第三章-自整角機(jī)

第3章自整角機(jī)3.1概述

3.2力矩式自整角機(jī)

3.3阻尼繞組3.4多臺(tái)自整角接收機(jī)的并聯(lián)使用

3.5

控制式自整角機(jī)的工作原理

3.6

控制式自整角機(jī)的差動(dòng)運(yùn)行

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

自整角機(jī)是一種感應(yīng)機(jī)電元件，以實(shí)現(xiàn)角度傳輸、變換和指示的元件。它可以用于測(cè)量或控制遠(yuǎn)距離設(shè)備的角度位置，也可以在隨動(dòng)系統(tǒng)中用作機(jī)械設(shè)備之間的角度聯(lián)動(dòng)裝置，以使機(jī)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(tái)或多臺(tái)組合使用。自整角機(jī)的功能與分類

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

類國(guó)內(nèi)代號(hào)國(guó)際代號(hào)功

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

自整角機(jī)的功能與分類

力矩式自整角機(jī)本身不能放大力矩，要帶動(dòng)接收機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載，必須由自整角機(jī)一方的驅(qū)動(dòng)裝置供給轉(zhuǎn)矩。力矩式自整角機(jī)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(yuǎn)距離指示液面的高度、閥門的開度、電梯和礦井提升機(jī)的位置、變壓器的分接開關(guān)位置等。

控制式自整角機(jī)接收機(jī)的轉(zhuǎn)軸不直接帶動(dòng)負(fù)載，即沒(méi)有力矩輸出，當(dāng)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)轉(zhuǎn)子之間存在角度差（即失調(diào)角）時(shí)，接收機(jī)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(lái)控制伺服電動(dòng)機(jī)，再驅(qū)動(dòng)負(fù)載。由于接收機(jī)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(jī)系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，它應(yīng)用于負(fù)載較大及精度要求高的隨動(dòng)系統(tǒng)。

自整角機(jī)的功能與分類

3.2力矩式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理自整角機(jī)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(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)搭配一、力矩式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)一、力矩式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)勵(lì)磁繞組：?jiǎn)蜗?、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(yuǎn)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(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理圖3-2自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)的結(jié)構(gòu)二、力矩式自整角機(jī)的運(yùn)行性能1.力矩式自整角機(jī)整步繞組的電勢(shì)、電流圖3-3力矩式自整角機(jī)的原理圖

稱為失調(diào)角二、力矩式自整角機(jī)的運(yùn)行性能當(dāng)勵(lì)磁繞組接交流電源勵(lì)磁后，便產(chǎn)生一個(gè)在其軸線上脈振的磁場(chǎng)，該脈振磁場(chǎng)的磁通在定子各相繞組中感應(yīng)電勢(shì)ZLFZLJ二、力矩式自整角機(jī)的運(yùn)行性能發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的整步繞組各相回路中的合成電勢(shì)為：二、力矩式自整角機(jī)的運(yùn)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(jī)的運(yùn)行性能2.磁勢(shì)每相、每對(duì)極整步繞組基波磁勢(shì)的幅值為：二、力矩式自整角機(jī)的運(yùn)行性能發(fā)送機(jī)：d軸方向磁勢(shì)分量為q軸方向磁勢(shì)分量為二、力矩式自整角機(jī)的運(yùn)行性能

合成磁勢(shì)合成磁勢(shì)與交軸的夾角：二、力矩式自整角機(jī)的運(yùn)行性能接收機(jī)d軸方向磁勢(shì)分量為q軸方向磁勢(shì)分量為合成磁勢(shì)合成磁勢(shì)與交軸的夾角二、力矩式自整角機(jī)的運(yùn)行性能結(jié)論：1.發(fā)送機(jī)和接收機(jī)中的直軸磁勢(shì)分量、交軸磁勢(shì)分量和合成磁勢(shì)的大小與發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的位置無(wú)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(jī)和接收機(jī)整步繞組磁勢(shì)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(jī)和接收機(jī)整步繞組的合成磁勢(shì)，當(dāng)失調(diào)角很小時(shí)，它在空間位置上幾乎和交軸重合。二、力矩式自整角機(jī)的運(yùn)行性能2.力矩式自整角機(jī)整步繞組的轉(zhuǎn)矩整步轉(zhuǎn)矩：力矩式自整角機(jī)工作在同步狀態(tài)，失調(diào)角為θ時(shí)，作用在電機(jī)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(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩2.力矩式自整角機(jī)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(wèn)題：為什么力矩式自整角機(jī)在整步轉(zhuǎn)矩的作用下，失調(diào)角會(huì)逐漸減小，直到協(xié)調(diào)位置？2.力矩式自整角機(jī)整步繞組的轉(zhuǎn)矩比整步轉(zhuǎn)矩：自整角發(fā)送機(jī)和接收機(jī)在失調(diào)角為1°時(shí)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(shí)2.力矩式自整角機(jī)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(lì)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(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)1．靜態(tài)誤差

