться при мощности
до нескольких десятков киловатт. Это объясняется тем
обстоятельством, что в данном случае часть потерь выде-
ляется вне двигателя — в добавочном сопротивлении.
54
В качестве выпрямителей
в рассматриваемой схеме
могут быть использованы се-
леновые, германиевые или
кремниевые выпрямители.
Они выбираются на полови-
ну тока фазы статора и на
напряжение, равное паде-
нию напряжения на актив-
ном сопротивлении цепи ра-
бочей обмотки. Магнитный
Рис. 36. Схема расположения об-
моток трехфазного магнитного
усилителя, выполненного на ше-
сти II-образных сердечниках (вид
сверху).
усилитель может состоять
из трех однофазных усили-
телей, обмотки управления
которых могут быть включе-
ны либо последовательно,
либо параллельно. После-
довательное включение обмоток управления, как это пока-
зано на рис. 35, является предпочтительным, так как в этом
случае во всех трех усилителях протекают одинаковые токи
управления, благодаря чему на зажимы двигателя подаются
одинаковые напряжения.
Возможно также выполнить трехфазный магнитный уси-
литель с одной общей обмоткой управления. Схема распо-
ложения обмоток такого усилителя показана на рис. 36.
Усилитель построен на шести сердечниках, на каждом из
которых имеется рабочая обмотка wp . Обмотка управле-
ния охватывает все шесть сердечников. Такая конструк-
ция усилителя позволяет уменьшить габариты и вес уста-
новки.
Магнитные усилители могут использоваться и для дру-
гих целей в схемах автоматического управления электро-
двигателями, например для промежуточного усиления,
бесконтактного управления (вместо реле и контакторов),
гокоограничения и т. д.
ЛИТЕРАТУРА
1060* Р°зен®лат М. А., Магнитные усилители, «Советское радио»,
2. Б о я р ч е н к о в М. А., и В а с и л ь е в а Н. П., Быстродей-
твующие магнитные усилители, Госэнергоиздат, 1958.
3. Васильева Н. П., С е д ы х О. А., Б о я р ч е н к о в М. А.,
Проектирование магнитных усилителей, Госэнергоиздат, 1959.
Я- Б„ Промышленные серии регулируемых электропри-
водов ПМУ и ПМС, ЦИНТИЭ, I960
СОДЕРЖАНИЕ
Введение..................................................... 3
1.	Принцип действия магнитных усилителей..................... 7
Кривая намагничивания и петля гистерезиса ................. 7
Основы действия магнитных усилителей....................... 9
2.	Теория работы идеализированных магнитных усилителей ...	11
Идеализированный магнитный усилитель с большим сопротив-
лением цепи управления.................................. 11
Идеализированный магнитный усилитель с малым сопротивле-
нием цепи управления.................................... 19
Смещение в магнитных усилителях..........................  20
Быстродействие магнитных усилителей....................... 23
3.	Двухтактные магнитные усилители......................... 28
Двухтактные магнитные усилители с выходом на переменном
токе.................................................... 28
Двухтактные магнитные усилители с выходом на постоянном
токе ................................................... 34
Быстродействующие двухтактные магнитные усилители	...	37
4.	Многокаскадные магнитные усилители................. 41
5.	Некоторые конструктивные особенности магнитных	усилителей	44
Магнитные материалы................................ 44
Конструкции сердечников магнитных усилителей........ 46
Выполнение обмоток магнитных усилителей............. 48
<и. Применение магнитных усилителей в промышленных установ-
ках ................................................... 51
Дитература.................................................. 55
Цена I р. 10 к.
С 1/1 1961 г. цена 11 коп.
ОООО ООО
„БИБЛИОТЕКА ЭЛЕКТРОМОНТЕРА"
ВЫШЛИ ИЗ ПЕЧАТИ
Каминский Е. А., Как сделать проект простейшей элек-
троустановки (выпуск 19)
К^а м н е в В. С., Подшипники качения в электрических маши-
нах (выпуск 20)
Авиновицкий И. Я., Оконцевание сиговых кабелей (вы-
пуск 21)
Клюев С. А., Как рассчитать электрическое освещение про-
изводственного помещения (выпуск 22)
Хомяков М. В. и Якобсон И. А., Термитная сварка
многопроволочных проводов (выпуск 23)
Федотов Б. Н., Схемы включения электрических счетчи-
ков (.выпуск 24)
Стешенко Н. Н., Техника безопасности при эксплуатации
электроустановок на строительстве (выпуск 25)
Жерве Г. К-, Как рассчитать обмотку статора асинхронного
двигателя (выпуск 26)
Аптюв И. С. и Хомяков М. В., Уход за изоляционным
маслом (выпуск 27)
Михалков А. В., Что нужно знать о регулировании на-
пряжения (выпуск 28)
Локшин М. В., Ремонт выссковольтных изоляторов до
35 кв (выпуск 29)
ГОТОВЯТСЯ К ПЕЧАТИ
Анастасией П. И., Сооружение и монтаж воздушных
линий до 1 000 в
Балуев В. К-, Техника безопасности при эксплуатации
передвижных электротехнических средств
Гуреев И. А., Шинопроводы напряжением до 1 000 в
Ер молин Н. П„ Как рассчитать маломощный силовой
трансформатор
Дементьев В. С., Как определить повреждение в сило-
вом кабеле
Кожин А. Н., Релейная защита линий 3—10 кв на пере-
менном токе
Ключев В. И., Выбор электродвигателей для производ-
ственных механизмов
Мишустина Л. И., Воздушные автоматические установоч-
ные выключатели
Севастьянов М. И., Техника безопасности такелажных
работ при монтаже энергетических установок
ООО ООООООООООООООООООО >00000000 000
им на
ttifPir fit^ет.пи»ос1м1