自整角机演示幻灯片

第5章自整角机,5.1自整角机的类型和用途5.2自整角机的基本结构5.3控制式自整角机的工作原理5.5力矩式自整角机的运行5.6自整角机的选用和技术数据思考题与习题,自整角机属于自动控制系统中的测位用微特电机。自整角机若按使用要求不同可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两大类。若按结构、原理的特点又将自整角机分为控制式、力矩式、霍尔式、多极式、固态式、无刷式、四线式等七种。而前两种是自整角机的最常用运行方式。自整角机的结构和一般旋转电机相似，主要由定子和转子两大部分组成。定子铁心的内圆和转子铁心的外圆之间存在有很小的气隙。定子和转子也分别有各自的电磁部分和机械部分。,5.1自整角机的类型和用途,无论自整角机作力矩式运行或者是控制式运行，每一种运行方式，在自动控制系统中，自整角机通常必须是两个(或两个以上)组合起来才能使用，不能单机使用。若成对使用的自整角机按力矩式运行时，其中有一个是力矩式发送机(国内代号为ZLF，国际代号为TX)，另一个则是力矩式接收机(国内代号为ZLJ，国际代号为TR)；而成对使用的自整角机按控制式运行时，其中必然有一个是控制式发送机(国内代号为ZKF，国际代号为CX)，另一个则是控制式变压器(国内代号为ZKB，国际代号为CT)。,自整角机电气原理图（转子铁芯上布置单相绕组）,自整角机的电气原理如下图所示。定子铁心槽内布置有三相对称绕组。转子铁心上布置有单相绕组(差动式自整角机为三相绕组)。,差动式自整角机电气原理图（转子铁芯上布置三相绕组）,控制式自整角机的功用是作为角度和位置的检测元件，它可将机械角度转换为电信号或将角度的数字量转变为电压模拟量，而且精密程度较高，误差范围仅有314。因此，控制式自整角机用于精密的闭环控制的伺服系统中是很适宜的。,力矩式自整角机的功用是直接达到转角随动的目的，即将机械角度变换为力矩输出，但无力矩放大作用，接收误差稍大，负载能力较差，其静态误差范围为0.52。因此，力矩式自整角机只适用于轻负载转矩及精度要求不太高的开环控制的伺服系统里。,5.2控制式自整角机的工作原理,自动控制系统中的自整角机运行时必须是两个或两个以上组合使用。以控制式自整角机“ZKF”和“ZKB”成对运行为例来分析其工作原理。图5-11为它的工作原理电路图。图中左边为自整角机发送机(ZKF)，右边为自整角机变压器(ZKB)。ZKF和ZKB的定子绕组引线端D1,D2,D3和D1,D2,D3对应联接，被称为同步绕组或整步绕组。,图5-11,记住,ZKF的转子绕组Z1,Z2端接交流电压Uf产生励磁磁通密度，故称之为励磁绕组；ZKB的转子绕组通过Z1,Z2端输出感应电势E0，故被称之为输出绕组。为便于分析起见，ZKF的转子单相绕组（励磁绕组）轴线相对定子D1相绕组轴线的夹角用1表示，ZKB的输出绕组轴线相对ZKB的定子D1相绕组轴线的夹角用2表示，而且设图中的21。,图5-11,记住,图5-11控制式自整角机的原理电路图,返回,ZKF转子励磁绕组接通单相电压后，转子励磁绕组将流过电流产生脉振励磁磁场。,5.2.1转子励磁绕组产生的脉振磁场,关键,结论：励磁磁场的轴线就是励磁绕组的轴线。,单相绕组通过单相交流电流，在电机内部就会产生一个脉振磁场，这是一般交流电机的共性问题。,隐极转子励磁磁场分布,励磁电流和磁通密度分布曲线,单相基波脉振磁场(或磁密)的物理意义可归纳为如下两点：(1)对某瞬时来说，磁场的大小沿定子内圆周长方向作余弦(或正弦)分布；(2)对气隙中某一点而言，磁场的大小随时间作正弦(或余弦)变化(或脉动)。,5.2.2定子绕组的感应电流,在任意1角时，D1相绕组所匝链的励磁磁通幅值为：1=mcos1由于定子三相绕组是对称的，D2相绕组在此图中超前D1相绕组120，D3相超前D1相绕组240，所以它们分别和Bf轴线的夹角为(1+120)、(1+240)。