第14章 交軸磁場(chǎng)放大機(jī)

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

交軸磁場(chǎng)放大機(jī)又叫做電機(jī)放大機(jī)，是類(lèi)屬于自動(dòng)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(jī)演變過(guò)來(lái)的。前述已知道，直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)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(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)，但尚存在短時(shí)過(guò)載能力差，用作直流放大時(shí)輸出的直流電壓有時(shí)帶有較大的紋波等缺點(diǎn)。目前，有些系統(tǒng)還采用電機(jī)作為控制系統(tǒng)的功率放大器，這種電機(jī)稱(chēng)為電機(jī)放大機(jī)。電機(jī)放大機(jī)有交磁放大機(jī)和磁放大器兩種，使用中大多采用交磁放大機(jī)。

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

他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)接線圖如圖14－1所示。設(shè)用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，并保持轉(zhuǎn)速不變。直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組作為放大器的輸入端，輸入直流信號(hào)電壓為Uf，則產(chǎn)生信號(hào)電流為（14－1）式中，Rf為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電阻。圖14－1他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)接線圖當(dāng)電機(jī)空載時(shí)，電樞兩端的輸出電勢(shì)Ea=CeΦn，因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，所以Ea∝Φ

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

∝Ｉf則有Ea∝If

即輸出電勢(shì)與輸入的信號(hào)電流成正比。將輸出端接上負(fù)載，就會(huì)流過(guò)電流Ia，此時(shí)負(fù)載上的電壓為Ua=Ea－IaRa

(14－3)輸出功率為UaIa。

因?yàn)檩敵龉β蔝aIa遠(yuǎn)大于信號(hào)功率UfIf，這就把直流發(fā)電機(jī)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(hào)功率（即額定勵(lì)磁功率）。一般直流發(fā)電機(jī)的額定勵(lì)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(shuō)明的是，功率放大是否違反能量守恒定律呢？不是的。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的輸出功率是由原動(dòng)機(jī)輸送給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)變而來(lái)的，是由電機(jī)的功率平衡所決定的。亦即勵(lì)磁功率實(shí)際上是控制功率，由它控制輸出功率。

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

交磁放大機(jī)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(jī)相似，磁極上繞有控制繞組（類(lèi)似于普通直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組）。交磁放大機(jī)的電樞和普通直流電機(jī)的一樣，只是在換向器上多裝了一對(duì)電刷。通過(guò)換向片和幾何中性線上的導(dǎo)體相接觸的電刷q－q稱(chēng)為交軸電刷，即為一般直流電機(jī)的一對(duì)電刷；通過(guò)換向片和磁極軸線上的導(dǎo)體相連接的電刷d－d稱(chēng)為直軸電刷,這是在傳統(tǒng)直流電機(jī)上新增加的一對(duì)電刷。圖14－2交磁放大機(jī)的工作原理圖14.2.1交磁放大機(jī)的空載運(yùn)行

交磁放大機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)兩級(jí)放大的呢？設(shè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電樞以恒速n旋轉(zhuǎn)，對(duì)控制繞組施加控制信號(hào)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(shì)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(gè)極面下所有導(dǎo)體的電勢(shì)，其刷間電勢(shì)為×Eq=CeΦkn因?yàn)榻惠S電刷q－q被短路，所以?xún)伤⒅g便有電流Iq流過(guò)，當(dāng)然各電樞導(dǎo)體中流過(guò)相應(yīng)的支路電流為iq，其方向與電勢(shì)eq相同。根據(jù)直流發(fā)電機(jī)基本原理可知，當(dāng)電樞繞組流過(guò)電流時(shí)就要產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)，iq流過(guò)電樞繞組所產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)Φq可用右手螺旋定則判斷，該磁場(chǎng)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(chēng)為交軸磁通，該磁通是比較強(qiáng)的。

注意到，電樞導(dǎo)體不僅切割直軸磁通Φk，產(chǎn)生電勢(shì)eq，而且還同時(shí)切割交軸磁通Φq，產(chǎn)生電勢(shì)ed，這些電勢(shì)的方向如圖14－2內(nèi)圈上的⊙、所示。×需要說(shuō)明的是，圖14－2內(nèi)圈不是表示另一個(gè)繞組，而是表示電樞導(dǎo)體中的電勢(shì)ed的方向，亦即每根電樞導(dǎo)體中同時(shí)可能存在eq、ed兩種電勢(shì)。由圖14－2可以看出，電勢(shì)ed在電刷q－q之間正、負(fù)相互抵消，不能被引出。然而，電刷d－d卻把電勢(shì)ed充分引了出來(lái)，且在電刷d－d間獲得最大的電勢(shì)Ed，在接上負(fù)載之后，便向負(fù)載輸出電流Id，在負(fù)載上產(chǎn)生電壓降Ud。值得注意的是，雖然控制信號(hào)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(qiáng)，由Φq產(chǎn)生的Ed及Id、Ud就更大，這樣就達(dá)到了功率放大的目的。這里因?yàn)槠鸱糯笞饔玫臎Q定因素是交軸磁場(chǎng)，所以稱(chēng)為交軸磁場(chǎng)電機(jī)放大機(jī)或簡(jiǎn)稱(chēng)交磁放大機(jī)，在制造廠(或公司)又簡(jiǎn)稱(chēng)為擴(kuò)大機(jī)。

