第十五章_控制电机

2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,1,第 十五 章 控制电机,15-2 步进电动机,15-3 测速发电机,15-4 自整角机,15-5 旋转变压器,15-1 伺服电动机,第 十五 章 控制电机,15-2 步进电动机,15-3 测速发电机,15-4 自整角机,15-5 旋转变压器,15-1 伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,2,根据输入信号来操纵或驱动负载机械的动力元件称为伺服电动机(文字代号SM)。 1. 系统对SM的基本要求： (1)调速范围宽； (2)无“自转”； (3)机械、调节特性线性度好； (4)响应快。 还要求控制功率小、可靠性高、体积小、重量轻等。,一、概 述,伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的电动机。,15-1 伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,3,2. SM的分类,按电源性质分：直流和交流。 直流输出功率较大，约1600W(也有数千瓦的)； 交流输出功率较小，约0.1100W(30W以下常用)。,按结构形式分：传统结构、无刷结构、低惯量型。,低惯量型SM有：,空心杯电枢、,盘形电枢,和无槽电枢等。,还能继续分，如：盘形电枢有线绕盘式、印刷绕组等。,由于直流伺服电动机的工作原理基本结构及其电磁关系与普通直流电动机相同，所以在此只介绍伺服电动机的特点和性能。,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,4,二、直流伺服电动机,1. 基本结构 与普通小型直流电动机相同。 励磁方式 电磁式： 永磁式：,+ Ua ,电磁式,+ Uf ,他励式、并励式、串励式。 稀土永磁材料,+ Ua ,永磁式,（如稀土钴、稀土钕铁硼）。,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,5,2. 工作原理,施加 Ua,Ia,主磁通： ,TM,n,Ea,电磁转矩： TM = CT Ia 电动势： Ea= Ce n 电枢电路电压方程： Ua = Ea + Ra Ia,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,6,(1)有电枢控制和磁极控制两种方式 a.电枢控制 励磁回路加恒定电压Uf ，电枢回路加控制电压信号。,3. 直流伺服电动机的静态特性,可贵的优点：运行特性好。 不足：所需控制功率较大。,电枢控制方式获得广泛应用，所以永磁化也是小型直流SM的一个发展趋势。,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,7,电枢绕组加恒定电压Ua , 励磁回路加控制电压信号。,b. 磁极控制方式,优点：所需控制功率较小。 缺点: 控制信号减弱(减少)时,使机械特性变软,且调节特性为非线性,故少用。,直流SM的静态运行特性包括机械特性和控制特性。,(2)静态运行特性,a. 机械特性 在电枢控制方式下,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,8,n =,Ua,Ce,-,Ce CT,Ra,2,TM,或 n=n0- kfTM,为理想空载转速。,Td,= CT,Ra,Ua,为堵转转矩。,也是起动转矩、最大转矩。,关注 n0、Td和 kf,斜率kf ，反映了TM 对n 的影响程度。,kf =,Ce CT 2,Ra,在自动控制系统中，为提高快速性，总是希望机械特性“硬”些。,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,9,Ua3Ua2Ua1,机械特性,不同电枢电压下的机械特性如图所示。,由于kf 与 Ua无关，所以不同Ua下的机械特性是一组相互平行的直线。,但硬度不变，这是电枢控制方式的可贵优点。,随着控制电压的减少，机械特性朝低转速、小转矩的方向移动。,b. 控制特性,轴上总转距TL不变时，转速n随控制电压Ua的变化规律。,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,10,kc、Ua0的物理意义 斜率 kc：表示转子转速随控制电压的变化程度。,n =,1,Ce,Ua-,n=kc(Ua- Ua0),因为kc与负载转距TL无关，所以对应不同的TL，控制特性是一簇平行的直线。,控制特性,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,11,电动机处于待动而未动时的临界控制电压。 控制电压UaUa0，电动机虽有电压，但不能转动，此范围称死区；,始动电压Ua0：,控制电压UaUa0，电动机开始转动。 Ua0是SM的一个主要参数，反映灵敏度。,显然，TL越大，Ua0越大。,当TL不变时：Ua0= Ia Ra,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,12,4. 特种直流伺服电动机,(1)直流力矩电动机 作为执行元件，在速度控制方式的伺服系统中，可以在低速状态下运行，且输出较大的转矩。 因此它可以直接驱动负载，并由输入的控制信号直接调节负载转速； 在位置控制方式的伺服系统中，又能工作在堵转状态。