Магнитные усилители — между лампами и транзисторами

Магнитные усилители — между лампами и транзисторами

Опубликовано в номере:
PDF версия
Магнитные усилители похожи на трансформаторы, но они могут регулировать электрический ток в случаях, когда ни электронные лампы, ни транзисторы этого делать не в состоянии.
Александр Микеров, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

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

Действие магнитного усилителя основано на том, что индуктивное сопротивление рабочей обмотки с железным сердечником можно изменить за счет приложения постоянного магнитного поля, создаваемого другой, управляющей обмоткой. Магнитные усилители появились в США в начале ХХ в., однако широко применять их начали только после Второй мировой войны, когда было обнаружено, что системы управления ракетами «Фау-2», обстреливавшими Лондон, а также трофейными немецкими танками в СССР не содержали электронных ламп, а были построены на «трансформаторах».

Способность железных предметов намагничиваться в магнитном поле была известна еще в Древнем мире, однако только великий Ампер смог объяснить это явление гипотезой о вращающихся магнитных доменах, подтвержденной теоретическими работами Максвелла [1]. Согласно этой гипотезе железный сердечник (рис. 1) содержит мельчайшие намагниченные образования (домены), в каждом из которых вдоль продольной оси циркулирует ток, создающий магнитный микропоток.

В размагниченном железе (рис. 1а) все домены расположены хаотично, поэтому его суммарный магнитный поток равен нулю. При приложении магнитного поля, например с помощью намотанной на сердечник катушки, по мере увеличения этого поля часть доменов начинает разворачиваться — до тех пор, пока все домены не расположатся вдоль оси сердечника (рис. 1б), доведя его магнитный поток до максимума. Такое состояние сердечника называется насыщением. По современным представлениям микропоток домена создается не циркулярным током, а вращением электрона вокруг своей оси и вокруг ядра атома. Из гипотезы Ампера следуют два важных вывода. Во-первых, магнитный поток сердечника до зоны насыщения растет по мере увеличения магнитного поля. Во-вторых, в зоне насыщения магнитный поток постоянен вне зависимости от изменения внешнего магнитного поля — аналогично катушке с воздушным сердечником.

Домены в железе, размагниченном и намагниченном

Рис. 1. Домены в железе:
а) размагниченном;
б) намагниченном

Эти рассуждения были подтверждены исследованиями великого русского физика Столетова [2]. Александр Григорьевич Столетов родился в 1839 г. во Владимире в купеческой семье и после окончания гимназии в 1856 г. поступил в Московский университет, который закончил с отличием. Был оставлен для приготовления к профессорскому званию и направлен на стажировку в немецкие университеты, где проводил экспериментальные исследования под руководством знаменитого физика Кирхгофа. По возвращении в Москву в 1872 г. защитил докторскую диссертацию на тему «Исследование функции намагничения мягкого железа». Эта функция (или кривая) Столетова (рис. 2) представляет собой зависимость индукции в сердечнике B от напряженности магнитного поля H, создаваемого в нем катушкой, где BS индукция насыщения [1].

Кривая Столетова

Рис. 2. Кривая Столетова

Профессор Столетов известен также своими исследованиями фотоэффекта и электрического разряда. Он создал знаменитую физическую лабораторию и вел активную общественную и международную деятельность. В 1893 г. был выдвинут кандидатом в РАН, однако ее президент, Великий князь Константин, не допустил его избрания из-за независимого характера. В том же году в связи с истечением 30-летнего срока службы в университете Столетов был освобожден от всех своих обязанностей, что весьма негативно отразилось на его самочувствии, и в 1896 г. он скончался.

По кривой Столетова ведутся расчеты каждой электрической машины, трансформаторов, а также магнитных усилителей, первые схемы которых представили в 1901 г. американские изобретатели Чарльз Бургесс (Сharles Burgess) и Будд Франкенфилд (Budd Frankenfield) (рис. 3) [1, 3].

