自整角機(jī)(第5章)

控制電機(jī)中國礦大信電學(xué)院第5章

自整角機(jī)5.1自整角機(jī)概述5.2自整角機(jī)的基本結(jié)構(gòu)5.3自整角機(jī)的工作原理和基本特點(diǎn)5.5自整角機(jī)的應(yīng)用舉例第5章自整角機(jī)5.4自整角機(jī)主要性能指標(biāo)和技術(shù)數(shù)據(jù)5.6力矩式自整角機(jī)第5章自整角機(jī)本章要求：熟練掌握控制式自整角機(jī)的工作原理及其工作特點(diǎn)。掌握控制式自整角機(jī)接收機(jī)輸出繞組的位置、輸出繞組電勢與失調(diào)角的關(guān)系。掌握力矩式自整角機(jī)的工作特點(diǎn)、靜態(tài)整步轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系、比整步轉(zhuǎn)矩等。掌握自整角發(fā)送機(jī)與接收機(jī)成對(duì)使用的特點(diǎn)，了解自整角機(jī)的應(yīng)用。5.1

概述

自整角機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的同步元件。利用兩臺(tái)或多臺(tái)自整角機(jī)在電路上的聯(lián)系，可以使相隔一定距離、機(jī)械上互不連接的兩根或多根轉(zhuǎn)軸保持同步旋轉(zhuǎn)或產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)角變化。

與發(fā)送軸（即主動(dòng)軸）耦合的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)；與接收軸（即被動(dòng)軸）耦合的自整角機(jī)稱為接收機(jī)。21變速器前置放大器信號(hào)處理直流放大器可控硅控制線路電源雷達(dá)雷達(dá)接收器測速發(fā)電機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)自整角機(jī)發(fā)送機(jī)手輪功率變換器接收機(jī)自整角機(jī)按其使用要求不同，可分為控制式自整角機(jī)和力矩式自整角機(jī)。控制式自整角接收機(jī)輸出的是與兩軸轉(zhuǎn)角差成一定關(guān)系的電壓，該電壓控制交流伺服電動(dòng)機(jī)去帶動(dòng)被動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，故能帶動(dòng)較大負(fù)載。由于接收機(jī)工作在變壓器狀態(tài)，故通常稱為自整角變壓器。力矩式接收機(jī)直接輸出力矩并帶動(dòng)負(fù)載，但帶載能力差，只能帶動(dòng)指針、刻度盤等輕負(fù)載，常用于角度傳輸精度要求不很高的指示系統(tǒng)中。自整角機(jī)按結(jié)構(gòu)形式不同可分為接觸式和無接觸式兩大類。雷達(dá)高低角自動(dòng)顯示系統(tǒng)原理圖1.自整角接收機(jī)2.自整角發(fā)送機(jī)3.交流伺服電動(dòng)機(jī)4.放大器5.刻度盤6.減速器<U~Uj~123456E2雷達(dá)高低角系統(tǒng)是如何進(jìn)行工作的？思考：自整角機(jī)工作錄象1~Uj

Z1Z2D1D2D3

5.2

自整角機(jī)的基本結(jié)構(gòu)定子：鐵心，三相對(duì)稱繞組；接成Y。轉(zhuǎn)子：鐵心，單相繞組。通過電刷和滑環(huán)與外電路連接。5.3

控制式自整角機(jī)的工作原理

一、激磁磁場自整角機(jī)的激磁磁場，是一個(gè)磁場軸線在空間固定于激磁繞組軸線上，磁通密度分布曲線的幅值隨時(shí)間交變的脈振磁場。12~Uj

Z1Z2E0D1D2D3D’1D’2Z’1Z’2自整角機(jī)工作原理圖D’3脈振磁場特點(diǎn)：對(duì)某一瞬時(shí)而言，氣隙各點(diǎn)磁通密度沿定子內(nèi)圓作正弦分布；2.對(duì)氣隙中的某一點(diǎn)而言，其磁通密度

隨時(shí)間作正弦變化。it10t2t3t4t5t1t2t3t4t5激磁電流曲線氣隙磁通密度分布曲線（復(fù)習(xí)內(nèi)容）二、定子繞組的感應(yīng)電勢和電流轉(zhuǎn)子激磁繞組所產(chǎn)生的脈振磁通必定和定子各相繞組相匝鏈，因而在定子各相繞組中感應(yīng)出電勢。左圖中，與定子三相繞組交鏈的磁通分別為：Z1Z2D1D1D1軸線B1激磁磁通對(duì)

