第三章-自整角機

第3章自整角機3.1概述

3.2力矩式自整角機

3.3阻尼繞組3.4多臺自整角接收機的并聯(lián)使用

3.5

控制式自整角機的工作原理

3.6

控制式自整角機的差動運行

3.7控制式自整角機的性能指標(biāo)3.8自整角機的選擇和使用3.1概述

自整角機是一種感應(yīng)機電元件，以實現(xiàn)角度傳輸、變換和指示的元件。它可以用于測量或控制遠距離設(shè)備的角度位置，也可以在隨動系統(tǒng)中用作機械設(shè)備之間的角度聯(lián)動裝置，以使機械上互不相聯(lián)的兩根或兩根以上轉(zhuǎn)軸保持同步偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)。通常是兩臺或多臺組合使用。自整角機的功能與分類

根據(jù)在系統(tǒng)中的作用不同自整角機可分為控制式和力矩式兩大類。分

類國內(nèi)代號國際代號功

用力矩式發(fā)送機ZLFTX將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變換成電信號輸出接收機ZLJTR接收力矩發(fā)送機的電信號，變換成轉(zhuǎn)子的機械能輸出差動發(fā)送機ZCFTDX串接于力矩發(fā)送機與接收機之間，將發(fā)送機轉(zhuǎn)角及自身轉(zhuǎn)角的和(或差)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?輸送到接收機差動接收機ZCJTDR串接于兩個力矩發(fā)送機之間，接收其電信號，并使自身轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為兩發(fā)送機轉(zhuǎn)角的和(或差)控制式發(fā)送機ZKFCX同力矩發(fā)送機變壓器ZKBCT接收控制式發(fā)送機的信號，變換成與失調(diào)角呈正弦關(guān)系的電信號差動發(fā)送機ZKCCDX串接于發(fā)送機與變壓器之間，將發(fā)送機轉(zhuǎn)角及其自身轉(zhuǎn)角的和(或差)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸送到變壓器自整角機的分類與功用

自整角機的功能與分類

力矩式自整角機本身不能放大力矩，要帶動接收機軸上的機械負載，必須由自整角機一方的驅(qū)動裝置供給轉(zhuǎn)矩。力矩式自整角機系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，用在角度傳輸精度要求不高的系統(tǒng)，如遠距離指示液面的高度、閥門的開度、電梯和礦井提升機的位置、變壓器的分接開關(guān)位置等。

控制式自整角機接收機的轉(zhuǎn)軸不直接帶動負載，即沒有力矩輸出，當(dāng)發(fā)送機和接收機轉(zhuǎn)子之間存在角度差（即失調(diào)角）時，接收機將輸出與失調(diào)角呈正弦函數(shù)規(guī)律的電壓，將此電壓加給伺服放大器，用放大后的電壓來控制伺服電動機，再驅(qū)動負載。由于接收機是工作在變壓器狀態(tài)，通常稱其為自整角變壓器?？刂剖阶哉菣C系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，它應(yīng)用于負載較大及精度要求高的隨動系統(tǒng)。

自整角機的功能與分類

3.2力矩式自整角機的結(jié)構(gòu)和運行原理自整角機大都采用兩極凸極或隱極結(jié)構(gòu)

(a)轉(zhuǎn)子凸極結(jié)構(gòu)(b)定子凸極結(jié)構(gòu)(c)隱極式結(jié)構(gòu)圖3-1自整角機定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)搭配一、力矩式自整角機的結(jié)構(gòu)一、力矩式自整角機的結(jié)構(gòu)勵磁繞組：單相、集中繞組、直接套在凸極鐵心上。整步繞組：三相、分布繞組并接成星形、放在隱極結(jié)構(gòu)鐵心的槽內(nèi)。第一種結(jié)構(gòu)形式適用于容量較小的指示遠距離角度傳輸系統(tǒng)中。第二種結(jié)構(gòu)形式常用于容量較大系統(tǒng)中。3.2力矩式自整角機的結(jié)構(gòu)和運行原理圖3-2自整角機的結(jié)構(gòu)簡圖1-定子鐵心；2-三相整步繞組；3-轉(zhuǎn)子鐵心；4-轉(zhuǎn)子繞組；5-滑環(huán)；6-電刷

