磁放大器在电力系统中的应用

磁放大器在电力系统中的应用

磁大器可以重叠路调信号，并具有路调信号的相互隔离。因此，它经常被用来模拟设备和模拟信号叠加操作的场所。本文中就磁放大器的工作原理、磁放大器在执行器中的应用及故障分析等问题作论述。1激磁铜带放大电路最简单的磁放大器见图1(a),由一个环形磁芯和两个绕组组成。A、B端为输入直流电流信号I,C、D端为恒定的交流激磁电压˜V‚W1V˜‚W1为激磁绕组,W2为输入绕组,RL为负载,RL上的电压u0为输出电压。由激磁绕组W1侧回路可得输出电流为:i=˜V√R2o+(2πfL)2(1)i=V˜R2o+(2πfL)2√(1)式中:R0—W1的纯电阻+RL;f—交流激磁电压频率;L—线圈W1的电感量,L=W21sul(2)L=W21sul(2)其中:l—磁路平均长度;s—磁路截面积;W1—激磁绕组匝数;μ—磁导率,μ=BΗ(3)μ=BH(3)其中:B—磁感应强度;H—磁场强度。由图1(b)和式(2)可知,只要保持激磁电压不变,那么输出电流和输出电压u0将随输入直流电流I而变化:I↑→H↑→μ↓→L↓→i↑→uo↑I↓→H↓→μ↑→L↑→i↓→uo↓可见,输出电压u0可反应输入电流I的变化,只要参数选取得当,即可起到放大作用。由此可总结如下:①磁放大器将直流电流I转换成交流电压u0输出;②输入输出信号之间无直接连接,互相隔离;③由于变压器效应,激磁绕组W1中的交流电压将在输入绕组W2中感应出交变电压;④该放大器存在严重缺点:当I不变化,激磁电压正半周时,激磁电压˜VV˜产生的磁通与直流输入电流I产生的磁通方向相同,相互叠加,磁放大器工作在磁饱和区,由于非线性磁导率μ下降很快,有H↑→μ↓↓→L↓↓→i↑↑→u0↑↑当I不变化,激磁电压负半周时,激磁电压˜VV˜产生的磁通与直流输入电流I产生的磁通方向相反,相互抵消,磁放大器工作在非磁饱和区,磁导率μ线性上升,有H↓→μ↑→L↑→i↓→u0↓因此。正、负半周输出电压u0幅值变化不同,信号失真,见图2。1.1+2fl021单拍磁放大器的结构见图3,它由两个环形磁芯组成,激磁绕组分为两个绕组W′1、W″1,分别绕在两个磁芯上。由于把激磁绕组分为左右对称的两个线圈W′1、W″1,使得在任一瞬间一个绕组产生的交流磁通与直流磁通方向相同,另一个绕组产生的交流磁通与直流磁通方向相反,故直流侧交流磁通相互抵消,从而消除了图1所示磁放大器的变压器效应。如图3,当输入电流时,因为激磁绕组的电感L=L0=L′10、L″10不是无穷大,故存在起始激磁电流:i0=˜V√R20+(2πfL0)2(4)i0=V˜R20+(2πfL0)2√(4)其中:L′10、L″10分别为I=0时线圈W′1、W″1的起始电感。使得输入电流I=0时输出电压u0≠0。当输入电流I≠0,电流方向如图3(a)所示时,激磁电压˜V正半周时:I↑→H′1↓→μ′1↑↑→L′1↑↑→L=L′1+L″1↓→i↑→uo↑H″1↑→μ″1↓↓→L″1↓↓激磁电˜V压负半周时:I↑→H′1↑→μ′1↓↓→L′1↓→L=L′1+L″1↓→i↑→uo↑H″1↓→μ″1↑→L″1↑由于激磁电压˜V在正、负半周时的输出电流i和输出电压u0方向相反,且变化量相同,因此克服了波形失真的缺点。当输入电流I变为与图3中的方向相反时,因为电路的对称性,可得出与上述分析一样的结论。这样就可得到图3(b)所示的特性曲线,由特性曲线可以看出,该放大器只能反应输入电流信号I的大小,不能反应极性。为此,在单拍放大器中增加了偏移绕组W3(见图4)以产生恒定的偏移电流I0,Ι0=ERW+R3(5)式中:R3—偏移绕组的线电阻;W—电位器,用来调整偏移电流Ia大小,即调整放大器的工作点。由图4可见,偏移电流I0产生的偏移磁通与信号电流I产生的信号磁通相互叠加,当输入电流信号I的极性如图所示时,偏移磁通与信号磁通方向相同,有I↑→(I+I0)↑→H↑→μ↓→L↓→i↑(图4(b)中OA段)当输入电流信号I的极性与图所示相反时,偏移磁通与信号磁通方向相反,有-I↑→(-I+I0)↓→H↓→μ↑→L↑→i↓(图4(b)中OB段)这样,加了偏移绕组W3后的单拍磁放大器既能反应输入信号的大小,又能反应极性,如图4(b)中BA段。但该放大器仍然存在缺陷,当输入电流信号I=0时,输出信号i不过零点。1.2a、b时多变负时负载rl的特性双拍磁放大器由两个单拍磁放大器A、B组成,见图5,W1为激磁绕组,W2为输入绕组,W3为偏移绕组。两个单拍磁放大器材料相同,共用一个负载,W1、W3在两个磁放大器中绕向对称,W2在两个磁放大器中绕向相反,对于磁放大器A,偏移绕组与输入绕组产生的磁通方向相同,有当I从0变正时,I↑→(I+I0)↑→H↑→μ↓→L↓→i↑→u0Ⅰ↑当I从0变负时,I↓→(I+I0)↓→H↓→μ↑→L↑→i↓→u0Ⅰ↓其特性见图6(a)。