電機擴大機

在控制系統或伺服機構中，經常需要利用小功率信號來控制大功率輸出的放大裝置，例如由晶體管、晶閘管等電子器件組成的電子放大器、磁放大器和電機擴大機等。電機擴大機（英文名稱為rotating amplifier）是指對各控制繞組輸入的電信號在電機內進行勵磁合成並經放大後以一定功率輸出的特殊結構的直流發電機。

電機擴大機是用於自動控制系統中的一種旋轉式的放大元件，它主要用作功率放大。對於小容量系統，可以直接用它對直流電動機供電，對於大容量系統，可用它供給或自動調節直流發電機、直流電動機的磁場電流，以達到生產工藝對機牀電氣自動控制系統提出的要求。

電機擴大機的種類很多，一般可分為交軸磁場電機擴大機、直軸磁場電機擴大機、白勵式電機擴大機。目前國內生產的多為交軸磁場電機擴大機（簡稱交磁放大機或電機擴大機），其功率範圍為0.15～11kW，電壓有60V、115V、230V三種。 ^[1] 

電機擴大機具有以下特點：

（1）過載能力大。電機擴大機的瞬時過功率可達到額定值的2倍，瞬時過電壓和過電流可分別達到額定值的1.5倍和2.5倍。

（2）放大係數大。功率放大係數可達50000。由於放大係數大，故要求輸入的控制信號小，一般要求控制繞組的輸入功率為0.5～1W。

（3）多參量控制。電機擴大機一般設有2～4個控制繞組，每個控制繞組都能獨立地對輸出功率起控制作用，故能進行多參量控制。

（4）輸出功率的極性容易變換。改變輸入控制繞組電信號的極性即可改變輸出功率的極性。

此外，電機擴大機的輸出功率是由驅動它的機械功率轉變而來韻，故只需有原動機即可得到可控的電功率輸出，因此適用於野外、艦船、戰車等，還可作為功率放大裝置和電壓可調的直流發電機使用。 ^[1] 

電機擴大機有兩種基本結構形式：一種是單軸式，具有單軸伸或雙軸伸，不帶驅動電動機；另一種是共軸式，是指電機擴大機與驅動電動機共軸。驅動電動機可用三相交流異步電動機或直流電動機。

電機擴大機的結構與直流電動機相似，但定子鐵心由於要將放大繞組、補償繞組、換向繞組、交軸助磁

繞組和交流去磁繞組安放在適當的位置上，故定子衝片具有不同形狀的大、中、小槽，與一般直流電動機不一樣，見圖1。此外，電機擴大機的利杆對數比直流電動機多I倍，直軸電刷與交軸電刷互成90°電角度。

電機擴大機根據其輸出功率的大小，磁極對數為1或2。輸出功率小於25kW的採用1對磁極；輸出功率為25kW以上的採用2對磁極。 ^[1] 

電機擴大機是以交軸反應磁通作為主磁通的具有共磁系統和兩級放大的他激式直流發電機。工作時電機擴大機的轉子由電動機或其他原動機拖動。其工作原理如圖2所示。

當控制繞組通以控制電流I_k時即產生直軸磁通亂，當電樞轉動後，電樞繞組Φ_k產生感應電動勢，在電刷qq兩端產生電勢E_q，接上負載即可輸出功率。此時發電

機的輸出功率與控制繞組輸入功率之比（即功率擴大系數）為20～100，完成第一

級放大。當電刷qq端接上負載後，電樞電繞組即有電流通過，產生電樞反應磁通Φ_q，電樞繞組切割Φ_q，在電刷dd間產生感應電勢E_d，E_d的大小與Φ_q成正比，同時與電刷qq的負載電流成正比。將電刷qq短路，由於電樞繞組的電阻很小，因此Φ_q很大，導致電刷dd間輸出功率很大，完成第二級放大，使電機擴大機的擴大系數達到500～50000。此時發電機成為無補償的交軸磁場電機擴大機。

發電機接上負載後，負載電流產生的縱軸電樞反應磁通壬。Φ_ad與控制磁通Φ_k方向相反，削弱了控制磁通Φ_k，隨着負載電流的增大，Φ_k增大，導致E_q，Φ_k和E_d建立不起來。為了消除Φ_ad的影響，可在發電機的定子上裝設一套補償繞組B，該繞組與負載串聯，產生的磁通Φ_B與Φ_k方向一致，隨着I_d增大，Φ_B也增大，故能有效地消除Φ_ad的影響。補償繞組與補償調節電阻（由固定電阻和可調電阻串聯而成）並聯，調整補償調節電阻的值即可改變補償繞組的補償程度。因電樞繞組是沿轉子圓周分佈的，為了更好地抵消Φ_ad，補償繞組採用不均勻分佈繞組，安放在定子鐵心的小槽和中槽中。