,所以直流力矩电动机特别适用于对速度和位置控制精度要求很高的系统中。 大多为永磁式，有分装式和内装式两种结构。,内装式,分装式,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,13,基本结构,结构特点 扁平形，带槽的定子圆盘中嵌入永磁体。 能安排更多的极对数 p和导体数N 。,直流力矩电动机 的结构式意图,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,14,可知，在电枢电压Ua、每极磁通、支路对数a 及导体电流(Ia /2a) 相同的情况下，由于扁平结构能多安排(pN) ，所以： 转速低(能做到约10rpm以下)；力矩大(能做到数百kgm以上)。,由 UaEa=Ce n,和 T=CT Ia=, Ia,较多的槽数，铜片制成槽楔，兼作换向片。,槽数多，换向片也多，减小了转矩波动。,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,15,直流力矩电动机,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,16,(2)低惯量直流SM 传统结构的不足： (1)转子有铁心，所以J 大me大快速性差; (2)铁心有齿、槽，使转矩波动大低速运转不平稳; (3)电刷换向器结构使换向火花大，寿命短，可靠性差。,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,17,a. 杯形转子,结构特点： 内定子用圆柱形软磁材料构成，其上装置两个半圆形永久磁钢；,电枢绕组先绕成单个成形线圈，再将它们沿圆周的轴向方向排列成空心杯形，最后用环氧树脂固化成形；,空心杯电枢直接装在轴上，,仍采用电刷换向器结构。,机壳也是磁路的一部分。,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,18,性能特点：,适用于快速动作的小功率伺服系统中; 在一些便携仪器中，可以用干电池供电。,由于转子无铁心，所以 (1) J极低，故me很小，快速性好; (2)电枢电感量小，故La小，换向良好; (3)无齿槽效应，转矩波动小，噪声低; (4)电枢散热条件好，且转子无铁耗，故效率高。 (5)缺点 气隙大，单位体积的输出功率小，耐冲击和耐热性差。,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,19,磁极轴向安装，,b. 盘形转子,结构特点： 在圆形绝缘薄盘上印刷裸露的绕组构成电枢。,电刷直接与电枢裸露的导体表面直接接触，故不用另配换向器。,对置着将电枢夹在中间，,印刷绕组,导体所组成的电路形式与普通多极波绕组相同;,盘式永磁直流SM,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,20,(1)电枢无铁心，故电感小，换向良好； 薄而轻，me小，反应快； (2)电枢上的导体数，即换向片数比普通 电机多得多，且无齿槽效应， 故转矩极为平稳，低速性能好; (3)散热条件好，短时过载能力强; (4)机械强度高，寿命长，可靠性高；,性能特点：,不足：制造大功率尚有困难; 圆盘直径大， J 比杯形转子大。 适用于：低速和要求起动、反转频繁的系统。,印刷绕组直流SM,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,21,c.无槽电枢,铁心无槽，不存在齿部磁密饱和问题，允许选用较高的磁密：可1T，比普通直流SM大1.5倍左右； 性能特点： (1)无齿槽效应，运转平稳、噪声低； (2)铁心直径小，J低小、反应快； (3)耐冲击和耐热性好。 缺点：因气隙大，故励磁安匝大，力能指标低。 适用于：快速动作和功率较大的系统中。,做到极限时，可以省去铁心，直接将绕组粘贴在转轴表面。,伺服电动机,结构特点：电枢铁心为光滑的圆柱体,电枢绕组用环氧树脂粘在电枢铁心表面；,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,22,(1) 基本结构 定子 转子,三、交流伺服电动机,空心杯形转子交流伺服电动机的结构示意图,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,23, 当两相绕组分别加上相位相差 90o 的额定电 压时。 对称两相运行 ic 和 if 产生 圆形旋转磁场产生 TM 转子旋转。 如果 uc 反相，即改变 ic 和 if 的相序旋转磁场改变方向 n 的方向改变。 同时减小 uc 和 uf 而保持其 90o 的相位差圆形磁通势 的幅值 TM n 。,(2) 工作原理,SM ,控制绕组,励磁绕组,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,24, 当 uc = 0 或 uc 0，但 uc 和 uf 同相位时。,电机处在单相状态脉振磁通势 F0 。,静止时：n = 0，,F0,FF FR,TF TR,T = TFTR,TF = TR，T = 0，不能起动；,正在运行时：,T 0，转子继续旋转 单相自转！,普通异步电动机,R2,交流伺服电动机,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,25, Uf = UN，UcUN 且保持相位差为 90o 时， 或者 Uf = Uc = UN 但两者的相位差小于 90o 时。