發(fā)送機(jī)處于停轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速很低的同步運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。在理想情況下，接收機(jī)應(yīng)與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度。但由于接收機(jī)軸上存在摩擦轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩，所以使兩機(jī)的轉(zhuǎn)角出現(xiàn)差值。把靜態(tài)空載運(yùn)行而達(dá)到協(xié)調(diào)位置時(shí)，發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度與接收機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)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(jī)的精度。根據(jù)靜態(tài)誤差的大小可分為三個(gè)精度等級(jí)：0級(jí)為0.5°，1級(jí)為1.2°，2級(jí)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(shí)接收機(jī)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(qiáng)，靜態(tài)誤差越小，所以比整步轉(zhuǎn)矩是ZLJ的一項(xiàng)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(lì)磁后，在理論上，從線電動(dòng)勢(shì)為零的某一位置(基準(zhǔn)零位)開始，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60°，整步繞組中必有一線電動(dòng)勢(shì)(或或)為零，此位置稱為理論電氣零位。但是由于設(shè)計(jì)、工藝、材料等因素的影響，實(shí)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(jī)的零位誤差。三、力矩式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)三、力矩式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)4．阻尼時(shí)間

指強(qiáng)迫接收機(jī)轉(zhuǎn)子失調(diào)(177±2)°，放松后，經(jīng)過(guò)衰減振蕩達(dá)到協(xié)調(diào)位置時(shí)所需要的時(shí)間。按規(guī)定阻尼時(shí)間不應(yīng)大于3s。阻尼時(shí)間越短，表示接收機(jī)的跟隨性能越好。為此，在力矩式接收機(jī)中通常都裝有阻尼繞組，也有的裝有機(jī)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(jī)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(gè)正交的繞組隱極式轉(zhuǎn)子裝三相對(duì)稱的繞組力矩式接收機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝設(shè)交軸阻尼繞組的作用是什么？3.4多臺(tái)自整角接收機(jī)的并聯(lián)使用

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

n臺(tái)同型號(hào)接收機(jī)發(fā)送機(jī)中a相整步繞組電流為：接受機(jī)中a相整步繞組電流為：整步繞組回路中電勢(shì)和電流之間的相位角為：3.4多臺(tái)自整角接收機(jī)的并聯(lián)使用

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

若發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的型號(hào)相同則發(fā)送機(jī)和接收機(jī)成對(duì)工作時(shí)3.4多臺(tái)自整角接收機(jī)的并聯(lián)使用n臺(tái)同型號(hào)接收機(jī)接到同一臺(tái)不同型號(hào)的發(fā)送機(jī)上結(jié)論：接收機(jī)接并聯(lián)工作時(shí)，每臺(tái)接收機(jī)的比整步轉(zhuǎn)矩會(huì)隨接收機(jī)臺(tái)數(shù)增加而減少。3.5控制式自整角機(jī)一、控制式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)控制式自整角發(fā)送機(jī)和力矩式發(fā)送機(jī)結(jié)構(gòu)很相近。只是控制式自整角發(fā)送機(jī)比力矩式發(fā)送機(jī)具有較高的空載輸入阻抗，因而勵(lì)磁繞組的匝數(shù)較多，磁密較低。1.控制式自整角發(fā)送機(jī)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?？刂剖阶哉亲儔浩鞫ㄗ予F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(jī)采用隱極結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：1.可以降低從發(fā)送方取用的勵(lì)磁電流，有利于多臺(tái)自整角變壓器與發(fā)送機(jī)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(shì)。3.消除了失調(diào)角存在時(shí)自整角變壓器的轉(zhuǎn)子自動(dòng)跟隨發(fā)送機(jī)保持協(xié)調(diào)位置的任何趨勢(shì)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，廣泛采用控制式自整角機(jī)與伺服機(jī)構(gòu)組成的組合系統(tǒng)。ZKF為控制式自整角機(jī)的發(fā)送機(jī)，ZKB為控制式自整角機(jī)的接收機(jī)，也稱為自整角變壓器，ZKF和ZKB的整步繞組對(duì)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(dòng)機(jī)的控制繞組，來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)還經(jīng)過(guò)減速裝置帶動(dòng)ZKB的轉(zhuǎn)子隨同負(fù)載一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使失調(diào)角減小，ZKB的輸出電壓隨之減小。當(dāng)達(dá)到協(xié)調(diào)位置時(shí)，ZKB的輸出電壓為零，伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.5控制式自整角機(jī)的工作原理二、控制式自整角的運(yùn)行性能