一、力矩式自整角機的結(jié)構(gòu)二、力矩式自整角機的運行性能1.力矩式自整角機整步繞組的電勢、電流圖3-3力矩式自整角機的原理圖

稱為失調(diào)角二、力矩式自整角機的運行性能當(dāng)勵磁繞組接交流電源勵磁后，便產(chǎn)生一個在其軸線上脈振的磁場，該脈振磁場的磁通在定子各相繞組中感應(yīng)電勢ZLFZLJ二、力矩式自整角機的運行性能發(fā)送機和接收機的整步繞組各相回路中的合成電勢為：二、力矩式自整角機的運行性能在ZLF與ZLJ的整步繞組回路中產(chǎn)生電流

二、力矩式自整角機的運行性能2.磁勢每相、每對極整步繞組基波磁勢的幅值為：二、力矩式自整角機的運行性能發(fā)送機：d軸方向磁勢分量為q軸方向磁勢分量為二、力矩式自整角機的運行性能

合成磁勢合成磁勢與交軸的夾角：二、力矩式自整角機的運行性能接收機d軸方向磁勢分量為q軸方向磁勢分量為合成磁勢合成磁勢與交軸的夾角二、力矩式自整角機的運行性能結(jié)論：1.發(fā)送機和接收機中的直軸磁勢分量、交軸磁勢分量和合成磁勢的大小與發(fā)送機和接收機的位置無關(guān)，僅為失調(diào)角的函數(shù)。2.直軸電樞反應(yīng)為去磁作用。3.發(fā)送機和接收機整步繞組磁勢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。4.發(fā)送機和接收機整步繞組的合成磁勢，當(dāng)失調(diào)角很小時，它在空間位置上幾乎和交軸重合。二、力矩式自整角機的運行性能2.力矩式自整角機整步繞組的轉(zhuǎn)矩整步轉(zhuǎn)矩：力矩式自整角機工作在同步狀態(tài)，失調(diào)角為θ時，作用在電機軸上的電磁轉(zhuǎn)矩即為整步轉(zhuǎn)矩。圖3-4轉(zhuǎn)子電流與定子磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩2.力矩式自整角機整步繞組的轉(zhuǎn)矩整步繞組的轉(zhuǎn)矩單位：N.m單位：g.cm結(jié)論：整步轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角呈正弦函數(shù)關(guān)系問題：為什么力矩式自整角機在整步轉(zhuǎn)矩的作用下，失調(diào)角會逐漸減小，直到協(xié)調(diào)位置？2.力矩式自整角機整步繞組的轉(zhuǎn)矩比整步轉(zhuǎn)矩：自整角發(fā)送機和接收機在失調(diào)角為1°時所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩。單位：N.m/rad單位：N.m/（°）單位：g.cm/（°）當(dāng)失調(diào)角很小時2.力矩式自整角機整步繞組的轉(zhuǎn)矩結(jié)論：（1）整步轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角呈正弦函數(shù)關(guān)系；（2）比整步轉(zhuǎn)矩與勵磁電壓成正比；（3）比整步轉(zhuǎn)矩與整步繞組的阻抗有關(guān)。

三、力矩式自整角機的主要技術(shù)指標(biāo)1．靜態(tài)誤差

發(fā)送機處于停轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速很低的同步運轉(zhuǎn)時的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。在理想情況下，接收機應(yīng)與發(fā)送機轉(zhuǎn)過相同的角度。但由于接收機軸上存在摩擦轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩，所以使兩機的轉(zhuǎn)角出現(xiàn)差值。把靜態(tài)空載運行而達到協(xié)調(diào)位置時，發(fā)送機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度與接收機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度之差稱為靜態(tài)誤差。