,电机处在不对称运行状态，将产生一个椭圆形 旋转磁通势。,椭圆形旋转磁通势的产生,椭圆形旋转磁通势的分解,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,26, 工作状态越不对称，FF 和 FR 相差越小， 椭圆形越扁长，TM 越小，n 越低。 例如保持 = 90o 和 Uf 不变，改变 Uc 的大小,Uc 由 0,Uf,FF 增强 FR 减弱,0nnmax,椭圆形旋转磁场,两个旋转磁场 （脉振磁场）,一个旋转磁场, 如果改变 uc 的相位，则 F 的旋转方向改变， 使 TM 反向，从而改变 n 的方向。,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,27, 两相控制 保持 = 90o 和 Uc = Uf ，同时改变Uc 和 Uf 的大小（始终为对称运行）。 幅值控制 保持 = 90o 和 Uf = UN，改变 Uc 的大小。 相位控制 保持 Uc = Uf = UN ，改变 的大小。 幅相控制 同时改变 uc 的大小和相位。 交流伺服电动机的功率和频率： 0.1 100 W，50Hz 、400Hz 等。,(3) 控制方式,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,28,交流伺服电动机,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,29,交流伺服电动机,伺服电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,30,15-2 步进电动机,概述 步进电动机是一种将输入的数字脉冲信号转换成机械角位移或线位移的执行元件。 是一种多相同步电动机。 由专用的脉冲电源供电，每输入一个脉冲，就转过一个角度或前进一步，故称步进电动机。,因输入既不是正弦交流，也不是恒定直流，而是脉冲电流，故又称脉冲电动机。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,31,按工作原理分为：,反应式 、 永磁式 和永磁感应子式。 按运动方式有：旋转运动，直线运动和平面运动。 按结构分：单段式和多段式。,主要特点： 位移量正比于输入的脉冲数，步距误差不积累; 转速或线速度正比于脉冲频率，故改变频率可以方便地调速，且调速范围宽广; 主要用于：开环系统，也可用于闭环系统： 如经济型数控机床，绘图机，自动记录仪，钟表，打印机走纸机构等恒速装置。,步进电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,32,步进电动机的优点:,直接实现数字控制 控制性能好 无接触式 抗干扰能力强 误差不长期积累 具有自锁能力(反应式)和保持转矩(永磁式),步进电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,33,1. 反应式步进电动机的结构,结构特点 单段式又称径向分相式，是目前使用较多的结构形式。 定子： 总磁极数等于相数的两倍，每个磁极上都装有控制绕组，并接成m相(36相常用) ，定子磁极的极面上有小齿。,转子：沿圆周均布小齿，其齿距和齿形与定子小齿相同。 单段式结构的优点： 制造简单，精度容易保证，步距角可以做得较小，易得到较高的起动和运行频率。,不足： 断电后无定位转矩， 消耗功率较大，直径小相数多，有时分相困难。,步进电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,34,(1) 定子 (2) 转子,基本结构,三相反应式步进电动机原理图,步进电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,35,步进电动机的典型结构,步进电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,36,2. 工作原理,磁通的一个性质：尽量把自己收缩到最短，使之所经过的路径磁阻最小。 (1)以3相6极为例： m=3(三相) p=1(每相一对极) ZR=4(转子4个齿),转子在磁拉力作用下顺时针转动。,按A,B,C,的顺序通电，,AB,BC,AC,步进电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,37,一个通电循环转子转过一个齿距！,若通电顺序相反，则转向相反:,按A,C,B,将逆时针旋转。,AC,CB,步进电动机,每一步转过的机械角度称为步距角，用 b表示 。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,38,三相控制绕组(m=3),每次有一相绕组通电,切换电源为“拍”。“三拍”指切换三次电源完成一 个供电循环。,AB,BC,CA,一个通电循环转过一个齿距！,A,ABBC,步进电动机,3. 运行方式,(1)上述运行方式称为“三相 单 三拍”,(2)若每次有两相绕组通电， 则称为“三相 双 三拍”运行方式。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,39,将“单三拍”和 “双三拍”通电方式组合起来，可使三相绕组有六种不同的通电状态：,一个通电循环也转过一个齿距！