电磁电器设计基础课件：第九章 交直流同时磁化的磁路1.pptx

第九章 交直流同时磁化的磁路磁放大器磁放大器磁放大器磁放大器：用具有非线性特性的铁磁材料制成铁心，用具有非线性特性的铁磁材料制成铁心， 并用直流和交流电流使其磁化以进行电量并用直流和交流电流使其磁化以进行电量 变换的电器，属于静止型电磁电器变换的电器，属于静止型电磁电器交直流同时存在的磁系统或磁路，多用于对功率较大交直流同时存在的磁系统或磁路，多用于对功率较大的直流或交流电能进行控制，即放大作用的直流或交流电能进行控制，即放大作用优优优优 点：点：点：点：抗机械冲击和振动能力好，维修简便；抗机械冲击和振动能力好，维修简便；具有比晶体放大器更大的热过载能力和抗辐射能力；具有比晶体放大器更大的热过载能力和抗辐射能力；便于综合多个控制信号而彼此可以无电气上的连接便于综合多个控制信号而彼此可以无电气上的连接主要内容9-1 磁放大器运行的物理基础9-2 普通磁放大器9-3 反馈磁放大器磁放大器运行的物理基础电磁感应定律的微分形式电磁感应定律的微分形式电磁感应定律的积分形式电磁感应定律的积分形式磁通储存器：磁放大器的线圈贮存磁通等于线圈上所加磁通储存器：磁放大器的线圈贮存磁通等于线圈上所加 电压对时间的积分，即等于伏秒的积累。

电压对时间的积分，即等于伏秒的积累9-1 磁放大器运行的物理基础安培环路定律安培环路定律安匝平衡定律安匝平衡定律磁放大器所用的磁性材料及其磁化特性磁放大器所用的磁性材料大都是高磁导率的软磁材磁放大器所用的磁性材料大都是高磁导率的软磁材料，具有很窄的磁滞回线，且回线接近于矩形料，具有很窄的磁滞回线，且回线接近于矩形静态磁滞回线静态磁滞回线静态磁滞回线静态磁滞回线磁性材料在磁化时用稳磁性材料在磁化时用稳定的直流进行激磁所得定的直流进行激磁所得到的磁滞回线到的磁滞回线由交流电进行磁化所得到，由交流电进行磁化所得到，回回线宽度比线宽度比静态磁滞回线静态磁滞回线大大，因为用交流磁化因为用交流磁化时时会会产生产生涡流损耗涡流损耗，其和电源，其和电源频率频率的平方的平方成比例动态磁滞回线动态磁滞回线动态磁滞回线动态磁滞回线磁性材料的非线性磁性材料的非线性磁性材料的非线性磁性材料的非线性图（图（a a）三段折线，突出了材料的矩形度，略去了磁化电流三段折线，突出了材料的矩形度，略去了磁化电流图（图（b b）既考虑了材料矩形度的特征，又考虑了磁化时的磁既考虑了材料矩形度的特征，又考虑了磁化时的磁 化电流非线性电抗器非线性电抗器非线性电抗器非线性电抗器非线性电抗器（饱和电抗器）（饱和电抗器）（饱和电抗器）（饱和电抗器） 由非线性磁性材料构成的铁芯线圈，常用由非线性磁性材料构成的铁芯线圈，常用SRSR表示。

表示 饱和电抗器是构成各种类型磁放大器的基本单元，其从电源饱和电抗器是构成各种类型磁放大器的基本单元，其从电源 取用的电流和所加电压同相，为有功元件取用的电流和所加电压同相，为有功元件 SR接接直直流流阶阶跃跃电电压压SR接交流阶跃电压接交流阶跃电压SR铁心上接控制绕组铁心上接控制绕组9-2 普通磁放大器实际的磁放大器是由两个可控的实际的磁放大器是由两个可控的SRSR经过适当连接而成经过适当连接而成磁放大器绕组的极性及标注同名端的标注同名端的标注同名端的标注同名端的标注 从从“ “ ” ”流入绕组的电流定为电流的正方向；流入绕组的电流定为电流的正方向； 由规定正方向电流产生的磁势定为正磁势的方向，由规定正方向电流产生的磁势定为正磁势的方向，或称激磁磁势，反之为去磁磁势；或称激磁磁势，反之为去磁磁势； 带带“ “ ” ”号的端头的电位定为高于不带号的端头的电位定为高于不带“ “ ” ”号端号端头头的电位；的电位； 由规定正向磁势产生的磁通定为磁通的正方向由规定正向磁势产生的磁通定为磁通的正方向普通磁放大器的接线原则接线原则接线原则接线原则接线原则：使：使SRSR的交流端接受交流时，在它们的控制的交流端接受交流时，在它们的控制 回路中感应的基波电势互相取消回路中感应的基波电势互相取消在电源频率半周内的任何瞬时，一个铁芯上工作绕组和控制绕组所产生的磁势方向相同，另一个铁芯上则恰好相反。

