《控制電機》配套PPT課件及習題答案,控制電機,控制,電機,配套,PPT,課件,習題,答案 第第6章章 自整角機自整角機6.1 概述概述 6.2 控制式自整角機的工作原理控制式自整角機的工作原理6.3控制式自整角機的差動運行控制式自整角機的差動運行6.4 控制式自整角機的性能指標控制式自整角機的性能指標6.5 力矩式自整角機力矩式自整角機6.6 直線自整角機直線自整角機 6.7 自整角機的選擇和使用自整角機的選擇和使用6.1 概述概述 自整角機是一種將轉角變換成電壓信號或將電壓信號變換成轉角，以實現角度傳輸、變換和指示的元件。它可以用于測量或控制遠距離設備的角度位置，也可以在隨動系統(tǒng)中用作機械設備之間的角度聯(lián)動裝置，以使機械上互不相聯(lián)的兩根或兩根以上轉軸保持同步偏轉或旋轉。通常是兩臺或多臺組合使用。6.1.1自整角機的功能與分類自整角機的功能與分類 根據在系統(tǒng)中的作用不同自整角機可分為控制式和力矩式兩大類。分 類國內代號國際代號功 用力矩式發(fā)送機ZLFTX將轉子轉角變換成電信號輸出接收機ZLJTR接收力矩發(fā)送機的電信號，變換成轉子的機械能輸出差動發(fā)送機ZCFTDX串接于力矩發(fā)送機與接收機之間，將發(fā)送機轉角及自身轉角的和(或差)轉變?yōu)殡娦盘?輸送到接收機差動接收機ZCJTDR串接于兩個力矩發(fā)送機之間，接收其電信號，并使自身轉子轉角為兩發(fā)送機轉角的和(或差)控制式發(fā)送機ZKFCX同力矩發(fā)送機變壓器ZKBCT接收控制式發(fā)送機的信號，變換成與失調角呈正弦關系的電信號差動發(fā)送機ZKCCDX串接于發(fā)送機與變壓器之間，將發(fā)送機轉角及其自身轉角的和(或差)轉變?yōu)殡娦盘?，輸送到變壓器自整角機的分類與功用6.1.1自整角機的功能與分類自整角機的功能與分類 力矩式自整角機本身不能放大力矩，要帶動接收機軸上的機械負載，必須由自整角機一方的驅動裝置供給轉矩。力矩式自整角機系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，用在角度傳輸精度要求不高的系統(tǒng)，如遠距離指示液面的高度、閥門的開度、電梯和礦井提升機的位置、變壓器的分接開關位置等?？刂剖阶哉菣C接收機的轉軸不直接帶動負載，即沒有力矩輸出，當發(fā)送機和接收機轉子之間存在角度差（即失調角）時，接收機將輸出與失調角呈正弦函數規(guī)律的電壓，將此電壓加給伺服放大器，用放大后的電壓來控制伺服電動機，再驅動負載。由于接收機是工作在變壓器狀態(tài)，通常稱其為自整角變壓器?？刂剖阶哉菣C系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，它應用于負載較大及精度要求高的隨動系統(tǒng)。6.1.1自整角機的功能與分類自整角機的功能與分類 6.1.2自整角機的結構自整角機的結構自整角機大都采用兩極凸極或隱極結構 (a)轉子凸極結構 (b)定子凸極結構 (c)隱極式結構 圖6-1自整角機定、轉子結構搭配圖6-2自整角機的結構簡圖1-定子鐵心；2-三相整步繞組；3-轉子鐵心；4-轉子繞組；5-滑環(huán)；6-電刷6.1.2自整角機的結構自整角機的結構 在自動控制系統(tǒng)中，廣泛采用控制式自整角機與伺服機構組成的組合系統(tǒng)。ZKF為控制式自整角機的發(fā)送機，ZKB為控制式自整角機的接收機，也稱為自整角變壓器，ZKF和ZKB的整步繞組對應聯(lián)接。