,A,AB,B,BC,C,CA,AAB,ABB,B ,步进电动机,(3) “三相单-双六拍” 运行方式,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,40,综上所述,步进电动机,同一台步进电动机可以采用不同的供电方式； 一个通电循环转过一个齿距角。 每个齿距在空间所占的角度，即齿距角：,齿数ZR 越多，齿距角t 越小。 一个通电循环为三拍时，步距角b =30o；一个通电循环为六拍时，步距角b=15o。 步距角b = 齿距角t 拍数N 齿距角t越小、 N 越多, 步距角b越小。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,41,步进电动机,通常为36相，每相一对极(p=1) , 大型的每相多对极。 定、转子有很多小齿，故 b是很小。,当某相的定、转子齿对齐时，其相邻两相极下的定、转子齿应错开 (1/m) 齿距角，以便为下一相的齿能吸引做准备。,4. 实用的步进电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,42,A,B,C,D,设通电顺序为,步进电动机,当A相对齐时，与A相相邻的B相和D相各错开(1/4) t。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,43,所以，控制脉冲频率f是每相脉冲频率f 的N倍：即 f =N f,步进电动机,(1)每相脉冲频率f 步进电动机在工作时，每相绕组要通过“环形分配器”按一定的规律轮流通电。 分配方式：轮流通电方式 状态数：循环一次的拍数N 单拍制分配方式：N = m 双拍制分配方式：N =2m,5. 步进电机的几个参数,不论何种分配方式，每循环一次，加在每相绕组上的脉冲个数等于1。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,44,运行拍数N=km ; (k=1,2;m为相数),b =,360o,N ZR,(机械角),be =,360o,N,(电角度),用电角度表示的步距角与齿数无关。,步进电动机,因一个通电循环转过一个齿距角。 故当运行拍数为时，步距角b = t / N； 齿距角t= 360o / ZR ； 所以步距角：,(2) 步距角b,若把转子齿数视为转子极对数， 则一个齿距就对应360o 电角度。 拍一个循环，即走过一个齿距角，所以步距角,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,45,步距角有机械角度和电角度两种表示方法。,be=,360o,N,ZR,ZR,= b ZR,两者的关系为：,n =,N ZR,60 f,rpm,步进电动机,每输入一个脉冲， 步进电动机前进一步，步距(机械)角 b=360o / N ZR ； 也就是1 / N ZR 转。 当每分钟送入60f个脉冲时，其转速为,(3) 转速,f 为脉冲频率，即每秒输入的脉冲个数； 可见，改变 f 能方便地进行无级调速。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,46,n =,N ZR,60 f,rpm,360o,360o,=,f,6o,b,步进电动机,其他参数,最大静转矩、起动频率、运行频率。,当 f 一定时，b小，n低，因而输出功率P2小。 从加工精度上看，应选小b ； 从提高P2上看， b不能太小。,(4)自锁能力 停止输入脉冲时，让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流电，则步进电动机就能保持在固定的位置上，实现停车时转子定位。,n 也可以用步距角表示,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,47,步进电动机,步进电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,48,步进电动机,PK系列： 5 相为 0.72步距角的大转矩、低振动步进电动机。 2 相为 0.9 1.8步距角的大转矩、低振动步进电动机。,5 相步进电动机,步进电动机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,49,概 述,首先介绍直流TG,15-3 测速发电机（TG）,测速发电机(TG)是一种能把转子转速转换为电压信号的机电式元件。 输出电压与转速成正比关系： Ua=Kn 或 Ua=K =K d/dt TG可以在自动控制系统和解算装置中作为测速元件、校正元件、解算元件 等。 TG有直流和交流之分，直流TG分为模拟型和数字型两大类，交流TG分为异步和同步两大类。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,50,一、直流测速发电机,(1) 基本结构 与普通小型直流发电机相同。 励磁方式：电磁式（他励）和永磁式。,电磁式,永磁式,(2) 工作原理 空载时：,U = Ea= Ce n,负载时：,U = Ea- Ra I,测速发电机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,51,U n,RL RL2 RL1,RL2RL1,产生误差的原因 电枢反应。 环境温度的变化，引起各 绕组的电阻值变化。 负载变化，引起电刷与换 向器接触电阻的变化。