Первый магнитный усилитель

Рис. 3. Первый магнитный усилитель

Магнитный усилитель с железным сердечником (1) и двумя обмотками — рабочей (2) и управляющей (3) — включен последовательно с нагрузкой, например осветительной сетью (4), подключенной к генератору (или сети) переменного тока (5). Ток в управляющей обмотке (3) от генератора (6) или другого источника постоянного тока регулируется реостатом (7).

Сопротивление RL рабочей обмотки с индуктивностью L на частоте w определяется формулой RL = wL [1]. Для катушки с сердечником L = kрm, где kрконструктивный параметр рабочей обмотки, определяемый ее числом витков, сечением и длиной сердечника, а mмагнитная проницаемость сердечника, равная тангенсу угла наклона касательной к кривой Столетова (рис. 2). Тогда RL = kрwm будет пропорционально магнитной проницаемости сердечника, которую, в соответствии с кривой Столетова, можно регулировать током iу управляющей обмотки, создающим напряженность магнитного поля H = kуiу, где kу — конструктивный параметр управляющей обмотки, определяемый числом ее витков и длиной.

Таким образом, если в осветительной системе на рис. 3 ток в управляющей обмотке достаточно мал, то сопротивление рабочей обмотки очень большое и лампы не светятся, но по мере роста управляющего тока лампы разгораются, поскольку сопротивление рабочей обмотки падает, пока не станет ничтожно малым при насыщении сердечника, что сопровождается достижением максимальной яркости всех ламп.

Эрнст Александерсон (1878–1975)

Рис. 4. Эрнст Александерсон (1878–1975)

В начале ХХ в. подобные магнитные усилители применялись для освещения театров, регулирования температуры в помещении и в других случаях, требующих больших токов управления [1, 4, 5]. Однако как элемент автоматики эти устройства получили признание лишь после работ знаменитого американского электротехника Александерсона.

Эрнст Александерсон (Ernst Alexanderson) (рис. 4) родился в 1878 г. в Швеции в семье профессора лингвистики [6, 7].

Получил хорошее инженерное образование в Королевском технологическом институте в Стокгольме, а затем и в Берлинском техническом университете, где увлекся работами знаменитого американского электротехника Чарльза Протеуса Штейнмеца (Charles Proteus Steinmetz), который предложил рассчитывать электрические машины не привычными графическими методами, а чисто аналитически — с помощью комплексных переменных. Это и послужило причиной эмиграции Александерсона в США в 1901 г., где по рекомендации Штейнмеца он был принят чертежником в отдел электрогенераторов компании General Electric. Однако очень скоро молодому эмигранту стали поручать и проектные работы, среди которых одной из первых стал высокочастотный машинный генератор радиопередатчика [6, 8].

К тому времени радио, созданное стараниями Попова и Маркони в 1895–1897 гг., уже широко использовалось для передачи телеграфных сообщений с помощью искрового или дугового генератора [9]. Однако искровой разряд было невозможно модулировать для передачи речи или музыки, поэтому многие изобретатели, начиная с Теслы и Сименса, пытались заменить искровой генератор электромашинным, позволяющим излучать стабильную несущую частоту, которая, однако, не превышала 20 кГц и была непригодна для радиосвязи. Известный американский радиоинженер Реджинальд Фессенден (Reginald Fessenden) в 1904 г. обратился в General Electric с просьбой создать электрогенератор на 100 кГц, за который и взялся Александерсон. Ему предстояло решить три труднейшие проблемы: спроектировать быстроходный генератор, создать модулятор высокочастотного сигнала от микрофона и разработать систему стабилизации несущей частоты радиопередатчика [5, 8, 10].

Первая задача была решена с помощью уникального индукторного генератора на 2 кВт, имевшего 300 зубцов ротора и вращавшегося с такой высокой скоростью (20 тыс. об/мин), что при его испытаниях в лаборатории использовалось укрытие из песка. Модуляция сигнала радиопередатчика выполнялась магнитным усилителем (1) (рис. 5), рабочая обмотка которого (2) шунтировала генератор (3), соединенный с антенной (4). Управляющая обмотка (5) запитывалась от батареи (6) через переменный резистор (7) в виде микрофона (при передаче речи) или ключа (для телеграфного сообщения) [10].

