第14章 交軸磁場放大機

第14章交軸磁場放大機14.1從直流發(fā)電機到功率放大器的演變14.2交磁放大機的工作原理14.3交磁放大機的空載特性和外特性14.4交磁放大機的技術(shù)數(shù)據(jù)和使用小結(jié)14.1從直流發(fā)電機到功率放大器的演變

交軸磁場放大機又叫做電機放大機，是類屬于自動控制系統(tǒng)中的一種旋轉(zhuǎn)式放大元件。它是從直流發(fā)電機演變過來的。前述已知道，直流伺服電動機的控制信號是由功率放大器供給的，在小功率控制系統(tǒng)中，放大器是晶體三極管組成的電子放大器，而功率比較大的控制系統(tǒng)就要采用電力電子器件。電力電子器件雖然有體積小和無噪音等優(yōu)點，但尚存在短時過載能力差，用作直流放大時輸出的直流電壓有時帶有較大的紋波等缺點。目前，有些系統(tǒng)還采用電機作為控制系統(tǒng)的功率放大器，這種電機稱為電機放大機。電機放大機有交磁放大機和磁放大器兩種，使用中大多采用交磁放大機。

在第2章中所分析的直流發(fā)電機，實際上是一個功率放大器，現(xiàn)分析如下。

他勵直流發(fā)電機接線圖如圖14－1所示。設(shè)用原動機拖動直流發(fā)電機，并保持轉(zhuǎn)速不變。直流發(fā)電機的勵磁繞組作為放大器的輸入端，輸入直流信號電壓為Uf，則產(chǎn)生信號電流為（14－1）式中，Rf為發(fā)電機勵磁繞組的電阻。圖14－1他勵直流發(fā)電機接線圖當(dāng)電機空載時，電樞兩端的輸出電勢Ea=CeΦn，因為電機的轉(zhuǎn)速保持不變，所以Ea∝Φ

(14－2)若信號電流If改變，則電機的勵磁磁通Φ也隨之改變。如果電機的磁路尚未飽和，那么Φ

∝Ｉf則有Ea∝If

即輸出電勢與輸入的信號電流成正比。將輸出端接上負載，就會流過電流Ia，此時負載上的電壓為Ua=Ea－IaRa

(14－3)輸出功率為UaIa。

因為輸出功率UaIa遠大于信號功率UfIf，這就把直流發(fā)電機演變成了功率放大器。取這兩種功率的額定值之比作為功率放大系數(shù)Kp，則（14－4）式中，UanIan為額定輸出功率；UfnIfn為額定信號功率（即額定勵磁功率）。一般直流發(fā)電機的額定勵磁功率約為額定輸出功率的1%~3%，故功率放大系數(shù)Kp約為30～110。這里需要說明的是，功率放大是否違反能量守恒定律呢？不是的。因為發(fā)電機的輸出功率是由原動機輸送給發(fā)電機的機械功率轉(zhuǎn)變而來的，是由電機的功率平衡所決定的。亦即勵磁功率實際上是控制功率，由它控制輸出功率。

一般的直流發(fā)電機，其功率放大系數(shù)還不夠高，即不能滿足生產(chǎn)實際中功率放大的要求。交磁放大機的實質(zhì)就是能像多級放大的電子放大器那樣在直流電機內(nèi)部實現(xiàn)兩級放大，以下將具體分析其工作原理。 14.2交磁放大機的工作原理

交磁放大機的工作原理圖如圖14－2所示。圖中，定子的磁路與兩極直流電機相似，磁極上繞有控制繞組（類似于普通直流電機的勵磁繞組）。交磁放大機的電樞和普通直流電機的一樣，只是在換向器上多裝了一對電刷。通過換向片和幾何中性線上的導(dǎo)體相接觸的電刷q－q稱為交軸電刷，即為一般直流電機的一對電刷；通過換向片和磁極軸線上的導(dǎo)體相連接的電刷d－d稱為直軸電刷,這是在傳統(tǒng)直流電機上新增加的一對電刷。圖14－2交磁放大機的工作原理圖14.2.1交磁放大機的空載運行