,测速发电机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,52,二、交流测速发电机,(1) 基本结构 定子： 转子： (2) 工作原理,定子铁心上有两相对称绕组。 笼型、杯型。,输出绕组,励磁绕组,正弦交流 uf if d d =dm sint 转子静止时 励磁绕组一次绕组 转子绕组二次绕组, , ,测速发电机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,53,忽略励磁绕组的漏阻抗，则,输出绕组： 与d 无交链，不会产生 E0。 即：n = 0 时，U0 = 0 。,测速发电机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,54, 转子旋转时,d,交变感应,旋转切割, ,q,eq = C1d n = C1 n dm sint q = C2 eq = C1 C2 n dm sint = qm sint C1、C2 电机常数。,测速发电机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,55,输出绕组：,输出空载电压：,结论： U0 n 。 u0 与 uf 同频率、同相位。,测速发电机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,56,测速发电机,测速发电机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,57,三、测速发电机选择的基本原则 1. 考虑系统的频率、电压、工作速度范围； 2. 考虑在系统中所起的作用： 作解算元件、高精度伺服系统中的测量元件时，要求线性误差要小、输出电压的稳定性要好； 作一般速度检测或阻尼元件时，灵敏度K要高； 对要求快速响应的系统则应选转动惯量小的测速发电机。 3. 若交、直TG都能满足要求时，则需考虑它们的优缺点：,测速发电机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,58,没有电刷换向器，构造简单，维护方便，运行可靠； 无滑动接触，输出特性稳定，精度高； 摩擦力矩小，惯量小，无火花干扰； 正反转输出电压对称。 不足：存在相位误差和剩余电压；输出斜率小；输出特性随负载性质的改变而有所不同。,输出电压没有相移； 无剩余电压； 输出功率较大，可带较大负载； 温度补偿较容易。 不足：有电刷换向器，故结构复杂，维护困难，且摩擦转距较大，对无线电有干扰，存在不灵敏区。,交流TG的特点,直流TG的特点,测速发电机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,59,自整角机是一种能把转角变换成电压信号或把电压信号变换成转角的感应式机电元件。,在系统中用于角度的传输、变换和指示。 通常是两台或多台组合使用。例如，在随动系统中，通过两台自整角机在电路上的联系，使机械上互不相联的两根转轴同时偏转或同步旋转。 一、分类 按照在系统中的作用不同， 分为控制式和力矩式两大类； 控制式主要用于随动系统，力矩式主要用于指示系统。,15-4 自整角机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,60,控制式自整角机按功能不同分为发送机、差动发送机和自整角变压器三种。 力矩式自整角机按功能不同分为发送机、接收机、差动发送机和差动接收机四种。,按极数多少分单对极和多对极； 按供电电源相数分单相和三相； 按结构形式分接触式和非接触式； 按工作原理分旋转式和固态式。,利用电力电子器件和微电子器件组成的非旋转式的数字型自整角机，适用于伺服系统的数字量控制。,自整角机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,61,(1)定子 各种自整角机的定子结构基本相同，皆为隐极结构，,定子隐极,二、结构特征,1. 接触式自整角机 定、转子铁心均由高导磁率、低损耗的薄片叠成。,(2) 转子 ZLF、ZLJ、ZKF 皆为凸极结构，,转子凸极,嵌有星形联,接的三相绕组，称整步绕组。,嵌有集中绕组,作为励磁绕组；,自整角机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,62,差动式自整角机的转子,自整角变压器的转子,嵌有单相高精度,正弦绕组作为输出绕组；,ZKB和差动式不能采用凸极转子结构,自整角机, ZCF、ZCJ、ZKC 的转子也都采用隐极式结构，便于按放对称三相星接的绕组。,为提高电气精度并降低零位电压，ZKB的转子均采用隐极式结构，,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,63,用于消除指示状态工作时转子所产生的振荡，以减少阻尼时间，故该绕组又称阻尼绕组。 当阻尼绕组不能满足阻尼时间要求时，还要装机械阻尼器。,但力矩式发送机没有阻尼。可见力矩式接受机与发送机的结构有差别，不可对调使用。,自整角机,(3)在力矩式接收机中，与励磁绕组正交处有一短路绕组(称阻尼条)。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,64,自整角机的结构示意图,自整角机, 单相：定子为三相绕组、转子为单相绕组。 三相：定子、转子均为三相绕组。