圖3-5控制式自整角機(jī)的工作原理圖

當(dāng)ZKF的勵(lì)磁繞組接交流電源勵(lì)磁后，便產(chǎn)生一個(gè)在其軸線上脈振的磁場(chǎng)，該脈振磁場(chǎng)的磁通在定子各相繞組中感應(yīng)電勢(shì)3.5控制式自整角機(jī)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(jī)的工作原理二、自整角變壓器整步繞組的磁勢(shì)3.5控制式自整角機(jī)的工作原理自整角變壓器d軸方向磁勢(shì)分量為q軸方向磁勢(shì)分量為合成磁勢(shì)合成磁勢(shì)與直軸的夾角圖3-6自整角機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)關(guān)系3.5控制式自整角機(jī)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(shì)分量、交軸磁勢(shì)分量大小與發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的位置無(wú)關(guān)，僅為失調(diào)角的函數(shù)。2.合成磁勢(shì)的大小與失調(diào)角無(wú)關(guān)，空間位置則由失調(diào)角決定。3.合成磁勢(shì)的空間位置總是與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的空間位置相對(duì)應(yīng)。三、ZKB的輸出電動(dòng)勢(shì)若將轉(zhuǎn)子由原先規(guī)定的起始協(xié)調(diào)位置轉(zhuǎn)過(guò)90°電角度

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

(1)ZKF勵(lì)磁磁場(chǎng)是脈振磁場(chǎng)，ZKF定子各相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間上同相位，其有效值與定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置有關(guān)。(2)在ZKF定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下，兩自整角機(jī)繞組中的相電流總是大小相等、方向相反。(3)在自整角機(jī)控制式運(yùn)行時(shí)，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(shí)輸出電動(dòng)勢(shì)。(4)輸出繞組的電壓為，在失調(diào)角很小時(shí)，，當(dāng)出現(xiàn)失調(diào)時(shí)，自整角機(jī)輸出電壓經(jīng)放大后帶動(dòng)伺服機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)直至失調(diào)角為零。四、控制式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)1．電氣誤差

2．零位電壓

接收機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子處于協(xié)調(diào)位置時(shí)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(jí)/V頻率/HZ零位電壓/mV發(fā)送機(jī)變壓器20400507036400708011540015010011050180150控制式自整角機(jī)的零位電壓

控制自整角機(jī)的實(shí)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(shí)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(hào)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(duì)ZKF勵(lì)磁電壓基波分量的時(shí)間相位差。目前，國(guó)產(chǎn)ZKB的輸出相位移為2°～20°。

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

控制式和力矩式自整角機(jī)的比較項(xiàng)

目控制式自整角機(jī)力矩式自整角機(jī)負(fù)載能力自整角變壓器只輸出信號(hào)，負(fù)載能力取決于系統(tǒng)中伺服電動(dòng)機(jī)及放大器的功率接收機(jī)的負(fù)載能力受到精度及比整步轉(zhuǎn)矩的限制，故只能帶動(dòng)指針、刻度盤等輕負(fù)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(dòng)機(jī)、放大器、減速齒輪等較簡(jiǎn)單，不需要用其它輔助元件系統(tǒng)造價(jià)較高較低（1）自整角機(jī)的勵(lì)磁電壓和頻率必須與使用的電源符合。對(duì)尺寸小的自整角機(jī)，選電壓低的比較可靠；對(duì)長(zhǎng)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(jī)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(jī)，其對(duì)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(jī)，以便獲得較大的負(fù)載能力。（4）選用自整角變壓器時(shí)，應(yīng)選輸入阻抗較高的產(chǎn)品，以減輕發(fā)送機(jī)的

負(fù)載。2．選用時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)

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