靜態(tài)誤差通常用度或角分表示，它決定接收機的精度。根據(jù)靜態(tài)誤差的大小可分為三個精度等級：0級為0.5°，1級為1.2°，2級為2°。

2．比整步轉(zhuǎn)矩

在協(xié)調(diào)位置附近，失調(diào)角為1°時接收機軸上所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩，即

比整步轉(zhuǎn)矩越大，其整步能力越強，靜態(tài)誤差越小，所以比整步轉(zhuǎn)矩是ZLJ的一項重要性能指標(biāo)。一般產(chǎn)品數(shù)據(jù)中均列出它的數(shù)值。3．零位誤差

當(dāng)ZLF的轉(zhuǎn)子勵磁后，在理論上，從線電動勢為零的某一位置(基準零位)開始，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°，整步繞組中必有一線電動勢(或或)為零，此位置稱為理論電氣零位。但是由于設(shè)計、工藝、材料等因素的影響，實際電氣零位與理論電氣零位存在著差異，兩者之差稱為力矩式自整角機的零位誤差。三、力矩式自整角機的主要技術(shù)指標(biāo)三、力矩式自整角機的主要技術(shù)指標(biāo)4．阻尼時間

指強迫接收機轉(zhuǎn)子失調(diào)(177±2)°，放松后，經(jīng)過衰減振蕩達到協(xié)調(diào)位置時所需要的時間。按規(guī)定阻尼時間不應(yīng)大于3s。阻尼時間越短，表示接收機的跟隨性能越好。為此，在力矩式接收機中通常都裝有阻尼繞組，也有的裝有機械阻尼器。3.3阻尼繞組為了提高比整步轉(zhuǎn)矩，獲得合理的參數(shù)配置常在力矩式接收機的轉(zhuǎn)子上裝設(shè)交軸阻尼繞組。（1）盡可能減小整步繞組的交軸短路電阻；（2）使整步繞組的交軸短路阻抗和短路電阻相等。阻尼繞組凸極式轉(zhuǎn)子的阻尼繞組隱極式轉(zhuǎn)子的阻尼繞組單阻尼繞組雙阻尼繞組隱極式轉(zhuǎn)子裝兩個正交的繞組隱極式轉(zhuǎn)子裝三相對稱的繞組力矩式接收機的轉(zhuǎn)子上裝設(shè)交軸阻尼繞組的作用是什么？3.4多臺自整角接收機的并聯(lián)使用

并聯(lián)的接收機受下列因素的影響：（1）比整步轉(zhuǎn)矩的降低；（2）接收機的誤差增大，精度降低；（3）自整角發(fā)送機的溫升增高；（4）自整角機整步繞組之間引起環(huán)流。3.4多臺自整角接收機的并聯(lián)使用

n臺同型號接收機發(fā)送機中a相整步繞組電流為：接受機中a相整步繞組電流為：整步繞組回路中電勢和電流之間的相位角為：3.4多臺自整角接收機的并聯(lián)使用