ZKB的轉子繞組向外輸出電壓，該電壓通常是接到放大器的輸入端，經放大后再加到伺服電動機的控制繞組，來驅動負載轉動。同時伺服電動機還經過減速裝置帶動ZKB的轉子隨同負載一起轉動，使失調角減小，ZKB的輸出電壓隨之減小。當達到協(xié)調位置時，ZKB的輸出電壓為零，伺服電動機停止轉動。6.2 控制式自整角機的工作原理控制式自整角機的工作原理 圖6-5控制式自整角機的工作原理圖 當ZKF的勵磁繞組接交流電源勵磁后，便產生一個在其軸線上脈振的磁場 ，該脈振磁場的磁通在定子各相繞組中感應電勢6.2.1發(fā)送機發(fā)送機ZKF的定子磁場的定子磁場在ZKF與ZKB的整步繞組回路中產生電流 Z為ZKF相繞組的阻抗ZF、ZKB相繞組的阻抗ZB和連接線的阻抗ZL之和，為相電流幅值 定子三相電流在時間上同相位，各自在自己的相軸上產生一個脈振磁場，磁場的幅值正比于各相電流，即，于是三個脈振磁場可分別寫成6.2.1發(fā)送機發(fā)送機ZKF的定子磁場的定子磁場圖6-6定子磁場的分解與合成x軸方向總磁通密度為6.2.1發(fā)送機發(fā)送機ZKF的定子磁場的定子磁場利用三角公式同理得y軸方向總磁通密度為 6.2.1發(fā)送機發(fā)送機ZKF的定子磁場的定子磁場6.2.1發(fā)送機發(fā)送機ZKF的定子磁場的定子磁場由上面的分析結果，可得出結論：由上面的分析結果，可得出結論：（1）定子合成磁場仍為脈振磁場；(2)合成磁場總是位于勵磁繞組軸線上，即與勵磁磁場在同一 軸線上,其幅值為 ；(3)合成磁場磁通密度的幅值為，合成磁場空間位置不變，磁 場大小為時間的函數，所以定子合成磁場仍為脈振磁場。6.2.2接收機接收機ZKB的定子磁場的定子磁場 因ZKB的三相繞組與ZKF的三相繞組中流過的是同一電流，故ZKB的定子合成磁場也是脈振磁場，其大小與ZKF的定子合成磁場相等、軸線與相繞組軸線的夾角也為 ，但由于電流方向相反，所以合成磁場 的方向與 的方向相反，如圖6-7所示。很明顯，ZKB的定子繞組為原邊，轉子單相繞組為副邊。由于ZKB的副邊輸出繞組軸線與定子相繞組軸線的夾角為 ，所以定子合成磁場的軸線與輸出繞組軸線的夾角為 ，也就是發(fā)送軸與接收軸的轉角差 。圖6-7 自整角機定、轉子磁場關系6.2.3 ZKB的輸出電動勢的輸出電動勢若將轉子由原先規(guī)定的起始協(xié)調位置轉過90電角度 圖6-8 控制式自整角機的協(xié)調位置則ZKB的輸出電壓為 當ZKB定子合成磁場的軸線與輸出繞組軸線的夾角 時，合成磁場在輸出繞組中感應電動勢的有效值為 上式表明ZKB輸出電動勢與失調角 的正弦成正比 因失調角一般很小，可近似認為 6.2.3 ZKB的輸出電動勢的輸出電動勢 圖6-9ZKB的輸出電動勢6.2.4小結小結綜合以上分析將控制式自整角機的工作原理歸納如下：綜合以上分析將控制式自整角機的工作原理歸納如下：(1)ZKF勵磁磁場是脈振磁場，ZKF定子各相繞組的感應電動勢在時間上 同相位，其有效值與定、轉子的相對位置有關。(2)在ZKF定子繞組感應電動勢作用下，兩自整角機繞組中的相電流總是 大小相等、方向相反。(3)在自整角機控制式運行時，將ZKB起始協(xié)調位置規(guī)定為與 繞組軸線 垂直的位置，協(xié)調時輸出電動勢 。輸出繞組軸線相對協(xié)調位置 的轉角 稱為失調角。(4)輸出繞組的電壓為 ，在失調角很小時，當出現失調 時，自整角機輸出電壓經放大后帶動伺服機轉動直至失 調 角 為零。