这样三相定子绕组所匝链励磁磁通的幅值应为,1=mcos12=mcos(1+120)3=mcos(1+240),(5-3),图5-16定子绕组中的电流,以上磁通必然在定子三相绕组中感应电势，而且这种电势也是由于线圈中磁通的交变所引起的，所以也称为变压器电势，可得出自整角机定子绕组中各相变压器电势的有效值应为(并代入(5-3)式)E1=4.44fN1=Ecos1E2=4.44fN2=Ecos(1+120)E3=4.44fN3=Ecos(1+240),(5-4),返回,式中,N为定子绕组每一相的有效匝数；E为定子绕组轴线和转子励磁绕组轴线重合时该相电势的有效值，也是定子绕组的最大相电势。由式(5-4)知E=4.44fNm。,(5-6),设定子三相绕组为对称绕组，各相阻抗为Z。则三相对称电流为：,5.2.3定子电流产生的磁场,结论：,(1)定子三相合成磁密向量与励磁绕组轴线重合,但和反向。由于励磁绕组轴线和定子绕组D1相轴线的夹角为1,因此定子合成磁场的轴线超前D1相轴线(180-1)。,(2)由于合成磁密在空间的幅值位置不变,且其长度(即模值)是时间的正弦(或余弦)函数,故定子合成磁场也是一个脉振磁场。,(3)定子三相合成脉振磁场的幅值恒为一相磁密最大值的3/2倍,它的大小与转子相对定子的位置角1无关。,图5-19控制式自整角发送机、变压器的定子合成磁场,定子三相合成磁场轴线之所以在励磁绕组轴线上,是由于定子三相是对称的。据变压器磁势平衡的理论,ZKF的定子合成磁场必然对转子励磁磁场起去磁作用。因此,自整角机发送机的定子合成磁场的方向必定与转子励磁磁场方向相反,如图5-19所示。ZKF与ZKB的定子三相绕组对应连接，两定子绕组的相电流大小相等、方向相反，因此两相定子合成脉动磁场和相对定子绕组位置的方向也相反，如图5-19所示。,5.2.4ZKB转子输出绕组的电势,若ZKF的转子绕组轴线与定子D1相绕组轴线空间夹角为1时,励磁磁通在D1相绕组中感应的变压器电势为：E1=E1maxcos1。同理,当ZKB的定子合成磁场的轴线与输出绕组轴线空间夹角为=2-1时,合成磁场在输出绕组中感应的变压器电势有效值为E2=E2maxcos(5-11),式中，E2max为ZKB输出绕组感应电势的最大值，由于励磁电压Uf一般为固定值,E2max为一常数。,协调位置：,随动系统常用到协调位置这一术语。规定输出电势E2为零时的转子绕组轴线为控制式自整角机的协调位置。即图5-20中落后ZKB定子合成磁场90o的位置为协调位置（用相量表示）。,图5-20控制式自整角机的协调位置,失调角：,转子偏离协调位置的角度定义为失调角。图5-20可见，代入式5-11得：,E2=E2maxcos(90-)=E2maxsin(5-12),图5-21控制式自整角机的输出电势,若角用弧度作单位而且角又很小时,数学上可以令sin。例如,在=010(即00.17453rad)时,用代替sin所造成的误差不大于0.51%；在=020(即00.34907rad)时误差不大于2.02%。失调角较小时,可近似认为公式E2=E2max成立,即认为输出电势与失调角成正比。这样输出电势的大小就直接反映了发送机转轴和接收轴(随动系统中,自整角机变压器的转轴就是接收轴)之间差值的大小。,注意：,以上所分析的内容就是控制式自整角机的工作原理。简单归纳如下：(1)ZKF的转子绕组产生的励磁磁场是一个脉振磁场,它在发送机定子绕组中感应变压器电势。定子各相电势时间上同相位,其有效值与定、转子间的相对位置有关。(2)ZKF定子合成磁场的轴线与转子励磁磁场的轴线重合,但方向恰好相反。(3)ZKF和ZKB的定子三相绕组对应联接,两机定子绕组的相电流大小相等、方向相反,因而两机定子合成磁场相对自己定子绕组位置的方向也应相反。,(4)ZKB的输出电势的有效值E2=E2maxsin,其中叫失调角。失调角=90-,角是实际ZKB转子绕组轴线(Z2Z1方向)偏移(超前)协调位置(方向)的角度(取正号)(图5-20所示)。协调位置为输出电势等于零的位置。在失调角比较小时,U2=U2max,这里的单位取弧度(rad)。,输出电压和失调角的关系为U2=U2maxsin,在角很小时,U2=U2max；即此时可以用正弦曲线在=0处的切线近似地代替该曲线,如下图所示。