定子繞組的匝鏈D2D31m=mcos12m=

mcos(1+120o)3m=

mcos(1+240o)1m=mcos12m=

mcos(1+120o)3m=mcos(1+240o)定子三相繞組中感應(yīng)出變壓器電勢分別為：E1=4.44fWDmcos1E2=4.44fWDmcos(1+120o)E3=4.44fWD

mcos(1+240o)令E

=4.44fWDm，則E1=E

cos1E2=Ecos(1+120o)E3=E

cos(1+240o)電勢同相位，同頻率Z1Z2D1D1D1軸線B1D2D3由于發(fā)送機(jī)定子和接收機(jī)定子相互連接，這些電勢必定在定子繞組中產(chǎn)生電流。I1=I

cos1I2=I

cos(1+120o)I3=I

cos(1+240o)電勢同相位，同頻率12~Uj

Z1Z2E0D1D2D3D’1D’2Z’1Z’2I1I2I3E1=E

cos1E2=Ecos(1+120o)E3=E

cos(1+240o)三、定子繞組電流產(chǎn)生的磁場定子繞組流過電流時(shí)，也要產(chǎn)生磁場。由于三相對(duì)稱繞組中產(chǎn)生的電流是同相的。因此，定子三相電流產(chǎn)生的合成磁場是脈振的，但其脈振磁場的幅值在空間的什么位置？Z1Z2D1D2D1軸線B1定子合成磁場軸線一定在激磁繞組軸線上。I1=I

cos1I2=I

cos(1+120o)I3=I

cos(1+240o)定子合成磁場軸線之所以在激磁繞組軸線上，是由于定子三相是對(duì)稱的。如果把發(fā)送機(jī)激磁繞組作為原邊，定子三相繞組作為副邊，那么它的原、副邊間的電磁關(guān)系就類似一臺(tái)變壓器。

由物理知識(shí)知道，此時(shí)定子合成磁場必定對(duì)激磁磁場起去磁作用。當(dāng)激磁電流的瞬時(shí)值增加時(shí)，定子合成磁場的方向必定與激磁磁場方向相反。Z1Z2D1D2D1軸線B1結(jié)論：

1、合成磁通密度相量

B在激磁繞組軸線上。由于激磁繞組軸線和定子D1相軸線的夾角為1，因此定子合成磁場的軸線與D1相相夾1

。

2、合成磁場是一個(gè)脈振磁場。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21發(fā)送機(jī)接收機(jī)

4、合成脈振磁場的幅值為3Bm/2

，它與轉(zhuǎn)子對(duì)定子的相對(duì)位置1無關(guān)。

3、合成磁通密度相量在空間的位置不變。合成磁通密度相量的長度（模）是時(shí)間的正弦函數(shù)。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21發(fā)送機(jī)接收機(jī)自整角接收機(jī)（自整角變壓器）產(chǎn)生的磁場如何呢？發(fā)送機(jī)和變壓器的三相同步繞組是對(duì)應(yīng)連接的，因此各對(duì)應(yīng)相的電流應(yīng)該大小相等、方向相反，所以變壓器合成磁場軸線也與D’1相相夾1，但方向與發(fā)送機(jī)中的合成磁場相反。該磁場以B’表示。發(fā)送機(jī)接收機(jī)1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21i1i2i3四、輸出繞組的電勢當(dāng)輸出繞組軸線與變壓器定子軸線差2時(shí)，則合成磁場的軸線與輸出繞組軸線夾角為2-

1=時(shí)，合成磁場在輸出繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的有效值為：E0=E0maxcosE0max是定子合成磁場軸線與輸出繞組軸線重合時(shí)的感應(yīng)電勢，此時(shí)達(dá)到最大。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’211自整角發(fā)送機(jī)的激磁電壓是一定的，一對(duì)自整角機(jī)的參數(shù)一定，因而E0max是一個(gè)常數(shù)。變壓器輸出繞組電勢的有效值與兩轉(zhuǎn)軸的差角的余弦成正比。當(dāng)=0，cos=1即轉(zhuǎn)子繞組軸線重合時(shí)，E0=E0max，變壓器輸出電勢達(dá)到最大。B’D’2D’1D’32E0Z’1Z’211E0=E0maxcos把