对于磁放大器B,偏移绕组与输入绕组产生的磁通方向相反,有当I从0变正时,I↑→(I+I0)↓→H↓→μ↑→L↑→iⅡ↓→u0Ⅱ↓当I从0变负时,I↓→(I+I0)↑→H↑→μ↓→L↓→iⅡ↑→u0Ⅱ↑其特性见图6(b)。由以上分析可知,两个单拍磁放大器A和B的输出电流iⅠ和iⅡ或输出电压u0Ⅰ和u0Ⅱ相位相反。负载RL中的电流是iⅠ与iⅡ之差,又因磁放大器A、B的信号绕组W2中流过同一个输入电流信号I,故可得到图5(b)所示的特性曲线。在输入电流信号I=0时,因磁放大器的A、B的偏移电流相同,故iⅠ=iⅡ且方向相反,负载RL上无压降,即i=0,实现了零输出。这样双拍磁放大器的输出既反应了输入信号的大小和极性,又实现了零输出,还增加了信号的线性范围。1.3交叉电流sd双拍内反馈推挽式磁放大器由双拍磁放大器改进而成,它由四个磁环组成,见图7,每个磁环上绕有独立的交流激磁绕组,每两个磁环组成的单拍磁放大器上,绕有三个输入绕组、一个负反馈绕组、一个偏移绕组和一个内部反馈绕组,两个单拍磁放大器上的相应绕组互相串接。三个输入绕组用来实现三个输入电流信号的加减运算,因三个电流信号是通过磁耦合实现叠加,从而实现了三个输入电流信号的互相隔离。图7中,电阻R1、R2、R3、R4用来提高输入绕组和负反馈绕组的输入阻抗,并调整到200Ω。电阻R5用来调整内部反馈的强弱。电阻R9、R10为磁放大器的负载电阻,其电压为输出电压VCD。D5、D6、D7、D8为整流二极管。电位器W1用来调整磁放大器零点,即调整两个偏移绕组的电流使其相等。电位器W2用来调整磁放大的内部反馈,以调整放大倍数。偏移绕组由D1、D2、D3、D4组成的整流桥路供电,交流激磁绕组由变压器T的副边绕组AOB供电。磁放大器工况:①输入I=0(此时,I应为三个输入电流信号与一个负反馈电流信号叠加后的结果,I=4∑1Ιi)调W1使两偏移绕组的偏移电流相等。当激磁绕组AOB的激磁电压上正下负时(见图7),电流通路为:A→D5→L1→R9→ΟA→D6→L3→R10→Ο(1)因此,二极管D5、D6导通,激磁绕组1、3中有激磁电流通过,但因此时I=0,故i1=i3,输出VCD=0。当激磁绕组AOB的激磁电压上负下正时,电流通路为:B→D7→L2→R9→ΟB→D8→L4→R10→Ο(2)因此,二极管D7、D8导通,激磁绕组2、4中有激磁电流通过,同样因此时I=0,故i2=i4,输出VCD=0。即I=0时,输出VCD=0。②输入电流信号I极性上正下负当激磁绕组AOB的激磁电压上正下负时,电流通路同式(1),但因I>0,故i1↑,i3↓,i1>i3,输出VCD↑,且I↑→VCD↑。当激磁绕组AOB的激磁电压上负下正时,电流通路同式(2),但因I>0,故i2↑,i4↓,i2>i4,输出VCD↑,且I↑→VCD↑,输出电压VCD极性与AOB的激磁电压上正下负时相同。③输入电流信号I极性上负下正情况与②相反,输出电压为-VCD。由于电路结构的对称性,且由于二极管D5～D8的整流作用,在输入信号I变化时,可在CD两端得到相应的直流输出电压信号。磁放大器工作时,在激磁电压正、副半周内,各有两磁环工作,一个电流增加,一个电流减小,形成推挽式工作状态。磁放大器可对多路直流电流信号进行叠加,且具有多路信号相互隔离的特点,因此被广泛应用于电动单元组合仪表执行器的伺服放大器中,见图8。2常见疾病的分析在此介绍执行器在使用中的两种常见故障及解决办法。2.1伺服放大器电源保护故障执行器按装连接完成后,伺服放大器、D操作器、执行机构均供电,但当|Ιi-Ιf|＞150mA时,伺服电机不转动。经检查,伺服放大器、D操作器工作均正常,即当Ii-If>150mA时,可控硅交流开关2导通,当Ii-If<150mA时,可控硅交流开关1导通。故障是因为执行机构电源线端子13(6)、14(7)连接倒相,使伺服电机的两条电源线连接到了同一条电源线上,如图8虚线框内:电源A相→伺服放大器端子20(17)→可控硅交流开关→伺服电机→执行机构端子13(6)→电源A相,结果是伺服电机没有接通激磁激磁电压所致。当伺服放大器电源端子19、20连接倒相时也会发生同样的故障。解决办法是把执行机构电源线端子13(6)、14(7)互换即可,接法如图8实线所示。2.2差动变压器转动真假零点的设置。由于差动变压器的对称性,当输入信号I=0时,铁芯有两个位置与之对应,其中一个为假零点,见图9。如果错把铁芯的起始位置设值为假零点,当伺服电机从0～90°转动时,凸轮由最高端转到最低端,铁芯的中心位置从差动变压器中心位置左边0.5mm处经过差动变压器的中心位置向差动变压器中心位置右边7.5mm处移动,位置发送器输出信号If将从0→-1→9.4mA变化,见图9(a);当伺服电机从0～90°转动时,凸轮由最低端转到最高端,铁芯的中心位置从差动变压器中心位置右边0.5mm处经过差动变压器的中心位置向差动变压器中心位置左边7.5