该切线的斜率称为比电压或电压陡度,其值等于在协调位置附近失调角变化1时输出电压的增量,单位为V/()。目前国产自整角变压器的比电压的数值范围为0.31V/()。由下图可见,比电压大,就是上述的切线的斜率大,也就是失调同样的角度所获得的信号电压大,因此系统的灵敏度就高。,图,5.2.5控制式自整角机的主要技术指标比电压,图5-23输出电压在=0时的切线,返回,5.5力矩式自整角机的运行,一对力矩式自整角机的结构参数、尺寸等完全一样。假定图5-26中ZLF的转子励磁绕组轴线位置,是当两机加励磁后,由原来与ZLJ转子轴线相同的位置人为地逆时针方向旋转角的位置。当忽略磁路饱和时,可分别讨论ZLF和ZLJ单独励磁的作用,然后进行迭加。,图5-26,将ZKB的转子绕组也接入交流励磁电压，则ZKB的转子和ZKF的转子可以达到同步旋转或随动的目的。对应的两机分别称为力矩式发送机和力矩式接收机，其代号分别用ZLF和ZLJ表示。,5.5.1力矩式自整角机的工作原理,(1)只有ZLF励磁绕组接通电源,将接收机ZLJ励磁绕组开路。此时所发生的情况与控制式运行类似,即发送机转子励磁磁通在发送机定子绕组中感应电势,因而在两机定子绕组回路中引起电流,三相电流在发送机的气隙中产生与发送机方向相反的合成磁密,而在接收机气隙中形成与发送机的对应方向相反的合成磁密,这里任然用来表示,如图5-26所示。,图5-26,(2)只将ZLJ单独加励磁,发送机励磁绕组开路。同理,此时接收机中的情况与上述发送机中的情况一样,反之发送机中的情况又与上述接收机中的情况一样。亦即接收机定子三相电流产生的合成磁密与接收机的方向相反,而发送机定子合成磁密与接收机本身的合成磁密对应方向相反。如图5-26中的ZLF所示。,图5-26,(3)力矩式自整角机实际运行时,发送机和接收机应同时励磁,则发送机和接收机定子绕组同时产生磁密、,利用叠加原理可将它们合成。为了分析方便,把接收机中由ZLF励磁产生的磁密沿方向分解成两个分量：,图5-26,图5-26力矩式自整角机的工作原理图,返回,一个分量和转子绕组轴线一致，大小为，这样转子绕组轴线方向上定子合成磁密。的实际方向与接收机磁密相反，起去磁作用，不会使ZLJ的转子旋转；,另一个分量和转子绕组轴线垂直，大小为，和之间作用要产生转矩。转矩的方向是使角趋向于0。,工作原理：,ZLF转子一旦旋转一个角，ZLJ转子就会朝着使角减小的方向转动，当减小到零时，转矩等于零停止转动，以达到协调或同步的目的。,如果ZLF转子连续旋转，则ZLJ转子便跟着转动，就实现了“转角随动”的目的。实质上这个“转角随动”的过程，就是不断失调又不断协调的过程，也叫自动协调或自整角过程。,5.5.2力矩式自整角机的失调角和协调位置,整步转矩：,力矩式自整角机的接收机转子在失调时能产生转矩T来促使转子和发送机转子协调，这个转矩是由电磁作用产生的，称之为整步转矩。由于磁密起了关键作用，故整步转矩与成正比，即,（5-15）,协调位置：,因为时，所以当ZLJ的转子受到的转矩为零时，称自整角发送机与接收机处于协调位置（用相量表示）。,失调角：,当时称自整角发送机与接收机失调，角就称为失调角。,比整步转矩：,当失调角为1o（即0.017453rad）时，力矩式自整角机所具有的整步转矩称为比整步转矩，用表示，即,注意：比整步转矩越大，整步能力也越强，所以值是力矩式自整角接收机的一项重要性能指标。为了拖动负载，发送机和接收机之间必然保留一定的失调角。,5.5.3减少振荡的措施,按照式5-15,当达到协调位置即=0,T=0时,接收机理应停转,但实际上由于接收机转子(包括负载)具有惯性,它并不立即停在协调位置,而是超越此位置,使失调角相对变成负值,整步转矩T也就随之改变了转向,从而使接收机反转。反转后,又由于惯性,反转也会越过协调位置这样周而复始地使接收机转子围绕协调位置作来回振荡,若不采取措施,振荡时间将很长。,问题提出：,措施：,阻尼装置有两种:一种是转子铁心中安置阻尼绕组,也称为电阻尼；另一种是在接收机的轴上装阻尼盘,又称机械阻尼。装置“电阻尼”或“机械阻尼”的目的是为了克服自整角机系统运行时的振荡现象。