自整角機(第5章)

控制電機中國礦大信電學院第5章

自整角機5.1自整角機概述5.2自整角機的基本結(jié)構(gòu)5.3自整角機的工作原理和基本特點5.5自整角機的應用舉例第5章自整角機5.4自整角機主要性能指標和技術(shù)數(shù)據(jù)5.6力矩式自整角機第5章自整角機本章要求：熟練掌握控制式自整角機的工作原理及其工作特點。掌握控制式自整角機接收機輸出繞組的位置、輸出繞組電勢與失調(diào)角的關(guān)系。掌握力矩式自整角機的工作特點、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)送機與接收機成對使用的特點，了解自整角機的應用。5.1

概述

自整角機是自動控制系統(tǒng)中的同步元件。利用兩臺或多臺自整角機在電路上的聯(lián)系，可以使相隔一定距離、機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（即主動軸）耦合的自整角機稱為發(fā)送機；與接收軸（即被動軸）耦合的自整角機稱為接收機。21變速器前置放大器信號處理直流放大器可控硅控制線路電源雷達雷達接收器測速發(fā)電機直流伺服電動機自整角機發(fā)送機手輪功率變換器接收機自整角機按其使用要求不同，可分為控制式自整角機和力矩式自整角機?？刂剖阶哉墙邮諜C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機去帶動被動軸旋轉(zhuǎn)，故能帶動較大負載。由于接收機工作在變壓器狀態(tài)，故通常稱為自整角變壓器。力矩式接收機直接輸出力矩并帶動負載，但帶載能力差，只能帶動指針、刻度盤等輕負載，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。雷達高低角自動顯示系統(tǒng)原理圖1.自整角接收機2.自整角發(fā)送機3.交流伺服電動機4.放大器5.刻度盤6.減速器<U~Uj~123456E2雷達高低角系統(tǒng)是如何進行工作的？思考：自整角機工作錄象1~Uj

Z1Z2D1D2D3

5.2

自整角機的基本結(jié)構(gòu)定子：鐵心，三相對稱繞組；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

控制式自整角機的工作原理

一、激磁磁場自整角機的激磁磁場，是一個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間交變的脈振磁場。12~Uj

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

隨時間作正弦變化。it10t2t3t4t5t1t2t3t4t5激磁電流曲線氣隙磁通密度分布曲線（復習內(nèi)容）二、定子繞組的感應電勢和電流轉(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

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)送機定子和接收機定子相互連接，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，也要產(chǎn)生磁場。由于三相對稱繞組中產(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稱的。如果把發(fā)送機激磁繞組作為原邊，定子三相繞組作為副邊，那么它的原、副邊間的電磁關(guān)系就類似一臺變壓器。

由物理知識知道，此時定子合成磁場必定對激磁磁場起去磁作用。當激磁電流的瞬時值增加時，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、合成磁場是一個脈振磁場。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21發(fā)送機接收機

4、合成脈振磁場的幅值為3Bm/2

，它與轉(zhuǎn)子對定子的相對位置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）是時間的正弦函數(shù)。1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’21發(fā)送機接收機自整角接收機（自整角變壓器）產(chǎn)生的磁場如何呢？發(fā)送機和變壓器的三相同步繞組是對應連接的，因此各對應相的電流應該大小相等、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)送機中的合成磁場相反。該磁場以B’表示。發(fā)送機接收機1~Uj

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

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

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

Z1Z2Bj1BB’D1D2D3D’2

D’1D’32E0Z’1Z’211自整角發(fā)送機的激磁電壓是一定的，一對自整角機的參數(shù)一定，因而E0max是一個常數(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=0，cos=1即轉(zhuǎn)子繞組軸線重合時，E0=E0max，變壓器輸出電勢達到最大。B’D’2D’1D’32E0Z’1Z’211E0=E0maxcos把

=0作為協(xié)調(diào)位置，那么協(xié)調(diào)時反而輸出最大電勢，這是隨動系統(tǒng)所不希望的。系統(tǒng)希望協(xié)調(diào)位置時輸出繞組電勢為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，

sin

E0

E0max。在

角很小且用弧度作單位時，

sin

。當

=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，可認為輸出繞組電壓為：U0=U0max該電壓經(jīng)放大后，送給交流伺服電動機，伺服電動機就帶著接收軸轉(zhuǎn)動，以消除轉(zhuǎn)角的差值。失調(diào)角很小時，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的工作原理小結(jié)：

1

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

2

發(fā)送機定子繞組各相的感應電勢，在時間上是同相的，其有效值與定、轉(zhuǎn)子的相對位置有關(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、接收機定子的三相繞組是對應連接的，在發(fā)送機定子繞組感應電勢作用下，兩繞組中的相電流大小相等、方向相反。4