6.3控制式自整角機的差動運行控制式自整角機的差動運行在隨動系統(tǒng)中，有時需要傳遞兩個轉軸的角度和或者角度差，這就要在上述控制式自整角機對ZKF和ZKB之間串入一臺差動發(fā)送機ZKC，作差動運行。圖6-10帶有ZKC的控制式自整角機原理圖則ZKC轉子繞組產生的磁場必定與轉子繞組的夾角為6.3.1工作原理工作原理在ZKB輸出繞組中感應電動勢為 該電動勢經放大器放大后，加到交流伺服電動機的控制繞組，交流伺服電動機就帶動ZKB按順時針方向轉動至輸出電動勢 ZKB輸出繞組軸線與其相軸線相互垂直，ZKF轉軸輸入ZKC轉軸輸入在圖6-10中因ZKC轉子三相繞組和ZKB定子三相繞組對應連接，所以它們對應相的電流大小相等、方向相反，該電流在ZKB定子繞組中產生的磁場 與 相軸線的夾角為 。實現了兩發(fā)送軸角度差的傳遞。如ZKC按逆時針方向轉 ，可實現兩發(fā)送軸角度和的傳送。6.3.2控制式差動發(fā)送機的應用控制式差動發(fā)送機的應用圖6-11火炮相對于羅盤方位角的控制原理圖上述系統(tǒng)中盡管艦艇的航向不斷變化，但火炮始終能自動對準某一目標。6.4 控制式自整角機的性能指標控制式自整角機的性能指標6.4.1誤差概述誤差概述 當控制式自整角機的失調角很小時，ZKB的輸出電壓為 在協(xié)調位置時 實際上由于結構和工藝上的各種因素，即使在協(xié)調位置，輸出繞組中仍存在電壓圖6-12輸出電壓相量圖 第一個分量稱為同相分量，引起轉角隨動誤差 第二個分量稱為正交分量，使系統(tǒng)工作惡化分解成二個分量 6.4.2控制式自整角機的主要技術指標控制式自整角機的主要技術指標1電電氣氣誤誤差差 2零位零位電壓電壓 靜態(tài)時由所引起的誤差稱為ZKB的電氣誤差 接收機轉子與發(fā)送機轉子處于協(xié)調位置時輸出繞組出現的端電壓叫零位電壓一般有50180 mV的殘余電壓。電壓等級/V頻率/HZ零位電壓/mV發(fā)送機變壓器20400507036400708011540015010011050180150控制式自整角機的零位電壓 3比比電壓電壓 ZKB在協(xié)調位置附近單位失調角（?。r的輸出電壓稱為比電壓比電壓大同樣大小的失調角所獲得的信號電壓也大，因此系統(tǒng)的靈敏度高 4輸輸出相位移出相位移 輸出相位移是指ZKB輸出電壓的基波分量對ZKF勵磁電壓基波分量的時間相位差。目前，國產ZKB的輸出相位移為220。5速度速度誤誤差差 轉速越高，速度電動勢越大，速度誤差也越大 當轉子轉速較高時產生一定的速度誤差 6.4.2控制式自整角機的主要技術指標控制式自整角機的主要技術指標6.5 力矩式自整角機力矩式自整角機6.5.1力矩式自整角機的工作原理力矩式自整角機的工作原理圖6-13力矩式自整角機的原理圖 應用疊加原理分別考慮ZLF勵磁磁通和ZLJ勵磁磁通的作用,所以ZLF和ZLJ同時勵磁定子繞組所產生的合成磁場應該是 和 的疊加。與轉子電流相互作用產生電磁力，但不產生轉矩 直軸分量交軸分量與相互作用產生轉矩 圖6-14轉子電流與定子磁場相互作用產生轉矩6.5.1力矩式自整角機的工作原理力矩式自整角機的工作原理為分析方便將ZLJ中的 分解成兩個分量 當失調角很小時，則ZLF中也會產生整步轉矩。整步轉矩的方向也是向著減小失調角的方向。