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第6章自整角机 6 1概述 6 2控制式自整角机的工作原理 6 3控制式自整角机的差动运行 6 4控制式自整角机的性能指标 6 5力矩式自整角机 6 6直线自整角机 6 7自整角机的选择和使用 6 1概述 自整角机是一种将转角变换成电压信号或将电压信号变换成转角 以实现角度传输 变换和指示的元件 它可以用于测量或控制远距离设备的角度位置 也可以在随动系统中用作机械设备之间的角度联动装置 以使机械上互不相联的两根或两根以上转轴保持同步偏转或旋转 通常是两台或多台组合使用 6 1 1自整角机的功能与分类 根据在系统中的作用不同自整角机可分为控制式和力矩式两大类 自整角机的分类与功用 6 1 1自整角机的功能与分类 力矩式自整角机本身不能放大力矩 要带动接收机轴上的机械负载 必须由自整角机一方的驱动装置供给转矩 力矩式自整角机系统为开环系统 用在角度传输精度要求不高的系统 如远距离指示液面的高度 阀门的开度 电梯和矿井提升机的位置 变压器的分接开关位置等 控制式自整角机接收机的转轴不直接带动负载 即没有力矩输出 当发送机和接收机转子之间存在角度差 即失调角 时 接收机将输出与失调角呈正弦函数规律的电压 将此电压加给伺服放大器 用放大后的电压来控制伺服电动机 再驱动负载 由于接收机是工作在变压器状态 通常称其为自整角变压器 控制式自整角机系统为闭环系统 它应用于负载较大及精度要求高的随动系统 6 1 1自整角机的功能与分类 6 1 2自整角机的结构 自整角机大都采用两极凸极或隐极结构 a 转子凸极结构 b 定子凸极结构 c 隐极式结构图6 1自整角机定 转子结构搭配 图6 2自整角机的结构简图 1 定子铁心 2 三相整步绕组 3 转子铁心 4 转子绕组 5 滑环 6 电刷 6 1 2自整角机的结构 在自动控制系统中 广泛采用控制式自整角机与伺服机构组成的组合系统 ZKF为控制式自整角机的发送机 ZKB为控制式自整角机的接收机 也称为自整角变压器 ZKF和ZKB的整步绕组对应联接 ZKB的转子绕组向外输出电压 该电压通常是接到放大器的输入端 经放大后再加到伺服电动机的控制绕组 来驱动负载转动 同时伺服电动机还经过减速装置带动ZKB的转子随同负载一起转动 使失调角减小 ZKB的输出电压随之减小 当达到协调位置时 ZKB的输出电压为零 伺服电动机停止转动 6 2控制式自整角机的工作原理 图6 5控制式自整角机的工作原理图 当ZKF的励磁绕组接交流电源励磁后 便产生一个在其轴线上脉振的磁场 该脉振磁场的磁通在定子各相绕组中感应电势 6 2 1发送机ZKF的定子磁场 在ZKF与ZKB的整步绕组回路中产生电流 Z为ZKF相绕组的阻抗ZF ZKB相绕组的阻抗ZB和连接线的阻抗ZL之和 为相电流幅值 6 2 1发送机ZKF的定子磁场 图6 6定子磁场的分解与合成 x轴方向总磁通密度为 6 2 1发送机ZKF的定子磁场 利用三角公式 同理得y轴方向总磁通密度为 6 2 1发送机ZKF的定子磁场 6 2 1发送机ZKF的定子磁场 由上面的分析结果 可得出结论 1 定子合成磁场仍为脉振磁场 2 合成磁场总是位于励磁绕组轴线上 即与励磁磁场在同一轴线上 其幅值为 3 合成磁场磁通密度的幅值为 合成磁场空间位置不变 磁场大小为时间的函数 所以定子合成磁场仍为脉振磁场 6 2 2接收机ZKB的定子磁场 因ZKB的三相绕组与ZKF的三相绕组中流过的是同一电流 故ZKB的定子合成磁场也是脉振磁场 其大小与ZKF的定子合成磁场相等 轴线与相绕组轴线的夹角也为 但由于电流方向相反 所以合成磁场的方向与的方向相反 如图6 7所示 很明显 ZKB的定子绕组为原边 转子单相绕组为副边 由于ZKB的副边输出绕组轴线与定子相绕组轴线的夹角为 所以定子合成磁场的轴线与输出绕组轴线的夹角为 也就是发送轴与接收轴的转角差 图6 7自整角机定 转子磁场关系 6 2 3ZKB的输出电动势 