發(fā)送機定子合成磁場與勵磁磁場在空間方向相反。5

發(fā)送機與接收機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

自整角機控制式運行時，=

2-

1=90o的位置定義為協(xié)調(diào)位置。協(xié)調(diào)時，輸出電勢E0=0。相對協(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，可認為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

控制式自整角機的性能指標一、誤差概述控制式自整角機在失調(diào)角很小時，其變壓器的輸出電壓為U0=U0max

，當=0時，U0=0

。這個結(jié)論是在理想的自整角機中得出來的。實際上，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，把這個電壓分解成兩個分量，一個分量和基本輸出電壓相位相同，一個分量和基本輸出電壓相位互差

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

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

cos(1+240o)自整角發(fā)送機定子繞組中的感應電勢理論值滿足

但由于設(shè)計、工藝、材料等因素的影響，各組線電勢的實際值不等于理論值。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子使其偏離給定的電氣角，直到實際的線電勢和理論值相等。將電氣角和實測角相比，超前為正誤差，滯后為負誤差。每隔150測一次。正、負最大誤差絕對值之和的一半定義為發(fā)送機的電氣誤差。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)送機的零位電壓在測定自整角變壓器電氣誤差時，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，而只能減小到一個相當小的數(shù)值。由于此時自整角發(fā)送機和變壓器達到實際的協(xié)調(diào)位置，處于實際的電氣零位，所以這個殘留下來的電壓稱為零位電壓或殘余電壓。發(fā)送機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，U0=U0max

；即此時可以用正弦曲線在

=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自整角發(fā)送機激磁電壓基波分量的時間相位差。目前，國產(chǎn)自整角變壓器的輸出相位移為2o~20o。5、速度誤差當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時，由于發(fā)送機定子繞組切割轉(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

帶有差動發(fā)送機的控制式運行自整角機除了作成對運行外，還有加入差動發(fā)送機的控制式運行。其目的是用來傳遞兩個發(fā)送軸的角度和或角度差。差動自整角機與普通自整角機的結(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)送機差動發(fā)送機自整角接收機定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子E0Z’1Z’2D’2

D’1D’3ZKB定子轉(zhuǎn)子帶有差動發(fā)送機的控制式運行

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’E0Z’1Z’2D’2

D’1D’3

=1-2B’ZKFZKCZKB121發(fā)送機轉(zhuǎn)子相對于D1軸分別轉(zhuǎn)動1和2。差動機轉(zhuǎn)子磁場與轉(zhuǎn)子C1軸為180-(1-2)。接收機定子磁場與定子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接收機輸出電勢：當伺服電機帶動接收機轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過1-2時，輸出為0，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，達到協(xié)調(diào)位置。實現(xiàn)了兩個發(fā)送機轉(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)當伺服電機帶動接收機轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過1+2時，輸出為0，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，達到協(xié)調(diào)位置。實現(xiàn)了兩個發(fā)送機轉(zhuǎn)角度和的傳遞。5.6

力矩式自整角機將控制式自整角機接收機的轉(zhuǎn)子繞組也加上交流激磁電壓，那么接收機的轉(zhuǎn)子就可以帶一定的負載轉(zhuǎn)動了。根據(jù)電磁作用規(guī)律，如果在磁場中有一個可以轉(zhuǎn)動的線圈，當它通過電流時，它的兩個邊都與磁場作用產(chǎn)生電磁力；這兩個電磁力形成轉(zhuǎn)矩，使線圈轉(zhuǎn)動，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。力矩式自整角機就是利用這個原理進行工作的。Bj發(fā)送機和接收機同時勵磁，磁場分布如圖。D1D2D3D’1

Z’1Z’2~Uj

Z1Z2D’3BBj

,B

,BjD’2B

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

Z’1Z’2~Uj

Z1Z2D’3BBj

,B

,BjBBsinBcosD’2B

,接收機轉(zhuǎn)子磁場Bj

,與定子磁場分量Bsin相互作用產(chǎn)生力矩，使接收機轉(zhuǎn)子向減小的方向運轉(zhuǎn)，直到為0，電磁轉(zhuǎn)矩Tem=0。將B分解此時為協(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，使接收機轉(zhuǎn)子向減小的方向運轉(zhuǎn)（順時針），直到為0，電磁轉(zhuǎn)矩Tem=0。發(fā)送機轉(zhuǎn)子受電磁力嗎？力矩式差動自整角機工作原理

~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)送機力矩式差動發(fā)送機力矩式接收機

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3

C’2

C’1C’3B’D’2

D’1D’3

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

~Uj

Z1Z2BjBD1D2D3D’2

D’1D’3C’2