船舶电气设备及系统-大连海事大学+第06章+控制用电机.ppt

第6章控制用电机 6 1伺服电动机 6 2测速发电机 6 3自整角机 6 4步进电动机 内容简介 控制电机主要用于自动控制系统中作为检测 比较 放大和执行元件 其任务是转换和传递控制信号 本章将介绍几种常用的控制电机 伺服电动机 测速发电机 自整角机和步进电动机 前面介绍的异步电动机 直流电动机等都是作为动力使用的 其主要任务是能量的转换 各种控制电机有各自的控制任务 如 伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象 测速发电机将转速转换为电压 并传递到输入端作为反馈信号 步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移 本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号 能量的转换是次要的 对控制电机的主要要求 动作灵敏 准确 重量轻 体积小 耗电少 运行可靠等 伺服电动机是一种把输入的电信号转换为转轴上的角位移或角速度来执行控制任务的电动机 又称执行电动机 按电流种类分 伺服电动机分为交流和直流两种 6 1伺服电动机 1 转子 2 定子绕组 3 定子 4 内定子5 机壳 6 端盖 原理与两相交流异步电机相同 定子上装有两个绕组 励磁绕组和控制绕组 在空间相隔90 6 1 1交流伺服电动机 励磁绕组 控制绕组 杯形转子 内定子 交流伺服电动机结构图 励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场 适当选择电容的大小 可使通入两个绕组的电流相位差接近90 因此便产生旋转磁场 在旋转磁场的作用下 转子便转动起来 例 选择电容 可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示 工作时两个绕组中产生的电流和的相位差近90 因此便产生旋转磁场 在旋转磁场的作用下 转子转动起来 控制电压与电源电压两者频率相同 相位相同或反相 1 U2 0时 转子停止 这时 虽然U2 0V U1仍存在 似乎成单相运行状态 但和单相异步机不同 若单相电机启动运行后 出现单相后仍转 伺服电机不同 单相电压时设备不能转 交流伺服电动机的特点 原因 交流伺服电机R2设计得较大 所以在U2 0时 交流伺服电机的T f s 曲线如下页图 当U2 0V时 脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距T T 的合成转矩T与单相异步机不同 合成转矩的方向与旋转方向相反 所以电机在U2 0V时 能立即停止 体现了控制信号的作用 有控制电压时转动 无控制电压时不转 以免失控 交流伺服电动机的T f s 曲线 U2 0时 单相电动机T f s 3 控制电压U2大小变化时 转子转速相应变化 转速与电压U2成正比 U2的极性改变时 转子的转向改变 2 交流伺服电机R2设计得较大 使Sm 1 Tst大 启动迅速 稳定运行范围大 交流伺服电机的输出功率一般为0 1 100W 电源频率分50Hz 400Hz等多种 它的应用很广泛 如用在自动控制 温度自动记录等系统中 应用 结构 与直流电动机基本相同 为减小转动惯量做得细长一些 工作原理 与直流电动机相同 供电方式 他励 励磁绕组和电枢由两个独立电源供电 6 1 2直流伺服电动机 直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样 由机械特性可知 1 U1 即磁通 不变时 一定的负载下 U2 n 2 U2 0时 电机立即停转 反转 电枢电压的极性改变 电机反转 3 控制特性伺服电动机在固定的负载下 控制信号电压U2的大小与转速n之间的关系称作控制特性 又称调节特性 在电动机稳定运行时 电磁转矩T TL 机械特性的表达式为 图6 8控制特性 T3 T2 T1 不同负载下 控制电压U2与转速n的关系 带负载起动时 控制电压必须达到一定值后 转子才能转动 对应电压值称为起动电压 Ust 0 