若将转子由原先规定的起始协调位置转过90 电角度 图6 8控制式自整角机的协调位置 则ZKB的输出电压为 当ZKB定子合成磁场的轴线与输出绕组轴线的夹角时 合成磁场在输出绕组中感应电动势的有效值为 6 2 3ZKB的输出电动势 图6 9ZKB的输出电动势 6 2 4小结 综合以上分析将控制式自整角机的工作原理归纳如下 1 ZKF励磁磁场是脉振磁场 ZKF定子各相绕组的感应电动势在时间上同相位 其有效值与定 转子的相对位置有关 2 在ZKF定子绕组感应电动势作用下 两自整角机绕组中的相电流总是大小相等 方向相反 3 在自整角机控制式运行时 将ZKB起始协调位置规定为与绕组轴线垂直的位置 协调时输出电动势 输出绕组轴线相对协调位置的转角称为失调角 4 输出绕组的电压为 在失调角很小时 当出现失调时 自整角机输出电压经放大后带动伺服机转动直至失调角为零 6 3控制式自整角机的差动运行 在随动系统中 有时需要传递两个转轴的角度和或者角度差 这就要在上述控制式自整角机对ZKF和ZKB之间串入一台差动发送机ZKC 作差动运行 图6 10带有ZKC的控制式自整角机原理图 6 3 1工作原理 在ZKB输出绕组中感应电动势为 该电动势经放大器放大后 加到交流伺服电动机的控制绕组 交流伺服电动机就带动ZKB按顺时针方向转动至输出电动势 因ZKC转子三相绕组和ZKB定子三相绕组对应连接 所以它们对应相的电流大小相等 方向相反 该电流在ZKB定子绕组中产生的磁场与相轴线的夹角为 实现了两发送轴角度差的传递 如ZKC按逆时针方向转 可实现两发送轴角度和的传送 6 3 2控制式差动发送机的应用 图6 11火炮相对于罗盘方位角的控制原理图 上述系统中尽管舰艇的航向不断变化 但火炮始终能自动对准某一目标 6 4控制式自整角机的性能指标 6 4 1误差概述 当控制式自整角机的失调角很小时 ZKB的输出电压为 在协调位置时 实际上由于结构和工艺上的各种因素 即使在协调位置 输出绕组中仍存在电压 图6 12输出电压相量图 分解成二个分量 6 4 2控制式自整角机的主要技术指标 1 电气误差 2 零位电压 接收机转子与发送机转子处于协调位置时输出绕组出现的端电压叫零位电压一般有50 180mV的残余电压 控制式自整角机的零位电压 3 比电压 比电压大同样大小的失调角所获得的信号电压也大 因此系统的灵敏度高 4 输出相位移 输出相位移是指ZKB输出电压的基波分量对ZKF励磁电压基波分量的时间相位差 目前 国产ZKB的输出相位移为2 20 5 速度误差 当转子转速较高时产生一定的速度误差 6 4 2控制式自整角机的主要技术指标 6 5力矩式自整角机 6 5 1力矩式自整角机的工作原理 图6 13力矩式自整角机的原理图 应用叠加原理分别考虑ZLF励磁磁通和ZLJ励磁磁通的作用 所以ZLF和ZLJ同时励磁定子绕组所产生的合成磁场应该是和的叠加 图6 14转子电流与定子磁场相互作用产生转矩 6 5 1力矩式自整角机的工作原理 为分析方便将ZLJ中的分解成两个分量 则 6 5 1力矩式自整角机的工作原理 在该转矩作用下使失调角减小 当其为零后 转矩为零使ZLJ转子轴线停止在与ZLF转子轴线一致的位置上 称为整步转矩 6 5 2力矩式自整角机的差动运行 当需要指示的角度为两个已知角的和或差时 可以在一对力矩式自整角机之间加入一台力矩式差动发送机ZCF 构成差动发送机系统 也可以在一对力矩式自整角机之间加入一台力矩式差动接收机ZCJ 构成差动接收机系统 在随动系统中 通常采用差动发送机系统 在差动发送机系统中 力矩式差动发送机ZCF的结构与控制式差动发送机ZKC极为相近 转子采用隐极式 且定转子都有三相对称绕组 ZLF和ZLJ的励磁绕组接同一交流电源励磁它们的整步绕组分别与ZCF的定子和转子三相绕组对应连接 图6 15带有ZCF的力矩式自整角机系统 6 5 2力矩式自整角机的差动运行 若ZLF和ZKC的转子异向偏转时 则能实现两角之和的传送 6 5 3力矩式自整角机的主要技术指标 