為了改善電機擴大機的換向，在定子的直軸上設有換向極，極上安放換向繞組並與直軸電路串聯。因電機交軸方向的大槽中繞組較多，不便裝設換向極和換向繞組，故在直軸的大槽中設置交軸助磁繞組與兩交軸電刷串接，使其產生的磁通與Φ_q方向相同，這樣即可保持在Φ_q不變的情況下減小交軸電流I_q以改善交軸換向。

為了削弱由磁滯效應引起的剩磁電壓對電機特性的影響，通常在定子鐵心的軛部繞有交流去磁繞組。當發電機運行時，去磁繞組與低壓（2～5V）交流電相接。 ^[1] 

電機擴大機根據其工作原理可分為交軸磁場電機擴大機（或稱交磁電機擴大機）、直軸磁場電機擴大機或稱縱磁電機擴大機）和自差式電機擴大機3種類型。目前國內外生產和使用最廣的是交軸磁場電機擴大機。如我國生產的ZKK系列電機擴大機即屬於交軸磁場電機擴大機。

交磁電機擴大機是一種用於自動控制系統中的旋轉式放大元件，它能將微弱的控制信號放大成較強的電功率輸出，其功率放大倍數很大，可達200～50 000。由於這種電機擴大機是利用交軸磁場進行放大工作的，所以稱為交磁電機擴大機或交磁擴大機。

1．交磁電機擴大機的結構

（1）轉子

交磁電機擴大機實際上是一種特殊的直流發電機，其電樞繞組和普通直流發電機一樣，但在換向器上放有兩對電刷，一對和普通發電機相同，放在磁極中性線上，即與磁極軸線正交，稱為交軸（或橫軸）電刷；另一對稱為直軸（或縱軸）電刷，放在磁極軸線上。

（2）定子

交磁電機擴大機的定子結構如圖3所示。其定子由硅鋼片衝疊而成，鐵芯上有大、中、小三種槽形，槽內分別嵌入不同繞組。為了易於做到氣隙均勻、磁極位置準確，交磁擴大機的定子多采用隱極結構。

2．交磁電機擴大機的特性

交磁電機擴大機的特性有空載特性和外特性兩種。

（1）空載特性

空載特性是指電機的轉速保持不變（為額定值）時，電機的空載輸出電勢E_d與控制繞組磁勢F_k之間的關係。

由空載特性曲線可以看出：在曲線的起始階段，F_k增加，E_d變化較慢，這是因為F_q，F_q也較小，此時電刷接觸電阻大，降低了擴大機的放大倍數；中間一段，E_d增加較快，最後由於磁路飽和，E_d又變化慢了。當F_k減小時，E_d將不會沿原來的曲線變化。F_k=0時的E_d輸出電壓稱作擴大機的剩磁電壓。交磁擴大機由於有兩級放大作用，所以其剩磁電壓較大，無交流去磁繞組時，其剩磁電壓可達額定值的15%；有交流去磁繞組時，其剩磁電壓可達額定值的5%以下。

（2）外特性

當電機轉速不變、控制繞組的勵磁電流為常數時，其輸出電壓U_d與輸出電流I_d之間的關係如圖4所示。

電機擴大機端電壓U_d的變化除了與電機內部（包括電樞繞組、換向極繞組和補償繞組）的電壓降有關以外，還與補償繞組對電樞反應的補償程度有關。根據補償繞組對電樞反應的補償程度，擴大機的外特性可分為三種情況。

①全補償

即補償繞組的磁勢等於直軸電樞反應的磁勢。這時當變化時影響的因素只有擴大機的內部壓降，所以U_d隨I_d的增大而略有下降，如圖4中的曲線1所示。

②欠補償

即補償繞組的磁勢小於直軸電樞反應磁勢。在這種情況下，擴大機的外特徵更加傾斜，如圖4中的曲線2。若無補償時，帶上很小負載，U_d即降到零，所以不能正常工作，如圖4中曲線3所示。

