第14章 交轴磁场放大机

第14章交轴磁场放大机14.1从直流发电机到功率放大器的演变14.2交磁放大机的工作原理14.3交磁放大机的空载特性和外特性14.4交磁放大机的技术数据和使用小结14.1从直流发电机到功率放大器的演变

交轴磁场放大机又叫做电机放大机，是类属于自动控制系统中的一种旋转式放大元件。它是从直流发电机演变过来的。前述已知道，直流伺服电动机的控制信号是由功率放大器供给的，在小功率控制系统中，放大器是晶体三极管组成的电子放大器，而功率比较大的控制系统就要采用电力电子器件。电力电子器件虽然有体积小和无噪音等优点，但尚存在短时过载能力差，用作直流放大时输出的直流电压有时带有较大的纹波等缺点。目前，有些系统还采用电机作为控制系统的功率放大器，这种电机称为电机放大机。电机放大机有交磁放大机和磁放大器两种，使用中大多采用交磁放大机。

在第2章中所分析的直流发电机，实际上是一个功率放大器，现分析如下。

他励直流发电机接线图如图14－1所示。设用原动机拖动直流发电机，并保持转速不变。直流发电机的励磁绕组作为放大器的输入端，输入直流信号电压为Uf，则产生信号电流为（14－1）式中，Rf为发电机励磁绕组的电阻。图14－1他励直流发电机接线图当电机空载时，电枢两端的输出电势Ea=CeΦn，因为电机的转速保持不变，所以Ea∝Φ

(14－2)若信号电流If改变，则电机的励磁磁通Φ也随之改变。如果电机的磁路尚未饱和，那么Φ

∝Ｉf则有Ea∝If

即输出电势与输入的信号电流成正比。将输出端接上负载，就会流过电流Ia，此时负载上的电压为Ua=Ea－IaRa

(14－3)输出功率为UaIa。

因为输出功率UaIa远大于信号功率UfIf，这就把直流发电机演变成了功率放大器。取这两种功率的额定值之比作为功率放大系数Kp，则（14－4）式中，UanIan为额定输出功率；UfnIfn为额定信号功率（即额定励磁功率）。一般直流发电机的额定励磁功率约为额定输出功率的1%~3%，故功率放大系数Kp约为30～110。这里需要说明的是，功率放大是否违反能量守恒定律呢？不是的。因为发电机的输出功率是由原动机输送给发电机的机械功率转变而来的，是由电机的功率平衡所决定的。亦即励磁功率实际上是控制功率，由它控制输出功率。

一般的直流发电机，其功率放大系数还不够高，即不能满足生产实际中功率放大的要求。交磁放大机的实质就是能像多级放大的电子放大器那样在直流电机内部实现两级放大，以下将具体分析其工作原理。 14.2交磁放大机的工作原理

交磁放大机的工作原理图如图14－2所示。图中，定子的磁路与两极直流电机相似，磁极上绕有控制绕组（类似于普通直流电机的励磁绕组）。交磁放大机的电枢和普通直流电机的一样，只是在换向器上多装了一对电刷。通过换向片和几何中性线上的导体相接触的电刷q－q称为交轴电刷，即为一般直流电机的一对电刷；通过换向片和磁极轴线上的导体相连接的电刷d－d称为直轴电刷,这是在传统直流电机上新增加的一对电刷。图14－2交磁放大机的工作原理图14.2.1交磁放大机的空载运行

交磁放大机是如何实现两级放大的呢？设电动机带动电枢以恒速n旋转，对控制绕组施加控制信号电压Uk，产生电流Ik，形成磁通Φk。电枢导体切割磁通Φk，在电枢导体中便产生切割电势eq，eq的方向如图14－2中电枢外圈上的⊙、所示。显然，电刷q－q引出了同一个极面下所有导体的电势，其刷间电势为×Eq=CeΦkn因为交轴电刷q－q被短路，所以两刷之间便有电流Iq流过，当然各电枢导体中流过相应的支路电流为iq，其方向与电势eq相同。根据直流发电机基本原理可知，当电枢绕组流过电流时就要产生电枢磁场，iq流过电枢绕组所产生的电枢磁场Φq可用右手螺旋定则判断，该磁场轴线在交轴方向，如图14－2中最左侧用Φq及其箭头方向所示。Φq称为交轴磁通，该磁通是比较强的。