1 静态误差 发送机处于停转或转速很低时的工作状态称为静态 在理想情况下 接收机应与发送机转过相同的角度 但由于接收机轴上存在摩擦转矩和阻尼转矩 所以使两机的转角出现差值 把静态空载运行而达到协调位置时 发送机转子转过的角度与接收机转子转过的角度之差称为静态误差 静态误差通常用度或角分表示 它决定接收机的精度 根据静态误差的大小可分为三个精度等级 0级为0 5 1级为1 2 2级为2 在协调位置附近 失调角为1 时接收机轴上所产生的整步转矩 即 比整步转矩越大 其整步能力越强 静态误差越小 所以比整步转矩是ZLJ的一项重要性能指标 一般产品数据中均列出它的数值 3 零位误差 当ZLF的转子励磁后 在理论上 从线电动势为零的某一位置 基准零位 开始 转子每转过60 整步绕组中必有一线电动势 或或 为零 此位置称为理论电气零位 但是由于设计 工艺 材料等因素的影响 实际电气零位与理论电气零位存在着差异 两者之差称为力矩式自整角机的零位误差 6 5 3力矩式自整角机的主要技术指标 6 5 3力矩式自整角机的主要技术指标 4 阻尼时间 指强迫接收机转子失调 177 2 放松后 经过衰减振荡达到协调位置时所需要的时间 按规定阻尼时间不应大于3s 阻尼时间越短 表示接收机的跟随性能越好 为此 在力矩式接收机中通常都装有阻尼绕组 也有的装有机械阻尼器 6 5 4力矩式自整角机的应用举例 图6 16液面位置指示器1 浮子 2 平衡锤 3 自整角发送机 4 自整角接收机 浮子随液面的高度升降将液面位置转换成发送机转子的转角 于是接收机转子就带动指针准确地跟随着发送机转子的转角变化而偏转 从而实现了远距离位置的指示 6 6直线自整角机 在同步随动系统中 有时要求系统作直线同步位移 如雷达直线测量仪中就采用直线自整角机 b 直线自整角机结构图 印刷电路板导线连接图 直线自整角机的工作原理与旋转式自整角机基本相同 印刷绕组基片通过两个圆盘轮绞动 当印刷绕组中通入交流电流时 定子各相绕组中感应与印刷绕组位置有关的电压 若定子三相绕组通电 印刷绕组作平行直线运动 其输出端就产生一个与位置有关的输出电压 利用一对这样的直线自整角机 就可实现两绞轮间的直线位移同步 1 3个凸极定子 2 磁回路 3 直线位移的印刷动子 6 7自整角机的选择和使用 力矩式和控制式自整角机各有不同的特点 选用时应根据电源情况 负载种类 精度要求 系统造价等方面综合考虑 6 7 1控制式和力矩式自整角机的特点及适用的系统和负载 控制式和力矩式自整角机的比较 6 7 2自整角机的选用 1 自整角机的技术数据 1 励磁电压 是指加在励磁绕组上 产生励磁磁通的电压 2 最大输出电压 是指额定励磁时 自整角机副边的最大线电压 3 空载电流和空载功率 指副边空载时 励磁绕组的电流和消耗的功率 4 开路输入阻抗 指副边开路 从原边 励磁端 看进去的等效阻抗 5 短路输出阻抗 指原边 励磁端 短路 从副边绕组两端看进去的阻抗 6 开路输出阻抗 指原边 励磁端 开路 从副边绕组两端看进去的阻抗 1 自整角机的励磁电压和频率必须与使用的电源符合 对尺寸小的自整角机 选电压低的比较可靠 对长传输线 选用电压高的可降低线路压降的影响 要求体积小 性能好的 应选400Hz的自整角机否则 采用工频比较方便 不需要专用中频电源 2 相互联接使用的自整角机 其对接绕组的额定电压和频率必须相同 3 在电源容量允许的情况下 应选用输入阻抗较低的发送机 以便获得较大的负载能力 4 选用自整角变压器和差动发送机时 应选输入阻抗较高的产品 以减轻发送机的负载 2 选用时应注意的事项 6 7 2自整角机的选用 1 零位调整 当自整角机在随动系统中用作测量差角时 在调整之前其发送机和变压器刻度盘上的读数通常需要进行调零 调零的方法是 转动发送机的转子使其刻度盘上的读数为零 然后固定发送机转子 再转动变压器定子 使变压器在协调位置时 刻度盘的读数也为零 并固定变压器定子 6 7 2自整角机的选用 3 使用中