根據(jù)上述對(duì)交磁放大機(jī)工作原理的分析可知，交磁放大機(jī)可以看成是兩個(gè)直流發(fā)電機(jī)的串級(jí)放大，其接線示意圖如圖14－3所示。圖14－3交磁放大機(jī)相當(dāng)于兩個(gè)直流發(fā)電機(jī)的串級(jí)放大的接線示意圖將控制電壓Uk加到交磁放大機(jī)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(shì)Eq，這是第Ⅰ級(jí)直流發(fā)電機(jī)。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(guò)電流Iq產(chǎn)生磁通Φq，從而在電刷d－d間產(chǎn)生直軸電勢(shì)Ed，這是第Ⅱ級(jí)直流發(fā)電機(jī)。接著由第Ⅱ級(jí)直流發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電。

經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大，交磁放大機(jī)的功率放大系數(shù)Kp就比普通的直流發(fā)電機(jī)大得多，通常該功率放大系數(shù)在幾百到幾萬(wàn)倍的范圍內(nèi)，當(dāng)然就可以滿(mǎn)足實(shí)用要求。14.2.2交磁放大機(jī)的負(fù)載運(yùn)行

以下分析圖14－2所示的交磁放大機(jī)向負(fù)載供電的情況。當(dāng)輸出端電刷d－d接上負(fù)載時(shí)，將產(chǎn)生輸出電流Id。此時(shí)，電樞導(dǎo)體中除了流過(guò)電流iq外，還要流過(guò)電流id，id的方向和電勢(shì)ed方向相同。根據(jù)右手螺旋定則，可以確定id流過(guò)電樞繞組所產(chǎn)生的磁勢(shì)、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(shì)、磁通的方向相反，因此它們分別稱(chēng)為直軸去磁磁勢(shì)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(shì)Fd相對(duì)于控制繞組磁勢(shì)Fk來(lái)說(shuō)是相當(dāng)大的，即使輸出電流很小時(shí)，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(jī)也就無(wú)法工作了。為了使放大機(jī)在負(fù)載時(shí)能正常工作，必須在放大機(jī)中安放補(bǔ)償繞組，以抵消直軸去磁磁勢(shì)。圖14－4具有補(bǔ)償繞組的交磁放大機(jī)接線圖補(bǔ)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(bǔ)償繞組所產(chǎn)生的磁勢(shì)能抵消與輸出電流Id成正比的直軸去磁磁勢(shì)Fd，補(bǔ)償繞組必須與輸出電路串聯(lián)，并且補(bǔ)償繞組磁勢(shì)FB的方向必須與控制繞組磁勢(shì)Fk相同，而與直軸去磁磁勢(shì)Fd相反。具有了補(bǔ)償繞組后的交磁放大機(jī)的工作原理接線圖如圖14－4所示。一般補(bǔ)償繞組被設(shè)計(jì)成具有10%~15%的磁勢(shì)儲(chǔ)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(bǔ)償繞組中的電流，以調(diào)節(jié)補(bǔ)償程度。14.3交磁放大機(jī)的空載特性和外特性

14.3.1交磁放大機(jī)的空載特性

當(dāng)額定轉(zhuǎn)速不變時(shí)，交磁放大機(jī)的空載輸出電壓Ud0隨控制繞組磁勢(shì)Fk的變化關(guān)系稱(chēng)為交磁放大機(jī)的空載特性。交磁放大機(jī)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(gè)回線。

例如，對(duì)于某一數(shù)值的控制磁勢(shì)Fk1，當(dāng)Fk增加時(shí),對(duì)應(yīng)的Fk1得到輸出電壓Ud0′;當(dāng)Fk下降時(shí)，對(duì)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(jī)磁路中的鐵磁材料的磁化曲線是一個(gè)磁滯回線。當(dāng)然直流發(fā)電機(jī)的空載特性也是一個(gè)回線，但回線很窄，一般不予考慮，而在放大機(jī)中由于經(jīng)過(guò)兩級(jí)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(jī)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(wú)控制信號(hào)時(shí)，放大機(jī)仍輸出足夠大的電勢(shì)，以致產(chǎn)生誤動(dòng)作，因此必須采取一定的措施來(lái)減小空載特性的回線面積。圖14－5交磁放大機(jī)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(guò)而不經(jīng)過(guò)空氣隙，因此它不會(huì)在電樞繞組和控制繞組中產(chǎn)生交變電勢(shì)，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(jī)，其剩磁電壓不超過(guò)額定輸出電壓的5%。

我國(guó)生產(chǎn)的交磁放大機(jī)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(lái)減弱剩磁的影響。14.3.2交磁放大機(jī)的外特性

當(dāng)電動(dòng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)放大機(jī)，放大機(jī)控制繞組電流Ik為常數(shù)時(shí)，輸出電壓Ud隨輸出電流Id變化的關(guān)系稱(chēng)為交磁放大機(jī)的外特性。

