船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng).課件

1、第六章 控制電機(jī) 本章概述控制電機(jī)是自動控制系統(tǒng)中應(yīng)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(yīng)用。例如船舶雷達(dá)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(jī)。控制電機(jī)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(jī)、步進(jìn)電動機(jī)等，它的任務(wù)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(jī)、自整角機(jī)等，它可以用來測量機(jī)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(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和用途。 第1頁，共34頁。第6章 控制電機(jī)本章主要內(nèi)容 第一節(jié)

2、 伺服電動機(jī) 第二節(jié) 測速發(fā)電機(jī) 第三節(jié) 自整角機(jī) 第2頁，共34頁。第一節(jié) 伺服電動機(jī) 伺服電動機(jī)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(dāng)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(jī)的控制繞組時，它就馬上拖動被控制的對 象旋轉(zhuǎn)；當(dāng)電信號消失時，它就立即停止轉(zhuǎn)動。伺服電動機(jī)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(jī) 1. 結(jié)構(gòu)特點 交流伺服電動機(jī)實際上是兩相異步電動機(jī)。其基本結(jié)構(gòu) 和一般異步電動機(jī)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(jī)相同，但繞組是由兩個空間相差90的繞組制成。 伺服電動機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)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(jī)的結(jié)構(gòu)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(jī)的接線圖。圖6-3為向量圖。圖6-4為不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線。第6頁，共34頁。圖6-2 交流伺服電動機(jī)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(jī)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(jī)在運行中控制電壓消失而變?yōu)榱?，電動機(jī)會立即停轉(zhuǎn)。此時電動機(jī)勵磁繞組產(chǎn)生脈動磁場，由于伺服電動機(jī)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(jī)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(jī)立即停轉(zhuǎn)。圖6-5交流伺服電動機(jī)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(jī)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(jī) 1.結(jié)構(gòu)特點 2.控制方法與性能 3.控制特性 第10頁，共34頁。1. 結(jié)構(gòu)特點 直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與直流電機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)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(yīng)強(qiáng)度值很高的稀土永磁材料組成。 電磁式伺服電動機(jī)如同他勵直流電動機(jī)，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(yīng)迅速，直流伺服電動機(jī)的電樞都做成細(xì)長形。第11頁，共34頁。2. 控制方法與性能 直流伺服電動機(jī)的工作原理與一般的直流電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速公式 直流伺服電動機(jī)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(jī)在不同控制電壓下的機(jī)械特性 曲線nf（T）。第13頁，共34頁。圖6-6 直流伺服電動機(jī)的接線圖返回第14頁，共34頁。圖6-7 直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性第15頁，共34頁。3.控制特性 伺服電動機(jī)在固定的負(fù)載下，控制信號電壓U2的大小與 轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系稱作控制特性，又稱調(diào)節(jié)特性。 在電動機(jī)穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩T = TL，機(jī)械特性 的表達(dá)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(jī) 測速發(fā)電機(jī)的功能是將機(jī)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(jī)有直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)兩種類 型。結(jié)構(gòu)特點與運行原理。返回第18頁，共34頁。 1. 結(jié)構(gòu)特點 交流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和交流伺服電動機(jī)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(dāng)轉(zhuǎn)子由某種設(shè)備拖動旋轉(zhuǎn)時，輸出繞組將有感應(yīng)電壓輸出，感應(yīng)電壓與

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

9、機(jī) 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(yuǎn)而在機(jī)械上又互不聯(lián)系的轉(zhuǎn)軸 進(jìn)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(jī)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)角的自動指 示或同步傳遞，這種電機(jī)稱為自整角機(jī)。在自整角構(gòu)成的同步傳動系統(tǒng)中，自整角機(jī)至少是兩 個或兩個以上組合使用。其中一個自整角機(jī)與主動軸 相聯(lián)稱為發(fā)送機(jī)，另一個與從動系統(tǒng)相聯(lián)稱為接收 機(jī)。通常發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的型號和結(jié)構(gòu)完全相同。返回第24頁，共34頁。自整角機(jī)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(jī)和控制式自整角機(jī)。自整角機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。第25頁，共34頁。圖6-12 自整角機(jī)結(jié) 構(gòu)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(jī) 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(jī)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(jī)(b)接收機(jī)第29頁，共34頁。 在實際應(yīng)用中，常會遇到一臺發(fā)送機(jī)同時帶動幾臺接收機(jī)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一般很小，通常只能帶動指針類型的負(fù)載。因此為了提高自整角系統(tǒng)的負(fù)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(jī)。第30頁，共34頁。二、控制式自整角機(jī) 控制式自整角機(jī)是把力矩式接收機(jī)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(jī)接 收到某一系統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)角信號后，將其轉(zhuǎn)換為接收機(jī) 的電壓信號輸出。 1.接線方式 圖6-15 圖6-16 2.工作原