普通磁放大器的电路、磁路方程忽略各绕组的漏电感时的电路方程忽略各绕组的漏电感时的电路方程工作回路工作回路控制回路控制回路磁路方程磁路方程工作绕组电流和控制电流工作绕组电流和控制电流普通磁放大器的波形分析电源电源 两铁芯均未达到饱和两铁芯均未达到饱和，利用，利用理想磁化特性理想磁化特性由电路由电路方程得方程得分两个阶段：分两个阶段：第第I I阶段，半周期点到阶段，半周期点到 ，两铁芯，两铁芯均未饱和；均未饱和；第第II II阶段，阶段， 到到半半周终点，一个铁芯周终点，一个铁芯饱和，另一个未饱和饱和，另一个未饱和同时对铁芯产生磁化作用同时对铁芯产生磁化作用和和和和波形不再相同波形不再相同正半周在正半周在A A铁芯中铁芯中发生的发生的变化，负变化，负半半周周将在将在B B铁芯重演铁芯重演代入电路方程，解得代入电路方程，解得第I阶段两工作绕组电压之和两工作绕组电压之和第II阶段代入磁路代入磁路方程方程由于由于A A铁芯饱和铁芯饱和 ，由，由电路方程可得电路方程可得物理意义：物理意义：A A铁芯饱和时，其铁芯饱和时，其ACAC绕组及控制绕组上的感绕组及控制绕组上的感应电势等于应电势等于0 0，相当于，相当于绕组短路，电源电压全加于不饱和绕组短路，电源电压全加于不饱和的的B B铁芯及负载上。

铁芯及负载上根据根据若若 ， 上升；若上升；若 ， 下降下降因为因为 同理可得电源负半周两阶段内各铁芯同理可得电源负半周两阶段内各铁芯B B的变化速度以及工的变化速度以及工作回路，控制回路电流的关系式作回路，控制回路电流的关系式s和uk的关系根据波形分析可知，两个铁芯磁通密度的变化规律总是在一个半周内增强，而在另一个半周内去磁稳态工作时，增磁半周的磁通密度的上升量和去磁半周的磁通密度的下降量大小相等根据控制电流的大小导出根据控制电流的大小导出 的变化 在半周内有两种情况：在半周内有两种情况：在半周内的平均电流在半周内的平均电流输入输出特性及其主要性能参数输入输出特性：输入输出特性：输出电流半周平均值和控制电流半周输出电流半周平均值和控制电流半周 平均值的关系平均值的关系在半周内的平均值在半周内的平均值普通磁放大器的等安匝关系普通磁放大器的等安匝关系当当 时，两个铁芯全都饱和，最大输出电流为时，两个铁芯全都饱和，最大输出电流为电流变化倍数电流变化倍数由于线性段的最小输出电流近似等于由于线性段的最小输出电流近似等于 , ,故故对于理想磁放大器对于理想磁放大器 ， ，故，故电流放大系数电流放大系数对于理想磁放大器对于理想磁放大器 实际情况，在输入输出线性段时实际情况，在输入输出线性段时功率放大系数功率放大系数对于理想磁放大器对于理想磁放大器实际情况，在输入输出线性段时实际情况，在输入输出线性段时 时间常数及传递函数时间常数及传递函数时间常数时间常数T T是用来表征过渡过程快慢的物理量，表示输出量是用来表征过渡过程快慢的物理量，表示输出量上升到最终值上升到最终值63.3%63.3%所需的时间。