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,65,在随动系统中的基本接法示意图,三、控制式自整角机的工作原理,自整角机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,66,转子绕组轴线与基准相重合的位置为基准零位。,D1 (D1) 轴线与 Z1Z2 (Z1Z2 ) 轴线之夹角为转子位置角。,顺时针偏转取正；,两转子转角之差为 (1-2 )。,自整角机,ZKF的转子绕组接单相电源励磁；,ZKF与 ZKB的三相整步绕组对应联接； ZKB的转子绕组向外输出电压，称输出绕组。,D1相是ZKF的基准相，D1相是ZKB的基准相。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,67,当转子位置角为1时，各绕组中的变压器电势分别为：,E1=Ecos1 E2=Ecos(1+120o) E3=Ecos(1-120o),当磁通全部与某相绕组匝链时, 该相感应电动势达到最大，其有效值为： E = 4.44fWDm,自整角机,1. ZKF的定子电势,当励磁绕组通入正弦交流电时，便在自己的轴线上产生脉振磁场Bj。,Bj在各相绕组中感应变压器电势，其大小与转子位置角有关。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,68,把ZKF的整步绕组视为 三相对称电源，把ZKB的整步绕组视为三相对称负载。,则各相电流的,有效值分别为：,I1=,=,Ecos1,Z,=Icos 1,I2= Icos(1+120o),I3= Icos(1-120o),I =E/Z 为最大相电流有效值，Z为回路总阻抗。,自整角机,2. 定子电流,ZKF与ZKB对应联接，定子绕组中必产生电流。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,69,三相电流各自在自己的相轴上产生脉振磁场，,三个脉振磁场可写成,三个脉振磁场的相位相同，幅值正比于各自的相电流：,Bm=K,I,B1=Bmcos1sint,B2=Bmcos(1+120o) sint,B3=Bmcos(1-120o) sint,自整角机,3. 定子磁场及其分解与合成,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,70,B1x= -B1cos1 B1y=B1sin1,B2x= -B2cos(1+120o) B2y=B2sin(1+120o),B3x= -B3cos(1-120o) B3y=B3sin(1 -120o),1,120o- 1,y 轴与x 轴正交。,则 B1、B2、B3分解到x 和 y 方向上的磁密向量长度分别为：,x方向的合成磁密向量长度为,Bx=B1x+B2x+B3x,Bx = - B1cos1+B2cos(1+120o)+B3cos(1-120o),自整角机,以励磁绕组轴线为x 轴,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,71,代入,Bx=-Bmcos21+cos2(1+120o) +cos2(1-120o)sint,(1),利用倍角公式化简,Bx=-,3,2,Bmsint,自整角机,Bx = - B1cos1+B2cos(1+120o)+B3cos(1-120o),y方向的合成磁密向量长度为： By=B1y+B2y+B3y =B1sin1+B2sin(1+120o)+B3sin(1-120o) 代入式(1)并利用倍角公式化简得 By=0,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,72,因ZKF与ZKB的三相绕组对应联接，所以B必与D1相轴线相夹 1角度。,电流 I1、I2、I3 流过ZKB的三相绕组时也产生合成磁场B。,若电流在ZKF是流出，则在ZKB就是流入，故B的方向与B相反。,自整角机,4. ZKB的定子磁场,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,73,E2max是B与输出绕组轴线重合(B全部与输出绕组,匝链)时的输出电势，也是最大电势。,自整角机,5. ZKB的输出电势,如果ZKB的转子位置角是2 ，则B 与输出绕组轴线之夹角就是 (2-1)=,所以输出电势 E2= E2maxcos,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,74,新协调位置,E2=E2maxcos(90o- ),显然 + = 90o,自整角机,E2= E2maxcos ,处于协调位置时= 0， E2 = E2max最大，使用不方便。 在随动系统中希望位置协调时，E20。 实用中取 = 90o 的位置作为协调位置，把偏离=90o这一位置的角度 称为失调角。,E2=E2maxsin 当 很小时，可认为E2E2max 。 ZKB的输出电压：U2=U2maxsinU2max,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,75,对控制式自整角机的工作原理归纳如下,ZKF的励磁绕组通入交流电建立脉振磁场Bj ；,Bj在ZKF整步绕组中感应电势。,电势有效值与定、转子的相对位置有关，但在时间上同相位；,感应电势在对应联接的整步绕组中产生电流；,自整角机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,76,在ZKB中，因D1相与D1相对接，故合成磁场B与 D1相轴线的夹角等于B与 D1相轴线的夹角！