注意到，电枢导体不仅切割直轴磁通Φk，产生电势eq，而且还同时切割交轴磁通Φq，产生电势ed，这些电势的方向如图14－2内圈上的⊙、所示。×需要说明的是，图14－2内圈不是表示另一个绕组，而是表示电枢导体中的电势ed的方向，亦即每根电枢导体中同时可能存在eq、ed两种电势。由图14－2可以看出，电势ed在电刷q－q之间正、负相互抵消，不能被引出。然而，电刷d－d却把电势ed充分引了出来，且在电刷d－d间获得最大的电势Ed，在接上负载之后，便向负载输出电流Id，在负载上产生电压降Ud。值得注意的是，虽然控制信号是微弱的(Eq比较小)，但由于电刷q－q被短路，电枢回路电阻又很小，则电流Iq就相当大，因而Φq就足够强，由Φq产生的Ed及Id、Ud就更大，这样就达到了功率放大的目的。这里因为起放大作用的决定因素是交轴磁场，所以称为交轴磁场电机放大机或简称交磁放大机，在制造厂(或公司)又简称为扩大机。

根据上述对交磁放大机工作原理的分析可知，交磁放大机可以看成是两个直流发电机的串级放大，其接线示意图如图14－3所示。图14－3交磁放大机相当于两个直流发电机的串级放大的接线示意图将控制电压Uk加到交磁放大机的控制绕组Wk上，产生控制电流Ik和磁通Φk，在电刷q－q间产生交轴电势Eq，这是第Ⅰ级直流发电机。将交轴电刷短路，在电枢绕组（图14－3中用交轴绕组Wq表示）中流过电流Iq产生磁通Φq，从而在电刷d－d间产生直轴电势Ed，这是第Ⅱ级直流发电机。接着由第Ⅱ级直流发电机向负载供电。

经过两级放大，交磁放大机的功率放大系数Kp就比普通的直流发电机大得多，通常该功率放大系数在几百到几万倍的范围内，当然就可以满足实用要求。14.2.2交磁放大机的负载运行

以下分析图14－2所示的交磁放大机向负载供电的情况。当输出端电刷d－d接上负载时，将产生输出电流Id。此时，电枢导体中除了流过电流iq外，还要流过电流id，id的方向和电势ed方向相同。根据右手螺旋定则，可以确定id流过电枢绕组所产生的磁势、磁通的方向,由图14－2可以看出，它们是在直轴方向，并且其方向恰好与控制绕组磁势、磁通的方向相反，因此它们分别称为直轴去磁磁势Fd和直轴去磁磁通Φd，如图14－4所示。显然Fd、Φd的大小与输出电流Id成正比。直轴去磁磁势Fd相对于控制绕组磁势Fk来说是相当大的，即使输出电流很小时，Fd也几乎全部抵消了Fk，使输出电压Ud降低得接近为0，则放大机也就无法工作了。为了使放大机在负载时能正常工作，必须在放大机中安放补偿绕组，以抵消直轴去磁磁势。图14－4具有补偿绕组的交磁放大机接线图补偿绕组WB安放在定子磁极表面的若干槽中，其绕组轴线在直轴方向。为了使补偿绕组所产生的磁势能抵消与输出电流Id成正比的直轴去磁磁势Fd，补偿绕组必须与输出电路串联，并且补偿绕组磁势FB的方向必须与控制绕组磁势Fk相同，而与直轴去磁磁势Fd相反。具有了补偿绕组后的交磁放大机的工作原理接线图如图14－4所示。一般补偿绕组被设计成具有10%~15%的磁势储备，并且在该绕组的两端并联一可变电阻R，改变电阻R可改变补偿绕组中的电流，以调节补偿程度。14.3交磁放大机的空载特性和外特性

14.3.1交磁放大机的空载特性

当额定转速不变时，交磁放大机的空载输出电压Ud0随控制绕组磁势Fk的变化关系称为交磁放大机的空载特性。交磁放大机的空载特性曲线如图14－5所示，它不是单值的曲线，而是一个回线。

例如，对于某一数值的控制磁势Fk1，当Fk增加时,对应的Fk1得到输出电压Ud0′;当Fk下降时，对应的Fk1得到输出电压Ud0″，则Ud0″>Ud0′。造成空载特性曲线回线的原因是放大机磁路中的铁磁材料的磁化曲线是一个磁滞回线。当然直流发电机的空载特性也是一个回线，但回线很窄，一般不予考虑，而在放大机中由于经过两级放大，所以回线就变宽了。

空载特性的非单值性必然导致外特性的非单值性，将造成放大机工作的不稳定。另外，由图14－5还可以看出，回线面积愈大，剩磁电压也愈大，当无控制信号时，放大机仍输出足够大的电势，以致产生误动作，因此必须采取一定的措施来减小空载特性的回线面积。图14－5交磁放大机的空载特性曲线使剩磁降低的办法是在定子的磁轭上安放交流去磁绕组。交流去磁绕组的磁通主要在磁轭内通过而不经过空气隙，因此它不会在电枢绕组和控制绕组中产生交变电势，但它可以减小磁轭中的平均剩磁。通常有交流去磁绕组的交磁放大机，其剩磁电压不超过额定输出电压的5%。