,接收机转子阻尼时间：,自整角机技术数据中常给出接收机转子阻尼时间的数值，它是一个测量值，其含义是：强迫自整角接收机失调时，放松后经过衰减振荡到稳定的协调位置时所需要的时间值。,力矩式自整角机广泛用作测位器。下面以测水塔水位的力矩式自整角机为例说明其应用。下图为测量水塔内水位高低的测位器示意图。图中浮子随着水面升降而上下移动,并通过绳子、滑轮和平衡锤使自整角发送机ZLF转子旋转。,返回,5.5.4力矩式自整角机的应用,据力矩式自整角机的工作原理知,由于发送机和接收机的转子是同步旋转的,所以接收机转子上所固定的指针能准确地指向刻度盘所对应的角度也就是发送机转子所旋转的角度。若将角位移换算成线位移,就可方便地测出水面的高度,实现远距离测量的目的。这种测位器不仅可以测量水面或液面的位置,也可以用来测量阀门的位置、电梯和矿井提升机的位置、变压器分接开关位置等等。,5.6自整角机的选用和技术数据,在自动控制系统中,如果遇到要求能够“自动跟随”(或同步随动)、远距离测量、伺服机构的远距离控制等情况时,理所当然应选用自整角机。在选择自整角机时,必然牵扯到自整角机本身的技术数据以及在选用中应注意的一些问题,以下分别介绍。,5.6.1自整角机的选用和技术数据,型号：,选择某自整角机时，一定要注意到该电机铭牌上的型号，根据该型号就可大体了解这台电机的运行方式和尺寸大小。,例如型号：36ZKF01；28ZKB02；70ZLJ01,说明：前两位数字表示机座号，数据大者电机直径大；中间三个字母表示产品名称代号；后两位数字表示性能参数序号。,自整角机的技术数据1.励磁电压它是加在励磁绕组上的电压。对于ZKF、ZLF、ZLJ而言,励磁绕组就是转子绕组；而对于ZKB,励磁绕组是相当于这里的定子绕组,则励磁电压是指加在定子绕组上的最大线电压,其数值与所对接的ZKF定子绕组的最大线电压一致。2.最大输出电压它是指额定励磁时自整角机副边的最大线电压。对于发送机和接收机均指定子绕组的最大线电势；对于ZKB,则指转子输出绕组的最大电势。,3.空载电流和空载功率空载电流和空载功率是指副边空载时,励磁绕组的电流和消耗的功率。4.开路输入阻抗它是指副边开路,从原边(即励磁端)看进去的等效阻抗。对于发送机和接收机是指定子绕组开路,从励磁绕组两端看进去的阻抗；对于ZKB是指输出绕组开路,从定子绕组两端看进去的阻抗。,6.短路输出阻抗它是指原边(励磁端)短路,从副边绕组两端看进去的阻抗值。7.开路输出阻抗它是指原边(即励磁端)开路,从副边绕组两端看进去的阻抗。,(1)具体是选择控制式或者选择力矩式自整角机,要根据实际需要和两种运行方式所具有的不同特点合理选择。表5-1对两种运行方式进行了比较。由表上分析可知,控制式自整角机适用于精度较高、负载较大的伺服系统。力矩式自整角机适用于精度较低的测位系统。(2)自整角机的励磁电压和频率必须与使用的电源符合。若电源可任意选择时,应选用电压较高、频率为400Hz的自整角机(因其性能较好,故体积较小)。,5.6.2选用中注意的问题,表5-1控制式自整角机和力矩式自整角机的比较,(3)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。(4)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。(5)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。,(6)当随动系统中自整角机在测位时,通常在调整以前,ZLF和ZLJ的刻度盘上的读数是不一致的,因此需要进行零位调整。调零的方法是：转动ZLF转子使其刻度盘上的读数为0；然后固定ZLF转子,再转动ZLJ定子,使ZLJ在协调位置时,刻度盘上的读数为0,再固定ZLJ定子。(7)发送机和接收机切勿调错。这是因为结构上,两者是有差异的;而且二者的参数也不尽相同,故二者也就不能互换。尤其是力矩式接收机本身装有阻尼装置,发送机则没装阻尼,这样如果两者接错,必然使自整角机产生振荡现象,影响正常运行。,思考题与