各接受機中的比整步轉(zhuǎn)矩為：3.4多臺自整角接收機的并聯(lián)使用

若發(fā)送機和接收機的型號相同則發(fā)送機和接收機成對工作時3.4多臺自整角接收機的并聯(lián)使用n臺同型號接收機接到同一臺不同型號的發(fā)送機上結(jié)論：接收機接并聯(lián)工作時，每臺接收機的比整步轉(zhuǎn)矩會隨接收機臺數(shù)增加而減少。3.5控制式自整角機一、控制式自整角機的結(jié)構(gòu)控制式自整角發(fā)送機和力矩式發(fā)送機結(jié)構(gòu)很相近。只是控制式自整角發(fā)送機比力矩式發(fā)送機具有較高的空載輸入阻抗，因而勵磁繞組的匝數(shù)較多，磁密較低。1.控制式自整角發(fā)送機2.控制式自整角變壓器為了提高電氣精度，降低零位電壓，控制式自整角變壓器均采用隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并在轉(zhuǎn)子上裝設(shè)單相高精度的正弦繞組作為輸出繞組。控制式自整角變壓器定子鐵心上放置三相整步繞組，具有較高空載輸入阻抗。3.5控制式自整角機采用隱極結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：1.可以降低從發(fā)送方取用的勵磁電流，有利于多臺自整角變壓器與發(fā)送機的并聯(lián)。2.可以避免由于氣隙磁通發(fā)生畸變而影響輸出繞組的電勢。3.消除了失調(diào)角存在時自整角變壓器的轉(zhuǎn)子自動跟隨發(fā)送機保持協(xié)調(diào)位置的任何趨勢。在自動控制系統(tǒng)中，廣泛采用控制式自整角機與伺服機構(gòu)組成的組合系統(tǒng)。ZKF為控制式自整角機的發(fā)送機，ZKB為控制式自整角機的接收機，也稱為自整角變壓器，ZKF和ZKB的整步繞組對應(yīng)聯(lián)接。ZKB的轉(zhuǎn)子繞組向外輸出電壓，該電壓通常是接到放大器的輸入端，經(jīng)放大后再加到伺服電動機的控制繞組，來驅(qū)動負載轉(zhuǎn)動。同時伺服電動機還經(jīng)過減速裝置帶動ZKB的轉(zhuǎn)子隨同負載一起轉(zhuǎn)動，使失調(diào)角減小，ZKB的輸出電壓隨之減小。當(dāng)達到協(xié)調(diào)位置時，ZKB的輸出電壓為零，伺服電動機停止轉(zhuǎn)動。

3.5控制式自整角機的工作原理二、控制式自整角的運行性能

圖3-5控制式自整角機的工作原理圖

當(dāng)ZKF的勵磁繞組接交流電源勵磁后，便產(chǎn)生一個在其軸線上脈振的磁場，該脈振磁場的磁通在定子各相繞組中感應(yīng)電勢3.5控制式自整角機的工作原理在ZKF與ZKB的整步繞組回路中產(chǎn)生電流

，3.5控制式自整角機的工作原理二、自整角變壓器整步繞組的磁勢3.5控制式自整角機的工作原理自整角變壓器d軸方向磁勢分量為q軸方向磁勢分量為合成磁勢合成磁勢與直軸的夾角圖3-6自整角機定、轉(zhuǎn)子磁場關(guān)系3.5控制式自整角機的工作原理由上面的分析結(jié)果，可得出結(jié)論：1.自整角變壓器整步繞組中的直軸磁勢分量、交軸磁勢分量大小與發(fā)送機和接收機的位置無關(guān)，僅為失調(diào)角的函數(shù)。2.合成磁勢的大小與失調(diào)角無關(guān)，空間位置則由失調(diào)角決定。3.合成磁勢的空間位置總是與發(fā)送機轉(zhuǎn)子的空間位置相對應(yīng)。三、ZKB的輸出電動勢若將轉(zhuǎn)子由原先規(guī)定的起始協(xié)調(diào)位置轉(zhuǎn)過90°電角度

圖3-7控制式自整角機的協(xié)調(diào)位置當(dāng)ZKB定子合成磁場的軸線與輸出繞組軸線的夾角時，合成磁場在輸出繞組中感應(yīng)電動勢的有效值為三、ZKB的輸出電動勢綜合以上分析將控制式自整角機的工作原理歸納如下：