=0作為協(xié)調(diào)位置，那么協(xié)調(diào)時(shí)反而輸出最大電勢，這是隨動(dòng)系統(tǒng)所不希望的。系統(tǒng)希望協(xié)調(diào)位置時(shí)輸出繞組電勢為0。B’D’2D’1D’32E0Z’1Z’211E0=E0maxcos通常把

=90o（與定子B垂直）的位置作為協(xié)調(diào)位置，偏離此位置的角度叫失調(diào)角，=90o-E0=E0maxcos=E0maxsinB’D’2D’1D’32E0Z’1Z’211B’D’1Z’11協(xié)調(diào)位置在失調(diào)角很小時(shí)，

sin

E0

E0max。在

角很小且用弧度作單位時(shí)，

sin

。當(dāng)

=0o~30o（即0

~0.523弧度）以代替sin所造成的誤差不大于5%。自整角變壓器輸出繞組接上交流放大器時(shí)，可認(rèn)為輸出繞組電壓為：U0=U0max該電壓經(jīng)放大后，送給交流伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)就帶著接收軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以消除轉(zhuǎn)角的差值。失調(diào)角很小時(shí)，輸出電勢看成與失調(diào)角成正比，這樣輸出電勢的大小反映了發(fā)送軸和接收軸轉(zhuǎn)角差值的大小。E0

E0maxB’D’1Z’11協(xié)調(diào)位置控制式自整角機(jī)的工作原理小結(jié)：

1

發(fā)送機(jī)激磁磁場是一個(gè)脈振磁場，它在發(fā)送機(jī)定子繞組中感應(yīng)出變壓器電勢。

2

發(fā)送機(jī)定子繞組各相的感應(yīng)電勢，在時(shí)間上是同相的，其有效值與定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置有關(guān)。E1=E

cos1E2=Ecos(1+120o)E3=E

cos(1+240o)1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21i1i2i3

3

發(fā)送機(jī)、接收機(jī)定子的三相繞組是對(duì)應(yīng)連接的，在發(fā)送機(jī)定子繞組感應(yīng)電勢作用下，兩繞組中的相電流大小相等、方向相反。4

發(fā)送機(jī)定子合成磁場與勵(lì)磁磁場在空間方向相反。5

發(fā)送機(jī)與接收機(jī)定子合成磁場分別與D1軸線相差相同的1角度。但方向相反。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21i1i2i3

6

接收機(jī)定子產(chǎn)生的合成脈振磁場軸線與輸出繞組軸線夾角為。

5

自整角機(jī)控制式運(yùn)行時(shí)，=

2-

1=90o的位置定義為協(xié)調(diào)位置。協(xié)調(diào)時(shí)，輸出電勢E0=0。相對(duì)協(xié)調(diào)位置的轉(zhuǎn)角叫做失調(diào)角或差角。

6

輸出繞組的電勢是變壓器電勢，其有效值E0=E0maxsin

，在小失調(diào)角時(shí)，可認(rèn)為E0=E0max

。這里

的單位為弧度。B’D’1Z’11協(xié)調(diào)位置1、畫出協(xié)調(diào)位置；2、失調(diào)角、輸出？1~Uj

Z1Z2BjD1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’2Z’11+1

協(xié)調(diào)位置E0=E0maxsin=90++1-21、畫出協(xié)調(diào)位置；2、失調(diào)角、輸出？+1

E0=E0maxsin=330-(+1)-21~Uj

Z1Z2BjD1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’2Z’11協(xié)調(diào)位置5.4

控制式自整角機(jī)的性能指標(biāo)一、誤差概述控制式自整角機(jī)在失調(diào)角很小時(shí)，其變壓器的輸出電壓為U0=U0max

，當(dāng)=0時(shí)，U0=0

。這個(gè)結(jié)論是在理想的自整角機(jī)中得出來的。實(shí)際上，由于結(jié)構(gòu)和工藝上的各種因素，即使在協(xié)調(diào)位置=0輸出繞組中仍有電壓U0存在。一般情況下，這個(gè)電壓U0的相位和基本輸出電壓U0不一致。D’1B’Z’11=0協(xié)調(diào)位置U0為研究方便，把這個(gè)電壓分解成兩個(gè)分量，一個(gè)分量和基本輸出電壓相位相同，一個(gè)分量和基本輸出電壓相位互差