,因ZKB的转子位置角为 2，故合成磁场与输出绕组轴线的夹角 =2-1；,实用中，把 =90o 的位置作为协调位置，偏离此位置的转角称失调角，用 表示；,自整角机,电流经过整步绕组时也产生脉振磁场。在ZKF中，合成磁场 B与励磁磁 场Bj在同一轴线上！,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,77,很小时U2 =E2E2max,自整角机,B 在输出绕组中感应电势，其有效值为,E2=E2maxsin,空载输出电压 U2=U2maxsin,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,78,四、力矩式自整角机的工作原理,当负载很轻时，例如指针、刻度盘等(指示深度、开启度等) ，用接收机直接驱动比较方便，此时可以采用力矩式自整角机。 分析时假定： 发送机、接收机的结构参数等完全相同； 忽略磁路饱和的影响； 接法：发送机与接收机的转子绕组都接励磁电源，三相整步绕组对应联接。,与控制式的区别,自整角机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,79,把接收机中的磁场 B分解成两个分量。,引用控制式自整角机的结论，可分析出接通励磁电源后，两机磁场的位置。,自整角机,定子合成磁密长度为： 直轴分量：B-Bcos = B(1-cos) 交轴分量：Bsin,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,80,自整角机,直轴分量 B(1-cos),直轴分量与Ij相互作用虽然产生电磁力，但不会形成转矩。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,81,自整角机,交轴分量 Bsin,交轴分量与Ij相互作用产生电磁转矩， 其方向是力图使失调角减少！,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,82,实用中， 发送机转子常与受控机械轴连接，不能自由转动。当出现失调时，接收机产生的整步转距驱动其转子跟随发送机的转子偏 转，直到失调角近似为零为止。,自整角机,由 f = Bli可知：T sin,所以，T 可以写成：T =K sin。 式中K为最大整步转矩。 当很小时：T K 在发送机中也产生同样大小的转距。因磁场方向相反，故转距方向与接收机的相反，也是力图使失调角 减少！,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,83,自整角机,五、两类自整角机的特点及其适用系统 1. 系统对精度要求不高，负载又很轻时，选用力矩式； 特点：系统简单，不需要放大器、伺服电动机等辅助元件，所以价格低。 2. 若系统对精度要求较高，负载较大，则选用控制式自整角机组成伺服系统。 特点：传输精度高，负载能力取决于系统中的SM和放大器的功率，但系统结构复杂，需辅助元件，所以成本高。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,84,自整角机,自整角机,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,85,15-5 旋转变压器,旋转变压器是一种 输出电压与转子转角呈某种函数关系的精密测位用微特电机，简称旋变。,主要用于坐标变换、三角运算、角度数据传输和信号变换。,正余弦旋变 (代号：XZ)、线性旋变 (代号：XX)、比例旋变 (代号：XL)和特殊函数旋变。,一、分类：,1. 按输出电压与转子转角之间的关系分为,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,86,非接触式,旋转变压器,2. 按在系统中的作用不同可分为,解算用旋变和数据传输用旋变。 用于数据传输的旋变，在具体联接上分 旋变发送机(XF)、旋变差动发送机(XC)、旋变变压器(XB)。 它们的作用如同自整角机，但精度更高。,3. 按其它方式分类还有 单对极和多对极； 有接触和无接触； 有限转角和无限转角等。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,87,定、转子铁芯均为高导磁率合金或优质硅钢片，经冲制、绝缘、叠装而成。 定、转子铁心槽内各放置两套在空间上互相垂直的绕组。 为提高电气精度，通常采用正弦绕组。,转子绕组由电刷滑环引出，也可以由软导线直接引出(有限转角)。 旋变相当于一台两相两极的绕线式异步电动机，只是为了获得良好的电气性能和较高的精度，需要特殊设计和精密加工。,二、 结构特点,旋转变压器,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,88,三、正余弦旋变的工作原理,这些电势的相位相同，大小与该绕组的位置有关。,旋转变压器,1. 空载运行 设D1D2与Z1Z2轴线之夹角为， D3D4开路。 在励磁绕组D1D2外施交流电压Us1 后，气隙中便产生一脉振磁场 d 。,d 在各绕组中感应变压器电势。,2019/10/10,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作,89,d cos,d sin,当Us1不变时，空载输出电压的大小与转角有严格的正余弦关系,旋转