放大機(jī)的輸出電流Id就等于它的負(fù)載電流。當(dāng)放大機(jī)負(fù)載是電阻RL時(shí)，改變RL值就會(huì)改變Id；當(dāng)放大機(jī)負(fù)載是伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，改變伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，就會(huì)改變伺服電動(dòng)機(jī)的電樞電流，亦即改變輸出電流Id。

交磁放大機(jī)的外特性如圖14－6所示。由圖可知，放大機(jī)的外特性也是一個(gè)回線，而且外特性的硬度取決于補(bǔ)償繞組磁勢(shì)FB對(duì)直軸去磁磁勢(shì)的補(bǔ)償程度。該補(bǔ)償越強(qiáng)，外特性越硬；該補(bǔ)償越弱，外特性越軟。如果補(bǔ)償繞組的磁勢(shì)恰好和直軸去磁磁勢(shì)相抵消，則叫做全補(bǔ)償。如果補(bǔ)償?shù)拇艅?shì)大于去磁磁勢(shì)，則叫做過(guò)補(bǔ)償；反之，叫做欠補(bǔ)償。這樣就相當(dāng)于復(fù)勵(lì)式直流發(fā)電機(jī)的外特性曲線，調(diào)節(jié)串勵(lì)磁勢(shì)的強(qiáng)弱可以改變補(bǔ)償程度。圖14－6交磁放大機(jī)的外特性可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法判斷交磁放大機(jī)的補(bǔ)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(fù)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(shuō)明是全補(bǔ)償；若Iq隨Id的增加而增加，則說(shuō)明是過(guò)補(bǔ)償；若Iq隨Id的增加而減小，則說(shuō)明是欠補(bǔ)償。通常將交磁放大機(jī)的外特性調(diào)整在全補(bǔ)償或變化不大的欠補(bǔ)償狀態(tài)。圖14－7判斷交磁放大機(jī)補(bǔ)償程度的實(shí)驗(yàn)接線圖14.4交磁放大機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和使用表14－1ZKK型交磁放大機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)14.4.1使用方法和選用原則

交磁放大機(jī)的使用方法和選用原則如下：

(1)交磁放大機(jī)的額定功率、額定電流及額定電壓應(yīng)與系統(tǒng)典型負(fù)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(jī)的瞬時(shí)過(guò)功率允許達(dá)到額定值的2倍，瞬時(shí)過(guò)電壓可達(dá)1.5倍，瞬時(shí)過(guò)電流可達(dá)3.5倍，控制繞組長(zhǎng)期允許電流和額定控制電流之比（即控制繞組過(guò)載能力）一般為5~9倍。系統(tǒng)中所要求的過(guò)功率、過(guò)電流、過(guò)電壓應(yīng)與上述過(guò)載能力相符，并且還要考慮過(guò)載頻率及時(shí)間，使其留有一定的余量。

(3)系統(tǒng)中所要求的最低運(yùn)行電壓應(yīng)高于交磁放大機(jī)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(fù)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(duì)于交磁放大機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)前級(jí)需構(gòu)成推挽或差動(dòng)放大線路時(shí)，要選用參數(shù)相同的兩個(gè)控制繞組；當(dāng)前級(jí)為電子管放大器時(shí)，應(yīng)選用高電阻的控制繞組；當(dāng)前級(jí)為晶體管放大器時(shí)，應(yīng)選用低電阻控制繞組；作為電壓反饋繞組時(shí)，應(yīng)選用高電阻控制繞組；作為電流反饋繞組時(shí)，應(yīng)選用低電阻控制繞組。在交磁放大機(jī)接線盒的接線圖上標(biāo)有各個(gè)控制繞組的正、負(fù)極性，在接線時(shí)必須注意極性是否正確，特別是在幾個(gè)控制繞組同時(shí)使用時(shí)。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(jī)，則需使用兩個(gè)控制繞組，一個(gè)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(fù)極端接給定電壓的負(fù)極；另一個(gè)控制繞組接測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出。恒速系統(tǒng)中交磁放大機(jī)控制繞組的正極端接輸出電壓的負(fù)極，其負(fù)極端接輸出電壓的正極，這樣測(cè)速發(fā)電機(jī)才能起到速度負(fù)反饋的作用。恒速系統(tǒng)中交磁放大機(jī)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(dòng)機(jī)，G為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。圖14－8恒速系統(tǒng)中交磁放大機(jī)控制繞組的正確接線14.4.2應(yīng)用和維護(hù)注意事項(xiàng)

應(yīng)用和維護(hù)交磁放大機(jī)的注意事項(xiàng)如下：

(1)正確地確定電刷位置。

電刷位置對(duì)交磁放大機(jī)的性能有明顯的影響。電機(jī)在出廠時(shí)，制造廠對(duì)電刷的位置作了明顯的標(biāo)記，調(diào)整電刷位置時(shí)要注意盡量不要偏移過(guò)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(shí)（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(duì)補(bǔ)償繞組調(diào)節(jié)電阻的觸頭