Радиопередатчик

Рис. 5. Радиопередатчик

Стабилизация несущей частоты радиопередатчика выполнялась замкнутой системой регулирования скорости электродвигателя, вращающего генератор, также с магнитным усилителем.

Первая в истории передача по радио речи и музыки с помощью данного передатчика проводилась Фессенденом в канун Рождества 1906 г. [6, 7, 8]. Радисты кораблей, находившихся за сотни километров от берега, с изумлением услышали после обычной морзянки чтение библии, пение и игру на скрипке. После этого было построено много аналогичных радиостанций как в США, так и в Европе, и радиовещание постепенно стало частью повсе­дневной жизни. Когда в 1923 г. был похищен 6-летний сын Александерсона, все радиостанции США передали описание мальчика, который был вскоре освобожден. Злоумышленники были схвачены. Последний такой действующий машинный передатчик сохранился в Швеции. До сих пор низкие частоты передатчика Александерсона используются для дальней радиосвязи с подводными лодками.

Всю свою жизнь, вплоть до кончины в 97 лет, Александерсон проработал в компании General Electric и созданной на ее основе крупнейшей Radio Corporation of Ameriсa, последние годы в качестве консультанта [6, 7]. Был одним из создателей телевидения: первым передал в 1924 г. по радио факсимильное изображение, в 1927 г. начал домашнее телевещание, создал стандарт цветного телевидения. Помимо магнитных усилителей, Александерсон разработал множество электротехнических устройств и систем, в том числе первый вентильный двигатель на тиратронах (1934 г.) [11], электромашинный усилитель (амплидин) для систем орудийной наводки и др. Получил 344 патента, последний в возрасте 89 лет.

Однако в 1920-х гг. магнитные усилители начали вытесняться ламповыми во всех странах, кроме Германии, где лихорадочная подготовка к войне заставила ученых обратить внимание на такие уникальные свойства магнитных усилителей, как надежность и долговечность при воздействии сильнейших вибраций, ударов, взрывов и даже ядерной радиации, температуры до +500 °С, большую выходную мощность до 500 МВт и высокий коэффициент усиления (до миллиона без прогрева) [1, 4, 5]. В результате магнитные усилители были применены в системах управления ракетами «Фау-2», приводах наведения корабельных орудий, локомотивах, танках и другом оборудовании немецкой армии.

После войны и вплоть до широкого внедрения транзисторов в 1960-х гг. начался бурный ренессанс магнитных усилителей, которые стали широко использовать в наземных и авиационных электроприводах, электро­генераторах, системах регулирования ядерных реакторов и других объектов [1, 4, 5]. Примером может служить схема управления электродвигателем, запатентованная самим Александерсоном в 1954 г. (рис. 6) [12].

Управляемый электродвигатель

Рис. 6. Управляемый электродвигатель

Цепи якоря (Я) электродвигателя и секции В1 и В2 обмотки возбуждения подключаются к сети переменного тока напряжением Uс через резистор R и последовательно соединенные диоды (Д1–Д3) и рабочие обмотки трех магнитных усилителей (T1–T3), являющиеся управляемыми сопротивлениями. Входное напряжение постоянного тока Uу, подаваемое на управляющие обмотки Т1 и Т2, увеличивает напряжение на одной из секций (В1 или В2) обмотки возбуждения и уменьшает его на ту же величину в другой секции в зависимости от знака и величины управляющего напряжения. Таким образом регулируются величина и знак напряжения возбуждения. Одновременно увеличивается подмагничивающее напряжение, приложенное к магнитному усилителю Т3, что увеличивает ток якорной цепи.

В 1949 г. магнитные усилители нашли неожиданное применение в первых ЦВМ, когда Ань Ван (An Wang) из Гарвардского университета (столетие которого отмечается в этом году) получил патент на магнитную ячейку памяти (рис. 7), купленный компанией IBM за $500 тыс. [13, 14].