Ust为失灵区或称死区 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬 经常用在功率稍大的系统中 它的输出功率一般为1 600W 它的用途很多 如随动系统中的位置控制等 应用 船舶上常用测速发电机 直流或交流 转速指示仪和接线箱等组成远距离转速测量和监视系统 以船舶主机的转速测量为例 测速发电机的转子通过联轴器 齿轮或链轮链条与主机凸轮轴或尾轴连接 几个并联的转速指示表分别安装在机舱 集控室 驾驶室和轮机长室 转速表内设有调节电阻 以适配不同距离的应用场合之需 6 2测速发电机 测速发电机是一种把机械上的旋转角速度转变成电信号的发电机 6 2 1交流测速发电机 异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似 它的定子上有两个绕组 一个是励磁绕组 一个是输出绕组 工作时 测速发电机的励磁绕组接交流电源U1 由U1 4 44f1N1 1可知 当被测转动轴带动发电机转子旋转时 转子切割 1产生转子感应电势E2和转子电流I2 它们的大小与 1和转子转速n成正比 转子电流I2也产生磁通 2 2在输出绕组中感应出电压U2 U2的大小与 2成正比 综合上述分析可知 当U1恒定不变时 U2与n成正比 这样 发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号 输出给控制系统 由于铁心线圈电感的非线性影响 交流测速发电机的输出电压U2与n间存在着一定的非线性误差 使用时要注意加以修正 空心杯转子测速发电机与直流测速发电机相比 具有结构简单 工作可靠等优点 是目前较为理想的测速元件 6 2 2直流测速发电机 直流测速发电机分永磁式和他励式两种 两种电机的电枢相同 工作时电枢接负载电阻RL 但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场 因而没有励磁线圈 他励式的结构与直流伺服电机相同 工作时励磁绕组加直流电压U1励磁 当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时 电枢产生电动势E 其大小为 发电机的输出电压为 上式中代入 于是 可见 当励磁电压U1保持恒定时 亦恒定 若Ra RL不变 则输出电压U2的大小与电枢转速n成正比 这样 发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号 输出给控制系统 值得注意的是 由于直流电机中存在着电枢反应现象 使得输出电压U2与转速n有一定的线性误差 RL越小 n越大 误差越大 因此 在使用中应使RL和n的大小符合直流测速发电机的技术要求 从结构上讲 自整角机有两种形式 一种形式是 定子是三相的 转子是单相的 另一种形式是 定子是单相的 转子是三相的 在应用中 自整角机总是成对使用 一个作为发送 一个作为接收 由于使用上的不同 有控制式和力矩式两种 6 3自整角机 6 3 1控制式自整角机 控制式自整角机又称为变压器式自整角机 发送机的转子绕组作为励磁绕组接在固定交流电源上 接收机的转子绕组则作为输出绕组 其输出电压的大小和相位与失调角 有关 由于发送机励磁绕组的脉动磁通在定子三相绕组中感应有电动势 而接收机定子三相绕组中却没有感应电动势 所以在定子三相回路中总是有电流通过 这三个电流I1 I2和I3流经接收机的定子绕组 便在接收机的转子绕组中感应出电压 理论上可以证明 假若事先将两个转子的相对轴位置置成900 那么 接收机转子单相绕组的输出电压U2的大小和相位与失调角 有关 它们的关系是 Um为输出电压最大值 原理分析 原理分析 当发送机转子上的励磁绕组接入单相交流电流时 产生的是正弦分布的脉振磁场 与发送机三相整步绕组相交链而感应产生电动势 如果发送机三相整步绕组的某相 如A相 与磁励绕组的轴线重合作为起始位置 那么此时该相的感应电动势 其有效值为 如果发送机转子的位置角为 1 如图所示 那么由发送机励磁绕组产生的主磁场在其各相整步绕组中感应的电势的有效值分别为 1 E1a E1b E1c 