90o，如圖所示。第一個(gè)分量將引起轉(zhuǎn)角的隨動(dòng)誤差。這個(gè)誤差用表示。第二個(gè)分量稱為正交分量，它不能引起轉(zhuǎn)角的隨動(dòng)誤差，但它使放大器和系統(tǒng)的工作惡化。自整角機(jī)的誤差還分為靜態(tài)誤差和速度誤差。B’Z’11=0協(xié)調(diào)位置D’1二、控制式自整角機(jī)的性能指標(biāo)1、電氣誤差1）自整角變壓器的電氣誤差靜態(tài)時(shí)所引起的誤差稱為自整角變壓器的電氣誤差。該誤差取決于每一臺(tái)自整角機(jī)偏離理想條件的程度，所以出廠時(shí)要逐臺(tái)測定。它還與變壓器定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置有關(guān)，所以要測出對(duì)應(yīng)定、轉(zhuǎn)子不同位置時(shí)的誤差值。B’Z’11=0協(xié)調(diào)位置D’12）自整角發(fā)送機(jī)的電氣誤差E1=E

cos1E2=Ecos(1+120o)E3=E

cos(1+240o)自整角發(fā)送機(jī)定子繞組中的感應(yīng)電勢理論值滿足

但由于設(shè)計(jì)、工藝、材料等因素的影響，各組線電勢的實(shí)際值不等于理論值。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子使其偏離給定的電氣角，直到實(shí)際的線電勢和理論值相等。將電氣角和實(shí)測角相比，超前為正誤差，滯后為負(fù)誤差。每隔150測一次。正、負(fù)最大誤差絕對(duì)值之和的一半定義為發(fā)送機(jī)的電氣誤差。1~Uj

Z1Z2D1D2D32、零位電壓1）自整角變壓器的零位電壓2）自整角發(fā)送機(jī)的零位電壓在測定自整角變壓器電氣誤差時(shí)，曾出現(xiàn)如下現(xiàn)象，無論怎樣改變變壓器轉(zhuǎn)子位置，其輸出電勢都不為零，而只能減小到一個(gè)相當(dāng)小的數(shù)值。由于此時(shí)自整角發(fā)送機(jī)和變壓器達(dá)到實(shí)際的協(xié)調(diào)位置，處于實(shí)際的電氣零位，所以這個(gè)殘留下來的電壓稱為零位電壓或殘余電壓。發(fā)送機(jī)零位電壓的含義和測試方法類似自整角變壓器。B’Z’11=0協(xié)調(diào)位置D’13、比電壓4、輸出相位移輸出電壓和失調(diào)角的關(guān)系為U0=U0maxsin

，在角很小時(shí)，U0=U0max

；即此時(shí)可以用正弦曲線在

=0處的切線近似地代替該曲線，這條切線的斜率稱為比電壓或電壓陡度。其值等于在協(xié)調(diào)位置附近失調(diào)角變化1o時(shí)輸出電壓的增量，單位為V/（o）。輸出相位移是指自整角變壓器輸出電壓的基波分量對(duì)自整角發(fā)送機(jī)激磁電壓基波分量的時(shí)間相位差。目前，國產(chǎn)自整角變壓器的輸出相位移為2o~20o。5、速度誤差當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時(shí)，由于發(fā)送機(jī)定子繞組切割轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生切割電勢，并在兩定子繞組中產(chǎn)生附加電流和磁場，因而在變壓器輸出繞組中感應(yīng)電勢,稱為速度電勢。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21

由于速度電勢的存在，使得變壓器轉(zhuǎn)子最后所處的位置不是=0的地方，而是偏離協(xié)調(diào)位置v

。這樣，就造成了速度誤差v。轉(zhuǎn)速越高，速度電勢越大，速度誤差也越大。5.5

帶有差動(dòng)發(fā)送機(jī)的控制式運(yùn)行自整角機(jī)除了作成對(duì)運(yùn)行外，還有加入差動(dòng)發(fā)送機(jī)的控制式運(yùn)行。其目的是用來傳遞兩個(gè)發(fā)送軸的角度和或角度差。差動(dòng)自整角機(jī)與普通自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)有些不同，它為隱極式結(jié)構(gòu)。定、轉(zhuǎn)子鐵心的槽中放置三相分布繞組，并接成星形。極對(duì)數(shù)仍為1。轉(zhuǎn)子繞組通過三組滑環(huán)和電刷引出。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’ZKFZKC21自整角發(fā)送機(jī)差動(dòng)發(fā)送機(jī)自整角接收機(jī)定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子E0Z’1Z’2D’2