③過補償

補償繞組的磁勢大於直軸電樞反應磁勢。這時，擴大機的外特性在全補償之上，當補償過強時，外特性會出現上翹的現象，可能引起擴大機自勵，因而失去控制作用。因此，使用中一般應避免過補償。

交磁電機擴大機具有放大倍數高、時問常數小、勵磁餘量大等優點，且有多個控制繞組，便於實現自動控制系統中的各種反饋，因而在自動控制系統中應用較為廣泛。其缺點是製造工藝複雜、成本高、體積和質量比同容量的直流電機大，並且維護比較麻煩。

目前，我國生產和使用的電機擴大機為ZKK系列，容量較小的電機擴大機一般與驅動異步電動機裝在一起，製造成異步電動機一擴大機組。 ^[2] 

（1）正確地確定電刷位置電刷位置對電機擴大機的性能有明顯的影響。電機擴大機在出廠時，製造廠對電刷位置作了明顯的標記，調整電刷位置時注意不要偏離過多。

（2）恰當地調節外特性硬度，製造廠保證電壓變化率為30%時，全部外特性不上翹，並對補償調節電阻觸頭位置作了明顯的標記。用户為了滿足系統要求，可以通過改變補償調節電阻來改變外特性的硬度，但對外特性過硬可能引起的負載自勵要有充分的保護。

（3）適當施加交流去磁繞組電壓交流去磁繞組電壓過高或過低，對削弱剩磁不利，而且過高還可能引起電壓擺動。交流去磁繞組電壓一般為2～5V。

（4）在調整和運行過程中應避免短路、自勵、過分強勵及長期單一方向使用，以免造成剩磁電壓過高，以致難以矯正過來。

（5）應注意電刷接觸面和換向器工作表面運行情況，以及補償調節電阻的接觸情況。因為交軸電刷的接觸電阻對交軸換向、放大係數、電壓擺動等都有明顯的影響，而調節電阻接觸不良可能引起負載自勵。所以更換電刷時，其牌號應與出廠牌號一致。取出電刷再放進刷盒時，要注意方向。應避免電機逆轉而引起電刷與換向器的接觸而變壞。在重新精車換向器工作表面時，必須以軸承外圓定位，以保證換向器與軸承的同軸度。 ^[3] 

圖5是包含有電機擴大機的位置伺服系統。在此係統中，電機擴大機作為放大元件使用。當控制式自整角發送機CX和控制式自整角變壓器CT處於協調位置時，CT轉子沒有信號輸出。若CX轉子轉過p角度，則CT轉子繞組端產生與0角成正弦關係的電壓Usin0，此電壓作為位置誤差信號輸入相敏檢波器，並經過放大輸入到電機擴大機的控制繞組產生控制磁通，由於電機擴大機是以恆定速度轉動的，因此電機擴大機的直軸有大功率輸出並輸入到他激直流電動機的電樞（他激直流電動機的激磁繞組由恆定電壓激磁），電動機即轉動，經過齒輪減速帶動負載和CT的轉子，直至CT的轉子轉過口角度後，CX與CT進入新的協調位置，CT轉子繞組的端電壓為零，導致電機擴大機控制電壓為零，電機擴大機沒有功率輸出，直流電動機立即停止轉動。火炮控制系統就是採用這種原理，其中CX與雷達轉軸聯接，負載為火炮的旋轉軸並與CT聯接。當雷達捕捉到飛行目標後，跟蹤飛行目標，進行射擊。

圖6是電機擴大機在自動調速系統中應用的原理圖。圖6中，他激直流電動機ZD的電樞由電機擴大機供電，激磁繞組由恆定電壓激磁。直流電動機除帶動負載外還帶動直流測速發電機ZC（由另～恆定直流電壓激磁）。ZC的輸出電壓與轉速成正比，經調節後輸到電機擴大機的控制繞組K₂，產生磁動勢F₂與控制繞組K₁所產生的磁動勢F₁的極性相反，F₁和F₂的合成磁動勢F成為電機擴大機的控制磁動勢，電機擴大機電樞即產生與控制磁動勢成比例的電功率並輸入ZD，使ZD以恆定速度旋轉。當由於負載變化等原因使ZD的轉速下降（或上升）時，則ZC的輸出電壓相應地下降（或上升），使合成磁動勢F增大（或減小），結果使電機擴大機的輸出功率上升（或下降），最終使ZD的轉速上升（或下降），自動調整到原先的轉速。 ^[1]