设自整角发送机的每相整步绕组的阻抗为Z1 自整角变压器每相整步绕组的阻抗为Z2 为了便于分析 把两台自整角机的三相整步绕组的星点连接起来 那么三相整步绕组的回路电流分别为 三相整步绕组星点连线中的电流为 连线中并没有电流 实际线路中并不需要连接 分析时连接只不过为了便于分析而已 由于三相整步绕组的电势都是由同一个脉振磁通感应产生 又因控制式自整角发送机和自整角变压器的每相整步绕组回路的阻抗都相同 因而整步绕组的每一相绕组回路的电流是同频同相位的 那么其合成磁势为空间分布的脉振磁势 自整角发送机每相磁势幅值为 为了分析的方便 通常把整步绕组中三个空间脉振磁势分解为直轴分量和交轴分量 励磁绕组为直轴 也称d轴 交轴与直轴在空间相差90 称为q轴 那么控制式自整角发送机三相绕组的直轴分量磁势为 交轴分量的磁通势为 上述公式表明 控制式自整角发送机的三相绕组合成磁势没有交轴分量 只有直轴分量 即合成磁势是一个直轴磁势 与励磁绕组同轴 与 1无关 自整角变压器的三相绕组电流就是发送机绕组电流 只不过对发送机而言 电流是 流出 的 对于接收机 自整角变压器 而言 电流是 流入 的 如图所示 因而在接收机整步绕组中产生的磁通势F1 与F1大小相等 方向相反 也与 1无关 自整角变压器的输出电势 如果自整角变压器的转子转角 2等于自整角发送机的转子转角 1 则自整角变压器三相绕组合成磁势所产生的磁场与转子输出绕组同轴线 那么在转子输出绕组中感应电动势Em的值最大 如果 2 1 自整角变压器定子合成磁势与转子输出绕组轴线夹角为 1 2 如图所示 此时转子输出绕组感生的电动势为 E2 Emcos 1 2 Emcos 由上式知 自整角变压器输出电压 电势 为失调角 的余弦函数 在实际控制系统中会带来一些问题 1 当随动系统处于协调位置 即失调角 0 时 希望自整角变压器的输出电压为0 当 0时 才有电压信号输出 送到交流伺服电动机中 使伺服电动机旋转以清除 但如按图工作 那么 在失调角为0时 自整角变压器输出电压反而最大 增大 输出电压反而减小 与实际需要相反 2 失调角 是有方向的 是顺时针还是反时针是必须明确的 即 的正负值是表明方向的 但上述系统中不管 为正还是为负 其输出的电压都是正的 因为Ecos Ecos 为了解决上述问题 在实际使用的系统中 自整角发送机的a相定子绕组线作直轴 其转子绕组以直轴作起始位置 而把自整角变压器转子输出绕组放在交轴上 事实上 把自整角变压器的转子由原来的协调位置 0 处旋转90 作为起始位置 那么输出绕组感应电动势E2 Em 90 Emsin 空载时 输出电压U2 E2 负载时 输出电压下降 若选择输入阻抗大的放大器作为负载 则自整角变压器输出电压下降不大 自整角变压器的输出电压U2随失调角 变化的曲线如图所示 自整角变压器在协调位置即 0时 输出电压为0 当 1 时输出的电压值叫比电压U0 比电压越大 控制系统越灵敏 其功能是同步传递角度 电子轴 6 3 2力矩式自整角机 发送机接受机 在发送机中 这三个电动势分别为 和 在接收机中 分别为 和 发送机接受机 当两转子具有相同位置时 即时 因而不产生电流 也没有电磁转矩 两电机静止不动 当发送机的转子转动一个角度后 两电机绕组中的各相电动势不再平衡 因而产生电流 在磁场的将产生转矩 总是力图使两转子的位置趋向一致 接收机的转子在转矩的作用下产生了随动动作 直至 实现了转角随动的作用 发送机接受机 原理分析 当发送机的转子转角为 1 接收机转子转角为 2 在上述假设条件下 力矩式自整角机工作时电机内磁势情况可以看成发送机励磁绕组与接收机励磁绕组分别单独接电源时所产生的磁势的线性叠加 力矩式自整角机的转矩是定子磁势与转子磁势相互作用而产生的 为分析自整角机的力矩 我们先来看看直轴 交轴磁势是如何产生转矩的 1 直轴 交轴磁势是如何产生转矩的 A 在直轴磁通 磁势 下 通电线圈产生的也是直轴磁势 此时线圈也受到的电磁力F的方向如图所示 显然不会产生转矩 同样的图是产生交轴磁势的线圈在交轴磁通 磁势 下也不会产生转矩 B 在直轴磁通 磁势 下 通电线圈产生的是交轴磁势 线圈边受力方向相反 使线圈产生顺时针力矩 最终使线圈停在水平位置 两磁势的轴线重合 同样的 图是产生直轴磁势的线圈在交轴磁通 磁势 下受到逆时针的转矩 综上所述 同轴磁势不产生转矩 直轴磁势与交轴磁势能够产生转矩 转矩的方向是使两磁势磁轴线靠拢 2 力矩自整角机的力矩及方向 在接收机中 F2与励磁磁势Ff是同轴磁势 故不会产生力矩 而F1 与Ff轴线的夹角即失调角 1 2 不同轴的磁势则产生转矩 若把F2作直轴 那么可把F1 分为直轴分量F1 cos 交轴分量F1 sin 如图所示 直轴分量与Ff同轴不产生转矩 交轴分量F1 sin 则与Ff产生转矩 此转矩称为整步转矩 若 90 时产生的最大整步转矩为Tm 那接收机所产生的整步转矩可以表达为T Tmsin 由此可见 力矩式自整角机和控制式自整角机的区别在于 自整角机控制系统中 当失调角产生时 力矩自整角接收机输出与失调角成正弦关系的转矩 直接带动接收机轴上的机械负载 直至消除失调角 但力矩式自整角机力矩不大 如果机械负载较大 则采用控制式自整角机系统 自控式自整角机把失调角转换为正弦关系的电压输出 经过电压放大器放大后送到交流伺服电动机的控制绕组中 使伺服电机转动 再经齿轮减速后带动机械负载转动 直到消除失调角 应用实例 舵角指示器示意图 自整角机传令钟 机理 步进电机是利用电磁铁原理 将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机 每来一个电脉冲 电机转动一个角度 带动机械移动一小段距离 特点 1 来一个脉冲 转一个步距角 2 控制脉冲频率 可控制电机转速 3 改变脉冲顺序 改变方向 6 4步进电动机 种类 有励磁式和反应式两种 两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈 反应式步进电机的转子上没有励磁线圈 1定子铁心 2定子控制绕组 3转自铁心 1 结构 步进机主要由两部分构成 定子和转子 它们均由磁性材料构成 其上分别有六个 四个磁极 定子 转子 定子绕组 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理 定子的六个磁极上有控制绕组 两个相对的磁极组成一相 注意 这里的相和三相交流电中的 相 的概念不同 步进机通的是直流电脉冲 这主要是指线图的联接和组数的区别 2 工作方式 步进电机的工作方式可分为 三相单三拍 三相单双六拍 三相双三拍等 一 三相单三拍 1 三相绕组联接方式 Y型 正转 反转 3 工作过程 A相通电 A方向的磁通经转子形成闭合回路 若转子和磁场轴线方向原有一定角度 则在磁场的作用下 转子被磁化 吸引转子 使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小 使转 定子的齿对齐停止转动 A相通电使转子1 3齿和AA 对齐 同理 B相通电 转子2 4齿和B相轴线对齐 相对A相通电位置转30 C相通电再转30 30 这种工作方式 因三相绕组中每次只有一相通电 而且 一个循环周期共包括三个脉冲 所以称三相单三拍 三相单三拍的特点 1 每来一个电脉冲 转子转过30 此角称为步距角 用 S表示 2 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序 改变通电顺序即可改变转向 三相双三拍通电顺序为AB BC CA或反之AC CB BA由于双三拍控制每次有二相绕组通电 而且切换时总保持一相绕组通电 所以工作比较稳定 与单三拍方式相似 双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍 每拍转子转过30 步距角 一个通电循环周期 3拍 转子转过90 齿距角 三相六拍通电顺序为A AB B BC C CA A或反之 A AC C CB B BA它比三相三拍控制方式步距角小一半 因而精度更高 且转换过程中始终保证有一个绕组通电 工作稳定 因此这种方式被大量采用 步矩角 频率 和转速n的关系 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式 实用步进电机的步距角多为3 和1