控制電機(jī)論文

1、控制電機(jī)論文指導(dǎo)老師： _顧春雷_學(xué)生姓名： _周靈_學(xué)號(hào) ： _1160601150_班級(jí) ： _Z電氣111_專業(yè) ： 電氣工程及其自動(dòng)化電氣工程學(xué)院 2014.5.1引言本篇論文是基于這一學(xué)期以來對(duì)控制電機(jī)這門學(xué)科學(xué)習(xí)與個(gè)人感悟而撰寫的。本篇論文選擇的課題是力矩式自整角機(jī)。全篇論文主要闡述了力矩式自整角機(jī)的原理、主要特性以及力矩式自整角機(jī)的應(yīng)用，從這三個(gè)方面展示出個(gè)人對(duì)力矩式自整角機(jī)的學(xué)習(xí)及認(rèn)識(shí)整角機(jī)作為精密旋轉(zhuǎn)伺服元件廣泛地應(yīng)用在近代技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。隨著科學(xué)的發(fā)展,自整角機(jī)面臨著許多特殊要求和特殊應(yīng)用,研討這些新課題,有利于發(fā)展新品種。七十年代以來,國內(nèi)發(fā)展了控制-力矩式自整角機(jī)(ZK

2、L)系列。這種自整角機(jī)同時(shí)兼有控制式自整角變壓器和力矩式自整角機(jī)的雙重功能,既可以在控制式系統(tǒng)中作自整角變壓器,經(jīng)過線路換接,又可在力矩式系統(tǒng)中作自整角接收機(jī)。其結(jié)構(gòu)特征是定子(或轉(zhuǎn)子)放置星形連接的三相整步繞組(和傳統(tǒng)的自整角機(jī)三相繞組相同),轉(zhuǎn)子(或定子)放置兩個(gè)空間垂直的單相繞組,其中一個(gè)繞組作為控制式自整角變壓器的輸出繞組,另一繞組作為力。由于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中使用的電動(dòng)機(jī)種類和數(shù)量日益增加，且性能各異，因此，必須熟悉各類電動(dòng)機(jī)和負(fù)載機(jī)械設(shè)備的類型、結(jié)構(gòu)、性能及用途等，使其能安全、高效、經(jīng)濟(jì)地去拖動(dòng)各種負(fù)載機(jī)械設(shè)備。本篇論文對(duì)力矩式自整角機(jī)既有理論論述，又有實(shí)際應(yīng)

3、用介紹，具有全面性、系統(tǒng)性、實(shí)用性、可讀性的特點(diǎn)，避免繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算和高深的理論，從實(shí)際出發(fā)，深入淺出，涉及的范圍廣，內(nèi)容豐富，特別是有具體的實(shí)例介紹，對(duì)于學(xué)習(xí)力矩式自整角機(jī)的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。 力矩式自整角機(jī)的原理及應(yīng)用1160601150 周靈一、 力矩式自整角機(jī)的工作原理：力矩式自整角機(jī)的原理圖如圖1所示。假定各相整步繞組參數(shù)相同，兩臺(tái)自整角機(jī)參數(shù)相同。在自整角機(jī)中，以a相整步繞組軸線和勵(lì)磁繞組軸線之間的夾角，作為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。如圖1所示，發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角為1，接收機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角為2，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)轉(zhuǎn)角的差值，稱為失調(diào)角，定義為=12。 自整角機(jī)的整步繞組為星形連接，圖1中特意畫出中線

4、，是為了分析方便，實(shí)際應(yīng)用中并沒有接這條線，這是有原因的，后面的分析將會(huì)說明這一點(diǎn)。由于中線的存在，在兩臺(tái)自整角機(jī)之間就構(gòu)成了三個(gè)回路。它們分別是a相整步繞組回路，b相整步繞組回路，c相整步繞組回路。圖1 力矩式自整角機(jī)原理圖由于各相整步繞組回路參數(shù)相同，先以a相整步繞組回路進(jìn)行分析。在a相整步繞組回路中，電流的有效值Ia應(yīng)為兩臺(tái)自整角機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)的有效值的差值與a相整步繞組回路阻抗2Za的比值，按圖5-2的參考方向，有：（ 5 -1） 式中， 接收機(jī)感應(yīng)電勢(shì)的有效值； 發(fā)送機(jī)感應(yīng)電勢(shì)的有效值； a相整步繞組的阻抗。根據(jù)和旋轉(zhuǎn)變壓器類似的分析，E2a這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來源于接收機(jī)勵(lì)磁繞組磁場(chǎng)的變化

5、。具體大小取決于接收機(jī)a相整步繞組和接收機(jī)勵(lì)磁繞組軸線的角度。假設(shè)該角度為2角，接收機(jī)勵(lì)磁繞組磁場(chǎng)的幅值為d，在接收機(jī)a相整步繞組中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為E2a = 4.44 f N Kd cos2 = E cos2同理，在發(fā)送機(jī)a相整步繞組中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為E1a = 4.44 f N Kd cos1 = E cos1 (5-2)式中，d 直軸繞組（勵(lì)磁繞組）磁通的幅值；K 整步繞組的基波繞組系數(shù)；E 接收機(jī)a相整步繞組和接收機(jī)勵(lì)磁繞組軸線重合時(shí)所能產(chǎn)生最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值。由式(5-1)得到a相整步繞組回路感應(yīng)電流的有效值為 (5-3)式中，I 最大感應(yīng)電流的有效值。，最大感應(yīng)電流

6、的產(chǎn)生條件是a相整步繞組回路出現(xiàn)最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)2E，數(shù)學(xué)推算可以得出，在1 = 180°并且在2 = 0°時(shí)就會(huì)引起最大感應(yīng)電流。同理，在b相整步繞組回路和c相整步繞組回路分別進(jìn)行分析，可以得到各自回路的感應(yīng)電流的有為： (5-4) (5-5)a相整步繞組回路，b相整步繞組回路和c相整步繞組回路的電流都流經(jīng)中線，因此，中線上的總電流為：In = Ia + Ib + Ic將式(5-3)、式(5-4)和式(5-5)代入，并經(jīng)過三角公式的展開，可以得到中線上的總電流為：In = Ia + Ib + Ic = 0因此中線上的總電流In為零，實(shí)際使用中可以不接中線。圖1中所示中線可以

7、省去不接。各相整步繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流之后，由于電生磁的關(guān)系，感應(yīng)電流必然在各相產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)大小可以用磁勢(shì)表示。a相整步繞組回路中，通過發(fā)送機(jī)整步繞組和接收機(jī)整步繞組的電流相等，因此發(fā)送機(jī)整步繞組的磁勢(shì)的幅值F1a等于接收機(jī)整步繞組的磁勢(shì)的幅值F2aF1a = F2a (5-6)式中， 常數(shù)因子，是將電流有效值變?yōu)殡娏鞣刀鴰淼模?常數(shù)因子，是將方波磁勢(shì)近似看作正弦波磁勢(shì)所帶來的，在方波磁勢(shì)的傅里葉級(jí)數(shù)展開式中，只取基波所占的一項(xiàng),忽略其余各項(xiàng)：圖2 發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的各個(gè)磁勢(shì)分量同理，對(duì)于b相整步繞組回路和c相整步繞組回路的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，也可以用磁勢(shì)表示如下：F1b = F

8、2b = (5-7)F1c = F2c = (5-8)下面將對(duì)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的合成磁勢(shì)情況分別進(jìn)行分析。對(duì)于發(fā)送機(jī)，分析方法是將各相整步繞組產(chǎn)生的感應(yīng)磁勢(shì)進(jìn)行合成。將各相整步繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)都在直軸d軸方向和交軸q軸方向進(jìn)行投影，每相整步繞組的感應(yīng)磁勢(shì)都得到兩個(gè)分量。直軸d軸方向即沿勵(lì)磁繞組軸線方向向上，交軸q軸方向即直軸d軸方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°所得到的參考方向。最后將每相的磁勢(shì)的直軸分量相加，將每相的磁勢(shì)的交軸分量相加，得到直軸磁勢(shì)分量F1d和交軸磁勢(shì)分量F1q，再利用正交合成得到一個(gè)合成磁勢(shì)F1。對(duì)于接收機(jī)，也采用同樣的方法將各相整步繞組產(chǎn)生的感應(yīng)磁勢(shì)進(jìn)行合成。得到直軸磁勢(shì)分量F2

9、d、交軸磁勢(shì)分量F2q以及合成磁勢(shì)F2。發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的各個(gè)磁勢(shì)分量的關(guān)系如圖2所示。對(duì)于發(fā)送機(jī)，直軸磁勢(shì)分量為：F1d = F1a cos1 + F1b cos(1120°) + F1c cos(1 +120°) = (5-9)式中，F(xiàn)m 各相整步繞組產(chǎn)生的最大基波磁勢(shì)的幅值，當(dāng)兩臺(tái)自整角機(jī)的a相整步繞組軸線與各自的勵(lì)磁繞組軸線重合時(shí)，產(chǎn)生最大基波磁勢(shì)。同理求得發(fā)送機(jī)交軸磁勢(shì)分量F1q為：F1q = F1a sin1F1b sin(1120°) F1c sin(1 + 120°) = (5-10)發(fā)送機(jī)的直軸磁勢(shì)分量F1d以及交軸磁勢(shì)分量F1q已經(jīng)得出

10、，利用正交合成得到一個(gè)發(fā)送機(jī)的合成磁勢(shì)F1F1 = (5-11)發(fā)送機(jī)的合成磁勢(shì)與交軸的夾角 = (5-12)對(duì)于接收機(jī)進(jìn)行類似分析，可以得到接收機(jī)的感應(yīng)磁勢(shì)的各個(gè)量的大?。呵蟪鲋陛S磁勢(shì)分量F2dF2d = F2a cos2 F2b cos(2 120°) F2c cos(2 + 120°) = 接收機(jī)交軸磁勢(shì)分量F2q為：F2q = F2a sin2 F2b sin(2 120°) F2c sin(2 + 120°)= 故接收機(jī)的合成磁勢(shì)F2F2 = (5-13)接收機(jī)的合成磁勢(shì)與交軸的夾角 = (5-14)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的直軸磁場(chǎng)、直軸磁勢(shì)分量、交軸

11、磁勢(shì)分量、合成磁勢(shì)均已標(biāo)在圖2中。分析的邏輯順序是先有直軸磁場(chǎng)，后有感應(yīng)磁場(chǎng)。后產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)用了直軸磁勢(shì)分量、交軸磁勢(shì)分量、合成磁勢(shì)三個(gè)量來描述。發(fā)送機(jī)和接收機(jī)各自的感應(yīng)磁場(chǎng)將與原來的直軸磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生自動(dòng)整步的動(dòng)作。二、 力矩式自整角機(jī)的主要特性1.發(fā)送機(jī)的直軸磁勢(shì)分量為負(fù)值由表達(dá)式F1d = 直軸磁勢(shì)分量為負(fù)值，這說明直軸電樞反應(yīng)為去磁作用。為了維持直軸磁通的不變，勵(lì)磁繞組將會(huì)自動(dòng)增大電流，從電源多吸收能量，這是能量守恒原理的體現(xiàn)，因?yàn)槎辔盏哪芰恳糜诎l(fā)送機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的能量。2.接收機(jī)的直軸磁勢(shì)分量為負(fù)值由表達(dá)式F2d = 接收機(jī)的直軸磁勢(shì)分量也為負(fù)值，這說明接收機(jī)直軸電樞反應(yīng)

12、也為去磁作用。產(chǎn)生這個(gè)直軸感應(yīng)磁勢(shì)分量必然引起接收機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而消耗了能量，根據(jù)能量守恒原理，勵(lì)磁繞組將會(huì)增大電流，從電源多吸收這部分能量。3.各磁勢(shì)分量與位置角無關(guān)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)中的直軸磁勢(shì)分量、交軸磁勢(shì)分量和合成磁勢(shì)的大小，與發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的位置角無關(guān)，僅為失調(diào)角 的函數(shù)。4.發(fā)送機(jī)和接收機(jī)磁勢(shì)分量絕對(duì)值相等發(fā)送機(jī)和接收機(jī)整步繞組感應(yīng)磁勢(shì)的直軸分量大小相等，方向相同；交軸分量大小相等，方向相反。5.直軸磁勢(shì)分量可以忽略在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的失調(diào)角很小，大約幾度的數(shù)量級(jí)。根據(jù)直軸磁勢(shì)分量和交軸磁勢(shì)分量的表達(dá)式可以得出，直軸磁勢(shì)分量和交軸磁勢(shì)分量相比很小，在某些情況下可以忽略。6.

13、 各磁勢(shì)分量同時(shí)為零失調(diào)角為零時(shí)，各相整步繞組的感應(yīng)電流為零，因此發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的直軸磁勢(shì)分量、交軸磁勢(shì)分量、合成磁勢(shì)三個(gè)量均同時(shí)為零。7、 力矩式自整角機(jī)的轉(zhuǎn)矩發(fā)送機(jī)和接收機(jī)各自的感應(yīng)磁場(chǎng)將與原來的直軸磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生某種動(dòng)作。當(dāng)力矩式自整角機(jī)失調(diào)角為時(shí)，作用在電機(jī)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩稱為為整步轉(zhuǎn)矩，從本質(zhì)上說，它是由三個(gè)整步繞組中的感應(yīng)電流和直軸磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的。如果簡化分析，可以直接理解為感應(yīng)磁場(chǎng)將與原來的直軸磁場(chǎng)的相互作用。先從磁場(chǎng)相互作用的角度來分析發(fā)送機(jī)和接收機(jī)各自的轉(zhuǎn)矩：當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)有對(duì)齊的趨勢(shì)，并產(chǎn)生對(duì)齊的轉(zhuǎn)矩。例如，在桌子上放置一塊磁鐵，再拿另外一塊磁鐵接近

14、桌子上的磁鐵，如果接近的方向一致，兩塊磁鐵直接吸在一起，沒有相互轉(zhuǎn)動(dòng)；如果接近的方向不一致，那么桌子上的磁鐵將會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)直到與手中拿的一塊對(duì)齊，也就是說產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，在磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，手也會(huì)感到阻力，正是手克服該阻力做的功為桌子上的磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)提供了能量。在自整角機(jī)中，整步繞組中的感應(yīng)電流產(chǎn)生了與原來的直軸磁場(chǎng)方向不一致的感應(yīng)磁場(chǎng)，產(chǎn)生的過程即是做功的過程，會(huì)直接引起轉(zhuǎn)動(dòng)，能量來自于勵(lì)磁電源。參看圖5-3，在發(fā)送機(jī)中，合成磁勢(shì)F1與直軸磁場(chǎng)NS方向不一致，要達(dá)到對(duì)齊，發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)該順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到合成磁勢(shì)F1對(duì)齊直軸磁場(chǎng)NS，轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果是發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角1減小。在接收機(jī)中，合成磁勢(shì)F2與直軸磁場(chǎng)NS

15、方向也不一致，要達(dá)到對(duì)齊，接收機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)該逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到合成磁勢(shì)F2對(duì)齊直軸磁場(chǎng)NS，轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果是接收機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角2增大。在圖2所示的情況下，原先1較大，2較小，轉(zhuǎn)動(dòng)后發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角1減小，接收機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角2增大，最后必然是1 =2，失調(diào)角為零。再從電流與磁場(chǎng)相互作用的角度來分析發(fā)送機(jī)和接收機(jī)各自的轉(zhuǎn)矩,見圖5-1：這種分析方法是把各個(gè)分量磁勢(shì)都看作是由一個(gè)各自的虛擬的線圈通過電流所產(chǎn)生的。這個(gè)線圈只是分析需要想象出來的，并不是實(shí)際的線圈。圖5-1b所示的是直軸磁通和產(chǎn)生直軸磁勢(shì)的線圈。顯然，直軸磁通對(duì)線圈不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩; 圖5-1c所示的交軸磁通和產(chǎn)生交軸磁勢(shì)的線圈,它們之間相互作用也不會(huì)產(chǎn)

16、生轉(zhuǎn)矩。圖5-1 電流與磁場(chǎng)相互作用圖5-1d所示的是直軸磁通和產(chǎn)生正向交軸磁勢(shì)的線圈。它們之間相互作用將使該線圈產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)矩，可以用左手定則進(jìn)行判斷。圖5-1e所示的是交軸磁通和產(chǎn)生正向直軸磁勢(shì)的線圈。它們之間相互作用將使該線圈產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩。運(yùn)用這種分析方法，在發(fā)送機(jī)中，直軸磁通和產(chǎn)生合成磁勢(shì)F1的虛擬載流線圈相互作用；在接收機(jī)中，直軸磁通和產(chǎn)生合成磁勢(shì)F2的虛擬載流線圈相互作用，分別在各自電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩。作用在自整角機(jī)轉(zhuǎn)子上的整步轉(zhuǎn)矩為：T = KTd Fq式中，KT 比例常數(shù)。如果發(fā)送機(jī)和接收機(jī)均處于自由旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，發(fā)送機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；接收機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使接收機(jī)轉(zhuǎn)子旋

17、轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)是使1 =2。當(dāng)1 =2時(shí)，失調(diào)角為0，此時(shí)發(fā)送機(jī)整步繞組合成磁勢(shì)和接收機(jī)整步繞組合成磁勢(shì)均為零，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的整步轉(zhuǎn)矩為零。三、力矩式自整角機(jī)的應(yīng)用力矩式自整角機(jī)主要用于角度傳輸?shù)闹甘鞠到y(tǒng)中，下面將其應(yīng)用舉例說明由下圖分析知：液面的高度發(fā)生改變時(shí)，帶動(dòng)浮子隨著液面的上升或下降，通過滑索帶動(dòng)自整角發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這是第一步，將液面位置的直線變化轉(zhuǎn)換成發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的角度變化。自整角發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間再通過導(dǎo)線遠(yuǎn)距離連接起來。因?yàn)樽哉前l(fā)送機(jī)和自整角接收機(jī)的轉(zhuǎn)角位置發(fā)生了改變，產(chǎn)生了失調(diào)角。根據(jù)理論分析，自整角發(fā)送機(jī)和自整角接收機(jī)這時(shí)應(yīng)該產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使自整角發(fā)送機(jī)和自整角接收機(jī)的轉(zhuǎn)角對(duì)

18、齊。自整角發(fā)送機(jī)產(chǎn)生的力矩和滑索的外力矩平衡，保持靜止；自整角接收機(jī)產(chǎn)生的力矩帶動(dòng)表盤指針轉(zhuǎn)過一個(gè)失調(diào)角，這是第二步，正好指示出角度的改變。實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的位置指示。這種系統(tǒng)還可以用于電梯和礦井提升機(jī)位置的指示及核反應(yīng)堆中的控制棒指示器等裝置中。圖3 液面位置指示器三、 結(jié)論 通過對(duì)力矩式自整角機(jī)的工作原理及運(yùn)行特性的分析，力矩式自整角機(jī)用于開環(huán)系統(tǒng),不具備放大力矩的功能,只適用于負(fù)載較輕且傳遞精度要求不高的指示系統(tǒng)。力矩式自整角接收機(jī)在指示狀態(tài)下運(yùn)行，其靜態(tài)精度主要取決于比整步轉(zhuǎn)矩和摩擦力矩的大小。接收機(jī)的靜態(tài)比整步轉(zhuǎn)矩的大小除了和整步繞組每相最大感應(yīng)電勢(shì)有效的平方成正比外，還與自整角機(jī)的交軸短路電阻及交軸短路電抗的大小有關(guān)。四、參考文獻(xiàn)：1 楊渝欽 控制電機(jī)M.機(jī)械工業(yè)出版社，2001.2 任彥碩,趙一丁,張家生.自動(dòng)控制系統(tǒng)M.北京：北京郵電大學(xué)出版社2006.3 陳龍昌，控制電機(jī)M.X西安.西安電子科技大學(xué)出版社，2002 4 楊宜民.新型驅(qū)動(dòng)器及其應(yīng)用M.機(jī)械工業(yè)出版社, 19971. 6 李忠杰,寧守信.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1998.5 張家生.電機(jī)原理與拖動(dòng)基礎(chǔ)M.北京：北京郵電大學(xué)出版社2006