D’1D’3ZKB定子轉(zhuǎn)子帶有差動(dòng)發(fā)送機(jī)的控制式運(yùn)行

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’E0Z’1Z’2D’2

D’1D’3

=1-2B’ZKFZKCZKB121發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于D1軸分別轉(zhuǎn)動(dòng)1和2。差動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場與轉(zhuǎn)子C1軸為180-(1-2)。接收機(jī)定子磁場與定子D1軸為(1-2)。11E0=E0maxsin(1-2)

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’E0Z’1Z’2D’2

D’1D’3

=1-2B’ZKFZKCZKB121接收機(jī)輸出電勢：當(dāng)伺服電機(jī)帶動(dòng)接收機(jī)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過1-2時(shí)，輸出為0，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，達(dá)到協(xié)調(diào)位置。實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)差角度的傳遞。

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’E0Z’1Z’2D’2

D’1D’3B’ZKFZKCZKB1211

=1+2E0=E0maxsin(1+2)當(dāng)伺服電機(jī)帶動(dòng)接收機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過1+2時(shí)，輸出為0，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，達(dá)到協(xié)調(diào)位置。實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)角度和的傳遞。5.6

力矩式自整角機(jī)將控制式自整角機(jī)接收機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組也加上交流激磁電壓，那么接收機(jī)的轉(zhuǎn)子就可以帶一定的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)了。根據(jù)電磁作用規(guī)律，如果在磁場中有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈，當(dāng)它通過電流時(shí)，它的兩個(gè)邊都與磁場作用產(chǎn)生電磁力；這兩個(gè)電磁力形成轉(zhuǎn)矩，使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，力矩的方向是使載流線圈所產(chǎn)生的磁場方向與外磁場方向一致。力矩式自整角機(jī)就是利用這個(gè)原理進(jìn)行工作的。Bj發(fā)送機(jī)和接收機(jī)同時(shí)勵(lì)磁，磁場分布如圖。D1D2D3D’1

Z’1Z’2~Uj

Z1Z2D’3BBj

,B

,BjD’2B

,B發(fā)送機(jī)接收機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場相互作用會(huì)產(chǎn)生電磁力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。力矩式自整角機(jī)結(jié)構(gòu)和接線D1D2D3D’1

Z’1Z’2~Uj

Z1Z2D’3BBj

,B

,BjBBsinBcosD’2B

,接收機(jī)轉(zhuǎn)子磁場Bj

,與定子磁場分量Bsin相互作用產(chǎn)生力矩，使接收機(jī)轉(zhuǎn)子向減小的方向運(yùn)轉(zhuǎn)，直到為0，電磁轉(zhuǎn)矩Tem=0。將B分解此時(shí)為協(xié)調(diào)位置。=0，Tem=0，Bj與B同方向。D1D2D3D’1

Z’1Z’2~Uj

Z1Z2D’3BBj

,B

,BjBBsinBcosD’2B

,為失調(diào)角，電磁轉(zhuǎn)矩Tem與它的正弦成正比。Tem=KBsin

D1D2D3D’1

Z’1Z’2~Uj

Z1Z2D’3BBj

,B

,BjBBsinBcosD’2B

,接收機(jī)轉(zhuǎn)子磁場Bj

,與定子磁場分量Bsin相互作用產(chǎn)生力矩，使接收機(jī)轉(zhuǎn)子向減小的方向運(yùn)轉(zhuǎn)（順時(shí)針），直到為0，電磁轉(zhuǎn)矩Tem=0。發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子受電磁力嗎？力矩式差動(dòng)自整角機(jī)工作原理

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’D’2

D’1D’3

=1-2B’ZLFZCFZLJ121Z1，Z2，Uj，Bj，力矩發(fā)送機(jī)力矩式差動(dòng)發(fā)送機(jī)力矩式接收機(jī)

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’D’2

D’1D’3

=1-2B’ZLFZCFZLJ21Z1，Z2，Uj，Bj，力矩式接收機(jī)力矩式接收機(jī)在電磁力矩的作用下，將順時(shí)針轉(zhuǎn)1-2。1

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3C’2