交磁放大機是如何實現(xiàn)兩級放大的呢？設(shè)電動機帶動電樞以恒速n旋轉(zhuǎn)，對控制繞組施加控制信號電壓Uk，產(chǎn)生電流Ik，形成磁通Φk。電樞導(dǎo)體切割磁通Φk，在電樞導(dǎo)體中便產(chǎn)生切割電勢eq，eq的方向如圖14－2中電樞外圈上的⊙、所示。顯然，電刷q－q引出了同一個極面下所有導(dǎo)體的電勢，其刷間電勢為×Eq=CeΦkn因為交軸電刷q－q被短路，所以兩刷之間便有電流Iq流過，當(dāng)然各電樞導(dǎo)體中流過相應(yīng)的支路電流為iq，其方向與電勢eq相同。根據(jù)直流發(fā)電機基本原理可知，當(dāng)電樞繞組流過電流時就要產(chǎn)生電樞磁場，iq流過電樞繞組所產(chǎn)生的電樞磁場Φq可用右手螺旋定則判斷，該磁場軸線在交軸方向，如圖14－2中最左側(cè)用Φq及其箭頭方向所示。Φq稱為交軸磁通，該磁通是比較強的。

注意到，電樞導(dǎo)體不僅切割直軸磁通Φk，產(chǎn)生電勢eq，而且還同時切割交軸磁通Φq，產(chǎn)生電勢ed，這些電勢的方向如圖14－2內(nèi)圈上的⊙、所示。×需要說明的是，圖14－2內(nèi)圈不是表示另一個繞組，而是表示電樞導(dǎo)體中的電勢ed的方向，亦即每根電樞導(dǎo)體中同時可能存在eq、ed兩種電勢。由圖14－2可以看出，電勢ed在電刷q－q之間正、負相互抵消，不能被引出。然而，電刷d－d卻把電勢ed充分引了出來，且在電刷d－d間獲得最大的電勢Ed，在接上負載之后，便向負載輸出電流Id，在負載上產(chǎn)生電壓降Ud。值得注意的是，雖然控制信號是微弱的(Eq比較小)，但由于電刷q－q被短路，電樞回路電阻又很小，則電流Iq就相當(dāng)大，因而Φq就足夠強，由Φq產(chǎn)生的Ed及Id、Ud就更大，這樣就達到了功率放大的目的。這里因為起放大作用的決定因素是交軸磁場，所以稱為交軸磁場電機放大機或簡稱交磁放大機，在制造廠(或公司)又簡稱為擴大機。

根據(jù)上述對交磁放大機工作原理的分析可知，交磁放大機可以看成是兩個直流發(fā)電機的串級放大，其接線示意圖如圖14－3所示。圖14－3交磁放大機相當(dāng)于兩個直流發(fā)電機的串級放大的接線示意圖將控制電壓Uk加到交磁放大機的控制繞組Wk上，產(chǎn)生控制電流Ik和磁通Φk，在電刷q－q間產(chǎn)生交軸電勢Eq，這是第Ⅰ級直流發(fā)電機。將交軸電刷短路，在電樞繞組（圖14－3中用交軸繞組Wq表示）中流過電流Iq產(chǎn)生磁通Φq，從而在電刷d－d間產(chǎn)生直軸電勢Ed，這是第Ⅱ級直流發(fā)電機。接著由第Ⅱ級直流發(fā)電機向負載供電。

經(jīng)過兩級放大，交磁放大機的功率放大系數(shù)Kp就比普通的直流發(fā)電機大得多，通常該功率放大系數(shù)在幾百到幾萬倍的范圍內(nèi)，當(dāng)然就可以滿足實用要求。14.2.2交磁放大機的負載運行