магнитная ячейка памяти

Рис. 7. Ячейка памяти

Ячейка содержит сердечник (1) в виде колечка из материала с узкой петлей гистерезиса, который находится в состоянии насыщения с двумя направлениями намагниченности — положительным +B (цифровой 0) или отрицательным –B (цифровая 1), и три обмотки: записи (2), считывания (3) и выходную (4), подключенную к приемнику (5) через диод (6). При записи отрицательным импульсом на обмотку (2) сердечник принимает состояние –B. При поступлении положительного импульса считывания на обмотку (3) сердечник перемагничивается с –B на +B, что вызывает положительный импульс в выходной обмотке (4), проходящий в приемник (цифровая 1). Если же первоначально сердечник был в состоянии +B, то импульс считывания не вызывает перемагничивания сердечника и импульс в приемник (5) не поступает (цифровой 0). После каждого считывания состояние сердечника восстанавливается импульсом записи.

Благодаря преимуществам магнитных усилителей их продолжают применять в мощных электроприводах, например прокатных станов и тепловозов, электрогенераторах, ядерных реакторах и измерительных усилителях, особенно специального применения [5].


  • Действие магнитных усилителей основано на изменении реактивного сопротивления катушки с железным сердечником под действием постоянного магнитного поля.
  • Были впервые применены в США в начале ХХ в. для регулирования освещения, а также в машинном высокочастотном генераторе Александерсона для первой передачи по радио речи и музыки в 1906 г.
  • В этом генераторе магнитные усилители выполняли модуляцию несущей частоты, а также поддерживали ее стабильность, регулируя скорости вращения генератора.
  • В 1930-х гг. электронные лампы оттеснили магнитные усилители в большинстве систем управления за исключением корабельного, авиационного и танкового оборудования Германии времен войны.
  • Это послужило толчком к возрождению магнитных усилителей в автоматике вплоть до доминирования транзисторов с начала 1960-х гг., хотя и до настоящего времени они незаменимы в силовом оборудовании для экстремальных условий.
Литература
  1. Platt S. Magnetic amplifiers. Theory and application. N. Y.: Prentice-Hall.
  2. Александр Григорьевич Столетов. www.nplit.ru/books/item/f00/s00/z0000044/st011.shtml.
  3. Burgess C. F., Frankenfield B. Regulation of electric circuits. Patent US720884. June 12.06.1901.
  4. Mali P. Magnetic amplifiers. Principles and applications. N.Y.: John F. Rider Publisher. 1960.
  5. en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_amplifier.
  6. revolvy.com/page/Ernst-Alexanderson. /ссылка устарела/
  7. nytimes.com/1975/05/15/archives/dr-ernst-alexanderson-radio-pioneer-dies-at-97.html. /ссылка устарела/
  8. en.wikipedia.org/wiki/Alexanderson_alternator.
  9. Пестриков В. М. Эра безламповых устройств беспроводной передачи информации. Севастополь: Вебер, 2011.
  10. nutsvolts.com/magazine/article/the_magnetic_amplifier.
  11. Микеров А. Г. Газоразрядные лампы — первые электронные приборы // Control Engineering Россия. № 6 (78).
  12. Alexanderson E. F. Magnetic amplifier motor control system. Patent US2844779A. 03.1954.
  13. An Wang. Pulse transfer controlling device. Patent US2708722. 21.10.1949.
  14. ru.wikipedia.org/wiki/Память_на_магнитных_сердечниках.

Комментарии на “Магнитные усилители — между лампами и транзисторами

  1. Очень интересная техническая историческая статья, изложение научно, но в тоже время очень доступно. Хочу добавить, что проф. Толстовым Ю.Г. из МФТИ была разработана теория управляемых выпрямителей на дросселях насыщения (еще до появления тиристоров) — это всё тот же МУ, только режим немного другой. Разрабатывали эти выпрямители для подводного флота СССР в Мордовском научно-исследовательском энергетическом институте (руководителем разработки был мой отец Федосин А.А.). Делал их завод «Электровыпрямитель», техперсонал подводных лодок просто забывал, где расположен этот агрегат (очень неприхотлив и надежен). По-моему их выпускают до сих пор!!!!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *