船舶電氣設備與系統(tǒng).課件

1、第六章 控制電機 本章概述控制電機是自動控制系統(tǒng)中應用范圍非常廣泛的旋轉(zhuǎn)電器。在船舶控制系統(tǒng)中也得到了廣泛應用。例如船舶雷達的自動定位、方向舵的自動操縱與監(jiān)測、傳令用電車鐘，調(diào)速裝置等都要使用控制電機。控制電機種類很多，根據(jù)它們在自動控制系統(tǒng)中的作用，可分為執(zhí)行元件和測量元件兩大類。執(zhí)行元件主要包括交、直流伺服電動機、步進電動機等，它的任務是將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度的變化；測量元件主要包括交、直流測速發(fā)電機、自整角機等，它可以用來測量機械轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速等。本章介紹幾種船舶常用的控制電機的基本結構、工作原理、特性和用途。 第1頁，共34頁。第6章 控制電機本章主要內(nèi)容 第一節(jié)

2、 伺服電動機 第二節(jié) 測速發(fā)電機 第三節(jié) 自整角機 第2頁，共34頁。第一節(jié) 伺服電動機 伺服電動機在控制系統(tǒng)中是用作驅(qū)動控制對象的執(zhí)行元件，它的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號電壓的控制。特點： 當有電信號（交流控制電壓或直流控制電壓）輸入到 伺服電動機的控制繞組時，它就馬上拖動被控制的對 象旋轉(zhuǎn)；當電信號消失時，它就立即停止轉(zhuǎn)動。伺服電動機分為交流和直流兩種類型。返回第3頁，共34頁。一、交流伺服電動機 1. 結構特點 交流伺服電動機實際上是兩相異步電動機。其基本結構 和一般異步電動機相似。定子鐵心上裝有空間相隔90 的兩個繞組：一個是勵磁繞組，另一個是控制繞組。 定子的鐵心分隱極式和凸極式，圖6-1為凸

3、極形定子鐵心。隱極形式的定子鐵心形狀與三相異步電動機相同，但繞組是由兩個空間相差90的繞組制成。 伺服電動機的轉(zhuǎn)子有鼠籠式轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種。 杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機的結構如圖6-1所示。第4頁，共34頁。圖6-1 杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機的結構圖返回第5頁，共34頁。2. 工作原理 （1）控制繞組加控制電壓圖6-2為交流伺服電動機的接線圖。圖6-3為向量圖。圖6-4為不同控制電壓下的機械特性曲線。第6頁，共34頁。圖6-2 交流伺服電動機的接線圖圖6-3 電壓與電流相量 圖圖6-4 不同控制電壓下 的機械特性曲線第7頁，共34頁。（2）控制電壓 控制電壓 的運行狀態(tài)可分 兩種情況討論：第一種情況：伺服

4、電動機在運行中控制電壓消失而變?yōu)榱?，電動機會立即停轉(zhuǎn)。此時電動機勵磁繞組產(chǎn)生脈動磁場，由于伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻足夠大，其轉(zhuǎn)矩特性右圖所示。在伺服電動機正（或反轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)時，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動方向相反，即產(chǎn)生制動電磁轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下電機立即停轉(zhuǎn)。圖6-5交流伺服電動機單相運行特性T = f (s )第8頁，共34頁。第二種情況：未加控制電壓（勵磁繞組始終接在 交流電源上），脈動磁場作用于電動機起動轉(zhuǎn)矩 為零，所以轉(zhuǎn)子保持靜止不動。第9頁，共34頁。二、直流伺服電動機 1.結構特點 2.控制方法與性能 3.控制特性 第10頁，共34頁。1. 結構特點 直流伺服電動機的結構與直流電機相同。根據(jù)獲得磁極

5、 磁場型式的不同，常用的直流伺服電動機的結構型式有 直流永磁式和電磁式兩種。 永磁式的磁極為永久磁鐵，采用具有矯頑磁力和剩磁感 應強度值很高的稀土永磁材料組成。 電磁式伺服電動機如同他勵直流電動機，它的勵磁繞組 和電樞分別有兩個獨立電源供電。為了減小轉(zhuǎn)動慣量， 使其響應迅速，直流伺服電動機的電樞都做成細長形。第11頁，共34頁。2. 控制方法與性能 直流伺服電動機的工作原理與一般的直流電動機相同， 電樞電流和磁極磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 根據(jù)直流電動機轉(zhuǎn)速公式 直流伺服電動機的控制方式有兩種，電樞控制與磁場控 制，即改變電樞電壓 的大小和極性（電樞控制）或采 取改變磁極磁通的大小和方

6、向（磁場控制）來改變 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向。后者控制特性的線性程度較差，很 少采用。第12頁，共34頁。 圖6-6為電磁式電樞控制接線圖如所示。 圖6-7為直流伺服電動機在不同控制電壓下的機械特性 曲線nf（T）。第13頁，共34頁。圖6-6 直流伺服電動機的接線圖返回第14頁，共34頁。圖6-7 直流伺服電動機的機械特性第15頁，共34頁。3.控制特性 伺服電動機在固定的負載下，控制信號電壓U2的大小與 轉(zhuǎn)速n之間的關系稱作控制特性，又稱調(diào)節(jié)特性。 在電動機穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩T = TL，機械特性 的表達式為： 圖6-8為控制特性。第16頁，共34頁。圖6-8 控制特性（T3T2T1）返回第1

7、7頁，共34頁。第二節(jié) 測速發(fā)電機 測速發(fā)電機的功能是將機械轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸 出。它在自動控制系統(tǒng)中用來測量和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在反饋 系統(tǒng)中常用來穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。 測速發(fā)電機有直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩種類 型。結構特點與運行原理。返回第18頁，共34頁。 1. 結構特點 交流測速發(fā)電機的結構和交流伺服電動機相同，其轉(zhuǎn)子有鼠籠式和空心杯轉(zhuǎn)子兩種類型，但鼠籠轉(zhuǎn)子特性差，目前大多數(shù)采用空心杯形轉(zhuǎn)子。定子上放置兩套空間相差90的繞組，一個是勵磁繞組，另一個是輸出繞組，工作時，勵磁繞組接在恒定的交流電源上（勿需串聯(lián)電容），產(chǎn)生脈動磁場。當轉(zhuǎn)子由某種設備拖動旋轉(zhuǎn)時，輸出繞組將有感應電壓輸出，感應電壓與

8、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成線性正比例關系。 第19頁，共34頁。2. 工作原理 交流測速發(fā)電機的原理示意圖如圖6-9示。 圖6-10為交流測速發(fā)電機的原理。第20頁，共34頁。圖6-9 交流測速發(fā)電機的原理圖第21頁，共34頁。 圖6-10 交流測速發(fā)電機的原理圖 返回第22頁，共34頁。船舶上常用測速發(fā)電機（直流或交流）、轉(zhuǎn)速指示儀和接線箱等組成遠距離轉(zhuǎn)速測量和監(jiān)視系統(tǒng)。以船舶主機的轉(zhuǎn)速測量為例，測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器、齒輪或鏈輪鏈條與主機凸輪軸或尾軸連接。幾個并聯(lián)的轉(zhuǎn)速指示表分別安裝在機艙、集控室、駕駛室和輪機長室。轉(zhuǎn)速表內(nèi)設有調(diào)節(jié)電阻，以適配不同距離的應用場合之需。第23頁，共34頁。第三節(jié) 自整角

9、機 在同步傳動系統(tǒng)（即轉(zhuǎn)角隨動系統(tǒng)）中，為了實現(xiàn)兩 個或兩個以上相距很遠而在機械上又互不聯(lián)系的轉(zhuǎn)軸 進行同步角位移或同步旋轉(zhuǎn)，常采用電氣上互相聯(lián) 系，并具有自動整步能力的電機來實現(xiàn)轉(zhuǎn)角的自動指 示或同步傳遞，這種電機稱為自整角機。在自整角構成的同步傳動系統(tǒng)中，自整角機至少是兩 個或兩個以上組合使用。其中一個自整角機與主動軸 相聯(lián)稱為發(fā)送機，另一個與從動系統(tǒng)相聯(lián)稱為接收 機。通常發(fā)送機和接收機的型號和結構完全相同。返回第24頁，共34頁。自整角機按其在同步傳動系統(tǒng)使用要求的不同分為力 矩式自整角機和控制式自整角機。自整角機又分單相 和三相兩種。 圖6-11為舵角指示裝置示意圖。 圖6-12為自整

10、角機結構示意圖。第25頁，共34頁。圖6-12 自整角機結 構示意圖圖6-11 舵角指示裝 置示意圖返回第26頁，共34頁。一、力矩式自整角機 1.接線方式 如圖6-13 2.工作原理 如圖6-13 如圖6-14第27頁，共34頁。圖6-13 力矩式自整角機的接線圖返回第28頁，共34頁。圖6-14 0時電磁轉(zhuǎn)矩方向示意圖（力矩式）(a)發(fā)送機(b)接收機第29頁，共34頁。 在實際應用中，常會遇到一臺發(fā)送機同時帶動幾臺接收機并聯(lián)運行，如船舶上的舵角指示器等。由于力矩式自整角機的輸出轉(zhuǎn)矩一般很小，通常只能帶動指針類型的負載。因此為了提高自整角系統(tǒng)的負載能力和精確度，常采用另一種自整角系統(tǒng)，這種系統(tǒng)采用控制式自整角機。第30頁，共34頁。二、控制式自整角機 控制式自整角機是把力矩式接收機的轉(zhuǎn)子繞組 從 電源上斷開，作為輸出繞組。其基本功能是發(fā)送機接 收到某一系統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)角信號后，將其轉(zhuǎn)換為接收機 的電壓信號輸出。 1.接線方式 圖6-15 圖6-16 2.工作原