以下分析圖14－2所示的交磁放大機向負載供電的情況。當(dāng)輸出端電刷d－d接上負載時，將產(chǎn)生輸出電流Id。此時，電樞導(dǎo)體中除了流過電流iq外，還要流過電流id，id的方向和電勢ed方向相同。根據(jù)右手螺旋定則，可以確定id流過電樞繞組所產(chǎn)生的磁勢、磁通的方向,由圖14－2可以看出，它們是在直軸方向，并且其方向恰好與控制繞組磁勢、磁通的方向相反，因此它們分別稱為直軸去磁磁勢Fd和直軸去磁磁通Φd，如圖14－4所示。顯然Fd、Φd的大小與輸出電流Id成正比。直軸去磁磁勢Fd相對于控制繞組磁勢Fk來說是相當(dāng)大的，即使輸出電流很小時，F(xiàn)d也幾乎全部抵消了Fk，使輸出電壓Ud降低得接近為0，則放大機也就無法工作了。為了使放大機在負載時能正常工作，必須在放大機中安放補償繞組，以抵消直軸去磁磁勢。圖14－4具有補償繞組的交磁放大機接線圖補償繞組WB安放在定子磁極表面的若干槽中，其繞組軸線在直軸方向。為了使補償繞組所產(chǎn)生的磁勢能抵消與輸出電流Id成正比的直軸去磁磁勢Fd，補償繞組必須與輸出電路串聯(lián)，并且補償繞組磁勢FB的方向必須與控制繞組磁勢Fk相同，而與直軸去磁磁勢Fd相反。具有了補償繞組后的交磁放大機的工作原理接線圖如圖14－4所示。一般補償繞組被設(shè)計成具有10%~15%的磁勢儲備，并且在該繞組的兩端并聯(lián)一可變電阻R，改變電阻R可改變補償繞組中的電流，以調(diào)節(jié)補償程度。14.3交磁放大機的空載特性和外特性

14.3.1交磁放大機的空載特性

當(dāng)額定轉(zhuǎn)速不變時，交磁放大機的空載輸出電壓Ud0隨控制繞組磁勢Fk的變化關(guān)系稱為交磁放大機的空載特性。交磁放大機的空載特性曲線如圖14－5所示，它不是單值的曲線，而是一個回線。

例如，對于某一數(shù)值的控制磁勢Fk1，當(dāng)Fk增加時,對應(yīng)的Fk1得到輸出電壓Ud0′;當(dāng)Fk下降時，對應(yīng)的Fk1得到輸出電壓Ud0″，則Ud0″>Ud0′。造成空載特性曲線回線的原因是放大機磁路中的鐵磁材料的磁化曲線是一個磁滯回線。當(dāng)然直流發(fā)電機的空載特性也是一個回線，但回線很窄，一般不予考慮，而在放大機中由于經(jīng)過兩級放大，所以回線就變寬了。

空載特性的非單值性必然導(dǎo)致外特性的非單值性，將造成放大機工作的不穩(wěn)定。另外，由圖14－5還可以看出，回線面積愈大，剩磁電壓也愈大，當(dāng)無控制信號時，放大機仍輸出足夠大的電勢，以致產(chǎn)生誤動作，因此必須采取一定的措施來減小空載特性的回線面積。圖14－5交磁放大機的空載特性曲線使剩磁降低的辦法是在定子的磁軛上安放交流去磁繞組。交流去磁繞組的磁通主要在磁軛內(nèi)通過而不經(jīng)過空氣隙，因此它不會在電樞繞組和控制繞組中產(chǎn)生交變電勢，但它可以減小磁軛中的平均剩磁。通常有交流去磁繞組的交磁放大機，其剩磁電壓不超過額定輸出電壓的5%。

我國生產(chǎn)的交磁放大機有帶交流去磁繞組和不帶交流去磁繞組兩種，其中后者的剩磁電壓為額定輸出電壓的

15%，必須在電路上采取一定措施來減弱剩磁的影響。14.3.2交磁放大機的外特性

當(dāng)電動機以額定轉(zhuǎn)速驅(qū)動放大機，放大機控制繞組電流Ik為常數(shù)時，輸出電壓Ud隨輸出電流Id變化的關(guān)系稱為交磁放大機的外特性。

放大機的輸出電流Id就等于它的負載電流。當(dāng)放大機負載是電阻RL時，改變RL值就會改變Id；當(dāng)放大機負載是伺服電動機時，改變伺服電動機的負載轉(zhuǎn)矩，就會改變伺服電動機的電樞電流，亦即改變輸出電流Id。