6.5.1力矩式自整角機的工作原理力矩式自整角機的工作原理在該轉矩作用下使失調角減小，當其為零后 ，轉矩為零使ZLJ轉子軸線停止在與ZLF轉子軸線一致的位置上,稱為整步轉矩 6.5.2力矩式自整角機的差動運行力矩式自整角機的差動運行 當需要指示的角度為兩個已知角的和或差時，可以在一對力矩式自整角機之間加入一臺力矩式差動發(fā)送機ZCF，構成差動發(fā)送機系統(tǒng)。也可以在一對力矩式自整角機之間加入一臺力矩式差動接收機ZCJ，構成差動接收機系統(tǒng)。在隨動系統(tǒng)中，通常采用差動發(fā)送機系統(tǒng)。在差動發(fā)送機系統(tǒng)中，力矩式差動發(fā)送機ZCF的結構與控制式差動發(fā)送機ZKC極為相近，轉子采用隱極式，且定轉子都有三相對稱繞組。ZLF和ZLJ的勵磁繞組接同一交流電源勵磁它們的整步繞組分別與 ZCF的定子和轉子三相繞組對應連接 圖6-15帶有ZCF的力矩式自整角機系統(tǒng)6.5.2力矩式自整角機的差動運行力矩式自整角機的差動運行ZLJ轉子必然從相軸線轉過達到協(xié)調位置 實現兩角之差的傳送。若ZLF和ZKC的轉子異向偏轉時，則能實現兩角之和的傳送。6.5.3力矩式自整角機的主要技術指標力矩式自整角機的主要技術指標 1靜靜態(tài)誤態(tài)誤差差 發(fā)送機處于停轉或轉速很低時的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。在理想情況下，接收機應與發(fā)送機轉過相同的角度。但由于接收機軸上存在摩擦轉矩和阻尼轉矩，所以使兩機的轉角出現差值。把靜態(tài)空載運行而達到協(xié)調位置時，發(fā)送機轉子轉過的角度與接收機轉子轉過的角度之差稱為靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差通常用度或角分表示，它決定接收機的精度。根據靜態(tài)誤差的大小可分為三個精度等級：0級為0.5，1級為1.2，2級為2。2比整步比整步轉轉矩矩 在協(xié)調位置附近，失調角為1時接收機軸上所產生的整步轉矩，即 比整步轉矩越大，其整步能力越強，靜態(tài)誤差越小，所以比整步轉矩是ZLJ的一項重要性能指標。一般產品數據中均列出它的數值。3零位零位誤誤差差 當ZLF的轉子勵磁后，在理論上，從線電動勢為零的某一位置(基準零位)開始，轉子每轉過60，整步繞組中必有一線電動勢(或 或 )為零，此位置稱為理論電氣零位。但是由于設計、工藝、材料等因素的影響，實際電氣零位與理論電氣零位存在著差異，兩者之差稱為力矩式自整角機的零位誤差。6.5.3力矩式自整角機的主要技術指標力矩式自整角機的主要技術指標6.5.3力矩式自整角機的主要技術指標力矩式自整角機的主要技術指標 4阻尼阻尼時間時間 指強迫接收機轉子失調(1772)，放松后，經過衰減振蕩達到協(xié)調位置時所需要的時間。按規(guī)定阻尼時間不應大于3s。阻尼時間越短，表示接收機的跟隨性能越好。為此，在力矩式接收機中通常都裝有阻尼繞組，也有的裝有機械阻尼器。6.5.4力矩式自整角機的應用舉例力矩式自整角機的應用舉例圖6-16液面位置指示器1-浮子；2-平衡錘；3-自整角發(fā)送機；4-自整角接收機 浮子隨液面的高度升降將液面位置轉換成發(fā)送機轉子的轉角。于是接收機轉子就帶動指針準確地跟隨著發(fā)送機轉子的轉角變化而偏轉，從而實現了遠距離位置的指示。6.6 直線自整角機直線自整角機 在同步隨動系統(tǒng)中，有時要求系統(tǒng)作直線同步位移，如雷達直線測量儀中就采用直線自整角機。