所需的时间传递函数传递函数W(P)W(P)输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比品质因数品质因数也称质量因数，定义为功率放大系数与时间常数之比，即也称质量因数，定义为功率放大系数与时间常数之比，即式中式中 为工作回路的效率为工作回路的效率 当当 为常数时，为常数时，仅与电源电压仅与电源电压 f f 有关当当f=f=常数时，若要提高常数时，若要提高 ( (功率放大系数功率放大系数) )，则要增大，则要增大 ，相当于增大时间常数，即增加磁放大器的惯性；若要加速相当于增大时间常数，即增加磁放大器的惯性；若要加速动态响应，即减小时间常数动态响应，即减小时间常数T T，即减小，即减小 , ,则相当于减小了则相当于减小了 T T与与 是相反的两个特性指标，不可能同时得到优化是相反的两个特性指标，不可能同时得到优化要提高要提高，只有提高，只有提高 f f 9-4 反馈磁放大器原理接线图和输入输出特性 普通磁放大器的功放大倍数，取决于其匝比平方普通磁放大器的功放大倍数，取决于其匝比平方 ，在窗口面积不变的条件下，通过增大，在窗口面积不变的条件下，通过增大可提高可提高 ，但，但 增大了，增大了， 也跟着增大，因此利用增也跟着增大，因此利用增大大 的方法来提高的方法来提高 是有限度的。

如果窗口面积不受是有限度的如果窗口面积不受限制时增加限制时增加 ，则磁放大器体积增大则磁放大器体积增大 为了提高为了提高 ，常从减少控制信号功率上着手，即，常从减少控制信号功率上着手，即采用正反馈方法将磁放大器的输出反馈过来，以增加控采用正反馈方法将磁放大器的输出反馈过来，以增加控制信号反馈接线有两种：电流正反馈和电压正反馈反馈接线有两种：电流正反馈和电压正反馈由于输出是由于输出是ACAC信号，反馈至输入端之前应通过整流，变成信号，反馈至输入端之前应通过整流，变成DCDC，反馈绕组，反馈绕组 接线和接线和 相同对于电流反馈磁放大器，在其工作于饱和角对于电流反馈磁放大器，在其工作于饱和角 以后的区段以后的区段里，总的控制磁势平均值里，总的控制磁势平均值令令 , , 则则利用等安匝关系利用等安匝关系 ，可得，可得对于理想的整流器，对于理想的整流器，使用正反馈是为了减少磁放大器的惯性或提高它的品质因数使用正反馈是为了减少磁放大器的惯性或提高它的品质因数反馈磁放大器的输入输出特性，可利用作图法求反馈磁放大器的输入输出特性，可利用作图法求注意：注意： 时，反馈磁放大器处于继电工作状态时，反馈磁放大器处于继电工作状态。

反馈整流器对反馈磁放大器特性的影响反馈电流经桥式整流后获得，整流器的特性，例如反向电阻、反馈电流经桥式整流后获得，整流器的特性，例如反向电阻、稳定程度等直接影响着反馈的效果稳定程度等直接影响着反馈的效果以整流器反向电阻为例，理想情况下，正向电阻以整流器反向电阻为例，理想情况下，正向电阻 为常数，为常数，反向电阻反向电阻 ，实际上，实际上 是一个常数，是一个常数， 也有一定数值也有一定数值假设假设 ， 与电压和温度无关（实际使用时是有关的），则与电压和温度无关（实际使用时是有关的），则电流反馈式磁放大器桥式电路中瞬时电流关系如下：电流反馈式磁放大器桥式电路中瞬时电流关系如下： 和和 为整流器的正向电流与反向电流为整流器的正向电流与反向电流或或输出电流平均值与输入电流平均值之比为输出电流平均值与输入电流平均值之比为由于反向电流由于反向电流 的存在，使输出电流减少，影响了的存在，使输出电流减少，影响了反馈程度反馈程度 越趋近于越趋近于 , ,这种影响就越大而这种影响就越大而 ， 的的值也直接影响着值也直接影响着 值正确选用整流器是减少其对磁放大器特性影响的重要一环正确选用整流器是减少其对磁放大器特性影响的重要一环。