我国生产的交磁放大机有带交流去磁绕组和不带交流去磁绕组两种，其中后者的剩磁电压为额定输出电压的

15%，必须在电路上采取一定措施来减弱剩磁的影响。14.3.2交磁放大机的外特性

当电动机以额定转速驱动放大机，放大机控制绕组电流Ik为常数时，输出电压Ud随输出电流Id变化的关系称为交磁放大机的外特性。

放大机的输出电流Id就等于它的负载电流。当放大机负载是电阻RL时，改变RL值就会改变Id；当放大机负载是伺服电动机时，改变伺服电动机的负载转矩，就会改变伺服电动机的电枢电流，亦即改变输出电流Id。

交磁放大机的外特性如图14－6所示。由图可知，放大机的外特性也是一个回线，而且外特性的硬度取决于补偿绕组磁势FB对直轴去磁磁势的补偿程度。该补偿越强，外特性越硬；该补偿越弱，外特性越软。如果补偿绕组的磁势恰好和直轴去磁磁势相抵消，则叫做全补偿。如果补偿的磁势大于去磁磁势，则叫做过补偿；反之，叫做欠补偿。这样就相当于复励式直流发电机的外特性曲线，调节串励磁势的强弱可以改变补偿程度。图14－6交磁放大机的外特性可以通过实验方法判断交磁放大机的补偿程度，如图14－7所示。在交轴电刷q－q之间串接一电流表，改变负载电阻RL，使输出电流Id由0增加到额定值。若Iq大小基本不变，则说明是全补偿；若Iq随Id的增加而增加，则说明是过补偿；若Iq随Id的增加而减小，则说明是欠补偿。通常将交磁放大机的外特性调整在全补偿或变化不大的欠补偿状态。图14－7判断交磁放大机补偿程度的实验接线图14.4交磁放大机的技术数据和使用表14－1ZKK型交磁放大机技术数据14.4.1使用方法和选用原则

交磁放大机的使用方法和选用原则如下：

(1)交磁放大机的额定功率、额定电流及额定电压应与系统典型负载图所折算出的等效功率、等效电流及平均电压相符，并应有10%~20%的余量。

(2)交磁放大机的瞬时过功率允许达到额定值的2倍，瞬时过电压可达1.5倍，瞬时过电流可达3.5倍，控制绕组长期允许电流和额定控制电流之比（即控制绕组过载能力）一般为5~9倍。系统中所要求的过功率、过电流、过电压应与上述过载能力相符，并且还要考虑过载频率及时间，使其留有一定的余量。

(3)系统中所要求的最低运行电压应高于交磁放大机的剩磁电压，并留有足够的余量，否则需要在系统中采用负反馈以削弱其剩磁电压的影响。

(4)要正确选用控制绕组，并注意极性。

对于交磁放大机来说，当前级需构成推挽或差动放大线路时，要选用参数相同的两个控制绕组；当前级为电子管放大器时，应选用高电阻的控制绕组；当前级为晶体管放大器时，应选用低电阻控制绕组；作为电压反馈绕组时，应选用高电阻控制绕组；作为电流反馈绕组时，应选用低电阻控制绕组。在交磁放大机接线盒的接线图上标有各个控制绕组的正、负极性，在接线时必须注意极性是否正确，特别是在几个控制绕组同时使用时。例如，前面讲述的恒速控制系统中的放大器，如果采用交磁放大机，则需使用两个控制绕组，一个控制绕组是接给定电压的，其中正极端接给定电压的正极，负极端接给定电压的负极；另一个控制绕组接测速发电机的输出。恒速系统中交磁放大机控制绕组的正极端接输出电压的负极，其负极端接输出电压的正极，这样测速发电机才能起到速度负反馈的作用。恒速系统中交磁放大机控制绕组的正确接线如图14－8所示。

图中，M为直流伺服电动机，G为直流测速发电机。图14－8恒速系统中交磁放大机控制绕组的正确接线14.4.2应用和维护注意事项

应用和维护交磁放大机的注意事项如下：

(1)正确地确定电刷位置。

电刷位置对交磁放大机的性能有明显的影响。电机在出厂时，制造厂对电刷的位置作了明显的标记，调整电刷位置时要注意尽量不要偏移过多。

(2)恰当地调节外特性的硬度。制造厂保证电压变化率为30%时（即Udn~1.3Udn），控制电流Ik由0到额定值的范围内，全部外特性不上翘，制造厂给出的外特性如图14－9所示，并对补偿绕组调节电阻的触头