(1)ZKF勵磁磁場是脈振磁場，ZKF定子各相繞組的感應(yīng)電動勢在時間上同相位，其有效值與定、轉(zhuǎn)子的相對位置有關(guān)。(2)在ZKF定子繞組感應(yīng)電動勢作用下，兩自整角機繞組中的相電流總是大小相等、方向相反。(3)在自整角機控制式運行時，將ZKB起始協(xié)調(diào)位置規(guī)定為與繞組軸線垂直的位置，協(xié)調(diào)時輸出電動勢。(4)輸出繞組的電壓為，在失調(diào)角很小時，，當(dāng)出現(xiàn)失調(diào)時，自整角機輸出電壓經(jīng)放大后帶動伺服機轉(zhuǎn)動直至失調(diào)角為零。四、控制式自整角機的主要技術(shù)指標(biāo)1．電氣誤差

2．零位電壓

接收機轉(zhuǎn)子與發(fā)送機轉(zhuǎn)子處于協(xié)調(diào)位置時輸出繞組出現(xiàn)的端電壓叫零位電壓一般有50～180mV的殘余電壓。電壓等級/V頻率/HZ零位電壓/mV發(fā)送機變壓器20400507036400708011540015010011050180150控制式自整角機的零位電壓

控制自整角機的實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角與理論值的差值即為電氣誤差3．比電壓

ZKB在協(xié)調(diào)位置附近單位失調(diào)角（?。r的輸出電壓稱為比電壓比電壓大同樣大小的失調(diào)角所獲得的信號電壓也大，因此系統(tǒng)的靈敏度高

4．輸出相位移

輸出相位移是指ZKB輸出電壓的基波分量對ZKF勵磁電壓基波分量的時間相位差。目前，國產(chǎn)ZKB的輸出相位移為2°～20°。

四、控制式自整角機的主要技術(shù)指標(biāo)五、自整角機的選擇和使用力矩式和控制式自整角機各有不同的特點，選用時應(yīng)根據(jù)電源情況、負載種類、精度要求、系統(tǒng)造價等方面綜合考慮。1.控制式和力矩式自整角機的特點及適用的系統(tǒng)和負載

控制式和力矩式自整角機的比較項

目控制式自整角機力矩式自整角機負載能力自整角變壓器只輸出信號，負載能力取決于系統(tǒng)中伺服電動機及放大器的功率接收機的負載能力受到精度及比整步轉(zhuǎn)矩的限制，故只能帶動指針、刻度盤等輕負載精

度較高較低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要用伺服電動機、放大器、減速齒輪等較簡單，不需要用其它輔助元件系統(tǒng)造價較高較低（1）自整角機的勵磁電壓和頻率必須與使用的電源符合。對尺寸小的自整角機，選電壓低的比較可靠；對長傳輸線，選用電壓高的可降低線路壓降的影響；要求體積小、性能好的，應(yīng)選400Hz的自整角機否則，采用工頻比較方便（不需要專用中頻電源）。（2）相互聯(lián)接使用的自整角機，其對接繞組的額定電壓和頻率必須相同。（3）在電源容量允許的情況下，應(yīng)選用輸入阻抗較低的發(fā)送機，以便獲得較大的負載能力。（4）選用自整角變壓器時，應(yīng)選輸入阻抗較高的產(chǎn)品，以減輕發(fā)送機的

負載。2．選用時應(yīng)注意的事項

五、自整角機的選擇和使用（1）零位調(diào)整：當(dāng)自整角機在隨動系統(tǒng)中用作測量差角時，在調(diào)整之前其發(fā)送機和變壓器刻度盤上的讀數(shù)通常需要進行調(diào)零。調(diào)零的方法是：轉(zhuǎn)動發(fā)送機的轉(zhuǎn)子使其刻度盤上的讀數(shù)為零，然后固定發(fā)送機轉(zhuǎn)子，再轉(zhuǎn)動變壓器定子，使變壓器在協(xié)調(diào)位置時，刻度盤的讀數(shù)也為零，并固定變壓器定子。五、自整角機的選擇和使用3．使用中應(yīng)注意的