Насыщающиеся реакторы

До сих пор мы исследовали трансформатор как устройство, предназначенное для преобразования одних значений напряжения, тока и импеданса в другие. Сейчас мы рассмотрим его как устройство совершенно другого типа: устройство, позволяющее небольшому электрическому сигналу управлять гораздо большим количеством электроэнергии. В этом режиме трансформатор действует как усилитель.

Устройство, которое мы сегодня рассмотрим, называется реактором с насыщающимся сердечником или просто насыщающимся реактором. На самом деле этот реактор представляет собой не трансформатор, а особый вид катушки индуктивности, индуктивность которой можно изменять путем подачи постоянного тока на вторичную обмотку, намотанную вокруг того же железного сердечника. Как и феррорезонансный трансформатор, насыщающийся реактор основан на принципе магнитного насыщения. Когда такой материал, как железо, полностью насыщен (то есть все его магнитные домены выровнены с приложенной силой намагничивания), дополнительное увеличение тока через намагничивающую обмотку не приведет к дальнейшему увеличению магнитного потока.

Как вы уже знаете, индуктивность - это мера того, насколько хорошо катушка индуктивности противостоит изменениям тока, создавая противоположное этим изменениям напряжение. Способность катушки индуктивности генерировать такое противоположное напряжение напрямую зависит от изменения магнитного потока внутри этой катушки (в результате изменения тока и количества витков обмотки). Если сердечник катушки индуктивности "насытился", то дальнейшее увеличение тока не приведет к возникновению дополнительного магнитного потока, а значит, не будет никакого напряжения, индуцированного в противоположность изменению тока. Другими словами, катушка индуктивности теряет свою индуктивность (способность противостоять изменениям тока), когда её сердечник становится магнитно насыщенным.

Если изменится индуктивность катушки, то изменится и ее реактивное сопротивление (и импеданс) переменному току. В цепи с источником переменного напряжения, величина которого представляет собой константу, изменение индуктивности катушки приведет к изменению тока. 

При изменении L катушки индуктивности, соответственно изменяется и ее Z_L, изменяя тем самым ток цепи.

Принцип действия насыщающегося реактора основан на рассмотренном выше эффекте. Насыщающийся реактор приводит свой сердечник в состояние насыщения сильным магнитным полем, которое создается проходящим через вторичную обмотку катушки током. Обмотка реактора, по которой протекает переменный ток нагрузки, называется "силовой". Вторая обмотка, по которой протекает постоянный ток, достаточно сильный для того, чтобы вызвать насыщение активной зоны, называется "управляющей".

Постоянный ток, проходящий через управляющую обмотку, насыщает сердечник, в результате чего происходит регулирование индуктивности, импеданса и тока силовой обмотки.

Странно выглядящее графическое обозначение трансформатора, показанное на приведенной выше схеме, представляет собой реактор с насыщающимся сердечником. Верхняя обмотка здесь является управляющей обмоткой постоянного тока, а нижняя - является силовой обмоткой, через которую проходит управляемый переменный ток. Увеличение управляющего постоянного тока создает больший магнитный поток в активной зоне реактора, приближая его к состоянию насыщения. В результате этого увеличиваются индуктивность и импеданс силовой обмотки, а так же увеличивается ток нагрузки. Таким образом, управляющий постоянный ток способен контролировать переменный ток, подаваемый на нагрузку.

Приведенная выше схема будет работать, но не очень хорошо. Первая проблема заключается в естественных процессах, присущих всем трансформаторам (в том числе и насыщающимся реакторам): переменный ток, проходящий через силовую обмотку, приведет к возникновению напряжения в управляющей обмотке, что может создать проблемы для подключенного к ней источника постоянного напряжения. Кроме того, насыщающиеся реакторы, как правило, регулируют силу переменного тока только в одном направлении: в одной половине цикла переменного тока магнитодвижущая сила добавляется к обеим обмоткам; в другой половине цикла - она вычитается. Таким образом, сердечник будет иметь больший поток в течение одной половины цикла переменного тока и соответственно, он будет насыщаться именно в этой половине цикла, пропуская ток нагрузки в одном направлении легче, чем в другом. К счастью, обе эти проблемы можно преодолеть, проявив небольшую изобретательность:

Обратите внимание на расположение фазирующих точек в двух реакторах: силовые обмотки здесь находятся «в фазе», а управляющие обмотки - «в противофазе». Если оба реактора идентичны, то любое индуцированное в управляющих обмотках напряжение обнуляется на клеммах батареи, устраняя тем самым первую упомянутую выше проблему. Кроме того, поскольку постоянный управляющий ток обоих реакторов создает в сердечниках магнитные потоки разных направлений, один реактор будет больше насыщаться в одном цикле переменного тока нагрузки, в то время как другой реактор будет больше насыщаться в другом цикле. Таким образом, переменный ток будет «регулироваться» симметрично. Фазировка управляющих обмоток может быть выполнена как с использованием двух отдельных реакторов, как показано на схеме выше, так и при помощи одного реактора с грамотной компоновкой обмоток и сердечника.

Технология насыщаемых реакторов была миниатюризирована до уровня печатной платы, и более известна нам как магнитные усилители. Эффект усиления (один электрический сигнал управляет другим), обычно требующий использования физически хрупких электронных ламп или электрически «хрупких» полупроводниковых приборов, может быть реализован в устройстве как физически, так и электрически прочном. Магнитные усилители имеют недостатки по сравнению с их более "хрупкими" аналогами, а именно: размер, вес, нелинейность и полоса пропускания (частотная характеристика), но их абсолютная простота все еще требует определенной степени признания, если не практического применения.