(b)直線自整角機結構圖 印刷電路板導線連接圖 直線自整角機的工作原理與旋轉式自整角機基本相同，印刷繞組基片通過兩個圓盤輪絞動，當印刷繞組中通入交流電流時，定子各相繞組中感應與印刷繞組位置有關的電壓；若定子三相繞組通電，印刷繞組作平行直線運動，其輸出端就產生一個與位置有關的輸出電壓。利用一對這樣的直線自整角機，就可實現兩絞輪間的直線位移同步。1：3個凸極定子；2：磁回路；3：直線位移的印刷動子6.7 自整角機的選擇和使用自整角機的選擇和使用 力矩式和控制式自整角機各有不同的特點，選用時應根據電源情況、負載種類、精度要求、系統(tǒng)造價等方面綜合考慮。6.7.1控制式和力矩式自整角機的特點及適用的系統(tǒng)和負載控制式和力矩式自整角機的特點及適用的系統(tǒng)和負載 控制式和力矩式自整角機的比較項 目控制式自整角機力矩式自整角機負載能力自整角變壓器只輸出信號，負載能力取決于系統(tǒng)中伺服電動機及放大器的功率接收機的負載能力受到精度及比整步轉矩的限制，故只能帶動指針、刻度盤等輕負載精 度較高較低系統(tǒng)結構較復雜，需要用伺服電動機、放大器、減速齒輪等較簡單，不需要用其它輔助元件系統(tǒng)造價較高較低6.7.2自整角機的選用自整角機的選用 1自整角機的技術數據自整角機的技術數據（1）勵磁電壓：是指加在勵磁繞組上，產生勵磁磁通的電壓。（2）最大輸出電壓：是指額定勵磁時，自整角機副邊的最大線電壓。（3）空載電流和空載功率：指副邊空載時，勵磁繞組的電流和消耗的功率。（4）開路輸入阻抗：指副邊開路，從原邊（勵磁端）看進去的等效阻抗。（5）短路輸出阻抗：指原邊（勵磁端）短路，從副邊繞組兩端看進去的 阻抗。（6）開路輸出阻抗：指原邊（勵磁端）開路，從副邊繞組兩端看進去的阻抗。（1）自整角機的勵磁電壓和頻率必須與使用的電源符合。對尺寸小的自 整角機，選電壓低的比較可靠；對長傳輸線，選用電壓高的可降低 線路壓降的影響；要求體積小、性能好的，應選400 Hz的自整角機 否則，采用工頻比較方便（不需要專用中頻電源）。（2）相互聯(lián)接使用的自整角機，其對接繞組的額定電壓和頻率必須相同。（3）在電源容量允許的情況下，應選用輸入阻抗較低的發(fā)送機，以便獲 得較大的負載能力。（4）選用自整角變壓器和差動發(fā)送機時，應選輸入阻抗較高的產品，以 減輕發(fā)送機的負載。2選用時應注意的事項選用時應注意的事項 6.7.2自整角機的選用自整角機的選用（1）零位調整：當自整角機在隨動系統(tǒng)中用作測量差角時，在調整之前其發(fā)送機和變 壓器刻度盤上的讀數通常需要進行調零。調零的方法是：轉動發(fā)送機的 轉子使其刻度盤上的讀數為零，然后固定發(fā)送機轉子，再轉動變壓器定 子，使變壓器在協(xié)調位置時，刻度盤的讀數也為零，并固定變壓器定子。6.7.2自整角機的選用自整角機的選用3使用中應注意的問題使用中應注意的問題（2）發(fā)送機和接收機切勿調錯：為了簡化理論分析，曾假設發(fā)送機與接收機結構相同。實際上，發(fā) 送機和接收機是有差異的。對于ZKF，其轉子為凸極結構，而ZKB的轉 子為隱極結構，因為隱極轉子的磁通密度在空間上的分布更接近正弦。另外，ZKF和ZKB的定、轉子繞組的參數也不一樣，因此ZKF與ZKB不能 互換。對于力矩式自整角機，ZLJ帶有電阻尼（與勵磁繞組相交90處 有一短路繞組，稱阻尼繞組）或機械阻尼，而ZLF則沒有阻尼，若二者 對調，易發(fā)生振蕩，使跟隨性能變差。