交磁放大機的外特性如圖14－6所示。由圖可知，放大機的外特性也是一個回線，而且外特性的硬度取決于補償繞組磁勢FB對直軸去磁磁勢的補償程度。該補償越強，外特性越硬；該補償越弱，外特性越軟。如果補償繞組的磁勢恰好和直軸去磁磁勢相抵消，則叫做全補償。如果補償?shù)拇艅荽笥谌ゴ糯艅荩瑒t叫做過補償；反之，叫做欠補償。這樣就相當(dāng)于復(fù)勵式直流發(fā)電機的外特性曲線，調(diào)節(jié)串勵磁勢的強弱可以改變補償程度。圖14－6交磁放大機的外特性可以通過實驗方法判斷交磁放大機的補償程度，如圖14－7所示。在交軸電刷q－q之間串接一電流表，改變負載電阻RL，使輸出電流Id由0增加到額定值。若Iq大小基本不變，則說明是全補償；若Iq隨Id的增加而增加，則說明是過補償；若Iq隨Id的增加而減小，則說明是欠補償。通常將交磁放大機的外特性調(diào)整在全補償或變化不大的欠補償狀態(tài)。圖14－7判斷交磁放大機補償程度的實驗接線圖14.4交磁放大機的技術(shù)數(shù)據(jù)和使用表14－1ZKK型交磁放大機技術(shù)數(shù)據(jù)14.4.1使用方法和選用原則

交磁放大機的使用方法和選用原則如下：

(1)交磁放大機的額定功率、額定電流及額定電壓應(yīng)與系統(tǒng)典型負載圖所折算出的等效功率、等效電流及平均電壓相符，并應(yīng)有10%~20%的余量。

(2)交磁放大機的瞬時過功率允許達到額定值的2倍，瞬時過電壓可達1.5倍，瞬時過電流可達3.5倍，控制繞組長期允許電流和額定控制電流之比（即控制繞組過載能力）一般為5~9倍。系統(tǒng)中所要求的過功率、過電流、過電壓應(yīng)與上述過載能力相符，并且還要考慮過載頻率及時間，使其留有一定的余量。

(3)系統(tǒng)中所要求的最低運行電壓應(yīng)高于交磁放大機的剩磁電壓，并留有足夠的余量，否則需要在系統(tǒng)中采用負反饋以削弱其剩磁電壓的影響。

(4)要正確選用控制繞組，并注意極性。

對于交磁放大機來說，當(dāng)前級需構(gòu)成推挽或差動放大線路時，要選用參數(shù)相同的兩個控制繞組；當(dāng)前級為電子管放大器時，應(yīng)選用高電阻的控制繞組；當(dāng)前級為晶體管放大器時，應(yīng)選用低電阻控制繞組；作為電壓反饋繞組時，應(yīng)選用高電阻控制繞組；作為電流反饋繞組時，應(yīng)選用低電阻控制繞組。在交磁放大機接線盒的接線圖上標有各個控制繞組的正、負極性，在接線時必須注意極性是否正確，特別是在幾個控制繞組同時使用時。例如，前面講述的恒速控制系統(tǒng)中的放大器，如果采用交磁放大機，則需使用兩個控制繞組，一個控制繞組是接給定電壓的，其中正極端接給定電壓的正極，負極端接給定電壓的負極；另一個控制繞組接測速發(fā)電機的輸出。恒速系統(tǒng)中交磁放大機控制繞組的正極端接輸出電壓的負極，其負極端接輸出電壓的正極，這樣測速發(fā)電機才能起到速度負反饋的作用。恒速系統(tǒng)中交磁放大機控制繞組的正確接線如圖14－8所示。

圖中，M為直流伺服電動機，G為直流測速發(fā)電機。圖14－8恒速系統(tǒng)中交磁放大機控制繞組的正確接線14.4.2應(yīng)用和維護注意事項

應(yīng)用和維護交磁放大機的注意事項如下：

(1)正確地確定電刷位置。

電刷位置對交磁放大機的性能有明顯的影響。電機在出廠時，制造廠對電刷的位置作了明顯的標記，調(diào)整電刷位置時要注意盡量不要偏移過多。

(2)恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)外特性的硬度。制造廠保證電壓變化率為30%時（即Udn~1.3Udn），控制電流Ik由0到額定值的范圍內(nèi)，全部外特性不上翹，制造廠給出的外特性如圖14－9所示，并對補償繞組調(diào)節(jié)電阻的觸頭